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plc 控制器

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第1章 概 述 1.1可编程序控制器的由来 可编程序控制器(Programmable Controller)简称为PC 可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Cntroller)。简称为PLC PLC是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器 为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置 用接触器继电器控制设备和生产过程（触点接触），接触器继电器种类和数目多，接线密密麻麻，要改变其控制逻辑（控制功能），大量的连线和控制器等硬件需要改动，这样控制不灵活，柔性低，不能适应社会对产品更新快，生产周期短等要求。所以，迫切需要开发一种新的控制装置(控制器)来取代老式的继电器接触器控制系统，使电气控制系统的工作更加可靠，更容易维修，更能适应经常变动的工艺条件。 所以，当时的有关专家就设想：能否研制一种控制器，当控制逻辑改变时，控制器的硬件部分基本不用变，只是改变其软件部分（这是就联想到了CPU）。 联想： 要创新，就得找出但前存在的不足（发现问题），然后通过研究来解决当前的不足，就会有所创新。所以我们一般强调培养分析问题、解决问题的能力，其实发现问题的能力才是根本。 1968年．美国最大的汽车制造厂家——通用汽车公司(GM)提出了研制可编程序控制器的基本设想，即 (1)能用于工业现场。 (2)能改变其控制“逻辑”，而不需要变动组成它的元件和修改内部接线。 (3)出现故障时易于诊断和维修。 1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台PLC。 1968年．美国最大的汽车制造厂家——通用汽车公司(GM)提出了研制可编程序控制器的基本设想，并从用户角度提出新一代控制器应具备以下十大条件： （1）编程简单，可在现场修改程序； （2）维护方便，最好是插件式； （3）可靠性高于继电器控制柜； （4）体积小于继电器控制柜； （5）可将数据直接送入管理计算机； （6）在成本上可与继电器控制柜竞争； （7）输入可以是交流115V（即用美国的电网电压）； （8）输出为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀； （9）在扩展时，原有系统只需要很小的变更； （10）用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。 上述条件提出后，立即引起了开发热潮。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台可编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。当时叫可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。紧接着，美国MODICON公司也开发出同名的控制器，1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制成了日本第一台可编程序控制器。1973年，西欧国家也研制出他们的第一台可编程序控制器。 早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成。这些可编程序控制器功能都很简单，只有逻辑、定时、计数等功能；随着70年代中小规模集成电路的工业化生产； 70年代后期和80年代初期，微处理器技术日趋成熟；80年代后期到90年代中期，计算机和网络技术的普及应用，超大规模集成电路、门阵列以及专用集成电路的迅速发展；可编程序控制器的CPU已发展为由16位或32位微处理器构成，处理速度得到很大提高，高速计数、中断、PID、运动控制等功能引入了可编程序控制器。使得可编程序控制器能够满足工业生产过程的各个领域，可编程序控制器已完全取代了传统的逻辑控制装置，模拟量仪表控制装置和以小型机为核心的DDC（直接数字控制）控制装置。 进入21世纪，可编程序控制器仍保持旺盛的发展势头，并不断扩大其应用领域，目前可编程序控制器主要向两个方向扩展：一是综合化控制系统，它已经突破了原有的可编程序控制器的概念，将工厂生产过程控制与信息管理系统密切结合起来，甚至向上为MES和ERP系统准备了技术基础，这种发展趋势会使得举步为艰的ERP系统有了坚实的技术基础，从而会带来工业控制的一场变革，实现真正意义上的电子信息化工厂；二是微型可编程序控制器异军突起，体积如手掌大小，功能可覆盖单体设备及整个车间的控制功能，并具备联网功能，这种微型化的可编程序控制器使得控制系统可将触角延伸到工厂的各个角落。随着世界经济一体化进程的加快，在技术发展的同时，发达国家更加注重了对可编程序控制器的知识产权的保护，国际大型可编程序控制器制造商纷纷加入了可编程序控制器的国际标准化组织，他们利用许多技术标准建立了符合他们经济利益的技术保护壁垒。 PLC集三电（电控、电仪、电传）为一体、性能价格比高、高可靠性的特点，已成为自动化工程的核心设备。 PLC成为具备计算机功能的一种通用工业控制装置，其使用量高居首位。 PLC成为现代工业自动化的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。 就全世界自动化市场的过去、现在和可以预见的未来而言，PLC仍然处于一种核心地位。在最近出现在美国、欧洲和国内有关探讨PLC发展的论文中，这个结论是众口一词的，尽管对PLC的未来发展有着许多不同的意见。 在全球经济不景气的时候，PLC的市场销售仍然坚挺；PC控制有了引人注目的进展，但毕竟只能对高端的PLC产品形成竞争；小型、超小型PLC的发展势头令人刮目相看；PLC和PC控制在今后可能相互融合。 PLC三大流派 自从第一台PLC出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制PLC，并得到了迅速的发展。各国PLC都有自己的特色。 ●欧洲：西门子（Siemens）； 法国的TE（Telemecanique） ●美国：A-B（Allen-Bradly）、GE（General Electric） ●日本：三菱电机（Mitsubishi Electric）、 欧姆龙（OMRON）、 FUJI （日本主要发展中小型PLC，其小型机性能先进，结构紧凑，价格便宜） 目前国内市场还有韩国、台湾等PLC产品 我国PLC发展情况 在70年代末和80年代初，我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外的PLC。 我国不少科研单位和工厂在研制和生产PLC，如辽宁无线电二厂、无锡华光电子公司、上海香岛电机制造公司、厦门A-B公司等。 在传统设备改造和新设备设计中，PLC的应用逐年增多，取得良好效果。PLC在我国的应用越来越广泛。 目前，国内PLC生产厂家有30余家，并有迹象显示，更多的来自于原PLC应用的技术人员准备加入到小型PLC开发的行列。但在目前上市的众多PLC产品中，还没有形成规模化的生产和名牌产品。 从技术角度来看，国内外的小型PLC差距正在缩小。如无锡信捷、兰州全志等公司生产的微型PLC已经比较成熟，有些国产PLC（如和利时、科迪纳）已经拥有符合IEC标准的编程软件、支持了现场总线技术等。 面对国际厂商数十年的规模化生产和市场管理经验，国内厂商更多地只停留在小批量生产和维系生存的起步阶段，离真正批量生产、市场化经营乃至创建品牌还有很长的路要走。与此同时，国产PLC的低价优势也正在受到新的挑战。 PLC品牌分布情况的原因： 1、产品覆盖范围。 排在最前的三个品牌有最丰富的产品系列，而且没有偏重，用户很容易得到恰当的产品；其他品牌如Fuji，LG则以小型和微型产品为主，GE和Schneider以中大型产品为主。虽然A－B拥有出色的技术和全面的产品系列，但是高价格使用户却步。 2、中国市场上的历史。 Siemens，Mitsubishi和Omron都是在中国市场上传统的供应商，在很多领域占了先机，相对应的是GE，Schneider（其实Modicon进入中国也比较早，但没有完整的销售和服务体系）和LG这些后来者虽然市场快速增长，但距先行者仍有一定的差距。 3、 行业分布。 某些品牌会侧重于一些行业，如Schneider更加注重电力行业，Rockwell在冶金行业表现出众。 2008年度PLC市场研究报告表明： ①作为目前国内控制市场上的主流控制器，PLC市场的国内参与者却需要尴尬地面对这样一个局面，即在高达31亿的PLC市场总需求中，国产PLC不到整个市场份额1％。 ②在按照I/O数量划分的市场总量中，小型PLC（256点以下）的市场巨大，占据市场总额的64％，而国产PLC的市场贡献恰恰就在小型PLC的市场中。 预测：中国PLC市场在2010年有望翻番 　　在最近的经济发展中，中国以其制造业发展的迅猛及范围的广泛为人瞩目，使PLC在某些自动化领域增长超过了20%。中国的PLC市场在未来的5年内，将以14.1%的综合年增长率增长。 1.2可编程序控制器的定义、特点 一、定义：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。” 二、特点 1、编程方法简单、手段多，控制程序可变 原因：使用了梯形图语言。 梯形图语言的电路符号和表达方式与继电器电路原理图相当接近，某些仅有开关量控制功能的PLC只有十几条指令。 2、硬件配套齐全，用户使用方便 （1）有各种硬件装置供用户选用（多采用插件式结构），用户不必自己 设计和制作硬件装置 （2）用户在硬件方面的设计工作，只是确定PLC的硬件配置和设计外部接线图 （3）PLC的安装接线很方便，各种外部接线都有相应的接线端子 3、通用性强，适应性强 原因： 硬件配置相当灵活，PLC的系列化和模块化，方便快速地适应工艺条件的变化 4、性能稳定可靠性高，抗干扰能力强 选择控制装置的首要条件是可靠性 （1）PLC具有高可靠性的主要原因之一 ： 软件取代了继电器系统中容易出现故障的大量触点和接线。 （2）PLC的故障 ①永久性故障 系统元器件损坏或失效引起的不可恢复的故障，系统会周期性地检测系统的硬件，发现永久性故障时，会自动采取相应措施，尽可能减轻故障对系统的影响，同时通知操作人员。 ②可恢复故障 由电磁干扰引起,干扰往往以窄脉冲的形式从电源线或I/O引线进入PLC内部。瞬时出现的干扰脉冲可能使偏离正常的程序执行路线，将内存空间中某一随机的区域中的内容当作程序来执行，一般不能自动返回正常的程序执行路线。 （3）为了消弱和消除干扰对系统的影响，PLC采取了以下几种硬件措施 ①滤波： 在电源电路和 I/O 模块中设置大量的滤波电路，RC 、 RL、Π ②隔离：在输入输出电路一般用光电隔离耦合器传递信号、继电器型输出模块则用继电器实现隔离 ③屏蔽： 在工业环境下，往往存在着强烈的空间电磁干扰，为了消除其影响，用导电导磁材料屏蔽PLC的电源变压器，并用良好的导电材料屏蔽易受空间电磁波干扰影响的CPU模块。 ④补救措施：监控定时器（Watch Dog） ⑤奇偶校验：用奇偶校验来检查传送的信息是否出错。 5、系统的设计，安装、调试工作量少 PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。 6、维修工作量小，维修方便 PLC具有完善的诊断和显示功能，利用更换模块的方法迅速排除故障 与其它计算机控制装置的比较 1、与单板机的比较 单板机的特点：价格便宜， 开发能力弱， 抗干扰能力差， 功能有限 2、与个人计算机的比较 个人计算机的特点：强数据处理功能和图形显示功能， 有丰富的软件支持，对环境的要求很高， 抗干扰能力不强，不适于在工业现场使用 （1）PLC工作环境要求比PC低，PLC抗干扰能力强； （2）PLC编程比PC简单易学（梯形图语言）； （3）PLC设计调试周期短； （4）PC应用领域与PLC不同； （5）PLC的输入/输出响应速度慢，（一般ms级），而PC的响应速度快（为微秒级）； （6）PLC维护比PC容易。 3、与单片机的比较 单片机的特点：一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连，要求设计者具有较强的计算机领域的理论知识和实践经验 4、工业控制计算机（工控机） 工控机的特点：为工业控制设计， 价格高（大材小用） 以上各种计算机用于控制的程序一般都是汇编语言编写的，不象PC的梯形图语言那样易于被工厂电气人员掌握。 5、PLC是专为工厂现场应用环境设计的 PLC与继电器控制系统的比较 PLC与继电器均可用于开关量逻辑控制 1、工作原理 继电器控制系统 ： 硬件，物理继电器； PLC的控制系统 ： 软件 2、功能 PLC采用了计算机技术，具有顺序控制，定时、计数、运动控制、数据处理、闭环控制和通讯联网。继电控制也可实现顺序控制，但功能有限。 3、可靠性与可维护性 4、灵活性 继电器的控制功能被固定在线路之中，其功能单一，不易修改，灵活性差。 5、响应速度 继电器靠触点机械动作。 6、设计与调试 7、定时与计数 （1）继电器系统用T来定时，存在着体积大，可靠性差，调整不方便，精度较差等缺点。 （2）PLC为用户提供了几十个甚至数百个用软件实现的定时器，它们的精度高，定时范围广，定时时间调整方便，并且不受环境的影响。 1.3 可编程序控制器的应用领域 目前，PLC在国内外已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格比的不断提高，其应用领域不断扩大。 PLC的应用范围已从传统的产业设备和机械的自动控制，扩展到以下应用领域：中小型过程控制系统、远程维护服务系统、节能监视控制系统，以及与生活相关的机器、与环境相关的机器，而且有急速的上升趋势。 值得注意的是，随着PLC、DCS相互渗透，二者的界线日趋模糊的时候，PLC从传统的应用于离散的制造业向应用到连续的流程工业扩展 1.数字量逻辑控制 2.运动控制 3.闭环过程控制 4.数据处理 5.通信联网 1.4可编程序控制器的发展趋势 1．向高性能，高速度、大容量发展 2．大力发展微型可编程序控制器 3. 大力开发智能型l／O模块和分布式I／O子系统 4．基于个人计算机的编程软件取代手持式编程器 5．可编程序控制器编程语言的标准化 6．可编程序控制器通信的易用化和“傻瓜化” 7．可编程序控制器的软件化与Pc化 8．组态软件引发的七位计算机编程革命 9．可编程序控制器与现场总线相结合 第2章 可编程序控制器的硬件结构与工作原理 2.1可编程序控制器的基本结构 2.1.1基本结构 组成：CPU模块、输入模块、输出模块、编程装置。 1 CPU模块 1）CPU芯片 作用： 在可编程序控制器控制系统中，CPU模块相当于人的大脑，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。 2）存储器： 作用：存放系统程序，用户程序和数据。 系统程序：决定PLC的基本智能，由厂家设计，并存入ROM、EEPROM。用户不能修改。 用户程序：根据要求，用PLC的编程语言，编制的程序，用户用编程器写入RAM或EEPROM。 类型 (1)随机存取存储器(RAM) 用户可以用编程装置读出RAM中的内容，也可以将用户程序写入RAM，它是易失性的存储器，它的电源中断后，储存的信息将会丢失。 (2)只读存储器(ROM) ROM的内容只能读出，不能写入。它是非易失的，它的电源消失后，仍能保存储存的内容。ROM一般用来存放可编程序控制器的系统程序。 (3)可电擦除可编程的只读存储器(EEPROM或E2PROM) 它是非易失性的，但是可以用编程装置对它编程．兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点，但是将信息写入它所需的时间比RAM长得多。EEPROM用来存放用户程序和需长期保存的重要数据。 存储安全 1）主机CPU模块内部配备的EEPROM，上装程序时，可自动装入并永久保存用户程序、数据和CPU的组态数据。 2）用户可以用程序将存储在RAM中的数据备份到EEPROM存储器。 3）主机CPU提供一个超级电容器，可使RAM中的程序和数据在断电后保持几天之久。 4）CPU提供一个可选的电池卡，可在断电后超级电容器中的电量完全耗尽时，继续为内部RAM存储器供电，以延长数据所存的时间。 5）可选的存储器卡可使用户像使用计算机磁盘一样来方便地备份和装载程序和数据。 2 I／0模块 作用：是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。 1）输入模块 作用：接收和采集输入信号。 输入电路：设有RC滤波电路和光电耦合器。 2）输出模块 作用：控制输出设备，执行装置。 输出电路：晶体管和场效应管、双向晶闸管，小型继电器。 1）输入模块（输入接口电路） 输入模块是PLC外部输入设备和CPU之间的接口转换电路，用来接受和采集输入信号，输入信号有两类：一类是从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关等来的开关量输入信号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟量输入信号。 CPU的工作电压一般是5V，而PLC的输入输出信号电压一般较高，如直流24V和交流110V,220V；从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，所以输入和输出模块中都有电平转换和光电隔离电路。 光电隔离的作用： 1）抗干扰 2）电平转换 开关量输入接口：将工业现场的开关量信号转变成CPU能接受的标准逻辑电平。 交流输入电路图 2）输出模块 输出模块是PLC的CPU和外部输出执行装置之间的接口转换电路， PLC通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器，PLC控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。 开关量输出接口：通过该接口实现对外部设备的驱动控制 输出 方式 晶体管输出 晶闸管输出 作用：功率放大和电平转换 继电器输出 继电器输出：输出接口由继电器构成。 适于大功率、低速、交、直流负载（常用） 晶体管输出：输出接口由晶体管构成。 适合于小功率、高速、直流负载 晶闸管输出：输出接口由晶闸管构成。 适合于大功率、高速、交流负载 3、编程装置 作用： 编程装置用来生成用户程序，并对它进行编辑、检查和修改。 1）手持式编程器：不能直接输人和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。 2）编程软件编程：在屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。 4、电源 可编程序控制器使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC 5V、12V、24V等直流电源。 2.1.2 可编程序控制器的物理结构 1 整体式（ S7—200）（图2-2） 2 模块式 (S7—300和S7—400系列)(图2-3)。 2.1.3 可编程序控制器的外部接线 CPU222模块的外部接线图(见图2-6) 1、整体式PLC 整体式又叫单元式或箱体式 组装特点：CPU模块，I/O模块和电源装在一个箱状机壳内，结构非常紧凑， 体积小，价格低 整体式PLC基本单元：CPU模块，I/O模块，电源 扩展单元：I/O扩展模块，电源 整体式PLC专用的特殊功能单元：模拟量I/O单元，位置控制单元、数据输入/输出单元 2、模块式PLC PLC厂家备有不同槽数的框架供用户选用，如果一个框架容纳不下所选用的模块，可以增设一个或数个扩展框架，各框架之间用I/O扩展电缆相连。 有的PLC没有框架，各种模块安装在基板上。 用户可以选用不同档次的CPU模块，品种繁多的I/O模块和特殊功能模块，对硬件配置的选择余地较大，维修时更换模块也很方便。 3、叠装式PLC 吸收了整体式和模块式PLC的优点 特点：基本单元，扩展单元、扩展模块等高，等宽、长度不同。它们不用基板，仅用扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个整齐的长文体，输入，输出点数的配置也相当灵活。 I/O模块的外部接线方式有：汇点式、分组式、分隔式 （1）汇点式的特点：各I/O电路有一个公共点，各输 入点或各输出点共用一个电源。 （2）分组式的特点：分为若干组，每组的I/O电路有一个公共点，它们共用一个电源 （3）分隔式的特点：各I/O点之间相互隔离，每一I/O点可以使用单独的电源。 2.2 可编程序控制器的工作原理 2.2.1可编程序控制器的工作方式 工作状态： STOP：创建和编辑用户程序，设置PLC的硬件功能，并可下载到PLC。 RUN: 执行用户程序实现控制功能。 采用：扫描工作方式。 CPU反复读入输入信号状态，根据用户程序要求对输入和输出及中间继电器的状态进行逻辑运算，并按运算结果操作输出接口的过程。 PLC加电运行 CPU从输入映像寄存器读输入信号状态，根据用户程序要求对输入和输出及中间继电器的状态进行逻辑运算，并将运算结果写入输出映像寄存器。 根据上一步逻辑运算结果，更新输出接口状态。 （1）输入处理 （2）执行程序 （3）处理通信请求 （4）执行CPU自诊断测试 （5）写数字输出 可编程序控制器的输入处理、执行用户程序和输出处理过程的原理如图所示。PLC执行的五个阶段，称为一个扫描周期，PLC完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。 改变CPU工作方式的方法 1）用PLC上的方式开关来手动切换，方式开关有3个挡位 。 2）用STEP 7-Micro/Win32编程软件，应首先把主机的方式开关置于TERM或RUN位置，然后在此软件平台用鼠标单击STOP和RUN方式按钮即可。 3）在用户程序中用指令由RUN方式转换到STOP方式，前提是程序逻辑允许中断程序的执行。 与计算机的异同： 相同点：（1）基本结构相同 （2）程序执行原理相同 不同点： 两者的不同点主要体现在工作方式上。 与继电器-接触器的异同： 相同点：图形结构和逻辑关系相同。 不同点：（1）实现原理不同 （2）工作方式不同 输人／输出滞后时间 是指可编程序控制器的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，几十毫秒。 2.3 S7-200系列可编程序控制器性能简介 德国的西门子（SIEMENS）公司是欧洲最大的电子和电气设备制造商，生产的SIMATIC可编程序控制器在欧洲处于领先地位。其第一代可编程序控制器是1975年投放市场的SIMATIC S3系列的控制系统。 在1979年，微处理器技术被应用到可编程序控制器中，产生了SIMATIC S5系列，取代了S3系列，之后在20世纪末又推出了S7系列产品。 最新的SIMATIC产品为SIMATIC S7、M7和C7等几大系列。 SIMATIC S7-200系统由硬件和工业软件两大部分构成 系统基本构成 1. 硬件 （1）基本单元 （2）扩展单元 （3）特殊功能模块 （4）相关设备 2. 工业软件 工业软件是为更好地管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序、文档及其规则的总和，它主要由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口等几大类构成。 2.3.1 CPU模块 从CPU模块的功能来看，SIMATIC S7-200系列小型可编程序控制器发展至今，大致经历了两代： 第一代产品其CPU模块为CPU 21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同结构配置的CPU单元：CPU 212，CPU 214，CPU 215和CPU 216，对第一代PLC产品不再作具体介绍。 第二代产品其CPU模块为CPU 22X，是在21世纪初投放市场的，速度快，具有较强的通信能力。它具有四种不同结构配置的CPU单元：CPU 221，CPU 222，CPU 224和CPU 226，除CPU 221之外，其他都可加扩展模块 1. 各CPU介绍及I/O系统 （1）主机外形 SIMATIC S7-200系统CPU 22X系列PLC主机（CPU模块）的外形如图所示： 4种CPU各有晶体管输出和8继电器输出两种类型，具有不同电源电压和控制电压。各类型的型号如表所示。 SIMATIC S7-200系统CPU 22X系列PLC主机及I/O特性如表所示。 SIMATIC S7-200系统CPU 22X系列PLC主机的存储容量如表所示。 2.3.2 输入输出扩展 1. 设备连接 2. 最大I/O配置的预算 （1）电流提供 各CPU所能提供的最大5VDC电流如表所示 （2）模块电流 CPU 22X可连接的各扩展模块消耗5VDC电流如表所示。 例如，某一控制系统选用CPU 224，系统所需的输入输出点数各为：数字量输入24点、数字量输出20点、模拟量输入6点、模拟量输出2点。 本系统可有多种不同模块的选取组合，下表所示为其中的一种可行的系统输入输出组态状况。 若按上表的扩展方式，各模块在I/O链中的位置排列方式也可以有多种，下图所示为其中的一种模块连接形式。 2.4可编程序控制器的安装 2.4.1模块的安装与拆卸 1.模块的安装与拆卸 2.现场接线端子排与可拆卸的端 子连接器。 2.4.2本机I／0与扩展l／O 本机I／O有固定的地址，扩展I／0点的地址由模块的类型和模块在同类I／O模块链中的位置来决定。 规则：1）同类型输入或输出点的模块进行顺序编址。 2）数字量I／0模块的地址以字节(8位)为单位，未用的位不会分配给I／0链中的后续模块。 3）模拟量扩展模块以2字节递增的方式来分配地址。 CPU224的I／0地址分配举例。（图2—12） 第3章可编程序控制器程序设计基础 3.1 可编程序控制器的编程语言与程序结构 3.2 存储器的数据类型与寻址方式 3.3 位逻辑指令 3.4 定时器与计数器指令 3.1.1 可编程序控制器编程语言 的国际标准 由于不同厂家的PLC有不同的硬件结构和不同的编程软件，且彼此不兼容，用户不得不“从一而终”，这样不利于行业的发展，故IEC（国际电工委员会）在1994年5月公布了IEC1331（可编程序控制器标准），包括五部分内容：通用信息、设备与测试要求、PLC的编程语言、用户指南和通讯。其中的第三部分（ IEC1131-3 ）是可编程序控制器的编程语言标准。 IEC1131-3详细说明了句法、语义和5种PLC编程语言的表达方式。这5种PLC编程语言分别为： (1)顺序功能图(Sequential Function Chart)。 (2)梯形图(Ladder Diagram)。 (3)功能块图(Function Block Diagram)。 (4)指令表(Inst~ction List)。 (5)结构文本(structured Text) 1 顺序功能图(SFC) 这是一种位于其他编程语言之上的图形语言，用来编制顺序控制程序。 顺序功能图提供了一种组织程序的图形方法，在顺序功能图中可以用别的语言嵌套编程。步、转换和动作是顺序功能图中的三种主要元件。可以用顺序功能图来描述系统的功能。 2 梯形图(LAD) 组成：由触点、线圈和用方框表示的功能块。 特点： 1）沿用继电器这一名称，但不是真实继电器，而是软件中编程元件。 2）假想的“能流”(Power Flow)，从左向右流动。 3）逻辑解算，从左至右，从上至下。 4）线圈放在最右边，触点可无限次使用。 3 功能块图(FBD) 4 语句表（STL） 指令表程序：一种与微机的汇编语言中的指令相似的助记符表达式。 5 结构文本(ST) 结构文本(ST)是为IECll31—3标准创建的一种专用的高级编程语言。与梯形图相比，它能实现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。 3.2存储器的数据类型与寻址方式 3.2.1数据在存储器中存取的方式 1 位、字节、字和双字 位(bit)：二进制数的1位只有O和1两种不同的取值。 字节(Byte)：8位二进制数组成1个字节。 字(Word)：两个字节。 双字（Double Word）：两个字。 2 数据的存取方式 I3. 2 IB3(图3-5)。 VBl00 VWl00 VDl00 (见图3-6)。 3.3 西门子S7-200系列PLC编程指令 3.3.1西门子S7-200系列PLC内部编程元器件 1、 数据存储类型 二进制数的“位”只有 0和1两种的取值，开关量(或数字量)也只有两种不同的状态，如触点的断开和接通，线圈的失电和得电等。在S7-200梯型图中，可用“位”描述它们，如果该位为1则表示对应的线圈为得电状态，触点为转换状态(常开触点闭合、常闭触点断开)；如果该位为0，则表示对应线圈，触点的状态与前者相反。 S7-200系列PLC的数据类型可以是字符串、布尔型（0或1）、整数型和实数型（浮点数）。布尔型数据指字节型无符号整数；整数型数包括16位符号整数（INT）和32位符号整数（DINT）。实数型数据采用32位单精度数来表示。 2、 内部编程元器件的编址方式 （1）内部编程元器件及其各自的存储区域 可编程序控制器的编址就是对PLC内部的元件进行编码，以便程序执行时可以唯一地识别每个元件。西门子S7-200系列PLC内部在数据存储区为每一种元件分配一个存储区域，并用字母作为区域标志符，同时表示元件的类型。如：数字量输入写入输入映象寄存器（区标志符为I），数字量输出写入输出映象寄存器（区标志符为Q），模拟量输入写入模拟量输入映象寄存器（区标志符为AI），模拟量输出写入模拟量输出映象寄存器（区标志符为AQ）。除了输入输出外，PLC还有其他元件，V表示变量存储器；M表示内部标志位存储器；SM表示特殊标志位存储器；L表示局部存储器；T表示定时器；C表示计数器；HC表示高速计数器；S表示顺序控制存储器；AC表示累加器。掌握各元件的功能和使用方法是编程的基础。下面将介绍元件的编址方式。 （2）内部编程元器件的编址方式 存储器的单位可以是位（bit）、字节（Byte）、字（Word）、双字（Double Word），那么编址方式也可以分为位、字节、字、双字编址。 （1） 位编址 位编址的指定方式为：（区域标志符）字节号位号，如I0.0；Q0.0；I1.2。 （2） 字节编址 字节编址的指定方式为：（区域标志符）B（字节号），如IB0表示由I0.0～I0.7这8位组成的字节。 （3）字编址 字编址的指定方式为：（区域标志符）W（起始字节号），且最高有效字节为起始字节。例如VW0表示由VB0和VB1这2字节组成的字。 （4） 双字编址 双字编址的指定方式为：（区域标志符）D（起始字节号），且最高有效字节为起始字节。例如VD0表示由VB0到VB3这4字节组成的双字。 3、元件功能及地址分配 （1） 输入映像寄存器（输入继电器）I ①输入映像寄存器的工作原理 输入继电器是PLC用来接收用户设备输入信号的接口。PLC中的“继电器”与继电器控制系统中的继电器有本质性的差别，是“软继电器”，它实质是存储单元。每一个“输入继电器”线圈都与相应的PLC输入端相连（如“输入继电器” I0.0的线圈与PLC的输入端子0.0相连），当外部开关信号闭合，则“输入继电器的线圈”得电，在程序中其常开触点闭合，常闭触点断开。由于存储单元可以无限次的读取，所以有无数对常开、常闭触点供编程时使用。编程时应注意，“输入继电器”的线圈只能有外部信号来驱动，不能在程序内部用指令来驱动，因此，在用户编制的梯形图中只应出现“输入继电器”的触点，而不应出现“输入继电器”的线圈。 ②输入映像寄存器的地址分配 S7-200输入映像寄存器区域有IB0～IB15共16个字节的存储单元。系统对输入映像寄存器是以字节（8位）为单位进行地址分配的。输入映像寄存器可以按位进行操作，每一位对应一个数字量的输入点。如CPU224的基本单元输入为14点，需占用28=16位，即占用IB0和IB1两个字节。而I1.6、I1.7因没有实际输入而未使用，用户程序中不可使用。但如果整个字节未使用如IB3～IB15，则可作为内部标志位（M）使用。 输入继电器可采用位、字节、字或双字来存取。输入继电器位存取的地址编号范围为I0.0~I15.7。 （2） 输出映像寄存器（输出继电器） ①输出映像寄存器的工作原理 “输出继电器”是用来将输出信号传送到负载的接口，每一个“输出继电器”线圈都与相应的PLC输出相连，并有无数对常开和常闭触点供编程时使用。除此之外，还有一对常开触点与相应PLC输出端相连（如输出继电器Q0.0有一对常开触点与PLC输出端子0.0相连）用于驱动负载。输出继电器线圈的通断状态只能在程序内部用指令驱动。 ②输出映像寄存器的地址分配 S7-200输出映像寄存器区域有QB0～QB15共16个字节的存储单元。系统对输出映像寄存器也是以字节（8位）为单位进行地址分配的。输出映像寄存器可以按位进行操作，每一位对应一个数字量的输出点。如CPU224的基本单元输出为10点，需占用28=16位，即占用QB0和QB1两个字节。但未使用的位和字节均可在用户程序中作为内部标志位使用。 输出继电器可采用位，字节，字或双字来存取。输出继电器位存取的地址编号范围为Q0.0~Q15.7。 以上介绍的两种软继电器都是和用户有联系的 ，因而是PLC 与外部联系的窗口 。下面所介绍的则是与外部设备没有联系的内部软继电器。它们既不能用来接收用户信号，也不能用来驱动外部负载，只能用于编制程序，即线圈和接点都只能出现在梯形图中。 （3） 变量存储器V 变量存储器主要用于存储变量。可以存放数据运算的中间运算结果或设置参数，在进行数据处理时，变量存储器会被经常使用。变量存储器可以是位寻址，也可按字节、字、双字为单位寻址，其位存取的编号范围根据CPU的型号有所不同，CPU221/222为V0.0~V2047.7共2KB存储容量，CPU224/226为V0.0~V5119.7共5KB存储容量。 （4）内部标志位存储器（中间继电器）M 内部标志位存储器，用来保存控制继电器的中间操作状态，其作用相当于继电器控制中的中间继电器，内部标志位存储器在PLC中没有输入/输出端与之对应，其线圈的通断状态只能在程序内部用指令驱动，其触点不能直接驱动外部负载，只能在程序内部驱动输出继电器的线圈，再用输出继电器的触点去驱动外部负载。 内部标志位存储器可采用位、字节、字或双字来存取。内部标志位存储器位存取的地址编号范围为M0.0~M31.7共32个字节。 5）特殊标志位存储器SM PLC中还有若干特殊标志位存储器, 特殊标志位存储器位提供大量的状态和控制功能，用来在CPU和用户程序之间交换信息，特殊标志位存储器能以位、字节、字或双字来存取，CPU224的SM的位地址编号范围为SM0.0~SM179.7共180个字节。其中SM0.0～SM29.7的30个字节为只读型区域。 （6）局部变量存储器L 　 局部变量存储器L用来存放局部变量，局部变量存储器L和变量存储器V十分相似，主要区别在于全局变量是全局有效，即同一个变量可以被任何程序（主程序、子程序和中断程序）访问。而局部变量只是局部有效，即变量只和特定的程序相关联。 S7-200有64个字节的局部变量存储器，其中60个字节可以作为暂时存储器，或给子程序传递参数。后4个字节作为系统的保留字节。PLC在运行时，根据需要动态地分配局部变量存储器，在执行主程序时，64个字节的局部变量存储器分配给主程序，当调用子程序或出现中断时，局部变量存储器分配给子程序或中断程序。 局部存储器可以按位、字节、字、双字直接寻址，其位存取的地址编号范围为L0.0~L63.7。 L可以作为地址指针。 （7）定时器T PLC所提供的定时器作用相当于继电器控制系统中的时间继电器。每个定时器可提供无数对常开和常闭触点供编程使用。其设定时间由程序设置。 每个定时器有一个16位的当前值寄存器，用于存储定时器累计的时基增量值(1~32767)，另有一个状态位表示定时器的状态。若当前值寄存器累计的时基增量值大于等于设定值时，定时器的状态位被置“1”，该定时器的常开触点闭合。 定时器的定时精度分别为1ms 、10ms和100ms三种，CPU222、CPU224及CPU226的定时器地址编号范围为T0~T225，它们分辨率、定时范围并不相同，用户应根据所用CPU型号及时基，正确选用定时器的编号。 （8） 计数器C 计数器用于累计计数输入端接收到的由断开到接通的脉冲个数。计数器可提供无数对常开和常闭触点供编程使用，其设定值由程序赋予。 计数器的结构与定时器基本相同，每个计数器有一个16位的当前值寄存器用于存储计数器累计的脉冲数，另有一个状态位表示计数器的状态，若当前值寄存器累计的脉冲数大于等于设定值时，计数器的状态位被置“1”，该计数器的常开触点闭合。计数器的地址编号范围为C0~C255。 （9） 高速计数器HC 一般计数器的计数频率受扫描周期的影响，不能太高。而高速计数器可用来累计比CPU 的扫描速度更快的事件。高速计数器的当前值是一个双字长（32位）的整数，且为只读值。 高速计数器的地址编号范围根据CPU的型号有所不同，CPU221/222各有4个高速计数器，CPU224/226各有6个高速计数器，编号为HC0~HC5。 （10） 累加器AC 累加器是用来暂存数据的寄存器，它可以用来存放运算数据、中间数据和结果。CPU提供了4个 32位的累加器，其地址编号为AC0~AC3。累加器的可用长度为32位，可采用字节、字、双字的存取方式，按字节、字只能存取累加器的低8位或低16位，双字可以存取累加器全部的32 位。 （11） 顺序控制继电器S（状态元件） 顺序控制继电器是使用步进顺序控制指令编程时的重要状态元件，通常与步进指令一起使用以实现顺序功能流程图的编程。 顺序控制继电器的地址编号范围为S0.0~S31.7。 （12） 模拟量输入/输出映像寄存器（AI/AQ） S7-200的模拟量输入电路是将外部输入的模拟量信号转换成1个字长的数字量存入模拟量输入映像寄存器区域，区域标志符为AI。 模拟量输出电路是将模拟量输出映像寄存器区域的1个字长（16位）数值转换为模拟电流或电压输出，区域标志符为AQ。 在PLC内的数字量字长为16位，即两个字节，故其地址均以偶数表示，如 AIW0、AIW2…..；AQW0、AQW2…..。 对模拟量输入/输出是以2个字（W）为单位分配地址，每路模拟量输入/输出占用1个字（2个字节）。如有3路模拟量输入，需分配4个字（AIW0、AIW2、AIW4、AIW6），其中没有被使用的字AIW6，不可被占用或分配给后续模块。如果有1路模拟量输出，需分配2个字（AQW0、AQW2），其中没有被使用的字AQW2，不可被占用或分配给后续模块。 模拟量输入/输出的地址编号范围根据CPU的型号的不同有所不同，CPU222为AIW0～AIW30和AQW0～AQW30；CPU224/226为AIW0～AIW62和AQW0～AQW62。 3.3.2西门子S7-200系列PLC的指令系统 （一）基本位操作指令介绍 位操作指令是PLC常用的基本指令，梯形图指令有触点和线圈两大类，触点又分常开触点和常闭触点两种形式；语句表指令有与、或以及输出等逻辑关系，位操作指令能够实现基本的位逻辑运算和控制。 1、逻辑取（装载）及线圈驱动指令LD/LDN （1）指令功能 LD（load）：常开触点逻辑运算的开始。对应梯形图则为在左侧母线或线路分支点处(如主控母线指令)初始装载一个常开触点。 LDN（load not）：常闭触点逻辑运算的开始（即对操作数的状态取反），对应梯形图则为在左侧母线或线路分支点处初始装载一个常闭触点。 =（OUT）：输出指令，对应梯形图则为线圈驱动。对同一元件只能使用一次。 （2）指令格式如下图所示 网络1 LD I0.0 //装载常开触点 = Q0.0 //输出线圈 网络2 LDN I0.0 //装载常闭触点 = M0.0 //输出线圈 2、触点串联指令A(And)、AN(And not) （1）指令功能 A(And)：与操作，在梯形图中表示串联连接单个常开触点。 AN(And not)：与非操作，在梯形图中表示串联连接单个常闭触点。 （2）指令格式如下图所示 网络1 LD I0.0 //装载常开触点 A M0.0 //与常开触点 = Q0.0 //输出线圈 网络2 LD Q0.0 //装载常开触点 AN I0.1 //与常闭触点 = M0.0 //输出线圈 A T37 //与常开触点 = Q0.1 //输出线圈 3、触点并联指令：O（Or）/ON（Or not） （1）指令功能 O：或操作，在梯形图中表示并联连接一个常开触点。 ON：或非操作，在梯形图中表示并联连接一个常闭触点。 （2）指令格式如下图所示 网络1 LD I0.0 O I0.1 ON M0.0 = Q0.0 网络2 LDN Q0.0 A I0.2 O M0.1 AN I0.3 O M0.2 = M0.1 4、电路块的串联指令ALD （1）指令功能 ALD：块“与”操作，用于串联连接多个并联电路组成的电路块。 （2）指令格式如下图所示 5、电路块的并联指令OLD （1）指令功能 OLD：块“或”操作，用于并联连接多个串联电路组成的电路块。 （2）指令格式如下图所示 LD I0.0 //装入常开触点 A I0.1 //与常开触点 LD I0.2 //装入常开触点 A I0.3 //与常开触点 OLD //块或操作 LDN I0.4 //装入常闭触点 A I0.5 //与常开触点 OLD //块或操作 = Q0.0 //输出线圈 OLD OLD 【例1】根据下图所示梯形图，写出对应的语句表。 LD I0.0 O I0.1 LD I0.2 A I0.3 LD I0.4 AN I0.5 OLD O I0.6 ALD ON I0.7 = Q0.0 6、逻辑堆栈的操作 S7-200系列采用模拟堆栈的结构，用于保存逻辑运算结果及断点的地址，称为逻辑堆栈。S7-200系列PLC中有一个9层的堆栈。在此讨论断点保护功能的堆栈操作。 堆栈操作指令用于处理线路的分支点。在编制控制程序时，经常遇到多个分支电路同时受一个或一组触点控制的情况，若采用前述指令不容易编写程序，用堆栈操作指令则可方便的将梯形图转换为语句表。 LPS（入栈）指令：LPS指令把栈顶值复制后压入堆栈，栈中原来数据依次下移一层，栈底值压出丢失。 LRD（读栈）指令：LRD指令把逻辑堆栈第二层的值复制到栈顶，2-9层数据不变，堆栈没有压入和弹出。但原栈顶的值丢失。 LPP（出栈）指令：LPP指令把堆栈弹出一级，原第二级的值变为新的栈顶值，原栈顶数据从栈内丢失。 逻辑堆栈指令可以嵌套使用，最多为9层。 为保证程序地址指针不发生错误，入栈指令LPS和出栈指令LPP必须成对使用，最后一次读栈操作应使用出栈指令LPP。堆栈指令没有操作数。 7、置位/复位指令 S/R （1）指令功能 置位指令S：使能输入有效后从起始位S-bit开始的N 个位置“1”并保持。 复位指令R：使能输入有效后从起始位S-bit开始的N 个位清“0”并保持。

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