PLC应用技术（S7-1200机型）课件 项目一 认识PLC

《可编程控制器技术应用》了解PLC技术产生背景和应用情况主讲教师：×××Microbot目录010203第一部分：任务描述第二部分：相关知识第三部分：任务检查与评价目录第一部分任务描述第一个任务是通过参观可编程控制应用场所，搜索PLC的相关资料，了解PLC的产生背景、种类及应用范围，分组讨论PLC的特点，搜集整理PLC实际应用案例材料一份。一、任务描述1.学习目标（1）了解PLC的产生背景。（2）熟悉PLC的应用范围。2.实施条件（1）校内或校外实训基地，供学习者了解PLC的应用场合。（2）计算机，供学习者上网查询相关资料。目录第二部分相关知识一、PLC的产生可编程序控制器（programmablelogiccontroller，PLC）本质上是一种工业计算机。它连续监视输入设备的状态，并根据用户自定义程序输出结果，以控制输出设备的状态。

从20世纪20年代起，人们把各种继电器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来，组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统的继电接触器控制系统。由于它结构简单、容易掌握、价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用范围较广，在工业控制领域中一直占主导地位。但是以各种继电器为主要元件的电气控制线路可能需要成千只继电器来构成，需要使用成千上万根导线来连接，安装这些继电器需要大量的继电器控制柜，且占据大量的空间，如图1-1所示。运行时，又产生大量的噪声，消耗大量的电能。为保证控制系统的正常运行，需要安排大量的电气技术人员进行维护。系统出现故障，排除故障又非常困难。尤其是在生产工艺发生变化时，可能需要增加很多的继电器或控制柜，系统改造的工作量极大，所以通用性和灵活性较差。对继电器控制系统升级改造而言意味着系统重构，这将会浪费大量的人力、物力和时间。一、PLC的产生图1-1继电器系统电气控制柜一、PLC的产生20世纪50年代开始至20世纪70年代，汽车产品的多样化成为汽车工业主要竞争点，汽车生产线的自控系统基本上由继电器控制装置构成。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展，汽车型号更新的周期变短，因而继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，这不仅费时、费工、费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，1968年4月，美国通用汽车（GM）公司公开招标，发布了一个替代继电器系统的提议。包括十点要求：（1）编程方便，现场修改程序（2）维护方便（3）可靠性高于继电器控制柜（4）体积小于继电器控制柜（5）成本低于继电器控制柜（6）有数据通信功能（7）输入5V，11A（8）可在恶劣环境下工作（9）扩展时，原系统变更要少（10）用户程序存储容量可扩展到4KB。一、PLC的产生在众多投标公司中，3家公司最终入围进入评标阶段：美国数字设备公司（DEC），3-I,和一家咨询公司BedfordAssociates（Modicon公司的前身）。它们的产品分别为：DEC公司的PDP-14（图1-2）,3-I公司的PDQ-II,以及Bedford公司的Modicon084，世界上最早的PLC见图1-2。图1-2世界上最早的PLC二、PLC的发展

PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，国际电工委员会（IEC）先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通过了对它的定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/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外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”在20世纪70年代中末期，PLC进入了实用化发展阶段。计算机技术已全面引入PLC中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能以及极高的性价比，都奠定了其在现代工业中的地位。在20世纪80年代初，PLC在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产PLC的国家日益增多，产量日益上升。这标志着PLC已经步入了成熟阶段。二、PLC的发展

在20世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，在这个时期内年增长率一直坚持为30~40%，说明PLC的处置模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力已经得到了大幅度的提高。PLC也开始逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了过程控制领域中处于统治地位的DCS系统。在20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是需要更加适应于现代工业。这个时期发明了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。三、PLC的特点

PLC的诞生给工业控制带来了一次革命性的飞跃，与继电器、微机控制相比，PLC有它独特之处。1.可靠性高、抗干扰能力强对于工业控制器来讲，可靠性是一个非常重要的指标，如何能在各种恶劣的工业环境和条件下，平稳、可靠地工作，将故障率降低至最低，是研制每一种控制器件必须考虑的问题。PLC采用的是微电子技术，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，因此不会出现继电器控制系统中的接线老化、脱焊、触点电弧等现象，提高了可靠性。另外PLC还在硬件和软件量方面采取了许多有力措施来提高其可靠性。PLC具有很高的可靠性和抗干扰能力，因此被称为“专为适应恶劣工业环境而设计的计算机”。三、PLC的特点

2.控制系统结构简单、通用性强、应用灵活PLC产品系列化，品种齐全，外围模块多，可自由组合成各种大小不同要求的控制系统。只需根据控制要求配置系统，接线工作量很小。3.编程方便，易于使用这是PLC优于微机的另一个特点。目前大多数PLC采用继电控制形式的“梯形图编程方式”，即有传统控制线路的清晰直观，又适合电气技术人员的读图习惯和微机应用水平，易于接受，与常用的汇编语言相比，更受欢迎。这样进一步简化编程，当今的PLC还针对具体问题设计了诸如步进梯形指令、功能指令等。PLC是为车间操作人员而设计的，一般只要很短时间的训练即能学会使用。而微计算机控制系统则要求具有一定知识的人员操作。当然，PLC的功能开发，需要有软件专家的帮助。三、PLC的特点4.功能完善，扩展能力强PLC内部含有数量巨大的开关量软元件，可用于开关量逻辑控制；还有许多控制功能，可实现A/D、D/A转换及PID运算，实现过程控制、数字控制等；可实现通信联网控制，不但可以现场控制，还可远程控制。5.PLC控制系统设计、安装、调试方便PLC具有数字和模拟量输入、输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录和显示功能，硬软件齐全，且为模块积木式结构，只需根据控制要求选用，安装接线工作量大大减少；由于PLC采用软件编程来达到控制功能，而不同于继电器控制采用接线来达到控制功能，能率先进行模拟调试方式，并且操作化的功能和监视化的功能很强，这些都减少了调试工作量。三、PLC的特点

6.维修方便、维修工作量小PLC具有完善的自诊断、履历情报存储及监视功能，对内部工作状态、通信状态、异常、I/O点的状态均有显示。通过显示的状态，可迅速处理、及时排除故障。7.结构紧凑、体积小、重量轻、易于实现机电一体化PLC将把微型计算机技术与继电器控制技术很好地融合在一起，结构紧凑、体积小、重量轻，且具有监控计算机联网的功能。因而它的应用几乎覆盖了所有的工业企业，既能对传统机械设备改造升级，又适用于生产过程控制，实现工业生产的优质、高产、节能与降低成本。综上所述，PLC技术代表了当前电气控制的世界先进水平。PLC技术与数控技术、工业机器人技术，是机械工业自动化的三大“支柱”。四、PLC应用领域1.开关量的逻辑控制开关量的逻辑控制是PLC最基本的控制功能，所控制的逻辑可以是各种各样的：时序的、组合的、延时的、技术的、不计数的等。控制的输入、输出点数可以不受限制。少则十点，几十点，多则成千上万点，并通过连网来实现控制，如图1-3、图1-4所示。图1-3交通灯图1-4旋转门四、PLC应用领域2.数据的处理现代的PLC都具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能，可进行数据的采集、分析和处理，同时可通过通信接口将这些数据传送给其他智能装置进行处理，如图1-5所示。图1-5数据采集及处理四、PLC应用领域3.运动控制大多数PLC都有驱动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块。这一功能广泛用于各种机械设备，如图1-6、图1-7所示。图1-6工业机器人运动控制图1-7机器狗运动控制四、PLC应用领域4.通信连网PLC的通信包括PLC与PLC、PLC与上位计算机、PLC与其他智能设备之间的通信，PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，满足工厂自动化（FA）系统发展的需要。五、PLC的类型

PLC种类繁多，可以从多个角度划分。一般来说可以从4个角度对PLC进行分类。分别是从PLC的规模、性能、结构和厂家。（1）按规模划分PLC按规模分为小型机、中型机、大型机。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。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PLC进行监控，它适合中型或大型控制系统的控制。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PLC进行监控。五、PLC的类型

（2）按性能划分PLC按性能可以分为高档机、中档机和低档机。低档机：这类PLC，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。中档机：这类PLC，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。高档机：这类PLC，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PLC可以完成规模很大的控制任务。在联网中一般做主站使用。五、PLC的类型

（3）按结构划分PLC按结构可以分为整体式和组合式。整体式：整体式PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组成一体，如图1-8所示。另外还有独立的I/O扩展单元与主机配合使用。整体式PLC的特点是结构紧凑、体积小、重量轻、价格低、输入/输出点数固定、实现的功能和控制规模固定，灵活性较低。小型PLC常采用这种结构，适用于工业生产中的单机控制。五、PLC的类型

组合式：组合式又称为总线结构，其总线做成总线板，上面有若干个总线槽，每个总线槽上可安装一个PLC模块，不同的模块实现不同的功能，如图1-9所示。PLC的CPU、存储器做成一个模块（有的把电源也做在上面），该模块在总线上的安装位置一般来说是固定的。其他模块可根据PLC的控制规模、实现的功能选用，安装在总线板的其他任一总线槽上。组合式PLC安装完成后，需进行登记，使PLC对安装在总线上的各模块进行地址确认。组合式PLC的总线板又称底板。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其他称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电路连接，距离一般不超过10m。组合式PLC的特点：系统配置灵活，可构成具有不同控制规模和功能的PLC，但它的价格较高。一般大、中型PLC采用这种结构。图1-8整体式PLC图1-9组合式PLC五、PLC的类型

（4）按品牌划分近年来，随着工业自动化行业进一步发展，国产PLC品牌崛起，市场占有率在上升，具有主导优势的国际品牌市场份额出现下滑的趋势，市场竞争激烈，中国PLC市场呈现百家争鸣的气象。中国市场上常见的PLC品牌有西门子、施耐德、欧姆龙、三菱、罗克韦尔、台达、信捷等等，主要分为欧系的、日系的还有国产品牌。目录第三部分任务检查与评价一、任务检查与评价评分点得分查询的PLC的种类大于5种（20）图片资料的数量大于10张（20）PLC作用描述正确（20）分组讨论时发言积极（10）案例内容条理清楚，图文并茂（30）《可编程控制器技术应用》谢谢观看！《可编程控制器技术应用》认识PLC基本结构和工作原理主讲教师：×××Microbot目录010203第一部分：任务描述第二部分：相关知识第三部分：任务检查与评价目录第一部分任务描述本任务是通过相关知识的学习，绘制PLC系统的结构框图，分析PLC的工作过程。一、任务描述1.学习目标（1）熟悉PLC的基本结构。（2）掌握PLC的工作原理。2.实施条件（1）计算机机房，供学习者上网查询相关资料，绘制图表。目录第二部分相关知识一、PLC基本结构

PLC种类繁多，型号复杂，但是主要由中央处理器（CPU）、电源模块、存储器、通信模块、I/O接口以及内部辅助电路组成，如图1-10所示。其中，CPU是PLC的核心，I/O接口是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。图1-10PLC结构图一、PLC基本结构

1.中央处理器CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的结构单元。一、PLC基本结构

在使用者，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。2.存储器PLC配有3种不同类型的存储器：系统存储器、用户存储器和工作数据存储器。（1）系统存储器系统存储器用于固化PLC生产厂家编写的各种系统工作程序。一、PLC基本结构

系统工作程序相当于个人计算机的操作系统，包括下列3种类型。1）系统管理程序：决定系统的管理节拍，包括运行管理、存储空间管理、系统自诊断管理。2）用户程序编辑和指令解释程序，编辑程序：将用户程序变为内码，以便于程序的修改、调试。解释程序：将编程语言变为CPU可以执行的机器码。3）标准子程序：为了提高运行速度，在程序执行过程种某些信息处理和特殊运算是通过调用标准子程序来完成的。如I/O处理、PID调节等。（2）用户存储器RAM区用户存储器RAM区包括用户程序存储器和数据存储器。1）用户存储器：用于存放用户程序一、PLC基本结构

2）数据存储器：用于存放用户程序执行过程中使用的ON/OFF状态量或数值量。用户存储器的内容可以任意读写、修改、增删。RAM区的程序一般由锂电池实现掉电保护（5～10年）；没有电池，如果经常运行，也可保持2～5年不丢失。有些型号的PLC具有用户程序和数据的ROM区，用户可以将程序和数据存入EPROM或EEPROM中，每次开机时，PLC自动将EPROM或EEPROM中的程序和数据调入RAM中。这样用户程序和数据就不会丢失。（3）工作数据存储器工作数据是经常发生变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映像寄存器和数据表。一、PLC基本结构

3.I/O单元I/O单元也称为I/O模块。PLC通过I/O单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收操作指令和现场的状态信息，如控制按钮、操作开关和限位开关、光电管、继电器触点、行程开关、接近开关等信号，并通过输入电路的滤波、光电隔离和电平转换等将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出单元将CPU送出的弱电控制信号通过输出电路的光电隔离和功率放大方法等转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀、电磁铁等执行元件。I/O单元有多种类型，但各种I/O单元的原理基本相同。下面介绍几种常用的I/O单元。（1）开关量输入单元PLC的开关量输入单元按照输入端电源类型的不同，分为直流输入和交流输入单元。图1-11所示为直流输入单元。直流输入单元外接直接电源，虚线框内为PLC内部输入电路，框外一、PLC基本结构左侧为外部用户接线，图中只画出对应于一个输入点的输入电路。各个输入点对应的输入电路均相同。图中T为光电耦合器，它是将发光二极管与光电晶体管封装在一个管壳中，当二极管有电流流过时，二极管发光，使光电晶体管导通；当二极管中无电流流过时，晶体管不导通。发光二极管LED指示该点输入状态。R1为限流电阻，R2和C构成滤波电路，可滤除输入信号中的高频抖动。输入单元的外接直流电源的极性任意。当S闭合后，光电耦合器导通，A点为高电平，经滤波器送到I/O总线，CPU访问该路信号时，将该点对应的输入映像寄存器状态置1；发光二极管LED点亮，指示输入开关处于接通状态。当S断开后，光电耦合器不导通，A点为低电平，经滤波器送到I/O总线，CPU访问该路信号时，将该点对应的输入映像寄存器状态置0；发光二极管LED不亮，指示输入开关处于断开状态。图1-11直流输入单元结构图一、PLC基本结构

有的直流输入单元不需要外接电源，称为无源式输入单元。无源式输入单元的内部提供24V直流电源，用户只需要将开关接在输入端子和公共端子之间即可，不用再外接电源，简化了输入端的接线。图1-12所示为交流输入单元，工作原理与直流输入单元的类似。图1-12交流输入单元结构图一、PLC基本结构

（2）开关量输出单元PLC的开关量输出单元按输出电路所用开关器件不同可分为晶体管输出单元、晶闸管输出单元、继电器输出单元。图1-13所示为晶体管输出单元，只能驱动直流负载。特点：输出频率高，负载能力小。在晶体管，输出单元中，输出电路采用晶体管作为开关器件，虚线框内为PLC内部输出电路，框外右侧为外部用户接线。图中，LED为输出指示灯，T2为输出晶体管，D为保护二极管，FU为熔断器。工作原理如下：当对应于T2的内部继电器的状态为1时，CPU通过I/O总线输出锁存器对应的位为高电平，LED灯点亮，指示该输出点开关量为1状态；光耦合器导通，晶体管T2饱和导通，负载得电。反之，当对应于T2的内部继电器状态为0时，CPU通过I/O总线输出锁存器对应的位为低电平，LED灯不亮，指示该输出点开关量为0状态；光耦合器截止，晶体管T2截止，负载失电。一、PLC基本结构图1-13晶体管输出单元结构图一、PLC基本结构

图1-14所示为晶闸管输出单元，只能驱动交流负载，工作原理与晶体管型类似，特点是输出频率高，负载能力大。图1-14晶闸管输出单元结构图一、PLC基本结构

图1-15所示为继电器输出单元，可以驱动交流负载与直流负载，特点是输出频率低，负载能力大。图1-15继电器输出单元结构图一、PLC基本结构

4.电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型为交流电源（AC220V或AC110V），或直流电源（常用DC24V）。二、PLC工作原理

1.扫描的工作方式当PLC运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作，但CPU不可能同时去执行多个操作，，它只能按分时操作（串行工作）方式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时（并行）完成的。这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。用扫描工作方式执行用户程序时，扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行，周而复始重复运行。

PLC的扫描工作方式与电器控制的工作原理明显不同。电器控制装置采用硬逻辑的并行工作方式，如果某个继电器的线圈通电或断电，那么该继电器的所有常开和动断触点不论处在控制线路的哪个位置上，都会立即同时动作;而PLC采用扫描工作方式（串行工作方式），如果某个软继二、PLC工作原理电器的线圈被接通或断开，其所有的触点不会立即动作，必须等扫描到该时才会动作。但由于PLC的扫描速度快，通常PLC与电器控制装置在I/0的处理结果上并没有什么差别。2.扫描的工作过程整个扫描过程需要的时间称为扫描周期，扫描周期与CPU的时钟频率、指令类型、程序长短有关系，是PLC的一个重要指标。PLC的一个扫描过程包含五个阶段，内部处理，通信服务，输入采样，程序执行，输出刷新。其中PLC处于STOP状态下，只完成内部处理和通信服务，在RUN状态下，完成全部五个阶段的工作。（1）内部处理检查CPU等内部硬件是否正常,对监视定时器复位，其他内部处理。二、PLC工作原理（2）通信服务与其他智能装置(编程器、计算机)通信。如:响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。（3）输入采样以扫描方式按顺序采样所有输入端的状态，并存入输入映象寄存器中。(输入寄存器被刷新)。（4）程序执行PLC梯形图程序扫描原则:先左后右、先上后下的步序，逐句扫描。并将结果存入相应的寄存器。（5）输出刷新输出状态寄存器中的内容转存到输出锁存器输出，驱动外部负载。二、PLC工作原理

当PLC投入运行以后，其工作过程一般分为3个阶段：输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段，如图1-16所示。图1-16PLC扫描过程二、PLC工作原理（1）输入采样阶段PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入存入内存中各对应的输入映像寄存器。此时，输入映像寄存器的值被刷新。接着进入程序执行阶段，在程序执行阶段或输出阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。（2）程序执行阶段根据PLC的程序扫描原则，PLC先左后右，先上后下的步序语句逐句扫描。当指令涉及输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器中“读入”对应输入映像寄存器的当前状态，然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中，对元件映像寄存器来说，每一个元件的值会随着程序执行过程而变化。二、PLC工作原理（3）输出刷新阶段

在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段转存到输出锁存寄存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。采用集中采样，集中输出工作方式的特点：在采样周期中，将所有输入信号（不管该信号当时是否采用），一起读入，此后在整个程序处理过程中PLC系统与外界隔绝，直到输出控制信号到下一个工作周期再与外界交涉，从根本上提高系统工作的可靠性。二、PLC工作原理PLC在输入、输出的处理方面必须遵守下列原则。（1）输入映像寄存器的数据，取决于输入端子板上各输入端子在上一个周期间的接通、断开状态。（2）程序如何执行取决于用户所编程序和输入、输出映像寄存器的内容。（3）输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果。（4）输出锁存器中的数据，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中数据决定。（5）输出端子的接通断开状态，由输出锁存器决定。二、PLC工作原理

PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的，如图1-17所示。PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号(或地址号)周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束，然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。图1-17PLC程序执行过程目录第三部分任务检查与评价一、任务检查与评价评分点得分查询的PLC的种类大于5种（20）图片资料的数量大于10张（20）PLC作用描述正确（20）分组讨论时发言积极（10）案例内容条理清楚，图文并茂（30）《可编程控制器技术应用》谢谢观看！《可编程控制器技术应用》认识S7-1200系列PLC主讲教师：×××Microbot目录010203第一部分：任务描述第二部分：相关知识第三部分：任务检查与评价目录第一部分任务描述本任务是通过相关知识的学习，了解S7-1200系列PLC系统的特点及结构，会读取1200系列PLC各模块的型号并查询相关参数，完成一份S7-1200系列PLC系统简介的文档。一、任务描述1.学习目标（1）了解S7-1200系列PLC系统的结构。（2）掌握S7-1200系统的特点。（3）认识梯形图编程。（4）掌握TIAPortal软件安装的方法。2.实施条件（1）配有1200系统的实训室。（2）计算机机房，供学习者上网查询相关资料，制作文档。目录第二部分相关知识一、西门子PLC发展

西门子PLC经历了C3、S3、S5、S7等系列的发展过程，现已成为应用非常广泛的PLC。1975年上市的SIMATICS3，实际上是带有简单操作接口的二进制控制器。1979年，S3系统被SIMATICS5所取代，该系统广泛地使用了微处理器。20世纪80年代初，S5系统升级为U系列PLC，较常用机型：S5-90U、95U、100U、115U、135U、155U；1994年4月，S7系列诞生，它具有更国际化、更高性能等级、安装空间更小、更良好的WINDOWS用户界面等优势，机型为S7-200、300、400。1996年，在过程控制领域，西门子公司又提出PCS7（过程控制系统7）的概念，将其优势的WINCC（与WINDOWS兼容的操作界面）、PROFIBUS（工业现场总线）、COROS（监控系统）、SINEC（西门子工业网络）及控调技术溶为一体。目前，西门子公司又提出TIA（TotallyIntegratedAutomation）概念，即全集成自动化系统，将PLC技术溶于全部自动化领域。由最初发展至今，S3、S5系列PLC已逐步退出市场，停止生产，而S7系列PLC发展成为了西门子自动化系统的控制核心。一、西门子PLC发展

西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性高，主要包括LOGO、S7-200、S7-200SMART、S7-1200、S7-300、S7-400、S7-1500等。其中，S7-1200是介于S7-200和S7-300的PLC产品，2009年推出市场，得到广泛的应用。西门子S7系列PLC定位见表1-1。序号PLC型号PLC照片定位1SIMATICS7-1500中高端系统中使用的控制器模块。无论小型设备还是复杂设备都适用2SIMATICS7-400高端离散和过程自动化系统中使用的控制器模块。大型I/O框架和最高20MB的主内存，快速响应，实时性强，垂直集成，支持热插拔和在线I/O配置，避免重启，具备等时模式，可以通过PROFIBUS控制高速机器一、西门子PLC发展3SIMATICS7-300中端离散自动化系统中使用的控制器模块。丰富的CPU种类，高性能，模块化紧凑设计，使用MMC存储程序和数据，系统免维护4SIMATICS7-1200低端离散自动化系统和独立自动化系统中使用的小型控制器模块。可升级及灵活的设计，集成了PROFINET接口，集成了强大的计数、测量、闭环控制及运动控制功能，直观高效的STEP7Basic工程系统可以直接组态控制器和HMI5S7-200CN（S7-200SMART）低端离散自动化系统和独立自动化系统中使用的紧凑型控制器模块。紧凑设计，CPU集成I/O，实时处理能力，高速计数器、报警输入、中断，易学易用的软件多种通信选项6LOGO低端独立自动化系统中简单的开关控制解决方案使用使用的智能逻辑控制器。简单自动化，作为时间继电器、计数器和辅助接触器的替代开关设备，模块化设计，柔性应用，用户界面友好，配置简单，使用拖放功能的智能电路图开发，串行模块结构、模块化扩展二、S7-1200PLC的硬件

S7-1200PLC的硬件主要包括电源模块、CPU模块、信号模块、通信模块、信号板模块，如图1-18所示。1—通信模块(CM)或通信处理器；2—CPU；3—信号板(SB)；4—信号模块(SM)图1-18S7-1200的硬件结构二、S7-1200PLC的硬件

S7-1200PLC的硬件主要包括电源模块、CPU模块、信号模块、通信模块、信号板模块，如图1-18所示。1—通信模块(CM)或通信处理器；2—CPU；3—信号板(SB)；4—信号模块(SM)图1-18S7-1200的硬件结构二、S7-1200PLC的硬件

1.电源模块S7-1200PLC输入电源取决于不同型号的CPU，一般为AC120/230V或DC24V/2.5A。直流输入可以采用PM1207电源模块，输入AC120/230V，输出DC24V/2.5A，如图1-19所示。图1-19PM1207电源二、S7-1200PLC的硬件

2.S7-1200PLC的CPU（1）CPU面板结构CPU是S7-1200PLC的核心部件，其面板结构如图1-20所示，包括电源接口、存储卡插槽（上部保护盖下面）、可拆卸用户接线连接器、板载I/O的状态LED、PROFINET连接器。①电源接口；②存储卡插槽（上部保护盖下面）；③可拆卸用户接线连接器（保护盖下面）；④板载I/O的状态LED；⑤PROFINET连接器（CPU的底部）图1-20CPU面板二、S7-1200PLC的硬件

（2）CPU类型目前S7-1200PLC有五种型号，分别为CPU1211C、CPU1212C、CPU1214C、CPU1215C和CPU1217C。根据输入、输出电源和输出形式，可以分为AC/DC/RLY、DC/DC/RLY、DC/DC/DC。含义分别为：CPU交流供电，输入电源是直流电源，输出形式是继电器输出；CPU直流供电，输入电源形式是直流电源，输出形式是继电器输出；CPU直流供电，输入电源形式是直流电源，输出形式是晶体管输出。其中交流电源指的是AC120V~240V，直流电源DC20.4~28.8V。二、S7-1200PLC的硬件

要了解CPU必须掌握其常规技术规范，见表1-2。特征CPU1211CCPU1212CCPU1214CCPU1215CCPU1217C物理尺寸/mm90x100x75110x100x75130x100x75150x100x75用户存储器工作50KB75KB100KB125KB150KB负载1MB2MB4MB保持性10KB本地板载I/O数字量6入4出8入6出14入10出模拟量2路输入2点输入/2点输出过程映像大小输入(I)1024字节输出(Q)1024字节位存储器(M)4096字节8192字节二、S7-1200PLC的硬件信号模块(SM)扩展无28信号板、电池板或通信板(CB)1通信模块(CM)（左侧扩展）3高速计数器总计最多可组态6个使用任意内置或SB输入的高速计数器1MHz—Ib.2到Ib.5100/80kHzIa.0到Ia.530/20kHz—Ia.6到Ia.7Ia.6到Ib.5Ia.6到Ib.1200kHz脉冲输出总计最多可组态4个使用任意内置或SB输出的脉冲输出1MHz—Qa.0到Qa.3100kHzQa.0到Qa.3Qa.4到Qb.120kHz—Qa.4到Qa.5Qa.4到Qb.1--二、S7-1200PLC的硬件存储卡SIMATIC存储卡（选件）数据日志数量每次最多打开8个大小每个数据日志为500MB或受最大可用装载存储器容量限制实时时钟保持时间通常为20天，40°C时最少为12天（免维护超级电容）PROFINET以太网通信接口12实数数学运算执行速度2.3μs/指令布尔运算执行速度0.08μs/指令二、S7-1200PLC的硬件

（3）CPU工作模式STOP模式、STARTUP模式和RUN模式。CPU前面的状态LED指示当前工作模式。在STOP模式下，CPU不执行程序。您可以下载项目。在STARTUP模式下，执行一次启动OB（如果存在）。在启动模式下，CPU不会处理中断事件。在RUN模式，程序循环OB重复执行。可能发生中断事件，并在RUN模式中的任意点执行相应的中断事件OB。可在RUN模式下下载项目的某些部分。CPU支持通过暖启动进入RUN模式。暖启动不包括储存器复位。执行暖启动时，CPU会初始化所有的非保持性系统和用户数据，并保留所有保持性用户数据值。二、S7-1200PLC的硬件

存储器复位将清除所有工作存储器、保持性及非保持性存储区、将装载存储器复制到工作存储器并将输出设置为组态的“对CPUSTOP的响应”(ReactiontoCPUSTOP)。存储器复位不会清除诊断缓冲区，也不会清除永久保存的IP地址值。（4）S7-1200扩展模块1）通信模块和通信处理器通信模块(CM)和通信处理器(CP)如图1-21所示。它们增加了CPU的通信选项，如PROFIBUS、RS-232/RS-485（适用于P2P、Modbus、USS）、AS-i主站的连接性。CP可以提供其他通信类型的功能，如通过GPRS、LTE、IEC、DNP3或WDC网络连接到CPU。CPU最多支持3个CM或CP，各CM或CP连接在CPU的左侧（或连接到另一个CM或CP的左侧）。1—状态LED；2—通信连接器图1-21通信模块和通信处理器二、S7-1200PLC的硬件

2）信号板CPU支持一个插入式扩展信号板。信号板(SB)可为CPU提供附加I/O接口，如图1-22所示。SB连接在CPU的前端。通信板(CB)可以为CPU增加其他通信接口。电池板(BB)可提供长期的实时时钟备份。1—SB上的状态LED；2—可拆卸用户接线连接器图1-22信号板接口二、S7-1200PLC的硬件

3）信号模块信号模块(SM)可以为CPU增加其他功能，如图1-23所示。SM连接在CPU右侧。可以扩展数字量I/O、模拟量I/O、RTD、热电偶、SM1278IO-Link主站、SM1238电能表等。1—状态LED；2—总线连接器滑动接头；3—可拆卸用户接线连接器图1-23信号模块三、物理存储器（一）存储器的分类1.随机存储器随机存取存储器（RAM）是与CPU直接交换数据的内部存储器。它可以随时读写而且速度很快，RAM中的数据一旦断电所存储的数据将随之丢失，属于易失性存储器，通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储介质。为了保存RAM中的用户程序和部分数据，可以用锂电池。2.只读存储器只读存储器（ROM）只能读出不能写入，ROM所存数据稳定，断电后所存数据也不会改变，属于非易失性存储器，一般存储PLC的操作系统。三、物理存储器3.可擦写只读存储器可擦写只读存储器包括可擦写可编程只读存储器（EPROM）和带电可擦写可编程只读存储器（EEPROM），可擦写只读存储器结合了RAM和ROM的可随机读取非易失的优势，用来存放用户程序和断电时所需保存的数据。西门子的SIMATIC存储卡是FEPROMSD存储卡，用来断电时保存用户程序和数据。在S7-1200PLC存储卡不是必需的。（二）S7-1200PLC的内部存储空间S7-1200的内部存储空间分为装载存储器、工作存储器和保持性存储器三部分，每一部分都有用户程序、用户数据和配置数据。三、物理存储器1.装载存储器装载存储器是非易失性存储器。用于存储用户项目文件（用户程序、数据和组态信息）。项目中的符号名和注释也可以被下载到装载存储区中，极大地方便了用户的后期调试和维护。在不插存储卡时，用户使用STEP7Basic软件下载的项目都下载到装载存储区中，当使用SD卡装载的时候，如果硬件损坏，更换后硬件插上SD卡即可使用，而使用内置装载区时，更换硬件需要重新组态配置。注意：使用大容量的存储卡，也无法扩展装载存储区。2.工作存储器工作存储器是易失性存储器。工作存储区位于随机存储器（RAM）上，在执行用户程序时，CPU会将需要的数据从装载存储区复制到工作存储区，随机存储器的读写速度比闪存/可擦除存储器快的多，能满足CPU高速运算的需求。断电后工作存储区中的内容断电后丢失，且不能被扩展。三、物理存储器3.保持性存储器保持性存储器用于在CPU断电时存储指定单元的过程数据，保证数据在断电的时候不丢失，CPU在重新上电时恢复这些保持性值。S7-1200/1500都具有断电保持存储区，通过软件设置可以将一部分位存储区（M）、定时器（T）、计数器（C)和DB块中的数据设置成断电保持状态。内部存储区的具体大小请参考下表。型号CPU1211CCPU1212CCPU1214CCPU1215CCPU1217C装载存储区1MB1MB4MB4MB4MB工作存储区30KB50KB75KB100KB125KB保持性存储区10KB10KB10KB10KB10KB三、物理存储器

如果想知道目前程序所占用的存储区空间，可以通过TIAPortal软件的资源窗口查看。在软件左侧的结构树中，用鼠标右击“程序块”选择“调用结构”查看“资源”。图

内部存储区容量查看三、物理存储器（三）S7-1200的存储器分区S7-1200系统存储器的分区一数据文件的形式来表示。包括过程映像输入、过程映像输出、位存储器区、数据块区、临时局部存储器区、物理输入区、物理输出区。表2-6系统存储区存储区存储区说明强制保持性过程映像输入（I）在循环扫描开始时，将输入模块的输入值保存到过程映像输入表否否过程映像输出（Q）在循坏扫描开始时，将过程映像输出表中的值写入输出模块否否物理输入（I_:P)可以立即读取CPU、信号板、信号模块或分布式模块的数字量和模拟量输入是否物理输出（I_:Q）可以立即写入CPU、信号板、信号模块或分布式模块的数字量和模拟量输出是否位存储器（M）用于存储用户程序的中间运算结果或标志位否是数据块（DB）数据存储器与FB的参数存储器否是临时局部存储器（L）块的临时局部数据，只能供块内部使用否否三、物理存储器1.过程映像输入/输出在程序中，过程映像输入表示为I，用来接收PLC外部输入的数字量信号，在程序循环扫描开始时，CPU读取数字量输入点所对应的外部电路的状态，并保存在过程映像输入区I中。允许对过程映像输入进行读写访问，但过程映像输入通常为只读。在程序中，过程映像输入表示为Q，在程序执行过程中，用户程序将输出值保存在过程映像输出区，在下一扫描循环开始时，将过程映像输出区的值写入对应的数字量输出点，从而驱动外部负载。过程映像输出允许读访问和写访问。I、Q均可以按位、字节、字、双字来访问，如下表所示。当在博途软件中输入地址，系统自动的在地址前插入%。三、物理存储器1.过程映像输入/输出在程序中，过程映像输入表示为I，用来接收PLC外部输入的数字量信号，在程序循环扫描开始时，CPU读取数字量输入点所对应的外部电路的状态，并保存在过程映像输入区I中。允许对过程映像输入进行读写访问，但过程映像输入通常为只读。在程序中，过程映像输入表示为Q，在程序执行过程中，用户程序将输出值保存在过程映像输出区，在下一扫描循环开始时，将过程映像输出区的值写入对应的数字量输出点，从而驱动外部负载。过程映像输出允许读访问和写访问。I、Q均可以按位、字节、字、双字来访问，如下表所示。当在博途软件中输入地址，系统自动的在地址前插入%。三、物理存储器

I、Q均可以按位、字节、字、双字来访问，如下表所示。当在博途软件中输入地址，系统自动的在地址前插入%。访问长度过程映像输入格式过程映像输出格式举例位I[字节地址].[位地址]Q[字节地址].[位地址]I0.0、Q0.1、Q0.5、Q1.0字节、字、双字I[大小][起始字节地址]Q[大小][起始字节地址]IB4、IW5、ID6、QB2、QW6、QD20三、物理存储器

2.物理输入/输出在输入点的地址或者变量后面加上“:P”，可立即读取CPU、信号板、信号模块的物理输入点（数字量或者模拟量输入），与前面提到的过程映像输入不同的是，物理输入时直接访问信号源，而不是在最后一次被刷新的过程映像输入中读取，这种I_:P访问称为“立即读”访问。读取的是物理输入点，因此不能够通过程序写输入，即I_:P访问是只读的。I_:P访问也仅限于单个CPU、信号板、信号模块所支持的输入大小。例如，读取2DI/2DQ信号板的输入，则可按I4.0:P和I4.1:P或IB4:P的形式访问输入点，但是不能访问I4.2:P到I4.7:P,因为超出范围。三、物理存储器

在输出点的地址或者变量后面加上“:P”，可立即写CPU、信号板和信号模块的物理输出点（数字量或者模拟量输出）。与前面提到的过程映像输出不同的是，物理输出将数据写入过程映像输出，同时直接将数据写给被访问的外设输出点，不用等到下一次刷新时将过程映像输出中的数据传送给目标点，这种访问被称为“立即写”。物理输出直接控制与该点连接的现场设备，因此读取物理输出点是被禁止的,即Q_:P访问是只写的。访问长度物理输入格式物理输出格式举例位I[字节地址].[位地址]:PQ[字节地址].[位地址]:PI0.1:P、Q1.1:P、Stop:P、字节、字、双字I[大小][起始字节地址]:PQ[大小][起始字节地址]:PIB4:P、IW5:P、ID12:P、QB5:P、QW10:P三、物理存储器

3.位存储器区位存储器区(M)用来存储运算的中间操作状态或其他控制信息。可以用位、字节、字或双字读/写位存储器区。访问长度格式举例位M[字节地址].[位地址]M10.7字节、字、双字M[大小][起始字节地址]MB20、MW30、MD50三、物理存储器4.数据块数据块（DB）用于存储各种类型的数据，其中包括操作的中间状态或FB的其它控制信息参数，以及许多指令（如定时器和计数器）所需的数据结构。可以按位、字节、字或双字访问数据块存储器。读/写数据块允许读访问和写访问。只读数据块只允许读访问。访问长度格式举例位DB[数据块编号].DBX[字节地址].[位地址]DB1.DBX2.3字节、字、双字DB[数据块编号].DB[大小][起始字节地址]DB10.DBW2、DB20.DBD8三、物理存储器

6.临时存储器临时存储器用于存储代码块被处理时使用的临时数据。临时存储器类似于M存储器，二者的主要区别在于M存储器是全局的，而临时存储器是局部的。1)所有的OB、FC和FB都可以访问M存储器中的数据，即这些数据可以供用户程序中所有的代码块全局性地使用。2)在OB、FC和FB的接口区生成临时变量(Temp).它们具有局部性，只能在生成它们的代码块内使用，不能与其他代码块共享。即使OB调用FC.FC也不能访问调用它的OB的临时存储器。CPU在代码块被启动(对于OB)或被调用(对于FC和FB)时，将临时存储器分配给代码块，代码块执行结束后，CPU将它使用的临时存储器区重新分配给其他要执行的代码块使用。CPU不对在分配时可能包含数值的临时存储单元初始化。只能通过符号地址访何临时存储器。四、1200系列PLC系统的特点

S7-1200控制器具有模块化、结构紧凑、功能全面等特点，适用于多种应用，能够保障现有投资的长期安全。由于该控制器具有可扩展的灵活设计，符合工业通信最高标准的通信接口，以及全面的集成工艺功能，因此它可以作为一个组件集成在完整的综合自动化解决方案中。通信模块集成工艺。集成的PROFINET接口用于编程、HMI通信和PLC间的通信。此外它还通过开放的以太网协议支持与第三方设备的通信。该接口带一个具有自动交叉网线（autocrossover）功能的RJ45连接器，提供10/100Mbit/s的数据传输速率，它支持最多16个以太网连接以及下列协议：TCP/IPnative、ISO-on-TCP和S7通信。SIMATICS7-1200CPU最多可以添加3个通信模块。RS-485和RS-232通信模块为点到点的串行通信提供连接。对该通信的组态和编程采用了扩展指令或库功能、USS驱动协议、ModbusRTU主站和从站协议，它们都包含在SIMATICSTEP7Basic工程组态系统中。四、1200系列PLC系统的特点

高速输入、输出。SIMATICS7-1200控制器带有多达6个高速计数器。其中3个输入为100kHz，3个输入为30kHz，用于计数和测量。SIMATICS7-1200控制器集成了两个100kHz的高速脉冲输出，用于步进电动机或控制伺服驱动器的速度和位置。这两个输出都可以输出脉宽调制信号来控制电动机速度、阀位置或加热元件的占空比。存储器。用户程序和用户数据之间的可变边界可提供最多50KB容量的集成工作内存。同时还提供了最多2MB的集成装载内存和2KB的掉电保持内存。SIMATIC存储卡可选，通过它可以方便地将程序传输至多个CPU。该卡还可以用来存储各种文件或更新控制器系统的固件。可扩展的灵活设计，信号模块，多达8个信号模块可连接到扩展能力最高的CPU，以支持更多的数字和模拟量输入/输出信号。五、编程语言编程语言用来表示POU（程序、功能或功能块）中的算法。S7-1200控制器常见的编程语言：梯形图（LD）。（1）梯形图梯形图语言是以电气线路的示意图描述的图形化编程语言。含有FB和FUN，处理的各文件均以图形表示，再将其连成直线，构成一连串的算法。以梯形图语言表示的算法称为梯形图。（2）梯形图的构成元素梯形图语言由左右母线、连接线、梯形图语法（触点、线圈）、FB及FUN构成。算法由与之连接的多个电路构成。将左母线到右母线的构成元素进行连接，以构成电路。电路由以（表示逻辑起始的）LD/LDN指令开头的电路模块构成，如图1-24所示。五、编程语言图1-24梯形图结构五、编程语言1）母线梯形图左右两端的竖线称为母线。各母线分别为TRUE或FALSE的状态。它表示将梯形图视为电气线路时的通电状态和非通电状态。记述梯形图的POU启动时，左母线的值变为TRUE。连接至左母线的触点等构成元素也会变为TRUE。根据此类构成元素的动作，TRUE的状态依次向右传递。这种TRUE状态的流动称为“功率流”。母线可以说是功率流的来源。2）连接线连接母线和各种构成元素的水平方向的直线称为连接线。连接线为TRUE或FALSE状态，将功率流向右传递。五、编程语言3）触点触点配置在连接线上，接收功率流后进行动作。触点具有多种，根据各规格将来自左侧的功率流向右传递或切断。由触点向右传递功率流时，触点右侧的连接线的状态变为TRUE；切断功率流后，变为FALSE。4）线圈线圈配置在连接线上，接收功率流后进行动作。线圈的功能在于将TRUE或FALSE的值写入变量。六、TIAPortal软件1.TIAPortal软件概述TIA博途是全集成自动化软件TotallyIntegratedAutomationPortal（缩写TIAPortal），它是西门子工业自动化集团发布的一款全新的全集成自动化软件，也是业内首个采用统一的工程组态和软件项目环境的自动化软件，几乎适用于所有自动化任务。借助该全新的工程技术软件平台，用户能够快速、直观地开发和调试自动化系统。自2010年面世以来，西门子TIA博途已更新到TIAPortalV15，博途V15包含STEP7、WinCC、Startdrive、SCOUT、STEP7Safety等软件，工程技术人员只需要用博途一个软件就能对控制器、触摸屏、驱动进行编程调试和仿真操作。STEP7有基本版和专业版两个版本，基本版用于组态S7-1200控制器，专业版可用于组态S7-1200、S7-1500、S7-300/400和WinAC的组态和编程。六、TIAPortal软件WinCC是应用于组态SIMATIC面板、SIMATIC工业PC、标准PC及SCADA系