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可編程控制器基礎(chǔ)點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》
可編程控制器概述1.1可編程控制器的工作原理1.2《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》點擊此處結(jié)束放映可編程控制器硬件基礎(chǔ)1.3
可編程控制器概述1.1點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》點擊此處結(jié)束放映
可編程控制器的英文名稱是ProgrammableController,早期簡稱PC,后來為了與個人計算機(jī)(PC)區(qū)分,在行業(yè)中多稱之為ProgrammableLogicController,即可編程邏輯控制器,簡稱PLC,而這種稱呼又與可編程控制器的起源和它本身的特點有關(guān)。可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng),專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的。它采用可編程序的存儲器,用來在其內(nèi)部執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令,并通過數(shù)字式、模擬式的輸入或輸出,控制各類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程??删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備,都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制形成一個整體,易于擴(kuò)充其功能的原則來設(shè)計。
《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》1.1.1可編程控制器的產(chǎn)生與發(fā)展點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》
1968年美國通用汽車公司(GM)為了適應(yīng)汽車型號的不斷更新,提出了著名的“GM十條”,向全球招標(biāo)新生產(chǎn)線。
1969年美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)根據(jù)美國通用汽車公司提出的10項指標(biāo),研制出第一臺控制器,型號為PDP-14,它的開創(chuàng)性意義在于引入了程序控制功能,為計算機(jī)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了空間。
至上世紀(jì)70年代,PLC技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入成熟期。推動PLC技術(shù)發(fā)展的動力主要來自于兩個方面:其一是企業(yè)對高性能、高可靠性自動控制系統(tǒng)的客觀需要和追求;其次,電子與微處理器技術(shù)的高速發(fā)展,為PLC技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)并開拓了空間。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》PLC對高性能的追求主要體現(xiàn)在:
(1)向高集成、高性能、高速度,大容量發(fā)展。采用多CPU結(jié)構(gòu)、模塊化可擴(kuò)展結(jié)構(gòu)、模擬量輸入輸出控制等。
(2)向普及化方向發(fā)展。價格便宜,體積小、重量輕、能耗低,很適合于單機(jī)自動化。
(3)向模塊化、智能化發(fā)展。獨立測控功能模塊、智能I/O模塊等。
(4)向軟件化發(fā)展。編程軟件可以對可編程序控制器控制系統(tǒng)的硬件組態(tài),即設(shè)置硬件的結(jié)構(gòu)和參數(shù),以及運行流程等。(5)向通信網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。通過串行通信接口或網(wǎng)絡(luò)通信模塊,實現(xiàn)上位計算機(jī)與可編程序控制器交換數(shù)據(jù)信息。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》1.1.2可編程控制器的特點
可編程控制器的產(chǎn)生是基于工業(yè)控制的需要,是面向工業(yè)控制領(lǐng)域的專用設(shè)備,它具有以下特點:CPU具備可靠性高,抗干擾能力強(qiáng)的特點;靈活性強(qiáng),控制系統(tǒng)具有良好的柔性;編程方法簡單、語言直觀,使用方便;控制系統(tǒng)易于實現(xiàn),開發(fā)工作量少,周期短;結(jié)構(gòu)清晰,維修方便;體積小,能耗低;功能強(qiáng),性能價格比高
。
點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》1.1.3可編程控制器的組成及分類圖1-1PLC的基本組成部件
1.可編程控制器的組成PLC是一種工業(yè)控制用的專用計算機(jī),其基本組成部件如圖1-1所示。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》
(1)中央處理器單元
中央處理單元(CentralProcessingUnit,簡稱CPU)是PLC的控制核心,負(fù)責(zé)完成邏輯運算、數(shù)字運算以及協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)各部分的工作。其主要功能有:
1)接收并存儲用戶程序和數(shù)據(jù)。
2)診斷電源故障、硬件故障以及用戶程序的語法錯誤。
3)通過輸入接口讀取輸入設(shè)備的狀態(tài)和數(shù)據(jù),并存儲到相應(yīng)的存儲區(qū)。
4)讀取用戶程序指令,循環(huán)解釋執(zhí)行用戶程序,完成邏輯運算、數(shù)字運算、數(shù)據(jù)傳遞、存儲等任務(wù)。
5)刷新輸出映像,將輸出映像內(nèi)容送至輸出單元。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》
(2)存儲器單元
按照存儲內(nèi)容的不同,存儲器單元分成系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。
1)系統(tǒng)程序存儲器用于存放PLC生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序,系統(tǒng)程序在出廠時已經(jīng)被固化在PROM或EPROM中。這部分存儲區(qū)不對用戶開放,用戶程序不能訪問和修改。
2)用戶程序存儲器
可分為程序存儲區(qū)和數(shù)據(jù)存儲區(qū),程序存儲器用于存放用戶編寫的控制程序,數(shù)據(jù)存儲區(qū)存放的是程序執(zhí)行過程中所需要的或者所產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》
(3)電源單元
電源單元將外界提供的電源轉(zhuǎn)換成PLC的工作電源后,提供給PLC。有些電源單元也可以作為負(fù)載電源,通過PLC的I/O接口向負(fù)載提供直流24V電源。
電源單元還提供掉電保護(hù)電路和后備電池電源,以維持部分RAM存儲器的內(nèi)容在外界電源斷電后不會丟失。在面板上通常有發(fā)光二極管(LCD)指示電源的工作狀態(tài),便于判斷電源工作是否正常。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》4)輸入/輸出單元
PLC的輸入、輸出單元也叫I/O單元,對于模塊式的PLC來說,I/O單元以模塊形式出現(xiàn),所以又稱為I/O模塊。
I/O單元是PLC與工業(yè)現(xiàn)場的接口,現(xiàn)場信號與PLC之間的聯(lián)系通過I/O單元實現(xiàn)。
工業(yè)現(xiàn)場的輸入和輸出信號包括數(shù)字量和模擬量兩類,因此I/O單元也有數(shù)字I/O和模擬I/O兩種,前者又稱為DI/DO,后者又稱為AI/AO。PLC的輸入、輸出單元還應(yīng)包括一些功能模塊,所謂功能模塊就是一些智能化了的輸入和輸出模塊。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》
5)其他接口單元I/O擴(kuò)展接口。用于擴(kuò)展輸入輸出點數(shù)。通信接口。通常集成有RS232或RS422口,用于與PLC、上位機(jī)、遠(yuǎn)程I/O、監(jiān)視器、編程器等外部設(shè)備相連。編程器接口。PLC本體通常是不帶編程器的,編程器接口是連接編程器的。存儲器接口。存儲器接口是為了擴(kuò)展存儲區(qū)而設(shè)置的。其它外部設(shè)備接口。包括條碼讀入器的接口、打印機(jī)接口等等。PLC的I/O單元也屬于接口單元的范疇,它完成PLC與工業(yè)現(xiàn)場之間電信號的往來聯(lián)系。除此之外,PLC與其它外界設(shè)備和信號的聯(lián)系都需要相應(yīng)的接口單元,還應(yīng)該包括:點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》
2.可編程控制器的分類
(1)按結(jié)構(gòu)分類
PLC在結(jié)構(gòu)上主要有兩種類型:整體式和模塊式。整體式的PLC將CPU單元、存儲器單元、I/O單元、電源單元都集中安裝在一個箱體內(nèi),是不可分的,稱為主機(jī)。主機(jī)上通常有編程接口和擴(kuò)展接口,前者用于聯(lián)結(jié)編程器,后者用于連接擴(kuò)展單元。整體式PLC又稱一體化的PLC、箱體式PLC等。
模塊式PLC是將各個功能單元制作成獨立的模塊,如CPU模塊、數(shù)字輸入模塊、數(shù)字輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、電源模塊以及其它特殊功能模塊和智能模塊,用戶根據(jù)控制需要選擇相應(yīng)的模塊,將其組裝在一起構(gòu)成完整的PLC。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》
(2)按控制規(guī)模分類
控制規(guī)模是PLC性能指標(biāo)之一,習(xí)慣上總是用數(shù)字量I/O點數(shù)的多少來衡量PLC系統(tǒng)規(guī)模的大小。目前關(guān)于控制規(guī)模的劃分方式并不統(tǒng)一,較為細(xì)致的劃分可以將PLC歸為微型機(jī)(數(shù)十點)、小型機(jī)(500點以下)、中型機(jī)(500點至上千點)、大型機(jī)(數(shù)千點)、超大型機(jī)(上萬點)等多種級別。也有粗略地劃分為小型機(jī)(256點以下)、中型機(jī)(256至2048點之間)、大型機(jī)(2048點以上)等級別的。
可編程控制器的工作原理1.2《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》可編程控制器是基于電子計算機(jī)的工業(yè)控制器,從PLC產(chǎn)生的背景來看,PLC系統(tǒng)與繼電-接觸器控制系統(tǒng)有著極深的淵源,因此可以比照著繼電器系統(tǒng)來學(xué)習(xí)PLC的工作原理。PLC是通過通用邏輯電路(硬件)和控制程序(軟件)的結(jié)合來實現(xiàn)傳統(tǒng)繼電器-接觸控制所謂“邏輯電路”的功能,用戶所編制的控制程序體現(xiàn)了特定的輸入輸出之間的邏輯關(guān)系。如圖1-3所示。圖1-3基于PLC的控制系統(tǒng)組成圖點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》如圖1-4所示為一個典型的傳統(tǒng)繼電-接觸器控制的電動機(jī)啟動/停止控制電路,由繼電器等元件組成。電路中有兩個輸入,圖1-4傳統(tǒng)電動機(jī)起動/停止控制電路1.2.1可編程控制器的等效電路分別為啟動按鈕(SB1)、停止按鈕(SB2);接觸器KM作為輸出器件控制被控設(shè)備。圖中的輸入輸出邏輯關(guān)系由硬件連線實現(xiàn)。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》與圖1-4邏輯電路等效的基于PLC的控制系統(tǒng)邏輯控制環(huán)節(jié)如圖1-5所示,需要注意的是PLC僅僅取代了傳統(tǒng)繼電-接觸器控制中的“邏輯電路”部分,而其它的環(huán)節(jié)任然保留不變,即主回路和必要的保護(hù)電路保持不變。圖1-5PLC等效電路點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》PLC的工作過程以循環(huán)掃描的方式進(jìn)行,當(dāng)PLC處于運行狀態(tài)時,它的運行周期可以劃分為3個基本階段:輸入采樣階段;PLC逐個掃描每個輸入端口,將所有輸入設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)保存到相應(yīng)的存儲區(qū)。程序執(zhí)行階段;在系統(tǒng)程序的指示下,CPU從用戶程序存儲區(qū)逐條讀取用戶指令,經(jīng)解釋后執(zhí)行相應(yīng)動作,產(chǎn)生相應(yīng)結(jié)果,刷新相應(yīng)的輸出映像寄存器,期間需要用到輸入映像寄存器、輸出映像寄存器的相應(yīng)狀態(tài)。輸出刷新階段。系統(tǒng)程序?qū)⑤敵鲇诚窦拇嫫髦械膬?nèi)容傳送到輸出鎖存器中,經(jīng)過輸出接口、輸出端子輸出,驅(qū)動外部負(fù)載。1.2.2可編程控制器的工作過程點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》
PLC工作過程的特點總結(jié)如下:PLC采用集中采樣、集中輸出的工作方式,這種方式減少了外界干擾的影響。PLC的工作過程是循環(huán)掃描的過程,循環(huán)掃描時間的長短取決于指令執(zhí)行速度、用戶程序的長度等因素。輸出對輸入的響應(yīng)有滯后現(xiàn)象。PLC采用集中采樣、集中輸出的工作方式,當(dāng)采樣階段結(jié)束后,輸入狀態(tài)的變化將要等到下一個采樣周期才能被接收,因此這個滯后時間的長短又主要取決于循環(huán)周期的長短。此外,還有硬件電路的滯后時間等。輸出映像寄存器的內(nèi)容取決于用戶程序掃描執(zhí)行的結(jié)果。輸出鎖存器的內(nèi)容,由上一次輸出刷新期間輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)決定。PLC當(dāng)前實際的輸出狀態(tài),由輸出鎖存器的內(nèi)容決定。
點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》除了上面總結(jié)的6條外,需要補充說明的是,當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較大,I/O點數(shù)眾多,用戶程序比較長時,單純采用上面的循環(huán)掃描工作方式會使系統(tǒng)的響應(yīng)速度明顯降低,甚至?xí)G失、錯漏高頻輸入信號,因此大多數(shù)大中型PLC在盡量提高程序指令執(zhí)行速度的同時,也采取了一些其它措施來加快系統(tǒng)響應(yīng)速度。例如采用定周期輸入采樣、輸出刷新,直接輸入采樣、直接輸出刷新,中斷輸入、輸出,或者開發(fā)智能I/O模塊,模塊本身帶有CPU,可以與主機(jī)的CPU并行工作,分擔(dān)一部分任務(wù),從而加快整個系統(tǒng)的執(zhí)行速度。
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可編程控制器硬件基礎(chǔ)1.3點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》
I/O單元是組成PLC系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié),本節(jié)以介紹I/O單元的硬件電路為主,在此基礎(chǔ)上簡單介紹PLC系統(tǒng)的硬件配置。應(yīng)當(dāng)說明的是,不同PLC在硬件的具體實現(xiàn)方案上總是有區(qū)別的,本節(jié)的任務(wù)是討論一般性的原理,而非某一具體型號的結(jié)構(gòu)特征。
PLC的輸入輸出部分,可以分為數(shù)字I/O(DI/DO)和模擬I/O(AI/AO)兩大類。1.3.1可編程控制器的I/O單元點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》
1.數(shù)字量I/O(DI/DO)
PLC一般總是將輸入、輸出分成若干組,每組共用一個輸入、輸出端口,下面分別介紹數(shù)字量輸入、輸出電路的具體形式。
(1)數(shù)字量輸入單元
數(shù)字量輸入電路有多種形式,能分別適用于直流和交流的數(shù)字輸入量。而在直流數(shù)字量的輸入電路中,根據(jù)具體的電路形式又有源型和漏型之別。圖1-6是漏型數(shù)字量輸入電路示意圖。圖1-7
帶整流橋的交流輸入電路示意圖圖1-6
漏型數(shù)字量輸入電路示意圖點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》
(2)數(shù)字量輸出單元
PLC的數(shù)字量輸出有三種形式:繼電器模式、晶體管模式、晶閘管模式,分別用于驅(qū)動不同形式的負(fù)載。圖1-8給出了繼電器輸出模式的原理圖,圖中的KA為輸出繼電器,它的線包由光耦驅(qū)動,而光耦的狀態(tài)取決于PLC內(nèi)部電路中的輸出鎖存器,繼電器輸出模式可以帶交流、直流兩種負(fù)載。圖1-8
繼電器輸出電路示意圖點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》2.模擬量I/O(AI/AO)
PLC的模擬量I/O接口用于處理連續(xù)變化的電壓或電流信號,在過程控制領(lǐng)域以及數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)中用途極廣。
(1)模擬量輸入單元
傳感器將被控對象中連續(xù)變化的物理量送給PLC,PLC的模擬量輸入單元將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后,CPU可對其進(jìn)行運算處理。因此,模擬量輸入單元的核心部件是A/D轉(zhuǎn)換器,對于多路輸入的模塊,需要多路開關(guān)配合使用,圖1-9為具有8個輸入通道的模擬量輸入單元原理框圖。圖1-9
8通道模擬輸入單元原理框圖點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》
(2)模擬量輸出單元
模擬量輸出的過程與輸入正相反,它將PLC運算處理過的二進(jìn)制數(shù)字轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電量(例如4~20mA、0~10V等),輸出至現(xiàn)場的執(zhí)行機(jī)構(gòu),它的核心部件是D/A轉(zhuǎn)換器,圖1-10為模擬量輸出單元的原理框圖。
模擬量輸出單元的主要技術(shù)指標(biāo)同樣包括輸出信號形式(電壓或電流)、輸出信號范圍(例如例如4~20mA、0~10V等),以及接線形式等,在選型時要充分考慮到這些因素與工業(yè)現(xiàn)場執(zhí)行元件相互結(jié)合的問題圖1-10
模擬量輸出單元原理框圖點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》
PLC的品種繁多,其結(jié)構(gòu)型式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方法、價格等各有自已的特點,適用場合也各有側(cè)重。站在硬件選型的角度,首先需要考慮的是設(shè)備容量與性能是否與任務(wù)相適應(yīng);其次要看PLC運行速度是否能夠滿足實時控制的要求。
一體化機(jī)型的PLC將電源部件集成在主機(jī)內(nèi),只須從電網(wǎng)引入外界電源即可,擴(kuò)展單元的用電通過擴(kuò)展電纜饋送。模塊式PLC通常需要專用的電源模塊,在選擇電源模塊時要考慮功率問題,可以通過查閱模塊技術(shù)手冊得到各個模塊的功耗,其總和加上裕量就是選擇電源模塊的依據(jù)。1.3.2可編程控制器的系統(tǒng)配置
點擊此處結(jié)束放映休息一下《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》本章結(jié)束點擊此處結(jié)束放映電子教案《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》第2章S7-1500PLC的系統(tǒng)配置與開發(fā)環(huán)點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》
S7-1500PLC2.1S7-1500PLC功能模塊2.2《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》點擊此處結(jié)束放映S7-1500PLC開發(fā)環(huán)境2.3
S7-1500PLC2.1點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》點擊此處結(jié)束放映
SIMATICS7-1500是對SIMATICS7-300和S7-400進(jìn)行進(jìn)一步開發(fā)的自動化系統(tǒng),通過集成大量的新性能特性,S7-1500自動化系統(tǒng)具有卓越的用戶可操作性和極高的性能。SIMATICS7-1500PLC是SIMATICPLC產(chǎn)品家族的旗艦產(chǎn)品,為中高端工廠自動化控制任務(wù)而量身定制,目前,SIMATICS7-1500PLC產(chǎn)品家族的CPU(所謂主機(jī))種類齊全,有6款標(biāo)準(zhǔn)型CPU、2款分布CPU、以及2款緊湊型CPU。
S7-1500系列PLC使用完全集成的新工程組態(tài)SIMATICSTEP7,并借助其對SIMATICS7-1500進(jìn)行編程。《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》點擊此處結(jié)束放映
S7-1500系統(tǒng)為大家提供了很多可以參考和學(xué)習(xí)的手冊,這些手冊數(shù)目和種類眾多,總的來說,S7-1500自動化系統(tǒng)提供的手冊分為以下三類:(1)系統(tǒng)手冊:描述某個產(chǎn)品系列的整體信息,包括該產(chǎn)品系列的組件,硬件配置、安裝、接線規(guī)則,調(diào)試和維護(hù)以及相關(guān)技術(shù)規(guī)范和尺寸圖。(2)功能手冊:介紹了各種產(chǎn)品使用時需要了解的概念,背景知識和各種功能的實現(xiàn)方法。(3)設(shè)備手冊:詳細(xì)介紹產(chǎn)品組件的特性,技術(shù)參數(shù),使用及診斷方法。
《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》2.1.1S7-1500概述點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》
S7-1500PLC的特點主要體現(xiàn)在高新能、開放性、高效的工程組態(tài)、集成運動控制功能、可靠診斷和創(chuàng)新設(shè)計等方面。
憑借集成的通信和工藝功能,SIMATICS7-1200基本型控制器尤其適用于小型自動化解決方案。而SIMATICS7-1500自動化系統(tǒng),則是高復(fù)雜性和高系統(tǒng)性能要求的工廠最佳選擇。SIMATICS7-1500控制器中包含有SIMATICS7-1200基本型控制器的諸多簡單功能,可完美滿足系統(tǒng)性能、靈活性和網(wǎng)絡(luò)功能等各種嚴(yán)格要求。
SIMATIC控制器集成在TIA博圖(TotallyIntegratedAutomationPortal)軟件中,用于確保數(shù)據(jù)的高度一致以及全系統(tǒng)統(tǒng)一的操作方式。正是基于這些集成的功能,在TIAPortal進(jìn)行工程組態(tài)可確保所有功能數(shù)據(jù)的高度一致。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》
如圖2-1所示,基于SIMATICS7-1500PLC的典型的自動化系統(tǒng),系統(tǒng)的核心是S7-1500PLC,通過現(xiàn)場層、控制層和管理層分別部署S7-1500PLC的硬件產(chǎn)品和TIA博圖軟件,實現(xiàn)管理控制一體化。
如圖2-2所示,SIMATICS7-1500PLC與SIMATICS7-1200PLC的區(qū)別。圖2-2
S7-1500PLC與S7-1200PLC的區(qū)別圖2-1基于S7-1500的典型自動化系統(tǒng)點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》2.1.2可S7-1500PLC簡介S7-1500PLC是一種模塊化的控制系統(tǒng),采用模塊化與無風(fēng)扇設(shè)計,很容易實現(xiàn)分布式結(jié)構(gòu),主要應(yīng)用在紡織機(jī)械、包裝機(jī)器、通用機(jī)械、機(jī)床、汽車工程、水處理、食品飲料等行業(yè)中。S7-1500PLC主要由電源模塊、中央處理器(CPU)、導(dǎo)軌、信號模塊、通信模塊和工藝模塊等部件組成。圖2-3為S7-1500PLC中標(biāo)準(zhǔn)型CPU(CPU1511-1PN)的安裝示意圖,系統(tǒng)將安裝在安裝導(dǎo)軌上,最多可以包含32個模塊。這些模塊將通過U型連接器進(jìn)行互相連接。表2-1為S7-1500PLC系列CPU指標(biāo)。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》①系統(tǒng)電源模塊;②CPU;③I/O模塊;④帶有集成頂帽翼型導(dǎo)軌的安裝導(dǎo)軌圖2-3
S7-1500PLC實物圖點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》CPU類型適用領(lǐng)域FROFIBUS接口PROFINETIORT/IRT接口PROFINETIORT接口PROFINET基本功能程序存儲容量數(shù)據(jù)存儲容量位操作時間CPU1511-1PN適用于中小型設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)型CPU無1個無無150KB1.15MB60nsCPU1513-1PN適用于中等型設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)型CPU無1個1個無300KB1.8MB40nsCPU1515-2PN適用于大中型設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)型CPU無1個1個無500KB3.5MB30nsCPU1516-3PN/DP適用于高端設(shè)備和通訊任務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)型CPU1個1個1個無1MB6MB10nsCPU1517-3PN/DP適用于高端設(shè)備和通訊任務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)型CPU1個1個1個無2MB10MB2nsCPU1518-4PN/DP適用于高性能設(shè)備、高性能通訊任務(wù)和超短響應(yīng)時間的標(biāo)準(zhǔn)型CPU1個1個1個1個4MB24MB1nsCPU1511C-1PN適用于中小型設(shè)備的緊湊型CPU無1個1個無175KB1.17MB60nsCPU1512C-1PN適用于中小型設(shè)備的緊湊型CPU無1個無無250KB1.25MB48ns表2-1
S7-1500PLC系列標(biāo)準(zhǔn)型和緊湊型CPU指標(biāo)點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》1.1.3電源選型
根據(jù)工程規(guī)模,確定所需的自動化系統(tǒng)電源。SIMATICS7-1500CPU通過負(fù)載電源(PM)或系統(tǒng)電源(PS)進(jìn)行供電,為背板總線供電的系統(tǒng)電源集成在CPU中。根據(jù)具體系統(tǒng)組態(tài),最多可添加使用兩個附加系統(tǒng)電源模塊,對集成的系統(tǒng)電源進(jìn)行擴(kuò)展。如果工廠具有較高的電力要求(如,I/O負(fù)載組),則可額外連接負(fù)載電源。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》表2-2表列出了SIMATICS7-1500自動化系統(tǒng)的兩個電源的主要差異。為系統(tǒng)和模塊供電可以有3種配置方式:(1)只通過負(fù)載電源給背板總線供電。位于CPU左側(cè)0號槽的負(fù)載電源給CPU供電,集成于CPU內(nèi)部的系統(tǒng)電源給背板總線供電。(2)只通過系統(tǒng)電源給背板總線供電。位于CPU左側(cè)0號槽的系統(tǒng)電源通過背板總線給CPU供電。(3)通過負(fù)載電源和系統(tǒng)電源給背板總線供電。負(fù)載電源給CPU供電,同時向系統(tǒng)電源提供允許的電源電壓。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》電
源說
明負(fù)載電源(PM)為
S7-1500系統(tǒng)組件提供24VDC電壓,如CPU、系統(tǒng)電源(PS)、I/O模塊的I/O電路以及各種傳感器和執(zhí)行器,負(fù)載電源可直接安裝在
CPU的左邊(不連接背板總線);如果通過系統(tǒng)電源為背板總線供電,則可選擇通過
DC24V為CPU或接口模塊供電。系統(tǒng)電源(PS)僅提供內(nèi)部所需的系統(tǒng)電壓;為部分模塊電子元件和
LED指示燈供電。圖2-5帶有負(fù)載電源和附加系統(tǒng)電源時的系統(tǒng)組態(tài)表2-2
S7-1500PLC的兩種電源選型
可S7-1500PLC功能模塊2.2《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》2.2.1信號模塊
信號模塊(SignalModule,SM)也稱I/O模塊,S7-1500PLC支持各種品種繁多的I/O模塊,I/O模塊CPU與控制設(shè)備之間的接口。通過輸入模塊將輸入信號送到CPU進(jìn)行計算和邏輯處理,然后將邏輯結(jié)果和控制命令通過輸出模塊輸出以達(dá)到控制設(shè)備的目的。表2-3列出了不同功能類別輸入/輸出模塊的特性和技術(shù)規(guī)范。
外部的信號主要分?jǐn)?shù)字量信號和模擬量信號。所以I/O模塊包括數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊等類型。以下介紹常用的部分模塊特點,詳細(xì)數(shù)據(jù)可參考設(shè)備手冊。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》表2-3
S7-1500PLC選配的I/O模塊類
型適用領(lǐng)域是否帶有模擬量模塊高速型
(HS)適用于超高速應(yīng)用的專用模塊輸入延時時間極短轉(zhuǎn)換時間極短等時同步模式否高性能型
(HF)應(yīng)用極為靈活尤其適用于復(fù)雜應(yīng)用支持按通道進(jìn)行參數(shù)設(shè)置支持按通道進(jìn)行診斷支持附加功能帶有模擬量模塊
?最高精度(<0.1%)?高共模電壓(如,60VDC/30VAC),需要時可進(jìn)行單通道電氣隔離標(biāo)準(zhǔn)型
(ST)價格適中支持按負(fù)載組/模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置支持按負(fù)載組/模塊進(jìn)行診斷帶有模擬量模塊
?通用模塊?精度=0.3%?共模電壓約為10V~20V基本型
(BA)經(jīng)濟(jì)實用型基本模塊無參數(shù)設(shè)置無診斷功能否點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》1.數(shù)字量輸入模塊
S7-1500PLC/ET200MP的部分常用數(shù)字量輸入模塊類型和技術(shù)參數(shù)如表2-4所示。數(shù)字量輸入模塊DI16×24VDCBADI32×24VDCBADI16×24VDCHFDI32×24VDCHF輸入點數(shù)16321632通道間電氣隔離—√(通道組)—√(通道組)電位組的數(shù)量1212額定輸入電壓DC24V等時同步模式—√診斷中斷—√沿觸發(fā)硬件中斷—√通道診斷LED—√(紅色LED)模塊診斷LED√(紅色LED)輸入延時1.2~4.8ms(不可設(shè)置)0.05~20ms(可設(shè)置)集成計數(shù)功能—前2個通道可作為計數(shù)器,最高1kHZ表2-4
數(shù)字量輸入模塊類型和技術(shù)參數(shù)點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》2.數(shù)字量輸出模塊
S7-1500PLC/ET200MP的部分常用數(shù)字量輸出模塊類型和技術(shù)參數(shù)如表2-5所示。表2-5
數(shù)字量輸出模塊類型和技術(shù)參數(shù)數(shù)字量輸出模塊DQ16×24VDC/0.5ABADQ32×24VDC/0.5ABADQ16×24VDC/0.5AHFDQ32×24VDC/0.5AHF輸入點數(shù)16321632通道間電氣隔離—輸出類型晶體管晶體管
電位組的數(shù)量2412額定輸出電壓DC24V等時同步模式—√診斷中斷—√斷路診斷—√通道診斷LED—√(紅色LED)模塊診斷LED√(紅色LED)替換值輸出—√開關(guān)循環(huán)計數(shù)器—√脈寬調(diào)制—點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》3.模擬量輸入模塊
S7-1500PLC/ET200MP的部分常用模擬量輸入模塊類型和技術(shù)參數(shù)如表2-6所示。表2-6
模擬量輸入模塊類型和技術(shù)參數(shù)模擬量輸入模塊AI8×U/R/RTD/TCHFAI8×U/I/RTD/TCSTAI8×U/I/RTDBAAI8×U/IHFAI8×U/IHSAI4×U/R/RTD/TCST輸入數(shù)量8AI4AI分辨率16位(含符號位)測量類型電壓(HS最高-1V~1V)電流(HS除外)電阻熱敏電阻熱電偶(BA除外)電壓電流
電壓電流電阻熱敏電阻熱電偶通道間電氣隔離√(HF)√(HF)—額定電源電壓24VDC過采樣—√(HS)—等時同步模式—√(HS)—診斷中斷√包含積分時間的每通道轉(zhuǎn)換時間快速模式4/18/22/102ms(HF)標(biāo)準(zhǔn)模式9/52/62/302ms(HF)9/23/27/107ms(ST)10/24/27/107ms(BA)62.5μs(每個模塊,與激活的通道數(shù)無關(guān))9/23/27/107ms點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》4.模擬量輸出模塊
S7-1500PLC/ET200MP的部分常用模擬量輸出模塊類型和技術(shù)參數(shù)如表2-7所示。表2-7
模擬量輸出模塊類型和技術(shù)參數(shù)模擬量輸出模塊AQ2×U/ISTAQ4×U/IHFAQ4×U/ISTAQ8×U/IHS輸出數(shù)量2AO4AO8AO分辨率16位(含符號位)輸出方式電壓(1~5V、0~10V、±10V)電流(0~20mA、4~20mA、±20mA)通道間電氣隔離—√(HF)—額定電源電壓24VDC過采樣—√(HF)√替代值輸出√等時同步模式—√(HF)—診斷中斷√轉(zhuǎn)換時間0.5mA(備注)125μA(備注)50μA(備注)備注如果需要得到通道的響應(yīng)時間,除轉(zhuǎn)換時間外,還需要考慮模塊的循環(huán)時間和穩(wěn)定時間(與負(fù)載類型有關(guān))點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》5.模擬量輸入/輸出模塊
S7-1500PLC/ET200MP的部分常用模擬量輸入模塊類型和技術(shù)參數(shù)如表2-8所示。表2-8
模擬量輸入輸出模塊類型和技術(shù)參數(shù)模擬量輸入輸出模塊AI4×U/R/RTD/TC/AQ2×U/IST輸入?yún)?shù)輸入數(shù)量4AI分辨率16位(含符號位)測量類型電壓、電流、電阻、熱敏電阻、熱電偶通道間電氣隔離—額定電源電壓24VDC過采樣—等時同步模式—診斷中斷√轉(zhuǎn)換時間(每通道)9/23/27/107ms輸出參數(shù)輸入數(shù)量2AO分辨率16位(含符號位)輸出方式電壓(1~5V、0~10V、±10V)電流(0~20mA、4~20mA、±20mA)通道間電氣隔離—電位組的數(shù)量
額定電源電壓24VDC過采樣—等時同步模式—診斷中斷√替代值輸出√轉(zhuǎn)換時間(每通道)0.5ms(備注)備注如果需要得到通道的響應(yīng)時間,除轉(zhuǎn)換時間外,還需要考慮模塊的循環(huán)時間和穩(wěn)定時間(與負(fù)載類型有關(guān))點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》2.2.2通信模塊
通信模塊(CommunicationModule,CM),用于多個相對獨立的站點連成網(wǎng)絡(luò)并建立通信關(guān)系。每一個SIMATICS7-1500CPU都集成有PN接口,可進(jìn)行主站間、主從站間以及編程調(diào)試的通信。
SIMATICS7-1500PLC系統(tǒng)的通信模塊分為三大類,分別為點對點通信模塊、PROFIBUS通信模塊和PROFINET/ETHERNET通信模塊。1.點對點通信模塊點對點通信模塊也就是串口模塊,部分常用模塊類型和技術(shù)參數(shù)如表2-9所示。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》表2-9
點對點通信模塊參數(shù)點對點通信模塊CMPtPRS232BACMPtPRS422/485BACMPtPRS232HFCMPtPRS422/485HF接口RS232RS422/485RS232RS422/485數(shù)據(jù)傳輸速率300~19200bit/s300~115200bit/s最大幀長度1KB4KB診斷中斷√硬件中斷—等時同步模式—所支持的協(xié)議Freeport協(xié)議3964(R)Freeport協(xié)議3964(R)ModbusRTU主站ModbusRTU從站點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》2.PROFIBUS通信模塊PROFIBUS通信模塊的部分常用類型和技術(shù)參數(shù)如表2-10所示。表2-10PROFIBUS通信模塊參數(shù)PROFIBUS通信模塊CM1542-5CP1542-5CPU集成的DP接口接口RS485數(shù)據(jù)傳輸速率9600bit/s~12Mbit/s診斷中斷√硬件中斷—等時同步模式—所支持的協(xié)議DPV1主站/從站S7通信PG/OP通信開放式用戶通信可連接DP從站個數(shù)12532
備注目前只有CPU1516、CPU1517、CPU1518帶有DP接口,切只能作為主站點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》3.PROFIBUS/ETHERNET通信模塊PROFINET/ETHERNET通信模塊的部分常用類型和技術(shù)參數(shù)如表2-11所示。表2-11PROFINET/ETHERNET通信模塊參數(shù)PROFINET通信模塊CP1543-1CM1542-1CPU集成的PN接口接口RJ45數(shù)據(jù)傳輸速率10/100/1000Mbit/s10/100Mbit/s診斷中斷√硬件中斷—√等時同步模式—所支持的協(xié)議TCP/IP、ISO、UDP、MODBUSTCP、S7通信、IP廣播/組播、信息安全、診斷SNMPV1/V3、DHCP、FTP客戶端/服務(wù)器、E-Mail、IPv4/IPv6TCP/IP、ISO-on-TCP、UDP、MODBUSTCP、S7通信、IP廣播/組播(集成接口除外)、SNMPV1支持PROFINET—√PROFINETI0控制器—√PROFINETI0設(shè)備—√可連接PN設(shè)備個數(shù)—128,其中最多64臺IRT設(shè)備與CPU類型有關(guān),最大512,其中最多64臺IRT設(shè)備備注不包括CPU1515/1516/1517/1518第二個以太網(wǎng)接口參數(shù)點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》2.2.3工藝模塊
工藝模塊(ThreadModule,TM)也稱線程模塊。工藝模塊通常實現(xiàn)單一或特殊功能,而這些特殊功能往往單靠CPU自身無法實現(xiàn)。目前,工藝模塊有高速計數(shù)器模塊、位置檢測模塊、基于時間的I/O模塊和PTO脈沖輸出模塊。1.高速計數(shù)器模塊
高速計數(shù)器部分常用模塊類型和技術(shù)參數(shù)如表2-12所示。高速計數(shù)器模塊TMCount2x24VTMPosInput2支持的編碼器信號增量編碼器,24V非對稱,帶有/不帶方向信號的脈沖編碼器,向上/向下脈沖編碼器RS422的信號增量編碼器(5V差分信號),帶有/不帶方向信號的脈沖編碼器,向上/向下脈沖編碼器,絕對值編碼器(SSI)最大計數(shù)頻率200kHz800kHz,具有四倍頻脈沖1MHz4MHz,具有四倍頻脈沖集成
DI每個計數(shù)器通道
3個DI,用于啟動、停止、捕獲、同步每個計數(shù)器通道
2個
DI,用于啟動、停止、捕獲、同步集成
DQ2個
DQ,用于比較器和限值
2個
DQ,用于比較器和限值
測量功能頻率,周期,速度頻率,周期,速度診斷中斷√硬件中斷√等時同步模式√表2-12
高速計數(shù)器模塊參數(shù)點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》2.基于時間的I/O模塊許多控制系統(tǒng)對響應(yīng)都有嚴(yán)格的精確性和確定性要求?;跁r間的IO模塊可達(dá)到最高的精度和速度,而無需考慮控制器和現(xiàn)場總線性能?;跁r間的IO模塊可在精確定義的響應(yīng)時間內(nèi)輸出信號,在既定時間內(nèi)完成I/O信號的處理。
使用等時同步(PROFINETIRT)技術(shù),可以將最多8個這樣的模塊進(jìn)行時鐘同步,各站點接收到的時鐘同步信號相差在1μs以內(nèi)(1500時基模塊精度可達(dá)1微秒)。模塊在檢測到輸入觸發(fā)信時開始計時,計時20ms后輸出,由于I/O都具有定時功能,這樣使得輸出與各個循環(huán)周期無關(guān),因此大大提高了控制精度。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》
表2-13列出了基于時間的IO工藝模塊的基本特性。與工藝對象“Outputcam”和“Camtrack”一同使用時,TM定時器DIDQ基于時間的I/O模塊TMTimerDIDQ16x24V可連接的編碼器24V增量式編碼器,信號A和B24V脈沖編碼器,帶信號最大計數(shù)頻率200kHz,四倍頻檢測功能集成
DI多達(dá)
8個數(shù)字量輸入,具有以下功能:?每個循環(huán)最多2個時間戳(精度1μs)?32x過采樣?計數(shù)功能,高達(dá)50kHz?增量式編碼器采集,二相移跟蹤?可組態(tài)輸入濾波器進(jìn)行干擾抑制集成
DQ多達(dá)16個數(shù)字量輸出,具有以下功能:?每個循環(huán)最多2個時間戳(精度1μs)?32x過采樣?脈寬調(diào)制輸出?可組態(tài)替換值(按DQ)診斷中斷√硬件中斷—等時同步模式√(時間戳和細(xì)分采用功能所必需)表2-13
基于時間的I/O模塊參數(shù)16x24V可確保高精準(zhǔn)的凸輪輸出;與工藝對象“Measuringinput”一同使用時,TM定時器DIDQ16x24V可確保高精準(zhǔn)的產(chǎn)品傳輸檢測。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》3.POT脈沖模塊
PTO(PulseTrainOutput)也稱為脈沖/方向接口,是SIMATIC控制器與驅(qū)動裝置間的一種簡單的通用接口。PTO支持大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)和伺服驅(qū)動器,并且大量應(yīng)用于定位應(yīng)用中,如調(diào)整軸和進(jìn)給軸等。
PTO脈沖/方向接口由兩個信號組成。脈沖輸出的頻率代表速度,輸出的脈沖數(shù)量代表行進(jìn)距離,方向輸出用于定義行進(jìn)的方向。因此位置數(shù)據(jù)精確到一個增量之內(nèi)。脈沖/方向接口特別適合于對工藝對象TO_SpeedAxis、TO_PositioningAxis和TO_SynchronousAxis的操作。模塊的技術(shù)特征如表2-14所示。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》表2-14
TMPTO4脈沖輸出模塊參數(shù)TMPTO4脈沖輸出模塊TMTimerDIDQ16x24V通道數(shù)4通道,數(shù)量可組態(tài),分通道參數(shù)分配最大計數(shù)頻率200kHz,四倍頻檢測功能接口?RS422/TTL(5V)或24V輸出信號P/A以及用于PTO功能的D/B(每個通道,對于RS422最大1MHz,對于24V/TTL(5V)最大200kHz)?面向參考開關(guān)、測量輸入、就緒輸入功能的數(shù)字量輸入信號DI0和DI1(每個通道)?用于PTO或驅(qū)動器使能功能的數(shù)字量輸出信號DQ0(每個通道)?用于PTO功能的數(shù)字輸出信號DQ1(每個通道)?用于驅(qū)動器使能或就緒輸入功能的數(shù)字量輸入/輸出信號DIQ2(每個通道)電源電壓L+可組態(tài)的診斷(每個通道)√可組態(tài)自動反轉(zhuǎn)脈沖周期√可組態(tài)的輸入延時無,0.05ms...20ms脈沖輸出的信號類型?具有方向信號的脈沖編碼器?使用正向和反向信號的脈沖編碼器?雙信號增量編碼器帶,信號之間相位偏移為90°支持的系統(tǒng)功能?等時模式?固件更新?標(biāo)識數(shù)據(jù)I&M
《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》點擊此處結(jié)束放映S7-1500PLC開發(fā)環(huán)境2.3
點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》TIA博途是全集成自動化軟件(TotallyIntegratedAutomationPortal)的簡稱,是西門子工業(yè)自動化集團(tuán)發(fā)布的一款全新的全集成自動化軟件。它是業(yè)內(nèi)首個采用統(tǒng)一的工程組態(tài)和軟件項目環(huán)境的自動化軟件,幾乎適用于所有自動化任務(wù)。借助該全新的工程技術(shù)軟件平臺,用戶能夠快速、直觀地開發(fā)和調(diào)試自動化系統(tǒng)。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》2.3.1博圖軟件概述
TIAPortal作為首個用于集成工程組態(tài)的共享工作環(huán)境,在單一的框架中提供了各種SIMATIC系統(tǒng)。因此,TIAPortal還首次支持可靠且方便的跨系統(tǒng)協(xié)作。所有必需的軟件包,包括從硬件組態(tài)和編程到過程可視化,都集成在一個綜合的工程組態(tài)框架中。
如圖2-6所示,使用TIA博途不僅可以組態(tài)應(yīng)用于控制器及外部設(shè)備程序編輯的STEP7、可以組態(tài)應(yīng)用于安全控制器的Safety,也可以組態(tài)應(yīng)用于設(shè)備可視化的WinCC,同時TIA博途還集成了應(yīng)用于驅(qū)動裝置的Startdrive、應(yīng)用于運動控制的SCOUT等,還可在單一界面中執(zhí)行多用戶管理和能源管理等新的功能,為全集成自動化的實現(xiàn)提供了統(tǒng)一的工程平臺。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》圖2-6
TIA博圖平臺點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》1.SIMATIC
STEP7
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