西门子PLC系统及其应用01

一、课程简介课程性质：

本课程是计算机控制技术专业的一门专业任选课程，其特点是与工业生产联系十分密切，实践性强，应用广泛。★课程任务：

它包括理论教学和实验教学，其任务是学习西门子S7-300系列PLC的基本结构、工作原理、指令系统、典型程序分析和设计，并通过上机实验和实例分析，使学生具有用西门子S7-300/400系列大中型PLC改造常规继电控制系统和根据生产工艺要求设计其控制系统的能力。西门子PLC系统及其应用第01次课2/5/20231电气与信息工程学院1.掌握西门子S7－300系列PLC的基本结构、工作原理、寻址方式、工作特点及应用范围。2.掌握S7－300系列PLC的指令系统及典型控制程序的设计。3.学会Windows环境下的STEP7编程软件使用和控制程序的调试步骤及方法。4.通过实例分析，掌握用PLC进行控制系统设计的步骤，编程方法，培养学生用PLC改造常规继电控制系统和根据生产工艺要求设计PLC控制系统的能力教学基本要求2/5/20232电气与信息工程学院教材及参考书2/5/20233电气与信息工程学院教材及参考书2/5/20234电气与信息工程学院考核方式考试课，试卷考试试卷：60%作业+考勤：20%，5次作业实验：20%，5次实验2/5/20235电气与信息工程学院第1章PLC概述§1.1PLC的产生§1.2PLC的定义和分类§1.3PLC的功能和特点§1.4PLC的结构与工作过程§1.5思考与练习2/5/20236电气与信息工程学院传统的生产机械自动控制装置→继电器控制系统

优点→结构简单、价格低廉、容易操作。缺点→体积庞大、生产周期长、接线复杂、故障率高、可靠性及灵活性差。（控制功能略加变动，就需重新组合、改变接线。）应用→比较适用于工作模式固定，控制逻辑简单等工业应用场合。

（接线逻辑）§1.1PLC的产生2/5/20237电气与信息工程学院以往的电气控制装置主要采用继电器、接触器或电子元件来实现，由连接导线将这些器件按照一定的工作程序组合在一起，以完成一定的控制功能，这种控制叫做接线程序控制。接线程序控制的电气装置体积大，生产周期长，接线复杂，故障率高，可靠性差。控制功能略加变动，就需重新组合、改变接线。2/5/20238电气与信息工程学院

在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是以继电器控制占主导地位的。ST1ST2ST3ST4SB2SB1KM2KM2KM1KM1SB3KM1KM2ST1ST2ST4ST3工作台前进后退正反转自动循环控制线路2/5/20239电气与信息工程学院用户迫切需要一种先进的自动控制装置继电器控制系统先进自动控制系统2/5/202310电气与信息工程学院1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM)为了用新的控制装置取代继电器控制装置，在公开招标中提出了十项指标，即：

1、编程简单，可在现场方便地编辑及修改程序； 2、维修方便，采用模块化结构； 3、可靠性高于继电器控制装置； 4、体积小于继电器控制装置； 5、具有数据通信功能； 6、成本可与继电器控制装置竞争； 7、可直接用115V交流输入； 8、输出为115V，2A以上，能直接驱动电磁阀、接触器等；9、通用性强，易于扩展； 10、用户存储器容量至少在4KB以上。2/5/202311电气与信息工程学院

这十项招标指标奠定了可编程控制器最基本的功能要求

用计算机代替继电器控制盘用程序代替硬件接线输入/输出电平可与外部装置直接连接结构易于扩展核心为：工业控制单板机（计算机）继电器控制系统先进控制装置2/5/202312电气与信息工程学院可编程序逻辑控制器的产生

1969年，美国数字设备公司（DEC）根据上述要求和设想，研制出了世界上第一台可编程序控制器，型号为PDP-14，并在通用公司的汽车装配生产线上首次应用成功，取得了显著的经济效益。当时人们把它称为可编程序逻辑控制器(ProgrammableLogicController，简称ＰＬＣ)。可编程控制器诞生2/5/202313电气与信息工程学院可编程控制器这一新技术的出现，受到国内外工程技术界的极大关注，纷纷投入力量研制。第一个把ＰＬＣ商品化的是美国哥德公司(GOULD)，时间也是1969年，型号为084。1971年，日本从美国引进了这项新技术，研制出日本第一台可编程控制器DSC-8。1973～1974年，德国和法国也都相继研制出自己的可编程控制器，德国西门子公司(SIEMENS)于1973年研制出欧洲第一台ＰＬＣ，型号为SIMATICS4。我国从1974年开始研制，1977年开始工业应用。

2/5/202314电气与信息工程学院PLC的中国现状

目前，中国PLC市场的95％以上被国外品牌占领。2/5/202315电气与信息工程学院2010中国PLC市场研究报告介绍

为尽快提升我国PLC的技术水平，引进PLC的先进生产技术，中外合资或外商独资企业在国内开始批量生产PLC。西门子公司率先在大连建立PLC生产企业；欧姆龙公司在上海生产的PLC远销海内外。国内已有具有较强实力的公司开始拓展PLC业务，并在中国PLC市场有了一定响应。北京和利时系统工程股份有限公司就是一个典范。2/5/202316电气与信息工程学院§1.2PLC的定义和分类经历：可编程逻辑控制器（PLC）→可编程控制器（PC）

通用叫法：可编程序控制器（ProgrammableController，PC），是一台专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）混淆，所以人们还沿用PLC作为可编程控制器的英文缩写。

1.2.1PLC的定义

2/5/202317电气与信息工程学院

国际电工委员会（IEC）对可编程控制器的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”(1987.2)2/5/202318电气与信息工程学院PLC是一种特别适合于工业环境的面向工程技术人员的“蓝领计算机”2/5/202319电气与信息工程学院1.按结构形式分类

CPU（基本单元）+扩展模块一体化紧凑型PLC：电源、CPU中央处理系统、I/O接口都集成在一个机壳内。如西门子S7-200系列。1.2.2PLC的分类2/5/202320电气与信息工程学院标准模块式结构化PLC：各种模块相互独立，并安装在固定的机架（导轨）上，构成一个完整的PLC应用系统。如：西门子S7-300、S7-400系列。2/5/202321电气与信息工程学院2.按I/O点数及内存容量分类小型机：256点以下（F1、S7-200）中型机：256-1024点大型机：1024点以上3.按控制性能分类低档PLC中档PLC高档PLC2/5/202322电气与信息工程学院例：SIEMENSS7系列PLC分类小型机:中型机:大型机SIMATICS7-200一体化模块化SIMATICS7-300模块化SIMATICM7-300一体化SIMATICC7-620模块化SIMATICS7-400模块化SIMATICM7-4002/5/202323电气与信息工程学院按用途分类用于顺序逻辑控制用于闭环过程控制用于多级分布式和集散控制系统用于机械加工的数字控制和机器人控制根据生产厂家分类OMRON（日本欧蒙龙）MITSUBISHI（日本三菱）TOSHIBA（日本东芝）GE-FUNAC（美国通用电气）A-B(Allen－Bradley)（艾伦-布拉德利,是美国最大的电气公司）SIEMENS（德国西门子）2/5/202324电气与信息工程学院§1.3PLC的功能和特点控制功能逻辑控制定时控制计数控制顺序控制1.3.1PLC的功能2/5/202325电气与信息工程学院PLC的功能

数据采集、存储与处理功能数学运算功能数据处理模拟数据处理2/5/202326电气与信息工程学院PLC的功能

输入/输出接口调理功能具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节。位数和精度可以根据用户要求选择。具有温度测量接口，直接连接各种热电阻或热电偶。2/5/202327电气与信息工程学院PLC的功能

通信、联网功能PROFIBUSDPPROFIBUSPA(Ex)PROFIBUSPA2/5/202328电气与信息工程学院PLC的功能

人机界面功能2/5/202329电气与信息工程学院PLC的功能

编程、调试等使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站和操作屏，进行编程、调试、监视、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。

STEP7ProToolMPIcable有MPI接口的PG或PC2/5/202330电气与信息工程学院PLC的特点

高可靠性丰富的I/O接口模块采用模块化结构运行速度快功能完善编程简单，易于使用系统设计、安装、调试方便维修方便，维修工作量小总价格低

可编程控制器的种类虽然千差万别，但为了在工业环境中使用，它们都有许多共同的特点.2/5/202331电气与信息工程学院高可靠性

工业生产对电气控制设备的可靠性的要求是非常高的，它应具有很强的抗干扰能力，能在很恶劣的环境下(如温度高、湿度大、金属粉尘多、距离高压设备近、有较强的高频电磁干扰等)长期连续可靠的工作，平均无故障时间(MTBF)长，故障修复时间短。而PLC是专为工业控制设计的，能适应工业现场的恶劣环境。可以说，没有任何一种工业控制设备能够达到可编程控制器的可靠性。2/5/202332电气与信息工程学院在硬件方面，首先是选用优质器件，采用合理的系统结构，加固简化安装，使它能抗振动冲击。对印刷电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施。对于工业生产过程中最常见的瞬间强干扰，采取的措施主要是采用隔离和滤波技术。PLC的输入和输出电路一般都用光电耦合器传递信号，作到电浮空，使CPU与外部电路完全切断了电的联系，有效地抑制了外部干扰对PLC的影响。2/5/202333电气与信息工程学院在PLC的电源电路和Ｉ／Ｏ接口中，还设置多种滤波电路，除了采用常规的模拟滤波器(如LC滤波和Π型滤波)外，还加上了数字滤波，以消除和抑制高频干扰信号，同时也削弱了各种模板之间的相互干扰。用集成电压调整器对微处理器的＋5伏电源进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。在PLC内部还采用了电磁屏蔽措施，对电源变压器、CPU、存储器、编程器等主要部件采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。

2/5/202334电气与信息工程学院在软件方面，PLC也采取了很多特殊措施，设置了警戒时钟WDT(WatchingDogTimer)，系统运行时对WDT定时刷新，一旦程序出现死循环，使之能立即跳出，重新起动并发出报警信号。还设置了故障检测及诊断程序，用以检测系统硬件是否正常，用户程序是否正确，便于自动地做出相应的处理，如报警、封锁输出、保护数据等。当PLC检测到故障时，立即将现场信息存入存储器，由系统软件配合对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何操作，以防存储信息被破坏。这样，一旦检测到外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的程序工作。这些有效的措施，保证了可编程控制器的高可靠性。

2/5/202335电气与信息工程学院

编程简单可编程控制器的设计是面向工业企业中一般电气工程技术人员的，它采用易于理解和掌握的梯形图语言，以及面向工业控制的简单指令。

除了梯形图语言以外，PLC还可以采用其他形式的编程语言，如STL（语句表）语言，功能块图（FBD），顺序功能图（SFC）以及高级语言进行编程。

2/5/202336电气与信息工程学院系统设计、安装、调试方便

用可编程控制器完成一项控制工程时，由于其硬、软件齐全，设计和施工可同时进行。由于用软件编程取代了继电器硬接线实现控制功能，使得控制柜的设计及安装接线工作量大为减少，缩短了施工周期。同时，由于用户程序大都可以在实验室模拟调试，模拟调试好后再将PLC控制系统在生产现场进行联机统调，使得调试方便、快速、安全，因此大大缩短了设计和投运周期。2/5/202337电气与信息工程学院

维修方便

PLC的控制程序可通过编程器输入到PLC的用户程序存储器中。编程器不仅能对PLC控制程序进行写入、读出、检测、修改，还能对PLC的工作进行监控，使得PLC的操作及维护都很方便。PLC还具有很强的自诊断能力，能随时检查出自身的故障，并显示给操作人员，如Ｉ／Ｏ通道的状态、RAM的后备电池的状态、数据通信的异常、PLC内部电路的异常等信息。正是通过PLC的这种完善的诊断和显示能力，当PLC机或外部的输入装置及执行机构发生故障时，使操作人员能迅速检查、判断故障原因，确定故障位置，以便采取迅速有效的措施。如果是PLC本身故障，在维修时只需要更换插入式模板或其它易损件即可，既方便又减少了影响生产的时间。

有人曾预言，将来自动化工厂的电气工人，将一手拿着螺丝刀，一手拿着编程器。这也是可编程控制器得以迅速发展和广泛应用的重要因素之一。2/5/202338电气与信息工程学院功能强，性能价格比高

一台小型可编程序控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，它具有很高的性能价格比。可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制与集中管理。2/5/202339电气与信息工程学院可编程控制器的与继电器逻辑控制系统的比较比较项目

继电器逻辑控制

可编程控制器控制逻辑接线逻辑,体积大,接线复杂，修改困难存储逻辑,体积小、连线少,控制灵活，易于扩展控制速度通过触点的开闭实现控制作用。动作速度为几十毫秒，易出现触点抖动

由半导体电路实现控制作用,每条指令执行时间在微秒级,不会出现触点抖动限时控制由时间继电器实现，精度差，易受环境、温度影响用半导体集成电路实现,精度高，时间设置方便，不受环境、温度影响触点数量４～８对，易磨损任意多个，永不磨损工作方式并行工作串行循环扫描设计与施工设计、施工、调试必须顺序进行，周期长，修改困难在系统设计后，现场施工与程序设计可同时进行,周期短，调试、修改方便可靠性与可维护性寿命短可靠性与可维护性差寿命长，可靠性高，有自诊断功能，易于维护价格使用机械开关、继电器及接触器等，价格便宜使用大规模集成电路，初期投资较高2/5/202340电气与信息工程学院传统的继电器控制系统被PLC所取代已是必然趋势

继电器控制柜是针对一定的生产机械、固定的生产工艺设计的，采用硬接线方式装配而成，只能完成既定的逻辑控制、定时、计数等功能，一旦生产工艺过程改变，则控制柜必须重新设计、重新配线。而PLC由于应用了微电子技术和计算机技术，各种控制功能都是通过软件来实现的，因此只要改变程序并改动少量的接线端子，就可适应生产工艺的改变。从适应性、可靠性、方便性及设计、安装、维护等各方面进行比较，PLC都有显著的优势。因此在用微电子技术改造传统产业的过程中，传统的继电器控制系统大多数将被PLC所取代。2/5/202341电气与信息工程学院可编程控制器的与其他工业控制器的比较在工业控制领域几种有代表性的工业控制器：

可编程控制器(PLC)；

PID控制器(又称PID调节器)；集散控制系统(DCS)；微型计算机(PC)和工业控制计算机（IPC）由于PID控制器一般只适用于过程控制中的模拟量控制，并且，目前的PLC或DCS中均具有PID的功能。所以，只对可编程控制器与通用的微型计算机、与集散控制系统、与工业控制计算机分别做一下比较。2/5/202342电气与信息工程学院比较项目可编程控制器微型计算机应用范围工业控制科学计算、数据处理、通信等使用环境工业现场具有一定温度、湿度的机房输入／输出控制强电设备,有光电隔离,有大量的Ｉ／Ｏ口与主机采用微电联系,没有光电隔离,没有专用的Ｉ／Ｏ口程序设计一般为梯形图语言，易于学习和掌握程序语言丰富，需专门计算机的硬件和软件知识系统功能自诊断、监控等配有较强的操作系统工作方式循环扫描方式及中断