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SIMATIC S7-300:用于制造行業(yè)的模塊化通用控制器

SIMATIC S7- 300通用控制器是專門設(shè)計用于制造行業(yè)，特別是汽車和包裝行業(yè)，的創(chuàng)新性系統(tǒng)解決方案。這種模塊化控制器可作為理想的集中和分散配置通用自動化系統(tǒng)。安全技術(shù)和運(yùn)動控制也可與標(biāo)準(zhǔn)自動化一起被集成進(jìn)該通用控制器中。

說明

S7-300 CPU 的六個性能等級

現(xiàn)有性能范圍極寬的分級 CPU 系列，可用于組態(tài)控制器。
產(chǎn)品范圍包括 7 種標(biāo)準(zhǔn)的 CPU、
7 種緊湊式 CPU、5 種故障防護(hù)型 CPU 以及 3 種工藝 CPU。
現(xiàn)有 CPU 的寬度僅 40mm
SIMATICS7-300 是我們?nèi)勺詣踊O(shè)計的一部分，是銷量最大的控制器。

應(yīng)用范圍

• 在第一個實(shí)例中，SIMATIC S7-300 用于制造工藝中的創(chuàng)新性系統(tǒng)解決方案，特別是用于汽車工業(yè)，一般機(jī)械工程，特別是特殊機(jī)械制造和機(jī)器的連續(xù)生產(chǎn) (OEM)，以及塑料加工、包裝行業(yè)、食品和飲料工業(yè)和加工工程

• 作為一種多用的自動化系統(tǒng)，S7-300 是那些需要靈活的設(shè)計以實(shí)現(xiàn)集中和本地組態(tài)的應(yīng)用的理想解決方案。

• 對于由于環(huán)境條件限制需要特殊的堅(jiān)固性的應(yīng)用，我們可以提供SIPLUS 極端設(shè)備。

特別是在后期加工工藝上，S7-300 可以用于以下行業(yè)：

• 汽車工業(yè)

• 通用機(jī)械工程

• 特殊機(jī)器制造

• 系列機(jī)械工程，OEM

• 塑料加工

• 包裝行業(yè)

• 食品和飲料工業(yè)

• 加工工程

• 快速計數(shù)/fairs，可以直接訪問硬件計數(shù)器

• 簡單定位，直接控制 MICROMASTER 頻率靜態(tài)變頻器

• 帶有集成功能塊的 PID-Regulation

優(yōu)點(diǎn)

• 由于具有高處理速度，CPU 可以實(shí)現(xiàn)非常短的機(jī)器循環(huán)時間。

• S7-300 系列 CPU 可以為各種應(yīng)用提供合適的解決方案，客戶只需為特定任務(wù)實(shí)際需要的性能付款

• S7-300 建立在模塊式的組態(tài)上，無需 I/O 模塊的插槽規(guī)則

• 現(xiàn)有豐富的模塊可用于集中組態(tài)和搭配 ET 200M 實(shí)現(xiàn)分布式組態(tài)。

• 集成的 PROFINET 接口可以實(shí)現(xiàn)控制器的簡單網(wǎng)絡(luò)化，與其它運(yùn)行管理等級方便的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換

• 模塊寬度窄，可以實(shí)現(xiàn)緊湊式的模塊設(shè)計或者小型控制柜。

• 能夠把強(qiáng)大的 CPU 與工業(yè)以太網(wǎng)/PROFINET 接口、集成的工藝功能或故障防護(hù)設(shè)計集成在一起，從而避免附加投資。

設(shè)計和功能

桌面 CPU 創(chuàng)新

設(shè)計

S7-300 可以實(shí)現(xiàn)空間節(jié)省和模塊式組態(tài)。除了模塊，只需要一條 DIN 安裝軌用于固定模塊并把它們旋轉(zhuǎn)到位。
這樣就實(shí)現(xiàn)了堅(jiān)固而且具有 EMC 兼容性的設(shè)計。
隨用隨建式的背板總線可以通過簡單的插入附加的模塊和總線連接器進(jìn)行擴(kuò)展。S7-300 系列豐富的產(chǎn)品既可以用于集中擴(kuò)展，也可用于構(gòu)建帶有 ET 200M 的分布式結(jié)構(gòu)；因此實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)高效的備件控制。

擴(kuò)展選件

如果自動化任務(wù)需要超過 8 個模塊，S7-300 的中央控制器 (CC) 可以使用擴(kuò)展裝置 (EU) 擴(kuò)展。中心架上最多可以有 32 個模塊，每個擴(kuò)展裝置上最多 8 個。接口模塊 (IM) 可以同時處理各個機(jī)架之間的通訊。如果工廠覆蓋范圍很寬，CC/EU 還可以相互間隔較長距離安裝（最長 10m）。

在單層結(jié)構(gòu)中，這可以實(shí)現(xiàn) 256 個 I/O 的最大組態(tài)，在多層結(jié)構(gòu)中最多可以達(dá)到 1024 個 I/O。在帶有 PROFIBUS DP 的分布式組態(tài)中，可以有 65536 個 I/O 連接（最多 125 個站點(diǎn)，如通過 IM153 連接的 ET200M）。插槽可自由編址，因此無需插槽規(guī)則。

S7-300 模塊種類豐富，還可以用在分布式自動化解決方案中。
與 S7-300 具有相同結(jié)構(gòu)的 ET 200M I/O 系統(tǒng)通過接口模塊不僅可以連接到 PROFIBUS 上還可以連接到 PROFINET 上。

CU310 DP

PID控制的難點(diǎn)在于整定控制器的參數(shù)。為了學(xué)習(xí)整定PID控制器參數(shù)的方法，必須做閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，開環(huán)運(yùn)行PID程序沒有任何意義。用硬件組成一個閉環(huán)需要PLC的CPU模塊、模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊，此外還需要被控對象、檢測元件、變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。例如可以用電熱水壺作為被控對象，用熱電阻檢測溫度，用溫度變送器將溫度轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓，用移相控制的交流固態(tài)調(diào)壓器作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
 有沒有比較簡單的實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制的方法呢？
 在控制理論中，用傳遞函數(shù)來描述被控對象、檢測元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和PID控制器。
 被控對象一般是串聯(lián)的慣性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的組合。在實(shí)驗(yàn)室可以用以運(yùn)算放大器為核心的模擬電路來模擬廣義的被控對象（包括檢測元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)）的傳遞函數(shù)。我曾將這種運(yùn)放電路用于S7-200和S7-1200的PID參數(shù)自動調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)。
 用運(yùn)算放大器模擬被控對象一般需要做印刷電路板，還是比較麻煩。有沒有更簡單的方法呢？
 除了用運(yùn)算放大器來模擬被控對象的傳遞函數(shù)，也可以用PLC的程序來模擬。為此我編寫了用來模擬被控對象的S7-200的子程序，它也可以用于S7-200 SMART。使用模擬的被控對象的PID閉環(huán)示意圖如下圖所示，虛線右邊是被控對象，DISV是系統(tǒng)的擾動輸入值。虛線左邊是PLC的PID控制程序。
 


 被控對象的數(shù)學(xué)模型為3個串聯(lián)的慣性環(huán)節(jié)，其增益為GAIN，3個慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)分別為TIM1～TIM3。其傳遞函數(shù)為
 


 分母中的“s”為自動控制理論中拉普拉斯變換的拉普拉斯算子。將某一時間常數(shù)設(shè)為0，可以減少慣性環(huán)節(jié)的個數(shù)。圖中被控對象的輸入值INV是PID控制器的輸出值。被控對象的輸出值OUTV作為PID控制器的過程變量（反饋值）PV。
 下圖是模擬被控對象的子程序，實(shí)際上只用了兩個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)分別為5000ms和2000ms。用與PID的采樣周期相同的定時中斷時間間隔來調(diào)用這個子程序。
 


 下圖是用來監(jiān)視PID回路運(yùn)行情況的STEP 7-Micro/WIN的PID調(diào)節(jié)控制面板，可以用它進(jìn)行PID參數(shù)自整定或手動調(diào)節(jié)PID參數(shù)的實(shí)驗(yàn)。標(biāo)有PV（即被控量）的是過程變量的階躍響應(yīng)曲線。
 


 將上圖中的積分時間由0.03min（分鐘）增大到0.12min，下圖的超調(diào)量有明顯的減小。通過修改PID的參數(shù)，觀察被控量階躍響應(yīng)曲線給出的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間等特征量的變化情況，可以形象直觀、快速地學(xué)習(xí)和掌握PID參數(shù)的整定方法。
 

PID控制的難點(diǎn)在于整定控制器的參數(shù)。為了學(xué)習(xí)整定PID控制器參數(shù)的方法，必須做閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，開環(huán)運(yùn)行PID程序沒有任何意義。用硬件組成一個閉環(huán)需要PLC的CPU模塊、模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊，此外還需要被控對象、檢測元件、變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。例如可以用電熱水壺作為被控對象，用熱電阻檢測溫度，用溫度變送器將溫度轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓，用移相控制的交流固態(tài)調(diào)壓器作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
 有沒有比較簡單的實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制的方法呢？
 在控制理論中，用傳遞函數(shù)來描述被控對象、檢測元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和PID控制器。
 被控對象一般是串聯(lián)的慣性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的組合。在實(shí)驗(yàn)室可以用以運(yùn)算放大器為核心的模擬電路來模擬廣義的被控對象（包括檢測元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)）的傳遞函數(shù)。我曾將這種運(yùn)放電路用于S7-200和S7-1200的PID參數(shù)自動調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)。
 用運(yùn)算放大器模擬被控對象一般需要做印刷電路板，還是比較麻煩。有沒有更簡單的方法呢？
 除了用運(yùn)算放大器來模擬被控對象的傳遞函數(shù)，也可以用PLC的程序來模擬。為此我編寫了用來模擬被控對象的S7-200的子程序，它也可以用于S7-200 SMART。使用模擬的被控對象的PID閉環(huán)示意圖如下圖所示，虛線右邊是被控對象，DISV是系統(tǒng)的擾動輸入值。虛線左邊是PLC的PID控制程序。
 


 被控對象的數(shù)學(xué)模型為3個串聯(lián)的慣性環(huán)節(jié)，其增益為GAIN，3個慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)分別為TIM1～TIM3。其傳遞函數(shù)為
 


 分母中的“s”為自動控制理論中拉普拉斯變換的拉普拉斯算子。將某一時間常數(shù)設(shè)為0，可以減少慣性環(huán)節(jié)的個數(shù)。圖中被控對象的輸入值INV是PID控制器的輸出值。被控對象的輸出值OUTV作為PID控制器的過程變量（反饋值）PV。
 下圖是模擬被控對象的子程序，實(shí)際上只用了兩個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)分別為5000ms和2000ms。用與PID的采樣周期相同的定時中斷時間間隔來調(diào)用這個子程序。
 


 下圖是用來監(jiān)視PID回路運(yùn)行情況的STEP 7-Micro/WIN的PID調(diào)節(jié)控制面板，可以用它進(jìn)行PID參數(shù)自整定或手動調(diào)節(jié)PID參數(shù)的實(shí)驗(yàn)。標(biāo)有PV（即被控量）的是過程變量的階躍響應(yīng)曲線。
 


 將上圖中的積分時間由0.03min（分鐘）增大到0.12min，下圖的超調(diào)量有明顯的減小。通過修改PID的參數(shù)，觀察被控量階躍響應(yīng)曲線給出的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間等特征量的變化情況，可以形象直觀、快速地學(xué)習(xí)和掌握PID參數(shù)的整定方法。