可编程控制器的概述.doc

1、第 1 章 可编程控制器的概述本章要点 可编程控制器的产生、特点、分类与发展 可编程控制器的定义和基本含义 可编程控制器的基本组成及各部分的作用 可编程控制器的工作原理 可编程控制器的技术指标1.1 可编程控制器的产生随着计算机控制技术的不断发展，可编程控制器的应用已广泛普及，成为自动化技术的重要组成。可编程控制器最先出现在美国，1968 年，美国的汽车制造公司通用汽车公司(GM)提出了研制一种新型控制器的要求，并从用户角度提出新一代控制器应具备以下十大条件：（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）

2、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； （7）输入可以是交流 115V（即用美国的电网电压） ； （8）输出为交流 115V、2A 以上，能直接驱动电磁阀； （9）在扩展时，原有系统只需要很小的变更； （10）用户程序存储器容量至少能扩展到 4KB。 条件提出后，立即引起了开发热潮。1969 年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台可编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。当时叫可编程逻辑控制器 PLC（Programmable Logic Controller） ，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。紧接着，美国MODIC

3、ON 公司也开发出同名的控制器， 1971 年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制成了日本第一台可编程控制器。1973 年，西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到 70 年代中期以后，特别是进入 80 年代以来，PLC 已广泛地使用 16 位甚至 32 位微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，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。这时的 PLC 已不仅仅是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、 PID 调节和数据通信功能，称之为可编程序控制器（Programm

4、able Controller）更为合适，简称为 PC，但为了与个人计算机（Persona1 Computer）的简称 PC 相区别，一般仍将它简称为 PLC（Programmable Logic Controller） 。PLC 是微机技术与传统的继电器-接触器控制技术相结合的产物，其基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用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，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。继电器控制系统已有上百年历史，它是用弱电信号控制强电系统的控制方法，在复杂的继电器控制系统中，故障的查找和

5、排除困难，花费时间长，严重地影响工业生产。在工艺要求发生变化的情况下，控制柜内的元件和接线需要作相应的变动，改造工期长、费用高，以至于用户宁愿另外制作一台新的控制柜。而PLC 克服了继电器- 接触器控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点，并将控制器和被控对象方便的连接起来。由于 PLC 是由微处理器、存储器和外围器件组成，所以应属于工业控制计算机中的一类。对用户来说，可编程控制器是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此如果在初步设计阶段就选用可编程控制器，可以使得设计和调试变得简单容易。从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶

6、段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。我国从 1974 年也开始研制可编程序控制器，1977 年开始工业应用。目前它已经大量地应用在楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域，并涌现出大批应用可编程序控制器的新型设备。掌握可编程序控制器的工作原理，具备设计、调试和维护可编程序控制器控制系统的能力，已经成为现代工业对电气技术人员和工科学生的基本要求。1.2 可编程控制器的定义国际电工委员会(IEC)曾于 1982 年

7、11 月颁发了可编程控制器标准草案第一稿， 1985 年 1 月又发表了第二稿，1987 年 2 月颁发了第三稿。该草案中对可编程控制器的定义是：“可编程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。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。 ”定义强调了可编程控制器是“数字运算操作的电子系统” ，是一种计算机。它是“专为在工业环境下应用而设计”的工业计算机，是一种用程

8、序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种各样的控制功能外，还有与其他计算机通信联网的功能。这种工业计算机采用“面向用户的指令” ，因此编程方便。它能完成逻辑运算、顺序控制、定时计数和算术操作，它还具有“数字量和模拟量输入输出控制”的能力，并且非常容易与“工业控制系统联成一体” ，易于“扩充” 。定义还强调了可编程控制器应直接应用于工业环境，它须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和应用范围。这也是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。应该强调的是，可编程控制器与以往所讲的顺序控制器在“可编程”方面有质的区别。PLC 引入了微处理机及半导体存储器等新一代电子器件，并用规定的指令进行编程，

9、能灵活地修改，即用软件方式来实现“可编程”的目的。可编程序控制器是应用面最广、功能强大、使用方便的通用工业控制装置，自研制成功开始使用以来，它已经成为了当代工业自动化的主要支柱之一。1.3 可编程控制器的基本组成1.3.1 控制组件可编程控制器主要由 CPU、存储器、基本 I/O 接口电路、外设接口、编程装置、电源等组成。可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构，如图 1-1所示。编程装置将用户程序送入可编程控制器，在可编程控制器运行状态下，输入单元接收到外部元件发出的输入信号，可编程控制器执行程序，并根据程序运行后的结果，由输出单元驱动外部设备。图

10、1-1 可编程控制器系统结构1. CPU 单元CPU 是可编程控制器的控制中枢，相当于人的大脑。CPU 一般由控制电路、运算器和寄存器组成。这些电路通常都被封装在一个集成的芯片上。CPU 通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。CPU 的功能有：它在系统监控程序的控制下工作，通过扫描方式，将外部输入信号的状态写入输入映象寄存区域，PLC 进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，按指令规定的任务进行数据的传送、逻辑运算、算术运算等，然后将结果送到输出映像寄存区域。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等。通用型微处理器常见的如 Intel 公司的

11、 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，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 多用高速位片式处理器，具有高速处理能力。 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，主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。 只读存储器 ROM 用以存放系统程序，可编程控制器在生产过程中将系统程序固化在

12、 ROM 中，用户是不可改变的。用户程序和中间运算数据存放的随机存储器 RAM 中，RAM 存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。它存储的内容是易失的，掉电后内容丢失；当系统掉电时，用户程序可以保存在只读存储器 EEPROM 或由高能电池支持的 RAM 中。EEPROM 兼有 ROM的非易失性和 RAM 的随机存取优点，用来存放需要长期保存的重要数据。3. I/O 单元及 I/O 扩展接口（1）I/O 单元PLC 内部输入电路作用是将 PLC 外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的符合 PLC 输入电路要求的电压信号，通过光电耦合电路送至 PLC 内部

13、电路。输入电路通常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力，输入响应时间一般在 0.115ms 之间。根据输入信号形式的不同，可分为模拟量 I/O 单元、数字量 I/O 单元两大类。根据输入单元形式的不同，可分为基本 I/O 单元、扩展 I/O 单元两大类。（2）I/O 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。4. 外设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

14、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，可以实现编程、监控、连网等功能。5. 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。1.3.2 输入输出接口电路输入输出接口电路实际上是 PLC 与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。输入输出

15、接口电路要有良好的电隔离和滤波作用。1. 输入接口电路由于生产过程中使用的各种开关、按钮、传感器等输入器件直接接到 PLC 输入接口电路上，为防止由于触点抖动或干扰脉冲引起错误的输入信号，输入接口电路必须有很强的抗干扰能力。 如图 1-2 所示，输入接口电路提高抗干扰能力的方法主要有：（1）利用光电耦合器提高抗干扰能力。 光电耦合器工作原理是：发光二极管有驱动电流流过时，导通发光，光敏三极管接收到光线，由截止变为导通，将输入信号送入 PLC 内部。光电耦合器中的发光二极管是电流驱动元件，要有足够的能量才能驱动。而干扰信号虽然有的电压值很高，但能量较小，不能使发光二极管导通发光，所以不能进入 P

16、LC 内，实现了电隔离。（2）利用滤波电路提高抗干扰能力。 最常用的滤波电路是电阻电容滤波，如图 1-2 中的 R1、C 。图 1-2 中，S 为输入开关，当 S 闭合时， LED 点亮，显示输入开关 S 处于接通状态。光电耦合器导通，将高电平经滤波器送到 PLC 内部电路中。当 CPU 在循环的输入阶段锁入该信号时，将该输入点对应的映像寄存器状态置 1；当 S 断开时，则对应的映像寄存器状态置 0。图 1-2 可编程控制器输入电路根据常用输入电路电压类型及电路形式不同，可以分为干接点式、直流输入式和交流输入式。输入电路的电源可由外部提供，有的也可由 PLC 内部提供。2. 输出接口电路根据驱

17、动负载元件不同可将输出接口电路分为三种：（1）小型继电器输出形式，如图 1-3 所示。这种输出形式既可驱动交流负载，又可驱动直流负载。它的优点是适用电压范围比较宽，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力强。缺点是动作速度较慢，动作次数（寿命）有一定的限制。建议在输出量变化不频繁时优先选用。图 1-3 所示电路工作原理是：当内部电路的状态为 1 时，使继电器 K 的线圈通电，产生电磁吸力，触点闭合，则负载得电，同时点亮 LED，表示该路输出点有输出。当内部电路的状态为 0 时，使继电器 K 的线圈无电流，触点断开，则负载断电，同时 LED 熄灭，表示该路输出点无输出。图 1-3 小型继电器输出

18、形式电路（2）大功率晶体管或场效应管输出形式，如图 1-4所示。这种输出形式只可驱动直流负载。它的优点是可靠性强，执行速度快，寿命长。缺点是过载能力差。适合在直流供电、输出量变化快的场合选用。图 1-4 所示电路工作原理是：当内部电路的状态为 1 时，光电耦合器 T1 导通，使大功率晶体管 VT 饱和导通，则负载得电，同时点亮 LED，表示该路输出点有输出。当内部电路的状态为 0 时，光电耦合器 T1断开，大功率晶体管 VT 截止，则负载失电， LED 熄灭，表示该路输出点无输出。当负载为电感性负载，VT 关断时会产生较高的反电势，VD 的作用是为其提供放电回路，避免 VT 承受过电压。图 1

19、-4 大功率晶体管输出形式电路（3）双向晶闸管输出形式，如图 1-5 所示。这种输出形式适合驱动交流负载。由于双向可控硅和大功率晶体管同属于半导体材料元件，所以优缺点与大功率晶体管或场效应管输出形式的相似，适合在交流供电、输出量变化快的场合选用。图 1-5 所示电路工作原理是：当内部电路的状态为 1 时，发光二极管导通发光，相当于双向晶闸管施加了触发信号，无论外接电源极性如何，双向晶闸管 T 均导通，负载得电，同时输出指示灯 LED 点亮，表示该输出点接通；当对应 T 的内部继电器的状态为 0 时，双向晶闸管施加了触发信号，双向晶闸管关断，此时 LED 不亮，负载失电。图 1-5 双向可控硅输

20、出形式电路3. I/O 电路的常见问题（1）用三极管等有源元件作为无触点开关的输出设备，与 PLC 输入单元的连接时，由于三极管自身有漏电流存在，或者电路不能保证三极管可靠截止而处于放大状态，使得即使在截止时，仍会有一个小的漏电流流过，当该电流值大于 1.3mA 时，就可能引起 PLC 输入电路发生误动作。可在 PLC 输入端并联一个旁路电阻来分流，使流入 PLC 的电流小于 1.3mA。（2）应在输出回路串联保险丝，避免负载电流过大，会损坏输出元件或电路板。（3）由于晶体管、双向晶闸管型输出端子漏电流和残余电压的存在，当驱动不同类型的负载时，需要考虑电平匹配和误动等问题。（4）感性负载断电时

21、产生很高的反电势，对输出单元电路产生冲击，对于大电感或频繁关断的感性负载应使用外部抑制电路，一般采用阻容吸收电路或二极管吸收电路。1.3.3 编程器编程器是 PLC 的重要外围设备。利用编程器将用户程序送入 PLC 的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视 PLC 的工作状态。 常见的给 PLC 编程的装置有手持式编程器和计算机编程方式。在可编程序控制器发展的初期，使用专用编程器来编程。小型可编程序控制器使用价格较便宜、携带方便的手持式编程器，大中型可编程序控制器则使用以小 CRT 作为显示器的便携式编程器。专用编程器只能对某一厂家的某些产品编程，使用范围有限。手持式编程器不能直接输入

22、和编辑梯形图，只能输入和编辑指令，但它有体积小，便于携带，可用于现场调试，价格便宜的优点。 计算机的普及，使得越来越多的用户使用基于个人计算机的编程软件。目前有的可编程序控制器厂商或经销商向用户提供编程软件，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对 PLC编程。利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图，程序可以存盘、打印、调试，对于查找故障非常有利。1.4 可编程控制器的工作原理及主要技术指标1.4.1 可编程控制器的工作原理结合 PLC 的组成和结构分析 PLC 的工作原理更容易理解。PLC 是采用周期循环扫描的工作方式，CPU连续执行用户程序和任务的循环序列称为扫描

23、。CPU 对用户程序的执行过程是 CPU 的循环扫描，并用周期性地集中采样、集中输出的方式来完成的。一个扫描周期主要可分为：（1）读输入阶段。 每次扫描周期的开始，先读取输入点的当前值，然后写到输入映像寄存器区域。在之后的用户程序执行的过程中，CPU 访问输入映像寄存器区域，而并非读取输入端口的状态，输入信号的变化并不会影响到输入映像寄存器的状态，通常要求输入信号有足够的脉冲宽度，才能被响应。（2）执行程序阶段。 用户程序执行阶段，PLC 按照梯形图的顺序，自左而右，自上而下的逐行扫描，在这一阶段 CPU 从用户程序的第一条指令开始执行直到最后一条指令结束，程序运行结果放入输出映像寄存器区域。

24、在此阶段，允许对数字量 I/O 指令和不设置数字滤波的模拟量 I/O 指令进行处理，在扫描周期的各个部分，均可对中断事件进行响应。（3）处理通信请求阶段。 是扫描周期的信息处理阶段，CPU 处理从通信端口接收到的信息。（4）执行 CPU 自诊断测试阶段。在此阶段 CPU 检查其硬件，用户程序存储器和所有 I/O 模块的状态。（5）写输出阶段。每个扫描周期的结尾，CPU 把存在输出映像寄存器中的数据输出给数字量输出端点（写入输出锁存器中） ，更新输出状态。然后 PLC 进入下一个循环周期，重新执行输入采样阶段，周而复始。如果程序中使用了中断，中断事件出现，立即执行中断程序，中断程序可以在扫描周期

25、的任意点被执行。如果程序中使用了立即 I/O 指令，可以直接存取 I/O 点。用立即 I/O 指令读输入点值时，相应的输入映像寄存器的值未被修改，用立即 I/O 指令写输出点值时，相应的输出映像寄存器的值被修改。1.4.2 可编程控制器主要技术指标可编程控制器的种类很多，用户可以根据控制系统的具体要求选择不同技术性能指标的 PLC。可编程控制器的技术性能指标主要有以下几个方面： 1. 输入/输出点数可编程控制器的 I/O 点数指外部输入、输出端子数量的总和。它是描述的 PLC 大小的一个重要的参数。 2. 存储容量PLC 的存储器由系统程序存储器，用户程序存储器和数据存储器三部分组成。PLC

26、存储容量通常指用户程序存储器和数据存储器容量之和，表征系统提供给用户的可用资源，是系统性能的一项重要技术指标。3. 扫描速度可编程控制器采用循环扫描方式工作，完成 1 次扫描所需的时间叫做扫描周期。影响扫描速度的主要因素有用户程序的长度和 PLC 产品的类型。PLC 中 CPU 的类型、机器字长等直接影响 PLC 运算精度和运行速度。 4. 指令系统指令系统是指 PLC 所有指令的总和。可编程控制器的编程指令越多，软件功能就越强，但掌握应用也相对较复杂。用户应根据实际控制要求选择合适指令功能的可编程控制器。 5. 通信功能通信有 PLC 之间的通信和 PLC 与其他设备之间的通信。通信主要涉及

27、通信模块，通信接口，通信协议和通信指令等内容。PLC 的组网和通信能力也已成为 PLC 产品水平的重要衡量指标之一。 厂家的产品手册上还提供 PLC 的负载能力、外形尺寸、重量、保护等级、适用的安装和使用环境如温度、湿度等性能指标参数，供用户参考。 1.5 可编程控制器的分类、特点、应用及发展1.5.1 可编程控制器的分类1. 按 I/O 点数和功能分类可编程控制器用于对外部设备的控制，外部信号的输入、PLC 的运算结果的输出都要通过 PLC 输入输出端子来进行接线，输入、输出端子的数目之和被称作 PLC 的输入、输出点数，简称 I/O 点数。由 I/O 点数的多少可将 PLC 的 I/O 点

28、数分成小型、中型和大型。小型 PLC 的 I/O 点数小于 256 点，以开关量控制为主，具有体积小、价格低的优点。可用于开关量的控制、定时/计数的控制、顺序控制及少量模拟量的控制场合，代替继电器-接触器控制在单机或小规模生产过程中使用。中型 PLC 的 I/O 点数在 2561024 之间，功能比较丰富，兼有开关量和模拟量的控制能力，适用于较复杂系统的逻辑控制和闭环过程的控制。大型 PLC 的 I/O 点数在 1024 点以上。用于大规模过程控制，集散式控制和工厂自动化网络。2. 按结构形式分类PLC 可分为整体式结构和模块式结构两大类。整体式 PLC 是将 CPU、存储器、I/O 部件等组

29、成部分集中于一体，安装在印刷电路板上，并连同电源一起装在一个机壳内，形成一个整体，通常称为主机或基本单元。整体式结构的 PLC 具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低的优点。一般小型或超小型 PLC 多采用这种结构。模块式 PLC 是把各个组成部分做成独立的模块，如 CPU 模块、输入模块、输出模块、电源模块等。各模块作成插件式，并将组装在一个具有标准尺寸并带有若干插槽的机架内。模块式结构的 PLC 配置灵活，装配和维修方便，易于扩展。一般大中型的 PLC 都采用这种结构。1.5.2 可编程控制器的特点1. 可编程控制器的特点（1）编程简单，使用方便梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，

30、其符号与继电器电路原理图相似。有继电器电路基础的电气技术人员只要很短的时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序，梯形图语言形象直观，易学易懂， 。（2）控制灵活，程序可变，具有很好的柔性可编程序控制器产品采用模块化形式，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。可编程序控制器用软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，硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，不用改变硬件，方便快速地适应工艺条件的变化，具有很好的柔性。（3）功能强，扩充方便，性能价格比高可编程序控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件，

31、有很强的逻辑判断、数据处理、PID 调节和数据通信功能，可以实现非常复杂的控制功能。如果元件不够，只要加上需要的扩展单元即可，扩充非常方便。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。（4）控制系统设计及施工的工作量少，维修方便可编程序控制器的配线与其它控制系统的配线比较少得多，故可以省下大量的配线，减少大量的安装接线时间，开关柜体积缩小，节省大量的费用。可编程序控制器有较强的带负载能力、可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。一般可用接线端子连接外部接线。可编程序控制器的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能，便于迅速地排除故障。（5）可靠性高，抗干扰能力强可编程序控制器是为现场工作设计

32、的，采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，硬件措施如屏蔽、滤波、电源调整与保护、隔离、后备电池等，例如，西门子公司 S7-200 系列 PLC 内部 EEPROM 中，储存用户原程序和预设值在一个较长时间段（190 小时） ，所有中间数据可以通过一个超级电容器保持，如果选配电池模块，可以确保停电后中间数据能保存 200 天。软件措施如故障检测、信息保护和恢复、警戒时钟，加强对程序的检测和校验。从而提高了系统抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，可编程序控制器已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。（6）体积小、重量轻、能耗低，是“机电一体化”特有的产

33、品。2. 可编程控制器 PLC 与个人计算机 PC 的主要差异（1）PLC 工作环境要求比 PC 低，PLC 抗干扰能力强；（2）PLC 编程比 PC 简单易学；（3）PLC 设计调试周期短；（4）PC 应用领域与 PLC 不同；（5）PLC 的输入/输出响应速度慢， （一般 ms 级） ，而 PC 的响应速度快（为微秒级） ；（6）PLC 维护比 PC 容易。3. PLC 与继电器控制的区别PLC 与继电器控制的区别主要体现在：组成器件不同，PLC 中是软继电器；触点数量不同，PLC 编程中无触点数的限制；实施控制的方法不同，PLC 是主要软件编程控制，而继电器控制依靠硬件连线完成。1.5.

34、3 可编程控制器的应用目前，可编程序控制器已经广泛地应用在各个工业部门。随着其性能价格比的不断提高，应用范围还在不断扩大，主要有以下几个方面：1. 逻辑控制可编程序控制器具有“与” 、 “或” 、 “非”等逻辑运算的能力，可以实现逻辑运算，用触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制，定时控制与顺序逻辑控制。数字量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域最为普及，包括微电子、家电行业也有广泛的应用。2. 运动控制 可编程序控制器使用专用的运动控制模块，或灵活运用指令，使运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。随着变频器、电动机起动器的普遍使用，可编程序控制器可以与变频器

35、结合，运动控制功能更为强大，并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. 过程控制可编程序控制器可以接收温度、压力、流量等连续变化的模拟量，通过模拟量 I/0 模块，实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的 A/D 转换和 D/A 转换，并对被控模拟量实行闭环 PID（比例- 积分-微分）控制。现代的大中型可编程序控制器一般都有 PID 闭环控制功能，此功能已经广泛地应用于工业生产、加热炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。 4. 数据处理可编程序控制器具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采

36、集、分析和处理。这些数据可以是运算的中间参考值，也可以通过通信功能传送到别的智能装置，或者将它们保存、打印。数据处理一般用于大型控制系统，如无人柔性制造系统，也可以用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。5. 构建网络控制可编程序控制器的通信包括主机与远程 I/0 之间的通信、多台可编程序控制器之间的通信、可编程序控制器和其他智能控制设备(如计算机、变频器 )之间的通信。可编程序控制器与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。当然，并非所有的可编程序控制器都具有上述功能，用户应根据系统的需要选择可编程序控制器，这样既能完成控制任务，又可节省资

37、金。1.5.4 可编程控制器的发展1. 向高集成、高性能、高速度，大容量发展微处理器技术、存储技术的发展十分迅猛，功能更强大，价格更便宜，研发的微处理器针对性更强。这为可编程序控制器的发展提供了良好的环境。大型可编程序控制器大多采用多 CPU 结构，不断地向高性能、高速度和大容量方向发展。在模拟量控制方面，除了专门用于模拟量闭环控制的 PID 指令和智能 PID 模块，某些可编程序控制器还具有模糊控制、自适应、参数自整定功能，使调试时间减少，控制精度提高。2. 向普及化方向发展由于微型可编程序控制器的价格便宜，体积小、重量轻、能耗低，很适合于单机自动化，它的外部接线简单，容易实现或组成控制系统

38、等优点，在很多控制领域中得到广泛应用。3. 向模块化、智能化发展可编程序控制器采用模块化的结构，方便了使用和维护。智能 I/O 模块主要有模拟量 I/O、高速计数输人、中断输入、机械运动控制、热电偶输入、热电阻输入、条形码阅读器、多路 BCD 码输人/输出、模糊控制器、PID 回路控制、通信等模块。智能 I/O 模块本身就是一个小的微型计算机系统，有很强的信息处理能力和控制功能，有的模块甚至可以自成系统，单独工作。它们可以完成可编程序控制器的主 CPU 难以兼顾的功能，简化了某些控制领域的系统设计和编程，提高了可编程序控制器的适应性和可靠性。4. 向软件化发展编程软件可以对可编程序控制器控制系

39、统的硬件组态，即设置硬件的结构和参数，例如设置各框架各个插槽上模块的型号、模块的参数、各串行通信接口的参数等。在屏幕上可以直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。可编程序控制器编程软件有调试和监控功能，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非常方便。历史数据可以存盘或打印，通过网络或 Modem 卡，还可以实现远程编程和传送。个人计算机（PC）的价格便宜，有很强的数学运算、数据处理、通信和人机交互的功能。目前已有多家厂商推出了在 PC 上运行的可实现可编程序控制器功能的软件包，如亚控公司的 KingPLC。 “软 PL

40、C“在很多方面比传统的“硬 PLC“有优势，有的场合“软 PLC“可能是理想的选择。5. 向通信网络化发展伴随科技发展，很多工业控制产品都加设了智能控制和通信功能，如变频器、软启动器等。可以和现代的可编程序控制器通信联网，实现更强大的控制功能。通过双绞线、同轴电缆或光纤联网，信息可以传送到几十公里远的地方，通过 Modem 和互联网可以与世界上其他地方的计算机装置通信。相当多的大中型控制系统都采用上位计算机加可编程序控制器的方案，通过串行通信接口或网络通信模块，实现上位计算机与可编程序控制器交换数据信息。组态软件引发的上位计算机编程革命，很容易实现两者的通信，降低了系统集成的难度，节约了大量的

41、设计时间，提高了系统的可靠性。国际上比较著名的组态软件有 Intouch、Fix 等，国内也涌现出了组态王、力控等一批组态软件。有的可编程序控制器厂商也推出了自己的组态软件，如西门子公司的 WINCC。1.6 习题1. 简述可编程序控制器的定义。2. 可编程控制器的基本组成有哪些？3. 输入接口电路有哪几种形式？输出接口电路有哪几种形式？各有何特点？4. PLC 的工作原理是什么？工作过程分哪几个阶段？5. PLC 的工作方式有几种？如何改变 PLC 的工作方式？6. 可编程序控制器有哪些主要特点? 7. 与一般的计算机控制系统相比可编程序控制器有哪些优点?8. 与继电器控制系统相比可编程序控

42、制器有哪些优点?9. 可编程序控制器可以用在哪些领域?第 2 章 西门子 S7-200 系列可编程控制器介绍本章要点 西门子 S7-200 CPU224 可编程控制器的结构、性能指标 西门子 S7-200 CPU224 可编程控制器工作方式 扩展模块介绍 S7-200 系列可编程控制器编址、寻址方式 可编程控制器元件功能及地址分配2.1 S7-200 系列 PLC 概述西门子 S7 系列可编程控制器分为 S7-400、S7-300、S7-200 三个系列，分别为 S7 系列的大、中、小型可编程控制器系统。S7-200 系列可编程控制器有 CPU21X 系列，CPU22X 系列，其中CPU22X

43、 型可编程控制器提供了 4 个不同的基本型号，常见的有 CPU221，CPU222，CPU224 和CPU226 四种基本型号。小型 PLC 中，CPU221 价格低廉能满足多种集成功能的需要。CPU 222 是 S7-200 家族中低成本的单元，通过可连接的扩展模块即可处理模拟量。CPU 224 具有更多的输入输出点及更大的存储器。CPU 226 和 226XM 是功能最强的单元，可完全满足一些中小型复杂控制系统的要求。四种型号的 PLC 具有下列特点：（1）集成的 24V 电源可直接连接到传感器和变送器执行器，CPU 221 和 CPU222 具有 180mA 输出。CPU224 输出28

44、0mA，CPU 226、CPU 226XM 输出 400mA 可用作负载电源。（2）高速脉冲输出具有 2 路高速脉冲输出端，输出脉冲频率可达 20KHz，用于控制步进电机或伺服电机，实现定位任务。（3）通信口CPU 221、CPU222 和 CPU224 具有 1 个 RS-485 通信口。CPU 226、CPU 226XM 具有 2 个 RS-485 通信口。支持 PPI、MPI 通信协议，有自由口通信能力。（4）模拟电位器CPU221/222 有 1 个模拟电位器，CPU224/226/226XM 有 2 个模拟电位器。模拟电位器用来改变特殊寄存器（SMB28，SMB29）中的数值，以改变

45、程序运行时的参数。如定时器、计数器的预置值，过程量的控制参数。（5）中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。（6）EEPROM 存储器模块（选件）可作为修改与拷贝程序的快速工具，无需编程器并可进行辅助软件归档工作。（7）电池模块用户数据（如标志位状态、数据块、定时器、计数器）可通过内部的超级电容存储大约 5 天。选用电池模块能延长存储时间到 200 天（10 年寿命）。电池模块插在存储器模块的卡槽中。（8）不同的设备类型CPU 221226 各有 2 种类型 CPU，具有不同的电源电压和控制电压。（9）数字量输入/输出点CPU 221 具有 6 个输入点和 4 个输出点；CPU 2

46、22 具有 8 个输入点和 6 个输出点；CPU 224 具有 14 个输入点和 10 个输出点；CPU226/226XM 具有 24 个输入点和 16 个输出点。CPU22X主机的输入点为 24V 直流双向光电耦合输入电路，输出有继电器和直流（MOS 型）两种类型。（10）高速计数器CPU 221/222 有 4 个 30KHz 高速计数器，CPU224/226/226XM 有 6 个 30KHz 的高速计数器，用于捕捉比 CPU 扫描频率更快的脉冲信号。各型号 PLC 功能见表 2-1。2.2 S7-200 系列 CPU224 型 PLC 的结构2.2.1 CPU224 型 PLC 外型及

47、端子介绍1. CPU224 型 PLC 外型CPU224 型 PLC 外型如图 2-1 所示，其输入、输出、CPU、电源模块均装设在一个基本单元的机壳内，是典型的整体式结构。当系统需要扩展时，选用需要的扩展模块与基本单元连接。图 2-1 S7-200 PLC 外型底部端子盖下是输入量的接线端子和为传感器提供的 24V 直流电源端子。基本单元前盖下有工作模式选择开关、电位器和扩展 I/O 连接器，通过扁平电缆可以连接扩展 I/O 模块。西门子整体式 PLC 配有许多扩展模块，如数字量的 I/O 扩展模块、模拟量的I/O 扩展模块、热电偶模块、通信模块等，用户可以根据需要选用，让 PLC 的功能更

48、强大。2. CPU224 型 PLC 端子介绍（1）基本输入端子CPU224 的主机共有 14 个输入点（I0.0I0.7、I1.0I1.5）和 10 个输出点（Q0.0Q0.7，Q1.0Q1.1），在编写端子代码时采用八进制，没有 0.8 和 0.9。CPU224 输入电路参见图 2-2，它采用了双向光电耦合器，24V 直流极性可任意选择，系统设置 1M 为输入端子（I0.0I0.7）的公共端，2M 为（I1.0I1.5）输入端子的公共端。图 2-2 PLC 输入端子（2）基本输出端子CPU224 的 10 个输出端参见图 2-3，Q0.0Q0.4 共用 1M 和 1L 公共端，Q0.5Q1

49、.1 共用 2M和 2L 公共端，在公共端上需要用户连接适当的电源，为 PLC 的负载服务。CPU224 的输出电路有晶体管输出电路和继电器输出两种供用户选用。在晶体管输出电路中（型号为 6ES7 214-1AD21-0XB0）中，PLC 由 24V 直流供电，负载采用了 MOSFET 功率驱动器件，所以只能用直流为负载供电。输出端将数字量输出分为两组，每组有一个公共端，共有1L，2L 两个公共端，可接入不同电压等级的负载电源。在继电器输出电路中（型号为 6ES7 212-1BB21-0XB0），PLC 由 220V 交流电源供电，负载采用了继电器驱动，所以既可以选用直流为负载供电，也可以采用交流为负载供电。在继电器输出电路中，数字量输出分为三组，每组的公共端为本组的电源供给端，Q0.0Q0.3 共用 1L，Q0.4Q0.6 共用 2L，Q0.7Q1.1共用 3L，各组之间可接入不同电压等级、不同电压性质的负载电源。如图 2-4 所示。图 2-3 PLC 晶体管输出输出端子图 2-4 继电器输出形式 PLC 输出端子（3）高速反应性CPU224 PLC 有 6 个高速计数脉冲输入端（I0.0I0.5），最快的响应速度为 30KHz 用于捕捉比 CPU 扫描周期更快的脉冲信号.CPU224 PLC 有 2 个高速脉冲输出端（Q0