工业自动化集成控制系统——基于西门子TIA博途系统_孟爱华_9787560655987

本书以智能制造技术的特点和需求为出发点，分析了工业自动化集成控制系统的工作方式，并以西门子的TIA博途系统为主体介绍其在工业自动化中的应用，主要内容包括分布式网络的硬件配置、结构化软件编程原理、STEP 7软件编程指令和程序设计、人机界面的编程实现、故障的调试方法、库及相关的操作等。本书以机床加工主轴控制系统的设计为例，将每章的内容落地为具体的项目设计，既有理论分析，又有具体的操作方法实践，能够使读者对集成控制系统下自动化项目的设计过程形成完整、清晰的概念。本书既可作为机械、车辆、自动化等专业本、专科生的学习教材，也可作为机电工程师、自动化软件工程师等工程技术人员的项目学习参考用书。

随着智能制造技术的发展，传统的大批量集中式的工业生产模式需要向数字化、智能化、个性化、绿色化的生产模式转变。中国也相应提出了“中国制造2025”的发展计划。实现智能制造的关键是数字化工厂，数字化工厂的体系架构中包括底层的生产设备、中间层的控制设备和上层的监控体系。为了实现数字化工厂的柔性生产、数据共享、网络互通的需求，要求自动化系统进行集成控制。西门子开发的TIA博途系统是实现工业自动化集成控制系统的典型系统。本书以智能制造的特点和需求为出发点，根据智慧工厂的设计规划，分析了工业自动化集成控制的工作方式，并以西门子的TIA博途系统为主体介绍了其在工业自动化中的应用，以及实现下位设备自动控制的TIA博途STEP 7和实现上位机监控的TIA博途WinCC的使用方法和工作原理。本书由杭州电子科技大学的孟爱华、潘文武、严纯和浙江水利水电学院的李明范共同编写而成。全书共分八章，第一、三、四、八章由孟爱华编写，第五章由潘文武编写，第六章由严纯编写，第二、七章由李明范编写。全书内容由孟爱华统一规划和统稿。学习本书不仅有助于学生掌握西门子集成控制系统的使用方法，也有助于学生对PLC工作原理、工业以太网的通信方式、人机界面的基本设计方法等基础知识的理解。本书可作为机械、车辆、自动化等专业本、专科生的学习教材，也可作为机电工程师、自动化软件工程师等工程技术人员的项目学习参考用书。本书在编写过程中参阅了大量相关书籍、论文和网络资料，具体在参考文献中一并列出，在此对原著作者表示衷心的感谢！杭州电子科技大学机械工程学院的陈国金教授和王万强老师在本书编纂过程中提供了大力支持和帮助，杭州电子科技大学机械工程学院对本书的出版也给予了很多帮助，在此表示深深的谢意！由于编者水平有限，书中难免存在不妥之处，恳请读者批评指正，并提出宝贵意见。

第一章智能制造概论 1 1.1 智能制造概述 1 1.2 智能制造的现状 2 1.2.1 “工业4.0”战略计划 2 1.2.2 “中国制造2025”计划 3 1.3 智慧工厂 3 1.3.1 智慧工厂的体系架构 4 1.3.2 国内外智慧工厂的实施现状 5 1.4 全集成自动化 6 第二章西门子TIA博途软件系统概述 8 2.1 西门子TIA博途软件系统简介 8 2.2 TIA博途软件的构成 9 2.2.1 TIA博途STEP 7 10 2.2.2 TIA博途WinCC 11 2.3 博途软件的安装 12 2.4 博途软件的特点 13 2.5 TIA博途软件的视图 15 2.5.1 Portal视图 15 2.5.2 项目视图 16 2.6 TIA博途软件的基本设置和操作 18 2.7 设计实例：机床加工主轴移动控制系统 19 第三章 S71500的硬件配置 21 3.1 硬件组成概述 21 3.1.1 S71500的硬件组成 21 3.1.2 CPU的操作元件和显示元件 23 3.1.3 CPU的存储器 24 3.2 PROFINET网络介绍 26 3.2.1 PROFINET的功能 26 3.2.2 PROFINET与PROFIBUS的区别 27 3.3 S71500的硬件组态 29 3.3.1 组态主机架 29 3.3.2 获取现有硬件组态 32 3.3.3 PROFINET参数设置 33 3.3.4 硬件配置的保存和编译 36 3.4 分布式硬件ET 200SP组态 38 3.4.1 分布式网络通信模块简介 38 3.4.2 ET 200SP的基本模块 40 3.4.3 分布式网络的组态 41 3.5 设计实例：机床加工主轴移动控制系统 45 3.5.1 规划 45 3.5.2 引导指南 46 第四章 STEP 7的结构化编程基础 58 4.1　PLC系统运行的原理 58 4.2 结构化的编程方式 59 4.2.1　组织块OB 61 4.2.2　函数FC 63 4.2.3　函数块FB和背景数据块DB 65 4.2.4 数据块DB 67 4.3 TIA博途软件的数据访问方式 67 4.3.1 数据优化访问方式 67 4.3.2 下载无需重新初始化功能 69 4.4 设计实例：机床加工主轴移动控制系统 71 第五章 TIA博途STEP 7编程 72 5.1　STEP 7的编程环境 72 5.1.1 界面介绍 72 5.1.2 编程语言 74 5.1.3 TIA博途编程指令的使用 75 5.2　变量与数据访问 78 5.2.1 PLC的变量 78 5.2.2 PLC变量表 79 5.2.3 生成变量的方式 80 5.3 常用的编程指令 82 5.3.1 位逻辑指令 83 5.3.2 定时器指令 86 5.3.3 计数器指令 89 5.3.4 移动操作指令 92 5.3.5 比较指令 93 5.3.6 字逻辑运算指令 96 5.4 FC的编写 98 5.5 FB的编写 101 5.6 程序的保存、编译、下载、上传 104 5.7 设计实例：机床加工主轴移动控制系统 104 5.7.1 项目规划与变量表的创建 104 5.7.2 FC编写引导指南 106 5.7.3 FB编写引导指南 113 5.7.4 OB1程序编写引导指南 118 第六章 HMI的可视化操作 121 6.1 SIMATIC HMI简介 121 6.1.1 HMI简介 121 6.1.2 SIMATIC HMI面板 122 6.1.3 TIA博途WinCC 123 6.2 SIMATIC HMI精简面板 123 6.2.1 精简面板的参数设置 124 6.2.2 更改面板显示 126 6.2.3 更改控制器的IP 地址和设备名称 127 6.2.4 设置日期和时间 129 6.2.5 设置传输参数 131 6.2.6 设置服务和调试功能 132 6.3 SIMATIC HMI精智面板 133 6.3.1 存储卡 135 6.3.2 系统桌面 136 6.3.3 HMI的参数设置 137 6.4 HMI的项目组态 137 6.4.1 新建项目 138 6.4.2 软件界面 142 6.4.3 项目规划 143 6.4.4 HMI与PLC的通信参数设置 144 6.5 HMI画面基本元素应用 146 6.5.1 图形元素的设计 146 6.5.2 I/O域元素的设计 147 6.5.3 画面切换 149 6.5.4 动画 150 6.6 报警信息设置 151 6.6.1 报警窗口的设置 152 6.6.2 报警指示器 154 6.6.3 CPU的系统诊断报警 154 6.6.4 模拟量报警 156 6.7 设计实例：机床加工主轴移动控制系统 156 6.7.1 HMI规划 156 6.7.2 HMI设计指南 157 第七章系统故障与调试 165 7.1 常见的故障类型 165 7.2 SIMATIC S7的在线诊断 166 7.2.1 PG/PC诊断 167 7.2.2 硬件诊断 169 7.2.3 CPU的诊断显示 170 7.2.4 HMI上的系统诊断 172 7.3 离线/在线比较功能 172 7.4 监控表和强制变量表 174 7.4.1 监控表 175 7.4.2 强制变量表 176 7.5 程序监控 177 7.5.1 程序块的监控 177 7.5.2 数据块的监控 179 第八章库及相关的操作 181 8.1 库的概念 181 8.2 库元素 182 8.3 库的使用 183 8.3.1 创建库 183 8.3.2 添加库文件 183 8.3.3 库文件的编辑 186 参考文献 190 第一章智能制造概论 1 1.1 智能制造概述 1 1.2 智能制造的现状 2 1.2.1 “工业4.0”战略计划 2 1.2.2 “中国制造2025”计划 3 1.3 智慧工厂 3 1.3.1 智慧工厂的体系架构 4 1.3.2 国内外智慧工厂的实施现状 5 1.4 全集成自动化 6 第二章西门子TIA博途软件系统概述 8 2.1 西门子TIA博途软件系统简介 8 2.2 TIA博途软件的构成 9 2.2.1 TIA博途STEP 7 10 2.2.2 TIA博途WinCC 11 2.3 博途软件的安装 12 2.4 博途软件的特点 13 2.5 TIA博途软件的视图 15 2.5.1 Portal视图 15 2.5.2 项目视图 16 2.6 TIA博途软件的基本设置和操作 18 2.7 设计实例：机床加工主轴移动控制系统 19 第三章 S71500的硬件配置 21 3.1 硬件组成概述 21 3.1.1 S71500的硬件组成 21 3.1.2 CPU的操作元件和显示元件 23 3.1.3 CPU的存储器 24 3.2 PROFINET网络介绍 26 3.2.1 PROFINET的功能 26 3.2.2 PROFINET与PROFIBUS的区别 27 3.3 S71500的硬件组态 29 3.3.1 组态主机架 29 3.3.2 获取现有硬件组态 32 3.3.3 PROFINET参数设置 33 3.3.4 硬件配置的保存和编译 36 3.4 分布式硬件ET 200SP组态 38 3.4.1 分布式网络通信模块简介 38 3.4.2 ET 200SP的基本模块 40 3.4.3 分布式网络的组态 41 3.5 设计实例：机床加工主轴移动控制系统 45 3.5.1 规划 45 3.5.2 引导指南 46 第四章 STEP 7的结构化编程基础 58 4.1　PLC系统运行的原理 58 4.2 结构化的编程方式 59 4.2.1　组织块OB 61 4.2.2　函数FC 63 4.2.3　函数块FB和背景数据块DB 65 4.2.4 数据块DB 67 4.3 TIA博途软件的数据访问方式 67 4.3.1 数据优化访问方式 67 4.3.2 下载无需重新初始化功能 69 4.4 设计实例：机床加工主轴移动控制系统 71 第五章 TIA博途STEP 7编程 72 5.1　STEP 7的编程环境 72 5.1.1 界面介绍 72 5.1.2 编程语言 74 5.1.3 TIA博途编程指令的使用 75 5.2　变量与数据访问 78 5.2.1 PLC的变量 78 5.2.2 PLC变量表 79 5.2.3 生成变量的方式 80 5.3 常用的编程指令 82 5.3.1 位逻辑指令 83 5.3.2 定时器指令 86 5.3.3 计数器指令 89 5.3.4 移动操作指令 92 5.3.5 比较指令 93 5.3.6 字逻辑运算指令 96 5.4 FC的编写 98 5.5 FB的编写 101 5.6 程序的保存、编译、下载、上传 104 5.7 设计实例：机床加工主轴移动控制系统 104 5.7.1 项目规划与变量表的创建 104 5.7.2 FC编写引导指南 106 5.7.3 FB编写引导指南 113 5.7.4 OB1程序编写引导指南 118 第六章 HMI的可视化操作 121 6.1 SIMATIC HMI简介 121 6.1.1 HMI简介 121 6.1.2 SIMATIC HMI面板 122 6.1.3 TIA博途WinCC 123 6.2 SIMATIC HMI精简面板 123 6.2.1 精简面板的参数设置 124 6.2.2 更改面板显示 126 6.2.3 更改控制器的IP 地址和设备名称 127 6.2.4 设置日期和时间 129 6.2.5 设置传输参数 131 6.2.6 设置服务和调试功能 132 6.3 SIMATIC HMI精智面板 133 6.3.1 存储卡 135 6.3.2 系统桌面 136 6.3.3 HMI的参数设置 137 6.4 HMI的项目组态 137 6.4.1 新建项目 138 6.4.2 软件界面 142 6.4.3 项目规划 143 6.4.4 HMI与PLC的通信参数设置 144 6.5 HMI画面基本元素应用 146 6.5.1 图形元素的设计 146 6.5.2 I/O域元素的设计 147 6.5.3 画面切换 149 6.5.4 动画 150 6.6 报警信息设置 151 6.6.1 报警窗口的设置 152 6.6.2 报警指示器 154 6.6.3 CPU的系统诊断报警 154 6.6.4 模拟量报警 156 6.7 设计实例：机床加工主轴移动控制系统 156 6.7.1 HMI规划 156 6.7.2 HMI设计指南 157 第七章系统故障与调试 165 7.1 常见的故障类型 165 7.2 SIMATIC S7的在线诊断 166 7.2.1 PG/PC诊断 167 7.2.2 硬件诊断 169 7.2.3 CPU的诊断显示 170 7.2.4 HMI上的系统诊断 172 7.3 离线/在线比较功能 172 7.4 监控表和强制变量表 174 7.4.1 监控表 175 7.4.2 强制变量表 176 7.5 程序监控 177 7.5.1 程序块的监控 177 7.5.2 数据块的监控 179 第八章库及相关的操作 181 8.1 库的概念 181 8.2 库元素 182 8.3 库的使用 183 8.3.1 创建库 183 8.3.2 添加库文件 183 8.3.3 库文件的编辑 186 参考文献 190

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