第1章 绪论 1
1.1 工业自动化及全集成自动化 1
1.2 工业自动化与PLC 2
1.2.1 PLC产生及定义 2
1.2.2 PLC特点 3
1.2.3 PLC控制系统的组成 5
1.2.4 PLC的发展趋势 7
1.2.5 PLC在工业自动化中的地位 9
1.3 西门子PLC产品发展历程 9
1.4 获取资料、软件和帮助 10
1.5 习题 10
第2章 PLC控制系统基础知识 11
2.1 自动控制系统 11
2.1.1 控制系统分类 11
2.1.2 自动控制系统性能要求 12
2.1.3 自动控制系统举例 13
2.2 常用低压电器 13
2.3 传感器 15
2.3.1 传感器的分类 15
2.3.2 常用传感器简介 15
2.3.3 传感器应用举例 16
2.4 隔离栅和浪涌保护器 17
2.4.1 隔离栅的应用 17
2.4.2 浪涌保护器的应用 21
2.5 执行装置 23
2.5.1 执行器分类 23
2.5.2 常用的执行器简介 23
2.5.3 执行器应用举例 25
2.6 系统输入／输出接口 25
2.6.1 PLC控制系统输入接口 25
2.6.2 PLC控制系统输出接口 32
2.7 PLC控制系统电源与接地 35
2.7.1 PLC控制系统的电源 35
2.7.2 PLC控制系统的接地 36
2.8 习题 39
第3章 PLC的组成和工作原理 40
3.1 PLC的组成 40
3.1.1 中央处理单元 41
3.1.2 存储器 41
3.1.3 输入／输出部件 42
3.1.4 通信接口 42
3.1.5 电源 42
3.1.6 编程器 42
3.2 PLC的工作原理 43
3.2.1 PLC的等效电路 43
3.2.2 PLC的工作模式 44
3.2.3 PLC的工作过程 45
3.2.4 PLC对输入输出的处理规则 47
3.2.5 PLC输入／输出时间滞后 47
3.2.6 PLC输入信号频率 48
3.3 PLC的分类 48
3.4 习题 50
第4章 S7-300/400 PLC硬件系统 51
4.1 S7-300/400概况 51
4.2 机架 52
4.2.1 S7-300机架 52
4.2.2 S7-400机架 52
4.3 电源模块 54
4.3.1 S7-300电源模块 54
4.3.2 S7-400电源模块 56
4.4 CPU模块 57
4.4.1 S7-300 CPU模块 57
4.4.2 S7-400 CPU模块 72
4.5 信号模块 75
4.5.1 数字量输入模块 76
4.5.2 数字量输出模块 78
4.5.3 数字量输入／输出模块 80
4.5.4 模拟量输入模块 81
4.5.5 模拟量输出模块 92
4.5.6 模拟量输入／输出模块 95
4.5.7 Ex系列输入／输出模块和F系列输入／输出模块 96
4.5.8 特殊信号模块 97
4.6 功能模块 99
4.7 通信模块 101
4.8 接口模块 103
4.8.1 S7-300接口模块 103
4.8.2 S7-400接口模块 104
4.8.3 PROFIBUS-DP主站接口模块 104
4.9 宽温产品选型 105
4.10 模块安装和扩展 106
4.10.1 S7-300模块安装和扩展 106
4.10.2 S7-400模块安装和扩展 108
4.11 ET 200分布式I/O 110
4.11.1 ET 200分布式I/O简介 110
4.11.2 ET 200分类 111
4.12 习题 114
第5章 S7-300/400 PLC网络通信 115
5.1 网络通信基础知识 115
5.1.1 单工通信、半双工通信及全双工通信 115
5.1.2 串行传输和并行传输 116
5.1.3 异步传输和同步传输 116
5.1.4 串行通信接口 116
5.1.5 传输速率 117
5.1.6 OSI参考模型 117
5.2 SIMATIC通信基础 117
5.2.1 SIMATIC NET 117
5.2.2 SIMATIC通信基本概念 119
5.3 MPI网络通信 122
5.3.1 基本概述 122
5.3.2 全局数据包通信 123
5.3.3 S7基本通信 125
5.3.4 S7通信 127
5.4 PROFIBUS网络通信 132
5.4.1 PROFIBUS协议 132
5.4.2 PROFIBUS设备分类 134
5.4.3 DP主站系统中的地址 135
5.4.4 PROFIBUS网络连接设备 136
5.4.5 PROFIBUS通信处理器 136
5.5 工业以太网通信 138
5.5.1 工业以太网概述 138
5.5.2 工业以太网的特点及优势 138
5.5.3 S7-300/S7-400工业以太网通信处理器 138
5.5.4 带PN接口的CPU 139
5.5.5 PROFINET概述 140
5.5.6 PROFINET的主要应用 140
5.6 AS-Ⅰ网络通信 142
5.7 串行网络通信 143
5.7.1 基本概述 143
5.7.2 ASCII通信协议 143
5.7.3 PLC与驱动装置串行通信（USS协议） 144
5.8 习题 147
第6章 S7-300/400 PLC软件基础 148
6.1 IEC61131-3国际标准简介 148
6.2 S7-300/400编程语言简介 150
6.2.1 梯形图LAD 151
6.2.2 语句表STL 152
6.2.3 功能块图FBD 153
6.2.4 结构控制语言SCL 153
6.2.5 顺序功能图SFC 153
6.2.6 S7 HIGRAPH编程语言 154
6.2.7 S7 CFC编程语言 154
6.3 S7-300/400编程资源及其编址 155
6.3.1 S7-300/400编程资源 155
6.3.2 PLC存储区的划分 158
6.3.3 S7-300/400模块的编址 159
6.4 变量、常量和数据类型 161
6.4.1 变量和常量 161
6.4.2 基本数据类型 164
6.4.3 复合数据类型 165
6.4.4 参数数据类型 168
6.4.5 用户自定义数据类型 169
6.5 S7-300/400寻址方式 170
6.5.1 寻址方式简介 170
6.5.2 立即寻址 171
6.5.3 直接寻址 171
6.5.4 存储器间接寻址 172
6.5.5 寄存器间接寻址 173
6.6 习题 175
第7章 SIMATIC管理器 176
7.1 SIMATIC管理器简介 176
7.1.1 SIMATIC管理器概述 176
7.1.2 STEP 7的订货版本 177
7.1.3 STEP 7与硬件的接口 177
7.1.4 STEP 7的安装 178
7.1.5 STEP 7标准软件包 182
7.1.6 STEP 7扩展软件包 183
7.2 创建和管理项目 185
7.2.1 启动SIMATIC Manager 185
7.2.2 创建与编辑项目 186
7.2.3 创建一个STEP 7项目 188
7.3 硬件组态 191
7.3.1 硬件组态的任务 191
7.3.2 硬件组态的步骤 192
7.3.3 硬件组态举例 193
7.3.4 CPU模块的参数设置 194
7.3.5 数字量I/O模块的参数设置 201
7.3.6 模拟量I/O模块的参数设置 203
7.4 网络组态 205
7.4.1 网络组态工具NetPro 205
7.4.2 连接表 206
7.5 符号表创建与逻辑块编辑 207
7.5.1 符号表 207
7.5.2 逻辑块 210
7.6 应用PLCSIM软PLC调试用户程序 214
7.6.1 PLCSIM的主要功能 214
7.6.2 PLCSIM快速入门 215
7.6.3 视图对象 217
7.6.4 仿真软件的设置与存档 218
7.6.5 软PLC与真实PLC比较 219
7.6.6 PLCSIM通信仿真 220
7.7 下载与上载程序 221
7.8 调试程序 226
7.8.1 PLC应用系统调试的基本步骤 226
7.8.2 用程序状态功能调试程序 227
7.8.3 用变量表调试程序 230
7.8.4 使用单步与断点功能调试程序 234
7.9 故障诊断 236
7.10 参考数据及其应用 236
7.10.1 参考数据的作用 236
7.10.2 参考数据的生成与显示 237
7.10.3 程序结构 239
7.10.4 赋值表 241
7.10.5 未使用的符号 242
7.10.6 没有在符号表中定义的地址 242
7.10.7 在程序中快速查找地址的位置 242
7.11 被控对象仿真软件SIMIT简介 246
7.11.1 被控对象的仿真方法 246
7.11.2 SIMIT仿真软件的安装与项目管理 247
7.11.3 组态操作窗口 248
7.11.4 SIMIT的控制程序设计 250
7.11.5 仿真的操作 252
7.12 习题 252
第8章 S7-300/400 PLC指令系统 253
8.1 位逻辑指令 253
8.1.1 触点与线圈 254
8.1.2 基本逻辑指令 255
8.1.3 取反指令 256
8.1.4 SAVE指令 258
8.1.5 置位与复位指令 258
8.1.6 RS和SR触发器指令 261
8.1.7 边沿检测指令 262
8.2 定时器指令 264
8.2.1 S7-300/400定时器简介 264
8.2.2 定时器功能指令 267
8.2.3 定时器位指令 277
8.2.4 IEC定时器 280
8.3 计数器指令 283
8.3.1 计数器简介 283
8.3.2 计数器功能指令 284
8.3.3 计数器线圈指令 289
8.3.4 IEC计数器 289
8.4 数据处理指令 294
8.4.1 装入L和传送T指令 294
8.4.2 比较指令 296
8.4.3 移位和循环指令 299
8.4.4 字逻辑运算指令 302
8.5 运算指令 304
8.5.1 转换指令 304
8.5.2 数学运算指令 311
8.6 程序控制指令 315
8.6.1 跳转指令 315
8.6.2 状态位指令 318
8.6.3 主控继电器指令 320
8.6.4 数据块指令 322
8.7 库分类及应用 325
8.7.1 库的分类 325
8.7.2 库的应用 325
8.7.3 库的生成 326
8.7.4 库中FC、FB、SFC及SFB的使用 327
8.8 习题 327
第9章 S7-300/400 PLC程序结构 329
9.1 系统程序和用户程序 329
9.1.1 操作系统程序 329
9.1.2 用户程序 330
9.2 用户程序结构 330
9.2.1 用户程序编程方法 330
9.2.2 用户程序分层调用 331
9.2.3 用户程序使用的堆栈 332
9.3 用户程序块 334
9.4 组织块OB 334
9.4.1 OB组织块的分类及优先级 335
9.4.2 组织块的变量声明表 337
9.4.3 启动组织块 337
9.4.4 循环执行组织块 341
9.4.5 时间中断组织块 344
9.4.6 事件驱动组织块 357
9.4.7 背景组织块 367
9.4.8 其他组织块 367
9.5 功能FC和功能块FB 369
9.5.1 发动机控制系统的程序结构 369
9.5.2 符号表与变量声明表 370
9.5.3 功能与功能块的生成 371
9.5.4 功能FC与功能块FB的调用 374
9.5.5 时间标记冲突与一致性检查 376
9.6 数据块DB 378
9.6.1 数据块的生成 378
9.6.2 数据块的访问 380
9.7 多重背景 381
9.7.1 生成多重背景功能块 381
9.7.2 生成多重背景数据块 385
9.7.3 在OB1中调用多重背景 385
9.7.4 FC、FB与OB的区别 385
9.8 系统块 386
9.8.1 系统功能（SFC）和功能块（SFB） 386
9.8.2 系统数据块（SDB） 388
9.9 标准库中的FC、FB 388
9.10 习题 388
第10章 PLC应用程序设计 389
10.1 PLC典型常用程序 389
10.1.1 位逻辑指令应用例 389
10.1.2 定时器／计数器指令应用例 393
10.1.3 移位指令应用例 401
10.1.4 跳转指令应用例 403
10.1.5 运算指令应用例 404
10.1.6 模拟量采集滤波例 406
10.2 PLC程序设计方法 408
10.2.1 图解法 408
10.2.2 经验设计法 409
10.2.3 状态表程序设计法 410
10.2.4 顺序功能图设计方法 413
10.3 PLC顺序逻辑控制程序设计 416
10.3.1 平台介绍 417
10.3.2 硬件设计 419
10.3.3 软件设计 420
10.3.4 仿真调试 424
10.4 PLC过程控制程序设计 425
10.4.1 平台介绍 425
10.4.2 硬件设计 426
10.4.3 软件设计 427
10.4.4 仿真调试 432
10.5 PLC脉冲量控制程序设计 432
10.5.1 平台介绍 433
10.5.2 硬件设计 433
10.5.3 软件设计 437
10.6 习题 442
第11章 S7-300/400 PLC SCL编程 444
11.1 SCL语言简介 444
11.2 S7 SCL软件包安装 444
11.2.1 SCL的安装 444
11.2.2 S7 SCL软件兼容性 444
11.3 SCL源文件编译器 445
11.4 SCL编程语言 446
11.4.1 基本S7 SCL术语 446
11.4.2 变量和参数声明 450
11.4.3 常量声明 451
11.4.4 运算符 452
11.4.5 表达式 453
11.4.6 赋值 455
11.4.7 控制语句 455
11.4.8 SCL块 458
11.5 SCL编程应用实例 461
11.5.1 单神经元PID算法原理 461
11.5.2 单神经元PID算法SCL编程 462
11.6 习题 464
第12章 S7-300/400 PLC GRAPH编程 465
12.1 顺序逻辑控制及顺序功能图 465
12.2 S7-GRAPH简介 465
12.2.1 顺序控制程序的结构 465
12.2.2 S7-GRAPH编译器 466
12.2.3 步及相关动作命令 467
12.2.4 转换条件 469
12.2.5 S7-GRAPH的功能参数集 470
12.3 S7-GRAPH程序设计流程 473
12.4 S7-GRAPH编程举例 473
12.4.1 被控对象分析 473
12.4.2 系统总体设计 475
12.4.3 系统硬件设计 475
12.4.4 系统软件设计 479
12.4.5 系统调试 482
12.5 习题 486
第13章 S7-300/400 PLC HIGRAPH编程 488
13.1 S7-HIGRAPH简介 488
13.1.1 S7-HIGRAPH发展背景及应用 488
13.1.2 S7-HIGRAPH特点 488
13.1.3 S7-HIGRAPH与S7-GRAPH比较 488
13.1.4 S7-HIGRAPH优点 488
13.2 S7-HIGRAPH软件包安装 489
13.2.1 S7-HIGRAPH安装与使用 489
13.2.2 S7-HIGRAPH软件兼容性 489
13.3 S7-HIGRAPH基本概念 489
13.3.1 S7-HIGRAPH程序构成 489
13.3.2 S7-HIGRAPH程序结构 490
13.3.3 S7-HIGRAPH项目流程 490
13.4 S7-HIGRAPH基础与编程 491
13.4.1 用户界面 491
13.4.2 状态图编程 492
13.4.3 指令编程 495
13.4.4 等待／监控／延迟时间编程 497
13.4.5 操作模式编程 497
13.4.6 图表组编程 498
13.4.7 状态图消息交换编程 498
13.4.8 程序编译 499
13.4.9 程序的调用／下载／调试 500
13.5 S7-HIGRAPH应用实例 500
13.5.1 被控对象分析与描述 500
13.5.2 S7-HIGRAPH编程 501
13.5.3 编译及调试 506
13.6 习题 510
第14章 S7-300/400 PLC CFC编程 511
14.1 S7-CFC简介 511
14.1.1 S7-CFC发展背景及应用 511
14.1.2 S7-CFC特点 511
14.2 S7-CFC软件包安装 511
14.2.1 S7-CFC安装与使用 511
14.2.2 S7-CFC软件兼容性 511
14.3 S7-CFC程序构成元素 512
14.3.1 Charts（图表） 512
14.3.2 Chart Partitions（图表分区） 512
14.3.3 Sheet（页）及Sheet Bars（页边条） 513
14.3.4 Overflow Page（溢出页） 513
14.3.5 Nested Charts（嵌套图表） 513
14.4 S7-CFC功能块操作 514
14.4.1 功能块导入 514
14.4.2 功能块清除与更新 514
14.4.3 功能块编辑 515
14.5 S7-CFC程序编程及运行操作 516
14.5.1 连接关系 516
14.5.2 运行时间设置 518
14.5.3 数据归档 518
14.5.4 编译 519
14.5.5 下载 520
14.5.6 回读 520
14.5.7 测试 521
14.6 S7-CFC编程应用实例 522
14.6.1 被控对象分析与描述 522
14.6.2 系统总体方案设计 523
14.6.3 控制算法设计与实现 524
14.7 习题 526
第15章 S7-300/400 PLC工程应用技术 527
15.1 S7-300/400人机界面与组态应用技术 527
15.1.1 S7-300/400人机界面应用技术 527
15.1.2 S7-300/400 WinCC应用技术 546
15.2 S7-300/400与变频器应用技术 564
15.2.1 MM4系列变频器概述 564
15.2.2 MM440变频器的调试 569
15.2.3 S7-300/400与MM440应用实例 578
15.3 S7-300/400网络通信应用技术 596
15.3.1 MPI通信应用技术 596
15.3.2 PROFIBUS通信应用技术 636
15.3.3 工业以太网通信应用技术 678
15.3.4 PLC与驱动装置串行通信应用技术 712
15.4 习题 715
第16章 故障诊断 716
16.1 故障诊断基础知识 716
16.1.1 故障分类 716
16.1.2 故障诊断机理 717
16.1.3 故障诊断方法 718
16.2 LED灯故障诊断 718
16.3 SIMATIC诊断软件 723
16.4 STEP 7故障诊断 724
16.4.1 诊断符号 724
16.4.2 故障诊断过程 725
16.4.3 模块信息 726
16.4.4 硬件诊断 732
16.4.5 Monitor/Modify Variables 735
16.4.6 参考数据 737
16.4.7 其他诊断功能 739
16.5 OB和SFC故障诊断 740
16.5.1 错误处理组织块 740
16.5.2 同步错误处理组织块 741
16.5.3 异步错误处理组织块 748
16.6 重新接线功能的应用 764
16.6.1 重新接线功能 764
16.6.2 SIMATIC Manager重新接线 765
16.6.3 地址与符号优先重新接线 766
16.6.4 源程序优先程序接线 769
16.7 习题 771
第17章 S7-300/400 PLC模拟量闭环控制的实现 772
17.1 模拟量闭环控制基础 772
17.1.1 模拟量闭环控制系统组成 772
17.1.2 闭环控制主要性能指标 773
17.1.3 闭环控制反馈极性的确定 774
17.2 数字PID控制器 774
17.2.1 PID控制器优点 774
17.2.2 PID控制器数字化 775
17.3 S7-300/400模拟量闭环控制功能 775
17.3.1 S7-300/400实现闭环控制方法 775
17.3.2 使用闭环控制软件包中的功能块实现闭环控制 776
17.3.3 模拟量输入及数值整定 777
17.3.4 输入量软件滤波 777
17.3.5 模拟量输出及整定 780
17.4 连续PID控制器FB 41 780
17.4.1 设定值和过程变量的处理 780
17.4.2 PID控制算法 782
17.4.3 控制器输出值的处理 782
17.4.4 FB 41的参数 783
17.5 步进PI控制器FB 42 784
17.5.1 步进控制器的结构 785
17.5.2 PI控制算法 786
17.5.3 FB 42的参数 787
17.6 脉冲发生器FB 43 788
17.6.1 脉冲发生器工作原理 789
17.6.2 三级控制器 791
17.6.3 二级控制器 793
17.6.4 FB 43的参数 793
17.7 连续温度控制器FB 58 794
17.7.1 设定值和过程变量的处理 795
17.7.2 PID控制算法 797
17.7.3 控制器输出值的处理 799
17.7.4 保存和重新装载控制器参数 800
17.7.5 脉冲输出方式 801
17.7.6 脉冲输出和PID运算 802
17.7.7 参数设置的经验法则 803
17.7.8 自整定功能 804
17.7.9 FB 58的参数 805
17.8 步进温度控制器FB 59 809
17.8.1 PI控制算法 810
17.8.2 FB 59的参数 811
17.9 编写模块实现闭环控制 812
17.10 PID控制器工程实例程序 813
17.11 PID参数自整定 829
17.12 习题 830
第18章 PLC控制系统设计 831
18.1 PLC控制系统设计原则与流程 831
18.1.1 PLC控制系统设计原则 831
18.1.2 PLC控制系统设计流程 832
18.2 PLC控制系统被控对象的分析与描述 832
18.3 PLC控制系统总体设计 833
18.4 PLC控制系统硬件设计 835
18.4.1 传感器与执行器的确定 835
18.4.2 PLC控制系统模块的选择 835
18.4.3 控制柜设计 837
18.4.4 I/O模块原理图设计 837
18.5 PLC控制系统软件设计 837
18.5.1 控制软件设计 837
18.5.2 监控软件设计 838
18.6 PLC控制系统的可靠性设计 838
18.6.1 环境技术条件设计 838
18.6.2 控制系统的冗余设计 840
18.6.3 控制系统供电系统设计 842
18.7 PLC控制系统的调试 843
18.7.1 模拟调试 843
18.7.2 现场调试 844
18.8 习题 844
第19章 PLC控制系统工程实例 845
19.1 MPS虚拟仿真系统——供料站 845
19.1.1 被控对象分析与描述 845
19.1.2 系统总体设计 847
19.1.3 系统硬件设计 847
19.1.4 系统软件设计 848
19.1.5 系统调试 851
19.1.6 技术文档整理 852
19.2 喷射机控制系统 852
19.2.1 被控对象分析与描述 852
19.2.2 系统总体设计 853
19.2.3 系统硬件设计 856
19.2.4 系统软件设计 866
19.2.5 系统调试 884
19.2.6 技术文档整理 886
19.3 电厂废水处理控制系统 886
19.3.1 被控对象分析与描述 886
19.3.2 系统总体设计 887
19.3.3 系统硬件设计 889
19.3.4 系统软件设计 903
19.3.5 系统调试 916
19.3.6 技术文档整理 919
19.4 习题 919
附录 920
附录A 实验指导书 920
A.1 基础实验 920
A.2 应用实验 926
A.3 综合设计实验 933
A.4 控制系统设计实验 948
附录B S7-300/400硬件选型 982
B.1 S7-300硬件选型 982
B.2 S7-400硬件选型 982
附录C S7-300/400 IO模块接线 982
C.1 S7-300 IO模块接线 982
C.2 S7-400 IO模块接线 982
附录D S7-300 STL指令速查 982
附录E 软件标准库速查 988
E.1 软件标准库FC、FB速查 988
E.2 软件标准库SFC、SFB速查 993
参考文献 999