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概述

S7-300
模块化微型 PLC 系统，满足中、小规模的性能要求
各种性能的模块可以非常好地满足和适应自动化控制任务
简单实用的分布式结构和多界面网络能力，应用十分灵活
操作方便，设计简单，不含风扇
任务增加时可顺利扩展
大量的集成功能，使它功能非常强劲
S7-300F
故障安全型自动化系统，可满足工厂日益增加的安全需求
基于 S7-300
可连接配有安全型模块的附加 ET 200S 和 ET 200M 分布式 I/O 站
通过采用 PROFIsafe 行规的 PROFIBUS DP 进行安全相关通信
标准模块另外也可用于非安全相关应用
产品目录 ST 70：
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应用

S7-300
SIMATIC S7-300 是模块化的微型 PLC 系统，可满足中、低端的性能要求。

模块化、无风扇设计、易于实现分布式结构以及方便的操作,使得 SIMATIC S7-300 成为中、低端应用中各种不同任务的经济、用户友好的解决方案。

SIMATIC S7-300 的应用领域包括：

特殊机械，
纺织机械，
包装机械，
一般机械设备制造，
控制器制造，
机床制造，
安装系统，
电气与电子工业及相关产业。
多种性能等级的 CPU，具有用户友好功能的全系列模块，可允许用户根据不同的应用选取相应模块。任务扩展时，可通过使用附加模块随时对控制器进行升级。

SIMATIC S7-300 是一个通用的控制器：

具有高电磁兼容性和抗震性，可较大限度地用于工业领域。
S7-300F
SIMATIC S7-300F 故障安全自动化系统可使用在对安全要求较高的设备中。其可对立即停车过程进行控制，因此不会对人身、环境造成损害。

S7-300F 满足下列安全要求：

要求等级 AK 1 - AK 6 符合 DIN V 19250/DIN V VDE 0801
安全要求等级 SIL 1 - SIL 3 符合 IEC 61508
类别 1 - 4 符合 EN 954-1
另外，标准模块还可用在 S7-300F 及故障安全模块中。因此它可以创建一个全集成的控制系统，在非安全相关和安全相关任务共存的工厂中使用。使用相同的标准工具对整个工厂进行组态和编程。

概述

22个不同的CPU:

7种标准型CPU(CPU 312,CPU 314,CPU 315-2 DP,CPU 315-2 PN/DP,CPU 317-2 DP,CPU 317-2 PN/DP,CPU 319-3 PN/DP)
6 个紧凑型 CPU（带有集成技术功能和 I/O）（CPU 312C、CPU 313C、CPU 313C-2 PtP、CPU 313C-2 DP、CPU 314C-2 PtP、CPU 314C-2 DP、 CPU 314C-2 PN/DP）
5 个故障安全型 CPU（CPU 315F-2 DP、CPU 315F-2 PN/DP、CPU 317F-2 DP、CPU 317F-2 PN/DP、CPU 319F-3 PN/DP）
3技术型CPU(CPU 315T-3 PN/DP,CPU 317T-3 PN/DP,CPU 317TF-3 PN/DP)
还提供了 25 个适用于宽环境温度范围和中等负荷的 CPU
具有不同性能等级，满足不同的应用要求。

应用

各种性能级别的 CPU 可用于 SIMATIC S7-300。除标准型 CPU 外，还可以使用紧凑型 CPU。
还提供了 T-CPU 和故障安全 CPU。

提供了以下标准 CPU

CPU 312，用于小型工厂
CPU 314，用于对程序量和指令处理速率有额外要求的工厂
CPU 315-2 DP，用于具有中/大规模的程序量以及使用PROFIBUS DP进行分布式组态的工厂
CPU 315-2 PN/DP，用于具有中/大规模的程序量以及使用PROFIBUS DP和PROFINET IO进行分布式组态的工厂，在PROFInet上实现基于组件的自动化中实现分布式智能系统
CPU 317-2 DP，用于具有大容量程序量以及使用PROFIBUS DP进行分布式组态的工厂
CPU 317-2 PN/DP，用于具有大容量程序量以及使用PROFIBUS DP和PROFINET IO进行分布式组态的工厂，在PROFInet上实现基于组件的自动化中实现分布式智能系统
CPU 319-3 PN/DP，用于具有较大容量程序量何组网能力以及使用PROFIBUS DP和PROFINET IO进行分布式组态的工厂，在PROFInet上实现基于组件的自动化中实现分布式智能系统

提供有以下紧凑型 CPU：

CPU 312C，具有集成数字量 I/O 以及集成计数功能的紧凑型 CPU
CPU 313C，具有集成数字量和模拟量 I/O 的紧凑型 CPU
CPU 313C-2 PtP，具有集成数字量 I/O 、2个串口和集成计数功能的紧凑型 CPU
CPU 313C-2 DP，具有集成数字量 I/O 、PROFIBUS DP 接口和集成计数功能的紧凑型 CPU
CPU 314C-2 PtP，具有集成数字量和模拟量 I/O 、2个串口和集成计数、定位功能的紧凑型 CPU
CPU 314C-2 DP，具有集成数字量和模拟量 I/O、PROFIBUS DP 接口和集成计数、定位功能的紧凑型 CPU
CPU 314C-2 PN/DP 带有集成数字量和模拟量 I/O 和集成计数和定位功能的紧凑型 CPU， 
可通过 PROFIBUS DP 和 PROFINET IO 实现分布式拓扑；
可在作为 PROFINET 上基于组件的自动化 (CBA) 中的分布式智能设备

提供了以下技术 CPU

CPU 315T-3 PN/DP 适用于在程序范围和分布式组态方面具有中等/较高要求的装置，这些装置需要采用 PROFIBUS DP 和 PROFINET IO，并且需要对较多 8 个轴执行可调节运动控制。
CPU 317T-3 PN/DP 适用于在程序范围和分布式组态方面具有较高要求的装置，这些装置需要采用 PROFIBUS DP 和 PROFINET IO，还需要对较多 32 个轴执行可调节运动控制。
CPU 317TF-3 PN/DP 适用于在程序范围和分布式组态方面具有较高要求的装置，这些装置需要采用 PROFIBUS DP 和 PROFINET IO，需要有安全功能并对较多 32 个轴执行可调节运动控制。

提供有以下故障安全型 CPU：

CPU 315F-2 DP，用于采用 PROFIBUS DP 进行分布式组态、对程序量有中/高要求的故障安全型工厂
CPU 315F-2 PN/DP，用于具有中/大规模的程序量以及使用PROFIBUS DP和PROFINET IO进行分布式组态的工厂，在PROFInet上实现基于组件的自动化中实现分布式智能系统
CPU 317F-2 DP，用于具有大容量程序量以及使用PROFIBUS DP进行分布式组态的故障安全工厂
CPU 317F-2 PN/DP，用于具有大容量程序量以及使用PROFIBUS DP和PROFINET IO进行分布式组态的工厂，在PROFInet上实现基于组件的自动化中实现分布式智能系统
CPU 319F-3 PN/DP，用于具有大容量程序量以及使用PROFIBUS DP和PROFINET IO进行分布式组态的故障安全型工厂，在PROFInet上实现基于组件的自动化中实现分布式智能系统

设计

所有 CPU 均具有坚固、紧凑的塑料机壳。在前面板上的部件有：

状态和故障 LED
模式选择开关
MPI 端口
CPU 还具有以下配置：

SIMATIC 微型存储卡（MMC 卡）插槽；
MMC 卡替代集成的装载存储器，因此是操作*品。
使用前连接器连接到集成的 I/O 端口（**紧凑型 CPU）
连接 PROFIBUS 总线(**于DP型CPU)
RS 422/485 的连接（仅 PtP CPU）
连接 PROFINET(**于PN型CPU)

功能

SIMATIC S7-300 CPU 具有高性能、所需空间小以及较小的维护成本，因此提高了性价比。

高处理速度；
例如，在 CPU 315-2 DP 中，位运算时，0.05 μs；浮点运算时，0.45 μs，
在 CPU 319-3 PN/DP 中，位运算时，0.004 μs；浮点运算时，0.04 μs
扩展数量
作为装载存储器的 SIMATIC 微型存储卡（MMC）：
可在微型存储卡中存储一个完整的项目，包括符号和注释。RUN 模式下也可以进行读/写操作。这样可以降低服务成本
*电池即可在 MMC 上备份 RAM 数据
编程
使用STEP7中的 LAD、FBD STL 对 CPU 进行编程。可以使用下列编程工具：STEP 7 Basis 和 STEP 7 Professional。

可以运行 CPU 314 的工程与组态工具（例如，S7-GRAPH、S7-HiGraph、SCL、CFC 或 SFC）。

标准型CPU

对标准型 CPU 进行编程时需要 STEP 7 V5.2+SP1 以上的软件。

紧凑型 CPU

对紧凑型 CPU 进行编程时需要 STEP 7 V5.3+SP2 以上的软件。老版本的STEP 7需要升级。

西门子S7-300 PLC主要特点，污水处理厂的自控要求、PLC的系统硬件配置、软件设计，和实际运行结果。可编程控制器PLC是实现污水处理厂自动控制的关键，县级中小城市的污水处理厂处理能力一般在10万m3/d以下，很多是1～5万立方米/d，监控点数一般不是很多，而选用西门子S7-300 PlC是一种即经济又切合实际的解决方案，它具有高度模块化结构，指令集功能强大，能够满足多样化和个性化的需求。
1 污水处理工艺流程
从当前污水处理工艺和技术研究、开发和应用的情况看，由于传统的活性污泥处理工艺在中小规模的污水处理厂中存在基建投资高、运行费用高以及电耗高等问题，因此，处理水量在10万立方米/d以下的县级中小城市的污水处理厂处理工艺一般多采用氧化沟和SBR工艺。西北某县城污水处理厂日处理污水4万吨，处理工艺采用的是奥贝尔氧化沟。主要处理：工段**械处理段、生物处理段、和污泥脱水处理段。机械处理段由粗格栅间、进水泵房、细格栅间、旋流沉砂池组成。生物处理段由厌氧池、氧化沟、回流及剩余污泥泵房、二沉池、接触池等组成，污泥脱水处理段由储泥池、污泥脱水机房组成。该工艺的流程见图1。
　　城市污水管网收集到的污水到了进水泵房，在这里大的固体杂质被格栅机过滤掉，然后较稀的污水被提升泵送到旋流沉砂池，污水由于搅拌机和吸砂机的作用，其中的固体颗粒又被去除。下一道工序是污水先被送到厌氧池，目的是去磷、脱氮，然后流入氧化沟，这里有相应的菌种来分解、净化污水，氧化沟中的污泥细菌生态系统维持存活的主要条件一个是污水中的**物杂质，另一个就是氧气的供应，所以氧化沟上的曝气转碟的作用是对污水进行充氧。经过氧化沟处理后的污水在二沉池沉淀后然后在接触池加氯达标后可直接排放，多余的污泥被排泥泵送到脱水机房，通过脱水处理，污泥被压干制成饼，用作肥料。
2 自控系统的硬件选择
污水处理主要是顺序逻辑控制，这正是PLC控制的优势所在。在众多的PLC生产厂家中，西门子公司的S7-300 PLC系列产品以其较高的性价比成为众多用户的选择。S7-300是模块化的中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用，模块化、无排风扇结构，各种单独的模块之间可进行广泛的组合以用于扩展。接口模块（IM）用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架（ER），S7-300通过分布式的主机架（CR）和二个扩展机架（ER）可以操作多达32个模块。*处理单元（CPU）集成有PROFIBUS-DP和MPI通讯接口，多点接口（MPI））用于同时连接编程器、PC机和人机界面等。信号模块（SM）用于数字量和模拟量的输入输出。
3 总体控制要求及功能
污水处理厂自控系统的要求是对污水处理过程进行自动控制和自动调节，使处理后的水质指标达到要求的范围；在公司中控室发出上传指令时，将当前时刻运行过程中的主要工作参数（水质参数、流量、液位等）、运行状态及一定时间段内的主要工艺过程曲线等信息上传到公司中控室。功能如下：
1）控制操作：在中心控制室能对被控设备进行在线实时控制，如启停某一设备，调节某些模拟输出量的大小，在线设置PLC的某些参数等。
2）显示功能：用图形实时地显示各现场被控设备的运行工况，以及各现场的状态参数。
3）数据管理：依据不同运行参数的变化快慢和重要程度，建立生产历史数据库，存储生产原始数据，供统计分析使用。利用实时数据库和历史数据库中的数据进行比较和分析，得出一些有用的经验参数，有利于优化氧化沟的准闭环控制，并把一些必要的参数和结果显示到实时画面和报表中去。
4）报警功能：当某一模拟量（如电流、压力、水位等）测量值**过给定范围或某一开关量（如电机启停、阀门开关）阀发生变位时，可根据不同的需要发出不同等级的报警。
5）打印功能：可以实现报表和图形打印以及各种事件和报警实时打印。打印方式可分为：定时打印、事件触发打印。
4 系统构成及其布局
如果采用常规PLC集中控制方式，将现场信号通过电缆连接到集中控制室内的PLC上，由于工艺线路长、现场控制点分布范围广，需要敷设大量的电缆及桥架，且现场环境恶劣、其施工难度非常大。鉴于此，采用了PROFIBUS现场总线技术，根据工艺划分，系统共设了两个主站、两个子站、两个操作员站。采用西门子的S7-300系列PLC，主站采用CPU315-2DP，其带有一个DP通讯口和一个MPI口。子站采用通用性较好的ET200M远程模块，用于现场数据的采集和控制，并借助PROFIBUS（工业现场总线），方便控制网络系统的建立。其自控系统见图2。
控制系统分为三个级别，即现场级、控制级、管理级。
（1）管理级
管理级集中监控各个分站设备的运行状态。管理级现场总线选择PROFIBUS-FMS总线，两台安装组态软件的冗余服务器作为PROFIBUS-FMS现场总线的操作员站，安装在控制室内，可以同时收集现场数据。服务器采用WinCC组态软件，并配有服务器软件包选项。
（2）控制级和现场级
控制级主要功能是接收管理层设置的参数或命令，对污水处理生产过程进行控制，将现场状态输送到管理层。根据本厂工艺流程和总平面布置，结合马达控制中心MCC的位置和供配电范围，按照控制对象的区域、设备数量，以就近采集和单元控制为划分区域的原则，在进水泵房、变电所设两座现场主站PLC1、 PLC2。在加氯间、脱水机房设两座现场子站，其中加氯间PLC1-1为进水泵房PLC1的DP从站，脱水机房PLC2-1为变电所PLC2的DP从站。现场主站与现场子站之间采用PROFIBUS-DP现场总线。现场主站PLC1、PLC2分别由电源模块PS 307、CPU315-2 DP模块和通讯模块CP343-5及相应信号模块SM组成。现场子站采用ET200M远程单元，每个ET200M单元均由1个IMl53-2总线接口模块和其它若干数字量、模拟量输入输出模块组成。
　　进水泵房现场主站PLC1监控范围为粗格栅、进水泵房、细格栅、沉砂池等，其主要控制对象为粗细格栅间的粗细格栅及进水电动闸门、进水泵房的污水提升泵、沉砂池的排砂装置和砂水分离等设备，此外，还负责进水水质如pH、SS（浊度测量）等参数的在线检测。其I/O配置为：DI＝144、DO＝48、 A1＝16。
　　加氯间现场子站PLC1-1监控范围为加氯间、接触池，其主要控制对象为加氯消毒等设备，此外其还负责出水水质如：余氯、COD、流量等参数的在线检测。其I/O配置为：D1＝48、DO＝16、AI＝8。
　　变电所现场主站PLC2监控范围为厌氧池、氧化沟、回流及剩余污泥泵房、二沉池，主要完成对处理工艺参数的监测控制，如对溶解氧、污泥浓度、pH值、 ORP值等参数的测控。对曝气设备、搅拌设备、排水设备、污泥回流及剩余泵、刮泥机等进行操作控制，以满足对处理出水水质的要求。其I/O配置为：DI＝224、DO＝8O、A1=24。
　　脱水机房现场子站PLC2-1监控范围为脱水机房、储泥池，其主要控制对象为储泥池的搅拌器、电动阀门，脱水机房的进泥泵、输送机、浓缩机、加药系统等设备。其I/O配置为：DI＝48、DO＝16、Al＝8。
5 系统软件
计算机操作系统采用Microsoft Windows 2000 Professional中文版操作系统。历史数据库采用Microsoft SQLServer 2000中文版软件。上位机监控软件采用GE公司的iFIX3.5组态软件来实现。
1）操作系统软件Windows 2000 Professional中文版操作系统提供了一个快速、高效的多用户、多任务操作系统环境，是目前使用广泛的工控操作系统。数据库服务器采用Windows2000 server中文版配合Microsoft SQL2000使用，用来保存历史数据。各工作站均采用Windows 2000 Professional中文版操作系统。
2）iFIX3.5监控软件实现了对整个系统的开关量、状态量、电量、模拟量的采集和处理，并显示在主工作站的界面上；对一些污水处理厂重要的物理量如各个进水泵的电流、频率、出口压力等都实时显示在主上作站的主界面上，便于调度员及时掌握系统的运行情况。
3）数据库服务器上安装Microsoft SQL2000中文版数据库软件，用来储存整个污水厂重要的历史数据，通过iFIX3.5与 Microsoft SQL 2000的通讯来读取历史数据。单独设计一个数据库服务器可以避免因为系统局部故障导致历史数据丢失现象的发生。
4）STEP7可以利用IEC-1131标准中八种编程语言中的6种（STL、LAD、FBD、CFC、SFC和SCL）进行编程、本系统利用STEP7对西门子可编程序控制器进行配置、编程。
6 结束语
用西门子S-300 PLC设计的自控系统在该污水处理厂投入使用以来，运行至今系统稳定、可靠。设备具有调试简单、操作方便、使用安全、效率高、故障率低，污水处理效果好的特点，提高了劳动生产率，同时由于软硬件均采用模块化结构，方便了工程技术人员的安装、调试和维修。