第10章 可编程控制器

第10章可编程控制器本章要点：10.1PLC的产生、发展、结构与组成10.2S7—200PLC简介10.3可编程控制器的应用举例第10章可编程控制器本章要点：本章首先介绍PLC的产生过程、特点、应用领域及发展，PLC的基本结构、工作方式和常用的编程语言。接着介绍S7-200系列PLC的软元件、基本指令、主要计数指标，根据系统要求正确选择PLC型号及参数。然后介绍S7-200系列PLC的STEP-Micro/WIN编程软件进行程序的编辑、上传、下载程序及运行、监控程序的方法。最后介绍S7-200可编程控制器的应用举例。返回10.1PLC的产生、发展、结构与组成10.1.1PLC的产生与发展1.PLC的产生1968年美国通用汽车公司GM（GeneralMotors）公开招标，要求用新的控制装置生产取代生产线上的继电接触器控制系统。1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司（GM）的要求首先研制出了世界上第一台可编程序控制器PDP-14，用于通用汽车公司的生产线，取得了满意的效果。由于这种新型工业控制装置可以通过编程改变控制方案，且专门用于逻辑控制，所以人们称这种新的工业控制装置为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC。10.1PLC的产生、发展、结构与组成2.PLC的发展从PLC产生到现在，已发展到第四代产品。第一代PLC（1969—1972）：大多用1位机开发，用磁芯存储器存储，只具有单一的逻辑控制功能，机种单一，没有形成系列化。第二代（1973—1975）：采用8位微处理器及半导体存储器，增加了数字运算、传送、比较等功能，能实现模拟量的控制，开始具有自诊断功能，初步形成了系列化。第三代（1976—1983）：随着高性能及位片式CPU在PLC中大量使用，PLC的处理速度大大提高，从而促使它向多功能及联网通讯方向发展，增加了多种特殊功能，如浮点运算、三角函数运算、脉宽调制输出等，自诊断功能及容错技术发展迅速。10.1PLC的产生、发展、结构与组成第四代（1983年至今）：不仅全面使用16位、32位高性能微处理器，高性能位片式微处理器，RISC精简指令系统CPU等高级CPU，而且在一台PLC中配置多个微处理器，进行多通道处理，同时生产了大量内含微处理器的智能模块，使第四代PLC产品成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通讯功能的真正名符其实的多功能控制器。正是由于PLC具有多种功能，并三电（电控装置、电仪装置、电气传动控制装置）于一体，使得PLC在工厂中备受欢迎，用量高居首位，成为现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。10.1PLC的产生、发展、结构与组成10.1.2PLC的应用与特点1.PLC的应用PLC具有体积小、可靠性高、功能强、程序设计方便、通用性强、维护方便等优点。目前，PLC在国内外已被广泛应用与钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。（1）开关量路基控制。这是PLC最基本的的控制，可以取代传统的继电器控制系统。利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能可实现对机床、自动生产线、电梯等的控制。10.1PLC的产生、发展、结构与组成（2）模拟量控制。在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、液位和速度等都是模拟量。为了使用可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量和数字量间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。（3）运动控制。PLC可以控制步进电机和伺服电动机，从而控制机件的运动方向、速度和位置。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。（4）过程控制。PLC的模拟量输入输出和PID控制，可构成闭环控制系统，可应用于冶金、化工、热处理等行业。10.1PLC的产生、发展、结构与组成（5）数据处理。现代PLC具有数学运输、数据传送、数据转换、排序、查表等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。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。（6）通讯及联网。PLC通讯含PLC间的通讯及PLC与其他智能设备间的通讯。PLC与PLC，PLC与上位机之间的联网，可构成工厂自动化网络系统。2.PLC的特点（1）PLC控制系统硬件简单。继电器控制系统是由大量的硬件继电器组成，结构复杂。而PLC控制系统主要是由程序（软继电器）组成，在硬件连接上PLC只需要接入输入信号和受控对象。10.1PLC的产生、发展、结构与组成（2）PLC的控制功能强大，修改方便。继电器控制系统的功能是通过器件连线实现的，控制功能相对简单，并且不易改变。而PLC控制功能由软件实现，不但具有强大的逻辑计算控制功能，而且可以根据工艺需要方便地修改控制功能。（3）系统稳定、维护容易。PLC性能指标高，故障率低，抗干扰性强，能在工业生产环境下长期稳定工作。据统计，PLC控制系统的电气故障95％以上发生在PLC的外部电路。当电路发生故障时，可根据PLC的I/O端口的LED显示判断故障的部位，以便迅速排除故障。10.1PLC的产生、发展、结构与组成10.1.3PLC的硬、软件结构与组成PLC是以微处理器为核心的计算机控制系统。作为计算机系统，它同样由硬件系统和软件系统两部分组成。虽然各厂家的PLC硬件产品种类繁多，功能和指令存在差异，但组成和基本工作原理大同小异。1.PLC的硬件结构可编程控制器由CPU、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、I/O扩展接口、电源和编程器等组成。PLC是一种工控计算机，与计算机的组成十分相似，但具有更强的与工业过程相连接的接口。其结构框图如图10-1所示。10.1PLC的产生、发展、结构与组成（1）中央处理器（CPU）。CPU是PLC的逻辑运算和控制指挥中心，协调系统工作。（2）存储器。PLC的存储器ROM中固化着系统程序，不可以修改。存储器RAM中存放用户程序和工作数据，在PLC断电时由锂电池供电（或采用Flash存储器，不需要锂电池）。（3）电源。电源将外部电能转换为PLC内部器件使用的各种电压。备用电源采用锂电池，当锂电池电压降低时，在PLC通电情况下，面板上备用电源(BATTY)灯亮，提醒及时更换锂电池。（4）通讯接口。通讯接口用于PLC与编程器、计算机、变频器、触摸屏及其他PLC等智能设备间的连接，以实现PLC与智能设备之间的数据传送。10.1PLC的产生、发展、结构与组成（5）输入/输出接口。输入/输出接口是连接用户输入输出设备和PLC控制器，将各输入信号转换成PLC标准电平供PLC处理，再将处理好的输出信号转换成用户设备所要求的信号驱动外部负载。对输入/输出接口的要求：良好的抗干扰能力；对各类输入输出信号（开关量、模拟量、直流量、交流量）的匹配能力。PLC输入/输出接口的类型：模拟量输入输出接口、开关量输入输出接口（直流、交流及交直流）。用户应根据输入输出信号的类型选择合适的输入输出接口。①开关量输入接口电路10.1PLC的产生、发展、结构与组成各种输入接口均采取了抗干扰措施。如带有光耦合器隔离使PLC与外部输入信号进行隔离；并设有RC滤波器，用以消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。通常有三种类型：直流(12～24)V输入、交流(100～120)V输入与交流(200～240)V输入和交直流(12～24)V输入。直流输入模块的电源一般由机内24v电源提供，输入信号接通时输入电流一般小于10mA；交流输入模块的电源一般由用户提供。如图10-2所示为直流输入接口的原理图。②开关量输出接口电路有三种形式，即继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。开关量输出端的负载电源一般由用户提供，输出电流一般不超过2A。如图10-3所示为交直流输出接口的原理图。10.1PLC的产生、发展、结构与组成输出端子有两种接法：隔离式：输出各自独立，无公共点，各输出端子各自形成独立回路。汇点式：全部输入点（输出点）共用一个公共点。或者将输入点（输出点）分成几组，组内各点共用一个公共点。各组的公共点之间相互隔离。组内的各点必须使用同一电压类型和同一电压等级，各组可使用不同电压类型和等级的负载。（6）输入/输出扩展接口小型PLC输入/输出接口都是与CPU单元制造在一起的。为了满足被控设备输入/输出点数较多的要求，常需要扩展数字量输入/输出模块；为了满足模拟量控制的需要，常需要扩展模拟量输入/输出模块，如A/D、D/A转换模块等。I/O扩展接口就是为连接各种扩展模块而设计的。10.1PLC的产生、发展、结构与组成2.PLC的软件构成PLC的软件系统可分为系统程序和用户程序两大部分。系统监控程序是厂家编写的程序，随PLC的功能不同而不同，用于控制可编程控制器本身的运行。主要由管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模块等。用户程序是根据用户的控制要求，按系统程序允许的编程规则，用厂家提供的编程语言编写的程序。10.1.4PLC的工作过程PLC工作于独特的循环周期扫描工作方式。每个扫描周期分为输入采样、程序执行和输出刷新3个阶段，如图10-4所示。10.1PLC的产生、发展、结构与组成1.输入采样在该阶段，PLC的CPU读取每个输入端口的状态，采样结束后，存入数据寄存器作为程序执行的条件。2.程序执行PLC从用户程序的第一条指令开始，顺序地逐条扫描用户程序，同时进行逻辑运算和处理，最终运算结果存入数据寄存器。3.输出刷新在该阶段，CPU将输出数据寄存器的数据写入输出锁存器，从而改变输出端口的状态。在程序执行和输出刷新阶段，即使输入状态发生变化，程序也不读入新的输入数据，这样增强了PLC的抗干扰能力和程序执行的可靠性。返回10.2S7—200PLC简介S7—200系列PLC（简称S7—200）是德国西门子公室生产的小型PLC。S7—200系列PLC以器高可靠性、指令丰富、内置功能丰富、强劲的通讯能力、较高的性价比等特点，在工业控制领域中被广泛应用。S7—200系列PLC有CPU21X和CPU22X两代五种产品，其不同型号主要通过集成的输入输出点数、程序和数据存储器容量、可扩展性区别。不同CPU的性能参数如表11-1所示。10.2.1S7—200的硬件结构S7－200PLC将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的微型PLC，参见图10-5。10.2S7—200PLC简介1．接线端子排接线端子排有输入接线端子和输出接线端子。输入接线端子用于连接外部控制信号。输出接线端子用于连接被控设备。2.I/OLEDI/OLED包括输入状态显示灯和输出状态显示灯。输入状态LED用于显示是否有控制信号（如控制按钮、行程开关、接近开关、光电开关灯数字量信息）接入PLC。输出状态LED用于显示PLC是否有信号输出到执行设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。3.模拟电位器模拟电位器用来改变特殊寄存器（SM28、SM29）中的数值，以改变程序运行时的参数，如定时器、计数器的预置值，过程量的控制参数等。10.2S7—200PLC简介4.通讯接口通讯接口支持PPI、MPI通讯协议，有自由口通讯能力，用于连接编程器（手持式或PC机）、文本/图形显示器、PLC网络等外部设备。5.扩展端口扩展接口通过扁平电缆线连接数字量I/O扩展模块、模拟量I/O扩展模块、通讯模块等。10.2.2S7—200的软件结构1.S7—200系列PLC程序语言PLC程序可以用梯形图语言或指令表语言编写。由于梯形图与继电器电路原理非常接近，因此直观易学。指令表语句类似于计算机的汇编语言，梯形图语言需要转换为指令表语句后才能执行，这个转换由编程软件完成。10.2S7—200PLC简介2.STEP7--Micro/WIN编程软件S7—200系列PLC使用STEP7--Micro/WIN编程软件编程。STEP7--Micro/WIN编程软件是基于Windows操作系统的应用软件，功能强大，主要用于开发程序，也可用于实时监控用户程序的执行状态。S7--200周而复始地执行应用程序，控制一个任务或过程。利用STEP7--Micro/WIN可以创建一个用户程序并将它下载到S7--200中。要打开STEP7--Micro/WIN，可以双击STEP7--Micro/WIN图标，也可以在命令菜单中选择开始>SIMATIC>STEP7MicroWIN32V4.0。如图10-6所示，STEP7--Micro/WIN项目窗口为创建控制程序提供了一个便利的工作环境。10.2S7—200PLC简介10.2.3S7—200的编程元素1．输入映像寄存器IS7-200的输入映像寄存器又称为输入继电器，是PLC用于接收外部输入信号的窗口，其地址编码范围为I0.0～I15.7。2.输出映像寄存器Q（输出继电器）S7-200的输出映像寄存器Q又称输出继电器，它存放CPU执行程序的结果，将PLC的输出信号传递给负载。输出继电器编址范围为Q0.0～Q15.7。3.变量存储器V变量存储器V用于存放用户程序执行过程中控制逻辑操作的中间结果及用量保护与工序或任务有关的其他数据。CPU224/226有V0.0～V5119.7共5KB的存储容量。10.2S7—200PLC简介4.内部位存储器M（中间继电器）内部位存储器M作为控制继电器，用于存储中间操作状态或其他控制信息。其编号范围为M0～M31共32个字节。5.特殊存储器SM特殊存储器SM用于CPU与用户之间交换信息，其特殊存储器位提供大量的状态和控制功能。CPU224的特殊存储器SM编址范围为SM0.0～SM179.7共180个字节。特殊存储器SM的全部功能可查阅相关手册。10.2.4S7—200的编程指令S7-200系列PLC的指令系统分为基本逻辑指令、顺序控制指令和功能指令3部分。其中逻辑指令有20多条。下面以梯形图（LAD）和指令表（STL）这两种最基本的PLC编程语言说明S7-200的编程指令。10.2S7—200PLC简介1.逻辑取（装载）及线圈驱动指令LD/LDNLD（load）：常开触点逻辑运算的开始。LDN（loadnot）：常闭触点逻辑运算的开始。=（OUT）：线圈驱动。指令格式如图10-7所示。2.触点串联指令A(And)、AN(Andnot)A(And)：与操作，在梯形图中表示串联连接单个常开触点。AN(Andnot)：与非操作，在梯形图中表示串联连接单个常闭触点。指令格式如图10-8所示。10.2S7—200PLC简介3.触点并联指令O（Or）、ON（Ornot）O：或操作，在梯形图中表示并联连接一个常开触点。ON：或非操作，在梯形图中表示并联连接一个常闭触点。指令格式如图10-9所示。4.电路块的串联指令ALD

ALD：块“与”操作，用于串联连接多个并联电路组成的电路块。指令格式如图10-10所示。5.电路块的并联指令OLD

OLD：块“或”操作，用于并联连接多个串联电路组成的电路块。指令格式如图10-11所示。10.2S7—200PLC简介6.置位/复位指令S/R置位指令S：使能输入有效后从起始位S-bit开始的N个位置“1”并保持。复位指令R：使能输入有效后从起始位R-bit开始的N个位清“0”并保持。指令格式如图10-12所示。7.脉冲生成指令EU/EDEU指令：在EU指令前有一个上升沿时（由OFF→ON）产生一个宽度为一个扫描周期的脉冲，驱动其后输出线圈。ED指令：在ED指令前有一个下降沿时（由ON→OFF）产生一个宽度为一个扫描周期的脉冲，驱动其后输出线圈。指令格式如图10-13所示。10.2S7—200PLC简介8．定时器指令（T0～T255）S7-200PLC按工作方式有两大类定时器：TON（延时通定时器）和TONR（积算型延时通定时器）。按时基增量（也叫分辨率）分则有1ms、10ms、100ms3种定时器。设定时间＝设定值×时基增量每个定时器均有一个16位当前值寄存器以及一个1bit的状态位——T-bit（反映其触点状态）。使用定时器时应参照表11-2的时间基准和工作方式合理选择定时器编号。定时器指令格式如图10-14所示。IN是输入端，PT是设定值输入端，最大设定值32767。10.2S7—200PLC简介(1)延时通定时器TONIN端有效（接通）时，定时器开始计时，当前值从0递增到大于或等于设定值时，定时器输出状态位为1（输出触点有效）。IN端无效时，定时器复位。如图10-15（a）和图10-15（b）所示分别为延时通定时器TON的梯形程序指令表和时序图。(2)积算型延时通定时器TONRIN端有效（接通）时，定时器开始计时，当前值递增，到大于或等于设定值时，定时器输出状态位为1。IN端无效时，当前值保持（记忆），IN端再次接通有效时，在原记忆值的基础上递增计时。TONR采用线圈复位指令进行复位操作。当复位线圈有效时，定时器当前值清零，输出状态为0。如图10-16（a）和图10-16（b）所示分别为积算型延时通定时器TONR的梯形程序指令表和时序图。10.2S7—200PLC简介9.计数器指令（C0～C255）计数器利用输入脉冲上升沿累计脉冲个数。计数器当前值大于或等于预置值时，状态位置1。S7-200系列PLC有三类计数器：加计数器（CTU）、减计数器（CTD）、加/减计数器（CTUD）。计数器的梯形图指令符号为指令盒形式，其格式如图10-17所示。图中CU为加1计数脉冲输入端；CD为减1计数脉冲输入端；R为复位脉冲输入端；LD为减计数器的复位脉冲输入端；编程范围为C0～C255；PV设定值最大为32767。（1）加计数器指令CTU当加计数器的复位输入端电路断开，计数输入端CU有脉冲信号输入时，计数器当前值加1计数，到大于或等于设定值时，状态位置1。当计数器的复位输入端R电路接通时，状态位置0，当前计数值为0。应用如图10-18所示。10.2S7—200PLC简介（2）减计数器指令CTD在减计数器CD脉冲输入信号的上升沿，从设定值开始，计数器的当前值减1，当前值等于0时停止计数，状态位置1，如图10-19(a)和图10-19(b)所示分别为减计数器指令应用程序及时序图。当复位输入端LD有效时，计数器把设定值装入当前值存储器，计数器状态位复位。（3）加/减计数器CTUD加/减计数器有两个脉冲输入端，其中CU用于加计数，CD用于减计数，当CU端（CD端）有上升沿输入时，计数器当前值加1（减1）。当计数器当前值大于或等于设定值时，状态位置1，即其常开触点闭合。当R=1时，计数器复位，即当前值清零，状态位也清零。加减计数器计数范围：–32768～32767。如图10-20(a)和图10-20(b)所示分别为加/减计数器指令应用程序及时序图。返回10.3可编程控制器的应用举例10.3.1S7－200在三相异步电动机Y-△降压启动的应用

1.系统的硬件设计（1）设计主电路：主电路如图10-21（a）所示，控制电路如图10-21（b）所示，接线图如图10-21（c）所示。（2）设计输入输出分配，编写元件I/O分配表如表10-3所示。2.系统的软件设计根据Y-△降压启动的控制要求，设计的梯形图和指令表分别如图10-22(a)和图10-22(b)所示。10.3可编程控制器的应用举例3.系统调试运行按图10-21（c）连接好PLC的输入和输出，将图10-22(b)梯形程序下载到PLC，将PLC运行开关打到RUN，按下启动按钮SB2，电源和Y接接触器得电，即Q0.0、Q0.1得电，异步电动机接成Y降压启动，同时时间继电器得电，延时时间到5s，Q0.1失电，Q0.2得电，电动机接成△正常运行。按下停止按钮SB1,I0.1常闭接点断开，KM1、KM2、KM3失电，电机停车。10.3可编程控制器的应用举例10.3.2S7—200在交通信号灯控制方面的应用1.控制要求图10-23所示是城市十字路口交通灯示意图，在十字路口的东西南北方向装设红、绿、黄灯，它们按照一定时序轮流发亮。信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，首先南北红灯亮，东西绿灯亮，南北红灯亮维持15

s，东西绿灯亮维持10

s；到10

s时，东西绿灯闪亮，绿灯闪亮周期为1

s（亮0.5

s，熄0.5

s），绿灯闪亮3

s后熄灭，东西黄灯亮，并维持2

s，到2

s时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时南北红灯熄灭，南北绿灯亮，绿灯亮维持10

s；10.3可编程控制器的应用举例到10

s时，南北绿灯闪亮，绿灯闪亮周期为1

s（亮0.5

s，熄0.5

s），绿灯闪亮3

s后熄灭，南北黄灯亮，并维持2

s，到2

s时，南北黄灯熄灭，南北红灯亮，同时东西红灯熄灭，东西绿灯亮；开始第二周期的动作，以后周而复始地循环。当启动开关断开时，所有信号灯熄灭。2．系统硬件设计根据控制要求，该系统有1个启动开关，1个停止开关，共2个输入点，东西方向、南北方向的同一类灯共用1个输出点，故总共只用6个输出。PLC的接线图如图10-24所示，元件I/O分配表如表10-4所示。10.3可编程控制器的应用举例3.梯形图软件设计根据控制要求和硬件接线，设计PLC梯形图的顺序分别如图10-25(a)、图10-25(b)、图10-25(c)和图10-25(d)所示。指令表由学生自主完成。4.系统调试运行合上启动开关I0.1，M0.0、M0.1得电自锁，Q0.0、Q0.5输出，东西绿灯亮，南北红灯亮，T37开始定时。10s后T37动作，接通T38的1s时钟，东西绿灯闪亮。T39是1s导通一个周期的时钟，C0对T39输出进行计数，3次后，C0动作，Q0.0失电，Q0.1得电，东西绿灯灭，接通黄灯，T40开始定时。10.3可编程控制器的应用举例2s到T40动作，Q0.1失电，Q0.2得电，东西黄灯灭、东西黄灯亮，同时Q0.5失电，Q0.3动作，南北红灯灭、绿灯亮，T41开始定时。15s后T41动作，接通T42的1s时钟，是Q0.3闪亮，即南北绿灯闪亮，C1计数3次后Q0.3失电，Q0.4动作，南北绿灯亮、黄灯灭，T44开始定时。2S后T44动作切断南北Q0.4黄灯，同时M0.0复位一个扫描周期，定时器、计数器输出也都复位，一个扫描周期后M0.0又得电自锁东西绿灯亮，南北红灯亮，重复前面的过程。合上停止按钮接通I0.1，定时器、计数器和输出全部复位，交通灯停止工作。返回图10-1PLC的硬件结构返回图10-2直流输入接口

返回图10-3交直流输出接口

返回图10-4PLC循环扫描工作方式返回图10-5S7--200微型PLC主机外形图返回图10-6STEP7--Micro/WIN编程软件主界面返回图10-7LD、LDN和＝指令应用返回图10-8A和AN指令应用返回图10-9O和ON指令应用返回图10-10