300应用教程通信与PID - 图文

第6章 PROFIBUS网络的组态编程与故障诊断

6.3 SIMATIC通信网络与通信服务 P202

工业以太网管理层工业以太网单元层现场设备层执行器-传感器层ProfibusProfibusAS-i

图6-10 SIMATIC NET

S7-0 P04/300L技用应C术0 P04/003-7SL技C应用术S7-0 P04/300L技C应用术S7-0 P04/300L技C应用术

图6-11 西门子的自动化通信网络

6.4 PROFIBUS网络与通信服务

6.4.1 PROFIBUS的物理层P202

VP390220RS-485总线段BAVP390220390DGND 电缆屏蔽层390DGND站1站2

图6-12 DP/FMS总线段的结构

网段两端的站需接入总线终端电阻中间的站点不能介入。 6.4.2 PROFIBUS的通信服务与协议结构 P206

1．PROFIBUS-DP(分布式外部设备)

用于PLC与分布式I/O（例如ET 200与变频器）的通信。 主站之间为令牌方式，主站与从站之间为主从方式。 2．PROFIBUS-PA(过程自动化)

用于过程自动化的现场传感器和执行器的低速数据传输，可以用于防爆区域的设备与PLC的通信。使用屏蔽双绞线电缆，由总线提供电源。

3．PROFIBUS-FMS (现场总线报文规范) 被以太网代替，已用得很少。 PROFIdrive，PROFIsafe，冗余控制 PROFIBUS FDL，最多240B，只能用于CP PG/OP通信服务、S7通信服务 6.4.5 PROFIBUS-DP设备P252

1．DP主站与DP从站

1类DP主站：系统的中央控制器

2类DP主站：DP网络中的编程、诊断和管理设备。 2．PROFIBUS通信处理器

CP 342-5，CP 342-5 FO，CP 443-5。

用于PC/PG：CP 5613，CP 5611。CP 5511，CP 5512 3．安装在控制柜内的ET 200，防护等级为IP 20

除了注明的，均可以接PROFIBUS-DP和PROFINET网络。

ET 200SET 200SET 200ispET 200ProET 200ProET 200SPET 200SPET 200MET 200MET 200eco PNET 200ecoET 200eco

ET 200SP：最多64个I/O 模块，直插式端子，支持热插拔。

ET 200S：功能全面的模块化分布式I/O。有各种模块、电动机起动器和变频器等。每个站最多63个I/O模块。可安装于危险区域（Zone 2）。

ET 200M：采用通用的S7- 300 I/O模块，支持冗余系统和热插拔，最多12个模块。

ET 200iSP：用于危险区域本质安全型I/O系统，只能用于PROFIBUS-DP，可连接有爆炸危险区域的设备。支持冗余系统，最多32个电子模块。 2．不需要控制柜的ET 200，IP65/67高防护等级

ET 200pro：多功能模块化分布式I/O。有电动机起动器、变频器、集成了安全技术，支持热插拔。

ET 200eco：带PROFIBUS-DP接口的数字量I/O模块，故障安全模块。 ET 200eco PN：带PROFINET接口的紧凑型I/O功能块。

6.5 主站与标准DP从站通信的组态

6.5.1 组态PROFIBUS-DP网络 P212 优点：只需组态，不用编程，简单方便。

从站：ET 200、变频器、变送器等。其他厂家的从站设备需安装GDS文件。 6.5.2 主站与ET 200通信的组态 例程“ET200”。Pack Addressis

ET 200B和ET 200M，从站地址自动统一分配。 6.5.3 安装GSD文件 P215

例程“EM277”，安装GDS文件时，必须关闭所有包含DP从站的项目。 如果设置8B Out/8B In，V区的I/O偏移量为100，VB100～VB107是S7-300写到S7-200的数据，对应于S7-300分配给从站的Q区；VB108～VB115是S7-300从S7-200读取的数据，对应于S7-300分配给从站的I区。

S7-300QB0~QB7IB0~IB7S7-200VB100~107VB108~115

6.6 DP主站与智能从站通信的组态与编程

6.6.1 DP主站与智能从站主从通信的组态 P216 例程PB_MS_1 6.6.2 设计验证通信的程序

6.6.3 用SFC 14和SFC 15传输一致性数据 P221 例程PB_MS_2

图6-40 DP主站与智能从站的数据传输

6.7 PLC与变频器DP通信的组态与编程

6.7.1 S7-300与变频器DP通信的组态 P222

USS、Modbus RTU

变频器需要安装CBP或CBP2通信板，过程数据PZD和参数数据PKW总称为参数过程数据对象（PPO）。常用PPO3，PPO1可在运行时读写变频器参数。 过程数据PZD是主站发送给变频器的控制字和主设定值，以及变频器返回给主站的状态字和主实际值。额定频率对应于16#4000。

表6-6 过程数据中的控制字

位 0 1 2 3 4 5 6 7

表6-7 过程数据中的状态字

位 意 义 0 开机准备好 1 运行准备就绪 位 意 义 8 为0时频率设定值与实际值偏差过大 9 PZD控制请求 意 义 上升沿起动/为0时为OFF1（斜坡下降停车） OFF2，为0时惯性自由停车 OFF3，为0时快速停车 逆变器脉冲使能，运行的必要条件 斜坡函数发生器使能 为0时斜坡函数发生器保持 设定值使能 上升沿时确认故障 位 意 义 8 正向点动，第0位应为0 9 10 11 12 13 14 15 反向点动，第0位应为0 由PLC进行控制 顺时针旋转磁场使能 反时针旋转磁场使能 用电动电位计升速 用电动电位计降速 为0时为外部故障命令 2 3 4 5 6 7

正在运行 故障信号 为0时已发出OFF2关机命令 为0时已发出OFF3关机命令 开机封锁信号 有报警信息 10 11 12 13 14 15 实际频率大于等于设定值 中间回路低电压故障 主接触器合闸 斜坡函数发生器被激活 为1时为顺时针旋转磁场 动能缓冲或柔性跳闸激活 6.7.3 S7-300与变频器的DP通信实验

例程Convert，控制字16#0403=2#0000 0100 0000 0011的第10位为1，表示PLC控制。设置控制字的第0位控制电动机的起动和停止，第1位控制电动机的旋转方向。

状态字16#5334=2#0101 0011 0011 0100表示变频器正在运行，未发出OFF2和OFF3关机命令，频率偏差未超出运行值，PZD控制请求，主接触器合闸，顺时针旋转。

图6-49 用变量表监控过程数据PZD

写入控制字16#0400，电动机减速后停机。参数设置单元显示o009（开机准备好）。

图6-50 用变量表监控过程数据PZD

6.8 DP网络其他通信方式的组态与编程

6.8.1 S7通信的组态与编程 P226 可用于MPI、DP和以太网。

使用USEND/URCV的S7-400通信，可以进行快速、不可靠的数据传送。 使用BSEND/BRCV的S7-400通信，可以进行快速、可靠的数据传送。 使用PUT/GET，S7-400 的SFB PUT/GET最多可以读、写4组数据。 项目S7_DP，网络配置文件为“标准”。组态S7单向连接。S7-300和S7-400分别作为服务器（Server）和客户机（Client），通过集成的DP接口通信，S7-400调用SFB PUT/GET。

仿真实验，生成两个仿真PLC。

6.9 使用STEP 7和中断组织块诊断故障 P232

6.9.1 与DP通信有关的中断组织块

1．诊断中断（OB82）

具有诊断功能的模块启用了诊断中断，故障出现和消失各调用一次OB82。 2．优先级错误中断（OB85）

由于通信的原因，模块不存在或有故障，刷新过程映像表时I/O访问出错。 可设置3种调用OB85的方式。

3．机架故障或分布式I/O站故障中断（OB86）

如果有扩展机架、DP从站、PROFINET IO设备、网络故障，将调用OB86。故障出现和消失各调用一次。

4．I/O访问错误中断（OB122）

用PI/PQ地址区访问有故障的I/O模块、DP从站，每个扫描周期调用一次OB122。

5．故障处理中断组织块的作用

出现故障时，如果没有生成和下载有关OB，CPU将切换到STOP模式。 可在OB中记录调用次数，保存OB的局部变量，调用SFC 13读取诊断数据。

6.9.2 DP从站的故障诊断

1．用仿真软件模拟DP从站的故障

例程DP诊断，3号和4号DP从站为ET 200B和ET 200M。

模拟从站故障和网络故障。 2．用快速视图诊断故障

故障模块列表，在线帮助中的诊断符号。

3．用CPU的诊断缓冲区诊断故障

硬件实验：4号从站的模块信息对话框

5．OB86的程序设计

OB86的作用：记录中断次数，保存OB86的局部变量 6．OB86的局部变量分析

6.9.3 DP从站中的信号模块的故障诊断 P296 1．组态信号模块的诊断功能 2．编写OB的程序 3．用快速视图诊断故障 4．用诊断缓冲区诊断故障

5．用诊断视图诊断故障模块 6．OB82的局部变量中的故障信息 7．AO模块故障诊断的硬件实验

图7-17 AO模块的模块信息对话框

诊断实例：烧电焊烧坏了DP接头、通讯板和触摸屏的通讯口。 检查方法：一次只接一个站。

6.10.2 用报告系统错误功能诊断故障

硬件PLC的报警消息

3．用WinCC显示报警消息

SIMATIC管理器

报警控件显示的硬件PLC触发的消息

7.3 故障诊断的其他问题

7.3.1 用模块上的LED诊断故障

7.3.2 编程错误的诊断 1．程序结构

OB1通过I0.0调用FC 1，FC1中访问未定义的数据块地址。 2．仿真实验

诊断缓冲区中的错误信息，点击“打开块”按钮，打开“堆栈”选项卡。 生成空的OB121并下载。 7.3.3 项目的上载

第7章 其他网络通信

8.1 工业以太网与PROFINET

7.1.1 工业以太网概述 P249

工业以太网可以实现管控一体化，集成到互联网。1024站，1电气网络.5km，光纤网络200km，10M /100Mbit/s。

PROFINET的实时通信响应时间约为10ms，同步实时功能响应时间小于1ms，波动小于1μs。

工业以太网被交换模块划分为若干个网段，每个网段都能达到网络的整体性能和数据传输速率，在多个网段中可以同时传输多个报文。

全双工模式不会发生冲突，传输速率加倍。可以构建环形冗余工业以太网。最大网络重构时间为0.3秒。

7.1.2 以太网的地址

1．MAC地址

MAC地址也叫做物理地址、硬件地址。物理层通过MAC地址来识别主机。MAC地址用6个字节十六进制数表示，例如00-05-BA-CE-07-0C。MAC地址具有全球唯一性。 2．IP地址

IP地址由32位二进制数组成，通常用十进制数表示，例如192.168.0.117。同一个IP地址可以使用具有不同MAC地址的网卡。 3．子网掩码

32位的子网掩码（Subnet mask）用于将IP地址分为子网地址和子网内节点的地址。

子网掩码255.255.255.0的高24位二进制数为1，表示子网地址为24位；低8位二进制数为0，表示子网内节点的地址为8位。

7.1.3 工业以太网的通信服务

1．S5兼容的通信服务

以太网的TCP/IP、ISO传输、ISO-on-TCP、UDP和DP的FDL连接。 2．IT通信服务 FTP（文件传输协议） 发送电子邮件（可以带附件） SNMP（简单网络管理协议） 2．OPC通信服务

7.1.4 用普通网卡实现计算机与S7-300的通信 P252 7.1.5 TCP连接通信的组态与编程

例程IE_TCP

7.1.6 基于工业以太网的PROFINET

PROFINETIO 控制器PC/PG管理员PROFINET工业以太网ET 200SRF 180C现场设备IO设备ET 200MIE/PBLinkPN IOIE/AS-iLinkPN IOPROFIBUSET 200pro带CP 343-1的S7-300AS-i

图7-10 PROFINET

例程315_2PN

第8章 S7-300/400在模拟量闭环控制中的应用

8.1 模拟量闭环控制与PID控制器

8.1.1 模拟量闭环控制系统的组成 P273

sp n( )ev n( )控制器mv n( )D/A mv t( )执行机构被控对象c t( )-pv n ( ) A/Dpv t( )测量与变送元件

图8-1 闭环控制系统方框图

8.1.3 PID控制器的数字化

2．PID控制器在连续控制系统中的表达式

1dev(t)mv(t)?KP[ev(t)?ev(t)dt?TD]?M (10-1)

TIdt?3．对比例控制作用的理解

图8-4 比例控制的阶跃响应曲线 图8-5 比例控制的阶跃响应曲线

4．对积分控制作用的理解

ev t( )ev n ( -1)ev n( )ev t( ) tTSnTS

图8-6 积分的近似运算 图8-7 PI调节器的阶跃响应曲线

此积分作用是消除稳态误差。积分作用本身具有严重的滞后特性，对系统的稳定性不利。PI组合的优点。

3．对微分控制作用的影响

dev(t)?ev(t)ev(n)?ev(n?1)??dt?tTs

ev t( ) ev n ( -1)ev n( ) tTS

图8-8 导数的近似计算

B被控量DCE给定曲线A微分分量

图8-9 PID控制器输出中的微分分量

误差的微分（一阶导数）就是误差的变化速率，误差增大时微分分量为正，反之为负。误差变化越快，微分分量的绝对值越大。

微分有超调和预测的作用，可以抵消滞后因素的影响，适当的微分作用可以减小超调量。微分作用过强有负面作用。

8.2 连续PID控制器FB 41 P280

在OB 100和OB35中调用FB41。通过框图理解输入、输出参数的意义。

PID参数整定的闭环实验方法 开环运行PID程序没有任何意义。

1）物理闭环：电热水壶温度控制，转速控制

2）用运算放大器为核心的模拟电路来代替被控对象，见《S7-1200 PLC编程及应用》第2版

C1R2R1R3C2R4D/APLCA/D

3）用我编写的子程序模拟被控对象，见《S7-200 SMART PLC编程及应用》 4）用软件模拟被控对象，纯软件闭环仿真。STEP7集成了PID控制参数赋值

工具。

8.3 PID控制器的示例程序

8.3.1 系统简介 P282

设定值PIDLMNINVDISV+PT3OUTV控制器-实际值PV_INPID控制器CONT_C过程对象

图8-11 闭环仿真系统的结构

过程对象FB100用来模拟3个串联的惯性环节和一个比例环节。 2．示例程序的结构

在OB1中，用T8和T9 产生周期为1min的方波。

OB100将FB41和FB100初始化。在OB35中调用FB 41（CONT_C）和FB100，

时间间隔为200ms。 8.3.2 程序设计

被控对象只有两个惯性环节，传递函数为(5s?1)(2s?1)

38.4 PID控制器的参数整定方法

8.4.1 PID控制器的参数整定方法 P288

1）首先采用PI控制器调节，观察阶跃响应的波形。 2）超调量太大应减小比例增益KP或增大积分时间TI。

3）被控量上升过于缓慢，过渡过程时间太长，应按相反的方向调整参数。 4）如果消除误差的速度较慢，可以适当减小积分时间，增强积分作用。 5）如果超调量仍然较大，可以加入微分作用。反复调节KP、TI和TD。 调节比例增益KP时，同时会影响到积分分量和微分分量的值。

采样周期Ts应保证不会因为采样点过稀而丢失被采集的模拟量中的重要信息。 减小增益、增大积分时间、适当调节微分时间可减小超调量。反应过慢应反向调节。微分不能过强。

8.4.2 PID控制器参数整定的仿真实验

打开项目“PID控制”，下载到PLCSIM。HW Config中OB35的周期为200ms。 打开PID控制参数赋值工具，选中“打开”对话框中的“在线”，打开已下载的项目“PID控制”，选中FB 41的背景数据块DB 41。

在参数赋值对话框启动监控曲线对话框，用“设置”对话框设置曲线参数。关修改PID参数后应下载到PLC。

闭曲线3，时间轴长度100s，曲线下限为0%。

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