可编程逻辑控制器（基于S7-200系列）（赵全利）教案全套

学年第1学期可编程控制器原理及应用课程仅供参考教案课程代码：总学时／周学时：60/4开课时间：年8月第1周至第15周授课年级、专业、班级：级使用教材：《可编程逻辑控制器（基于S7-200系列）》西安电子科技大学出版社，2024.6.学院/教研室：授课教师：2、教案扉页本课程教学目的和要求通过课堂学习和实践训练，使学生掌握可编程逻辑控制器的结构及工作原理，初步掌握可编程逻辑控制器的选型及接口的确定方法；能够熟练应用可编程逻辑控制器的逻辑指令系统、梯形图指令系统，掌握程序设计方法和编程技巧；培养学生对控制系统设计和分析能力，动手能力和分析、解决问题的能力，为后续课程提供必要的基础知识，也为以后的工作打下一个坚实的基础。本课程教学方法教师主讲（理论教学），同时充分体现学生的积极思维及学习的主导作用。（1）利用多媒体PPT与板书相结合的方式，通过讲授、启发、互动讨论、分析、动画演示等多种教学模式，增加学生学习的趣味性。翻转课堂，超星学习通平台每章有教学基本要求与重点、难点，有视频、作业、项目分享、参考资料以及自测练习题等丰富的教学资源供学生课后自学。学生通过超星学习通在课下自主安排时间观看教学视频，查阅相关学习资料，课上时间用于交流讨论，提高课堂教学效率。课堂讨论：按学习内容，以学习小组为单位进行4次（平时2次，期中、期末各1次）课程讨论。学生独立完成作业，以小组为单位讨论课后练习（配合习题课）。（1）课后作业：学生每节课都有相应的随堂练习，每章学完有章节测验。要求同学独立地完成课后作业，鼓励各种方法的探讨；教师对于作业中反映的共性问题，在课堂中再予以重点讲解；个性问题则单独沟通。为了提高学生的学习效果，部分作业实行学生互评。（2）思维导图：学完每章之后提交一个知识总结的思维导图，对该章内容进行整理，包括概念、原理及其内在联系。课内实验。实践课题设计，展宽PLC应用领域学生创新精神、实践能力培养方法通过项目教学法+实验+项目制作，让学生掌握程序设计方法和编程技巧；培养学生对控制系统设计和分析能力，动手能力和分析、解决问题的能力，培养学生创新精神、实践能力。教材选用原则和特点教材为高等学校机电工程类系列教材。考核方式考查教学参考资料教材：赵全利.《可编程逻辑控制器（基于S7-200系列）》，西安电子科技大学出版社，2024.6.参考书籍：[1]《可编程控制器教程》（第二版），作者：胡学林，电子工业出版社，2014.[2]王永华.《现代电气控制及PLC应用技术》（第4版），北京航空航天大学出版社，2016.[3]廖常初.《S7-200PLC编程及应用》（第3版），机械工业出版社，2019.[4]李长久.《PLC原理与应用》（第2版），机械工业出版社，2016.[5]赵全利.《S7-200PLC基础及应用》，机械工业出版社，2010.课程网站：学习网站：[1]我要自学网/list.aspx?cid=475[2]PLC之家/[3]中国工控网/cp_vlist.asp?id=162[4]S7-200跟我学/service/elearning/series/1.html对教案的分析总结教研室主任审批意见3、按教学单元编写教案的格式周次第1周授课时间章节名称第1章PLC基础及系统结构1-1继电接触控制电路1-2PLC概述1-3PLC系统基本结构1-4从一个简单示例看PLC应用开发过程电工电器认知实验授课方式理论课（√）、实验课（√）上机（）、其他方式（）教学时数4学时教学目的和要求1.知识与技能：了解本课程的基本情况、本课程在课程体系中的作用、课程的考核；掌握PLC的定义，结构；了解PLC的应用和发展、常用PLC的厂家和产品型号。2.过程与方法：线下教室上课+学习通讨论的教学方法。以学生为主体，组织课堂活动，增加学生课堂参与度与学习的主动性；通过讨论分析，从理论联系实际的角度来解决一些实际问题。3.情感目标：学生通过课程的学习了解本课程的作用、地位，一些PLC在工程中的应用。提高学生发现、提出问题、分析和解决问题的能力,培养学生的动手能力、创新意识。教学重点难点重点：本课程解决的问题，本课程在课程体系中的作用，PLC的定义，结构；2、难点：PLC的应用、如何学号本课程。3、学生应注意的问题：PLC的定义中PLC、PC的区别。教学方法选择以下方面：教师讲授（√），课堂讨论（√），多媒体教学（√），提问式教学（√）讨论练习作业1、每位同学画一个思维导图进行自我介绍、并作出本学期的学习计划（不会做思维导图的同学请学习2.2.4扩展阅读里的链接视频）。2、对本课程的上课安排给出自己的建议。3、完成学习通里的主题讨论。教研室主任审批意见教学内容要点(可附另页)可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC。PLC以微处理器为核心，以存储程序控制的方式执行逻辑运算、定时、计数、模拟信号处理及PID运算等功能，是一种新型工业自动化控制装置。本章在继电接触控制电路的基础上，阐述了PLC产生、发展及应用特点，介绍了PLC的工作过程、硬件结构及软件组成，并通过一个简单的PLC应用示例，使读者初步了解PLC应用的开发过程。继电接触控制电路可编程控制器已经广泛应用在各种控制领域中，但是控制对象信号的采集及控制系统的驱动输出仍然需要由电气元器件电路完成，传统的继电接触控制仍然是掌握现代电气控制技术的基础。1.1.1继电接触式控制系统的结构所谓继电接触式控制，主要是通过各种电气开关、按钮、继电器、接触器等来组成控制系统，从而实现对电机及其他电气设备的控制功能，以满足控制系统的需求。在PLC出现之前，继电接触式控制是工业电气控制的主要形式。尽管现代计算机控制系统已经广泛应用在工业电气控制领域中，但其信息采集输入及输出到主电路控制部分仍然需要电气元器件来完成。对于一些要求不高的小规模的控制，由于继电接触式控制简单、方便、价廉而仍然在使用。因此，继电接触式控制仍然是现代电气控制系统的基础。一个继电接触式控制系统，由主电路（被控对象）和控制电路组成，控制电路主要由输入部分、输出部分和控制部分组成，如图1-1所示。被控对象被控对象输入部分（按钮、位置开关、传感器等）控制部分输出部分（接触器、电磁阀、指示灯等）（由继电器、触点和硬接线组成）图1-1继电接触式控制系统的组成在图1-1中，输入部分是由各种输入设备，如按钮、位置开关及传感器等组成；控制部分是按照控制要求，由若干继电器及触点组成；输出部分是由各种输出设备，如接触器、电磁阀、指示灯等执行部件组成。继电接触式控制系统根据操作指令及被控对象发出的信号，由控制电路按规定的动作要求决定执行什么动作或动作顺序，然后驱动输出设备实现各种操作功能。继电接触式控制系统缺点是：接线复杂、灵活性差、工作频率低、可靠性差、触点易损坏。1.1.2继电接触控制基本控制电路下面仅介绍继电接触控制常用的电动机自锁单向起动控制和电动机正、反转控制电路。1.三相异步电动机自锁单向起动控制电路异步电动机是一种将电能转换成机械能的动力机械，其结构简单、使用方便、可靠性高、易于维护、不受使用场所限制，广泛应用于厂矿企业、科研生产、交通运输、娱乐生活等各个领域。根据生产过程和工艺需求，本节所介绍的项目实例功能要求如下。1）对三相电动机进行起动、停止、自锁保护控制。2）电动机实施过载保护、失电保护及短路保护等方面的控制。实现以上功能的三相异步电动机自锁单向起动控制系统电路如图1-2所示，这也是电气控制系统中最典型电路之一。FU2MFU2M3～FRKMSB2SB1KMKMFRL1L2L3QF1QF2a）b）图1-2电动机自锁起动控制电路a）原理图b）电路实物接线图1）电动机自锁起动控制电路构成电动机自锁起动控制系统由主电路和继电控制电路组成。（1）主电路。主电路由三相电源、电动机M、热继电器FR、接触器（控制电路的输出部分）KM的主常开触点、三极低压断路器QF1及熔断器FU1构成。（2）继电控制电路的输入控制部分由漏电保护断路器QF2、熔断器FU2、常开按钮SB1（起动控制）、常闭按钮SB2（停止控制）及热继电器常闭触点FR（串联电路）保护组成；输出控制部分由接触器KM辅助常开触点及它的线圈组成（注意：本例控制电路工作电压为两相电压AC380V），接触器KM的主常开触点实现对主电路的控制。2）电动机自锁起动控制电路工作原理电动机自锁起动控制电路工作原理如下。（1）控制线路起动时，合上QF1，主电路引入三相电源L1-L2-L3。（2）合上QF2，控制电路引入L1-L3相电源，当按下起动按钮SB1，接触器KM线圈通电，其常开主触点闭合，电动机接通电源开始全起动，同时接触器KM的辅助常开触点闭合，这样当松开起动按钮SB1后，接触器KM线圈仍能通过其辅助触点通电并保持吸合状态。这种依靠接触器本身辅助触点使其线圈保持通电的现象称为自锁，起自锁作用的触点称为自锁触点。（3）按下停止按钮SB2，接触器KM线圈失电，则其主触点断开，切断电动机三相电源，电动机M自动停止，同时接触器KM自锁触点也断开，控制回路解除自锁，KM断电。松开停止按钮SB2，控制电路又回到起动前的状态。3）电动机自锁起动控制电路保护环节由于在生产运行中会有很多无法预测的情况出现，因此为了工业生产能够安全、顺利的进行，减少生产事故造成的损失，有必要在电路中设置相应的保护环节。电动机自锁起动控制线路的保护环节及功能如下。（1）短路保护。低压断路器QF1（或熔断器FU1）和QF2（或熔断器FU2）分别对主电路和控制电路实现短路保护，当电路发生短路故障时，低压断路器立即切断电路，停止对电路的供电。（2）过载保护。热继电器FR对电动机实现过载保护，当通过电动机电流超过一定范围且一定时间后，FR触点动作，切断电动机供电回路。（3）漏电保护。在控制电路发生漏电故障时，如果漏电保护断路器QF2工作十分可靠，控制电路通过漏电保护断路器切断电路，实施保护。（4）欠压、失压保护。交流接触器KM还具有欠压、失压保护功能，即当电源电压过低或电源断电时，KM自动复位，电动机停止工作。在KM复位后，即便电源电压恢复正常状态，电路也不能自恢复起动，必须重新按下起动按钮电动机才能重新起动。2.电动机正、反转控制电路1）电动机正、反转控制电路组成图1-3所示电路为电动机正反转控制的典型电路之一。图1-3电动机正、反转运行控制电路2）电动机正、反转运行控制电路工作原理电动机正、反转运行控制电路工作原理如下。按下电动机正转起动按钮SB2，接触器KM1线圈通电，其常开主触点闭合，电动机接通电源开始全起动，同时接触器KM的辅助常开触点闭合自锁；按下停止按钮SB1，KM1断电，电动机停止工作；按下反转起动按钮SB3，接触器KM2通电自锁，电动机反转起动。3）电动机正、反转运行控制电路保护环节正、反转运行控制电路除了具有短路保护、电动机过载保护、欠压及失压保护外，为了防止由于误操作而引起相间短路，在控制线路中加入接触器触点KM1、KM2互锁及按钮SB2、SB3互锁保护环节。1.1.3继电控制电路电气元件选择原则电路原理图设计完成后，依照设计电路选择所需电器元件，一般情况下的选择原则如下。（1）自动开关的选择（2）熔断器的选择。（3）接触器的选择。（4）时间继电器的选择。（5）热继电器的选择。1.2PLC概述通俗地说，PLC就是专用的、便于扩充的计算机控制装置。1987年国际电工委员会(InternationalElectricalCommittee，IEC）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作系统，专为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，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的生产机械和生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统连成一个整体、易于扩充其功能的原理设计。”1.2.1PLC的产生、发展、特点及分类1.PLC的产生和发展PLC问世以前，人们主要利用继电接触式控制系统控制工业生产过程。进入20世纪80年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的快速发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到了迅猛发展，使PLC在各个方面都有了新的突破，不仅功能增强，体积、功耗减小，成本下降，可靠性提高，而且在远程控制，网络通信，数据图像处理等方面也得到了长足的发展。目前，世界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产PLC装置。PLC已作为一个独立的工业设备被列入生产中，成为当代电控及自动化装置的主导。进入20世纪80年代以来，随着改革开放和建设社会主义现代化强国的强尽需求，PLC的应用在我国得到长足的发展。在改造传统设备、设计新的控制设备产品及生产过程工控系统中，PLC的应用逐年增多，并取得了显著的经济效益。目前，PLC已发展到现在的以16位和32位微处理器构成的微机化PC，而且实现了多处理器的多通道处理。PLC技术已非常成熟，不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O、通信网络及图象显示的多技术融合，PLC在连续生产过程控制领域的应用更加广泛，PLC已经成为实现工业生产自动化的主要控制装置。PLC的应用特点PLC作为一种新型、专用的工业控制装置，其自身有着其他控制设备不可替代的特点。1）编程方法简单、易学2）功能强、性能价比高3）硬件配套齐全、线路连接方便、适应性强4）可靠性高，抗干扰能力强可靠性高，抗干扰能力强是PLC最突出的特点之一。（1）PLC的I/O通道均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间在电气上隔离，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响。（2）对供电电源及线路采用多种形式的滤波，以消除或抑制高频干扰；对CPU等重要部件采用优良的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰。（3）PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。（4）PLC采用扫描工作方式，减少了由于外界环境干扰引起的故障。另外，在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等也都有精确的考虑。因此，PLC与其一般控制系统比较，具有更高的可靠性和很强的抗干扰能力，可以直接用于具有强烈干扰的工业现场，并能持续正常工作。PLC平均无故障时间可达数万小时，使用寿命可达10年以上。5）通信方便、便于实现组态监控6）体积小、功耗低7）系统的设计、安装、调试工作量小8）维护方便工作量小PLC的分类PLC的形式有多种，功能也不尽相同，对PLC进行分类时，一般按照以下原则分类：1）按硬件结构形式分类根据硬件结构形式的不同，可大致将PLC分为整体式和模块式。（1）整体式PLC小型PLC一般采用整体式结构，如西门子S7-200系列、S7-200系列PLC的替代产品S7-200SMART及S7-1200PLC等。（2）模块式PLC模块式PLC由机架和具有各种不同功能的模块组成。各模块可直接挂接在机架上，模块之间则通过背板总线连接起来。大、中型PLC多采用这种结构形式，如西门子S7-300系列、S7-400系列。2）按功能和I/O点数分类根据PLC的功能强弱不同，可将PLC分为小型、中型机和大型机三类。目前，国外的S7-200PLC生产线已经停产，但在我国及一些发展中国家，中小型控制系统应用特别广泛，S7-200CN系列PLC由于价格便宜、设计简单及操作方便，仍然占有很大的市场保有量。1.2.2PLC的应用领域PLC不仅能替代继电系统控制，还能用来解决模拟量闭环控制及较复杂的计算和通信问题。PLC在工业自动化领域的应用比例越来越大，当前已处于自动化控制设备的领先地位。1.开关量的逻辑控制2.运动控制3.闭环过程控制4.数据处理5.联机通讯6.现场总线型PLC1.2.3从继电接触控制到PLC控制前已述及，继电接触式控制系统，主要由输入部分（开关等）、输出部分（接触器等）和控制部分（继电器及触点）组成。对于各种不同要求的控制功能，必须设计相应的控制电路。PLC控制系统主要组成也由输入、输出和控制三部分组成，如图1-4所示。被控对象被控对象输入部分控制部分(PLC)（由用户程序实现控制功能，也称由"软件继电器"、"软触点"和"软接线"组成）输出部分（接触器、电磁阀、指示灯等）（按钮、位置开关、传感器等）图1-4PLC控制系统的组成从图1-4中可以看出，PLC控制系统的输入、输出部分和继电器控制系统的输入、输出部分基本相同，但其控制部分则采用了“可编程”的PLC，而不是实际的继电器线路。因此，在硬件电路基本不变的情况下，PLC控制系统可以方便地通过改变用户程序，以实现各种控制功能，从根本上解决了继电器控制系统控制电路难以改变的问题。同时，PLC控制系统不仅能实现逻辑运算，还具有数值运算及过程控制等复杂的控制功能。PLC控制与继电器控制的主要区别如下。1.组成器件不同继电器控制系统由许多真正的硬件继电器组成，而PLC控制系统由许多所谓的“软继电器（简称元件）”组成。这些“软继电器”实质上是存储器中的每一位触发器，可以置“0”或置“1”。2.触点数量不同硬件继电器的触点数量有限，用于控制的继电器的触点一般只有4~8对，而PLC中每只“软继电器”供编程使用的触点数有无数多对。3.实施控制的方法不同在继电器控制线路中，通过各种继电器之间的硬接线来实现某种控制，由于其控制功能已经包含在固定线路之间，因此它的功能专一、灵活性差；而PLC控制在输入输出硬件装置基本不变的情况下，可以通过用户编写梯形图程序（软件功能）实现多种控制功能，使用方便、灵活多变。继电器控制线路中，设置了许多制约关系的互锁电路，以达到提高安全性和节约继电器触点的要求；而在梯形图中，因为采用了扫描工作方式，不存在几个支路并列工作的因素，此外，软件编程也可将互锁条件编制进去，大大简化了控制电路设计工艺。4.工作方式不同继电器控制系统采用硬逻辑的并行工作方式，继电器线圈通电或断电，都会使该继电器的所有常开和常闭触点立刻动作；而PLC采用循环扫描工作方式（串行工作方式），如果某个软继电器的线圈被接通或断开，其触点只有等到扫描到该触点时才会动作。1.2.4PLC扫描工作方式PLC是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行多种操作。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，这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC的输出结果似乎是同时完成的。用扫描工作方式执行用户程序时，扫描是从程序第一条指令开始，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。1.内部处理阶段在内部处理阶段，进行PLC自检，对监视定时器（WDT）复位以及完成其它一些内部处理工作。2.通信服务阶段在通信服务阶段，PLC与其它智能装置实现通信，响应编程器键入的命令，以及更新编程器的显示内容等。当PLC处于停止（STOP）状态时，只完成内部处理和通信服务工作；当PLC处于运行（RUN）状态时，除完成内部处理和通信服务工作外，还要完成输入采样、程序执行、输出刷新工作。上电开始上电开始CPU运行方式内部处理通信服务输入采样程序执行输出处理RUN方式STOP方式图1-5扫描过程示意图3.输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样，并存入刷新输入映像寄存器中，接着进入程序处理阶段。既使输入状态发生变化，输入映像寄存器的内容也不会改变，输入映像寄存器只有在下一个扫描周期的输入状态采样后才能被刷新。4.程序执行阶段在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描执行。若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行；当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转；当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入元件映像寄存器中。对于元件映像寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。5.输出处理阶段当所有程序执行完毕后，进入输出处理阶段。在这一阶段里，PLC将输出映像寄存器中与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。1.3PLC系统基本结构PLC是一种以微处理器（CPU）为核心，专门为工业环境下的电气自动化控制而设计的计算机控制装置。PLC比普通计算机有着更强的I/O接口能力，更适用于工业控制要求的编程语言和优良的抗干扰能力。1.3.1PLC硬件结构PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口、电源等几部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元/输出单元是CPU与现场输入/输出设备之间的接口电路，通信接口主要用于连接编程器、上位计算机等外部设备。对于整体式PLC，其组成框图如图1-6所示；而模块式PLC，其组成框图如图1-7所示。无论是哪种结构类型的PLC，都可根据用户需要进行配置与组合。图1-6整体式PLC组成框图主机CPU主机CPU通信模块输入模块输出模块智能I/O模块总线编程器或PC机上位机或者工业现场图1-7模块式PLC组成框图尽管整体式PLC与模块式的结构不太一样，但各部分的功能作用是相同的，下面对PLC主要组成部分进行简单介绍。1）CPUCPU是PLC的核心，PLC中所配置的CPU随机型不同而不同。在实际应用中，小型PLC大多采用通用微处理器或单片微处理器；中型PLC大多采用16位通用微处理器或单片微处理器；而大型PLC大多采用高速位片式微处理器。目前，小型PLC多为单CPU系统，而大、中型PLC则多为双CPU系统。对于双CPU系统，其中一个为字处理器，一般采用8位或16位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。字处理器为主处理器，用于实现与编程器连接、监视内部定时器和扫描时间、处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。位处理器为从处理器，主要用于处理位操作指令和实现PLC编程语言向机器语言的转换。位处理器的使用，提高了PLC的速度，使其能够更好地满足实时控制要求。在PLC中，CPU按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作，归纳起来主要有以下几个方面。（1）接收从编程器输入的用户程序和数据。（2）诊断电源以及PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。（3）通过“输入接口”接收现场的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器中。（4）从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。（5）根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。2）存储器PLC中的存储器主要用来存放系统程序、用户程序以及工作数据。常用的存储器主要有可读/写操作的随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM、PROM、EPROM与EEPROM）两类。系统程序是用于完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，以及提供PLC运行所需要的工作环境，由PLC制造厂家编写的，直接固化到只读存储器ROM、PROM或EPROM中，不允许用户进行访问和修改。系统程序和PLC的硬件组成有关，直接影响到PLC的性能。工作数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据，一般将其存放在RAM中，以适应随机存取的要求。3）输入/输出单元输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间连接的部件。PLC通过输入单元可以检测被控对象的各种数据，将这些数据作为PLC对控制对象进行控制的依据，同时PLC也可通过输出单元将处理结果送给被控制对象，以实现控制的目的。4）通信接口为了实现人机交互，PLC配有各种通信接口。PLC通过这些通信接口可与监视器、打印机、以及其它的PLC或计算机等设备实现通信。5）智能接口模块6）编程装置7）电源1.3.232572输入输出单元接口I/O单元内部的接口电路具有电平转换的功能，由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平多种多样，而在PLC内部，CPU处理的信息只能是标准电平，这种电平的差异要由I/O接口来完成转换。I/O接口电路一般具有光电隔离和滤波功能，用来防止各种干扰信号和高电压信号的进入，以免影响设备的可靠性或造成设备的损坏。1）开关量输入单元接口常用的开关量输入单元按其使用的电源不同分直流输入单元、交流输入单元、交/直流输入单元和传感器输入四种类型，其内部接口电路原理及外部输入开关信号接线如图1-8所示。对于S7-200PLC，在接口应用中应该注意到下面几个问题。（1）允许为某些数字量输入点选择一个定义时延（可从0.2毫秒至12.8毫秒之间选择）的输入滤波器，可以通过编程软件STEP7-Micro/WIN下的系统块设置。通过设置输入延时过滤数字量输入信号。因此，输入信号必须在时延期限内保持不变，才能被认为有效。默认滤波器时间是6.4毫秒。（2）COM端为各输入点的内部输入电路的公共端，在S7-200中，使用符号1M或2M表示。（3）直流输入可以采用S7-200PLC内部的DC24V直接供电，输入开关信号可以是普通按钮、行程开关、继电器或信号报警等触头产生。2）开关量输出单元接口常用的开关量输出单元按输出开关器件不同有三种类型：继电器输出单元、晶体管输出单元和双向晶闸管输出单元。继电器输出单元可驱动交流或直流负载，但其响应速度慢，适用于动作频率低的负载；而晶体管输出单元和双向晶闸管输出单元的响应速度快，工作频率高，前者仅用于驱动直流负载，后者多用于驱动交流负载。1.3.3软件组成PLC的软件主要分为系统软件和用户程序两大部分。系统软件是PLC制造商编制的，并固化在PLC内部PROM或EPROM中，随产品一起提供给用户的，用于控制PLC自身的运行；用户程序是由使用者编制、用于控制被控装置运行的程序。1．系统软件系统软件又分为系统管理程序、编程软件和标准程序库。（1）系统管理程序是系统软件最重要的部分，是PLC运行的主管，具有运行管理、存储空间管理、时间控制和系统自检等功能。其中，存储空间管理是指生成用户程序运行环境，规定输入/输出、内部参数的存储地址及大小等；时间控制主要是对PLC的输入采样、运算、输出处理、内部处理和通信等工作的时序实现扫描运行的时间管理；系统自检是对PLC的各部分进行状态检测，及时报错和警戒运行时钟等，确保各部分能正常有效地工作。（2）编程软件是一种用于编写应用程序的工具，具有编辑、编译、检查、修改等功能。常见的西门子编程软件有S7-200PLC的Step7-Micro/WIN、S7-200升级版S7-200SMARTPLC的STEP7-Micro/WINSMART、新一代升级版TIA博途中的STEP7Basic（S7-1200PLC）及WinCC组态编程等。（3）标准程序库是由许多独立的程序块组成，包括输入、输出、通信等特殊运算和处理程序，如信息读写程序等，各个程序块能实现不同的功能，PLC的各种具体工作都是由这部分程序完成的。2.用户程序用户程序是指用户根据工艺生产过程的控制要求，按照所使用PLC所规定的编程语言或指令而编写的应用程序。用户程序除了PLC的控制逻辑程序外，对于需要操作界面的系统还包括界面应用程序。1.4从一个简单示例看PLC应用开发过程本章通过一个简单的PLC电动机自锁起动控制系统应用示例，让读者初步了解PLC的应用开发过程。1.控制要求控制要求如下。（1）用S7-200系列PLC实现对电动机进行起动、停止、自锁保护、过载保护的控制。（2）按下输入控制起动按钮，电动机自锁起动，按下输入控制停止按钮，电动机停止运行。（3）利用热继电器常闭触点实现过载保护。2.PLC电动机自锁起动控制系统构成根据控制要求，PLC三相异步电动机自锁控制系统如图1-10所示。图1-10a为主电路，由电动机M、热继电器FR、接触器（输出部分）KM的主常开触点、熔断器FU1刀开关QS构成；图图1-10b为控制电路，由S7-200PLC控制器，起动按钮SB1（输入部分）、停止按钮SB2（输入部分）、接触器KM（注意：本例控制线路接触器线圈的工作电压为DC24V）。SB1M3～FRSB1M3～FRKMFU1QSL3L2L1Q1.0I0.1I0.0KMSB2COMCOM24V24VPLCFRI0.2SB1图1-10PLC三相异步电动机自锁控制系统a）主电路b）控制电路3.PLC电动机自锁起动控制系统工作原理图1-10b所示为PLC电动机自锁起动控制电路，其工作原理如下。（1）控制线路起动时，合上刀开关QS，主电路引入三相电源。（2）PLC控制电路只需要连接输入开关信号（I0.0、I0.1、I0.2）输出开关信号（Q1.0）即可，PLC执行相应的控制程序，即可实现对继电器KM的自锁控制。（3）当按下起动按钮SB1，24V直流电源通过PLC输入端口I0.0形成回路，置PLC内部的输入软继电器I0.0为ON，其软常开触点I0.0导通；由于按钮SB2原状态是闭合的，故软输入软继电器I0.1为ON，其软常开触点I0.1也是导通的，因此，PLC内部的输出继电器Q1.0得电为ON，其内部触点闭合，24V直流电源通过内部触点使接触器KM线圈形成通电回路，同时实现自锁功能；KM线圈得电时，其常开主触点KM闭合，电动机接通电源开始全起动；（4）按下停止按钮SB2，I0.1回路断电，软继电器I0.1线圈失电，则其软触点断开，Q1.0失电为OFF，使接触器KM线圈断电，KM触点断开，切断电动机三相电源，电动机M自动停止运行，控制电路又回到起动前的状态。（5）热继电器FR对电动机实现过载保护，正常工作时，热继电器常闭触点闭合，I0.2为ON，电路工作正常，当通过电动机电流超过一定范围时，热继电器动作，常闭触点断开，I0.2为OFF，切断电动机供电回路。（6）熔断器FU1对主电路实现短路保护，电路同时具有欠压、失压保护。教学设计设计思路教师自我介绍学生互动小游戏，我和我的同学们解读课前问卷调查，提出问题课程介绍由于本次课程是本门课程的第一次课，所以首先要给学生作课程介绍。这部分要介绍清楚本门课程在整个学科体系中的作用和地位，以及学习本门课程的要求。PLC的概述。对于对PLC没有任何认识的学生来说，首先介绍PLC的定义，其次介绍PLC组成及在系统中的作用，最后对PLC的发展和应用进行介绍。这部分内容涉及到一些概念要力求给学生讲清楚。PLC的应用实例。学生第一次上课，为了加强学生对PLC的了解，通过逻辑控制、运动控制、过程控制、机械加工的数控、机器人控制、多级控制等方面的一些具体的应用实例让学生从另一个侧面来了解PLC。这部分内容在制作讲课用的PPT时采用大量的PLC的实物图片，生活生产中的案例来说明PLC的应用。如何学习这门课程。这部分内容结合了在本门课程的学习中往届学生设计制作的一些项目，以及我自己在以往的教学工作中承担的一些项目，让学生明白学完本门课程可以达到一个什么要的程度。这部分内容内容在制作讲课用的PPT时采用大量的实物图片，视频。思政内容在国内生产PLC的厂家体现出来。2、教学手段和资源（1）视频+图片PLC实物图片+结合PLC的工业应用及实验室的情况体现项目式教学（2）仿真PLC的仿真软件（3）动画一些实际系统的工作视频（4）互联网互联网资料查询（5）超星学习通平台利用平台完成课后作业、测试和主题讨论3.教学过程教学流程教学内容教师活动学生活动课程介绍课程性质、教材、学习要求、本课程解决的问题老师运用PPT讲授，并在讲授种通过大量应用实例的图片来说明PLC的应用。仔细聆听，讨论，分析问题，回答问题课程导入PLC在哪些地方有应用？老师提问，引起学生的思考思考、讨论，回答老师的提问。知识学习1（本次课重点难点）PLC概述1.什么是PLC2.PLC的组成3.PLC的产生及发展4.主要生产厂商及产品1.老师运用PPT讲授，并在讲授过程中提问。这是本章的重点和难点。仔细聆听，讨论、回答老师的提问。知识学习2（本次课重点）PLC的应用1.应用场合及实例2.发展趋势1.老师运用PPT讲授，并在讲授过程中提问。仔细聆听，讨论、载学习通回答老师的提问。总结本节课内容总结根据所讲的内容进行知识总结。仔细聆听并思考教学后记周次第2周授课时间章节名称第2章S7-200系列PLC硬件及编程资源2-1S7-200系列PLC及升级版2-2S7-200PLC硬件系统配置2-3I/O编址及外部端口接线2-4S7-200PLC内部编程资源2-5S7-200SMARTPLC系统配置授课方式理论课（√）、实验课（）上机（）、其他方式（）教学时数4学时教学目的和要求1.知识与技能：1.了解S7-200PLC和S7-200SMARTPLC的硬件系统配置及其区别。2.了解S7-200系列PLC的内部编程资源。3.掌握S7-200系列PLC的工作原理。2.过程与方法：以学生为主体，组织课堂活动，增加学生课堂参与度与学习的主动性；通过讨论分析，从理论联系实际的角度来解决一些实际问题。3.情感目标：学生通过课程的学习了解一些PLC在工程中的应用、低压电器设备的相关知识，提高学生发现、提出问题、分析和解决问题的能力,培养学生的动手能力、创新意识。教学重点难点重点：PLC的硬件系统配置、编程资源和工作原理。2、难点：PLC的工作原理。教学方法选择以下方面：教师讲授（√），课堂讨论（√），多媒体教学（√），提问式教学（√）讨论练习作业作业：学习通完成作业教研室主任审批意见教学内容要点(可附另页)S7-200系列PLC及升级版S7-200系列PLC是西门子公司生产的一种超小型可编程逻辑控制器。2.1.1S7-200PLCS7-200PLC设计紧凑，使用方便、应用灵活、性价比高，具有良好的可扩展性及强大的指令集，能够比较完美地满足多种场合中的检测、监测及小规模控制系统的需求，可以作为独立的控制器模块广泛应用在各类自动控制及集散化控制系统中。2.1.2S7-200SMARTPLCS7-200SMARTPLC是西门子公司推出的S7-200PLC的升级产品，其指令系统与S7-200PLC基本相同，但其编程资源和功能大大增加，集成了强大的以太网功能，可以覆盖所有与自动检测、自动控制有关的工业及民用领域。2.1.3S7-1200PLCS7-1200PLC是S7-200的新一代升级产品，涵盖了S7-200的原有功能并增加了许多特殊功能，可以提供多种智能模块，具有非常强大的通信功能，可以满足比较复杂及更广泛控制领域的应用。2.2S7-200PLC硬件系统配置S7-200PLC（简称S7-200）适用于各种场合中的监测及系统自动控制，具有极高的可靠性、极其丰富的指令集、强大的通信能力和丰富的扩展模块，便捷的操作特性易于用户掌握。2.2.1S7-200PLC的硬件构成和性能特点1．硬件系统构成S7-200PLC硬件系统主要包括CPU主机模块、扩展模块、功能模块、相关设备以及编程工具，其系统组成如图2-1所示，S7-200CNCPU其硬件特点如图2-2所示。CPUCPU主机相关设备通讯网络设备TD200W显示器其他设备触摸屏编程工具工业软件功能模块扩展模块图2-1S7-200PLC系统组成S7-200PLC硬件特点主要表现在以下方面。1）CPU主机具有增强的内置集成功能CPU主机是PLC最基本的单元模块，是PLC的主要组成部分，包括CPU、存储器、基本I/O点和电源等，内置功能强大。CPU主机实际就是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务。2）增强的扩展模块特性主机I/O点数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要使用各种I/O扩展模块。如数字扩展模块EM223-24VDC支持32个输入/输出和32个输入/继电器输出；模拟量EM235扩展模块组合的模拟量为4输入/1输出。3）增强的编程软件包STEP7-Micro/WINV4.0编程软件能支持MicrosoftVista等操作系统。同时，对通讯设置也作了改进，如果STEP7-Micro/WINV4.0第一次启动时检测到USB电缆，就会自动选择USB通讯方式。4）相关设备配备齐全为充分和方便利用系统的硬件和软件资源而开发和使用的一些设备，主要有编程设备、人机操作界面和网络设备等。为更好地管理和使用这些设备，开发了与之相配套的程序，它主要由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口软件等构成。2．S7-200性能特点S7-200性能特点主要表现如下。1）立即读写I/O点S7-200的指令集提供了立即读写物理I/O点的指令，用户可以在程序中立即读写I/O点，而不受PLC循环扫描工作方式的影响。2）提供高速I/Ｏ点S7-200具有集成的高速计数功能，能够对外部高速事件计数而不会影响S7-200的性能。这些高速计数器都有专用的输入点作为时钟、方向控制、复位端、启动端等功能输入；S7-200还支持高速脉冲输出功能，其输出点Q0.0和Q0.1可形成高速脉冲串（PTO）或脉宽调制（PWM）控制信号。3）对数字量输入加滤波器S7-200允许用户为某些或者全部本机数字量输入点选择输入滤波器，并可以对滤波器定义0.2ms～12.8ms的延迟时间，系统默认的延迟时间为6.4ms。该延迟时间能滤除输入杂波，从而减小输入状态发生意外改变的可能。输入滤波器是系统块的一部分，它需要通过编程软件下载并储存在S7-200CPU中。4）对模拟量输入加滤波器S7-200允许用户对每一路模拟量输入选择软件滤波器，滤波值是多个模拟量输入采样值的平均值。滤波器具有快速相应的特点，可以反映信号的快速变换，系统默认为对所有模拟量输入进行滤波配置。5）设置停止模式下的数字量/模拟量输出状态S7-200输出表可以用来设置数字量/模拟量的输出状态，用于指明在从运行模式进入停止模式后，是将已知值传送至数字量/模拟量输出点，还是使输出保持停止模式之前的状态。输出表是系统块的一部分，它需要通过编程软件下载并储存在S7-200CPU中。6）捕捉窄脉冲S7-200为每个本机数字量输入提供脉冲捕捉功能，该功能允许PLC捕捉到持续时间很短的高电平脉冲或者低电平脉冲。当一个输入设置了脉冲捕捉功能，输入端的状态变换就被锁存一直保持到下一个扫描循环刷新，这样就能确保一个持续时间很短的脉冲被捕捉到，并一直保持到S7-200读取该输入点。7）设置掉电保护存储区S7-200允许用户定义最多6个掉电保护区的地址范围，变量存储器V、位存储器M、计数器C和定时器T。在缺省情况下，M存储器的前14个字节是非保持的。对于定时器，只有保持型定时器TONR可以设为掉电保护。而且定时器和计数器只有当前值可以保持，定时器位和计数器位是不能保持的。8）快速响应中断服务程序S7-200允许用户在程序扫描周期中使用中断，与中断事件相关的中断服务程序作为程序的一部分被保存。在正常的程序扫描周期中，有中断请求就立即执行中断事件。在中断优先级相同的情况下，S7-200遵循“先来先服务”的原则来执行中断服务程序。9）实现PID运算操作S7-200PLC设置了PID回路指令，通过程序设置PID回路表参数，可以十分方便地通过执行PID回路指令，对模拟量构成闭环控制系统。10）提供模拟电位器S7-200提供有模拟电位器可以手动调节，位于模块前盖下面。调节电位器能增加/减小存于特殊存储器中的值，这些只读值在程序中可有很多功能，如更新定时器或计数器的当前值，输入或修改预置值、限定值等。11）提供四层口令保护S7-200所有型号都提供口令保护功能，用以限制对特殊功能的访问。对CPU功能及存储器的访问权限是通过设置口令来实现的。S7-200CPU提供了限制CPU访问功能的四个等级，若要进行四个等级的访问，均需输入正确的口令。2.2.2S7-200CPU模块和技术指标S7-200CPU22x系列PLC主机有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226五种不同结构配制的CPU单元，供用户根据不同需要选用。1．CPU模块结构S7-200的CPU模块是一个功能强大的整体式PLC，它集成了一个微处理器、一个集成电源、输入/输出（I/O）若干端点（口）及RAM、EEPROM等，被封装在一个紧凑的外壳内。CPU模块负责执行程序，输入点用于从现场设备中采集信号，输出点则负责输出控制信号，用于驱动外部负载。CPU22x系列PLC主机（CPU模块）的外形示意图，如图2-3所示。前翻盖：前翻盖：模式选择开关模拟电位器扩展端口输入状态指示灯端子下翻盖终端接线端子排输出状态指示灯端子上翻盖运行状态指示灯可选卡插槽：存储卡、时钟卡、电池卡等通讯接口：（CPU224XP、CPU226有两个）图2-3CPU22x系列PLC主机模块外形功能示意图S7-200PLC有RUN和STOP两种工作模式，可由模式选择开关选择。当模式选择开关处于STOP位置时，不执行程序但可以对其编写程序；当开关处于RUN位置时，PLC处于运行状态，此时不能对其编写程序；当开关处于TERM监控状态时，可以运行程序也可以进行读/写操作。扩展端口用于连接扩展模块，实现I/O扩展。端子下翻盖下面为输入端子和传感器电源端子，输入端子的运行状态可以由端子盖上方的一排指示灯显示，正常工作时对应指示灯被点亮。端子上翻盖下面为输出端子和PLC供电电源端子，输出端子的运行状态可以由端子盖下方的一排指示灯显示，正常工作时对应指示灯被点亮。运行状态指示灯用于显示CPU所处的工作状态。当CPU处于STOP状态（停机方式）或重新启动时，黄灯常量；当CPU处于RUN状态（运行方式）时，绿灯常亮；当CPU处于SF状态（硬件故障或软件错误）时，红灯常亮。可选卡插槽可以插入存储卡、时钟卡、电池卡等，存储器卡用来在没有供电的情况下（不需要电池）保存用户程序。通讯接口可以连接RS-485通信电缆，可以通过专用PPI通信电缆连接上位机（RS-232）或编程设备或文本显示器或其它的CPU，实现PLC与上位机或者其他PLC之间的通讯。2.CPU模块实物外形常用的S7-200PLCCPU模块实物外形如图2-4所示。图2-4常用S7-200CPU实物模块功能下面仅介绍S7-200常用的典型模块。1）CPU224XPCNPLCCPU224XPCNPLC集成了14输入/10输出数字量I/O点、2输入/1输出模拟量I/O端口；22KB程序和数据存储空间间；6个独立的100kHz高速计数器、2路独立的100kHz高速脉冲输出；具有实现PID运算控制功能，构成闭环控制系统；2个RS485通信编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯功能；内置模拟量I/O、自整定PID、线性斜坡脉冲指令等功能。CPU224XPCNPLC可以连接7个扩展模块，最大扩展为168路数字量I/O点或38路模拟量I/O端口。CPU224XPCNPLC是具有强大控制能力的控制器。2）CPU226CNPLCCPU226CNPLC集成了24输入/16输出数字量I/O点、2输入/1输出模拟量I/O端口；26KB程序和数据存储空间；6个独立的30kHz高速计数器、2路独立的20kHz高速脉冲输出；具有实现PID运算控制功能，构成闭环控制系统；2个RS485通信编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯功能。CPU226CNPLC可以连接7个扩展模块，最大扩展为248路数字量I/O点或35路模拟量I/O端口，CPU226CNPLC具有更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊，完全能够适应一些较复杂的中、小型控制系统。4．S7-200CPU技术指标S7-200CPU的技术指标如下。1）S7-200CPU电源技术规范CPU221~CPU226分别设定了DC24V和AC120~220V两种电源供电模式。例如，CPU22xDC/DC/DC，其中第1个参数DC表示CPU工作供电为直流电源（20.4~28.8V），第2个DC表示输入信号控制电压为直流电源，第3个参数DC表示输出控制电压（负载的工作电源）为直流电源.。CPU直流供电如图2-5-a所示。图2-5CPU供电电源例如，CPU22xAC/DC/继电器，其中第1个参数AC表示CPU工作供电为交流电源（AC85～265V），第2个DC表示输入信号控制电压为直流电源，第3个参数表示继电器输出，其触头控制负载的电压可以为交、直流电源（电流<2A，电压85～265V）。CPU交流供电如图2-5-b所示。2）S7-200CPU单元技术指标S7-200CPU单元技术指标见表2-1。5．存储系统及功能1）硬件组成S7-200PLC的存储系统由随机存储器（RAM）和可编程的只读存储器（EEPROM）构成，CPU模块内部配备一定容量的RAM和EEPROM，其存储容量以字节“B”为单位，如图2-6所示。同时，CPU模块支持可选的EEPROM存储器卡。还增设了超级电容和电池模块，用于长时间保存RAM中的数据。用户数据可通过主机的超级电容存储若干天；电池模块可选，使用锂电池模块可使数据的存储时间延长到1～3年。2）程序存储空间存储空间可分为系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序由PLC产品设计者设计并由生产厂商固化在EEPROM中，对用户不透明，它反映了PLC技术水平，它能够智能化地管理和完成PLC规定的各种基本操作，用户不能修改；用户程序（在需要时含数据块、CPU组态设置）是根据PLC用户要求实现的特定功能而设计的程序。3）程序下载和上传用户程序、数据块（可选）及CPU组态（可选）需要通过上位机编程下载到CPU存储器RAM区，CPU会自动地将其拷贝到EEPROM中，在存储器RAM和EEPROM中互为映像空间，以利于长期保存，以利于提高系统的可靠性。4）开机恢复及掉电保持CPU上电后，将自动从EEPROM中将用户程序、数据及CPU配置恢复到RAM中，当CPU模块掉电时，如果在编程软件中设置为保持，通用辅助存储器M的前14个字节（MB0~MB13）数据自动保存在EEPROM中。2.2.3数字量输入输出（I/O）扩展模块可以通过数字量I/O扩展模块扩展输入输出点，扩展模块外部连接示意图如图2-7所示。除CPU221外，其它CPU模块均可配接一个或多个扩展模块，连接时CPU模块放在轨道左侧，扩展模块用扁平电缆与左侧的模块依次相连，形成扩展I/0链，扩展模块实物如图2-8所示。2.2.4模拟量输入输出扩展模块在工业控制过程中，常需要对一些模拟量（连续变化的物理量）实现输入或输出控制，如温度、压力、流量等都是模拟输入量，某些执行机构（如电动调节阀、晶闸管调速装置和变频器等）也要求PLC输出模拟信号。在模拟信号输入时，必须将模拟信号转换为CPU能够接受的数字信号，即进行模/数（A-D）转换；在模拟信号输出时，必须将CPU输出的数字信号转换为模拟信号，即进行数/模（D-A）转换。2.2.5热电偶、热电阻输入扩展模块1.热电偶输入扩展模块S7-200PLC的EM231热电偶扩展模块直接以热电偶输出的电势作为输入信号，进行A-D转换后输入给PLC，可以实现4路热电偶输入。该模块具有冷端补偿电路，可用于J、K、E、N、S和R型热电偶，可通过模块下方的DIP开关来选择热电偶的类型、断线检查、测量单位、冷端补偿等功能。2.热电阻输入扩展模块S7-200PLC的EM231热电阻输入扩展模块提供了与多种热电阻的连接口，通过DIP开关来选择热电阻的类型、接线方式、测量单位和开路故障的方向可以实现2路热电阻输入。所有连接到扩展模块上的热电阻必须是同一类型。热电阻传感器与EM231热电阻控制模块连接方式有2线、3线、4线3种，后两种主要是为了消除连接导线引起的测量误差，4线方式精度最高，一般情况下使用3线方式即可满足测量要求。可以通过DIP开关SW8（OFF为3线、ON为2线或4线）设置热电阻连接方式。2.2.6网络通信及其他控制模块S7-200PLC除了前面介绍的常用模块外，还配备了网络通信、位置控制、称重、文本显示器及触摸屏等扩展模块。2.3I/O编址及外部端口接线I/O端口是CPU与外部设备进行信息交换的接口，本节主要介绍S7-200PLC的I/O端口编址及端口的外部接线。2.3.1模块I/O端口编址CPU必须通过编程实现从输入端口获取外部设备信息、从输出端口对外部设备的控制功能。CPU是通过系统分配给各端口相应的编址来访问输入输出端口的。2.3.2S7-200PLC模块外部接线及注意事项一个PLC控制系统首先需要建立PLC与外部输入信号与输出控制设备的接口电路，然后，才能面向I/O端口进行程序设计。因此，用户必须掌握I/O点与外部设备的连接关系和配电要求。2.4S7-200PLC内部编程资源2.4.1S7-200PLC编程软元件编程软元件是PLC（CPU）内部具有不同功能的存储器单元，每个单元都有唯一的地址，在编程时，用户只需使用软元件的符号地址即可。S7-200PLC根据软元件的不同功能，分为输入寄存器、输出寄存器、位存储器、定时器、计数器、通用寄存器、数据寄存器及特殊功能存储器等区域。PLC内部这些存储器的作用和继电接触控制系统中使用的继电器十分相似，也有“线圈”与“触点”，但它们不是“硬”继电器，而是PLC存储器的存储单元。当写入该单元的逻辑状态为“1”时，则表示相应继电器线圈得电，其动合（常开）触点闭合，动断（常闭）触点断开，所以，内部的这些继电器称之为“软”继电器，这些软继电器的最大特点是其触点可以无限次使用。2.4.2软元件类型和功能1．输入继电器（I）输入继电器又称输入过程映象寄存器，一个输入继电器对应一个PLC的输入端子，用于接收外部开关信号的控制。输入继电器与输入开关信号的连接及内部等效电路，如图2-21所示。2．输出继电器（Q）输出继电器又称输出过程映象寄存器，一个输出继电器对应一个PLC的输出端子，可以作为负载的控制信号。3．通用辅助继电器（M）通用辅助继电器（又称位存储区或内部标志位）在PLC中没有输入/输出端子与之对应，在逻辑运算中只起到中间状态的暂存作用，类似与继电器控制系统中的中间继电器。通用辅助继电器可以按位来存取数据，如M26.7。也可以按字节、字或双字来存取数据，如MD20。4．特殊继电器（SM）特殊继电器的某些位（特殊标志位）具有特殊功能或用来存储系统的状态变量、控制参数和信息，是用户与系统程序之间的界面。用户可以通过特殊标志位来沟通PLC与被控制对象之间的信息。5．变量存储器（V）变量存储器用来存储变量（可以被主程序、子程序和中断程序等任何程序访问，也称全局变量），可以存放程序执行过程中数据处理的中间结果，如直接寻址位变量V1.0、字节变量VB10、字变量VW10、双字变量VD10，它们的起始地址是相同的。6．局部变量存储器（L）局部变量存储器用来存放局部变量（局部变量只在特定的程序内有效），可以用来存储临时数据或者子程序的传递参数。局步变量可以分配给主程序段、子程序段或中断程序段，但不同程序段的局部存储器是不能相互访问的。7．顺序控制继电器（S）PLC中也把顺序控制继电器称为状态器或状态元件，是顺序控制继电器指令的重要元件，常与顺序控制指令LSCR、SCRT、SCRE结合使用。8．定时器（T）定时器是PLC中常用的编程软元件，主要用于累计时间的增量，其分辨率有1ms、10ms和100ms三种。定时器的工作过程与继电器控制系统的时间继电器类同，当定时器的输入条件满足时开始累计时间增量（当前值），当定时器的当前值达到预设值时，定时器触点动作。定时器地址格式如T37。9．计数器（C）计数器是用来累计输入脉冲的个数。当输入触发条件满足时，计数器开始累计它的输入端脉冲上升沿（正跳变）的次数；当计数器计数值达到预定的设定值时，计数器触点动作。计数器地址格式如C2410．累加器（AC）11．模拟量输入/输出映像寄存器（AI/AQ）模拟量输入映像寄存器用以存放A-D转换后输入的16位的数字量，其地址格式为AIW[起始字节地址]，如：AIW2。12．高速计数器（HC）一般计数器的计数频率受扫描周期的影响，不能太高。而高速计数器可累计比CPU的扫描速度更快的事件。高速计数器的当前值是一个双字长（32位）的整数，且为只读值。教学设计1.课程导入：采用奥运会开幕式五环展示的控制，展开主题讨论，导入本次课程。2.课程讨论通过课程讨论让学生对所学知识点加深印象，并提高学生对课堂的参与度。在课堂教学中引入大量的实物图片，结合实验室的设备，即工程应用型教学法正是教学科研努力的方向，这种工程应用型的教学方法不仅对PLC这门课程的教学起着重要的作用，而且为工科学生进行以后系统的设计分析打下工程基础，也为他们的工程思想的建立、为后续课程的学习提供了保障。思政元素：通过奥运会开幕式视频展示增加学生的爱国热情，提高学生的民族自信；工匠精神：通过可编程逻辑控制器的行业标准、指标参数培养学生的专业精神，用专业精神、职业精神和工匠精神引领大学生成长成才。教学后记周次第3周授课时间章节名称第3章S7-200系列PLC的基本指令及应用3-1S7-200系列PLC编程环境及编程规约3-2位逻辑指令PLC硬件连接，编程环境及简单实例实验授课方式理论课（√）、实验课（√）上机（）、其他方式（）教学时数4学时教学目的和要求掌握S7-200基本逻辑指令。掌握PLC基本指令编程；理解PLC程序的简单设计的方法及使用。教学重点难点重点：S7-200基本逻辑指令，PLC基本指令编程2、难点：PLC基本指令的原理、功能及编程应用。教学方法选择以下方面：教师讲授（√），课堂讨论（√），多媒体教学（√），提问式教学（√）讨论练习作业作业：学习通完成作业教研室主任审批意见教学内容要点(可附另页)3.1S7-200系列PLC编程环境及编程规约S7-200系列PLC的编程环境主要有STEP7-Mirco/WIN编程软件和STEP7-Mirco/WINSMART编程软件，用户需要按编程软件约定的编程规约进行编程。3.1.1S7-200系列PLC编程软件简介PLC应用程序编辑、编译和下载可以通过上位机（PC）运行集成编程软件来实现。使用S7-200PLC，首先要在PC上安装STEP7-Mirco/WIN编程软件；使用S7-200SMARTPLC，则需要在PC上安装STEP7-Mirco/WINSMART编程软件。STEP7-Mirco/WIN和STEP7-Mirco/WINSMART的指令格式基本相同，支持梯形图LAD（Ladder）、语句表STL（StatementList）和功能块图（FunctionBlockDiagram）等编程语言来编制用户程序，并且可以直接进行显示切换。其中，梯形图和语句表是最基本、最常用的PLC编程语言，它们不仅支持结构化编程方法，而且两种编程语言可以相互转化。用户应按照编程软件规定的编程语言（指令格式）编写PLC应用程序。可以从STEP7-Micro/WIN中导出项目移植到STEP7-Micro/WINSMART，也可以在STEP7-Micro/WINSMART中直接打开一个STEP7-Micro/WIN项目文件（.mwp）。编程软件可以使用上位计算机作为图形编程器，用于在线（联机）或离线（脱机）开发用户程序，并可以在线实时监控用户程序的执行状态。STEP7-Mirco/WIN和STEP7-Mirco/WINSMART编程软件的使用方法见本书第9章。3.1.2S7-200系列PLC指令基本格式及编程规约 1.S7-200PLC指令基本格式在S7-200PLC程序设计中，常用的指令有梯形图（以下简称LAD）和语句表（以下简称STL两种表示方法。1）LAD指令基本格式LAD（梯形图）指令是使用最广泛的PLC图形编程语言，梯形图与继电器控制系统的电路图具有相似、直观、易懂的优点。LAD（梯形图）指令使用类似于电气控制形式的符号来描述指令要执行的操作，以符号上的数据表示需要操作的数据，简单LD位逻辑（开关量）指令的梯形图格式如图3-1a所示，STEP7-Mirco/WIN编程环境梯形图格式如图3-1b所示，STEP7-Mirco/WINSMART编程环境梯形图格式如图3-1c所示。I0.1I0.1Q1.0a)b)c)图3-1梯形图指令格式在梯形图中，为了便于理解和分析各个元器件间的输入与输出关系，可以假想为电路中某支路的概念电流，也称作能流。因此，本书在描述指令的连接时，融入了“电路”的概念。例如，图3-1a所示指令中I0.1触点接通时，有一个假想的能流（箭头）流过Q1.0的线圈。触点和线圈等组成的独立语句称为网络。在网络中，程序的逻辑运算按从左到右的方向执行，与能流的方向一致。 2）STL指令（语句表）STL指令一般由助记符和操作数组成，其格式如下。助记符助记符操作数助记符表示指令要执行的功能操作；操作数表示指令要操作的数据。例如：LD I0.1//LD：取指令操作码；I0.1：输入位操作数。 = Q1.0//"="：输出操作码；Q1.0：输出位操作数。STL（语句表）指令表达式与梯形图有一一对应关系，在编程环境中可以方便地相互转换。3）指令中操作数表示方法指令中的位逻辑操作数（bit）只能以直接寻址方式对其进行读写操作。直接寻址也称字节·位寻址，由元件名称、字节地址和位地址组成。在图3-1中，操作数I0.1中的I表示输入映像寄存器第0字节中的第1位输入点；操作数Q1.0中的Q表示输出映像寄存器的第1字节中的第0位输出位。S7-200PLC梯形图编程规约使用梯形图编程时应符合以下规约。（1）每个网络单元（即输出单元）构成一个梯级，每个网络必须以触点开始，根据其逻辑条件组成逻辑控制，网络结束（右侧）为输出单元，输出单元应为为软元件线圈或定时器、计数器等指令（盒）。网络不能以触点终止。（2）一个网络可有若干个线圈，只要线圈位于该特定网络的并行分支上。不能在网络上串联一个以上线圈（即不能在一个网络的一条水平线上放置多个线圈）。（3）梯形图中，输入、输出及其他软继电器或指令的触点，可以任意重复使用。（4）同一编号的线圈在同一程序中不得使用多次，虽然编译时可以通过，但容易发生逻辑错误。（5）线圈或指令盒不能直接与左母线连接，如果需要，可以根据程序要求通过特殊功能继电器SM0.0（常态为ON）或SM0.1连接。（6）触点可以任意并联和串联，多个线圈和指令盒也可以并联使用。（7）为编程方便、提高编程效率和便于阅读，编程应按“上繁下简、左繁右简”原则进行。（8）编程时，以假设电路中概念电流（能流）的理解方式为出发，更能确保程序的正确性。（9）由于PLC采用扫描工作方式，对于某些程序块（如第5章的子程序、中断程序），如果按一般计算机常规编程思想编写梯形图，会出现梯形图程序执行情况与编程者本来意图不一致的结果。需要读者深刻理解PLC扫描工作方式的工作过程才能避免这些错误。3.2位逻辑指令位逻辑指令是PLC中最基本最常用的指令，主要用来完成基本的位逻辑运算及控制。位逻辑指令的典型应用有电动机控制、红绿交通灯、电梯自动控制、密码锁、抢答器、二位（或三位）式闭环控制及位控报警器等领域。位逻辑指令主要包括触点输入、线圈驱动输出指令、位逻辑（运算）指令、置位/复位指令、立即指令、边沿触发指令及堆栈操作指令等。3.2.1触点输入/线圈驱动输出指令1．LD、LDN指令1）取指令LD（Load）LD指令格式如图3-2所示，其中bit为触点位操作数（下同）。语句表LDbit语句表梯形图梯形图图3-2LD指令格式使用LD指令时，起动梯形图任何逻辑块的第一条指令时，对应输入端点连接开关导通，触点bit闭合；对应输入端点连接开关断开，触点bit断开。一般用于连接动合（常开）触点。 LD指令也称动合指令。2）取反指令LDN（LoadNot）LDN指令格式如图3-3所示。LDNbitLDNbit梯形图语句表 梯形图语句表图3-3LDN指令格式LDN指令在起动梯形图任何逻辑块的第一条指令时，如果对应输入端点连接的开关导通，触点bit断开；对应输入端点连接的开关断开，触点bit闭合。LDN指令也称动断指令。2．=（Out）输出指令=（Out）输出指令又称线圈驱动指令，其指令格式如图3-4所示。bitbit()=bit语句表梯形图语句表梯形图图3-4“=”指令格式输出指令示例如图3-5所示。图3-5输出指令示例在梯形图中，该指令必须放在网络的最右端。该类指令使用时注意以下方面。（1）LD、LDN指令操作数区域为：I、Q、M、T、C、SM、S、V；“=”指令的操作数区域为M、Q、T、C、SM、S。（2）指令中常开接点和常闭接点，作为使能的条件，在语法上和实际编程中都可以无限次的重复使用。（3）PLC输出线圈，作为驱动元件，在语法上可以无限次的使用。由于在重复使用的输出线圈中只有程序中最后一个是有效的，其它都是无效的，输出线圈具有最后优先权。所以，同一程序中，“=”指令后的线圈使用1次为宜。（4）在上一章已经强调，PLC输入继电器只能识别相应的外部端口开关是接通状态还是断开状态，不能识别外部连接的是常开按钮还是常闭按钮。3.2.2位逻辑与指令1．位逻辑“与”指令A位逻辑“与”指令A（And）：用于动合触点的串联连接，只有串联在一起的所有触点全部闭合时，输出才有效。位逻辑与指令梯形图、指令表以及时序图如图3-8所示：梯形图梯形图语句表图图图3-8位逻辑与指令及时序图时序图2．位逻辑“与非”指令AN位逻辑“与非”指令AN（AndNot）用于动断触点的串联连接。A和AN指令梯形图及语句表示例如图3-9所示。梯形图语句表//使用逻辑“与”指令=ANLD=Q0.0M0.0I0.2Q0.1//驱动输出继电器Q0.0//驱动输出继电器Q0.1梯形图语句表//使用逻辑“与”指令=ANLD=Q0.0M0.0I0.2Q0.1//驱动输出继电器Q0.0//驱动输出继电器Q0.1//使用逻辑“与非”指令AI0.1//使用逻辑“与”指令AM0.1M0.0网络1网络2I0.1Q0.0Q0.1I0.0I0.2LDI0.0M0.1图3-9A和AN指令示例A和AN指令的操作数区域为I、Q、M、SM、T、C、S、V、L。单个触点可以连续串联使用，最多为11个。3.2.3位逻辑“或”指令1．位逻辑“或”指令O位逻辑“