第一章 PLC的基础理论

第一章 PLC的基础理论 1.1可编程控制器概述 1.1.1PLC的产生与定义

一、PLC的产生

1、在制造工业(以改变几何形状和机械性能为特征)和过程工业(以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征)中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM(通用汽车)公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，使得电气控制功能实现的程序化，这就是第一代可编程序控制器，英文名字叫Programmable Controller(PC)。

2、随着电子技术和计算机技术的发生，PC的功能越来越强大，其概念和内涵也不断扩展。

3、上世纪80年代，个人计算机发展起来，也简称为PC，为了方便，也为了反映或可编程控制器的功能特点，美国A-B公司将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器Programmable Logic Controller(PLC)，并将“PLC”作为其产品的注册商标。现在，仍常常将PLC简称PC。

二．PLC的定义

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 1.1.2PLC的发展与应用领域

上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统.近年，工业计算机技术(IPC)和现场总线技术(FCS)发展迅速，挤占了一部分PLC市场，PLC增长速度出现渐缓的趋势，但其在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车(23%)、粮食加工(16.4%)、化学/制药(14.6%)、金属/矿山(11.5%)、纸浆/造纸(11.3%)等行业。

一．PLC发展的重点 1、人机界面更加友好

PLC制造商纷纷通过收购或联合软件企业、或发展软件产业，大大提高了其软件水平，多数PLC品牌拥有与之相应的开发平台和组态软件，软件和硬件的结合，提高了系统的性能，同时，为用户的开发和维护降低了成本，使更易形成人机友好的控制系统，目前，PLC＋网络＋IPC＋CRT的模式被广泛应用。

2、网络通讯能力大大加强

PLC厂家在原来CPU模板上提供物理层RS232/422/485接口的基础上，逐渐增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。由于近来数据通讯技术发展很快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也同步发展。如罗克韦尔A－B公司主推的三层网络结构体系，即EtherNet、ControlNet、DeviceNet，西门子公司在Profibus-DP及Profibus-FMS网络等。

3、开放性和互操作性大大发展

PLC在发展过程中，各PLC制造商为了垄断和扩大各自市场，处于群雄割据的局面，各自发展自己的标准，兼容性很差，这给用户使用带来不便，并增加了维护成本。开放是发展的趋势，这已被各厂商所认识，形成了长时期妥协与竞争的过程，并且这一过程还在继续。开放的进程，可以从以下方面反映：

1)IEC形成了现场总线标准，这一标准包含8种标准，虽然有人说，多种标准就是没有标准，但必竟是一个经过困难的争论与妥协的成果。标准推出后，各厂商纷纷将自己的产品适应这些标准，或者开发与之相应的新产品。

2)IEC制订了基于Windows的编程语言标准IEC61131-3，它规定了指令表(IL)、梯形图(LD)、顺序功能图(SFC)、功能块图(FBD)、结构化文本(ST)五种编程语言。这是以数字技术为基础的可编程序逻辑控制装置在高层次上走向开放性的标准化文件。虽然PLC开发上各工具仍不兼容，但基于这些标准的开发系统，使用户在应用过程中，可以较方便地适不同品牌的产品。

3、OPC基金会推出了OPC(OLE for Process Control)标准，这进一步增强了软硬件的互操作性，通过OPC一致性测试的产品，可以实现方便的和无缝隙数据交换。目前，多数PLC软件产品和相当一部分仪表、执行机构及其它设备具有了OPC功能。OPC与现场总线技术的结合，是未来控制系统向FCS技术发展的趋势。

4、PLC的功能进一步增强，应用范围越来越广泛。PLC的网络能力、模拟量处理能力、运算速度、内存、复杂运算能力均大大增强，不再局限于逻辑控制的应用，而越来越应用于过程控制方面，有人统计，除石化过程等个别领域，PLC均有成功能应用，PLC在相当多的应用取代了昂贵的DCS，从而使原来PLC(顺序控制)＋DCS(过程控制)的模式变成PLC＋IPC模式。

5、工业以太网的发展对PLC有重要影响。以太网应用非常广泛，与工业网络相比，其成本非常低，为此，人们致力于将以太网引进控制领域。目前的挑战在于1)硬件上如合适应工业恶劣环境；2)通讯机制如何提高其可靠。以太网能否顺利进入工控领域，还存在争论。但以太网在工控系统的应用却日益增多，适应这一过程，各PLC厂商纷纷推出适应以太网的产品或中间产品

二．PLC在我国的应用

虽然我国在PLC生产方面非常弱，但在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30亿人民币，应用的行业也很广。

在我国，一般按I/O点数将PLC分为以下级别(但不绝对，国外分类有些区别)： 微型：32 I/O 小型： 256 I/O 中型：1024 I/O 大型：4096 I/O 巨型：8192 I/O

在我国应用的PLC系统中，I/O 64点以下PLC销售额占整个PLC的47%，64点~256点的占31%，合计占整个PLC销售额的78%。

在我国应用的PLC，几乎涵盖了世界所有的品牌，呈现八国联军的态势，但从行业上分，有各自的势力范围。大中型集控系统采用欧美PLC居多，小型控制系统、机床、设备单体自动化及OEM产品采用日本的PLC居多。欧美PLC在网络和软件方面具有优势，而日本PLC在灵活性和价位方面占优势。

我国的PLC供应渠道，主要有制造商、分销商(代理商)、系统集成商、OEM用户、最终用户。其中，大部分PLC是通过分销商和系统集成商达到最终用户的。

1.1.3PLC的特点 1.可靠性高

可靠性是指可编程控制器平均无故障工作时间。可编程控制器在设计、制造、元器

件的选取上采用了精选、高度集成化等一系列措施，以延长元器件工作寿命，提高系统的可靠性。在抗干扰性上，采取了软、硬件多重抗干扰措施，使其能安全地工作在恶劣的工业环境中。

2.控制功能强

可编程控制器不但具有对开关量和模拟量的控制能力，还具有数值运算、PID调节、通信控制、中断处理、高速计数等功能。PLC具有扩展灵活的特点，还具有功能的可组合型，PLC的多种智能模块，使PLC的过程控制能力和实时性大为增强。

3.组合灵活

小型PLC为整体结构，并可外接I∕O扩展机箱构成PLC控制系统。中大型PLC采用分体模块式结构，设有各种专用模块供选用和组合，由各种模块组成大小和要求不同的控制系统。

4.操作方便

PLC提供了多种面向用户的语言，如常用的梯形图LAD、指令语句表STL、控制系统流程图CSF等。PLC的最大优点之一就是采用易学易懂的梯形图语言，它是以计算机软件技术构成人们惯用的继电器模型，直观易懂，极易被现场电气工程技术人员掌握，为可编程控制器的推广应用创造了有利条件。

5.网络功能

网络和通信能力是PLC应用技术发展水平和先进性的标志，通过PLC的通信接口，利用Profibus现场总线和以太网等网络通信技术可以很方便地将多个PLC、PLC与上层计算机、操作面板和工业现场设备相连，组成工业控制网络系统。

第二章 S7—200PLC控制系统 2.1S7－200系列PLC的硬件系统 2.1.1S7－200系列PLC系统基本组成

可编程控制器的硬件电路由CPU、存储器、基本I∕O接口电路、外设接口、电源五大部分组成。

1. 中央处理器(CPU)

CPU是可编程控制器的控制中枢，在系统监控程序的控制下工作，它将外部输入信号的状态写入输入映响寄存器区域，然后将结果送到输出映像寄存器区域。CPU常用的微处理器有通用型微处理器、单片机、位片式计算机等。小型PLC的CPU多采用单片机或专业CPU。大型PLC的CPU多采用位片式结构，具有高速数据处理能力。 2. 存储器

可编程控制器的存储器由只读存储器ROM和随机存储器RAM两大部分构成，只读存储器ROM用以存放系统程序，中间运算数据存放在随机存储器RAM中，用户程序也放在RAM中，掉电时，用户程序和运算数据将保存在只读存储器EEPROM中。 3. 基本I∕O接口电路

① PLC内部输入电路的作用是将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，通过光耦电路送至PLC内部电路。输

入电路通常以光电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0.1～15ms之间。②PLC输出电路用来将CPU运算的结果变换成一定功率形式的输出，驱动被控负载（电磁铁、继电器、接触器线圈等）。③公共端点：通常将一组PLC输入/输出电路的公共端在PLC内部连在一起，以减少PLC外部接线。 4. 接口电路

PLC接口电路分为I/O扩展接口电路和外设通信接口电路两大类。 ① I/O扩展接口电路用于连接I/O扩展单元，可以用来扩充开关量I/O点数和增加模

拟量的I/O端子。I/O扩展接口电路采用并行接口和串行接口两种电路形式。②外

设通信接口电路：通信接口电路用于连接手持编程器或其他图形编辑器、文本显示器，并能组成PLC的控制网络。PLC通过PC/PPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口和电缆与计算机连接，并通过PROFIBUS、以太网等通信扩展模块组成工业控制网络，实现编程、监控、联网等功能。

5. 电源

PLC内部配有一个专用开关式稳压电源，以将AC/DC供电电源转化为PLC内部电路需要的工作电源（5VDC）。当输入端子为非干接点结构时，为外部输入元件提供24V直流电源（通常仅供输入端点使用）。 2.1.2S7－200系列PLC的扫描周期

S7－200系列PLC CPU连续执行用户任务的循环序列称为扫描。可编程控制器的一个机器扫描周期是指用户程序运行一次所经过的时间，分为读输入（输入采样）、执行程序、处理通信请求、执行CPU自诊断、写输出（输出刷新）五个阶段。 1. 读输入阶段，对数字量和模拟量的输入信息进行处理。

（1） 数字量输入信息的处理：每次扫描周期开始，先读数字输入点的当前值，然后，

写到输入映像寄存器区域。在之后的用户程序执行过程中，CPU访问输入映像寄存器区域，而并非读取输入端口状态，输入信号的变化不会影响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） 模拟量输入信息的处理：在处理模拟量的输入信息时，用户可以对每个模拟通

道选择数字滤波器，即对模拟通道设置数字滤波功能。对变化缓慢的输入信号，

可以选择数字滤波，高速变化的信号不能选择数字滤波。

如果选择了数字滤波器，可以选用低成本的模拟量输入模块。CPU在每个扫描周期自动刷新模拟输入，执行滤波功能，并存储滤波值（平均值）。当访问模拟输入时，读取该滤波值。

对于高速模拟信号，不能采用数字滤波器，只能选用智能模拟量输入模块。CPU在扫描过程中不能自动刷新模拟量输入值，当访问模拟量时，CPU每次直接从物理模块读取模拟量。 2. 执行程序

用户执行程序阶段，PLC按照梯形图的顺序，自左而右、自上而下地逐行扫描，在这一阶段，CPU从用户程序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入映像寄存器区域。在此阶段，允许对数字量立即I/O指令和不设置数字滤波的模拟量I/O指令进行处理。在扫描周期的各部分，均可对中断事件进行响应。 3. 处理通信请求

扫描周期的信息处理阶段，CPU处理从通信端口接收到信息。 4. 执行CPU自诊断

在此阶段，CPU检查其硬件，用户程序存储器和所有的I/O模块状态。 5. 写输出

每个扫描周期的结尾，CPU把存放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。当CPU操作模式从RUN切换到STOP时，数字量输出可设置为输出表中定义的值或保持当前值；模拟量输出保持最后写的值，默认是关闭数字量输出（参见系统块设置）。

按照扫描周期的主要工作任务，也可以把扫描周期简化为读输入、执行程序和写输出三个主要阶段。

2.1.3S7－200系列PLC的编程元件