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1、西门子自动化与驱动技术教育合作项目 全集成自动化(T I A)解决方案培训教材第一部分第一章全集成自动化(T I A)这个手册由西门子自动化与驱动集团教育合作部(automation and drive technology, Siemens A&D Cooperates with Education)以培训为目的编写。西门子对其内容不做任何形式的保证。手册的传播或者复制，包括其内容的使用与发表，仅作为公共教育及职业培训之用。其他情况需要西门子自动化与驱动集团教育合作部的书面许可（Knust先生，E-Mail:michael.knusthvr.siemens.de）。违者必究。西门子保留所有权
2、力，包括翻译，以及专利权、实用新型或外观设计专有权。感谢Michael Dziallas Engineering公司、职业学校的教师们，和其他有关朋友为本手册的编写做出的贡献。 目录：1.前言42.什么是全集成自动化（TIA）53各种不同的系统介绍73.1SIMATIC可编程序控制器73.1.1SIMATIC S7-20073.1.2SIMATIC S7-30083.1.3SIMATIC S7-40093.2工业通讯103.2.1工业以太网113.2.2PROFIBUS123.2.3AS-接口133.3人机界面 (HMI)143.4SIMATIC 工业软件153.4.1STEP 7153.4.
3、2S7-GRAPH编程语言163.4.3S7-HiGRAPH编程语言（状态图形）173.4.4S7- SCL语句表编程语言183.4.5Soft- PLC SIMATIC WinAC basis19Controlling19Visualization20Computing20Networking203.4.6SIMATIC ProTool / Pro213.4.7人机界面系统SIMATIC WinCC223.5.驱动技术243.6.Operation and installation technology27下面的符号代表的含义：信息全集成自动化培训手册第 3 页 共 28 页第一部分第一章最
4、终修订: 08/2004全集成自动化 (T I A)1.前言基本STEP 7 编程2-3天第一部分STEP 7 编程晋级2-3天第二部分工业总线系统2-3天第四部分序列编程2-3天第三部分过程可视化2-3天第六部分SIMATIC S7 IT-通讯1-2天第五部分第一部分第一章作为STEP 7编程的基础，讲解怎样快速的开始STEP-7的编程。学习目的： 本文引入了全集成自动化（TIA）的概念。因此读者应该对这种全集成自动化的几个部分有一个整体的了解。这些部分的应用程序将在下面的章节中加以说明。 基本条件：这一章中用不到应用软件，因此完成这一章没有什么特殊的需要。需要的硬件和软件： 专用的硬件和软
5、件不在这里使用，这一章是从理论上讲解。 全集成自动化培训手册第 4 页 共 28 页第一部分第一章最终修订: 08/2004全集成自动化 (T I A)2.什么是全集成自动化（TIA）全集成自动化立足于一种新的概念以实现工业自动控制任务。现有的自动控制解决方案混合了许多不同的系统技术和厂商。可编程序控制器应用于现场领域，在单元层面上混合使用微机和可编程序控制器，在系统控制领域只使用微机。至今为止，这些系统使用完全不同形式的软件和用户界面是一种惯例。这些额外的差异是由不同厂商提供不同的产品造成的。这些不同的解决方案，时常导致通讯问题的发生，数据必须被读写若干次，以至于没有统一的概念来准备大量的数
6、据。基本的想法是以一个相容的技术为基础来解决个体的问题。这需要一个彻底的解决方案和维护体系。全集成自动化意味着解决现有的系统瓶颈。所有的设备和系统都完整的嵌入到一个彻底的自动控制解决方案中，在这个解决方案中采用共同的组态和编程、共同的数据管理和共同的通讯。一个全集成自动化系统有如下特点：共享数据存储数据只被写入一次然后由系统为用户管理（通过一个可见的系统或分布式I/O在可编程序控制器和计算机的内存中进行操作）。如果其他方面需要这个数据，软件会在共享的数据库中收集这个数据。节省了用于数据格式一致性检查的费用。可升级的系统所有的固件和系统使用一个完整的标准的软件工具包，它们都是可配置的、可编程的、
7、可以操作、调试并监控的。用户可以使用用户界面下的工具来进行每一种解决方案的操作。开放的界面在系统中通讯是完整的，因此数据可以在几个系统和构件中自由转换。举例来说，对于可编程序控制器的配置来说，了解下一个通讯连接不是很必要。网络调节器的设定只按照配置选择标准确定，并且在任何时候都是可更改的。因此不同自动化解决方案的分布式结构不再是问题。PROFIBUS作为系统总线。完全的集成驱动技术完全的集成。配置、诊断和授权都集成于STEP 7中。费用的节省这种集成概念的结果是使配置、维护和员工培训的费用都将大大节省。最佳的硬件利用使硬件的花费减少。兼容性和模块化自动化解决方案还未构成一个完整系统，通过兼容性
8、和模块化，软件一次安装后每次的升级和扩展不论是集中式的还是分布似的都不会发生问题。 共享的数据库统一的标准共享的数据库也可以用于第三方系统，OPC（过程控制的OLE）允许基于Windows的服务、观察和控制系统对数据经行处理。较老的S5程序可以在转化后使用。 全集成自动化培训手册第 6 页 共 28 页第一部分第一章最终修订: 08/2004全集成自动化 (T I A)3各种不同的系统介绍这一章作为大部分重要系统的介绍：各种不同的系统介绍这一章作为大部分重要系统的介绍： SIMATIC S7-200/300/400 工业通讯 人机界面 SIMATIC工业软件3.1SIMATIC可编程序控制器3
9、.1.1SIMATIC S7-200(图片1: SIMATIC S7-200)用地球14页的图替换SIMATIC S7-200系列适用于较低的性能要求。添加最新的产品介绍It is available in various grades. The CPU is qualified for open and closed loop control tasks in machines and system construction. It is real time capable and offers extensive communication possibilities over a PRO
10、FIBUS or PC/PPI cable and over a free programmable interface protocol. The SIMATIC S7-200 offers modular extensibility and integrated PID closed loop control functions. The program software STEP 7 Micro/Win enables a quick introduction in the programming and configuration.3.1.2SIMATIC S7-300(Image 2
11、: SIMATIC S7-300)SIMATIC S7-300系列为中档的性能要求提供工业控制解决方案。添加最新的产品介绍Properties of the SIMATIC S7-300 Program memory up to 85 K instructions Up to 1024 digital in- and outputs Multipoint capable interface for the configuration of smaller networks and for configuration with help of a PC/PG. Quick execution t
12、ime in which the performance capable CPU executes 1024 binary instructions inside of 0.1 ms. Modular configuration and quick enhancements are possible through interface modules with an integrated back plane bus. Modular extensibility through an extensive program module of digital, analog, simulation
13、 and function modules to communications and other types of modules. Integrated functions: counters, positioning, closed loop control, and frequency measuring by the CPUs 312/314 IFM. Integrated PROFIBUS interface by the 300 2-DP Series. CPU also usable as a slave. Processing of extensive mathematica
14、l formulas. Preparation of cyclic HMI service integrated into the operating system of the CPU. Quick and simple configuration and programming with help from STEP 7. Extensive diagnostic possibilities with help from STEP 7. Error message buffer with time stamp and module diagnostic help the user duri
15、ng error searching. 3.1.3SIMATIC S7-400(Image 3: SIMATIC S7-400)SIMATIC S7-400系列为高端的性能要求提供解决方案。添加最新的产品介绍Properties of the SIMATIC S7-400 Program memory up to 660 K instructions. Up to 131056 digital in- and outputs. Multipoint capable interface for the configuration of smaller networks and for confi
16、guration with help of the PC/PG. Quick execution time that the performance capable CPU executes 1024 binary instructions inside of 0.1 ms. Modular configuration and quick enhancements are possible through interface modules with integrated back plane bus. An extensive program module of digital, analo
17、g, simulation and function modules to communications and other types of modules. Integrated PROFIBUS interface by the S7-400 2-DP Series. The profile PROFIBUS-DP/FMS/PA and Industrial Ethernet are useable. Processing of extensive mathematical formulas. Preparation of cyclic HMI service integrated in
18、to the operating system of the CPU. Quick and simple configuration and programming with help from STEP 7. Extensive diagnostic possibilities with help from STEP 7. Error message buffer with time stamp and module diagnostic help the user during error searching3.2工业通讯在过程控制领域中可以通过SIMATIC网络、PROFIBUS、以太网
19、或者TCP/IP进行通讯。SIMATIC NET 系列包含产品不同性能特征的分类。他们通过一个有效的系统界面使数据在各种不同的层面、自动控制设备和驱动程序之间转换成为可能。 (图1: 网络金字塔图)3.2.1工业以太网工业以太网用于过程控制的层面。快速工业以太网10 Mbit/s to100 Mbit/s的 传输速率使在相连的节点之间进行快速的数据转换成为可能。传送可以通过同轴电缆、双绞线或者光纤。工业以太网有以下优势： 通过简单的连接技术可以进行快速的授权。 扩展现有的操作系统使其在操作中更加实用。 通过转换技术调节传输速率使性能升级成为可能。. 提供办公室环境和生产环境的联网。 提供WAN
20、（广域网）通讯，例如ISDN 或internet的接入。 持续一致的未来发展计划保证了投资的安全。(图 4: 工业以太网的组成)3.2.2PROFIBUSPROFIBUS用于连接分布式I/O或者驱动器这样的现场设备和SIMATIC S7这样的工业控制系统 。PROFIBUS 是一个性能优越、集成、开放的系统。它建立在快速反应、开放界面之上，可以适应不同的协议。PROFIBUS-DP可以以高达12 Mbit/s的电子的或者光纤的传输速率连结分布式I/O。PROFIBUS-PA是PROFIBUS的固有安全模式，用于在暴露的现场（例如化工厂）进行指定的数据传输。PROFIBUS-FMS在更高系统的现
21、场领域发挥强大的作用，同时也应用在单元层面以及过程控制领域中不高的实时要求。 An extensive product pallet for the protocol variants is available for the connection to the PROFIBUS.用户可以STEP 7软件上对组态和程序进行调试。(图 5: 工业以太网的组成)3.2.3AS-接口 阀门、传动装置和驱动器都在现场领域中得到应用。完全不同的部分必须通过自动化技术来进行控制。现在一个指定的带有AS-接口的分布式I/O来完成这项工作。 执行器和传感器通过一个双股电缆与控制器相连。数据和电力通过电缆进行传
22、送。 AS-接口的优点查阅AS-接口的技术资料再添加 Panel free constructions 更高的防护等级， IP 65 Wiring directly from a position Simpler and more flexible construction with 2 wire cables without applicable special knowledge PROFIBUS connection over DP/AS-Interface(图 6: AS-接口) 3.3人机界面 (HMI) SIMATIC HMI 人机界面作为连接设备和用户的接口部分。功能、开关或者程
23、序数值清晰的显示在操作面板或触摸屏上。通过这种可视化功能，发送给用户的错误信息提示或者正确的数据都可以很清晰的显示。一个可视的程序操作显示可以方便用户快速的掌握他进行这步操作的作用。人机界面分为4个种类： 键控面板 (PP 7 和 PP 17)，常规操作领域创新的选择 文本显示器 OP 3，OP 7和OP 17，用于机器的的监控和操作 图形显示器 OP 25，OP 37，TP 27 和 TP 37，用于更好的显示机器的监控和操作 基于Windows的系统 例如 OP 37 pro, MP 370 或者MP 270 用于机器操作设备配置的Pro Tool组态软件有三种不同的性能来满足不同的设备分
24、类。人机界面可以直接通过MPI或者PROFIBUS-DP连接到自动控制系统。通过配置功能转换、指令按钮或显示原理可以接收CPU的直接存储。(图 14: 人机界面)3.4SIMATIC 工业软件3.4.1STEP 7STEP 7是用于SIMATIC可编程序控制器组态和编程的标准软件包。硬件的组态用于CUP数字模块，也用于连结不同的部分，PROFIBUS 、以太网或是其他的部分。软件设计符合IEC 61131标准。STEP 7的功能 以一种简明的设计结构共享数据存储 可以用STL, LAD 和FBD语言来编写程序。 可以在两种语言间进行切换。 CPU的调整 模块地址的调整 模块诊断的显示，错误信息
25、缓冲器的读取 交叉参考和参考数据的显示(图 7: STEP 7)3.4.2S7-GRAPH编程语言 S7-GRAPH是符合IEC 61131-3标准的适用于顺序控制编程的工程软件。它包括生成一系列顺序步，确定每一步的内容，以及步与步之间的转换条件。编写每一步的程序要用特殊的编程语言（类似于语句表），转换条件是在梯形逻辑编程器或功能块图编程器中输入的（梯形逻辑语言的流线型版本）。S7-GRAPH用来表达复杂的顺序控制非常清晰，用于编程及故障诊断更为有效。(图 8: S7-GRAPH)3.4.3S7-HiGRAPH编程语言（状态图形）S7-HiGraph将程序中各块作为状态图形编程。这种方法将你的
26、项目分成不同的功能单元，每个单元有不同的状态。不同状态之间的切换要定义转换条件。每个功能单元都用一个图形来描述其特性。整个项目的各个图形组合起来为图形组。各功能单元的同步信息可在图形之间互换。各功能单元的状态条件的清晰表示使得系统编程成为可能，故障诊断简单易行。这种状态图形编程不仅适用于PLC程序，也同样适用于设备营造商、代理商和服务工程师。 S7-HiGraph可用于自动控制系统SIMATICS7-300（推荐使用CPU315或更高配置）、 SIMATICS7-400、SIMATICC7（推荐C7-626或更高版本）和SIMATICWinAC。(图 9: S7-HiGRAPH)3.4.4S7
27、- SCL语句表编程语言S7-SCL （结构化控制语言）是用于数据管理的PASCAL类型的高级语言。S7-SCL完成了 PLC Open Base Level-Certificate.S7-SCL允许：-简洁快速的编程- 提高PLC程序的质量- 更加清晰- 容易调试 基于以上原因，用户在公式计算、复杂的最优化算法或管理大量的数据时适合使用这种编程语言。S7-SCL适用于以下各种自动控制系统，SIMATICS7-300 （CPU314或更高配置）、SIMATICS7-400，SIMATICC7和SIMATICWinAC。 (图 10: S7-SCL)3.4.5Soft- PLC SIMATIC
28、WinAC basisSIMATIC WinAC Basis is the software based PC based control solution. It is used when smaller control tasks should be resolved together with typical PC tasks, particularly for cost effectiveness.The Soft- PLC WinAc Basis combines control and technological tasks with standard applications f
29、or visualization, data processing and communication. The software works from the base of operating system Windows NT.If one demands hard and strict real-time requirements, SIMATIC WinAC RTX is available. It is attached directly to Windows NT and guarantees deterministic behavior for the control sect
30、ion with a real-time expansion. Components of the SIMATIC WinACControllingThe operation of the Slot-PLC is identical to the handling of a hardware PLC (e.g. CPU 315-2 DP).The programming and the diagnostics take place over the standard tools of the SIMATIC Manager (LAD/FBD/STL Editor, Monitor/Modify
31、Variable).You can simply affect the performance of the Soft-PLC over priority control (from Windows NT real-time response to secondary application in Windows NT).The security of the PLC is guaranteed through password security with which all taken effects on the control are prevented.Remanent data of
32、fers protection against system failure. VisualizationPossibilities for the creation of a B&B operator interface are displayed over the SIMATIC WinAC data elements.Simple B&B operator interfaces are displayed with the Soft-Container. Visual Basic also offers possibilities for realization of HMI-opera
33、tor interfaces.ProTool Pro ist the comfortable and quick configuration of HMI.ComputingThe data exchange of the PLC is accomplished with the PC. Data elements are dealt with here (SIMATIC Data Control). With the help of data elements, Windows-objects (OCX components) are simply connected with the ar
34、eas of Soft-PLC (e.g. Memory bit words, inputs and outputs,.). NetworkingOver a data element, data also exchanges with the Soft-PLC over a normal office network (Ethernet) (only by the SIMATIC S7 416-2 DP ISA).he Windows Logic ControllerThe Windows Logic Controller (WinLC) represents the software so
35、lution of a CPU. You can display the functions of the CPU on a PC with WinLC. The program WinLC simulates the complete operation package of a CPU 315-2 DP and the WinLC software would also be customized to the CPU 315-2 DP. The arrangement of the error LEDs or the operation type switch corresponds t
36、o the layout of the hardware CPU. 1024 digital and 128 analog inputs can be processed from the WinLC. Therefore the peripheral connection takes place over a distributed I/O, e.g. ET 200M. The control performance depends on the performance capability of the processor and RAM as well asfrom the adjust
37、ed cycle time of the WinLC software. The cycle time of the WinLC can be set to be dependent on the control tasks. A cycle of WinLC consists of the reading of the inputs in the process image input table, program execution, the creation of the process image output table such as the execution of the wa
38、iting time until the created minimal cycle time is reached. In the remaining time, Windows NT finishes the rest of the active tasks.A real-time solution forms the Slot-PLC. The Slot-PLC responds in a function package of CPU 416-2 DP which shows deterministic response with short reaction times and wo
39、rks independent from the operating system Windows NT and is applications. A restart of the operating system in operation of the Slot-PLC is possible. (Image 11: WinLC) (Image 12: Advantageous SIMATIC WinAC)3.4.6SIMATIC ProTool / ProHMIs are configured with ProTool and/or ProTool/Pro which serves as
40、an interface between man and machine (HMI- Human Machine Interface). Pro Tool enables a simple and quick conversion of ideas into a simple and clear images for the visualization system. The advantages can be used by the Windows environment, i.e. the connection from graphics which would be created wi
41、th standard graphic programs. ProTool can be integrated in the SIMATIC MANAGER, where the taking over of the symbol tables is possible without problems. The configuration software can naturally also be used as a standalone version. Operator panels from type OP 3, OP 7 and OP 17 are configured with t
42、he cost effective software ProTool/Lite. The graphical operator panels OP 27, OP 37, TP 27, and TP 37 require the software ProTool. Windows-based systems like a OP 37 Pro are configured with ProTool/Pro.(Image 13: ProTool/Pro)3.4.7人机界面系统SIMATIC WinCCSIMATIC WinCC支持“Windows控制中心”。WinCC是基于Windows 98/20
43、00/XP的性能卓越的可视化系统。 32位的系统支持多任务所以可以快速的对事件和警告做出响应。WinCC可集成到任何自动控制系统中。它通过共享的数据库支持数据转换的标准软件、Windows的其他应用软件、和以后将推出的SIMATIC组件。建议用WinCC最新的介绍(地球书)SIMATIC WinCC stands for Windows Control Center“. WinCC is a performance capable process visualization system based on Windows NT or Windows 95. The 32-Bit system
44、offers preemptive multi tasking so that you can quickly and effectively react to process events and alarms. WinCC lets you integrate into an existing automation system problem free. It enacts over a common database with standard applications for data exchange with other windows applications or with
45、further SIMATIC components. Object libraries for simple configuration of graphic elements are also integrated in WinCC. 突出的优点 通用的应用程序 内置所有操作和管理功能 可简单、有效地进行组态 可基于Web持续延展 采用开放性标准、集成简便 集成的Historian系统作为IT和商务集成的平台 可用选件和附加件进行扩展(图14: WinCC)3.4.8过程控制系PCS 7PCS 7 is the process control system in the automation concept TIA. It is based on chosen and convenient components for operation as a control system. In addition come functional expansions, which ensure specific system perform
