西门子S7-300 PLC综合教程

第一部分：基础知识篇

在开始学习编程之前，我们必须先了解S7-300的基本构成和概念,这就像学开车前要先认识汽车部件一样。

什么是PLC？

• 全称: Programmable Logic Controller,可编程逻辑控制器。
• 作用: 一种专为工业环境设计的数字运算操作电子系统，它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入/输出,控制各种类型的机械设备或生产过程。
• 简单理解: 工业现场的“大脑”，通过接收传感器信号（输入），根据预设的程序进行逻辑判断，然后控制电机、电磁阀、指示灯等设备（输出）。

S7-300 PLC的硬件构成

S7-300采用模块化设计，非常灵活,一个基本的系统由以下几个核心部分组成：

一个典型的S7-300系统配置示例：

+---------------------------------+
|          电源模块 (PS 307)      |
+---------------------------------+
|          CPU 315-2 DP           |
+---------------------------------+
| (如果模块多) 接口模块 (IM360/361) |
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|          数字量输入 (SM 321)     |
+---------------------------------+
|          数字量输出 (SM 322)     |
+---------------------------------+
|          模拟量输入 (SM 331)     |
+---------------------------------+
|          模拟量输出 (SM 332)     |
+---------------------------------+

S7-300的软件环境

• STEP 7: 这是西门子PLC的官方编程软件，用于所有S7-300/400系列。
  • 主要功能: 硬件组态、网络配置、编写程序（梯形图LAD、语句表STL、功能块图FBD）、调试、监控、归档等。
  • 版本: 常见的版本有 STEP 7 V5.5 SPx，以及与博途融合的STEP 7 Basic (针对S7-1200/1500)。
• S7-PLCSIM: S7-300的软件仿真器，它可以在没有真实硬件的情况下，在计算机上模拟PLC的运行，用于程序的初步测试和调试,非常方便。

第二部分：软件入门与编程篇

安装与新建项目

1. 安装软件: 安装 STEP 7 V5.5 和 S7-PLCSIM。
2. 新建项目:
   • 打开 STEP 7，选择 File -> New...。
   • 给项目命名，MyS7300_Project。
   • 在项目下，右键点击 Blocks，选择 Insert New Object -> S7 Program，这会自动创建一个包含 OB1, SDB1 等的标准程序块。

硬件组态

硬件组态是告诉软件你的PLC具体型号和配置了哪些模块。

1. 在项目树中，双击 Hardware 图标。
2. 在右侧的硬件目录中，依次展开 SIMATIC 300 -> RACK-300，将 Rail (导轨) 拖拽到左侧的窗口中。
3. 展开 PS-300，选择你的电源模块型号,拖拽到导轨的插槽1。
4. 展开 CPU-300，选择你的CPU型号,拖拽到插槽2。
5. 根据你的实际配置，依次添加IM、SM、FM、CP等模块到对应的插槽。
6. 组态完成后，点击 Save and Compile 按钮,编译无误后关闭硬件组态窗口。

三种基本编程语言

S7-300支持三种标准的编程语言,你可以根据习惯选择或组合使用。

我们以最常用的LAD（梯形图）为例进行讲解。

LAD编程基础

一个梯形图程序由网络组成,每个网络完成一个特定的逻辑功能。

• 电源轨: 梯形图两侧的垂直线，左侧为“左电源轨”或“L+”，右侧为“右电源轨”或“地”,电流从左流向右。
• 触点: 代表输入条件，如传感器、按钮的状态。
  • 常开触点: 在其线圈得电时闭合,符号：
  • 常闭触点: 在其线圈得电时断开,符号：
• 线圈: 代表输出结果，如控制继电器、指示灯、电机等。
  • 输出线圈: 当左侧逻辑为真时，线圈得电,符号：
  • 置位/复位线圈: 用于将某一位设置为1或0，并保持状态，符号：-(S)- / -(R)-

一个简单的“启动-停止”电路示例:

• 要求: 按下启动按钮，电机启动（指示灯亮）；按下停止按钮，电机停止（指示灯灭）,启动信号自锁。
• I/O分配:
  • 输入 I0.0: 启动按钮 (常开)
  • 输入 I0.1: 停止按钮 (常闭)
  • 输出 Q4.0: 电机/指示灯

梯形图程序:

Network 1: 电机启停控制
      |      |      |
      |      |      |
L+----| |----( )----| |----M
      |      |      |
      I0.0   Q4.0   I0.1
      启动   自锁    停止

程序逻辑解释:

1. 当按下启动按钮 I0.0 时，电流流过，使输出线圈 Q4.0 得电。
2. Q4.0 得电后，其常开触点 Q4.0 (在自锁回路中) 闭合。
3. 即使松开启动按钮 I0.0，电流也可以通过自锁回路 Q4.0 继续为 Q4.0 供电,保持电机运行。
4. 当按下停止按钮 I0.1 (常闭触点) 时，电路被断开，Q4.0 失电，电机停止，自锁回路也断开，松开停止按钮后,电机也不会再启动。

第三部分：核心指令与程序结构篇

常用基本指令

• 位逻辑指令: A (与), O (或), NOT (取反), X (异或)。
• 定时器指令: S7-300提供多种定时器。
  • SD型: 接通延时定时器。SD T1, 5s (当输入为1时，开始5秒计时，时间到输出为1)。
  • SF型: 断开延时定时器。SF T1, 5s (当输入从1变0时，开始5秒计时，时间到输出为1)。
  • SP型: 脉冲定时器。SP T1, 5s (当输入为1时，立即输出一个5秒的脉冲)。
• 计数器指令: S_CU (加计数器), S_CD (减计数器)。

数据类型与寻址

• 位: 存储单元中的某一位，如 I0.0 (输入字节0的第0位)。
• 字节: 8位，如 MB10 (存储区B的10号字节)。
• 字: 16位，如 MW10 (由MB10和MB11组成)。
• 双字: 32位，如 MD10 (由MB10到MB13组成)。
• 定时器字: 16位,用于存储定时器当前值。
• 计数器字: 16位,用于存储计数器当前值。

程序结构

为了使程序清晰、可复用，S7-300使用“块”的概念。

• 组织块: 由操作系统调用，用于处理事件，最重要的组织块是 OB1 (主循环组织块)，PLC上电后，会循环执行OB1中的程序。
• 功能块: 带有“背景数据块”，有记忆功能。FB41 (标准PID控制块)。
• 功能: 不带“背景数据块”，无记忆功能，类似于子程序。FC10 (一个自定义的加法运算)。
• 数据块: 用于存储数据。DB1 是系统数据块，存放硬件组态信息，用户可以创建自己的DB来存放变量。

创建并调用一个功能块:

1. 在 Blocks 文件夹上右键，Insert New Object -> Function Block，命名为 FB1_Motor_Control。
2. 在 FB1 的接口区定义输入、输出和临时变量。
3. 在 FB1 的网络中编写电机控制逻辑。
4. 在 OB1 的某个网络中，调用 FB1，并传递实际参数（如I/O地址）。

第四部分：调试与实战篇

下载程序到PLC

1. 硬件连接: 使用编程电缆（如USB/MPI适配器）将电脑与CPU的MPI/DP接口连接。
2. 设置PG/PC接口: 在STEP 7中，通过 Options -> Set PG/PC Interface 选择你使用的编程电缆。
3. 在线连接: 在项目树中，右键点击 Blocks 或 Hardware，选择 Online。
4. 下载: 如果连接成功，会显示PLC的在线状态，右键点击 Blocks，选择 Download,将硬件组态和程序下载到PLC中。

程序调试

• 监控/修改变量:
  • 在LAD/STL/FBD视图中，选中某个变量（如I0.0），右键选择 Monitor/Modify Variable。
  • 在弹出的窗口中，可以强制置位/复位该变量,观察程序运行结果。
• 断点: 在程序行左侧的灰色区域点击，设置断点，程序运行到断点时会暂停,便于观察中间状态。
• 跟踪: 使用 View -> Online -> Single Scan 或 Multiple Scan 来逐条或逐个循环地执行程序,跟踪逻辑变化。

一个综合实战示例：水箱水位控制

控制要求:

1. 水箱有高、中、低三个液位传感器（常开触点）。
2. 启动按钮按下后,进水泵开始注水。
3. 当水位达到中位时,进水泵停止。
4. 当水位低于中位时,进水泵再次启动。
5. 当水位达到高位时,报警灯闪烁并停止进水泵。
6. 停止按钮按下后,系统停止工作。

I/O分配:

• I0.0: 启动按钮
• I0.1: 停止按钮
• I0.2: 高位传感器
• I0.3: 中位传感器
• I0.4: 低位传感器
• Q4.0: 进水泵
• Q4.1: 报警灯

程序设计思路:

1. 在OB1中实现启停逻辑。
2. 使用I0.2和I0.3的状态组合来控制Q4.0。
3. 当I0.2为1时，置位一个内部标志位（如M10.0）并复位Q4.0。
4. 用M10.0来控制Q4.1（使用定时器实现闪烁效果）。

第五部分：进阶学习资源

当你掌握了以上基础后,可以继续探索以下领域：

1. PROFIBUS通信: 学习如何配置CPU和CP模块作为主站或从站,实现PLC之间的数据交换。
2. PID控制: 学习使用功能块FB41或FB58进行模拟量（如温度、压力、流量）的闭环控制。
3. WINCC组态: 学习使用西门子的上位机组态软件，创建人机界面,监控PLC数据。
4. SCL编程: 学习结构化控制语言，这是一种类似Pascal的高级语言,特别适合编写复杂的算法和数据处理程序。

学习建议

1. 理论与实践结合: 不要只看书，一定要安装STEP 7和PLCSIM，亲手去创建项目、编写程序、模拟调试。
2. 从简单开始: 先掌握最基本的启停、自锁、互锁，再逐步学习定时器、计数器和复杂逻辑。
3. 勤做笔记: 记录常用的指令、编程技巧和遇到的问题及解决方法。
4. 多看示例: STEP 7软件自带的示例程序是很好的学习材料。

希望这份详细的教程能帮助你顺利入门西门子S7-300 PLC！祝你学习愉快！