PLC技术教程-基于西门子S7-300（第2版）

PLC应用技术绪论PLC应用技术——0.1可编程序控制器产生与发展

0.2可编程序控制器的特点与分类0.3教学安排0.1可编程序控制器产生与发展可编程序控制器广泛地应用于工业控制。它通过用户存储的应用程序来控制生产过程，具有可靠性高、稳定性和实时处理能力强的优点。可编程序控制器是把计算机技术与继电器控制技术有机结合起来，为工业自动化提供的几乎完美的现代化自动控制装置。1.接线程序控制系统在现代化生产过程中，许多自动控制设备、自动化生产线，均需要配备电气控制装置。电气控制装置的输入信号有按钮、开关、时间继电器、压力继电器、温度继电器、过流过压继电器；电气控制装置的输出信号有接触器、继电器、电磁阀。这些信号只有闭合与断开两种工作状态。这类物理量被称为开关量或数字信号。另一类设备，其输入信号是压力传感器、温度传感器、湿度传感器等信号，输出信号是伺服电机、电动阀、距离、速度等控制信号。这类物理量是一种连续变化量，叫做模拟量或模拟信号。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.可编程序控制器产生1968年，美国通用汽车公司（GM）为适应生产工艺不断更新的需要，提出一种设想：把计算机的功能完善、通用、灵活等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置。这种通用控制装置把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，采用面向控制过程、面向对象的语言编程。使不熟悉计算机的人也能方便地使用，并提出十项招标指标（GM10条）。美国数字设备公司（DEC）根据这一设想，于1969年研制成功了第一台可编程序控制器PDP—14，并在汽车自动装配线上试用获得成功。该设备用计算机作为核心设备。其控制功能是通过存储在计算机中的程序来实现的，这就是人们常说的存储程序控制。由于当时主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC）。进入80年代，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，也使得可编程序控制器逐步形成了特色鲜明的多种系列产品，不仅使用大量的开关量，也使用模拟量，其功能已经远远超出逻辑控制、顺序控制的应用范围。故更名为可编程序控制器（ProgrammableController，简称PC）。但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer，简称PC）混淆，所以习惯上还沿用PLC作为可编程控制器的英文缩写名字。3.存贮程序控制系统例如，有两个开关K1、K2。控制要求，只有两个开关都接通时小灯D1才亮。当D1亮5秒钟后小灯D2开始亮。当开关K3切断时两个小灯就同时熄灭。1)接线程序控制2）存贮程序控制（PLC控制）4.可编程序控制器发展同计算机的发展类似，目前可编程序控制器正朝着两个方向发展。一是朝着小型、简易、价格低廉的方向发展。如OMRON公司的CQM1、SIEMENS公司的S7-200、S7-1200一类可编程序控制器。这种可编程序控制器可以广泛地取代继电器控制系统，用于单机控制和规模比较小的自动化生产线控制。二是朝着大型、高速、多功能和多层分布式全自动网络化方向发展。这类PLC一般为多处理器系统，有较大的存储能力和功能很强的输入输出接口。系统不仅具有逻辑运算、计时、计数等功能，还具备数值运算、模拟调节、实时监控、记录显示、计算机接口、数据传送等功能，还能进行中断控制、智能控制、过程控制、远程控制等。通过网络可以与上位机通讯，配备数据采集系统、数据分析系统、彩色图像系统的操纵台，可以实现自动化工厂的全面要求。0.2可编程序控制器的特点与分类国际电工委员会（IEC）对可编程序控制器作了如下的规定：“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贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、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、都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”这段话完全道出了可编程序控制器的特点和应用领域。1.可编程序控制器的特点可编程序控制所以被广泛使用，是由它的突出的特点和优越的性能分不开的。归纳起来，可编程序控制器主要具有以下特点。

可靠性高例如三菱Ｆ１和Ｆ２可编程序控制器平均无故障时间可以达到30万小时（约34年）。

环境适应性强在环境温度-20℃~65℃、相对湿度为35％~85％情况下可正常工作。

灵活通用

可按需要搭配成功能、配置各异的系统。

使用方便、维护简单整个连接过程仅需要一把螺丝刀即可完成。2.可编程序控制器的分类可编程序控制器是由现代化大生产的需要而产生的，可编程序控制器的分类也必然要符合现代化生产的需求。一般来说可以从三个角度对可编程序控制器进行分类。其一是按可编程序控制器的控制规模大小分类；其二是按可编程序控制器的性能高低分类；其三是按可编程序控制器的结构特点分类。(1)按控制规模分类可编程序控制器可以分为大型机、中型机和小型机。

小型机:小型机的控制点一般在256点之内,适合于单机控制或小型系统的控制。

日本OMRON公司CQM1处理速度0.5~10ms/1k字存贮器3.2~7.2k数字量192点，模拟量44路德国SIEMENSS7-200处理速度0.8~1.2ms存贮器2k

数字量248点，模拟量35路中型机:中型机的控制点一般不大于2048点,可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控，它适合中型或大型控制系统的控制。日本OMRON公司C200HG处理速度0.15~0.6ms/1k字存贮器15.2~31.2k数字量1184点德国SIEMENSS7-300处理速度0.8~1.2ms存贮器2k

数字量1024点模拟量128路网络PROFIBUS工业以太网

MPI大型机大型机的控制点一般大于2048点,不仅能完成较复杂的算术运算还能进行复杂的矩阵运算。它不仅可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控。日本富士公司F200处理速度2.5ms/

1k字存贮器32kI/O点3200日本OMRONCV2000处理速度0.125ms/

1k字存贮器62kI/O点2048德国SIEMENSS7-400

处理速度0.3ms/

1k字存贮器512kI/O点12672德国AEGA500处理速度

1.3ms/

1k字存贮器62k64kI/O点5088（2）按控制性能分类可编程序控制器可以分为高档机、中档机和低档机。

低档机这类可编程序控制器，具有基本的控制功能和一般的运算能力。工作速度比较低，能带的输入和输出模块的数量比较少。比如，日本OMRON公司生产的C60P就属于这一类。

中档机这类可编程序控制器，具有较强的控制功能和较强的运算能力。它不仅能完成一般的逻辑运算，也能完成比较复杂的三角函数、指数和PID运算。工作速度比较快，能带的输入输出模块数量也比较多，输入和输出模块的种类也比较多。比如，德国SIEMENS公司生产的S7-300就属于这一类。

高档机这类可编程序控制器，具有强大的控制功能和强大的运算能力。它不仅能完成逻辑运算、三角函数运算、指数运算和PID运算，还能进行复杂的矩阵运算。工作速度很快，能带的输入输出模块的数量很多，输入和输出模块的种类也很全面。这类可编程序控制器可以完成规模很大的控制任务。在联网中一般做主站使用。比如，德国SIEMENS公司生产的S7-400就属于这一类。（3）按结构划分整体式整体式结构的可编程序控制器把电源、CPU、存储器、I/O系统都集成在一个单元内，该单元叫做作基本单元。一个基本单元就是一台完整的PLC。控制点数不符合需要时，可再接扩展单元。整体式结构的PLC特点是非常紧凑、体积小、成本低、安装方便。组合式组合式结构的可编程序控制器是把PLC系统的各个组成部分按功能分成若干个模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等等。其中各模块功能比较单一，模块的种类却日趋丰富。比如，一些可编程序控制器，除了－些基本的I/O模块外，还有一些特殊功能模块，像温度检测模块、位置检测模块、PID控制模块、通讯模块等等。组合式结构的PLC特点是CPU、输入、输出均为独立的模块。模块尺寸统一、安装整齐、I/O点选型自由、安装调试、扩展、维修方便。叠装式叠装式结构集整体式结构的紧凑、体积小、安装方便和组合式结构的I/O点搭配灵话、安装整齐的优点于一身。它也是由各个单元的组合构成。其特点是CPU自成独立的基本单元（由CPU和一定的I/O点组成），其它I/O模块为扩展单元。在安装时不用基板，仅用电缆进行单元间的联接，各个单元可以一个个地叠装。使系统达到配置灵活、体积小巧。例：SIEMENSS7系列PLC分类小型机:中型机:大型机SIMATICS7-200模块化模块化SIMATICS7-300模块化SIMATICM7-300一体化SIMATICC7-620模块化SIMATICS7-400模块化SIMATICM7-400西门子S7-300PLC应用系统结构基本启停控制SIMATICS7-200SIMATICS7-300基本编程方法高级编程方法模拟量应用SIMATICS7-300工业4.0“工业4.0”研究项目由德国联邦教研部与联邦经济技术部联手资助，在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下形成，并已上升为国家级战略。德国联邦政府投入达2亿欧元。德国政府提出“工业4.0”战略，并在2013年4月的汉诺威工业博览会上正式推出，其目的是为了提高德国工业的竞争力，在新一轮工业革命中占领先机。西门子公司已经开始将这一概念引入其工业软件开发和生产控制系统。

2014年10月10日，中国国务院总理李克强访问德国期间，中德双方发表《中德合作行动纲要：共塑创新》，宣布两国将开展“工业4.0”合作。“工业4.0”项目主要分为两大主题，一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现；二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。PLC向网络化、智能化发展，ProfiNET“一网到底”。0.3教学安排学习方法：

理论联系实际——多记忆、勤动手考核方法：平时（实验、作业、出勤）——10%

实操（上机操作）——40%期末（闭卷考试）——50%

实习（1周）——按考查课单独记成绩第1章PLC应用基础PLC应用技术——第1章PLC应用基础1.1电气技术基础1.2PLC硬件基础1.3PLC软件基础1.4PLC网络基础1.1电气技术基础1.1.1接触器1.1.2继电器1.1.3主令电器1.1.4刀开关1.1.5自动开关1.1.6熔断器1.1.7典型控制线路1.1.1接触器接触器是利用电磁吸力的作用使主触点接通或断开电动机电路或其他负载电路的控制电器。可以实现频繁的远距离操作，它具有比工作电流大数倍的接通和分断能力。主要用来控制电动机的运行。接触器是一种执行电器。接触器一般都拥有能通断大电流电路的主触点和只能通断较小电流电路的辅助触点。触点分为主触点和辅助触点。主触点用来完成大电流的接通和断开的控制辅助触点用来在控制电路中联动作用具有常开触点和常闭触点因为主触点要接通和切断大电流电路，所以一般都设有专门的灭弧装置。接触器按主触头流过电流的性质分为交流接触器和直流接触器。灭弧为减少电弧的危害，常采用灭弧装置，使电弧迅速熄灭。在直流接触器中常在主触点电路中串入吹弧线圈，形成磁吹式灭弧装置，如图1-3所示；在交流接触器中常采用桥式触头的电动力灭弧及灭弧罩、灭弧栅、多点灭弧等，如图1-4所示为栅片灭弧原理。

直流电磁机构直流电磁机构——直流电磁铁线圈通直流电，无磁滞和涡流损耗，铁心不发热，可以用整块软钢或工程纯铁制成。直流线圈匝数多、电阻大（靠电阻限流），铜损大，线圈本身发热，因此做成长而薄的形状，且不带骨架（线圈与铁心直接接触），利于线圈散热。1）直流电磁铁电磁吸力与气隙的平方成反比。2）直流电磁铁线圈电流I与气隙δ无关。

交流电磁机构交流电磁机构——交流电磁铁在铁心中存在磁滞和涡流损耗（铁损），引起铁心发热。为了减少磁滞和涡流损耗，铁心用硅钢片叠铆而成；交流线圈匝数少、电阻小（靠感抗限制线圈电流），铜损小，为增加铁心散热面积，线圈制成短而粗的形状，且带有骨架。1）F随时间周期变化，且有过零点，将产生电磁噪声；2）交流电磁铁线圈电流I与气隙δ成正比。为了抑制交流电磁铁的电磁噪声，可在其铁心端部2/3处开一个槽，嵌入短路铜环，由于环内和环外通过的磁通相差一个电角度，且幅值也不相同，各自产生的吸力叠加后在任何瞬间合力均不为零，从而可以消除噪声，如图1-8所示。接触器的图形符号和文字符号主要技术参数额定电压额定电流线圈的额定电压接通和分段能力接触器的选择根据负荷选择接触器确定主触点的电流等级确定线圈的电压及类型1.1.2继电器继电器是根据某种输入信号来接通或断开小电流控制电路，实现控制和保护功能的控制电器输入量可以是电压、电流、温度、速度、位置等非电量输出量是触点的动作或电路参数的变化继电器的特点是具有跳跃式的输入-输出特性，如图1-12所示，这一矩形曲线称为继电器特性。（1）电磁式继电器①电流继电器输入量是电流电流继电器的线圈与负载串联，要求阻抗小，线圈匝数少，线径粗过电流继电器和欠电流继电器过电流继电器在正常工作时衔铁不动作，当电流超过某一整定值时，衔铁动作，于是常开触点闭合，常闭触点断开。一般交流过电流继电器调整在110~400%IN动作，直流过电流继电器调整在70~300%IN动作。欠电流继电器是当电流降低到某一整定值时，继电器释放，所以电路电流正常时，衔铁吸合。②电压继电器多用于高压控制电路中，用于电压保护功能输入量是电压电压继电器的线圈与负载并联，要求阻抗大，线圈匝数多，线径细电压继电器有过电压、欠电压、零电压继电器等。过电压继电器是在电压为110~115%UN以上时动作，对电路进行过电压保护；欠电压继电器是在电压为40~70%UN时动作，对电路进行欠电压保护，零电压继电器是当电压降至5~35%UN时动作，对电路进行零压保护。

③中间继电器在各种控制线路中起着信号传递、放大、翻转、分路、隔离和记忆等作用输入量为电磁机构激磁线圈的电压特点是触点的数量较多④电磁继电器的整定方法改变反作用弹簧的松紧和非磁性垫片的厚薄。电压继电器的整定：用电压表并接于线圈两端，用滑线电阻调节线圈两端电压。电流继电器的整定：用电流表中串接在线圈回路内。继电器的图形符号和文字符号（2）时间继电器通过对时间的控制来控制电路有通电延时型和断电延时型两类时间继电器的种类很多，从设计原理上分有电磁式、空气阻尼式、电动机式和晶体管式时间继电器。时间继电器的图形符号和文字符号（3）热继电器热继电器主要用于电动机的过载、断相及电流不平衡的保护，以及其它电气设备发热状态的控制。其结构形式有双金属片式、热敏电阻式、易熔合金式。双金属片式热继电器组成结构热继电器分一相式、两相式和三相式三种结构，三相结构的热继电器还分带断相保护和不带断相保护两种。图1-18带断相保护的热继电器导板结构热继电器的图形符号和文字符号FRFR（4）速度继电器速度继电器也称反接制动继电器，常用于三相笼型异步电动机反接制动电路中。实质是一个感应电动机速度继电器的图形符号和文字符号KV1.1.3主令电器主令电器是用来接通和分断控制电路以发布命令、或对生产过程作程序控制的开关电器。主令电器应用广泛，种类繁多，主要有控制按钮、行程开关、万能转换开关和主令控制器等。（1）控制按钮控制按钮是用人力操作，并具有贮能弹簧复位的主令电器控制按钮的图形符号和文字符号常开按钮常闭按钮复式按钮SBSBSB（2）行程开关反映工作机械位置，发出控制命令不需要人力控制行程开关的图形符号和文字符号SQSQ（3）万能转换开关万能转换开关是由多组相同结构的触点组件叠装而成的多回路控制器由操作机构、定位装置和触点等三部分组成。触点的通断由凸轮控制。触点为双断点桥式结构万能转换开关的图形符号SA1.1.4刀开关刀开关主要用在低压配电设备中，作为不频繁地手动接通和分断交直流电路或作隔离开关用。刀开关的图形符号和文字符号QQQ1.1.5自动开关自动开关也称低压断路器或自动空气断路器低压断路器是按规定条件，对配电电路、电动机或其它用电设备实行不频繁的通断操作，线路转换当电路内出现过载、短路、对地漏电或欠电压等非正常条件时，能自动分断电路人为合上，可以人为断开或脱扣机构断开符号如图QF1.1.6熔断器熔断器由熔体和熔断管两部分组成熔断器串接于被保护电路中当电路发生短路故障时，熔体被瞬时熔断而分断电路，故熔断器主要用于短路保护。熔断体内能装入的最大熔体的额定电流称为熔断器的额定电流熔断器长期工作时和分断线路时能够承受的电压，称为熔断器的额定电压符号如图FU1.1.7典型控制线路（1）典型启停控制线路（2）电机正反转控制线路（3）行程控制（4）顺序控制（5）Y/Δ启动控制线路（1）典型启停控制线路（2）电机正反转控制线路（3）行程控制（4）顺序控制（5）Y/Δ启动控制线路1.2PLC硬件基础1.2.1PLC的组成1.2.2PLC的输入/输出单元1.2.3PLC的工作原理1.2.1PLC的组成中央处理单元（CPU）

PLC系统的核心部件，是由大规模或超大规模的集成电路微处理芯片构成，主要完成运算和控制任务，可以接收并存贮从编程器输入的用户程序和数据。进入运行状态后，用扫描的方式接收输入装置的状态或数据，从内存逐条读取用户程序，通过解释后按指令的规定产生控制信号。执行数据的存取、传送、比较和变换等处理过程。完成用户程序所设计的逻辑或算术运算任务，根据运算结果控制输出设备。可编程序控制器中的中央处理单元多数使用８位到32位字长的单片机。存贮器单元按照物理性能存贮器可以分为两类。随机存贮器（RAM）由一系列寄存器阵组成，每位寄存器可以代表一个二进制数，在刚开始工作时，它的状态是随机的，只有经过置“１”或清“０”的操作后，它的状态才确定。若关断电源，状态丢失。这种存贮器可以进行读、写操作，主要用来存贮输入输出状态，计数、计时以及系统组态参数。为防止断电后数据丢失，可采用后备电池进行数据保护。只读存贮器有两种。一种是不可擦除ROM，这种存贮器只能写入一次，不能改写。另一种是可擦除EPROM和E2PROM，这种存贮器经过擦除以后还可以重写。其中EPROM只能用紫外线擦除内部信息，E2PROM可以用电擦除内部信息。只读存贮器主要用来存贮程序。电源单元可编程序控制器配有开关电源，电源的交流输入端一般都有脉冲吸收电路，交流输入电压范围－般都比较宽，抗干扰能力比较强。有些可编程序控制器还配有大容量电容作为数据后备，停电可以保持50小时。一般直流５Ｖ电源供可编程序控制器内部使用，直流24Ｖ电源供输入输出端和各种传感器使用。输入输出单元输入单元用于处理输入信号，对输入信号进行滤波、隔离、电平转换等，把输入信号的逻辑值安全可靠地传递到可编程序控制器内部。输入单元有直流输入模块、交流输入模块和交直流输入模块。输出单元用于把用户程序的逻辑运算结果输出到可编程序控制器外部，输出单元具有隔离PLC内部电路和外部执行元件的作用，还具有功率放大的作用。输出单元有晶体管输出模块、可控硅输出模块和继电器输出模块。功能模块是一些智能化了的输入和输出模块。比如，温度检测模块、位置检测模块、位置控制模块、PID控制模块等。中央处理单元与输入输出设备的连接，是由输入单元和输出单元完成的。接口单元接口单元包括扩展接口、编程器接口、存贮器接口和通讯接口。

外部设备可编程序控制器的外部设备主要有编程器、文本显示器、操作面板、打印机等等。1.2.2PLC的输入/输出单元①开关量输入单元②开关量输出单元③模拟量输入单元输入信号与转换数据关系④模拟量输出单元数字量输入与D/A转换关系⑤温度模块热电阻测温热电偶测温⑥位置模块⑦高速计数模块1.2.3PLC的工作原理（1）PLC等效工作电路（2）PLC工作过程（3）建立I/O映像区（4）输入输出操作（5）中断输入处理（6）PLC的主要性能指标（1）PLC等效工作电路（2）PLC工作过程执行OB1中的程序

(循环执行)事件(日期时间中断、硬件中断等)调用其他

OB，FB，FC输出

模块AI0.1AI0.2=Q8.0块OB1循环监视时间的开始启动块

(OB100)上电后执行一次从模块读信号状态，并保存到过程映象区(PII)把过程映象输出表(PIQ)写到输出模块CPU循环输入

模块PLC最主要的方式是周期扫描方式。可以细分成下面几个过程。

上电处理过程

PLC上电后，要进行上电的初始化处理，占用的时间为T0

。

共同处理过程共同处理的主要任务是复位监视计时器、检查I/O总线、检查扫描周期、检查程序存储器。该过程占用的时间为T1

。

通讯服务过程

当PLC和微机构成通讯网络或由PLC构成网络时，需要有通讯服务过程。该过程占用的时间为T2

。

外设服务过程

当PLC接有外部设备如编程器、打印机等，则需要进行外设服务过程。该过程占用的时间为T3

。程序执行过程该过程用于执行用户程序。从输入映像区读入输入信息，根据用户程序进行运算操作，并向输出映像区送出控制信息。该过程占用的时间为T4。显然T4和PLC的速度、用户程序长短及指令种类有关。

I/O刷新过程

这个过程可分为输入信号刷新和输出信号刷新。输入信号刷新为输入处理过程，输出信号刷新为输出处理过程。该过程占用时间为T5。显然T5和可编程序控制器所带的输入输出模块的种类和点数多少有关。

可编程序控制器的扫描周期T和上述各个过程的关系录为：

T=T1+T2+T3+T4+T5

关于PLC的时间滞后问题PLC对输入和输出信号的响应是有延时的，这就是滞后现象。为了确保PLC在任何情况下都能正常无误地工作，一般情况下，输入信号的脉冲宽度必须大于一个扫描周期T。还应该注意一个问题是输出信号的状态是在输出刷新时才送出的。因此，在一个程序中若给一个输出端多次赋值时，中间状态只改变输出映像区。只有最后一次赋的值才能送到输出端。（3）建立I/O映像区信息采集的方式——实时采集和定时采集输入映像区——存放采集到的信息的随机存储器的某一地址区——等效工作电路的输入继电器线圈

输出映像区——存放对被控制对象的控制信息的随机存储器的某个特定区域——等效工作电路的输出继电器接点

（4）输入输出操作循环I/O更新方式——在扫描周期的适当时刻，在操作系统的组织下将输出映像区的信息全部倾卸给外设，同时也由所有外设读入信息即时I/O更新方式——信息的输入或输出与系统CPU的周期扫描脱离，利用专用的硬件单元（如快速响应I/O单元）或通过软件利用专门指令去执行某一I/O映像区的输入输出（5）中断输入处理①中断的响应是在系统循环扫描周期的各个阶段中断响应时间T=等待响应时间t1+中断信号读入处理时间t2+系统处理和中断服务程序的启动t3②在可编程序控制器系统中，中断程序只在中断申请被接受后执行一次③中断源先后排队顺序问题：在可编程序控制器系统中，中断源的信息是通过输入点而进入系统的，而可编程序控制器扫描输入点是按顺序进行的，因此，中断源的先后顺序随它们占用的输入点编号的前后自动排序

（6）PLC的主要性能指标①存储容量——系统存储器和用户存储器②控制容量——I/O容量——I/O点的个数③循环扫描周期——I/O扫描时间与程序扫描时间之和I/O扫描时间——处理器把其输出映像表中的数据写到输出模块和把输入数据从输入模块读入到处理器输入映像数据表的时间程序扫描时间——执行用户程序的时间——通常用执行1000条指令的时间（大约1~10ms/k指令）来衡量PLC的运行速度④指令功能及软件支持

1.3PLC软件基础1.3.1系统监控程序1.3.2用户程序1.3.1系统监控程序（1）系统管理程序（2）用户指令解释程序、编辑程序（3）标准程序模块和系统调用程序1.3.2用户程序（1）用户环境——用户数据结构和用户数据存贮区（2）用户程序语言——梯形图、语句表、功能块图等（3）编程方法——经验法、图形法、顺序功能图法等STEP7编程——线性化编程、模块化编程和结构化编程线性化编程——将整个用户程序写在一个指令连续的块模块化编程——子程序方式结构化编程——将复杂的自动化任务分解为能够反映过程的工艺、功能或可以反复使用的小任务典型启停电路对应的PLC程序1.4PLC网络基础1.4.1数据通信1.4.2局部网络1.4.3网络协议1.4.1数据通信（1）通信方式——并行通信方式和串行通信方式（2）串行通信的数据传送方式——单工(Simplex)通信、半双工(HalfDuplex)通信、全双工(FullDuplex)通信三种传送方式（3）串行通信接口——RS232C、RS422/485通信接口

1.4.2局部网络（1）网络拓扑——星形、总线形和环形（2）介质访问控制——令牌法、争用法（3）通道利用方式——基带和宽带基带方式——利用传输介质的整个带宽进行信号传送宽带方式——把通信通道以不同的载频划分成若干通道，在同一传输介质上同时传送多路信号（4）传输介质——同轴电缆、双绞线和光缆

1.4.3网络协议开放系统互连参考模型——七个功能层，每层都使用自己的协议SIEMENSS7系列PLC网络系统第二章西门子PLC硬件系统

PLC应用技术——第二章西门子PLC硬件系统2.1概述2.2硬件配置2.3S7-300PLC的内部资源2.1概述2.1.1西门子PLC分类2.1.2S7-300/400PLC的组成2.1.3S7-300PLC的结构2.1.1西门子PLC分类2011年出品S7-1200系列SIMATICS7-1500已于2013年3月12日在中国发布西门子S7-1500PLC是替代S7-300/400的新一代PLC，其软件平台为TIA博途。可供用户使用的资源更充足，运算处理速度更快。S7-1500PLC博途SIMATICSTEP7V122.1.2S7-300/400PLC的组成

PS(可选)CPU

IM(可选)SM:DISM:DOSM:AISM:AO

FM:-计数-定位-闭环控制

CP:-点-到-点-PROFIBUS-工业以太网机架（或导轨）S7-300的机架是特制不锈钢或铝制异型板（称为导轨），它的长度有160、482、530、830、2000（mm）五种，可根据实际需要选择。S7-400的机架为各类模块提供支架和电源，并通过背板总线连接各模块。采用分布式总线（P总线和C总线）使CPU与中央I/O间的通讯速度可以非常快，P总线（I/O总线）用于I/O信号的高速交换和对信号模块数据的高速访问，C总线（通信总线）用于在C总线各站之间的高速数据交换电源模块（PS）PS307系列电源模块是西门子公司为S7-300PLC专配的24VDC电源，可安装在S7-300PLC的专用导轨上，其额定输出电流有2A、5A和10A等多种。PS307系列电源模块除输出额定电流不同，它们的工作原理和各种参数都基本相同。24VDC输出电压指示灯电压选择开关24VDC开关接系统电压和保护性接地导体的端子24VDC输出电压端子松紧件中央处理单元模块（CPU）结构•

指示灯SF—系统故障BATE电池故障DC5V指示RUN/STOP•

开关RUN/RUN-P/STOP/MRES•MPI通讯接口DP通讯接口•

电源接线端子•

存储卡插座•

电池盒CPU314SIEMENSSFBATFDC5VFRCERUNSTOPRUN-PRUNSTOPMRESSIMATICS7-300BatterieMPICPU315-2DPSIEMENSRUN-PRUNSTOPMRESSIMATICS7-300BatterieDPSFBATFDC5VFRCERUNSTOPMPISFDPBUSF面板说明模式选择器 MRES = 模块复位功能

STOP = 停止模式：程序不执行

RUN = 程序执行，编程器只读操作

RUN-P= 程序执行，编程器读写操作状态指示器(LED)

SF= 组错误：CPU内部错误或带诊断功能模块错误

BATF = 电池故障：电池不足或不存在

DC5V

= 内部5VDC电压指示

FRCE = FORCE：指示至少有一个输入或输出被强制

RUN = 当CPU启动时闪烁，在运行模式下常亮

STOP = 在停止模式下常亮

有存储器复位请求时慢速闪烁

正在执行存储器复位时快速闪烁

由于存储器卡插入需要存储器复位时慢速闪烁

存储器卡：为存储器卡提供一个插槽。当发生断电时利用存储器卡可以不需要电池就可以保存程序。

电池盒：在前盖下有一个装锂电池的空间，当出现断电时锂电池用来保存RAM中的内容。

MPI连接：用MPI接口连接到编程设备或其它设备

DP接口：分布式

I/O直接连接到CPU的接口。接口模块（IM）接口模块用于多机架配置时连接主机架（或称中央机架，CR）和扩展机架（ER）。S7-300PLC的IM模块种类有IM360、IM361和IM365等。通过连接电缆将数据从IM360传送到IM361或从IM361传送到IM361

IM360接口模块：1对3接口，消耗总线电流350mA、提供到机架1电流800mA、功耗2.0W、电缆10mIM361接口模块：1对3接口，消耗24VDC电流0.5mA、提供到机架1电流800mA、功耗5.0W、电缆10mIM365接口模块：1对1接口，消耗总线电流100mA、提供到机架1电流800mA、功耗0.5W、电缆1m

信号模块（SM）SM模块是数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块的总称S7-300PLC的SM模块种类：数字量输入模块SM321数字量输出模块SM322数字量输入/输出模块SM323模拟量输入模块SM331模拟量输出模块SM332模拟量输入/输出模块SM334和SM335功能模块（FM）FM模块主要用于实时性强、存储计数量较大的过程信号处理任务。S7-300PLC的FM模块有：计数器模块FM350-1/2和CM35快速/慢速进给驱动位置控制模块FM351电子凸轮控制器模块FM352步进电动机定位模块FM353伺服电动机定位模块FM354定位和连续路径控制模块FM357-2步进电动机功率驱动器模块FMSTEPDRIVE超声波位置解码器模块FM338闭环控制模块FM355和FM355-2/2C/2S称重模块SIWAREXU/M智能位控制模块SINUMERIKFM-NC

通信处理器模块（CP）通信处理器是一种智能模块，它用于PLC之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入PROFIBUSDP、AS-i和工业以太网，或用于实现点对点通信等。S7-300PLC有多种用途的通信处理器模块，如CP340、CP344-5DP、CP343-FMS等，其中既有为装置进行点对点通信设计的模块，也有为PLC上网到西门子的低速现场总线网SINECL2和高速SINECH1网而设计的网络接口模块。2.1.3S7-300PLC的结构结构•叠装式安装形式•立式形式•

卧式形式S7-300技术参数CPU312IFMCPU313CPU314CPU314IFMCPU315工作存储器: 6K字节12K字节24K字节24K字节48K字节装载存储器:

20K字节20K字节40K字节 40K字节80K字节

(内部集成

)

装载存储器:- 512K字节512K字节-512K字节

(最多可接)DI/DQ: 128128 5129921024

AI/AQ: 32 32 64248128 本机I/O点DI/DQ 10/6 - -20/16-AI/AQ 4/1 程序执行时间0.6ms0.6ms0.3ms 0.3ms0.3ms（1K二进制指令）存储器标志位10242048 2048 2048 2048计数器/定时器32/6464/128 64/128 64/128 64/128 集成功能

有

无

无

有

无

例如：计数器/频率测量同时通过MPI44 4 44通讯的节点2.2硬件配置地址分配原则确定数字量信号地址：每个槽位占四个字节,递增确定模拟量信号地址：每个槽位占16个点,递增数字量信号编址模拟量信号编址举例2.3S7-300PLC的内部资源三个基本存储区——系统存储区、装载存储区和工作存储区外设I/O存储区累加器地址寄存器数据块地址寄存器状态字寄存器CPU程序所能访问的存储区——系统存储区的全部、工作存储区中的数据块（DB）、临时本地数据存储区（L堆栈，或称临时局域存储区）、外设I/O存储区（P）等。S7-300的存储器概念注释符号块:•

逻辑块(OB,FC,FB)•

数据块(DB)PG中的FlashEPROM存储器卡(随后插入CPU)块:•

逻辑块(OB,FC,FB)•

数据块(DB)附加信息系统存储器:•

PII,PIQ•M,T,C•保持的M,T,C•

保持的数据块保持存储器:当系统断

电时，不

用电池做

后备n.reten.reten.当系统有

电时，不

用电池做

后备RAM块：

•

逻辑块(OB,FC,FB)

•

数据块(DB)附加信息装载存储器：Flash-

EPROM工作存储器:

•

OB,FC,FB

•DBn.reten.reten.第三章SIMATIC管理器——STEP7入门PLC应用技术——第三章SIMATIC管理器——STEP7入门3.1概述3.2创建及编辑项目3.3硬件组态与参数设置SIMATIC管理器用于全面管理PLC的硬件、软件及与PLC联网的相关设备。STEP7用于管理S7-200/300/400PLC。STEP7V5.5以前的版本适用于WinXP系统，STEP7V5.5以后的版本可适用于Win7系统。TIA博途软件是西门子新一代框架软件，西门子控制、监控软件将会逐步集成在此软件中。TIA博途软件具有相同的数据库和平台，各个设备间可实现数据共享，而用户不用做任何额外工作，TIA博途STEP7V13是S7-1200、300、400PLC的编程软件，同时也可以对WinAC（软PLC）以及ET200智能分布式I/O站进行编程。3.1概述3.1.1安装STEP73.1.2使用STEP7的基木步骤3.1.3STEP7的启动3.1.1安装STEP7硬件/软件

要求

•

处理器 80486或更高，推荐Pentium•

硬盘(自由空间) 最小300MB(对

Windows、交换文件、STEP7、 项目)•

RAM >=32MB,推荐64MB•

接口

CP5611或

MPI卡或

PC-适配器

存储器卡编程适配器•

鼠标 要•

操作系统 Windows/XP/7STEP7和授权必须同时安装3.1.2使用STEP7的基木步骤3.1.3STEP7的启动FB21硬件软件项目管理过程OB1SIMATIC管理器I1.0I1.1Q4.0启动方法或双击SIMATIC管理器菜单和工具栏

标题栏

菜单栏

工具栏

状态栏

任务栏SIMATIC管理器中的工具条WindowsXP符号STEP7符号显示可访问的接点S7存储器卡下载(到

PLC)定义过滤器选择的过滤器仿真模块(S7-PLCSIM)3.2创建及编辑项目3.2.1项目结构3.2.2创建项目3.2.3编辑项目3.2.1项目结构SIMATIC管理器中离线/在线项目的存储位置3.2.2创建项目这里选择项

目名，用

“OK”确认。1.插入

S7程序2.插入S7块3.STEP7帮助系统3.2.3编辑项目复制一个项目复制一个项目中的一部分删除一个项目删除一个项目中的一部分配置组态在项目中生成软件1.复制一个项目修改名称和存储路径2.复制一个项目中的一部分3.删除一个项目4.删除一个项目中的一部分5.配置组态点击新的站，站中包含有对象“硬件”。打开对象“硬件”，“硬件组态”窗口即显示出来。在“硬件组态”窗口中，规划站的结构。利用菜单命令“查看”→“目录”可打开模块目录，以获得帮助。首先从模块目录中选择一个Rail（导轨）插入空的窗口中，然后选择若干模块并将其安放到机架的插槽中。每个站至少要配置一个CPU模块。6.在项目中生成软件打开S7或M7程序。打开S7或M7程序中的“符号表”，定义符号（此步也可以放到以后去做）。若要生成程序块则打开“块(Blocks)”文件夹，要生成源文件则打开“源文件（SourceFile）”文件夹。插入一个程序块或源文件的菜单命令可以是以下“S7块（S7Block）”、“S7软件（S7Software）”或“M7软件（M7Software）”。打开程序块或源文件，并录入程序。利用菜单命令“插入”→“文本库”对项目进行文献化。可以把由STEP7生成的全部配置数据组织成接线手册，即对一个STEP7项目进行文献化。此功能只有安装了选件包“DOCPRO”才存在。3.3硬件组态与参数设置3.3.1硬件组态的任务3.3.2硬件组态步骤3.3.3CPU参数设置3.3.4I/O模块参数设置3.3.1硬件组态的任务硬件组态的任务就是在STEP7中生成一个与实际的硬件系统完全相同的系统，例如要生成网络、网络中各个站的机架和模块，以及设置各硬件组成部分的参数，即给参数赋值。所有模块的参数都是用编程软件来设置的，完全取消了过去用来设置参数的硬件DIP开关。硬件组态确定了PLC输入，输出变量的地址，为设计用户程序打下了基础。组态时设置的CPU的参数保存在系统数据块SDB中，其他模块的参数保存在CPU中。在PLC启动时CPU自动地向其他模块传送设置的参数，因此在更换CPU之外的模块后不需要重新对它们赋值。PLC在启动时，将STEP7中生成的硬件设置与实际的硬件配置进行比较，如果二者不符，将立即产生错误报告。3.3.2硬件组态步骤生成站，双击“硬件（Hardware）”图标，进入硬件组态窗口；生成机架，在机架中放置模块；双击模块，在打开的对话框中设置模块的参数，包括模块的属性和DP主站、从站的参数；保存硬件设置，并将它下载到PLC中去。3.3.3CPU参数设置启动特性参数时钟存储器系统诊断参数与实时钟的设置保持区的参数设置保护级别的选择运行方式的选择日期-时间中断参数的设置循环中断参数的设置通信参数的设置DP参数的设置集成I/O参数的设置1.启动特性参数在硬件组态状态，双击CPU，点击“启动”选项卡2.时钟存储器时钟存储器位76543210频率(Hz)0.50.6211.2522.5510周期(s)21.610.80.50.40.20.13.系统诊断参数与实时钟的设置4.保持区的参数设置5.保护级别的选择6.运行方式的选择在“保护”页面的“模式”区中，可以选择：“过程模式”：测试功能（例如程序状态或监视修改变量）是被限制的，不允许断点和单步方式。“测试模式”：允许通过编程软件执行所有的测试功能，这可能引起扫描循环时间显著的增加。7.日期-时间中断参数的设置8.循环中断参数的设置3.3.4I/O模块参数设置数字量输入模块数字量输出模块模拟量输入模块模拟量输出模块1.数字量输入模块2.数字量输出模块3.模拟量输入模块模块诊断与中断的设置模块测量范围的选择模块测量精度与转换时间的设置设置模拟值的平滑等级4.模拟量输出模块举例：电机正反转控制PLC输入/输出分配PLC外部接线PLC硬件配置电源：PS3072ACPU315数字量输入模块：SM321DI16×24VDC数字量输出模块：SM322DO8×120/230VAC/2APS307电源模块的接线图(2A)SM321DI16×24VDC数字量输入模板的端子接线图和框图SM322DO8×120/230VAC/2A数字量输出模板的端子接线图和框图硬件组态启动SIMATIC管理器文件→新项目→下一个→CPU315→下一个→OB1(LAD)→下一个→取名“电机正反转控制”→完成双击SIMATIC300站点（CPU315已放入2号槽）→硬件→PS307(2A)放入1#槽→SM321DI16×24VDC放入4#槽→SM322DO8×120/230VAC/2A放入5#槽保存并关闭窗口硬件组态界面程序设计创建功能块FC1:双击“块”→右击空白区→插入新对象→功能→常规-第1部分→定义符号名“电机正反转控制”→常规-第2部分→定义作者名“弭洪涛”→确定双击“FC1”:在功能块FC1编程→写标题和注释→程序段1→正转程序→新建程序段2→反转程序定义FC1符号名定义FC1作者名FC1编程仿真运行进入主页面→双击OB1→输入CALLFC1→保存并返回主页面单击“仿真”按钮→打开仿真窗口→单击“STOP”→单击“插入输入变量”并设IB为0→单击“插入输出变量”并设QB为4→保存并返回主页面同时选中OB1和FC1→单击下载按钮将模拟器设为“RUN”→打开FC1→单击“监视”按钮→模拟运行S7管理器主页面在OB1中编写调用程序仿真器第四章西门子PLC软件系统

PLC应用技术——第四章西门子PLC软件系统4.1概述4.2位指令4.3字指令4.4控制指令4.1概述4.1.1编程语言4.1.2数据类型4.1.3指令的基本组成4.1.4操作数4.1.5寻址方式4.1.1编程语言A I0.0A I0.1= Q8.0STL&Q8.0=I0.0I0.1FBDI0.0I0.1Q8.0LAD4.1.2数据类型基本数据类型(到32位)复杂数据类型(长于32位)用户定义数据类型(长于32位)•位数据类型(BOOL,BYTE,WORD,DWORD,CHAR)•

数学数据类型(INT,DINT,REAL)•

定时器类型(S5TIME,TIME,DATE,TIME_OF_DAY)•时间(DATE_AND_TIME)•

矩阵(ARRAY)•

结构(STRUCT)•

字符串(STRING) 数据类型

UDT(用户定义数据类型)概述

数据类型决定数据的属性，例如：要表示元素的相关地址和值的允许范围。数据类型也决定了采用的操作数。

基本数据类型

基本数据类型根据IEC1131-3来定义，数据类型决定了需要的存储器空间。如：字型数据类型在用户存储器中占用16位。基本数据类型不超过32位，可以装入S7处理器的累加器中，利用STEP7基本指令处理。

复杂数据类型

复杂数据类型只能结合全局数据块的变量声明使用。用装入指令不能把复杂数据类型完全装入累加器。利用库中的标准块(“IEC”S7程序)处理复杂数据类型。

用户定义数据类型

用户定义数据类型用于数据块或在变量声明表中作为数据类型使用。

利用数据块编辑器建立UDT。UDT的结构包括基本和/或复杂数据类型。STEP7基本数据类型BOOL 1 True或False（1或0）BYTE 8 B#16#A9WORD 16 W#16#12AFDWORD 32 DW#16#ADAC1EF5CHAR 8 'w'S5TIME 16 S5T#5s_200ms INT 16 123DINT 32 L#65539REAL 32 1.2或34.5E-12TIME 32 T#2D_1H_3M_45S_12MSDATE 16 D#1993-01-20TIME_OF_DAY 32 TOD#12:23:45.12关键字长度(位)该类型的常数举例BOOL,BYTE,WORD,DWORD,CHAR BOOL型变量的数据类型包含一个位，BYTE、WORD、DWORD型变量分别包含8、16和32位。在这些数据类型中不按位方式来处理。这些数据类型的特殊形式是BCD数，它们是计数功能中的计数值。CHAR数据类型代表ASCII码的字符。S5TIME

在定时器功能中，定时器值要求是S5TIME数据类型的变量，可以用小时、分钟、秒或毫秒指定。

带下划线(1h_4m)或不带下划线(1h4m)输入时间值。库中的功能FC33把S5TIME转换成TIME格式，FC40把TIME转换成S5TIME格式。INT,DINT,REAL

这些数据类型变量表示算术操作中的数。TIME TIME数据类型的变量占用一个双字，该变量用于指定IEC定时器功能的时间值。变量内容用毫秒为单位的双整数表示，它可以是正数或负数(例如：T#1s=L#1000,T#24d20h31m23s647msw=L#214748647).DATE DATE数据类型的变量以无符号整数的形式占用一个字。变量内容表示从01.01.1990开始的天数(例如：D#2168-12-31=W#16#FF62).TIME_OF_DAY TIME_OF_DAY数据类型的变量占用一个双字，它包含用无符号整数的形式表示的从每天开始(0:00时钟)的毫秒数(例如：TOD#23:59:59.999=DW#16#05265B77)。复合数据类型关键字 长度(位) 举例

DATE_AND_TIME 64 DT#97-09-24-12:14:55.0

STRING 8*(字符个数+2) ´Thisisastring´

(最多254个字符的字符串) ´SIEMENS´

ARRAY 用户定义

测量值：

ARRAY[1..20]

(相同数据类型的元素组) INT

STRUCT 用户定义

Motor:STRUCT

(不同数据类型的元素组)

Speed:INT

Current:REAL

END_STRUCTUDT UDTasblockUDTasarrayelement

(用户定义数据类型= 用户定义

基本或复杂数据类型组成的

STRUCT Drive:ARRAY[1..4]

模板）

Speed:INT UDT1

Current:REAL

END_STRUCT 参数类型参数 字节长度

说明

定时器：TIMER

2字节

在被调用的逻辑块内定义一个特殊定时器格式：T1

计数器：OUNTER2字节在被调用的逻辑块内定义一个特殊计数器格式：C1

块：BLOCK指定一个块用作输入和输出格式：Block_FBFB2Block_FC2字节FC101Block_DBDB42Block_SDBSDB210指针：POINTER6字节定义内存单元格式：P#M50.0ANY10字节当实参的数据类型未知格式：P#M50.0byte10P#M50.0word54.1.3指令的基本组成语句表（STL）:一条语句指令由一个操作码和一个操作数组成，操作数由标识符和参数组成。例如：AI1.0

梯形图（LAD）:使用类似继电器控制电路中的触点符号及线圈符号来表示PLC的位元件，被扫描的操作数（用绝对地址或符号地址表示）则标注在触点符号的上方。4.1.4操作数操作数的标识符：由主标识符和辅助标识符组成。主标识符：I（输入过程映像存储区），Q（输出过程映像存储区），M（位存储区），PI（外部输入），PQ（外部输出），T（定时器），C（计数器），DB（数据块），L（本地数据）；辅助标识符：X（位），B（字节），W（字，2个字节），D（双字，4个字节）。操作数的表示法：物理地址（绝对地址）表示法和符号地址表示法

4.1.5寻址方式立即寻址直接寻址存储器间接寻址寄存器间接寻址立即寻址立即寻址的操作数是常数或常量，并且操作数直接在指令中。例：SET //把RLO置1OW W#16#320 //将常量W#16#320与ACCU1“或”运算L 1352 //把整数1352装入ACCU1L ‘ABCD’ //把ASCII码字符ABCD装入ACCU1L C#100 //把BCD码常数100（计数值）装入ACCU1AW W#16#3A12//常数W#16#3A12与ACCU1的低位相“与”

//运算结果在ACCU1的低字中直接寻址直接寻址包括对寄存器和存储器的直接寻址。在直接寻址的指令中，直接给出操作数的存储单元地址，包括寄存器或存储器的区域、长度和位置。例：AI0.0//对输入位I0.0进行“与”逻辑操作SL20.0//把本地数据位L20.0置1=M115.4//使存储区位M115.4的内容等于RLO的内容LIB10//把输入字节IB10的内容装入ACCU1TDBD12//把ACCU1中的内容传送给数据双字DBD12中存储器间接寻址在存储器间接寻址指令中，给出一个作地址指针的存储器，该存储器的内容是操作数所存储单元的地址。字指针和双字指针的格式例：

L +5 //将整数+5装入ACCU1。

T MW2 //将ACCU1的内容传送给存储字MW2，此时MW2的内容为5。

OPN DB[MW2]//打开由MW2指定的数据块，即打开数据块5。

间接寻址的区域标识位（rrr，第24~26位）rrr（第24~26位）区域标识符存储区000PI/O，外设I/O001I输入过程映像010Q输出过程映像011M位存储区100DBX共享数据块101DIX背景数据块111L本地数据寄存器间接寻址通过地址寄存器AR1和AR2，可以对各存储区的存储器内容实现寄存器间接寻址。地址寄存器的内容加上偏移量形成地址指针，该指针指向数值所在的存储单元。例：L P#8.6 //将2#00000000000000000000000001000110装入ACCU1LAR1//将ACCU1的内容传送至AR1。A I[AR1，P#0.0]//AR1加偏移量P#0.0，指明是对输入位I8.6进行“与”操作。= Q[AR1，P#4.1]//AR1加偏移量P#4.1，结果为2#00000000000000000000000001100111，指明是对输出位Q12.7进行赋值操作。寻址数据单元078位数据字节0DBB0数据字节1DBW0数据字节8191DBD8188DBW8190DBB8191数据字节2DBD0数据字节3DBX4.1概述

正如位存储器，数据块中的数据单元按字节进行寻址。可以装载数据字节、数据字或数据双字。当使用数据字时，需要指定第一个字节地址(如：LDBW2)，按该地址装入两个字节。使用双字时，该地址装