1、大中型 PLC 工业控制应用技术（试用版）罗庚兴 编著课件网址：http:/ 东 松 山 职 业 技 术 学 院Guangdong Songshan Polytechnic CollegeI目 录学习情境 1 传送带控制装置 11.1 PLC 基础知识 11.1.1 认识各种 PLC11.1.2 PLC 的发展历程 21.1.3 PLC 的结构特点 41.1.4 PLC 的应用领域 81.1.5 PLC 与 DCS、IPC 的比较 91.1.6 PLC 的工作原理 91.1.7 S7-300 系列 PLC 简介 131.1.8 S7-400 系列 PLC 简介 221.1.9 ET200 分布
2、式 I/O 241.1.10 习题 1 25实训情境 1.1 让 PLC 动起来 32实训 1.1 习题 2 381.2 基本逻辑指令 401.2.1 S7-300/400 的编程语言 .401.2.2 STEP7 的数据类型 411.2.3 CPU 的存储器 441.2.4 触点指令 .461.2.5 线圈类指令 .481.2.6 脉冲指令 .491.2.7 影响 RLO 的指令 .501.2.8 影响 BR 位的指令 511.2.9 跳转指令 .511.2.10 习题 3 53实训情境 1.2 传送 带控制 .571.3 数据处理指令 581.3.1 数据装载和传送指令 581.3.2 比
3、较指令 591.3.3 数据转换指令 601.3.4 习题 4 631.4 计数器指令 651.4.1 加计数器（S_CU） 651.4.2 减计数器（S_CD） 661.4.3 加减计数器（S_CUD） .661.4.4 习题 5 68实训情境 1.4 传送带零件计数 .691.5 定时器指令 701.5.1 定时器的时间格式 701.5.2 接通延时定时器（SD） 71II1.5.3 保持型接通延时定时器（SS） .721.5.4 脉冲定时器（SP） .721.5.5 扩展脉冲定时器（SE） .731.5.6 关断延时定时器（SF） .741.5.7 习题 6 76实训情境 1.5 传送带
4、故障报警 .781.6 数学运算指令 791.6.1 四则数学运算指令 .791.6.2 浮点数高级数学运算指令 .811.6.3 移位与循环移位指令 .821.6.4 数字逻辑运算指令 .831.6.5 习题 7 84实训情境 1.6 数码管显示 .86学习情境 2 自动线上料、搬运和存储装置 872.1 经验编程方法 872.2 继电器电路转换方法 89实训情境 2.1 上料供应控制 .922.3 顺序控制编程方法 932.3.1 顺序控制设计法 .932.3.2 顺序功能图 .932.3.3 设计顺序控制梯形图的一些基本问题 .952.3.4 应用举例 .962.4 习题 8 .109实
5、训情境 2.2 机械手控制 .115实训情境 2.3 分类存储控制 .116学习情境 3 传送带速度监控 1173.1 结构化编程 1173.1.1 用户程序的基本结构 .1173.1.2 符号 .1213.1.3 功能块的生成和调用 .1243.1.4 功能的生成和调用 .1273.1.5 习题 9 132实训情境 3.1 传送带速度监视 .1363.2 组织块 1373.2.1 组织块概述 .1373.2.2 中断 OB.1393.2.3 习题 10 1453.3 PID 控制 .1473.3.1 模拟量的输入与输出 .1473.3.2 闭环控制与 PID 控制器 .1593.3.3 连续
6、 PID 控制器 SFB41（FB41） 1603.3.4 PID 控制器的参数整定方法 .1623.3.5 习题 11 163实训情境 3.3 传送带速度调节 .167III学习情境 4 控制系统综合实训 168实训情境 4.1 PLC 自动线控制系统 168实训情境 4.2 PLC 温度控制系统 1694.2.1 任务要求 1694.2.2 控制系统组成 .1694.2.3 PLC 控制设计 1704.2.4 WINCC 监控设计 1774.2.5 运行调试效果 .1794.2.6 结语 .1801学习情境 1 传送带控制装置1.1 PLC 基础知识1.1.1 认识各种 PLC1. 小型
7、PLC图 1.1.1 为国内外著名 PLC 生产厂家研制的各种小型 PLC。图（a）为国产小型 PLC，图（b）、（c）是日本生产，图（d）是德国西门子公司的产品。其他在国内用得比较多的小型机还有日本松下公司的 FP 系列 PLC，日本东芝公司的 E 系列 PLC。2. 大中型 PLC图 1.1.2 为国内外著名 PLC 生产厂家研制的各种大中型 PLC。图（a）为日本欧姆龙公司生产的 CVM1-CPU11，图（b）为中国和利时公司生产的 LK 系列，图（c）为德国西门子生产的 S7-400 系列，图（d）是德国西门子公司生产的 S7-300 系列，图（e）是美国 GE 公司与日本 FANUC
8、 公司共同研制的 PLC 产品。其他在国内用得比较多的大中型机还有美国 AB公司、法国施耐德公司的 PLC。(a) 和利时 LEC-G3 系列图 1.1.1 常用小型 PLC(b) 三菱 FX2N 系列(c) 欧姆龙 CP1L 系列 (d) 西门子 S7-200 系列21.1.2 PLC 的发展历程1. PLC 的产生1968 年，美国通用汽车公司（GM），为了满足生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量产品的要求，适应汽车改型或改变工艺流程的生产要求，希望新的逻辑顺序控制装置具有以下功能特点：（1） 用计算机代替继电器控制盘。（2） 用程序代替硬件接线。（3） 输入/输出电平可与外部装置
9、直接连接。（4） 结构易于扩展。其具体思路如图 1.1.3 所示。根据以上要求和设计思路，美国的数字设备公司（DEC）在 1969 年研制出了世界上第一台可编程序控制器，并在 GM 公司的汽车自动装配线上首次使用，获得成功。此后这项技术迅速发展，并推动世界各国对可编程序控制器的研制和应用。1971 年日本从美国引进技术(a) OMRON CVM1-CPU11图 1.1.2 常用大中型 PLC(e) GE-FANUC 90(b) HOLLiAS-LK(d) SIEMENS S7-300(c) SIEMENS S7-400控制器 输出部分输入部分计算机按 钮行程开关选择开关接触器指示灯电磁阀图 1
10、.1.3 PLC 的设计构成3很快就研制出了日本的第一台可编程序控制器，1973 年西欧各国的各种可编程序控制器也相继研制成功，我国于 1974 年开始研制，1977 年开始工业应用。2. PLC 的定义早期的可编程序控制器在功能上只能进行逻辑控制，因此被称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称 PLC。随着计算机技术的飞速发展，微处理器被迅速用作可编程序控制器的中央处理单元，使可编程序控制器不仅可以进行逻辑控制，也可以完成模拟量的控制，其功能和处理速度大大增强，而且具有通信功能和远程 I/O 能力。因此，在 80 年代90 年代，可编程序控制
11、器（Programmable Controller）简称为 PC。90 年代末以后，为了与个人计算机（Personal Computer）的简称 PC 相区别，可编程序逻辑控制器仍然简称为PLC。国际电工委员会（IEC）在 1985 年对 PLC 的定义如下：可编程序控制器是一种数字逻辑运算操作的电子系统，专为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。3. 国际典
12、型 PLC 生产厂家经过三十多年的发展，目前世界上著名的 PLC 厂家及其 PLC 产品主要有：（1） 美国 A-B 公司（Allen-Bradley）的 PLC 系列，美国 GE-Fanuc 公司的 GE 系列。（2） 德国西门子公司（SIEMENS）的 LOGO、S7-200、 S7-300/400 系列。（3） 法国施耐德公司（Schneider）的 Modicon TSX Micro 型 PLC。（4） 日本三菱公司（MITSUBISHI）的 FX 系列，欧姆龙公司（OMRON ）的 C 系列和CQM1 等，东芝公司（Toshiba）的 EX20/40 系列和 V 系列等。1994 年
13、，美国 Automation Research Co.（ARC）的商情调查表明，世界最大的 5 家 PLC制造商依次是：德国西门子公司、美国 A-B 公司、法国施耐德公司、日本三菱电机和欧姆龙公司。4. 中国 PLC 应用现状（1）机械行业 80%以上的设备仍采用传统的继电器和接触器进行控制。（2）大中型企业普遍采用了先进的自动化系统对生产过程进行控制；加入 WTO 后，越来越多的小型企业将采用经济、实用的自动化产品对生产过程进行控制，以提高企业的经济效益和竞争实力。（3）中国正在努力成为世界新的制造业基地，制造业的控制主要以离散控制为主，PLC是该领域控制系统的首选。（4）欧美公司在大中型
14、PLC 领域占有绝对优势，日本公司在小型 PLC 领域占据十分重要的位置，中国 PLC 市场 95以上被国外产品占领。5. 国产 PLC 厂商（1）北京和利时公司：LK 大型 PLC、LM 系列小型 PLC （2）北京安控公司：PLCcore 系列、DemoEC11 系列 （3）深圳德维森公司：ATCS PPC11、PPC22、PPC31 系列（4）上海正航公司：A 系列、 M 系列、R 系列、U 系列 4（5）台安 (无锡) 公司 ：TP03 （6）北京凯迪恩公司 ：KDN-K3 系列小型一体化 PLC （7）南京冠德公司 ：JH200 系列、CA2 系列 （8）无锡信捷公司 ：XC 系列
15、PLC、FC 系列 PLC1.1.3 PLC 的结构特点1. PLC 的基本结构PLC 主要由 CPU 模块、输入/输出接口、存储器和电源模块五部分组成，其结构如图 1.1.4所示。2. 各组成部分的作用（1）CPU 。CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢的作用，相当于人的大脑。它接收并存贮用户程序和数据，不断地用扫描的方式采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出，以及诊断 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误。（2）存储器。用于存放系统程序、用户程序和运行数据。它包括只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM）。只读存储器（ROM）用来存放监视程序、管理程序、命令解释程序、功
16、能子程序、系统诊断程序等系统程序，不能被用户随意改变。系统程序也常用 PROM 或 EPROM 来存放。随机存取存储器（RAM）用来存放用户编制的应用程序和各种系统参数（如 I/O 映像、定时、累加数据等）。（3）输入/输出接口。也称为 I/O 接口、I/O 模块。是 CPU 与现场 I/O 装置或设备通信的桥梁。是 CPU 与现场 I/O 装置的设备通信的桥梁，PLC 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O ）完成的。 I/O 分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI ），模拟量输出（AO）等模块。常用的 I/O 分类如下。开关量模块，按电压水平分，有 220VAC
17、、110VAC 、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量模块，按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA ）、电压型（0-10V,0-5V, -10-10V）等，按精度分，有 12bit、14bit、16bit 等。I/O扩展接口外设接口输 入 接 口输 出 接 口CPU模块电源模块存储器用 户系 统编程器CRTHMI打印机按钮选择开关行程开关拨码开关光电开关电位器接触器电磁阀指示灯数显装置调节阀图 1.1.4 PLC 的基本结构示意图5特殊 IO 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。（4）电源模块。PLC 一般使用 AC220V 或 DC24V 电源。内部的开关型
18、电源模块，将其转换成 DC5V、DC12V、DC24V 的电压供 CPU、存储器和接口电路使用。开关型电源具有输入电压范围宽、体积小、质量轻、效率高、抗干扰性能好等优点。（5）I/O 扩展接口。是 PLC 为了扩展输入/输出点数和类型的部件，有并行接口、串行接口等多种形式。（6）外设接口。是 PLC 实现人机对话、机机对话的通道，一般采用 RS232C 或 RS422A串行通信接口。PLC 通过它们可以和编程器、彩色图形显示器（ CRT）、打印机、人机界面（如 OP3、OP27、TP27、TP37 等）、其它 PLC 或上位机 PC 连接。（7）外部设备。PLC 的外部设备有编程器、彩色图形显
19、示器（ CRT）、人机界面、打印机、存储卡等。编程器是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器 PLC 一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是控制系统的上位机。最简单的人机界面是指示灯和按钮。目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。 3. PLC 的分类（1）按结构形式分1）整体式 PLC把 CPU、存储器、 I/O 接口、电源等都装配在一起的整体装置。一个箱体就是一台完整
20、的 PLC。早期产品和小型低档机多采用这种结构。其结构紧凑、体积小、成本低、安装方便。这类产品有 OMRON 公司的 C20P、C40P、C60P，三菱公司的 F1、F2、FX2 系列，东芝公司的 EX20/40 系列，SIEMENS 公司的 LOGO、S7-200 系列，和利时自动化公司的HOLLiAS-LEC G3 系列等。2）模块式 PLC把 PLC 的每个工作单元都制成独立的模块，通过带有插槽的母板或机架，把这些模块按控制系统需要选取后，都插到母板或机架上，构成一台完整的 PLC。这种结构的 PLC 系统构成非常灵活，安装、扩展、维修很方便。常见的产品有 OMRON 公司的 C200H
21、、C2000H，三菱公司的 A 系列，东芝公司的 V 系列，SIEMENS 公司的 S7-300/400 系列，GE-Fanuc 公司的 GE-90U 等。（2）按 I/O 点数及内存容量分一般将一路信号叫做一个点，将输入点数和输出点数的总和称为机器的点。按照点数和存储容量来分，PLC 大致可分为大、中、小型三种。1）小型 PLC。I/O 点数小于 256 点，单 CPU，8 或 16 位处理器，用户存储器容量在 2K字以下。如：GE-I 型、FX1S/FX2N、C20/C40 、LOGO/S7-200、EX20/EX40。小型 PLC 在结构上一般是整体式的，主要用于中等以下容量的开关量控制
22、，具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制、通信等功能。62）中型 PLC。I/O 点数在 2561024 点之间，单（双）CPU，用户存储器容量在 2K8K字。如：S7-300、GE- 、C-500 、基本型 QCPU。中型 PLC 属于摸块式结构，除具有小型 PLC 的功能外，还增加了数据处理能力，适用于小规模的综合控制系统。3）大型 PLC。I/O 点数在 1024 点以上，用户存储器容量达 8K 字以上。属于模块式结构，主要用于多级自动控制和大型分布式控制系统。如：S7-400、GE-、 C-2000、高性能型QCPU。（3）按功能分PLC 按功能可以分为低档机、中档机和高档机。低档机以逻辑
23、运算为主，具有定时、计数、移位等功能。中档机一般具有整数及浮点运算、数制转换、PID 调节、中断控制及联网功能，可用于复杂的逻辑运算及闭环控制场合。高档机具有更强的数字处理能力，可进行矩阵运算、函数运算，完成数据管理工作，有更强的通信能力，可以和其他计算机构成分布式生产过程综合控制管理系统。4. PLC 的特点（1）硬件配套齐全，功能完善，适应性强PLC 已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件方面的设计工作只是确定 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接线。控制对象的硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。一台小型 P
24、LC 内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以用于各种规模的工业控制场合。PLC 不仅可以实现逻辑运算、定时、计数、顺序控制，而且还可以对模拟量实现 PID 控制、数值运算和数据处理等功能。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。（2）可靠性高，抗干扰能力强PLC 采用的一系列的硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可直接用于有强烈干扰的工业生产现场。工作原理方面。PLC 采用循环扫描工
25、作方式，集中采样和集中输出，避免了触点竞争；执行用户程序过程中与外界隔绝，大大减少了外界干扰。硬件方面。PLC 的 I/O 电路与 CPU 之间采用光电隔离措施，有效地抑制了外部干扰源对PLC 的影响，同时可防止外部高电压窜入 CPU 模块；在 PLC 电源和 I/O 模块中，设置了多种滤波电路，有效地抑制了高频干扰信号；采用开关电源，具有自动调整与保护性能；CPU模块用良好的导电材料进行屏蔽，消除了空间电磁干扰的影响；此外，I/O 电路还设置了输出联锁、故障诊断与显示电路。软件方面。设置了故障检测与诊断程序，信息保护与恢复程序等功能。PLC 在扫描时，检测系统硬件是否正常，检测锂电池电压是否
26、过低，外部环境是否正常（如交流电源是否掉电、输入电压是否超过允许值等）；此外，PLC 还要检查用户程序的语法错误。发现问题后，立即自动做出相应的处理，如报警、保护数据、封锁输出等。（3）编程方法简单易学7PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言是 PLC 使用最多的编程语言，其图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。（4）系统的设计、安装、调试和维修工作量少，维修方便PLC 用软
27、件功能取代了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，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC 的梯形图一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比继电器系统电路图的设计时间要少得多。PLC 的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过 PLC 模块上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般可以通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统要少得多。PLC 的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC 或外部的输入装置或执行机构发生故障时，可以
28、根据 PLC 上的发光二极管或编程器上提供的信息迅速地查明产生故障的原因，用更换模块的方法迅速地排除故障。（5）体积小，能耗低PLC 是集成了微电子技术、计算机技术和自动控制技术等的新型工业控制装置，其结构紧凑、坚固，体积小，重量轻，工耗低。如 S7200 CPU224，外形尺寸为 120.58062；又如 S7300 CPU314/315，其外形尺寸（长高宽）为 13012580，重量 530g，功耗仅为8W；其扩展模块，如 SM321 外形尺寸为 11712540，重量 200g，功耗仅为3.5W，SM322 的功耗为 5W。部分 PLC 和扩展模块的体积和功耗如表 1-1-1 所示。表
29、1-1-1 常见 PLC 和扩展模块的尺寸重量一览表型号 尺寸（mm） WHD 重量（g） 功率（W）F1-30MR 2759090 1900 22LOGO 729055 CPU224 1208062 CPU315-2DP 80125130 530 8SM321 40125117 200 3.5SM322 40125117 200 5此外，PLC 的配线比继电器控制系统的配线少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，加上开关柜体积的缩小，可以节省大量的费用。1.1.4 PLC 的应用领域微电子技术的进展运用到 PLC 中，元器件的集成度越来越高，使得 PLC 的性能价格比不断
30、提高，应用范围也不断扩大。PLC 在工业自动化中起着举足轻重的作用，在国内外已广泛应 用于机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、 交通等行业。经验表明， 80 以上的工业控制可以使用 PLC 来完成。在日本，凡 8 个以上中间继电器组成的8控制系统都已采用 PLC 来取代。以微处理器为核心的 PLC，不仅适用于开关量、模拟量和数字量的控制，而且已进入过程控制和位置控制等领域，成为一种多功能、高可靠性、应用场合最多的工业控制微型计算机。1. 开关量逻辑和顺序控制这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于
31、多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 2. 运动控制PLC 使用专用的运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可实现单轴、双轴、3 轴和多轴位置控制，使运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。PLC 的运动控制功能广泛地用于各种机械，如金属切削机床、装配机械、机器人、电梯等场合。3. 闭环过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。 PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型 PLC 都有 PID 模块
32、，目前许多小型 PLC 也具有此功能模块。PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 4. 数据处理现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 5. 通信联网PLC 的通信包括主机与远程 I/O
33、之间的通信、多台 PLC 之间的通信、PLC 和其他智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。PLC 与其他智能设备一起，可以组成“集中管理、分散控制” 的分布式控制系统（DCS）。1.1.5 PLC 与 DCS、IPC 的比较目前，在钢铁企业的烧结、炼铁、炼钢、连铸、轧钢等主要生产工序和流程中基本上普及了基础自动化，PLC、DCS 和 IPC 在我国钢铁行业的应用情况如表 1-1-2。表 1-1-2 PLC、DCS 和 IPC 我国钢铁行业的应用情况产品类型 PLC DCS IPC数量（台） 7726 1280 4791PLC、DCS 和 IPC 近几年在国际市场的销售和占有情况
34、如表 1-1-3。9表 1-1-3 PLC、DCS 和 IPC 在国际市场的占有情况占有率 PLC DCS IPC1993 年 39 亿美元（ 41%） 26.4 亿美元（31%） 10.2 亿美元（12%）2003 年 76 亿美元（ 50%） 41 亿美元（27%） 21.3 亿美元（14%）2005 年 57% 26% 17%PLC 在各种行业的应用情况如表 1-1-4。表 1-1-4 PLC 的行业应用情况行业 汽车 粮食加工 化学/制药 金属/矿山 纸浆/造纸 其它占有率 22.6% 16.4% 14.6% 11.5% 11.3% 23.6%2005 年控制产品在塑料机械上的应用情况
35、如表 1-1-5。表 1-1-5 控制产品在塑料机械上的应用情况产品名称 PLC IPC 嵌入式微机 继电器占有率 63% 8% 25% 4%1.1.6 PLC 的工作原理1. PLC 的逻辑运算在数字量（或开关量）控制系统中，变量仅有两种相反的工作状态高电平和低电平。高电平用 1 表示，线圈得电、常开触点接通等，均为逻辑变量 1。低电平用 0 表示，线圈断电、常开触点断开等，均为逻辑 0。使用继电器电路或 PLC 的梯形图都可以实现数字量的逻辑运算。基本逻辑运算的 PLC表示方法如图表 1-1-6。表 1-1-6 基本逻辑运算的 PLC 表示方法逻辑关系 与 或 非逻辑式 Q4.0=I0.0
36、I0.1 Q4.1=I0.2+I0.3 Q4.2=I0.4语句表A I 0.0A I 0.1= Q 4.0O I 0.2O I 0.3= Q 4.1AN I 0.4= Q 4.2梯形图功能块图2. PLC 的工作过程我们用异步电动机起保停控制电路来理解 PLC 的工作过程。图 1.1.5（a）是主电路，图（b）是继电器控制电路。继电器控制方式下，按下起动按钮 SB1，KM 得电自锁，电机得电运行；按下停止按钮 SB2，KM 断电并解除自锁，电机失电自然停车。图 1.1.6 是 PLC 控制电路和工作机理。PLC 控制方式下，按下 SB1，输入点 I0.1=1，而 I0.2=0，梯形图经过逻辑运
37、算后，Q4.0=1；当松开 SB1 后，Q4.0 通过自锁触点保持为 1；PLC 刷新输出后，Q4.0 的输出为 1，使 KM 接通，电机得电运行。当按下 SB2，输入点 I0.2=1，而 I0.1=0，梯形图经I0.I.14.0I0.2I0.34.1I0.4Q.2=&Q4.0I0.1 =Q4.1I0.23 =Q4.2I0.4&图 1.1.5 电动机起保停控制 图 1.1.6 PLC 控制工作机理（ a）主电路 （b）控制电路10过逻辑运算后，Q4.0=0；当松开 SB2 后，因 Q4.0 自锁触点已经断开，Q4.0 保持为 0；PLC刷新输出后，Q4.0 的输出为 0，使 KM 断开，电机失
38、电停止运行。3. PLC 的循环扫描过程PLC 得电或由 STOP 模式切换到 RUN 模式时，CPU 执行启动操作，清除没有保持功能的位存储器、定时器和计数器，清除中断堆栈和块堆栈的内容，复位保存的硬件中断等。此后，还有执行一次用户编写的“系统起动组织块”OB100，完成用户指定的初始化操作。以后，进入周期性循环扫描，如图 1.1.7所示。（1）操作系统启动循环时间监控。（2）CPU 读入输入模块的输入状态，并存入输入过程映像区 PII。（3）CPU 处理用户程序 0B1，执行用户程序中的指令。（4）CPU 将输出过程映像区 PIQ 的数据写到输出模块并锁存。（5）操作系统执行其它被挂起的任
39、务，如下载和删除块、接收和发送全局数据等。（6）CPU 返回第 1 阶段，重新启动循环时间监控。PLC 的用户程序 OB1 由若干指令组成，指令在存储器中顺序排列。在没有跳转指令和块调用指令时，CPU 从第一条指令开始，逐条顺序地执行 OB1，直到程序结束处。在执行指令时，从输入过程映像区或别的存储区中将有关编程元件的 0、1 状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到对应的存储区中，因此，各编程元件的存储区（PII 除外）的内容随着程序的执行而变化。循环扫描时间（Cycle Time ）是指操作系统执行一次如图 1.1.7 所示的循环操作所需要的时间，包括执行 OB1
40、中的程序段和中断该循环的系统操作的时间。循环时间又称为扫描循环执行OB100启动循环时间监控读入PII执行用户程序输出PIQ执行其它任务循 环 扫 描图 1.1.7 PLC 循环扫描过程11时间（Scan Cycle Time）或扫描周期。循环时间与用户程序的长短、指令的种类和 CPU 执行指令的速度有很大的关系。4. PLC 的工作原理梯形图以指令的形式存储在 PLC 的用户程序存储器中，图 1.1.6 中的梯形图与下面的 6条指令相对应。A(O I 0.1 /接在左母线上的 I0.1 的常开触点O Q 4.0 /与 I0.1 的常开触点并联的 Q4.0 的常开触点)AN I 0.2 /与并
41、联电路串联的 I0.2 的常闭触点= Q 4.0 /Q4.0 的线圈O（Or，或）指令表示常开触点并联，AN（And Not，与非）指令表示常闭触点串联，=（输出）指令表示将逻辑运算结果（RLO）传送给指定的存储位（这里是 Q4.0）。在读取输入模块阶段，CPU 将外部信号 SB1、SB2 的 ON/OFF 状态读入相应的输入过程映像位。外部触点接通时，存入到过程映像位的是逻辑值 1，反之存入 0。执行第一条“O”指令时，从输入过程映像位 I0.1 中取出逻辑值，存放到 RLO 中。执行第二条“O”指令时，从输出过程映像位 Q4.0 中取出逻辑值，并将之与 RLO 中的值相“或”，结果存放到
42、RLO 中。执行“AN”指令时，从输入过程映像位 I0.2 中取出逻辑值，因为是常闭触点，首先将它取反，然后将取反值与 RLO 中的值相“与”，结果存放到 RLO 中。执行“=”指令时，将 RLO 中的值送入到 Q4.0 的输出过程映像位。在数据写出到输出模块阶段，CPU 将各输出过程映像位中的逻辑值传送给输出模块，并由后者将数据锁存起来。5. I/O 数据 处理 过程PLC 的 I/O 数据处理过程分为三个阶段，如图 1.1.8 所示。在输入采样阶段，接到输入端子的外部现场信号经输入调理电路隔离、滤波、电平转换等方式处理后，转换为数字量信号送到输入缓冲器中 PI 等待 CPU 采样。在读入数
43、据时，CPU 发出采样允许信号，输入缓冲器中的数据批量传送到输入映像区 PII 中存放。采样结束后，即使外部端子的信号发生变化，对应内部存储位的值也保持不变。在程序执行阶段，CPU 按 OB1 中设计的顺序从输入映像区、输出映像区或其它数据存储区调用数据进行运算，并将运算结果存放到输出映像区和其它数据存储区。在输出刷新阶段，写出数据时，CPU 发出输出允许信号，输出映像区 PIQ 的数据批量传送到输出锁存器 PQ 中保存下来。刷新结束后，即使输出映像区的数据发生变化，对应输出锁存器的值也保持不变。输出锁存器的值经输出驱动电路隔离、放大等方式处理后，转换为开关信息或电压/电流信号经输出端子去控制
44、外部电路。126. I/O 响 应滞后原理输入输出滞后时间又称为系统响应时间，是指 PLC 的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的外部输出信号发生变化的时刻的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分组成。输入模块的 RC 滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外部输入触点动作时产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为 10ms 左右。输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在 10ms 左右；双向晶闸管输出电路在负载通电时的滞后是将约为 1ms，负载由通电到断电时的最大滞后时
45、间为 10ms；晶体管型输出电路的滞后时间一般在1ms 以下。由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达 23 个扫描周期。图1.1.9 是一个 I/O 响应滞后的例子，从 I0.1 接通到 Q4.2=ON，时间间隔为 3 个扫描周期。PLC 总的响应延迟时间一般只有几 ms 到几十 ms，对于一般的系统来说是无关紧要的。对于要求较高的控制系统，可以选用扫描速度快的 PLC 或采取中断等措施。1.1.7 S7-300 系列 PLC 简介西门子公司的 PLC 产品有 SIMATIC S7、M7 和 C7 几大系列。 S7 系列是传统意义的PLC 产品。S7-200 是针对低性能要求的小型 PLC，使用
46、 STEP7-Micro/WIN32 编程软件。S7-300 是针对中等性能要求的模块化中小型 PLC。S7-400 是用于中高级性能要求的大型 PLC。1. S7-300 的特点S7-300PLC 的外观如图 1.1.10 所示，其特点如下： 针对中等性能要求的模块式中小控制系统； 可以扩展多达 32 个模块； 模块内集成背板总线； 网络连接：多点接口（MPI）、PROFIBUS 或 Industrial Ethernet ；图 1.1.8 I/O 数据处理过程图 1.1.9 I/O 响应滞后原理13 无插槽限制； 借助于“HWConfig”工具可以进行组态和设置参数。2. S7-300 的
47、系统结构S7-300 采用紧凑的、无插槽位限制的模块结构，模板钩在 DIN 导轨上，然后用螺栓锁紧即可。导轨是一种专用的金属机架，有多种不同长度规格的导轨供用户选择。S7-300PLC 的安装如图 1.1.11。电源模块（PS）、CPU 模块、接口模块（IM）、信号模块（SM ）、功能模块（ FM）和通讯处理器（ CP）都安装在导轨上。电源模块总是安装在机架的 1 号插槽（最左边）。CPU 模块安装在 2 号插槽。用于主机架中时，接口模块必须插入3 号插槽。从 4 号插槽开始放置信号模块、功能模块和通讯处理器模块，它们没有先后限制。每个机架上最多可以插 8 个信号模块、功能模块或通讯处理器。1
48、电源模块 2后备电池 3DC24C 连接器 4模式开关 5状态和故障指示灯6存储器卡 7MPI 接口 8前连接器 9前盖图 1.1.10 S7-300 PLC 外观PS(可选) CPUIM(可选)SM:DISM:DOSM:AISM:AOFM:-计数-定位-闭环控制CP:- 点-到-点- PROFIBUS- 工业以太网总线连接器14S7-300 用背板总线将除电源模块之外的各个模块连接起来。背板总线集成在模块上，模块通过 U 型总线连接器相连，每个模块背后都有一个总线连接器。除了带 CPU 的中央机架（ CR）之外，最多可以增加 3 个扩展机架（ ER），每个机架可以插 8 个信号模块、功能模块
49、或通讯处理器。4 个机架最多可以安装 32 个模块。如图 1.1.12所示。使用 IM360/360 接口模块可以扩展 3 个机架，中央机架（CR）使用 IM360，扩展机架（ER）使用 IM361，各相邻机架之间的电缆最长为 10m。每个 IM361 需要使用一个外部 24V电源，向扩展机架上的所有模块供电。如果只需要扩展一个机架，可以使用价格便宜的IM365 接口模块对，两个接口模块用 1m 长的固定电缆连接，由于 IM365 不能给机架 1 提供通信总线，机架 1 只能安装信号模块，不能安装通信模块和其他智能模块。3. I/O 模 块地址的确定开关量地址由标识符、地址的字节部分和位部分组成。一个字节由 07 这 8 位组成。地址标识符 I 表示输入，Q 表示输出，M 表示存储器位。例如 I3.2 表示输入映像区中第 3 个字节的第 2 位。开关量可以按位、字节、字和双字寻址。数字量模块从 0 号机架的 4 号槽开始，每个槽分配 4B 的地址，相当于 32 个 I/O 点。模拟量模块以通道为单位，一个通道占一
