1、实用西门子PLC备课笔记 第一章绪 论第一节 可编程序控制器的产生与发展可编程序控制器(Programmable Controller)缩写为PC，以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和通讯技术，用面向控制过程，面向用户的“自然语言”编程，适应工业环境，简单易懂，操作方便，可靠性高的新一代通用工业控制装置。表示成PLC(Programmable Logic Contro1ler)与个人电脑PC(Personal Computer)相区别。事实上，已不再局限于逻辑控制，其运算功能，接口功能都越来越强了。一、 可编程序控制器的产生上世纪60年代，计算机技术已开始应用于工业控制了。但由于
2、计算机技术本身的复杂性，编程难度高、难以适应恶劣的工业环境以及价格昂贵等原因，未能在工业控制中广泛应用。当时的工业控制，主要还是以继电接触器组成控制系统。1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车制造公司（GM），为适应汽车型号的不断翻新，试图寻找一种新型的工业控制器，硬件： 减少软件： 灵活 简单针对上述设想，通用汽车公司提出了这种新型控制器所必须具备的十大条件：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 有名的“GM10条” 7输入可以是交流115V8输出可以是交流1
3、15V，2A以上，可直接驱动电磁阀9 在扩展时，原有系统只要很小变更10 用户程序存储器容量至少能扩展到4K字节我国从1974年开始研制，1977年开始工业应用。二、 可编程序控制器的发展早期的可编程序控制器是为取代继电器控制线路、存储程序指令、完成顺序控制而设计的。主要用于：1. 逻辑运算 2. 计时，计数等顺序控制，均属开关量控制。所以，通常称为可编程序逻辑控制器（PLCProgrammable Logic Controller）。 进入70年代，随着微电子技术的发展，PLC采用了通用微处理器，这种控制器就不再局限于当初的逻辑运算了，功能不断增强。因此，实际上应称之为PC可编程序控制器。至
4、80年代，随大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PC得到了惊人的发展。使PC在概念、设计、性能、价格以及应用等方面都有了新的突破。不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。国外PLC发展概况PLC自问世以来，经过40多年的发展，在美、德、日等工业发达国家已成为重要的产业之一。世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断翻新。产量产值大幅度上升而价格则不断下降。目前，世界上有2
5、00多个厂家生产PLC，较有名的：美国：AB通用电气、莫迪康公司；日本：三菱、富士、欧姆龙、松下电工等；德国：西门子公司；法国：TE 施耐德公司；韩国：三星、LG公司等。技术发展动向1. 产品规模向大、小两个方向发展2. PLC在闭环过程控制中应用日益广泛3. 不断加强通讯功能4. 新器件和模块不断推出5. 编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化6. 发展容错技术7.追求软硬件的标准化。三、 可编程序控制器的定义（P93）可编程序控制器一直在发展中，所以至今尚未对其下最后的定义。国际电工学会（IEC）曾先后于1982.11；1985.1和1987.2发布了可编程序控制器标准草案的第
6、一，二，三稿。在第三稿中，对PLC作了如下定义：可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，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，并通过数字的，模拟的输入和输出，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的外围设备，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。定义强调了PLC是：1 数字运算操作的电子系统也是一种计算机 2 专为在工业环境下应用而设计 3 面向用户指令编程方便 4 逻辑运算、顺序控制、定时计算和算术操作 5 数字量或模拟量输入输出控制 6 易与控制系统联成一体
7、7 易于扩充第二节 可编程控制器的用途及特点一、 可编程序控制器的特点为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，PC机有以下特点：1. 可靠性高，抗干扰能力强 工业生产对控制设备的可靠性要求：1 平均故障间隔时间长2 故障修复时间（平均修复时间）短任何电子设备产生的故障，通常为两种： 偶发性故障。由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。这类故障，只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统也随之恢复正常。但对PC而言，受外界影响后，内部存储的信息可能被破坏。 永久性故障。由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。如果能限制偶发性故障的发生条件，如果能使
8、PC在恶劣环境中不受影响或能把影响的后果限制在最小范围，使PC在恶劣条件消失后自动恢复正常，这样就能提高平均故障间隔时间；如果能在PC上增加一些诊断措施和适当的保护手段，在永久性故障出现时，能很快查出故障发生点，并将故障限制在局部，就能降低PC的平均修复时间。为此，各PC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，使PC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使PC具有了很强的抗干扰能力。硬件措施：主要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作由无触点的电子存储器完成，I/O系统设计有完善的通道保护和信号调理电路。1 屏蔽对电源变压器、CPU、编程器等主要部
9、件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。2 滤波对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，如LC或型滤波网络，以消除或抑制高频干扰，也削弱了各种模块之间的相互影响。3 电源调整与保护对微处理器这个核心部件所需的+5V电源，采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。4 隔离在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效地隔离I/O接口与CPU之间电的联系，减少故障和误动作；各I/O口之间亦彼此隔离。5 采用模块式结构这种结构有助于在故障情况下短时修复。一旦查出某一模块出现故障，能迅速更换，使系统恢复正常工作；同时也有助于加快查找故障原因。
10、软件措施： 有极强的自检及保护功能。1 故障检测软件定期地检测外界环境，如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等。以便及时进行处理。2 信息保护与恢复当偶发性故障条件出现时，不破坏PC内部的信息。一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续原来的程序工作。所以，PC在检测到故障条件时，立即把现状态存入存储器，软件配合对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何操作，以防存储信息被冲掉。3 设置警戒时钟WDT（看门狗）如果程序每循环执行时间超过了WDT规定的时间，预示了程序进入死循环，立即报警。4 加强对程序的检查和校验一旦程序有错，立即报警，并停止执行。5 对程序及动态数据进行电池后备停电后，利用后备电池
11、供电，有关状态及信息就不会丢失。 PC的出厂试验项目中，有一项就是抗干扰试验。它要求能承受幅值为1000V，上升时间1nS，脉冲宽度为1S的干扰脉冲。一般，平均故障间隔时间可达几十万上千万小时；制成系统亦可达45万小时甚至更长时间。2 .通用性强，控制程序可变，使用方便PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。3.功能强，适应面广现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序
12、控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。4.编程简单，容易掌握目前，大多数PC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PC
13、内部增加了解释程序）。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。5.减少了控制系统的设计及施工的工作量由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。并且由于PLC的强抗
14、干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。以三菱公司的F1-40M型PLC为例：其外型尺寸仅为305110110mm，重量2.3kg，功耗小于25VA；而且具有很好的抗振、适应环境温、湿度变化的能力。现在三菱公司又有FX系列PLC，与其超小型品种F1系列相比：面积为47%,体积为36%，在系统的配置上既固定又灵活，输入输出可达24128点。二、PLC的用途随着PLC的性能价格比的不断提高：微处理器的芯片及有关的元件价格大大降低，PC的成本下降PLC的功能大大增强，因而PLC的应用日益广泛。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸
15、、造纸、纺织、环保等各行各业。其应用范围大致可归纳为以下几种：1. 开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域。它取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制。开关量的逻辑控制可用于单机控制，也可用于多机群控，亦可用于自动生产线的控制等等。（参见教材P3）2. 运动控制PLC可用于直线运动或圆周运动的控制。早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机械，现在一般使用专用的运动模块。目前，制造商已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。即：把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴或多轴到目标位置。当每个轴运动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。运
16、动的程序可用PLC的语言完成，通过编程器输入。3. 闭环过程控制PLC通过模拟量的I/O模块实现模拟量与数字量的A/D、D/A转换，可实现对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的PID控制。4.数据处理现代的PLC具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算），数据传递、排序和查表、位操作等功能；可以完成数据的采集、分析和处理。数据处理一般用在大中型控制系统中；具有CNC功能：把支持顺序控制的PLC与数字控制设备紧密结合。5. 通讯连网PLC 的通讯包括PLC与PLC之间、PLC与上位计算机之间和它的智能设备之间的通讯。PLC和计算机之间具有RS-232接口，用双绞线、同轴电缆将它们连成网络，
17、以实现信息的交换。还可以构成“集中管理，分散控制”的分布控制系统。I/O模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后利用网络联结构成集中管理信息的分布式网络系统。并不是所有的PLC都具有上述的全部功能，有的小型PLC只具上述部分功能，但价格比较便宜。第三节 PLC的硬件组成一、PLC的组成根据物理结构形式的不同，PLC可分为整体式(也称单元式)和整体式(也称单元式)两类。整体式(也称单元式) （P96）整体式(也称单元式) （P97）整体式可编程控制器基本结构框图整体式结构的PLC是将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通讯端口、I/O扩展端口等组装在一个箱体内构成主机。另
18、外还有独立的I/O扩展单元等与主机配合使用。整体机结构紧凑，体积小，小型机常采用这种结构， 组合式可编程控制器基本结构框图 组合式PLC的组成如图所示。这种结构的PLC是将CPU、输入单元、输出单元、电源单元、智能I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块可以插在带有总线的底板上。装有CPU的模块称为CPU模块，其他称为扩展模块。组合式的特点是配置灵活，输入接点、输出接点的数量可自由选择，各种功能模块可以依需要灵活配置。中、大型PLC常用组合式结构。二、以下介绍PLC基本结构各组成部分及其作用。 1.中央处理器(CPU) CPU常用的微处理器有通用型微处理器、单片机和位片式计算机
19、等。通用型微处理器常见的如Intel公司的8086、80186、到Pentium系列芯片，单片机型的微处理器如Intel公司的MCS-96系列单片机，16位片式微处理器如AMD 2900系列的微处理器。小型PLC 的CPU多采用单片机或专用CPU，中型PLC的CPU大多采用16位微处理器或单片机，大型PLC的CPU多用高速32位片式处理器，具有高速处理能力。与一般计算机中样，CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊地进行工作，其主要任务如下。 接受从编程设备及外部单元送入的用户程序和数据；用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据，并存人输入映像存储器或数据存
20、储器中。 PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，解释并按指令规定的任务进行数据传递、逻辑或算术运算等；并根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像存储器的内容，再经输出部件实现输出控制、数据通信等功能。诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。2. 存储器可编程控制器的存储器由只读存储器ROM、随机存储器RAM和可电擦写的存储器EEPROM三大部分构成，主要用、用户程序及工作数据。ROM存储（系统存储器）-存放系统程序（由PLC生产厂家编写的系统程序）。随机存储器RAMEEPROM （用户存储器 ）用户存储器包括：用户程序存储器(程序区)、功能存储器(数据区)。功能存储器是
21、用来存放(记忆)用户程序中使用的ONOFF状态、数值数据等，它构成PLC的各种内部器件，也称“软元件”。用户存储器容量的大小，关系到用户程序容量的大小和内部器件的多少，是反映PLC性能的重要指标之一。3. 输入输出接口输入、输出接口是PLC与外界连接的接口。信号种类一类是开关量信号（或成为数字量信号）按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关；触器、电磁阀、指示灯、另一类是模拟量信号 由电位器、测速发电机和各种变换器等传来的模拟量输入信号。调节阀(模拟量)、调速装置(模拟量)等。输入接口用来连接被控对象中由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数
22、字拨码开关等的开关量输入信号；输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀(模拟量)、调速装置(模拟量)等。输入单元接收来自用户设备的各种控制信号，通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点相对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动被控设备的执行元件常用开关量输入/输出接口电路有：（1）输入接口电路通常PLC的输入类型可以是直流、交流和交直流。输入电路的电源可由外部供给，有的也可由
23、PLC内部提供。常用的开关量输入单元分为：直流输入单元、交流输入单元。直流输入单元交流输入单元常用的开关量输出单元可分为：晶体管输出单元、晶闸管输出单元、继电器输出单元。PLC的输出电路也有共点式、分组式、隔离式之别。输出只有一个公共端子的称为共点式；分组式是将输出端子分成若干组，每组共用一个公共端子；隔离式是具有公共端子的各输出点之间互相隔离，可各自使用独立的电源。4.电源电源单元的作用是把外部电源（220V的交流电源）转换成内部工作电压。外部连接的电源，通过PLC内部配有的一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC内部电路需要的工作电源（直流5伏、正负12伏、24伏），并为外
24、部输入元件（如接近开关）提供24V直流电源（仅供输入端点使用），而驱动PLC负载的电源由用户提供。5.扩展接口可编程控制器利用I/O扩展接口使I/O扩展单元与PLC的基本单元实现连接，当基本I/O单元的输入或输出点数不够使用时，可以用I/O扩展单元来扩充开关量I/O点数和增加模拟量的I/O端子。6. 通信接口外设接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能通过外设接口组成PLC的控制网络。PLC通过PC/PPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口与计算机连接，7编程工具 编程工具供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。编程器。编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机
25、编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符(指令表)后才能输入。它一般由简易键盘和发光二极管或其他显示器件组成。智能型的编程器又称图形编程器，它可以联机、也可以脱机编程，具有LCD或CRT图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。微机辅助编程，许多PLC厂家为自己的产品设计了计算机辅助编程软件，运行这些软件可以编辑、修改用户程序，监控系统的运行，打印文件，采集和分析数据，在屏幕上显示系统运行状态，对工业现场和系统进行仿真等。若要直接与可编程控制器通信，还要配有相应的通信电缆。第四节 PLC的软件及应用程序编程语言一、可编程控制器的软件PLC的软件：系统软件 用户程序系统软件：由PLC制
26、造商固化在机内，用以控制可编程控制器本身的运作；用户程序：由可编程控制器的使用者编制并输人，用于控制外部对象的运行。1系统软件系统软件主要包括：系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序模块及系统调用。第一部分为系统管理程序，它控制PLC的运行运行管理，控制可编程控制器何时输入、何时输出、何时计算、何时自检、何时通讯等时间上的分配管理；存储空间管理，即生成用户环境，有它规定各种参数、程序的存放地址，将用户使用的数据参数、存储地址化为实际的数据格式及物理存放地址。系统自检程序，它包括各种系统出错检验、用户程序语法检验、句法检验、警戒时钟运行等。第二部分为用户指令解释程序，通过用户解释程序，将PLC
27、的编程语言变为及其语言指令，再由CPU执行这些指令。第三部分为标准程序模块与系统调用，包括许多不同的功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、输出及特殊运算等的子程序等。2用户程序用户程序（应用程序），是可编程控制器的使用者针对具体控制对象编制的程序。（这相当于改变PLC的用途，相当于设计和改变继电器控制设备的硬接线线路，也就是所谓的“可编程序”。程序即可由编程器方便地送入到PLC内部的存储器中，也能方便地通过它读出、检查与修改。）“软继电器”或称编程“软元件”，参与PLC应用程序编制的代表编程器件的存储器。可编程控制器中设有大量的编程“软元件”，包括依编程功能称为输入继电器、输出继电器、定时
28、器、计数器等。以实际器件的区别：由于“软继电器”实质为存储单元，取用它们的常开触点及常闭触点实质上为读取存储单元的状态，因而认为一个继电器带有无数多个常开、常闭触点。二、可编程控制器常用的变成语言PLC提供的编程语言通常有三种：梯形图（LAD）、指令表（STL）和顺序功能流程图（SFC）1 梯形图编程 电器电路图-PLC梯形图 PLC继电器图形符号-物理继电器其编程思想也与继电器控制系统梯形图基本一致：经验法、逻辑法、顺序功能图法。只是PLC在编程中使用的继电器、定时器、计数器等，其功能都是由软件实现的。图5-8是典型的梯形图示意。左右两垂直的线称作母线(右母线可省略)。在左右两母线之间，元件
29、相关符号及接点在水平方向上相串联，或相并联，以表达它们之间的“与”及“或”的关系。图中主要的符号是触点及线圈，它们都属于PLC的一定的存储单元，也即前面提到的“软元件”。PLC“能流”(Power Flow)-电器控制电流PLC梯形圈的一个关键概念是“能流”(Power Flow)，一种假想的“能量流”。如图5-8中，把左边的母线假设为电源“火线”，而把右边的母线(虚线所示)假想为电源“零线”。如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励。如没有“能流”则线圈未被激励。“能流”可以通过被激励(ON)的常开接点和来被激励(OFF)的常闭接点自左向右流，也可以通过并联接点中的一个接点流向右边。“能
30、流”在任何时候都不会通过接点自右向左流。引入“能流”概念仅仅是用于告诉人们如何来理解梯形图各输出点的动作，实际上并不存在这种“能流”。2 指令表编程 指令表(STL)语言类似于计算机中的助记符语言，它是可编程控制器最基础的编程语言。所谓指令表编程，是用一系列的指令表达程序的控制要求。指令两部分组成：助记符，操作数或称为操作数的地址助记符一是由几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种操作功能；操作数或称为操作数的地址指令还和梯形图有一定的对应关系。（不同厂家PLC的指令不尽相同，本书将在后续内容中介绍S7-200系列PLC的梯形图及指令。）可编程控制器S7200系列PLC的基本指令包括“与”、
31、“或”、“非”以及定时器、计数器等。3 状态流程图(功能图)编程 状态流程图(SFC)编程是一种较新的编程方法，它的作用是用“功能图”表达一个顺序控制过程。图中用方框表示整个控制过程中的一个 “状态”，或称“功能”或称“步”，用线段表示方框间的关系及方框间状态转换的条件。这是一个钻孔顺序的例子。方框中的数字代表顺序步，每一步对应一个控制任务，每个顺序步的步进条件以及每个顺序执行的功能可以写在方框右边。4功能块图(FBD)编程此外，国际上还流行功能块图(FBD)编辑器，这也是一种图形编程语言。和梯形图相比，功能块图没有母线、触点及线圈，只有表示指令功能的方框，方框间用线段表示方框间的联系，整个图形则用来表示一定的控制功能。功能块图(FBD)编辑器-数点电路第五节 可编程控制器的工作原理及运行方式一、可编程控制器的工作原理画一个图二、可编程的运行状态与运行框图PLC 的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式，如图2-7所示。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。 CPU 从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。
