西门子S教学PLC综述

西门子S教学PLC综述第1页/共47页1.1可编程序控制器产生与发展

1.2可编程序控制器的特点与分类1.3可编程序控制器的组成与工作过程1.4可编程序控制器的硬件基础1.5可编程序控制器的软件基础1.6可编程序控制器网络基础1.7可编程序控制器第2页/共47页1.1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。第3页/共47页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。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具有特色的多种系列产品。系统中不仅使用了大量的开关量，也使用了模拟量，其功能已经远远超出逻辑控制、顺序控制的应用范围。故称为可编程序控制器（ProgrammableController，简称PC）。但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）混淆，所以人们还沿用PLC作为可编程控制器的英文缩写名字。第4页/共47页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２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）第5页/共47页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。第6页/共47页

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。这类可编程序控制器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。

第7页/共47页1.2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偏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。第8页/共47页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。其一是从可编程序控制器的控规模大小去分类，其二是从可编程序控制器的性能高低去分类，其三是从可编程序控制器的结构特点去分类。(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路第9页/共47页中型机: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第10页/共47页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第11页/共47页（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的数量也比较多，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。第12页/共47页

（2）按结构去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，第13页/共47页除了－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。第14页/共47页例：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第15页/共47页1.3可编程序控制器的组成与工作过程1．可编程序控制器的组成中央处理单元（CPU）是系统的核心部件，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。第16页/共47页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。第17页/共47页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。第18页/共47页执行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2．可编程序控制器的工作过程第19页/共47页

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。第20页/共47页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。第21页/共47页1.4可编程序控制器的硬件基础可编程序控制器是用来执行具体的控制，具体的工艺要求和具体的工作环境决定了可编程序控制器的选择具体的I/O模块和系统配置。1．可编程序控制器的接口模块接口模块负责把外部设备的信息转换成CPU能够接收的信号，同时把CPU发送到外部设备的信号转换成能够驱动外部设备的电平。接口模块不仅能起到转换电平的作用，还可以起到外部设备的电信号与CPU的隔离作用，同时也可以起到抗干扰和滤波等作用。

（1）数字量输入/输出模块直流输入模块直流输入模块的输入电路第22页/共47页交流输入模块交流输入模块的输入电路直流输出模块直流输出模块的输出电路第23页/共47页交流输出模块交流输出模块的输出电路继电器输出模块继电器输出模块的输出电路第24页/共47页(2)

模拟量输入/输出模块模拟量输入模块：模拟量输入模块又叫A/D模块。A/D模块把模拟信号转换成数字信号。转换速度和分辨率是A/D模块的重要指标。模拟量输出模块：模拟量输出模块又叫D/A模块。D/A模块把数字信号转换成模拟信号。数字量的位数和转换速度是D/A模块的重要指标。第25页/共47页(3)

功能模块高速计数器模块：高速计数器可以对CPU扫描速度无法控制的高速事件进行计数，可设置多种不同操作模式。（单相计数器，双向计数器，正交计数器等多种工作模式。）CT001-V1高速计数器有六种工作模式。线性计数方式，循环计数方式，予置方式，门式，锁式，采样方式。输入的控制和8路输出通过I/O接口连接。门式:控制门IN1=ON时计数。锁式：控制门IN1脉冲到计数，控制门IN2脉冲到锁定当前计数值。采样方式：控制门IN1脉冲到计数，采样时间到停止计数。第26页/共47页PID模块：PID控制器管理输出数值，以便将偏差(e)为零，使系统达到稳定状态。

PID01可以有两路输入（电压电流均可），可以通过程序也可以通过参数设定器设定参数。两路输出量通过输出口输出。(4)

扩展接口模块扩展接口模块的作用是扩大可编程序控制器规模的接口。一般来说扩展接口模块可以分为两种，一种是近程扩展接口，一种是远程扩展接口。近程扩展接口是为了扩大可编程序控制器的控制规模，远程扩展接口是为了增大可编程序控制器的控制距离。(5)通讯接口模块通讯接口模块是微机和可编程序控器之间、可编程序控制器和可编程序控制器之间的通讯接口。第27页/共47页2.可编程序控制器的配置PLC的配置可分为三种：基本配置、近程扩展配置和远程扩展配置。(1)可编程序控制器的基本配置整体式PLC的基本配置具有整体式结构的可编程序控制器的配置是由基本单元自身构成。这类可编程序控制器的编址一般在基本单元上都已给出。例如：OMRON公司的C60P基本单元含32点输入和28点输出，编址是以字(16位)为单位连续的。其地址的表示分两部分，第一部分为通道号，第二部分为位号。地址0012表示第0通道的第0位。输入信号的编址：0000、0001、…0014、00150100、0101、…0114、0115输出信号的编址：0500、0501、…05110600、0601、…0614、0615第28页/共47页叠装式PLC的基本配置具有叠装式结构的可编程序控制器的配置与整体式结构的可编程序控制器的基本配置是相同的。例如SIEMENS公司的S7－200可编程序控制器的CPU224的基本单元内含14点DC输入，编址是以字节(8位)为单位连续的。其地址的表示分两部分，第一部分为字节号，第二部分为位号。地址I0.6表示输入第0个字节的第0位。输入信号的编址：I0.0、I0.1、…I0.6、I0.7I1.0、I1.1、…I1.5输出信号的编址：Q0.0、Q0.1、…Q0.6、Q0.7Q1.0、Q1.13)组合式PLC的基本配置例如，OMRON公司C200H采用8个I/O插槽底板构成基本配置。

第29页/共47页输入输出信号编址：00000、00001、…00014、00015

…00700、00701、…00714、00715(2)可编程序控制器的近程扩展配置整体式结构PLC的近程扩展配置

具有整体式结构的可编程序控制器的配置是由一个基本单元和多个扩展单元构成。如果控制点数不符合需要，可再接一个或多个扩展单元，直到满足要求为止。这类可编程序控件器的编址一般在基本单元上都已给出，其扩展单元的编址的通道号（有的可编程序控制器指的是字节号）与基本单元连续。叠装式结构PLC的近程扩展配置这类可编程序控件器的编址一般在基本单元上都已给出，其扩展单元的编址的通道号（有的可编程序控制器指的是字节号）与基本单元连续。第30页/共47页组合式结构PLC的近程扩展配置具有组合式结构可编能序控制器的近程扩配置可以由主机（基本单元）和一台或多台扩展机组成。主机下面依次为１号扩展机、２号扩展机等等。

OMRON公司C200H可编程序控制器主机能带２个扩展机，其编址方法是主机的I/O通道号从000到009通道，１号扩展的I/O通道号从010到019通道，２号扩展机的I/O通道号从020到029通道。

4.可编程序控制器的远程扩展配置当有部分现场信号相对集中，而又与其他现场信号相距较远时，可采用远程扩展方式。远程扩展机主要用于扩大控制距离。I/O模块和部分功能模块可在远程扩展机上使用。在远程方式下，远程I/O模块作为远程主站可安装在主机及其近程扩展机上，远程扩展机作为远程从站安装在现场。

第31页/共47页例如OMRON公司的C200H可以有两个远程主站，一个远程主站又可以带５个从站远程扩展。如果其配置为一台主机带二台近程扩展机，其中主机有一个远程I/O模块、１号扩展扩机有一个远程I/O模块。主机带３个从站，１号扩展机带２个从站。这个系统是这样编址的，主机起始通道号为000、１号扩展机起始通道号为010，２号扩展机起始通道号为020。从站的编号为０到４。０号从站的起始通道号为050，１号从站的起始通道号为060，２号从站的起始通道号为070，３号从站的起始通道号为080，４号从站的起始通道号为090。当然最大通道号应在系统监控程序设定之内。

第32页/共47页1.5可编程序控制器的软件基础可编程序控制器的软件分为两大部分，系统监控程序和用户程序。系统监控程序是由可编程序控制器的制造者编制的，用于控制可编程序控制器本身的运行。另一部分为用户程序。它是由可编程序控制器的使用者编制的，用于控制被控装置的运行。1.系统监控程序系统监控程序分成系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序模块和系统调用几部分。

系统管理程序系统管理程序是系统监控程序中最重要的部分，整个可编程序控制器的运行都由它主管。其一是运行管理，控制可编程序控制器何时输入、何时输出、何时运算、何时自检、何时通讯等等，进行时间上的分配管理。其二是进行存贮空间的管理，即生成用户环境，由它规定各种参数、程序的存放地址。将用户使用的数据参数，存贮地址转化为实际的数据格式和物理存放地址。它将有限的资源变为用户可直接使用的诸多元件。通过这部分程序，用户看到的不是实际存贮地址，而是按照用户数据结构排列的元件空间和程序存贮空间。第33页/共47页其三是系统自检程序。它包括各种系统出错检验、用户程序语法检验、警戒时钟运行等。在系统管理程序的控制下，整个可编程控制器就能有序地正确工作。用户指令解释程序、编辑程序任何计算机最终都是根据机器语言来执行的，而机器语言的编制又是非常麻烦的。例如，在可编程序控制器中可以采用梯形图编程。将人们易懂的梯形图程序变为机器能识别的机器语言程序，这就是解释程序的任务。

标准程序模块和系统调用这部分是由许多独立的程序块组成的，各自能完成不同的功能，有些完成输入、输出，有些完成特殊运算等。可编程序控制器的各种具体工作都是由这部分程序来完成的。整个系统监控程序是一个整体，它质量的好坏很大程度上影响可编程序控制器的性能。因为通过改进系统监控程序就可在不增加任何硬设备的条件下改善可编程序控制的性能。2.用户程序

用户程序是可编程序控制器的使用者编制的针对具体工程的应用程序。编程语言可以是语句表、梯形图、系统流程图。用户程序是线性地存贮在系统监控程序指定的存贮区间内的，它的最大容量也是由系统监控程序限制了的。第34页/共47页可编程序控制器的编程和微型机的编程一样，用户程序需要一个编程环境、一个程序结构、一个编程方法。(1)用户环境用户环境也是由系统监控程序生成的。它包括用户数据结构、用户元件区、用户程序存贮区、用户参数、文件存贮区等．用户数据结构位数据：这是一类逻辑量(1位二进制数)，其值为“０”或“１”

，它表示触点的通、断。触点接通状态为ON，触点断开状态为OFF。

字节数据：其位长为８位，其数制形式有多种形式。一个字节可以表示８位二进制数、２位十六进制数、２位十进制数。字数据：其数制、位长、形式都有很多形式。一个字可以表示16位二进制数、４位