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编辑推荐

　　《西门子PLC高级应用实例精解》附有配套资源，重点实例源程序，操作过程视频文件。

内容简介

　　《西门子PLC高级应用实例精解》通过实例伞面讲解两门子S7－200／S7－1200／S7－300 PLC的高级应用。内容包括梯形图的编程方法、PLC在过程控制中应用、PLC在运动控制中的应用、PLC的通信及其通信模块的应用、PLC在变频器调速系统中的应用、S7－200／S7－1200／S7－300 PLC的程序下载方法、PLC软件仿真和PLC故障诊断。书中实例都用工程实际的开发过程详细介绍，便于读者模仿学习。每个实例都有详细的软件、硬件配置清单，并配有接线图和程序。《西门子PLC高级应用实例精解》所附配套资源中有重点实例源程序和操作过程视频文件。
　　《西门子PLC高级应用实例精解》既可供PLC工程技术人员阅读，也可供高校教师和学生参考。

内页插图

目录

前言
第1章 梯形图的编程方法 1
1.1 功能图 1
1.1.1 功能图的画法 1
1.1.2 梯形图编程的原则 4
1.2 逻辑控制的梯形图编程方法 6
1.2.1 经验设计法 7
1.2.2 流程图设计法 8

第2章 PLC在过程控制中的应用 14
2.1 PID控制简介 14
2.2 利用PID指令编写电炉的温度控制程序 16
2.2.1 利用S7-200 PLC进行电炉的温度控制 16
2.2.2 利用S7-300 PLC进行电炉的温度控制 25
2.3 利用FM355S闭环控制模块对电炉进行温度控制 31
2.4 利用PID指令编写水箱的水位控制程序 40

第3章 PLC在运动控制中的应用 44
3.1 PLC在步进电动机控制中的应用 44
3.1.1 直接使用PLC的高速输出点控制步进电动机 44
3.1.2 使用定位模块控制步进电动机 66
3.2 PLC在伺服控制中的应用 75
3.2.1 直接使用PLC的高速输出点控制伺服系统 75
3.2.2 使用现场总线控制伺服系统 79

第4章 PLC的通信及其通信模块的应用 90
4.1 通信基础知识 90
4.2 PPI通信 94
4.2.1 PPI协议 94
4.2.2 两台S7-200 PLC之间的PPI通信 97
4.2.3 多台S7-200 PLC之间的PPI通信 103
4.3 自由口通信 108
4.3.1 自由口通信简介 108
4.3.2 S7-200 PLC之间的自由口通信 110
4.3.3 智能设备与S7-200 PLC之间的自由口通信 116
4.4 PLC的PRIFOIBUS现场总线通信 119
4.4.1 PRIFOIBUS现场总线概述 119
4.4.2 S7-200 PLC与S7-300 PLC间的现场总线通信 125
4.4.3 S7-300 PLC与S7-300 PLC间的现场总线通信 137
4.4.4 多台S7-300 PLC间的现场总线通信 148
4.4.5 S7-300 PLC与智能模块间的现场总线通信 162
4.5 MPI通信 169
4.5.1 MPI通信简介 169
4.5.2 S7-200 PLC与S7-300 PLC间的MPI通信 170
4.5.3 S7-300 PLC与S7-300 PLC间的MPI通信 177
4.5.4 S7-300/400 PLC与S7-400 PLC间的MPI通信 187
4.6 工业以太网通信 191
4.6.1 以太网通信简介 191
4.6.2 工业以太网通信简介 192
4.6.3 S7-200 PLC间的以太网通信 193
4.6.4 S7-200 PLC与S7-300 PLC间的以太网通信 206
4.6.5 S7-300 PLC间的以太网通信 214
4.6.6 S7-1200 PLC间的以太网通信 231
4.6.7 S7-200 PLC与S7-1200 PLC间的以太网通信 238
4.6.8 S7-300 PLC与S7-1200 PLC间的以太网通信 244
4.7 Modbus通信 250
4.7.1 Modbus基本知识 250
4.7.2 S7-200 PLC间的Modbus通信 251
4.7.3 S7-200 PLC与S7-1200 PLC间的Modbus通信 256

第5章 PLC在变频器调速系统中的应用 261
5.1 西门子M440变频器使用简介 261
5.1.1 认识变频器 261
5.1.2 西门子M440变频器使用简介 263
5.2 变频器多段调速 267
5.3 变频器模拟量调速 271
5.3.1 模拟量模块简介 271
5.3.2 电流信号调速（利用S7-200 PLC） 273
5.3.3 电压信号调速（利用S7-300 PLC） 275
5.4 变频器的通信调速 278
5.4.1 MM440变频器通信的基本知识 278
5.4.2 S7-200 PLC与MM440变频器的USS通信调速 281
5.4.3 S7-300 PLC与MM440变频器的现场总线通信调速 285
5.4.4 S7-300 PLC通过PROFIBUS现场总线修改MM440变频器的参数 291
5.5 综合应用 296

第6章 西门子PLC的其他应用技术 318
6.1 程序的下载方法 318
6.1.1 S7-200 PLC的程序下载方法 318
6.1.2 S7-300 PLC的程序下载方法 335
6.2 西门子PLC的故障诊断 343
6.2.1 S7-300 PLC使用状态和用出错LED进行诊断 343
6.2.2 使用STEP7的软件诊断功能进行硬件诊断 344
6.2.3 外部故障的排除方法 355
6.3 高速计数器的应用 358
6.3.1 高速计数器简介 358
6.3.2 高速计数器在转速测量中的应用 361
6.4 仿真软件的应用 363
6.4.1 S7-200 PLC的仿真软件的使用 364
6.4.2 S7-300 PLC的仿真软件的使用 365
参考文献 369

精彩书摘

　　4.闭环控制系统特点
　　控制系统一般包括开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统（Open-loop Control System）是指被控对象的输出（被控制量）对控制器（controller）的输出没有影响，在这种控制系统中，不依赖将被控制量反送回来以形成任何闭环回路。闭环控制系统（Closed-loop Control System）的特点是系统被控对象的输出（被控制量）会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈（Negative Feedback）；若极性相同，则称为正反馈。一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。可见，闭环控制系统性能远优于开环控制系统。
　　5.PID控制器的参数整定
　　PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性，确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有如下两大类：
　　一是理论计算整定法。它主要依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接使用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
　　二是工程整定法。它主要依赖于工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。这三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后的调整与完善。
　　现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：
　　1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作。
　　2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期。
　　3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

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前言/序言

　　随着计算机技术的发展，以可编程序控制器、变频器和计算机通信等技术为主体的新型电气控制系统已经逐渐取代传统的继电器电气控制系统，并广泛应用于各行业。由于西门子PLC具有卓越的性能，因此在工控市场占有非常大的份额，应用十分广泛。但相当多的读者反映：在学会了西门子PLC的入门知识之后，对于PLC的通信、PLC在过程控制中的应用和PLC在运动控制中的应用等“高级”技术还是无从下手，感觉很难。为此，我们在总结长期的教学经验和工程实践的基础上，联合相关企业人员，共同编写了本书，以期帮助广大读者更好地掌握相关知识。
　　本书与其他相关书籍相比，具有以下特点。
　　（1）用实例引导读者学习。本书内容全部用精选的实例进行讲解。例如，用实例说明现场总线通信实现的全过程。
　　（2）所有的实例都包含软硬件的配置方案图、接线图和程序。为确保程序的正确性，书中程序均在PLC上运行通过。
　　（3）对于比较复杂的实例，为便于读者学习，在本书所附配套资源中配有录像。如工业以太网通信的硬件组态较复杂，便配有组态过程的录像和程序源代码。
　　（4）本书实例容易进行工程移植。
　　全书共分六章。第1、3、4章由无锡职业技术学院的向晓汉编写；第2章由无锡小天鹅公司的李润海和无锡职业技术学院的向晓汉共同编写；第5章由无锡雷华科技有限公司的陆彬编写；第6章由无锡邦正自动化技术公司的晁广安和无锡职业技术学院的郑贞平编写。本书由向晓汉任主编，陆彬任副主编。陆金荣高级工程师任主审。在编写过程中，无锡职业技术学院机电教研室的教师对本书提出了许多宝贵的意见和建议，在此深表感谢！
　　由于编者水平有限，缺点和错误在所难免，敬请读者批评指正。

现代工业自动化控制的基石——深入剖析西门子PLC的强大力量与无限可能 在当今飞速发展的工业4.0时代，自动化和智能化已成为各行各业的核心驱动力。在这场技术革新浪潮中，可编程逻辑控制器（PLC）扮演着至关重要的角色，而西门子PLC，以其卓越的性能、强大的功能和广泛的应用领域，更是成为了现代工业自动化控制领域的翘楚。本书旨在引领读者深入探究西门子PLC的精髓，揭示其在复杂工业场景下的强大应用能力，并为广大工程师、技术人员和学生提供一本兼具理论深度与实践广度的参考指南。 本书并非停留在PLC的基础知识介绍，而是聚焦于西门子PLC的高级应用层面，通过一系列精心挑选的、贴近实际工业需求的案例，详细阐述其在不同行业、不同工艺中的集成与优化。我们深知，只有将理论知识与真实场景相结合，才能真正掌握PLC的强大之处，并将其转化为解决实际问题的利器。因此，本书的每一章节都紧密围绕着实际应用展开，力求让读者在阅读中体验到从理解到掌握，再到灵活运用的完整过程。 工业自动化控制的演进与西门子PLC的崛起 在工业自动化的发展历程中，PLC的出现无疑是里程碑式的事件。它取代了大量传统的继电器控制系统，不仅显著提高了控制的灵活性、可靠性和效率，更开启了智能化制造的新篇章。西门子作为全球领先的自动化解决方案提供商，其PLC产品线凭借着深厚的技术积累、持续的创新以及对工业需求的深刻洞察，在全球市场占据了举足轻重的地位。从早期的S5系列到如今的TIA Portal平台下的S7-1200、S7-1500等系列，西门子PLC不断推陈出新，性能日益强大，功能日趋完善，满足了从小型设备控制到大型复杂生产线集成的各种需求。 本书的独特视角与核心价值 与市面上大多数PLC教材侧重于基础指令和编程入门不同，本书的核心在于“高级应用实例精解”。我们认为，真正的PLC应用能力体现在能否将PLC的功能发挥到极致，解决诸如伺服驱动的精确运动控制、高级PID算法的温度或压力调节、复杂数据通信的处理、安全集成、故障诊断与预测性维护等挑战性问题。因此，本书的每一章节都围绕着这些高级应用展开，力求通过详尽的分析和实用的解决方案，帮助读者： 深入理解西门子PLC的软硬件架构与协同工作机制： 了解不同系列PLC的特点、优势以及在不同应用场景下的选择依据。深入剖析CPU模块、I/O模块、通信模块、HMI（人机界面）等组件的功能及其交互方式，为构建稳定高效的自动化系统奠定基础。 掌握西门子PLC的高级编程技术与优化策略： 突破基础的梯形图、指令表编程，学习结构化文本（SCL）、功能块（FB）、函数（FC）等高级编程语言的应用，实现代码的模块化、重用性和可维护性。探讨优化程序执行效率、减少资源占用的实用技巧。 精通复杂的控制算法在PLC中的实现： 详细讲解伺服和步进电机的精确运动控制，包括位置控制、速度控制、力矩控制等，并结合实际案例展示如何通过PLC实现复杂的轨迹规划和同步协调。深入探讨高级PID控制算法的应用，如自适应PID、模糊PID等，以实现对温度、压力、流量等关键工艺参数的精准稳定控制。 驾驭工业通信与网络集成： 掌握Profinet、Profibus等西门子主推的工业以太网和现场总线技术，了解不同通信协议的特点和应用场景。学习如何在PLC之间、PLC与上位机、PLC与第三方设备之间进行高效、可靠的数据交换，为构建分布式控制系统和MES（制造执行系统）提供支持。 实现人机交互的智能化与高效化： 结合西门子WinCC HMI组态软件，演示如何设计直观易懂、功能强大的操作界面，实现工艺参数的实时监控、报警管理、数据记录与报表生成，以及远程访问和诊断。 关注工业安全与可靠性： 深入探讨西门子PLC的安全集成功能（Safety Integrated），了解如何在自动化系统中实现安全联锁、急停、安全区域监控等，确保人员和设备的安全。学习PLC的故障诊断、报警处理以及冗余配置等技术，提高系统的稳定性和可靠性。 探索新兴技术在PLC中的融合： 展望PLC在物联网（IoT）、大数据分析、人工智能等前沿技术领域的应用潜力，例如通过PLC收集数据，与云平台进行交互，实现预测性维护和远程优化。 本书内容模块化与实例驱动 本书的结构设计充分考虑了读者的学习路径和实践需求，采用模块化设计，每个模块都围绕一个或一组相关的应用主题展开，并以真实世界的工业应用案例作为载体。 第一部分：西门子PLC系统架构与通信基础 本部分将首先对西门子S7系列PLC（特别是S7-1200和S7-1500）的硬件架构、软件环境（TIA Portal）以及核心通信协议（Profinet, Profibus）进行详细介绍。读者将了解不同PLC型号的性能指标、I/O扩展方式，以及如何通过TIA Portal进行项目配置、设备集成和网络规划。我们将通过实例演示如何在TIA Portal中构建一个基础的PLC项目，并实现PLC与HMI之间以及PLC与PC之间的通信。 第二部分：高级控制算法在PLC中的实践 这是本书的核心内容之一。我们将深入剖析伺服驱动的精确运动控制，从基础的步进和伺服驱动选型，到PLC程序中如何通过脉冲输出、PTO/PWM功能块，以及专门的运动控制指令（如MC_MoveAbsolute, MC_MoveVelocity等）实现复杂运动轨迹的控制。实际案例可能涵盖多轴联动、电子凸轮、同步带等应用。 接着，我们将聚焦于高级PID控制的实现。除了标准的PID算法，本书将详细讲解其在PLC中的参数整定方法，以及如何通过SCL或函数块实现更高级的PID变种，如增量PID、模糊PID等，并结合具体工艺（如恒温箱、压力控制系统）来展示其效果。 第三部分：工业通信与数据集成实战 本部分将深入探讨Profinet和Profibus的应用。我们将通过实例演示如何配置Profinet IO设备（如分布式I/O、变频器、HMI），如何进行数据映射和报文解析。对于Profibus，我们将讲解其在老旧系统中的应用以及与Profinet的互联互通。此外，还将涉及OPC UA等更通用的工业通信协议在西门子PLC中的集成，为实现更广泛的系统集成打下基础。 第四部分：HMI组态与可视化监控 本书将结合WinCC TIA Portal，详细讲解如何为PLC项目设计功能强大、界面友好的HMI。内容将涵盖画面设计、控件应用（按钮、滑块、趋势图、报警控件）、变量连接、数据记录、报表生成以及用户权限管理等。我们将通过案例展示如何构建一个完整的生产线监控界面，实现操作员对生产过程的直观掌握和高效干预。 第五部分：工业安全与故障诊断 本部分将聚焦于工业自动化系统的安全性和可靠性。我们将深入讲解西门子Safety Integrated的概念，介绍如何通过Failsafe CPU和安全I/O模块实现安全功能，并结合实例展示安全逻辑的设计与验证。同时，本书还将提供系统性的PLC故障诊断方法，包括硬件故障、软件故障、通信故障的识别与排除技巧，以及如何利用PLC的诊断功能和HMI的报警系统来快速定位问题。 第六部分：案例分析与综合应用 在本书的最后，我们将精选几个涵盖多个自动化子系统的综合性应用案例，例如： 智能仓储系统： 涉及AGV（自动导引车）的路径规划与调度、输送带与升降机的协同控制、RFID读写器的集成。 连续化工生产线： 涵盖多级反应釜的温度、压力、流量的精确控制，物料配比的精确计量，以及安全联锁和紧急停车系统的设计。 食品饮料自动化生产线： 涉及灌装、封口、贴标、包装等工序的同步协调，洁净区的环境控制，以及生产数据的实时采集与追溯。 这些案例将贯穿前面章节所介绍的各项高级技术，帮助读者将零散的知识融会贯通，形成解决复杂工业问题的能力。 本书的目标读者 本书的目标读者群广泛，包括但不限于： 工业自动化工程师： 希望提升PLC应用能力，掌握西门子PLC高级功能，解决复杂工程问题的工程师。 电气工程师： 需要设计、开发和维护自动化控制系统的工程师。 技术院校学生： 学习自动化、电气工程等相关专业的学生，希望深入了解PLC实际应用的学生。 PLC爱好者与自学者： 对PLC技术充满热情，希望系统学习西门子PLC高级应用的个人。 生产管理与维护人员： 需要理解自动化系统工作原理，以便更好地协调生产和进行设备维护的人员。 结语 西门子PLC作为现代工业自动化的中坚力量，其深厚的底蕴和不断进化的能力，为我们构建更智能、更高效、更安全的工业未来提供了无限可能。本书正是为了帮助您解锁这些潜能而精心编撰。我们相信，通过对书中详实案例的深入学习和实践，您将能够自信地应对各种工业自动化挑战，成为新时代工业自动化的杰出贡献者。让我们一同踏上这段探索西门子PLC高级应用的精彩旅程！