Lenze技术培训班PLC讲稿(1,2讲).doc

自动化博览PLC培训班（第一讲、第二讲讲稿 ）第一讲： PLC的发明和发展过程 PLC （可编程控制器）是上个世纪60年代发展起来的一种新型自动化控制装置。最早是用于替代传统的继电器控制装置，功能上只有逻辑计算、计时、计数以及顺序控制等，而且只能进行开关量控制。因此，其英文原名为“Programmable Logic Controller”，简称PLC，中文称“可编程逻辑控制器”。后来，随着技术的进步，其控制功能已经远远超出逻辑控制的范畴，其名称也就改为“Programmable Controller”，简称PC。但PC又容易与个人计算机“Personal Computer”的简称PC产生混淆，所以近年来人们又倾向于使用PLC这一简称，中文仍然称“可编程控制器”。 上个世纪60年代，由于美国汽车工业需要进行大规模的技术改造和设备更新，由传统的继电器控制装置来进行控制，不仅体积庞大，故障率高，柔性差，不灵活，耗能，而且调试困难，可靠性也差年由美国通用汽车公司提出使用新一代控制器的设想从用户的角度考虑，该公司对新一代控制器提了点要求，为各大公司提供了明确的开发目标次年，就由美国DEC（数字设备公司）首先研制成功第一台可编程逻辑控制器PDP-14差不多同时，美国MODICON公司也研制出084控制器它们的问世，引起了全世界的瞩目，美国的其他公司和西欧，日本等工业发达国家，也相继研究开发出类似的产品由于PLC吸取微电子技术和计算机技术的最新成果，因此，发展十分迅速，从单机自动化到整条生产线的自动化，乃至整个工厂的生产自动化，从柔性制造系统，工业机器人到大型分散型控制系统，PLC均担当着重要角色。PLC技术代表了当今电气程序控制的最先进水平。通过PLC与各种单元自动化装置（例如，智能仪表、数字化传单装置、智能的液压和气动阀组等）以及现场总线、计算机网络系统，构成了车间和工厂自动化的完整体系。可编程控制器应用非常广泛，近年来对国内进行的调查，在各个领域应用分布大致如下：钢铁和有色冶金 35汽车和机械制造 20%轻工，食品，包装，造纸16%化工，石油，工艺过程13%交通运输，矿山7%能源，电站，泵站，水处理7%科研试验，教学2%在PLC发明之前，在工业控制的顺序控制领域内，常常采用诸如继电器，鼓式开关，纸带阅读器等机械，电气式器件作为控制元件，尤其是控制继电器，在离散制造过程控制领域内，成为开关控制系统中最广泛使用的器件但是，随着工业现代化的发展，生产规模越来越大，劳动生产率及产品质量的要求在不断提高，对于控制系统的可靠性也提出了更高的要求，原有继电器控制系统已不适应需要，究其原因是：动作缓慢寿命短，可靠性差体积大，耗电多设计制造周期长，程序修改费时不能实现与计算机对话到60年代后期，虽然小型计算机已日趋完善，应用领域也在不断扩大，但小型计算机用于开关控制系统，又显然存在着大马拉小车的状态，这是由于小型计算机：编程复杂，要求有较高水平的编程人员和操作人员需要配套非标准的外部接口对环境和现场条件的要求过高功能过剩，机器资源未能充分利用造价高昂需要与可能，促使人们寻求新的出路，PLC即应运而生它首先应用于美国的汽车工业，这时的PLC，用了固态（集成）电路来代替继电器逻辑电路，用存储器电路中的存储数位（程序）来代替继电器系统的布线，以程序来规定逻辑关系；用固态I/O电路来检测按钮和限位开关的信号，给出输出以控制电机和其它执行机构这时的PLC系统已开始具有如下一些特点：环境适应性较强，可以使用于车间现场有较高的可靠性和诊断能力，维修容易基本能适应不同的制造过程所需，柔性度有了较大提高，只要改变系统中的程序即可 改变控制逻辑，而无需改造或更换控制硬件等 自1976年以来，微处理器开始引入PLC领域，大大加强了PLC的作用，使PLC由简单地代替继电器电路，而发展为先进的控制装置当今PLC具有采集与处理大量数据，完成数学运算，与其它智能器件通信的能力，以及具有先进的人机对话手段（如键盘，CRT和语音对话）,近年来由于现场总线理念的出现和相关标准的建立，以及产品的迅速发展， PLC成为现场总线的一个重要组成部分，进一步扩大了PLC的应用领域由于PLC同时提高了功能和柔性度，使其应用迅速增长，并普及到许多其它离散零件制造工业领域以及随后又扩展到批量生产和连续生产过程有关的工业领域随着CIMS（计算机集成制造系统）的发展，PLC当前还被人们用于工厂通信网络之中，与其它智能控制器和计算机系统一起，成为计算机综合控制系统中的重要组成部分，特别是单元级和工作站级从1969年第一台PLC问世到今，可编程控制器大约经历了三个阶段：第一阶段：开发的PLC容量较小，I/O点数小于120点用户存储区容量在2KB左右，扫描速度为2050ms/KB,指令较为简单，只有逻辑运算，计时，计数等，编程语言采用简单的语句表语言使用上，主要用来作开关量控制第二阶段：PLC的容量有所扩展，I/O点数从512点至1024点，用户程序存储区扩展到8KB以上，速度也有提高，扫描速度率达到56ms/KB,指令功能除了基本的逻辑运算，计时，计数外，还增加了算术运算指令，比较指令，以及模拟量处理指令等，输入输出类型也由纯开关量I/O，扩展为带模拟量的I/O编程语言除了使用语句表外，还可以使用梯形图编程语言第三阶段：进入80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的PLC得到惊人的发展，其功能远远超出了上述两阶段的产品使PLC在概念，设计，性能价格比以及应用方面都有了新的突破这一阶段的产品向大型和小型两个方向发展大型产品的I/O点数，超出4000点，有些产品达到8000个I/O点，用户存储区容量超过32KB，配置有各种智能模块（例如，温度控制模块，轴定位模块，过程控制模块等）和通信模块，扫描速率也大大提高，达到0.47ms/KB,指令功能除了基本的逻辑运算，计时，计数，顺序控制外，还有算术浮点运算指令，PID调节功能指令，图形组态功能指令，网络和通信指令等编程语言普遍采用梯形语言，同时也使用语句表和顺序功能图语言（典型的有GRAFCET语言）为了提高系统的可靠性，设计上考虑了容错技术和冗余技术等这一阶段的小型产品向超小型化和加强型功能发展，有16点I/O，24点I/O的整体型小型PLC，在小型PLC上配置模拟量I/O，通信口，高速计数，指令上也设置有算术运算，比较指令以及PID调节指令小型PLC使用的手握式编程器使用大面积液晶显示器，也可以用梯形图和GRAFCET语言进行编程这一阶段PLC的软件设计也有很大改进，普遍实现了软件模块化设计，在PLC产品上提供大量的通用和专用软件功能模块，用户通过简单的功能调用就可实现复杂的控制任务，给使用带来极大的方便使用的编程器越来越完善，专用编程器实际上已经是一台个人计算机，可以实现离线编程或在线编程及监控，程序打印以及程序固化，实现图形组态，可以联网（即挂在PLC网络上）有些编程器还可以使用高级语言除了专用编程器外，很多PLC可以使用通用的笔记本电脑实现编程，开发一些专用软件，充分利用个人计算机的能力，完成各种高级的编程功能，省却了专用编程器，既便于推广又节省投资随着技术的进步，PLC的功能越来越强，应用范畴越来越广，与其它工业控制机，例如，分散型控制系统（DCS）的界限已经不十分明显，很多以往必须由分散型控制系统来完成的控制，现在用PLC都能实现，因此在应用上交错已经成为普遍现象第二讲： PLC的定义和硬件、软件的基本构成根据IEC标准，给PLC下的定义：它是在工业环境中使用的数字操作的电子系统，它使用可编程存储器内部储存用户设计的指令，这些指令用来实现特殊的功能，诸如逻辑运算，顺序操作，定时，计数以及算术运算和通过数字或模拟输入输出来控制各种类型的机械或过程不论是PLC和与它有关的外部设备都设计成容易集成在一个工业控制系统内以及容易应用所有计划中的功能由上述PLC的定义，我们可以看到PLC的许多特点，概括如下：(1) 控制程序可变，具有很好的柔性，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改变程序就可满足要求因此，除单机控制外，PLC在柔性制造单元（FMC）,柔性制造系统（FMS），以致工厂自动化（FA）中也被大量采用(2) 具有高度可靠性，适用于工业环境，PLC产品的平均故障间隔时间（MTBF）一般可达到5年以上，因此是一种高度可靠的工业产品，大大提高了生产设备的运行效率PLC不要求专用设备的机房，这为工业现场的大量直接使用提供了方便(3) 功能完善现代PLC具有数字和模拟量输入输出，逻辑和算术运算，定时，计数，顺序控制，PID调节，各种智能模块，远程I/O模块，通信，人机对话，自诊断，记录和图形显示，组态等功能除了适用于离散型开关量控制系统外，现在也能应用于连续的流程控制系统，从而使设备的控制水平大大提高(4) 易于掌握，便于维修，由于PLC使用编程器进行编程和监控，使用人员只需掌握工程上通用的梯形图语言（或语句表，流程图）就可进行用户程序的编制和测试因此，即使不太懂得计算机的操作人员，也能掌握和使用PLC也由于PLC有完善的自诊断功能，输入输出均有明显的指示，在线监控软件的功能很强，因此，很容易进行维修，能很快查找出故障的原因PLC本身高可靠性也保证了故障的几率是很低的(5) 体积小，省电，与传统的控制系统相比，PLC的体积很小，一台收录机一样大小的PLC具有相当于三个1.8m高继电器控制柜的功能PLC消耗的功能只是传统控制系统的1/3至1/2(6) 价格低廉随着集成电路芯片功能的提高，价格的降低，可编程控制器硬件的价格也一直不断地在下降根据最近市场统计，国外小型PLC平均每一个I/O点为14-20美元，中型PLC折算每个I/O点为20-35美元，大型PLC折算每个I/O点为40-80美元虽然PLC的软件价格在系统中所占的比重在不断提高，但由于缩短了整个工程项目的设计，编程和投运费用以及缩短了整个投运周期，因此，使用PLC的总造价是低廉的，而且还呈不断下降的趋势 2.1PLC的硬件体系2.1.1 硬件结构图2.1表示PLC及其与外部设备的联系框图 PLC控制的对象是”过程”或”机械”，由传感器采集”过程”或”机械”的信息，送入PLC的输入单元，经PLC的中央处理单元处理，结果通过PLC的输出单元驱动执行机构，由执行机构控制过程或机械达到预期的目的图2.1还表示了PLC的外部设备接口与外部设备之间的联系主要的外部设备有编程器（编程器上配置有显示单元）， HMI人机接口，并行打印机，其它PLC或上位计算机从原理上讲，PLC是计算机的一种，因此，它也由中央处理器，中央存储器和接口三部分组成 图2.2表示了PLC的中央处理单元（CPU）的结构中央处理单元的核心是中央处理器中央处理器包含指令计数器，指令存储器和地址寄存器，变址和基址寄存器，累加器和通用寄存器除了中央处理器外，还有中央存储器，中央存储器划分成数据，程序和监控三部分数据部分包含有输入变量，中间变量和输出变量的映像区监控部分存放PLC的监控程序，用户程序区存放若干个用户的应用程序块2.1.2 CPU和中央存储器PLC中的CPU是用来完成对某些不同类型的信息进行操作的单元这些操作包括信息的转移，信息的转换（码的转换，数字的转换），计算，同步，译码等中央处理器（Processor）是CPU中的智能机构（电脑）它是用来控制程序指令的操作的，处理器本身由若干种寄存器组成寄存器是由逻辑电路组成的高速半导体存储器（暂存器），它用来暂时存放数据，外部信息或中间运算结果和对它们进行操作主要的寄存器有：(1) 内部寄存器只能在计算机内部进行存取，允许内部的管理和控制操作(2) 程序计数器有时也称做”程序指针”，它始终包含有当前正在执行指令的地址，在每一条指令执行结束时，指针的值将被修改，自动地加1只有在执行跳转指令时是例外指针将被放置新的下一条执行指令的地址(3) 指令存储器由”程序指针”所指向的中央存储器中的当前指令的操作码（Operation code），被送至指令寄存器经过译码，在时钟脉冲控制下，指令寄存器将执行指令：从中央存储器转移信息到通用寄存器或取相反过程对于执行的是跳转指令，如果命令是正向跳动n，则执行指令的结果是强迫程序计数器增量加n(4) 地址寄存器在指令寄存器取得操作码（OC）的同时，地址寄存器取得同一指令的操作数地址（Operand address）在一般情况下，地址寄存器涉及的就是操作数的地址，但在转移指令的情况下，由它决定信息转移的途径例如，在执行向前跳动n的指令时，地址寄存器就包含数据值n，执行指令是将程序计数器的内容与地址寄存器的内容相加，再送回程序计数器(5) 状态寄存器状态寄存器是用来设置状态位的某个状态位决定于处理器对某一事件将予以考虑或不予考虑，例如，对中断优先权的禁止或屏蔽(6) 通用寄存器通用寄存器是用户在编制应用程序时可以使用的一组寄存器，它们中的某些是非常特殊的，另一些则是一般的寄存器，它的数量和组织取决于PLC设计者的选择(7) 变址寄存器变址寄存器包含一潜在的基地址，当采用变址寻址方式时，是将预先存放在变址寄存器中的绝对基地址，与地址寄存器中存放的操作数地址（OA）部分相加，得到指令中所要存取信息的地址这样一种技术可以扩展寻址的范围与地址寄存器有限的地址长度相比可扩展至更大的范围，但执行指令时间较长(8) 累加器寄存器它是用来执行CPU的指令的，对PLC来说，这些指令典型的有按位执行和按字执行对某些PLC类型，只有单一的累加器，位是作为字的一个位来处理的，对另一些PLC系统，逻辑运算和数字运算是分开在不同的累加器进行的处理PLC系统信息的存储器通常分为两大部分：中央存储器和大容量存储器（硬盘，软磁盘，磁带，Flash memory等）大容量存储器一般作为PLC的外部设备中央存储器有很高的存取速度，但由于价格较昂贵，限制了它的使用容量；大容量存储器虽然存取速度较慢，但由于价格相对便宜，适于储存大容量数据中央存储器在PLC的内部，一般由三部分组成由于对存取速度有要求，所以都采用半导体存储器，常用的半导体存储器有静态RAM，EPROM和E2PROM（1） 中央存储器的数据部分主要用作输入变量，输出变量，中间变量的映像区，因为在PLC的运行过程中，这部分变量是不断变化的，所以都是采用随机存取存储器（一般为静态RAM）构成的（2） 监控程序或操作系统，是PLC设计者为了给用户使用PLC提供方便，其功能是对PLC及其外设进行资源管理，同时使PLC的用户编制应用程序时，可以使用级别较高的语言（例如，语句表，梯形图或SFC控制图形语言等）一般监控程序或操作系统都是驻留在中央存储器中的，例如，固化在中央存储器的EPROM上，有一些PLC使用较大的操作系统，则除了驻留在中央存储器上的软件外，还有一部分软件放在外设的大容量存储器中（3） 中央存储器中的用户应用软件是用户针对不同的控制任务，用PLC编程语言编制的应用程序，放置在中央存储器的用户存储器区有些用户存储区可以放置若干个应用程序块由于应用程序在调试过程中要不断修改，又希望在掉电或正常关机时，这部分程序不会丢失，因此，在中央存储器中常用带后备电池的CMOSRAM作用户存储器区也可以用E2PROM存放应用程序如果应用程序经调试后，不再需要改变，这部分程序可以固化在EPROM中在CPU与中央存储器交换信息的过程中，很重要的一点是存储器的寻址，发展寻址技术的目的是在键入数据时增加灵活性，使更为安全和得到更大地址范围PLC系统中使用的寻址方式有以下几种：（1） 立即数寻址：这种寻址方式的操作数直接放置在指令的地址场中这种寻址方法，对简单的计算，例如，计算用户程序的地址是很方便的（2） 相对寻址：在指令的地址场中包含的是正的或负的整数，用它与现行地址（例如，程序计数器的值）代数相加，得到指令的操作数的有效地址这种寻址方式在执行转移指令，条件转移指令或循环指令（LOOP）时是非常有用的（3） 间接寻址：这种寻址方式的指令的地址场包含的是操作数所在单元的地址（即指令的操作数有效地址的地址），用这种寻址方式，可以扩展可寻址存储器的范围（4） 变址或基址寻址：在变址寄存器或通用寄存器中，预先放置一基地址，将此与指令操作数地址场的内容（偏移量）代数相加得到指令操作数的有效地址（5） 组合寻址：上面所提到的某些寻址方式可组合起来形成新的寻址方式，例如，相对变址寻址等图2.3表示了与寻址方法有关的指令的结构 在中央存储器中，还有一种特殊的应用区，称为堆栈堆栈是中央存储器中的一个特殊区域，用来存放程序执行过程中的结果或者在子程序调用过程中用来保护现场信息，以便子程序结束时能正确地返回在PLC中使用的堆栈主要有两种形式：一种称后进先出堆栈（LIFOlast in first out）,另一种称先进先出堆栈（FIFOFirst in first out）图2.4表示了这两种”堆栈”在进行栈操作时的数据位置2.1.3 I/O 接口2.1.3.1 I/O扩展结构PLC的硬件结构因其系统规模和特点不同可有多种结构形式有整体形非总线结构和总线形组件结构两大类中大型系统一般均采用组件结构，而微型以及部分小型PLC则趋向于整体形非总线结构1. 整体形非总线结构:80年代，PLC的结构多为组件式，由CPU，I/O及备用模块等组合而成现在的小型，微型PLC结构则趋向于将CPU，存储器与I/O做成一体形结构，整体做成平板薄形，以追求低价格和便于安装这种结构的PLC往往采用非总线结构，追求低价格和小型化，其安装方法也与过去不同，大多安装到配电盘或机械之中，有的不用外壳，作成插件，以降低售价2. 总线形结构大，中型以及一部分小型PLC通常采用总线形方式，可视用户要求进行组合以满足不同要求，见图2.5这种总线结构有多种形式，有采用微机总线，例如VME总线，PC总线，或开发商的专用总线，例如Siemens公司的S5总线等，PLC的I/O总线扩展可以有多种结构方式，主要采用：并行本地总线（如图2.5a）串行远程通信连接（如图2.5b）图2.5a并行本地总线图2.5b串行远程通信连接从图2.5上，可以看到中央处理器和中央存储器通过总线与输入输出（I/O）交换信息PLC以输入输出接口从被控过程采集信息和用来控制被控过程因此I/O在PLC中起重要作用工业控制机通常使用在比较恶劣，苛刻的现场环境，这就对I/O提出比较高的要求尽管I/O摸板的电路并不十分复杂，但PLC用的I/O，工艺都十分考究，对于抑制工业环境带来的干扰都采取了许多有效措施(要符合EMC 电磁兼容性标准)此外，为了用户接线和检查的方便，所有I/O摸板都带有端子或方便可靠的接插座，以及标志状态的指示灯2.1.3.2常用I/O接口及典型技术参数通常的PLC I/O接口分开关量（包括数字量）I/O和模拟量I/O两大类，每一类又区分为输入接口和输出接口对于大，中，小型PLC，其I/O接口往往采用组件（即摸板）式进行组合典型摸板有：（1） 直流开关量输入摸板这是比较常用的输入摸板，摸板的规格是每一块摸板带16点或32点输入输入器件的形式可以是接近开关，按钮，选择开关，继电器触点等输入电源由PLC内部或外部提供，典型值为24VDC（2） 直流开关量输出摸板直流输出接口摸板也是最经常使用的，它由大功率晶体管作为输出驱动级，与PLC之间有光电隔离，可以带的负载有电动机启动器，继电器线圈，电磁阀线圈，指示灯等（3） 交流开关量输入摸板交流输入摸板与直流输入摸板一样，板上有8路或16路输入，用户提供输入器件的形式可以是按钮，选择开关，继电器触点等每个这样的电路，使用独立的交流电源，电源由外部提供，典型值为120V或230VAC（4） 交流输出摸板交流输出摸板可以直接用来驱动交流接触器线圈，电动机启动器，交流气动阀或液压阀等（5） 继电器输出摸板在开关量I/O中有一种最常用的输出摸板就是继电器输出摸板，其输出的形式是继电器的触点，既可用来带动直流负载（直流中间继电器线圈，直流电磁阀等）又可带动交流负载（交流接触器线圈，交流气动阀等），而且输入与输出之间是电隔离的，负载电压的类型可以广泛变化（DC24V,AC120V,AC230V）由于有这些灵活性，因此应用十分广泛Siemens公司S7 300的6ES7 322-1HF20-0AA0继电器输出摸板的技术指标如下：输出点数：8个继电器触点输出光电隔离：与背板总线之间采用光电隔离触点允许连续电流：5A继电器类型：SIEMENS V23127-D0006-A402触点通断能力：电阻负载交流250V最大5A电感负载最大5A允许操作次数:交流230V 5A, 0.1X106次；交流24V 5A, 0.1X106次开关频率：最大10Hz允许环境温度：水平安装060C垂直安装040C电缆长度：最大600m(1980ft)非屏蔽电缆 最大1000m(3300ft)屏蔽电缆对继电器的供电电压：正常值DC24V允许范围2030V电流消耗 （从背板总线供电，典型45mA） （从24V供电：典型145mA） 摸板消耗功率：2.46 W（6） 模拟量输入摸板模拟量输入摸板的功能是将来自过程的模拟量信号转换成PLC的CPU能够处理的数字量信号由于过程的模拟量类型很多，例如，温度，压力，流量，电动机的电流等等所以相适应的模拟量输入摸板的类型也很多常用的有50mV，1V, 10V, 05V, 20mA, 420mA, 热电耦和pt100(铂电阻输入)Siemens公司S7 300的6ES7 331-7KF02-0AB0模拟量输入模板的技术指标如下：输入点数：8点，用于电阻测量时为4点 中断超限中断 可以设置诊断中断可设置通道 0 和 2输入阻抗温度测量或mv 输入/10MW, 电压输入/100KW, 电流输入/25W传感器连接方法双绞线连接输入信号的数字分辨率单极性9/12/12/14 双极性9+S/12+S/12+S/14+S, S为符号位测量原理积分转换原理电压时间转换（双积分）积分时间与分辨率有关分别为2.5/16.67/20/100 ms允许输入电压最大20V故障指示红色 LED 指示错误；可以读出诊断信息基本误差范围0.6%(060 温度范围内) 屏蔽电缆长度最大200m (656ft),（80 mv 输入时为 50 m）消耗电流 背板总线供电60 mA 从24V供电：典型200 mA(7)模拟量输出摸板模拟量输出摸板是将来自PLC CPU的数字信号转换为模拟量信号， 用来控制过程与模拟量输入摸板一样，输出摸板也有多种型号，常见的有DC10V, 20 ma, 420 ma，15V等输出摸板Siemens公司S7 300的 6ES7 332-7ND00-0AB0模拟量输出摸板具体的技术指标如下：输出点数4点负载阻抗 电压输出 最小为1 KW电流输出（最大）500 W负载接线 4线连接输出信号数字分辨率11 位 + 符号位（在 + / - 10 V；+ / - 20 ma， 4 - 20 ma，1 - 5 V 时）；12 位（在 0 - 10 V；0 - 20 ma 时） 转换时间每个通道0.8 ms 允许过载能力近似25% 短路保护有 短路电流近似25 ma 隔离测试条件 500 V DC 基本误差电压输出0.2% 电流输出0.3% 供电电压： 正常值 24V 允许范围 2030V 电流消耗 背板总线供电60 ma 从24V供电：典型240 ma2.1.3.3电源，机架及扩展箱PLC系统均包含有供系统使用的电源根据结构的不同，有的电源自成一个单元，通过接插件与总线单元相连，提供系统使用，例如，Siemens公司S7300的PS 307单元或S7400的PS407单元这两种单元由外部230V或AC120V供电，生成DC24V稳压输出，供CPU和I/O摸板使用，PS 307最大有10A输出能力，PS 407最大有20A输出能力, CPU单元内部能将DC24V转换成DC9V供电路使用PS 307和PS 407单元的负载能力较强，除了可供CPU使用外，还可以提供I/O摸板（例如，24V直流输入摸板，继电器输出摸板等）使用机架最主要的功能是安放CPU摸板，中央存储器摸板，和各种I/O摸板（分9槽，18槽等）这些摸板均插入机架上的总线摸板上，并用固定螺钉，与机架相固定图2.6表示了Siemens公司S7400的中央控制器机架的示意图图2.6 S7 400 PLC 的18槽机架对于中型和大型的PLC，可寻址的I/O的点数都非常大，例如，S7 400最小功能的CPU 412-2,它的可寻址的I/O的点数为32768/32768(数字量I/O)和2048/2048(模拟量I/O),由一个机架来安装全部I/O摸板，显然是容纳不下的（例如，18槽机架最多只能插16块I/O摸板，每块32个I/O点，总共512点）因此大型和中型PLC均有扩展箱，扩展箱是为扩展IO用的，主机架和扩展箱上插有接口摸板，通过扩展电缆相连用于与Siemens公司S7400主机架(UR1,UR2)相连的扩展箱有CR1,ER1,ER2和ER2-H等多种型号在主机架上插有IM 460接口摸板，在扩展箱上插有IM 461接口摸板，这两种接口摸板之间用扩展电缆相连，通过IM 461摸板，第一扩展箱可以继续扩展带第二扩展箱，依次类推图2.7 S7 400 PLC 的主机架和扩展箱以及接口摸板对于微型和小型PLC，正如前之所述，其结构往往采用薄型或单板型一体化结构2.1.4PLC的工作原理前面几节把可编程控制器硬件体系中的最基本部件做了介绍本节用一个最简单的PLC来说明其工作原理设有一台PLC（型号为LEM）,它有6种基本指令，指令见表2.1表2.1 LEM PLC 的6种指令指令类型助记符机器码操作说明装入指令IFIF/00010010输入一个变量输入一个非变量逻辑指令ANDAND/OROR/0011010001010110与操作对非变量进行与操作或操作对非变量进行或操作分配指令OUTOUT/01111000给输出变量分配值给输出变量分配非值特殊指令TIMCTNOP0000定时器计数器空操作图2.8给出了指令格式，每一条指令由13位组成图2.8 LEM PLC 的指令格式从图2.8指令格式中可以看出指令的地址场包含9位2进制数，允许寻址29 = 512位在LEMPLC中设置128位输入变量Ui和128位输出变量Yj，剩下256位保留作为中间变量Xk因此LEM的数据存储器（便笺式存储器）具有512位，以8进制表示时，地址为0(O)至777(O)图2.9表示了LEM的数据存储器组态图2.9 LEM的数据存储器组态LEM的中央处理器包含一个程序计数器（P）或称指令指针（10位寄存器），一个13位指令寄存器（I）和一个逻辑累加器(A),最后还有一个4位后进先出的堆栈LIFD图2.10表示执行指令的过程指令指针执行完当前指令后把指针数加1，指向下一条将执行的指令现在指令指针中的内容为1000(O)（2进制码为001 000 000 000）,在程序存储器（用户存储区）中地址为1000(O)单元处放置有指令IFU3，中央处理器将这条指令取入指令寄存器（I）,这时(I)寄存器的内容为：图2.10 LEM PLC 执行指令的过程其地址场的内容为000 000 011转入地址寄存器（S），并取数据存储器第3单元（输入变量U3）的内容送至累加器（A）这一过程是中央处理器根据指令中的操作码0001，经译码器译码后在时钟的控制下进行的以上仅仅是执行一条指令的过程下面说明PLC怎样使用LIFO堆栈来完成一个梯形图的梯节或一个布尔代数方程的表达式：用梯形图来表示上述逻辑方程的梯节如图2.11所示：图2.11 用梯形图表示的例子将上述逻辑方程或梯节写成LEM PLC能执行的程序，其程序表见表2.2.表2.2LEM PLC 内的用户程序表（执行本例子的程序表）指令序号指令助记符说明0IF U1将输入变量U1装入累加器A1OR U2累加器A的内容与输入变量U2相或后，再装入累加器A2IF/ U3累加器A的内容压入堆栈，并将输入变量U3求非后，再装入累加器A3AND X1将累加器A的内容与中间变量X1相与后，再装入累加器A4IF X2将累加器A的内容压入堆栈，并取中间变量X2装入累加器A5AND/ U8将输入变量U8求非后与累加器A的内容相与后，再送回累加器A6OR将堆栈弹出的内容与累加器A的内容相或后，再送回累加器A7AND将堆栈弹出的内容与累加器A的内容相与后，再送回累加器A8OUT Y1将累加器A的内容赋与输出变量Y1表2.2中的指令助记符在程序存储器中的编码见表2.3.表2.3 程序表在存储器中的编码地址（进制）OCOA0 (O)00010000000011 (O)01010000000102 (O)00100000000113 (O)00111000000014 (O)00011000000105 (O)01000000010006 (O)01017 (O)001110 (O)0111010000001在表2.4中列出了程序执行过程中，累加器A和堆栈的内容输入变量，中间变量和输出变量在数据储器中的位置如表2.5所示表2.4 程序执行过程中累加器A和堆栈的内容指令编号012345678指令地址0(O)1(O)2(O)3(O)4(O)5(O)6(O)7(O)10(O)助记符IF U1OR U2IF/ U3AND X1IF X2AND/ U8ORANDOUT Y1累加器A的内容U1U1+U2/U3/U3*X1X2X2*/U8X3*/U8+/U3*X1(X2*/U8+/U3*X1)*(U1+U2)(X2*/U8+/U3*X1)*(U1+U2) Y1后进先出（LIFO）堆栈内容（堆栈顶部4个单元）U1+U2U1+U2/U3*X1/U3*X1U1+U2U1+U2U1+U2表2.5 程序执行过程中各个变量在存储器中的位置变量U1U2U3U8X1X2Y1存储器地址001(O) 002(O)003(O)010(O)401(O)402(O)201(O)上面说明了PLC执行一条指令或一个逻辑方程（用梯形图表示时是一个梯节）的过程但是PLC与普通办公用计算机有一个很大的不同点，就是PLC的程序是自动循环执行的，而普通计算机是按照命令执行程序，程序结束后等待新的命令后一种工作方式称异步工作方式因此，对PLC说来循环是一个十分重要的概念大部分PLC采用这样的循环方式，程序一开始，扫描和采集输入摸板上各输入变量的数据，然后转移到中央存储器的数据区（有时称为便笺式存储器或输入映像区），接着执行用户的应用程序，把逻辑运算的结果送到便笺式存储器的输出映像区，最后将输出映像区的