PLC原理与应用(1)

1、PLCPLC原理与应用原理与应用华东理工大学信息学院黄河清第第 1 1 章章 概述概述（没看。）（没看。）1.1 可编程控制器的由来可编程控制器的由来 按照实现方式划分，按照实现方式划分，工业控制系统工业控制系统可以分为以下几类：可以分为以下几类： 集散控制系统（集散控制系统（DCS）主要用于大主要用于大型型流程流程工业工业基于基于PLC的控制系统的控制系统可用于可用于离散离散工工业或业或流程流程工业，在各类企业中应用广泛。工业，在各类企业中应用广泛。基于基于PC的控制系统的控制系统可用于可用于离散离散工业工业或或流程流程工业，主要使用在中小规模的应工业，主要使用在中小规模的应用场合。用场合。

2、 可编程控制器可编程控制器（Programmable Controller）是一种以微处理器为核心的是一种以微处理器为核心的工业控制装置。工业控制装置。由于早期的可编程控制由于早期的可编程控制器仅具有顺序控制功能，故被称之为可器仅具有顺序控制功能，故被称之为可编程逻辑控制器（编程逻辑控制器（Programmable Logical Controller），可编程控制器的），可编程控制器的简称简称PLC由此而得名。由此而得名。 根据国际电工委员会（根据国际电工委员会（IEC）的定义：）的定义：可编程控制器可编程控制器是一种数字运算操作的电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。

3、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、部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术运算等操作的指令，并通过记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。可编程控制种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其相关设备，都应按易于使工业控器及其相关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。的原则设计。 从从IEC的定义可以看出，的定义可以看出，可编程控制可编程

4、控制器是一种用程序来实现控制功能的工业器是一种用程序来实现控制功能的工业控制装置，这是可编程控制器与传统控控制装置，这是可编程控制器与传统控制装置的主要区别，制装置的主要区别，并使并使PLC的性能远的性能远远超出了传统控制装置。远超出了传统控制装置。1.2 可编程控制器的特点可编程控制器的特点1、编程方法简单易学、编程方法简单易学2、功能强，性能价格比高。、功能强，性能价格比高。3、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。强。4、可靠性高，抗干扰能力强。、可靠性高，抗干扰能力强。5、系统的设计、安装、调试工作量少。、系统的设计、安装、调试工作量少。6、维护工作

5、量小、维护方便。、维护工作量小、维护方便。7、体积小、能耗低。、体积小、能耗低。1.3 可编程控制器的应用领域可编程控制器的应用领域1. 数据逻辑控制数据逻辑控制 代替继电器实现组合逻辑控制、定代替继电器实现组合逻辑控制、定时控制和顺序逻辑控制。时控制和顺序逻辑控制。2. 运动控制运动控制 对做直线运动或圆周运动的受控对对做直线运动或圆周运动的受控对象实现其位置、速度、和加速度的控制。象实现其位置、速度、和加速度的控制。3. 过程控制过程控制 对温度、压力、液位、流量等连续对温度、压力、液位、流量等连续变化的模拟量进行闭环控制。主要用于变化的模拟量进行闭环控制。主要用于流程工业。流程工业。 就

6、应用的广泛性而言，就应用的广泛性而言，PLC可以应可以应用于绝大多数领域，尤其是需要分布式用于绝大多数领域，尤其是需要分布式控制的场合。控制的场合。 就应用的伸缩性而言，就应用的伸缩性而言，PLC可以构可以构成各种规模的系统。从几十个点的微型成各种规模的系统。从几十个点的微型系统，到上千个回路的大型系统，都有系统，到上千个回路的大型系统，都有应用的实例。应用的实例。1.4 可编程控制器的发展趋势可编程控制器的发展趋势1.4.1 向高性能、高速度、大容量发展向高性能、高速度、大容量发展高性能高性能除了常规的逻辑控制和除了常规的逻辑控制和PID控控制外，还具有模糊控制、参数自整定功制外，还具有模糊

7、控制、参数自整定功能，通讯与连网的功能也日趋增强。能，通讯与连网的功能也日趋增强。高速度高速度普遍采用了普遍采用了32位微处理器，位微处理器，运算处理速度更高。运算处理速度更高。大容量大容量内存容量、扩展能力有大幅内存容量、扩展能力有大幅度提高。度提高。1.4.2 大力发展微型可编程控制器大力发展微型可编程控制器 微型化：开发功能集成、体积小巧、微型化：开发功能集成、体积小巧、点数很少、价格便宜的点数很少、价格便宜的PLC，用于分布，用于分布式控制或低端需求的场合。式控制或低端需求的场合。 如：如：Siemens的的LOGO1.1.4.3 大力开发智能型大力开发智能型I/O模块和分布式模块和分

8、布式I/O子系统子系统智能型智能型I/O模块模块具有微处理器和存储器的具有微处理器和存储器的I/O部件，它可以与部件，它可以与PLC的主的主CPU并行工作，并行工作，分散分散PLC主主CPU的工作负荷。的工作负荷。分布式分布式I/O子系统子系统与与PLC的主的主CPU分开安分开安装，并通过通讯电缆交换数据，通常布置在现装，并通过通讯电缆交换数据，通常布置在现场附近。采用分布式场附近。采用分布式I/O子系统有利于集中监子系统有利于集中监控，减少现场的工程施工量。控，减少现场的工程施工量。 1.4.4 基于个人计算机的编程软件取代手持基于个人计算机的编程软件取代手持编程器编程器 早期的可编程序控制

9、器使用专用编程早期的可编程序控制器使用专用编程器来编程，如：手持式编程器和便携式器来编程，如：手持式编程器和便携式编程器。专用编程器只能对某一厂家的编程器。专用编程器只能对某一厂家的某些产品进行编程，适用范围有限。由某些产品进行编程，适用范围有限。由于可编程序控制器的更新换代迅速，导于可编程序控制器的更新换代迅速，导致专用编程器的使用寿命短、性能致专用编程器的使用寿命短、性能/价格价格比不高。比不高。 随着计算机的日益普及，用户使用随着计算机的日益普及，用户使用可编程序控制器厂商提供的基于个人计可编程序控制器厂商提供的基于个人计算机的编程软件已成为趋势。算机的编程软件已成为趋势。 与传统的专用

10、编程器相比，基于与传统的专用编程器相比，基于PC编程软件具有明显的优势：编程软件具有明显的优势：编程功能强大编程功能强大 编程软件可以对编程软件可以对PLC控制系统进行硬件组态，编写用户应用控制系统进行硬件组态，编写用户应用程序，实现不同编程语言的相互转换，程序，实现不同编程语言的相互转换，进行程序的下装与上传。进行程序的下装与上传。调试和监控方便直观调试和监控方便直观例如，在调试例如，在调试时可以设置执行用户程序的扫描次数，时可以设置执行用户程序的扫描次数，可以在调试程序时设置断点，具有采样可以在调试程序时设置断点，具有采样跟踪功能。通过与可编程序控制器的通跟踪功能。通过与可编程序控制器的通

11、信，可以在梯形图中显示触点的通断和信，可以在梯形图中显示触点的通断和线圈的通电情况，查找复杂电路的故障线圈的通电情况，查找复杂电路的故障非常方便。非常方便。适用范围广适用范围广对于不同厂家和不同型对于不同厂家和不同型号的可编程序控制器，只需在号的可编程序控制器，只需在PC中安装中安装相应的编程软件。相应的编程软件。性能价格比高性能价格比高无需购置价格昂贵的无需购置价格昂贵的专用编程器，还可以通过编程软件的升专用编程器，还可以通过编程软件的升级来适应可编程序控制器的更新换代。级来适应可编程序控制器的更新换代。 事实上，除了特殊应用场合，可编事实上，除了特殊应用场合，可编程序控制器厂商总是推荐采用

12、基于程序控制器厂商总是推荐采用基于PC的的编程软件来实现组态、编程和监控。编程软件来实现组态、编程和监控。1.4.5 可编程控制器编程语言的标准化可编程控制器编程语言的标准化 与个人计算机相比，可编程序控制与个人计算机相比，可编程序控制器的硬件、软件的体系结构都是封闭的器的硬件、软件的体系结构都是封闭的而不是开放的。在硬件方面，各厂家的而不是开放的。在硬件方面，各厂家的CPU模块和模块和I/O模块互不通用，通信网络模块互不通用，通信网络和通信协议往往也是专用的。各厂家的和通信协议往往也是专用的。各厂家的可编程序控制器的编程语言和指令系统可编程序控制器的编程语言和指令系统的功能和表达方式也不一致

13、，甚至有相的功能和表达方式也不一致，甚至有相当大的差异，因此各厂家的可编程序控当大的差异，因此各厂家的可编程序控制器互不兼容。制器互不兼容。 为了解决这一问题，为了解决这一问题，IEC（国际电工（国际电工委员会）制定了可编程序控制器标准（委员会）制定了可编程序控制器标准（IEC6ll31），其中的第），其中的第3部分（部分（IEC6ll31-3）是可编程序控制器的编程语言标准。是可编程序控制器的编程语言标准。 在（在（IEC6ll31-3）标准中共有五种编程）标准中共有五种编程语言，其中的顺序功能图（语言，其中的顺序功能图（SFC）是一种）是一种结构块控制程序流程图，梯形图和功能块结构块控制程

14、序流程图，梯形图和功能块图是两种图形语言，还有两种文字语言图是两种图形语言，还有两种文字语言指令表和结构文指令表和结构文本。本。 目前已有越来越多的工控产品厂商推目前已有越来越多的工控产品厂商推出了符合出了符合IEC6ll31-3标准的可编程序控制标准的可编程序控制器指令系统或在器指令系统或在 PC（个人计算机）上运（个人计算机）上运行的软件包（软件行的软件包（软件 PLC）。如：西门子公）。如：西门子公司的司的 STEP7 MicroWIN32编程软件给用编程软件给用户提供了两套指令集，一套符合户提供了两套指令集，一套符合IEC6ll31-3标准，另一套指令集（标准，另一套指令集（SIMAT

15、IC指令集）指令集）中的大多数指令也符合中的大多数指令也符合IECll313标准。标准。 应当指出，应当指出， IEC6ll31-3标准并不局限标准并不局限于于PLC，而是适用于各类控制系统。，而是适用于各类控制系统。某些某些DCS也采用了符合也采用了符合IEC6ll31-3标准的组态标准的组态/编程语言。编程语言。1.4.6 可编程控制器通讯的易用化和可编程控制器通讯的易用化和“傻瓜傻瓜”化化 可编程序控制器的通信联网功能使可编程序控制器的通信联网功能使它能与个人计算机和其他智能控制设备它能与个人计算机和其他智能控制设备交换数字信交换数字信息，使系统形成一个统一的息，使系统形成一个统一的整体

16、，实现分散控制和集中管理。整体，实现分散控制和集中管理。 为了尽量减少用户在通信编程方面为了尽量减少用户在通信编程方面的负担，可编程序控制器厂商做了大量的负担，可编程序控制器厂商做了大量的工作，使设备之间的通信自动地周期的工作，使设备之间的通信自动地周期性地进行，不需要用户为通信编程，用性地进行，不需要用户为通信编程，用户的工作只是在组成系统时作一些硬件户的工作只是在组成系统时作一些硬件或软件上的初始化设置。或软件上的初始化设置。 1.4.7 可编程控制器的软件化和可编程控制器的软件化和PC化化 个人计算机（个人计算机（PC）的价格便宜，有）的价格便宜，有很强的数学运算、数据处理、通信和人很强

17、的数学运算、数据处理、通信和人机交互的功能。过去个人计算机主要用机交互的功能。过去个人计算机主要用作可编程序控制器的编程器、操作站或作可编程序控制器的编程器、操作站或人机接口终端，如果用于工业控制现场，人机接口终端，如果用于工业控制现场，必须使用加固型的工业控制计算机。必须使用加固型的工业控制计算机。 目前，已有多家厂商推出了在目前，已有多家厂商推出了在PC上上运行的可实现可编程序控制器功能的软运行的可实现可编程序控制器功能的软件包。这种按件包。这种按 IEC6ll313标准设计的软标准设计的软件件 PLC，充分利用了计算机技术，为实，充分利用了计算机技术，为实现低成本自动化提供了解决方案。现

18、低成本自动化提供了解决方案。 必须指出，采用必须指出，采用“软软PLC”的控制系的控制系统，属于基于统，属于基于PC的控制系统。提供这种的控制系统。提供这种解决方案的厂商，不仅包括工控软件的解决方案的厂商，不仅包括工控软件的开发商，也包括传统的可编程序控制器开发商，也包括传统的可编程序控制器厂商，如：西门子公司本身就有基于厂商，如：西门子公司本身就有基于PC的控制系统解决方案。的控制系统解决方案。1.4.8 组态软件引发的上位机编程革命组态软件引发的上位机编程革命 许多控制系统都采用上位计算机加许多控制系统都采用上位计算机加可编程序控制器的方案，通过串行通信可编程序控制器的方案，通过串行通信接

19、口或网络通信模块交换数据信息，以接口或网络通信模块交换数据信息，以实现分散控制和集中管理。上位计算机实现分散控制和集中管理。上位计算机主要完成数据通信、网络管理、人机界主要完成数据通信、网络管理、人机界面（面（HMI）和数据处理的功能，而数据）和数据处理的功能，而数据的采集和对象的控制由可编程序控制器的采集和对象的控制由可编程序控制器完成。完成。 为了简化人机界面的开发以及与控为了简化人机界面的开发以及与控制器、现场设备的通信，用于工业控制制器、现场设备的通信，用于工业控制的组态软件应运而生。国际上比较著名的组态软件应运而生。国际上比较著名的组态软件有的组态软件有IntouchFix等，国内也

20、涌等，国内也涌现出了组态王、力控等一批组态软件。现出了组态王、力控等一批组态软件。有的可编程序控制器厂商也有的可编程序控制器厂商也推出了自己推出了自己的组态软件，如西门子公司的的组态软件，如西门子公司的WINCC和和GEFanuc公司的公司的CIMPLICITY等。等。 组态软件的出现降低了系统集成的组态软件的出现降低了系统集成的难度，节约了大量的设计时间，提高了难度，节约了大量的设计时间，提高了系统的可靠性系统的可靠性 。1.4.9 可编程控制器与现场总线相结合可编程控制器与现场总线相结合 IEC对现场总线（对现场总线（Fieldbus）的定义）的定义是是“安装在制造和过程区域的现场装置安装

21、在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线场总线”。它是当前工业自动化的热点。它是当前工业自动化的热点之一。之一。 现场总线以开放的、独立的、全数现场总线以开放的、独立的、全数字化的双向多变量通信代替字化的双向多变量通信代替010mA或或420mA现场电动仪表信号。现场总线现场电动仪表信号。现场总线I/O集检测、数据处理。通信为一体，可集检测、数据处理。通信为一体，可以代替变送器、调节器、记录仪等模拟以代替变送器、调节器、记录仪等模拟仪表。使用现场总线后，自控系统的配仪

22、表。使用现场总线后，自控系统的配线、安装、调试和维护等方面的费用可线、安装、调试和维护等方面的费用可以节约以节约23左右，现场总线左右，现场总线I/O与可编程与可编程序控制器可以组成低成本的分布式控制序控制器可以组成低成本的分布式控制系统。系统。 由于历史的原因，现在有多种现场由于历史的原因，现在有多种现场总线标准并存，现简介如下：总线标准并存，现简介如下： 1. Foundation Fieldbus（基金会现场总（基金会现场总线）线） 现场总线基金会（现场总线基金会（FF）是国际公认）是国际公认的唯一不依附于某个公司或企业集团的的唯一不依附于某个公司或企业集团的非商业化的国际标准化组织，它

23、致力于非商业化的国际标准化组织，它致力于建立国际上统一的现场总线协议。基金建立国际上统一的现场总线协议。基金会现场总线（会现场总线（FF）标准无专利许可要求，）标准无专利许可要求，可供所有的生产厂家使用，其总线标准、可供所有的生产厂家使用，其总线标准、产品检验等信息全部公开。产品检验等信息全部公开。FF得到了世得到了世界上几乎所有的著名仪表或控制系统厂界上几乎所有的著名仪表或控制系统厂商的支持。商的支持。2PROFIBUS（过程现场总线）（过程现场总线） PROFIBUS（Process Field Bus）由）由西门子公司开发研制，目前已成为西门子公司开发研制，目前已成为ISO标标准。它由准

24、。它由 3个系列组成：个系列组成：PROFIBUSDP用于分散的外部设备和用于分散的外部设备和自控设备之间的高速数据传输；自控设备之间的高速数据传输；PROFIBUSFMS适用于一般自动化的适用于一般自动化的中速数据传输；中速数据传输；PROFIBUSPA用于过程自动化的低速用于过程自动化的低速数据传输。数据传输。 PROFIBUS也得到了世界上众多仪也得到了世界上众多仪表或控制系统厂商的支持。表或控制系统厂商的支持。3. LonWorks（局域操作网络）（局域操作网络） Lonworks（Local Operating Network）采用符合采用符合ISOOSI模型全部模型全部7层标准的层

25、标准的 LonTalk通信协议，它被封装在称为通信协议，它被封装在称为Neuron（神经元）的芯片中。该芯片有（神经元）的芯片中。该芯片有3个个8位的位的CPU，第一个是介质访问控制处，第一个是介质访问控制处理器，第二个为网络处理器，第三个是理器，第二个为网络处理器，第三个是应用处理器，执行用户程序及其调用的应用处理器，执行用户程序及其调用的操作系统服务。操作系统服务。Neuron芯片还固化了芯片还固化了34种种I/O控制对象，目前已有几千家公司推控制对象，目前已有几千家公司推出了出了LonWorks产品。尽管产品。尽管LonWorks总总线的应用非常广泛，但目前还不是线的应用非常广泛，但目前

26、还不是ISO标标准的现场总线。准的现场总线。4. CAN（控制器局域网络）（控制器局域网络） 现场总线领域中，在现场总线领域中，在IEC61158和和IEC62026标准之前，标准之前，CAN（ Controller Area Network）总线是唯一被批准为国）总线是唯一被批准为国际标准的现场总线。际标准的现场总线。CAN总线的总线规总线的总线规范已被国际标准化组织（范已被国际标准化组织（IS）制定为国）制定为国际标准际标准ISO11898（通信速率（通信速率1Mbps）和）和ISO11519（通信速率（通信速率125Kbps）。）。CAN总线得到了微处理器芯片商的广泛支持，总线得到了微处

27、理器芯片商的广泛支持，推出了各种支持推出了各种支持CAN总线通信协议的芯总线通信协议的芯片。片。 可编程控制器与现场总线相结合，可编程控制器与现场总线相结合，可以组成性能可以组成性能/价格比优良的分布式控制价格比优良的分布式控制系统。随着现场总线国际标准的颁布和系统。随着现场总线国际标准的颁布和现场总线技术的发展，基于现场总线的现场总线技术的发展，基于现场总线的PLC控制系统将得到日益广泛的应用。控制系统将得到日益广泛的应用。第第 2 2 章章 可编程控制器的硬可编程控制器的硬 件结构与工作原理件结构与工作原理2.1可编程控制器的基本结构可编程控制器的基本结构2.1.1 基本结构基本结构1.

28、CPU 模块模块 CPU是是PLC的控制中枢，它不断地的控制中枢，它不断地读取输入信号读取输入信号，执行用户程序执行用户程序，并，并刷新刷新控制输出控制输出。2. I/O模块模块 输入模块（输入模块（Input）和输出模块）和输出模块（Output）简称为）简称为I/O模块。模块。输入模块用来接收和采集输入信号，它输入模块用来接收和采集输入信号，它分为分为数字量输入模块数字量输入模块和和模拟量输入模块模拟量输入模块两类。两类。输出模块用来输出控制信号，它分为输出模块用来输出控制信号，它分为数数字量输出模块字量输出模块和和模拟量输出模块模拟量输出模块两类。两类。3. 编程装置与编程软件编程装置与

29、编程软件 可编程控制器的编程可以通过两种方可编程控制器的编程可以通过两种方式实现：式实现： 使用编程装置或编程软件。使用编程装置或编程软件。（1）编程装置）编程装置 编程装置编程装置，又称，又称编程器编程器，是用来生，是用来生成用户程序，并对它进行编辑、检查、修成用户程序，并对它进行编辑、检查、修改和下载的装置。编程器不能直接输入和改和下载的装置。编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，一般用于小型可编程控制器的编程或现场一般用于小型可编程控制器的编程或现场的维护与检修。的维护与检修。（2）编程软件）编程软件 编程软件安装在编程软件安装在

30、PC机上，可以用来机上，可以用来生成梯形图、功能块和指令表等各种类生成梯形图、功能块和指令表等各种类型的用户程序，并对它进行编辑、检查、型的用户程序，并对它进行编辑、检查、修改和下载。由于修改和下载。由于PC机的处理能力远大机的处理能力远大于编程器，故编程软件于编程器，故编程软件+ PC机的编程方机的编程方式应用最为广泛。式应用最为广泛。4. 电源电源 可编程控制器可以使用可编程控制器可以使用220V交流电交流电源或源或24V直流电源。电源模块的作用是将直流电源。电源模块的作用是将交流电源转换成交流电源转换成CPU、I/O模块等所需的模块等所需的直流电源。在许多应用场合，电源模块直流电源。在许

31、多应用场合，电源模块还要为外部传感器提供还要为外部传感器提供24V直流电源。直流电源。2.1.2 可编程控制器的物理结构可编程控制器的物理结构 根据硬件结构的不同，可编程控制根据硬件结构的不同，可编程控制器可分为器可分为整体式整体式、模块式模块式和和混合式混合式三类。三类。1. 整体式整体式 整体式又称整体式又称箱体式箱体式，通常为小型可通常为小型可编程控制器所采用编程控制器所采用。从结构上看，整体。从结构上看，整体式可编程控制器由两部分组成，即：基式可编程控制器由两部分组成，即：基本单元和扩展单元。本单元和扩展单元。基本单元基本单元包括包括CPU、电源模块和一定、电源模块和一定数量的数量的I

32、/O模块。模块。扩展单元扩展单元主要包括各种主要包括各种I/O模块和通信模块和通信模块。模块。2. 模块式模块式 模块式结构通常为大、中型可编程模块式结构通常为大、中型可编程控制器所采用，具有较强的扩展能力。控制器所采用，具有较强的扩展能力。从结构上看，模块式可编程控制器由从结构上看，模块式可编程控制器由机机架架和和模块模块两部分组成，机架上有模块安两部分组成，机架上有模块安装插座，并为模块提供电源和通信连接。装插座，并为模块提供电源和通信连接。 S7-400的结构图参见的结构图参见 图图2-3 以下请看西门子公司提供的以下请看西门子公司提供的 小型小型PLCS7-200的介绍。的介绍。2.1

33、.3 CPU模块模块 CPU模块通常由模块通常由CPU芯片芯片、存储器存储器和和I/O电路电路组成。组成。1. CPU芯片芯片 PLC所使用的所使用的CPU有以下几类：有以下几类：通用微处理器通用微处理器单片微处理器单片微处理器位片式微处理器位片式微处理器2. 存储器存储器 按存储的内容划分，按存储的内容划分，PLC中的存储器中的存储器可分为：可分为：系统程序存储器系统程序存储器用来存放系统程序用来存放系统程序（相当于计算机操作系统）。系统程序（相当于计算机操作系统）。系统程序由生产厂商设计并固化在由生产厂商设计并固化在ROM里，用户里，用户不能访问，它使不能访问，它使PLC具有基本功能。具有

34、基本功能。用户程序存储器用户程序存储器用来存放用户程序。用来存放用户程序。用户程序由用户设计，它使用户程序由用户设计，它使PLC具有特具有特定的功能。定的功能。 按存储器的特性划分，按存储器的特性划分， PLC中的存中的存储器可分为：储器可分为：随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）用户可以用户可以对其进行对其进行读写操作读写操作，一般用来存放数据，一般用来存放数据和用户程序。和用户程序。 RAM属于易失性存储器属于易失性存储器，电源中断后，它存储的信息将会丢失。电源中断后，它存储的信息将会丢失。只读存储器（只读存储器（ROM）其其内容只能读内容只能读出，不能写入，出，不能写入，一般用来存放

35、系统程序。一般用来存放系统程序。 ROM属于非易失性存储器属于非易失性存储器，电源中断后，电源中断后，它存储的信息不会丢失。它存储的信息不会丢失。可电擦除可编程的只读存储器可电擦除可编程的只读存储器（EEPROM） 用来存放用来存放用户程序用户程序和和需要长期保存需要长期保存的数据的数据。EEPROM属于非易失性存储器，属于非易失性存储器，但其内容可以改变，它兼有但其内容可以改变，它兼有ROM和和RAM 的特点。的特点。 2.1.4 I/O模块模块1. 输入电路输入电路外接触点外接触点外部设备提供的触点，如：外部设备提供的触点，如：电机运转状态触点、接近开关的触点等。电机运转状态触点、接近开关

36、的触点等。直流电源直流电源PLC提供的提供的24V直流电源或外直流电源或外接的接的24V直流电源直流电源发光二极管发光二极管安装在安装在PLC的面板上，用的面板上，用来反映输入电路的通断状态。来反映输入电路的通断状态。 2. 输出模块输出模块 按驱动电路的不同，输出模块可以按驱动电路的不同，输出模块可以分成以下三类：分成以下三类：大功率晶体管和场效应管型大功率晶体管和场效应管型主要用主要用于驱动直流负载。于驱动直流负载。双向晶闸管型双向晶闸管型主要用于驱动交流负主要用于驱动交流负载。载。小型继电器型小型继电器型用于驱动交流或直流用于驱动交流或直流负载，输出一个触点信号。负载，输出一个触点信号。

37、 在输出电路中，输出电流的的典型在输出电路中，输出电流的的典型值为：值为：0.5-2A,负载电源由外部提供。负载电源由外部提供。 图图 2-5 a) 继电器输出电路继电器输出电路 图图 2-5 b) 场效应管输出电路场效应管输出电路 输出模块的选择：输出模块的选择：晶体管型（大功率晶体管和场效应管型）晶体管型（大功率晶体管和场效应管型）与双向晶闸管型输出模块分别用于驱动与双向晶闸管型输出模块分别用于驱动直流负载和交流负载，它们的可靠性高，直流负载和交流负载，它们的可靠性高，反应速度快，寿命长，但过载能力稍差。反应速度快，寿命长，但过载能力稍差。继电器型输出模块可用于驱动交流或直继电器型输出模块

38、可用于驱动交流或直流负载，使用电压范围宽，导通压降小，流负载，使用电压范围宽，导通压降小，承受瞬间过电流和过电压的能力较强，承受瞬间过电流和过电压的能力较强，但动作速度较慢，寿命有一定限制。但动作速度较慢，寿命有一定限制。 在大多数应用场合，选择继电器型在大多数应用场合，选择继电器型输出模块可以满足使用要求。输出模块可以满足使用要求。 2.1.5 可编程控制器的外部接线可编程控制器的外部接线 对于输入端：对于输入端：1M和和2M两组输入点内部电路的信两组输入点内部电路的信号公共端号公共端L+和和M输出模块提供的输出模块提供的24V直流电直流电源的正、负极。源的正、负极。 L+ 通过外接触点接至

39、两通过外接触点接至两组输入点，组输入点，M与与1M和和2M连通。连通。 对于输出端：对于输出端：1L和和2L两组输出点内部电路的信号两组输出点内部电路的信号公共端，连接外部电源的正极，而外部公共端，连接外部电源的正极，而外部电源的负极通过负载接至两组输出点。电源的负极通过负载接至两组输出点。L1和和N交流电源的相线和零线交流电源的相线和零线PE保护接地保护接地 2.2 可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理2.2.1 用触点和线圈实现逻辑运算用触点和线圈实现逻辑运算 PLC的主要应用之一是取代继电器的主要应用之一是取代继电器控制电路实现数字量逻辑控制。实际上，控制电路实现数字量逻辑控制。

40、实际上，PLC根据输入的状态信号，通过其内部根据输入的状态信号，通过其内部的逻辑运算得出控制决策，并输出到执的逻辑运算得出控制决策，并输出到执行元器件上。行元器件上。 在数字量逻辑控制系统中，变量仅在数字量逻辑控制系统中，变量仅有两种不同的工作状态，即：有两种不同的工作状态，即：1状态和状态和0状态，它们分别用来表征高电平和低电状态，它们分别用来表征高电平和低电平、继电器的通电与断电、触点的接通平、继电器的通电与断电、触点的接通与断开等物理状态。与断开等物理状态。 在在PLC的梯形图语言中，位操作元的梯形图语言中，位操作元件与继电器控制电路中的物理元件有极件与继电器控制电路中的物理元件有极大的

41、相似性。例如，继电器控制电路中大的相似性。例如，继电器控制电路中的常开触点、常闭触点、线圈等都有相的常开触点、常闭触点、线圈等都有相应的位操作元件，使用这些位操作元件应的位操作元件，使用这些位操作元件可以实现复杂的逻辑运算。可以实现复杂的逻辑运算。 例：异步电动机的控制电路例：异步电动机的控制电路图中：图中：M电动机电动机SB1启动按纽，常开触点。启动按纽，常开触点。SB2停止按纽，常闭触点。停止按纽，常闭触点。KM交流接触器的线圈，并表示异步交流接触器的线圈，并表示异步电动机主电路中的电动机主电路中的3对常开触点以及控制对常开触点以及控制电路中的辅助常开触点。电路中的辅助常开触点。FR热继电

42、器，用于过载保护。过载后，热继电器，用于过载保护。过载后，FR的常闭触点断开，使的常闭触点断开，使KM断电，电动断电，电动机停转。机停转。工作原理：工作原理：按下启动按钮按下启动按钮SB1后，电流经过触点后，电流经过触点SB1、SB2和和FR使交流接触器的线圈使交流接触器的线圈KM上电；上电；主电路中主电路中KM的的3对常开触点以及控制电对常开触点以及控制电路中路中KM的辅助常开触点闭合，接通电动的辅助常开触点闭合，接通电动机机M的的3相电源，电动机开始运行；相电源，电动机开始运行；松开启动按钮松开启动按钮SB1后，电流仍可经过辅助后，电流仍可经过辅助常开触点和常开触点和SB2保持保持KM的线

43、圈上电，电的线圈上电，电动机继续运行，这就是辅助常开触点的动机继续运行，这就是辅助常开触点的自锁功能；自锁功能；工作原理（续）：工作原理（续）：按下停止按钮按下停止按钮SB2后，线圈后，线圈KM失电；失电；主电路中主电路中KM的的3对常开触点以及控制电对常开触点以及控制电路中路中KM的辅助常开触点断开，切断电动的辅助常开触点断开，切断电动机机M的的3相电源，电动机停止运行；相电源，电动机停止运行；松开停止按钮松开停止按钮SB2后，由于后，由于SB1和和KM的的辅助常开触点保持断开，线圈辅助常开触点保持断开，线圈KM仍然失仍然失电，电动机保持停止状态。电，电动机保持停止状态。 图图2-8所示的继

44、电器控制电路所实现的所示的继电器控制电路所实现的逻辑运算为：逻辑运算为： 这一逻辑关系可以用这一逻辑关系可以用PLC方便地实现。方便地实现。（参见编程的例子）（参见编程的例子）FRSBKMSBKM 2)1(2.2.2 可编程控制器的工作方式可编程控制器的工作方式1. 工作方式工作方式 可编程控制器主要有两种工作方式，可编程控制器主要有两种工作方式，即：即：RUN（运行）方式（运行）方式STOP（停止）方式。（停止）方式。 在在RUN（运行）方式下，（运行）方式下，PLC执执行用户程序，实现控制功能。在行用户程序，实现控制功能。在PLC面面板上，用板上，用“RUN” LED表示相应的工作表示相应

45、的工作方式。方式。 STOP（停止）方式下，（停止）方式下，PLC不执行不执行用户程序。此时，可以用编程软件创建用户程序。此时，可以用编程软件创建和编辑用户程序，设置和编辑用户程序，设置PLC的硬件功能，的硬件功能，并将用户程序和硬件设置信息下载到并将用户程序和硬件设置信息下载到PLC中。中。 2. 工作方式的切换工作方式的切换（1）用方式开关改变工作方式）用方式开关改变工作方式 当当CPU模块上的方式开关在模块上的方式开关在STOP位置时，将停止用户程序的运行；当位置时，将停止用户程序的运行；当CPU模块上的方式开关在模块上的方式开关在RUN位置时，位置时，将启动用户程序的运行；将启动用户程

46、序的运行； PLC通电后的初始工作方式也与方通电后的初始工作方式也与方式开关的位置有关。当方式开关在式开关的位置有关。当方式开关在STOP位置时，位置时， CPU 自动进入自动进入STOP 方式；当方式；当方式开关在方式开关在RUN位置时，位置时， CPU 自动进入自动进入RUN 方式；方式； （2）用）用STEP 7-Micro/WIN32编程软件改编程软件改变工作方式变工作方式 在使用编程软件控制在使用编程软件控制CPU的工作方的工作方式之前，应先建立编程软件与式之前，应先建立编程软件与PLC之间之间的通信连接，的通信连接，并将方式开关置于并将方式开关置于STOP或或TERM位置。位置。在

47、编程软件中，单击工具在编程软件中，单击工具条上的运行按纽即可进入运行方式；单条上的运行按纽即可进入运行方式；单击工具条上的停止按纽即可进入停止方击工具条上的停止按纽即可进入停止方式。选择式。选择“PLC运行运行”或或“PLC停停止止”菜单命令亦可实现工作方式的改变。菜单命令亦可实现工作方式的改变。 2.2.3 可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理 PLC的工作状态可分为两种：的工作状态可分为两种：初始化工作状态初始化工作状态PLC通电后进行硬、通电后进行硬、软件的初始化工作。软件的初始化工作。循环扫描工作状态循环扫描工作状态初始化后循环处初始化后循环处理各种不同的任务，这是一个周而复始

48、理各种不同的任务，这是一个周而复始的过程。的过程。 在循环扫描工作状态下，在循环扫描工作状态下，PLC周而复始的执行一系列任务，任务周而复始的执行一系列任务，任务循环执行一次称为一个循环执行一次称为一个扫描周期扫描周期。每一个扫描周期要经历以下阶段：每一个扫描周期要经历以下阶段：1. 读取输入读取输入 在读取输入阶段，在读取输入阶段，PLC将物理将物理输入点的状态读入输入映像寄存器。输入点的状态读入输入映像寄存器。 具体而言：具体而言：当外部输入电路闭合时，相应的输入映当外部输入电路闭合时，相应的输入映像寄存器为像寄存器为“1”状态。此时，在梯形图状态。此时，在梯形图中，表征外部物理触点的常开

49、触点的逻中，表征外部物理触点的常开触点的逻辑状态为辑状态为ON或常闭触点的逻辑状态为或常闭触点的逻辑状态为OFF。当外部输入电路断开时，相应的输入映当外部输入电路断开时，相应的输入映像寄存器为像寄存器为“0”状态。此时，在梯形图状态。此时，在梯形图中，表征外部物理触点的常开触点的逻中，表征外部物理触点的常开触点的逻辑状态为辑状态为OFF或常闭触点的逻辑状态为或常闭触点的逻辑状态为ON。 2. 执行用户程序执行用户程序 在执行用户程序阶段，在执行用户程序阶段，PLC逐条执逐条执行指令，并将运算结果存储在相应的映行指令，并将运算结果存储在相应的映象寄存中。象寄存中。 具体而言：具体而言：程序顺序执

50、行，除非遇到跳转指令。程序顺序执行，除非遇到跳转指令。运算结果写入到相应的映象寄存器中。运算结果写入到相应的映象寄存器中。输入映象寄存器的状态不更新输入映象寄存器的状态不更新3. 通信处理通信处理 在通信处理阶段，在通信处理阶段，PLC处理通信端处理通信端口或智能口或智能I/O模块的通信服务请求。模块的通信服务请求。4. CPU自诊断测试自诊断测试 在在CPU自诊断测试阶段，自诊断测试阶段，PLC将检将检测测CPU、存储区和扩展模块的状态是否、存储区和扩展模块的状态是否正常。正常。5. 修改输出修改输出 在该阶段中，在该阶段中，CPU把存储在输出映把存储在输出映象寄存器中的数据写到相应的物理输

51、出象寄存器中的数据写到相应的物理输出点。点。 中断程序与立即中断程序与立即I/O的处理：的处理：如果在程序使用了中断，则与中断事件如果在程序使用了中断，则与中断事件相关的中断服务程序作为程序的一部分相关的中断服务程序作为程序的一部分被存储。被存储。中断程序并不作为正常扫描周中断程序并不作为正常扫描周期的一部分来执行，而是在中断事件发期的一部分来执行，而是在中断事件发生时才执行（可以在扫描周期的任意生时才执行（可以在扫描周期的任意点）。点）。在程序和中断服务程序中，可以使用立在程序和中断服务程序中，可以使用立即即I/O指令对指令对I/O点直接存取，不受执行点直接存取，不受执行用户程序阶段的限制。

52、用户程序阶段的限制。2.2.4 输入输入/输出时间滞后输出时间滞后 输入输出滞后时间输入输出滞后时间又称又称系统响应系统响应时间时间，是指可编程序控制器的外部输入，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部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由间隔，它由输入电路滤波时间输入电路滤波时间、输出电输出电路的滞后时间路的滞后时间和和因扫描工作方式产生的因扫描工作方式产生的滞后时间滞后时间三部分组成。三部分组成。 输入模块的输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，滤波电路的

53、时间常端引入的干扰噪声，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，在某些数决定了输入滤波时间的长短，在某些PLC中输入滤波时间可以设置。中输入滤波时间可以设置。输出模块的滞后时间与模块的类型有关，输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路继电器型输出电路的滞后时间一般在的滞后时间一般在10ms左右；左右；双向晶闸管型输出电路双向晶闸管型输出电路在负在负载接通时的滞后时间约为载接通时的滞后时间约为1mS，负载由，负载由导通到断开时的最大滞后时间为导通到断开时的最大滞后时间为10ms；晶体管型输出电路晶体管型输出电路的滞后时间小于的滞后时间小于1ms。由扫描工作方式引起的滞后时间最长可

54、由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达两个多扫描周期。达两个多扫描周期。 可编程序控制器总的响应延迟时间一可编程序控制器总的响应延迟时间一般只有几十毫秒，对于一般的系统是无般只有几十毫秒，对于一般的系统是无关紧要的。关紧要的。 要求输入和输出信号之间的滞后时要求输入和输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的可编程序控制器或采取其他措施。的可编程序控制器或采取其他措施。2.3 S7-200系列可编程控制器性能简介系列可编程控制器性能简介 西门子公司的西门子公司的SIMATIC S7200系系列属于小型可编程序控制器，可用于代列属于小型可编程序控制器

55、，可用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它有极强复杂的自动化控制系统。由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。能充分发挥其作用。 S7-200系列可编程控制器的主要特点是：系列可编程控制器的主要特点是：（1）功能强大的指令集）功能强大的指令集 S7200可用梯形图、语句表（即可用梯形图、语句表（即指令表）和功能块图指令表）和功能块图3种语言来编程。它种语言来编程。它的指令丰富，指令功能强，易于掌握、的指令丰富，指令功能强，易于掌握、操作方便。指令集包括位逻辑指令、计操作方便

56、。指令集包括位逻辑指令、计数器、定时器、复杂数学运算指令、数器、定时器、复杂数学运算指令、PIDPID指令、字符串指令、时钟指令、通讯指指令、字符串指令、时钟指令、通讯指令以及和智能模块配合的专用指令等。令以及和智能模块配合的专用指令等。 （2）丰富的通讯手段）丰富的通讯手段 S7200提供了近提供了近10种通讯方式以种通讯方式以满足不同的应用需求。从简单的满足不同的应用需求。从简单的S7200之间的通讯，到之间的通讯，到S7200通过通过ProfibusDP现场总线的通讯，甚至到通过以太网现场总线的通讯，甚至到通过以太网的通讯都可实现。在联网需求已日益成的通讯都可实现。在联网需求已日益成为必

57、需的今天，丰富的通讯手段无疑会为必需的今天，丰富的通讯手段无疑会大大增强大大增强S7200功能。可以说，功能。可以说，S7200的通讯功能已经远远超出了小型的通讯功能已经远远超出了小型PLC的整体通讯水平。的整体通讯水平。（3）编程软件的易用性）编程软件的易用性 与与S7-200系列可编程控制器配套使系列可编程控制器配套使用的用的Step7MicroWIN32编程软件为编程软件为用户提供了开发、编辑和监控的良用户提供了开发、编辑和监控的良 好编程环境。友好的操作界面、丰富的好编程环境。友好的操作界面、丰富的帮助信息、帮助信息、Windows的界面风格以及直的界面风格以及直观的编程向导，能使用户

58、快速进入状态，观的编程向导，能使用户快速进入状态，掌握编程的方法掌握编程的方法 2.3.1 CPU模块模块 S7-200系列系列PLC有有5种种CPU模块：模块：CPU221S7-200系列的入门级产品，系列的入门级产品，无扩展能力，仅有数字量无扩展能力，仅有数字量I/O点。点。CPU222可以带可以带2个扩展模块，可以个扩展模块，可以有模拟量有模拟量I/O点。点。CPU224可以带可以带7个扩展模块，具有个扩展模块，具有较强的处理能力。较强的处理能力。 CPU226可以带可以带7个扩展模块，具有个扩展模块，具有更强的处理能力和较大的存储器容量。更强的处理能力和较大的存储器容量。CPU226X

59、M可以带可以带7个扩展模块，与个扩展模块，与CPU226 的处理能力相似，但存储器容的处理能力相似，但存储器容量更大，是量更大，是S7-200系列系列PLC 中的高端产中的高端产品。品。参见表参见表2-2，3，45，62.3.2 数字量扩展模块数字量扩展模块 数字量扩展模块可以提供本机之外数字量扩展模块可以提供本机之外的数字量的数字量I/O点，以满足不同的控制需求，点，以满足不同的控制需求，节约投资费用。节约投资费用。S7-200的数字量扩展模的数字量扩展模块包括块包括EM221，EM222和和EM223三种类三种类型。型。EM221数字量输入扩展模块数字量输入扩展模块EM222数字量输出扩展

60、模块数字量输出扩展模块EM223数字量输入数字量输入/输出扩展模块输出扩展模块 2.3.3 模拟量输入输出扩展模块模拟量输入输出扩展模块 模拟量模拟量I/O的主要功能是实现的主要功能是实现A/D和和D/A转换，以实现过程变量（如：温度、转换，以实现过程变量（如：温度、压力、流量和液位等）检测与控制。压力、流量和液位等）检测与控制。 S7-200的数字量扩展模块包括的数字量扩展模块包括EM231，EM232和和EM235三种类型。三种类型。EM231模拟量输入扩展模块，模拟量输入扩展模块，4路输路输入入EM232模拟量输出扩展模块，模拟量输出扩展模块，2路输路输出出EM235模拟量输入模拟量输入