S7-200/S7-300 PLC基础及系统集成

本书以S7-200 PLC、S7-300 PLC为基础，采用案例带动知识点，全面细致地讲解了中小型PLC基础指令、程序编写、通信方式及系统设计与实现，并围绕S7-200 PLC、S7-300 PLC讲述了PLC及其关联设备的系统集成概念、系统集成方法及系统集成案例。
本书在内容安排上强调PLC及其系统集成的实际应用，紧密结合控制技术的新发展、新应用，案例丰富翔实，结构合理，可作为高校自动化类专业的教材，也可作为从事PLC、现场总线、系统集成等设计与应用开发技术人员的培训教材或参考资料。

前言
第1章PLC概述1
1.1PLC的产生与发展1
1.2PLC的特点与应用领域2
1.2.1PLC的特点2
1.2.2PLC的应用领域2
1.3PLC的分类与主要产品3
1.3.1PLC的分类3
1.3.2PLC的主要产品3
1.4PLC的基本结构及工作原理5
1.4.1PLC的基本结构5
1.4.2PLC的基本工作原理6
1.5PLC控制系统与继电器控制系统的比较7
1.6PLC的编程语言9
第一篇S7-200PLC基础
第2章S7-200PLC的硬件与编程资源12
2.1S7-200PLC的硬件12
2.1.1S7-200PLC的硬件结构12
2.1.2S7-200PLC的外部接线16
2.2S7-200PLC的编程元件18
2.2.1S7-200PLC的数据类型及寻址方式18
2.2.2S7-200PLC的编程资源20
2.3编程软件和程序结构22
2.4STEP7-Micro/WIN编程软件的使用23
2.4.1主界面的认识23
2.4.2程序编辑24
2.4.3程序的调试及监控27
第3章S7-200PLC的指令系统29
3.1位逻辑指令29
3.1.1标准触点指令29
3.1.2取反指令29
3.1.3边沿脉冲指令30
3.1.4置位/复位指令30
3.1.5立即指令31
3.1.6逻辑电路块的连接指令31
3.1.7堆栈操作指令32
3.2定时器指令33
3.3计数器指令34
3.4程序控制指令35
3.5数据处理指令38
3.6梯形图编程规则44
3.7S7-200PLC的基本编程环节46
3.7.1用标准触点指令实现一个脉冲输出电路46
3.7.2用一个按钮产生启动和停止信号电路46
3.7.3分频电路46
3.7.4单稳态电路47
3.7.5定时范围的扩展电路47
3.7.6闪烁电路49
3.7.7时序控制电路49
第4章S7-200PLC程序设计及其应用51
4.1程序设计方法51
4.2继电器控制电路移植法51
4.2.1两台电动机顺序控制的实现52
4.2.2星形三角形降压起动控制的实现54
4.3经验设计法57
4.3.1电动机正反转控制的实现57
4.3.2花样喷泉控制功能的实现61
4.4顺序控制设计法64
4.4.1液压动力滑台运动过程的实现64
4.4.2三台电动机顺序起停控制功能的实现68
4.5综合实例73
4.5.1闪烁电路在监控系统中的应用73
4.5.2自动打铃程序设计与实现74
4.5.3台车的呼车控制系统设计与实现77
第5章S7-200PLC的通信81
5.1S7-200PLC通信概述81
5.2PPI通信协议及其应用81
5.2.1PPI通信协议81
5.2.2S7-200PLC之间的PPI通信实现83
5.3Modbus通信协议及其应用87
5.3.1Modbus通信协议介绍87
5.3.2ModbusRTU通信88
5.3.3Modbus协议的安装90
5.3.4Modbus地址90
5.3.5S7-200PLC之间的Modbus通信实现92
5.4USS通信协议及其应用97
5.4.1USS通信协议及其相关指令97
5.4.2基于HMI的S7-200PLCUSS通信功能实现100
第二篇S7-300PLC基础
第6章S7-300PLC的硬件与编程资源107
6.1S7-300PLC系统简介107
6.2S7-300PLC系统组成107
6.2.1主要模块介绍108
6.2.2CPU的操作模式112
6.3STEP7编程软件114
6.3.1STEP7的安装114
6.3.2STEP7的硬件接口117
6.3.3STEP7的授权119
6.3.4创建一个工程119
6.3.5STEP7的程序块122
6.4简单项目的建立及运行123
6.4.1控制要求123
6.4.2硬件组态123
6.4.3程序编写125
6.4.4系统联调126
第7章S7-300PLC指令系统128
7.1数据及寻址地址128
7.1.1数据块（DB）128
7.1.2数据类型129
7.1.3地址区域135
7.1.4指令操作数136
7.1.5CPU中的寄存器137
7.1.6寻址方式137
7.2位逻辑指令141
7.2.1触点指令141
7.2.2置位和复位指令142
7.2.3RS和SR触发器142
7.2.4跳变沿检测指令143
7.2.5SET/CLR指令144
7.3定时器指令144
7.3.1脉冲定时器（SP）144
7.3.2扩展脉冲定时器（SE）145
7.3.3接通延时定时器（SD）146
7.3.4保持型接通延时定时器（SS）146
7.3.5断开延时定时器（SF）146
7.4计数器指令147
7.4.1加计数器（S_CU）147
7.4.2减计数器（S_CD）148
7.4.3加减计数器（S_CUD）149
7.4.4计数器的线圈指令150
7.5CPU时钟存储器150
7.6数据处理指令152
7.6.1传送指令152
7.6.2比较指令152
7.6.3数据转换指令153
7.7数学运算指令155
7.8控制指令159
7.8.1逻辑控制指令159
7.8.2程序控制指令160
7.9逻辑块160
7.9.1组织块及其应用160
7.9.2FC及其应用169
7.9.3FB及其应用176
第8章S7-300PLC程序设计及应用181
8.1程序结构181
8.2具有多种工作方式的机械手PLC控制系统的设计182
8.3多台设备报警控制系统的设计与实现192
8.3.1控制要求192
8.3.2硬件配置及系统资源的分配192
8.3.3程序实现194
8.3.4系统联调195
8.4基于模拟量的液位控制系统设计与实现196
8.4.1控制要求及硬件配置196
8.4.2硬件电路设计196
8.4.3电气原理接线图197
8.4.4程序结构198
8.4.5功能实现199
8.5基于PID的位置控制系统设计与实现202
8.5.1项目背景202
8.5.2硬件选型202
8.5.3电气原理接线图203
8.5.4项目结构及硬件组态要点203
8.5.5PID功能206
8.5.6触摸屏界面设计208
8.5.7系统功能的实现218
第9章S7-300PLC的通信220
9.1MPI通信协议及其应用220
9.1.1MPI通信协议220
9.1.2全局数据包通信220
9.1.3调用通信功能块通信224
9.2PROFIBUS通信协议及其应用227
9.2.1PROFIBUS通信协议227
9.2.2PROFIBUS的传输技术232
9.2.3PROFIBUS控制系统的配置235
9.2.4GSD文件237
9.2.5S7-300PLC之间的PROFIBUS-DP通信239
9.2.6S7-300PLC与MM420变频器的PROFIBUS-DP通信245
9.3工业以太网协议及其应用250
9.3.1工业以太网基础知识250
9.3.2工业以太网的现状与发展前景253
9.3.3S7-300PLC与ET200S的PROFINET通信255
第三篇自动控制系统集成
第10章控制系统集成及其方法264
10.1系统集成的概念264
10.2控制网络265
10.2.1网络节点266
10.2.2现场总线控制网络的任务266
10.3总线控制系统集成267
10.3.1现场总线控制系统集成框架267
10.3.2现场总线控制系统集成的原则268
10.4现场总线控制系统和网络的集成方法269
10.4.1FCS和DCS的集成方法269
10.4.2FCS和网络的集成方法271
10.4.3FCS和其他现场总线的集成方法273
第11章S7-300PLC与S7-200PLC的系统集成275
11.1基于PROFIBUS-DP的系统构建与运行275
11.1.1控制要求及硬件配置275
11.1.2从站的设置275
11.1.3主站的硬件组态276
11.1.4程序编写280
11.1.5系统联调280
11.2基于PROFINET的系统构建与运行280
11.2.1控制要求及硬件配置280
11.2.2S7-200PLC的通信配置281
11.2.3系统功能的实现286
第12章基于WinCC的异构网络系统集成288
12.1WinCC软件介绍288
12.2WinCC通信处理289
12.3S7-200PLC与S7-300PLC的系统集成289
12.3.1控制要求及硬件配置289
12.3.2S7-200PLC与WinCC通信的建立290
12.3.3S7-300PLC与WinCC通信的建立292
12.3.4系统功能的实现292
12.3.5系统联调294
12.4三菱Q系列PLC与S7-300PLC的系统集成295
12.4.1控制要求及硬件配置295
12.4.2GXDeveloper软件介绍296
12.4.3QPLC以太网通信298
12.4.4PLC与WinCC通信的建立300
12.4.5程序编写301
12.4.6系统联调302
第13章基于OPC技术的异构网络系统集成303
13.1KEPServer软件介绍303
13.2SIMATICNET软件介绍304
13.3基于KEPServer的FX2NPLC与S7-300PLC的通信系统305
13.3.1控制要求及硬件配置305
13.3.2S7-300PLC与服务器的通信建立305
13.3.3通信变量设置307
13.3.4PLC与KEPServer系统联调308
13.3.5WinCC与KEPServer通信建立309
13.3.6PLC之间的数据交换310
13.4基于SIMATICNET的OPC服务器与S7-300PLC的通信系统311
13.4.1控制要求及硬件配置311
13.4.2PC站的配置与组态311
13.4.3S7-300PLC项目设计317
13.4.4数据通信测试318
13.4.5WinCC与OPC服务器的连接320
13.4.6系统功能的实现321
第14章机加工自动生产线控制系统集成322
14.1系统方案设计322
14.2系统硬件配置及组态323
14.3RFID信息识别功能的实现325
14.4打标系统的集成327
14.5MES系统与PCS系统的集成330
14.6车间级物料小车控制系统集成331
14.7项目总结334
参考文献335

前    言
可编程序控制器（PLC）是一种以微型计算机为核心的通用工业控制器。从其产生发展到现在，其控制功能和应用领域不断拓展，实现了由单体设备的简单逻辑控制到运动控制、过程控制及集散控制等各种复杂任务的跨越。现在的PLC在模拟量处理、数学运算、人机接口和工业控制网络等各个方面的能力都已大幅提高，成为了工业控制领域的主流控制设备之一。
围绕PLC的应用，现场总线控制系统因其开放性、分散性以及完全可互操作性等特点，已成为未来新型工控领域的发展方向。现场总线技术是一种新型的工业控制技术，发展于20世纪80年代中期，用于工业生产现场，是一种在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实现双向、互连、串行、多节点的数字通信技术。90年代现场总线控制技术引入中国，结合Intranet和Internet的迅猛发展，日益显示出其传统控制系统无可替代的优越性，成为各大开发公司的争先研究热点之一。
现场总线技术的发展，进一步推动了工业控制系统数据交换与系统集成，但由于多种原因，目前多种现场总线协议标准共存是不争的客观事实，随着现场总线系统在工业企业中的广泛应用，对多种不同协议标准的现场总线之间实现相互信息交换已成为工业企业急需解决的问题。因此现场总线控制技术、系统集成技术及其应用的研究也一直是学术界和工程界研究的热点，研究解决不同现场总线系统及现场总线系统与其他系统之间的集成具有重要的实际意义。
随着工业生产规模的不断扩大，过程控制复杂程度大大提高，企业信息化建设需求明显，这使得工业控制向着综合自动化和信息化的方向发展。工业通信网络和系统集成技术，作为企业综合自动化和信息化的基础，是企业实现先进控制、过程优化和高效生产管理的技术保证，对工业自动化领域的发展起着举足轻重的作用。
工控网2013年发布的“2013中国PLC市场品牌占有率分析”文章显示，SIEMENS公司在小型PLC市场占据第一位，份额略超过30%；而中型PLC占到市场份额的65%，主导地位更是明显。不失一般性，本书围绕国内用量较大的S7-200/S7-300 PLC，讲解其软件系统、硬件组成、基本指令及应用，以及现场总线和系统集成等知识。
本书在编写时考虑到涉及的知识点多、内容广等特点，采用结合生产实际、以案例带动知识点的方式开展学习，并注重解决实际问题及如何使用目前工业领域广泛使用的现场总线的能力培养。
本书内容选择合理丰富、结构清楚、图文并茂、面向应用，适合大中专院校电气自动化、生产过程自动化、网络技术、楼宇自动化等专业作为教学用书，也可作为工程人员的培训教材或相关科研人员、电气设计人员的参考书。
全书分为三篇共14章。第一篇介绍S7-200 PLC软件系统、硬件结构、基本指令、通信协议及其应用；第二篇介绍S7-300 PLC软件系统、硬件结构、基本指令、通信协议及其应用；第三篇介绍系统集成技术及其应用，包括S7-200/S7-300 PLC的总线集成、不同的现场总线控制系统之间以及现场总线控制系统与信息网络之间的集成，案例涉及Profibus、Profinet、WinCC以及OPC等技术，它们对大中型PLC控制技术、现场总线控制技术及其系统集成技术的理论研究和工程应用具有一定的参考价值。
本书由无锡职业技术学院姚晓宁和郭琼老师担任主编，刘志刚老师担任副主编。无锡职业技术学院智能工程制造中心冯笠、秦爽和谢瑞等技术人员参与了本书的编写。在本书编写过程中，江苏锡恩智能工业科技股份有限公司吕中亮、陆路及姬世林三位工程师就本书内容的形成给出了许多宝贵的意见和建议，在此深表谢意。
本书在编写过程中参考了大量书籍、文献及手册资料，在此向各位相关作者深表感谢；同时由于作者水平有限，且控制技术及网络技术在不断地发展和完善，难免有以偏概全或不恰当之处，敬请读者批评指正。

编  者