作者：陈在平
出版社：电子工业出版社
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西门子S7-200PLC系统设计与应用实例试读：
前言
可编程序控制器在现代工业企业的生产、加工与制造过程中起着十分重要的作用，近年来，可编程序控制器的功能获得了进一步提升，从而越来越受到广大工程技术人员的青睐。然而，工程技术人员在可编程序控制器的应用过程中经常会遇到许多困难，特别是在进行可编程序控制器控制系统设计、指令运用及编程技巧方面尤为如此。为了满足广大工程技术人员在可编程序控制器实际应用过程中的需要，本书主要从应用角度出发介绍可编程序控制器的基本结构、基本工作原理及基本工作过程。根据可编程控制器控制系统设计的基本原则，阐述可编程序控制器系统设计的一般步骤、系统控制模式的选择确定、系统硬件的配置选择，以及系统应用（程序）软件设计等方面内容，并给出了具体实例。
在此基础上，重点阐述西门子S7-200系列可编程序控制器的基本结构、功能模块、编程环境等，同时从工程应用角度出发，以典型应用实例为背景，介绍相应可编程序控制器的指令系统，以及指令应用技巧、主要功能模块应用、系统配置方法及可编程序控制器系统具体应用实例等方面的内容。考虑到目前工业控制系统网络通信功能的实际需要，在本书中介绍了S7-200可编程序控制器的PPI通信功能与具体应用。由于近年来实际工程中无线通信的应用越加广泛，本书特别详细地介绍了Zigbee无线通信协议模块在西门子S7-200系列可编程序控制器中实现无线网络通信的具体方法、配置步骤，以及具体工程应用实例。
纵观本书所涉及的内容可以看出，本书的目的就是旨在帮助广大工程技术人员尽快了解与熟悉西门子S7-200系列可编程序控制器的主要功能与特点、指令的使用与应用技巧，从而为工程技术人员解决实际工程问题提供有力帮助。书中各部分内容均采用实例进行讲解，并辅以大量图形，通俗易懂，初学者完全可以快速入门。本书可作为工业自动化领域技术人员的入门读物，也可供大中专院校自动化、机电一体化专业学生参考，同时还可作为职业培训学校可编程序控制器应用技术课程的培训教材。
本书是作者在多年教学与工程实践的基础上，并借鉴国内外相关领域工程技术人员的研究与工程实践成果撰写完成的。在本书编写过程中，得到电子工业出版社的大力支持，特别是得到了张榕副编审的帮助与指导，作者对此表示衷心的感谢，也感谢责任编辑康霞所提出的建设性修改意见，同时还要感谢董子昊为本书所做的工作。
由于作者水平所限，书中难免存在各种缺点与不足，恳请读者给予批评指正。
编 著 者
第1章 可编程序控制器系统概述
可编程序控制器也称可编程控制器。它是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、灵活通用与维护方便等一系列优点。特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力受到用户的青睐。因而，在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛应用，成为现代工业控制的三大支柱之一。
1.1 可编程序控制器系统的产生与定义
从20世纪20年代起，人们开始用导线将各种继电器、定时器、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，以控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的、传统的继电接触器控制系统。该系统结构简单、容易掌握、价格便宜，能在一定范围内（特别是在工作模式固定、工作方式简单的场合）满足自动控制的需要，因而使用面甚广，这使它在一定时期内成为工业控制领域中占主导地位的设备，但是随着生产的发展，控制要求越来越复杂，继电器的类型和数量不得不大量增加，电器之间的连接也变得非常复杂。首先，由于控制柜的体积越来越庞大，大大增加了生产控制柜的难度；其次，在继电接触器控制系统中，即使一个继电器或一条连线出现故障，也会造成整个系统运行的不正常，并且由于系统的复杂，给查找和排除故障带来困难，维修非常不便；另外，当生产工艺或对象改变时，原来的接线和控制柜就要改接或更换，可见继电接触器控制系统的通用性和灵活性都远远不够。为了满足现代生产的需求，人们自然对控制系统提出了更可靠、更经济、更通用、更灵活、易维修等要求。
从20世纪60年代开始，人们相继开发了各式各样的控制装置来满足上述要求，如半导体逻辑元件控制装置。半导体逻辑元件是一种由半导体电子器件（各种晶体管、电阻、电容和硅可控整流元件等）组成的自动化元件，它种类很多，如各种逻辑门（与、或、非）、触发器、延时元件、振荡器、开关放大器、电平检测器、接近开关、交流可控硅开关等。用这些元件可按某种控制需要构成相应的无触点逻辑控制系统及控制装置；也可用逻辑元件组成通用的顺序控制装置。最常用的一种顺序控制装置利用二极管矩阵来实现输入/输出逻辑关系，只要改变矩阵板上二极管插头的位置就可以改变动作的顺序，即可大大增加控制系统的灵活性。随后由于小型计算机的出现和大规模的生产，以及多机群控技术的发展，人们也曾试图用小型计算机来实现工业控制的要求，但由于价格昂贵、输入/输出电路的不匹配及编程技术复杂等原因（因为当时计算机的接口技术、编程技术还远远没有达到目前的水平）并未得到推广应用。
到20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争趋向激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，其加工的生产线必须随之改变，从而要求对整个控制系统重新配置，1968年，美国通用汽车公司（GM）公开招标，并对控制系统提出如下具体的要求。（1）编程简单，可在现场修改程序；（2）维修方便，采用模块化结构，即插件式；（3）可靠性高于继电器控制系统，能在恶劣环境下工作；（4）体积小于继电器控制柜；（5）价格便宜，成本可与继电器控制系统竞争；（6）输入/输出可以采用市电，电流达到一定要求（2A以上），可直接驱动继电器和电磁阀；（7）具有数据通信功能，数据可直接送入管理计算机；（8）易于系统扩展，在扩展系统时只要很小的改变；（9）用户程序存储器容量至少能扩展到4KB以上。
这些要求实际上是提出了将继电器控制系统的简单易懂、使用方便、价格低的优点与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的特点结合起来，将继电接触器控制硬连线逻辑转变为计算机软件逻辑编程的设想。1969年，美国数字设备公司（DEC）根据上述要求研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。当时人们把它称为可编程序逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller），但只是用它取代继电接触器控制，功能仅限于执行继电器逻辑、计时、计数等。可编程序控制器问世后，发展极为迅速。1971年，日本开始生产可编程序控制器；1973年，欧洲开始生产可编程序控制器；到现在，世界各国一些著名的电气制造商几乎都在生产PLC装置，如美国罗克韦尔自动化公司的AB、欧洲的西门子、日本的三菱和OMRON、美国的GE等。PLC已作为一个独立的工业设备被列入生产中，成为当代电控装置的主导。
早期的可编程序控制器主要由分立元件和中小规模集成电路组成，它采用了一些计算机技术但简化了计算机内部电路，对工业现场环境适应性较好，而且指令系统简单，一般只具有逻辑运算功能。随着微电子技术和集成电路的发展，特别是微处理器和微计算机的迅速发展，在20世纪70年代中期，美、日、德的一些厂家在可编程序控制器中开始更多地引入微机技术，微处理器及其他大规模集成电路芯片成为其核心部分，这使可编程序控制器的性价比产生了新的突破。微处理器（CPU）、只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）等已成为PLC的核心。PLC不仅用逻辑编程取代了硬连线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理等功能，而且随着其速度、容量、功能、通信能力等的增强，它已真正成为一种电子计算机工业控制设备。
由于可编程序控制器在不断发展，因此对它下一个确切的定义是困难的。1980年，可编程序控制器问世后，由美国电气制造商协会（NEMA，National Electric Manufacturer Association）对可编程序控制器下过如下的定义：
可编程序控制器是一种数字式的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，实现逻辑运算、顺序运算、计数、计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。
1982年，美国国际电工委员会（International E1ectrical Committee）颁布了可编程序控制器标准草案，1985年提交了第二版，1987年的第三版对可编程序控制器做了如下定义：
可编程序控制器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。可编程序控制器及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。
上述定义表明，可编程序控制器是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，它有与其他顺序控制装置不同的特点。
1.2 可编程序控制器系统的技术指标、特点及应用
1.2.1 可编程序控制器系统的技术指标PLC的技术指标很多，主要有5个基本技术指标，即CPU类型、存储器容量、编程语言、扫描速度和I/O点数。（1）存储器容量通常用KW或KB、位来表示，这里1KB=1024B。有的PLC以所能存放用户程序的多少衡量。在PLC中，程序指令是按“步”存放的（一条指令往往不止一“步”），一“步”占用一个地址单元，一个地址单元一般占两个字节。例如，一个内存容量为1000步的PLC，可推知其内存为2KB。一般小型机的内存为1KB到几KB，大型机内存为几十KB，甚至可达几十MB。（2）扫描速度一般以执行1000步指令所需时间来衡量，故单位为ms/KB，有时也以执行一步指令的时间计，如μs/步。目前比较慢的为2.2ms/KB逻辑运算程序，60ms/KB数字运算程序；较快的为1ms/KB逻辑运算程序，10ms/KB数字运算程序；最快的为0.75ms/KB逻辑运算程序。（3）I/O点数指PLC外部输入/输出端子总数，这是PLC最重要的一项技术指标。一般小型机在256点以下（无模拟量），中型机在256～2048点之间，（模拟量64～128路），大型机在2048点以上（模拟量128～512路）。（4）编程语言。不同的PLC编程语言不同，互不兼容，但具有互相转换的可移植性。编程语言的指令条数是衡量PLC软件功能强弱的主要指标。指令越多，编程功能越强。
此外，PLC内部有许多寄存器用来存放变量、中间结果、数据等，还有许多辅助寄存器可供用户使用，因此寄存器的配置也是衡量PLC功能的一项指标。
PLC除了主控模块外，还可配接实现各种特殊功能的高功能模块，如A/D模块、D/A模块、高速计数模块、远程通信模块等。1.2.2 可编程序控制器系统的特点
可编程序控制器能如此迅速发展的原因是由于它具有通用计算机所不及的一些特点。下面是可编程序控制器的主要特点。
1.可靠性
对可以维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。可编程序控制器的可靠性高，具体表现在下列方面。
1）与继电器逻辑控制系统比较
与继电器逻辑控制系统比较，可编程序控制器可靠性提高的主要原因如下。（1）可编程序控制器不需要大量的活动部件和电子元件，它的接线也大大减少，与此同时，系统维修简单，维修时间缩短，从而可靠性得到提高。（2）可编程序控制器采用了一系列可靠性设计的方法进行设计。例如，冗余设计、掉电保护、故障诊断和信息保护及恢复等，使可靠性得到提高。（3）可编程序控制器有较强的易操作性，它具有编程简单、操作方便、维修容易等特点，因此，对操作和维修人员的技能要求降低，操作和维修人员容易学习和掌握，不容易发生操作失误，从而可靠性得到提高。
2）与通用的计算机控制系统比较
与通用的计算机控制系统比较，可编程序控制器可靠性提高的主要原因如下。（1）可编程序控制器是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制系统更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了经简化的编程语言，编程的出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高，因此可编程序控制器的可靠性较通用计算机控制系统的可靠性有较大提高。（2）在可编程序控制器的硬件设计方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性高的元件；采用先进的工艺制造流水线制造；对干扰的屏蔽、隔离和滤波等；对电源的掉电保护；对存储器内容的保护；采用看门狗和其他自诊断措施；便于维修的设计等。（3）在可编程序控制器的软件设计方面也采取了一系列提高系统可靠性的措施。例如，采用软件滤波；软件自诊断；简化编程语言；信息保护和恢复；报警和运行信息的显示等。
一份用户选用可编程序控制器原因的调查报告指出，在各种选用可编程序控制器的原因中，第一位的原因是由于可编程序控制器可靠性高的用户达93%，其次才是性能和维修方便等原因。可见，可靠性高是可编程序控制器的主要特点。
2.易操作性
可编程序控制器的易操作性表现在下列3方面。（1）操作方便。对可编程序控制器的操作包括对程序输入的操作和对程序更改的操作。大多数可编程序控制器采用编程器进行程序输入和更改的操作。编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的可编程序控制器，编程器采用CRT屏幕显示，因此程序的输入直接可以显示。更改程序的操作也可直接根据所需的地址编号、继电器编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。更改的信息可在液晶屏或CRT屏上显示，所以可编程序控制器具有操作方便的特点。（2）编程方便。可编程序控制器有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说，梯形图由于与电气原理图较为接近，容易掌握和理解，所以有利于程序的编写和学习。采用布尔助记符编程语言时，由于符号是功能的简单缩写，从而十分有利于编程人员编程。虽然功能表图、功能模块图和高级描述语句的编程方法应用尚未普及，但是由于它们具有功能清晰、易于理解等优点，正为广大技术人员所接纳和采用，并发挥出更有效的功能特点。（3）维修方便。可编程序控制器所具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低了。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可根据有关故障信号灯的提示和故障代码的显示，或通过编程器和CRT屏幕的显示，很快找到故障所在的部位，为迅速排除故障和修复节省了时间。为便于维修工作的开展，有些可编程序控制器的制造厂商提供了维修用的专用仪表或设备，提供了故障树等维修用的资料，有些厂商还提供维修用的智能卡件或插件板，使维修工作变得十分方便。
可编程序控制器的面板和结构的设计也考虑了维修的方便性。例如，对需维修的部件设置在便于维修的位置；信号灯设置在易于观察的部位；接线端子采用便于接线与更换的类型等。这些设计使维修工作能方便地进行，从而大大节省了维修时间。采用标准化元件和标准化工艺生产流水线作业，使维修用的备品备件简化，也使维修变得方便。
3.灵活性
可编程序控制器的灵活性表现在下列3个方面。（1）编程的灵活性。可编程序控制器采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块图和语句描述编程语言，只要掌握其中一种语言就可以进行编程。编程方法的多样性使编程变得方便，拓展了应用面。
由于采用软连接的方法，因此在生产工艺流程更改或者生产设备更换时可以不必改变可编程序控制器的硬设备，通过程序的编制与更改就能适应生产的需要。这种编程的灵活性是继电器顺序控制系统所不能比拟的。正是由于编程的柔性特点，使可编程序控制器能大量替代继电器顺序控制系统，成为当今工业控制领域的重要控制设备。在柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）和计算机集成过程控制系统（CIPS）中，可编程序控制器正成为主要的控制设备，得到广泛应用。（2）扩展的灵活性。可编程序控制器的扩展灵活性是它的一个重要特点。它可根据应用的规模不断扩展，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。它不仅可以通过增加输入/输出单元来增加点数，通过扩展单元来扩大容量和功能，也可以通过多台可编程序控制器的通信来扩大容量和功能，甚至可通过与集散控制系统（DCS）或其他上位机的通信来扩展它的功能，并与外部设备进行数据的交换等。这种扩展的灵活性大大方便了用户。（3）操作的灵活性。操作的灵活性指设计的工作量大大减少，编程的工作量和安装施工的工作量大大减少，操作十分灵活、方便，监视和控制变得容易。在继电器顺序控制系统中所需的一些操作可以简化，不同的生产过程可采用相同的控制台或控制屏等。
4.机电一体化
为了使得工业生产过程的控制更平稳、更可靠，向优质高产低耗要效益，对过程控制设备和装置提出了机电一体化——仪表、电子、计算机综合的要求，而可编程序控制器正是这一要求的产物，它是专门为工业过程控制而设计的控制设备，它的体积大大减小，功能不断完善，抗干扰性能增强，机械与电气部件被有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合在一起，它已成为当今数控技术、工业机器人、过程流程控制等领域的主要控制设备。1.2.3 可编程序控制器系统的应用
可编程序控制器的主要功能和应用如下。
1.开关逻辑和顺序控制
这是可编程序控制器应用最广泛、最基本的场合。它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种简单或十分复杂的控制要求。
2.模拟控制
在工业生产过程中有许多连续变化的物理量需要进行控制，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。为了实现工业领域对模拟量控制的广泛要求，目前大部分PLC产品都具备处理这类模拟量的功能。特别是在系统中模拟量的控制点数不多，同时混有较多的开关量时，可编程序控制器具有其他控制装置所无法比拟的优势。另外，某些PLC产品还提供了典型控制策略模块，如PID模块，从而可实现对系统的PID等反馈或其他模拟量的控制运算。
3.定时控制
PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时与计数器，其定时时间间隔可以由用户加以设定。对于计数器，如果需要对频率较高的信号进行计数，则可以选择高速计数器。
4.数据处理
新型PLC都具有数据处理的能力，它不仅能进行算术运算、数据传送，而且能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等，有些PLC还可以进行浮点运算、函数运算。
5.信号联锁系统
信号联锁是安全生产所需的。在信号联锁系统中，采用高可靠性的可编程序控制器是安全生产的要求。对安全要求高的系统还可采用多重的检出元件和联锁系统，而对其中的逻辑运算等可采用冗余的可编程序控制器实现。
6.通信
把可编程序控制器作为下位机与上位机或同级的可编程序控制器进行通信，完成数据的处理和信息的交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理，因此PLC是实现工厂自动化的理想工业控制器。
1.3 可编程序控制器的基本结构与工作原理
可编程序控制器是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，是在程序控制器、一位微处理机控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器。从广义上讲，可编程序控制器是一种计算机系统，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的输入/输出接口，具有更适用于控制要求的编程语言，具有更适应于工业环境的抗干扰性能。因此，可编程序控制器是一种工业控制用的专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。1.3.1 可编程序控制器的硬件系统
可编程序控制器的硬件系统由主机系统、输入/输出扩展环节及外部设备组成。
1.主机系统
可编程序控制器的主机系统由中央处理单元、存储单元、输入/输出单元、输入/输出扩展接口、外部设备接口，以及电源等部分组成。各部分之间通过内部系统总线进行连接。如图1-1所示。图1-1 可编程序控制器系统原理框图
1）中央处理单元（CPU，Central Processing Unit）
中央处理单元是可编程序控制器的核心部分，它包括微处理器和控制接口电路。微处理器是可编程序控制器的运算控制中心，由它实现算逻运算，协调控制系统内部各部分的工作。它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的。
CPU的具体作用如下：接收、存储用户程序。扫描方式接收来自输入单元的数据和各状态信息，并存入相应的数据存储区；执行监控程序和用户程序，完成数据和信息的逻辑处理，产生相应的内部控制信号，完成用户指令规定的各种操作；响应外部设备的请求。
可编程序控制器常用的微处理器主要有通用微处理器、单片机或双极型位片式微处理器。通用微处理器按其处理数据的位数可分为4位、8位、16位和32位等。可编程序控制器大多用8位和16位微处理器。单片机是将微处理器、部分存储器、部分输入/输出接口及连接它们的控制接口电路等集成在一块芯片上的处理器，它具有高集成度、高可靠性、高功能、高速度、低成本等优点。控制接口电路是微处理器与主机内部其他单元进行联系的部件，它主要有数据缓冲、单元选择、信号匹配、中断管理等功能。微处理器通过它来实现与各个单元之间可靠的信息交换和最佳的时序配合。
2）存储单元
存储单元是可编程序控制器存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。它包括只读存储器（ROM）和随机读写存储器（RAM）。只读存储器在使用过程中只能取出不能存储，而随机读写存储器在使用过程中能随时取出和存储。只读存储器按照其编程方式不同，可分为ROM、PROM、EPROM和EEPROM等。
ROM又称掩膜只读存储器，它存储的内容在其制造过程中已确定，不允许再改变；PROM是可编程只读存储器，它存储的内容是用户用编程器一次性写入的，不能再改变；EPROM是可擦除可编程只读存储器，它的存储内容也是用户用编程器写入的，但是可以在紫外线灯的照射下擦除，它允许反复多次地擦除和写入；EEPROM是电擦除可编程只读存储器，它存储的内容由用户写入，在写入新内容时，原来存储的内容会自动清除，它允许反复多次写入。
由于只读存储器是非挥发性的，即在断电状态下仍能保持所存储的内容，因此它被作为可编程序控制器的系统存储器，存放制造厂商编制的系统程序。用户逻辑解释程序和标准程序模块等组成系统程序，系统程序对用户来说是透明的，用户是不能改变的，它也常被制造厂商存储在PROM或EPROM内，安装在可编程序控制器中一起供给用户。随机读写存储器有两种类型：静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）。SRAM用D型触发器来存储写入的内容，除非写入新的内容或电源关断，否则它存储的内容可以保持不变；DRAM用电容来存储写入的内容，由于电容要放电，为了维持写入的内容不变，必须对它进行重复读出和写入操作，即要有刷新电路配合使用。
由于随机读写存储器是一种挥发性的器件，即当供电电源关掉后，其存储的内容会丢失，因此在实际使用中通常为其配备掉电保护电路，当正常电源关断后，由备用电池为它供电，保护其存储的内容不丢失。随机读写存储器在可编程序控制器中作为用户程序的存储器和数据的存储器。用户程序存储器存放的是用户编制的应用程序。为了调试和修改方便，总是先把用户程序存放在随机读写存储器中，经过运行考核、修改完善达到设计要求后，再把它固化到EPROM中。数据存储器存储的内容是可编程序控制器运行过程中产生的各种数据。由于这些数据是不断变化的，所以用随机读写存储器来组成数据存储器。
3）输入/输出模块单元
可编程序控制器的对外功能主要是通过各类接口模块的外接线来实现对工业设备和生产过程的检测与控制。通过各种输入/输出接口模块，可编程序控制器既可检测到所需的过程信息，又可将处理结果传送给外部过程，驱动各种执行机构，实现工业生产过程的控制。通过输入模块单元，可编程序控制器能够得到生产过程的各种参数；通过输出模块单元，可编程序控制器能够把运算处理的结果送至工业过程现场的执行机构实现控制。实际生产中的信号电平多种多样，外部执行机构所需电流也是多种多样，而可编程序控制器的CPU所处理的只能是标准电平，由于输入/输出模块单元与工业过程现场的各种信号直接相连，这就要求它有很好的信号适应能力和抗干扰性能。因此，在输入/输出模块单元中，一般均配有电平变换、光电隔离和阻容滤波等电路，以实现外部现场的各种信号与系统内部统一信号的匹配和信号的正确传递，可编程序控制器正是通过这种接口实现了信号电平的转换。
为适应工业过程现场不同输入/输出信号的匹配要求，可编程序控制器配置了各种类型的输入/输出模块单元，其中常用的有以下几种类型。（1）开关量输入单元。它的作用是把现场各种开关信号变成可编程序控制器内部处理的标准信号。开关量输入单元按照输入端的电源类型不同，分为直流输入单元和交流输入单元。
在直流输入单元中，电阻R与R构成分压器，电阻R与电容C组122成阻容滤波。二极管用于防止反极性电压输入，发光二极管LED指示输入状态，光电耦合器隔离输入电路与可编程序控制器内部电路的电气连接，并使外部信号通过光电耦合变成内部电路接收的标准信号。当外部开关闭合后，外部直流电压经过电阻分压和阻容滤波后加到光电耦合器的发光二极管上，经光电耦合，光电三极管接收光信号，并输出一个对内部电路来说是接通的信号，输入端的发光二极管LED点亮，指示现场开关闭合。
在交流输入单元中，电阻R与R构成分压器，电阻R为限流电231阻，电容C为滤波电容。双向光电耦合器起整流和隔离双重作用，双向发光二极管用作状态指示，其工作原理和直流输入单元基本相同，仅在正反相时导通的双向光电元件不同。（2）开关量输出单元。它的作用是把可编程序控制器的内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。按照现场执行机构使用的电源类型不同，可分为直流输出单元（晶体管输出方式或继电器触点输出方式）和交流输出单元（可控硅输出方式或继电器触点输出方式）。在继电器输出方式中，继电器作为开关器件，同时又是隔离器件。发光二极管LED构成输出状态显示器，当可编程序控制器输出一个接通信号时，内部电路使继电器线圈RA通电，继电器触点闭合使负载回路的负载L接通得电，D作为续流二极管以消除线圈的反电势，同时状态指示发光二极管LED导通点亮。根据负载的需要，负载回路的电源既可选用交流电源，也可选用直流电源。
特别应指出的是，由于继电器模式具有断点确切，可以实际切断所控制的回路电器连接的作用，同时这种模式既适合于直流又适合于交流情况，因此这种模式在开关频率不太高的情况下是首选的输出控制方案。
在晶体管输出方式中采用光电耦合式三极管作为开关器件。当可编程序控制器输出一个接通信号时，内部电路使光电耦合器的光电二极管得电发光，光电三极管受光导通后，使晶体三极管导通，相应负载L得电。
在可控硅输出方式中，采用光电耦合式双向硅作为开关器件，因此它同时又是隔离器件。当可编程序控制器输出一个接通信号时，内部电路使固态继电器内输入电路中的光电二极管导通，通过光电耦合使输出回路的双向可控硅导通，负载得电。（3）模拟量输入单元。模拟量输入在过程中的应用很广，如常用的温度、压力、速度、流量、酸碱度、位移的各种工业检测都是对应于电压、电流的模拟量值，再通过一定运算（PID）后，控制生产过程达到一定的目的。模拟量输入电平大多是从传感器通过变换后得到的，模拟量的输入信号为4～20mA电流信号或1～5V、-10～10V、0～10V的直流电压信号。输入单元接收这种模拟信号之后把它转换成二进制数字信号，送给中央处理器进行处理，因此模拟量输入单元又叫A/D转换输入单元。总之，模拟量输入单元的作用是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成可编程序控制器内部处理的由若干位表示的数字信号。一般它由滤波、模数转换（A/D）、光电隔离等部分组成。模拟量输入单元设有电压信号和电流信号输入端。输入信号通过滤波、运算放大器的放大和量程变换，转换成模数转换能够接收的电压范围，经过模数转换后的数字量信号，再经光电耦合隔离后进入可编程序控制器的内部电路。根据A/D转换的分辨率不同，模拟量输入单元能提供8位、10位、12位或16位等精度的各种位数数字量信号传送给可编程序控制器进行处理。
模拟量的输入点数可以是2～8点，不同模拟量输入单元类型的输入点数不同。对多通道的模拟量输入单元，通常设置多路转换开关进行通道的切换，而在输出端应设置信号寄存器。为了适应工业生产过程的控制要求，对模拟量输入单元采取了必要的防电磁干扰措施，如光电耦合、阻容滤波等。为了防止其他信号的影响，也采取了设置反向二极管或熔丝管等措施。这些措施为可编程序控制器能可靠地工作提供了保证。（4）模拟量输出单元。它的作用是把可编程序控制器运算处理后的若干位数字量信号转换成相应的模拟量信号输出，以满足生产过程现场连续信号的控制要求。模拟量输出单元一般由光电隔离、数模转换器（D/A）和信号转换等环节组成，其原理框图如图1-2所示。图1-2 模拟量输出单元原理图
模拟量输出单元是将中央处理器的二进制数字信号转换成4～20mA的电流输出信号或0～10V、1～5V的电压输出信号，以提供给执行机构，因此模拟量输出单元又叫D/A转换输出单元。可编程序控制器输出的若干位数字量信号由内部电路送至光耦合器的输入端，光耦合器输出端输出的数字信号进入数模转换器（D/A），转换后的模拟量直流电压信号经运算放大器放大后驱动输出。
通常，模拟量输出单元还设有直流电流信号输出端，供用户选用。根据实际要求数字信号的不同分辨率，模拟量输出单元用的D/A转换器有8位、10位、12位等不同精度，根据不同型号有所不同。对可编程序控制器的模拟量输出单元也设置了防止电磁干扰的光电耦合或变压器耦合的电路，同样，为了适应外部负载的要求，提供了电压或电流的标准信号输出。（5）智能输入/输出单元。为了满足可编程序控制器在复杂工业过程中的应用，可编程序控制器的制造厂商除了提供上述基本开关量和模拟量输入/输出单元外，还提供智能输入/输出单元来适应生产过程控制的要求。智能输入/输出单元是一个独立的自治系统，它具有与可编程序控制器主机相似的硬件系统，也由中央处理单元、存储器、输入/输出单元和外部设备接口单元等部分通过内部系统总线连接组成。智能输入/输出单元在自身的系统程序管理下，对工业过程现场的信号进行检测、处理和控制，并通过外部设备接口与可编程序控制器主机的输入/输出扩展接口的连接来实现与主机的通信。可编程序控制器主机在其运行的每个扫描周期中与智能输入/输出单元进行一次信息交换，以便能对现场信号进行综合处理。智能输入/输出单元不依赖主机的运行方式而独立运行，这一方面使可编程序控制器能够通过智能输入/输出单元来处理快速变化的现场信号，另一方面也使可编程序控制器能够处理更多的任务。为适应不同的控制要求，智能输入/输出单元也有不同的类型。例如，高速脉冲计数器智能单元，它专门对工业现场的高速脉冲信号进行计数，并把累计值传送给可编程序控制器主机进行处理。如果不用高速脉冲计数智能单元，而用主机的输入/输出单元来进行计数操作，则计数速度要受主机扫描速度的影响。当高速脉冲信号的宽度小于主机的扫描周期时会发生部分计数脉冲丢失的情况。因此，用一般的可编程序控制器不能正确地进行高速脉冲信号的计数。使用高速脉冲计数智能单元后，由于它脱离主机的扫描周期而独立进行计数操作，而主机仅在每个扫描周期内读出高速脉冲计数智能单元的计数值，因此使可编程序控制器系统能正确地对高速脉冲信号进行计数处理。
PID调节智能单元也是一种智能单元，它能独立完成工业过程控制中一个或几个闭环控制回路的PID调节。特别是PID调节控制软件是由智能单元来执行的，而主机系统仅周期性地把调整参数和设定值传递给PID调节智能单元，从而使主机从烦琐的输入/输出操作复杂的运算处理中解脱出来，进而在其扫描周期内能够处理更多的任务。
为了适应生产过程对温度检测的要求，一些制造厂商也提供了直接可以与热电偶或热电阻连接的温度传感器输入智能单元，它通过信号转换、A/D转换、光电耦合等电路将模拟量的热电势或电阻信号转换为可编程序控制器的内部数字量信号。对热电偶的冷端补偿、热电阻的非线性处理等也在该智能单元实现。不同热电偶和热电阻的分度号是通过在该单元上的选择开关确定的。
智能输入/输出单元还有位置控制智能单元、阀门控制智能单元等类型。智能输入/输出单元为可编程序控制器的功能扩展和性能提高提供了极有利的条件。随着智能输入/输出单元品种的增加，可编程序控制器的应用领域将越来越广泛，可编程序控制器的主机最终将变为一个中央信息处理机，对与之相连的各种智能输入/输出单元的信息进行综合处理。
4）输入/输出扩展接口
输入/输出扩展接口是可编程序控制器主机为了扩展输入/输出点数和类型的部件，输入/输出扩展单元、远程输入/输出扩展单元、智能输入/输出单元等都通过它与主机相连。输入/输出扩展接口有并行接口、串行接口等多种形式。
5）外部设备接口
外部设备接口是可编程序控制器主机实现人机对话、机机对话的通道。通过它，可编程序控制器可以和编程器、彩色图形显示器、打印机等外部设备相连，也可以与其他可编程序控制器或上位计算机连接，外部设备接口一般是RS-232C或RS-422A串行通信接口，该接口的功能是串行/并行数据的转换、通信格式的识别、数据传输的出错检验、信号电平的转换等。对于一些小型可编程序控制器，外部设备接口中还有与专用编程器连接的并行数据接口。
6）电源单元
电源单元是可编程序控制器的电源供给部分。它的作用是把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源，有的电源单元还向外提供直流电源，给开关量输入单元连接的现场电源开关使用，电源单元还包括掉电保护电路和后备电池电源，以保持RAM在外部电源断电后存储的内容不丢失，可编程序控制器的电源一般采用开关式电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、质量轻、效率高、抗干扰性能好。
2.输入/输出扩展环节
输入/输出扩展环节是可编程序控制器输入/输出单元的扩展部件，当用户所需的输入/输出点数或类型超出主机上输入/输出单元所允许的点数或类型时，可以通过加接输入/输出扩展环节来解决。输入/输出扩展环节与主机的输入/输出扩展接口相连，有简单型和智能型两种类型。简单型的输入/输出扩展环节本身不带中央处理单元，对外部现场信号的输入/输出处理过程完全由主机的中央处理单元管理，依赖于主机的程序扫描过程。通常，它通过并行接口与主机通信，并安装在主机旁边，在小型可编程序控制器的输入/输出扩展时常被采用。智能型输入/输出扩展环节本身带有中央处理单元，它对生产过程现场信号的输入/输出处理由本身所带的中央处理单元管理，不依赖于主机的程序扫描过程。通常，它采用串行通信接口与主机通信，可以远离主机安装，多用于大中型可编程序控制器的输入/输出扩展。
3.外部设备
可编程序控制器的外部设备主要是编程器、彩色图形显示器、打印机等。
1）编程器
它是编制、调试可编程序控制器用户程序的外部设备，是人机交互的窗口。通过编程器可以把新的用户程序输入到可编程序控制器的RAM中，或者对RAM中已有程序进行编辑。通过编程器还可以对可编程序控制器的工作状态进行监视和跟踪，这对调试和试运行用户程序是非常有用的。编程器分为简易型和智能型两类。筒易型的编程器只能连在可编程序控制器上使用，一般由简易键盘和发光二极管矩阵或液晶显示器组成。而智能型的编程器可以联机，也可以脱机使用。近年来，智能型的编程器一般采用微型计算机加上相应的应用软件构成。它既可用于编制调试用户程序，又可完成彩色图形显示、通信联网、打印输出控制和事务管理等多项功能。
2）彩色图形显示器
大中型可编程序控制器通常配接彩色图形显示器，用于显示模拟生产过程的流程图、实时过程参数、趋势参数及报警参数等过程信息，使得现场控制情况一目了然。
3）打印机
可编程序控制器也可以配接打印机等外部设备，用于打印记录过程参数、系统参数及报警事故记录表等。
可编程序控制器还可以配置其他外部设备。例如，配置盒式磁带机或磁盘驱动器，用于存储用户的应用程序和数据；配置EPROM写入器，用于将程序写入EPROM中。1.3.2 可编程序控制器的软件系统
可编程序控制器除了硬件系统外还需要软件系统的支持，它们相辅相成，缺一不可，共同构成可编程序控制器。可编程序控制器的软件系统由系统程序（又称系统软件）和用户程序（又称应用软件）两大部分组成。
1.系统程序
系统程序由可编程序控制器的制造厂编制，固化在PROM或EPROM中，安装在可编程序控制器上，随产品提供给用户。系统程序包括系统管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模块等。
1）系统管理程序
系统管理程序的主要功能如下。（1）时间分配的运行管理，即控制可编程序控制器输入/输出运算、自检及通信时序。（2）存储空间的分配管理，即生成用户环境，规定各种参数、程序的存放地址，将用户使用的数据参数存储地址转化为实际的数据格式及物理存放地址。（3）系统的自检程序，即对系统进行出错检验、用户程序语法检验、句法检验、警戒时钟运行等。在系统管理程序的控制下，整个可编程序控制器能正确、有效地工作。
2）用户指令解释程序
用户指令解释程序将用户用各种编程语言（梯形图、语句表等）编制的应用程序翻译成中央处理单元能执行的机器指令。
3）供系统调用的标准程序模块
供系统调用的标准程序模块是由许多独立的程序块组成的，各自完成包括输入、输出、特殊运算等不同的功能。可编程序控制器的各种具体工作都由这部分完成。
由于通过改进系统程序可以在不改变硬件系统的情况下大大改善可编程序控制器的性能，所以制造厂商对系统程序的编制极为重视，其产品的系统程序也在不断升级和完善。
2.用户程序
用户程序是根据生产过程控制的要求由用户使用制造厂商提供的编程语言自行编制的应用程序。用户程序包括开关量逻辑控制程序、模拟量运算程序、闭环控制程序和操作站系统应用程序等。（1）开关量逻辑控制程序是可编程序控制器用户程序中最重要的一部分，一般采用梯形图、助记符或功能表图等编程语言编制，不同可编程序控制器的制造厂商提供的编程语言的形式不同，至今还没有一种能全部兼容的编程语言。（2）模拟量运算程序及闭环控制程序通常是在大中型可编程序控制器上实施的程序，由用户根据需要按可编程序控制器提供的软件和硬件功能进行编制。编程语言一般采用高级语言或汇编语言，一些制造厂商为方便用户编程，也有提供相应编程软件供用户进行编制模拟量运算和PID控制等程序。（3）操作站系统应用程序是大型可编程序控制器系统经过通信联网后由用户为进行信息交换和管理而编制的程序。它包括各类画面的操作显示程序，一般采用高级语言实现，一些制造厂商也提供了人机界面的有关软件，用户可以根据制造厂商提供的软件使用说明进行操作站的系统画面组态和编制相应的应用程序。1.3.3 可编程序控制器的工作原理
1.可编程序控制器的工作过程
可编程序控制器上电后就在系统程序的监控下周而复始地按固定顺序对系统内部各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上是一个不断循环的顺序扫描过程。一个循环扫描过程称为扫描周期。
可编程序控制器采用周期扫描机制，简化了程序设计，提高了系统的可靠性。具体表现在：在一个扫描周期内，前面执行的任务结果马上就可被后面将要执行的任务所用；可以通过设定一个监视定时器来监视每个扫描周期的时间是否超过规定值来避免某个任务进入死循环而引起的故障。可编程序控制器的工作过程如图1-3所示。图1-3 可编程序控制器的工作过程
可编程序控制器在一个扫描周期内基本上要执行以下6个任务。（1）运行监控任务。为了保证系统可靠工作，可编程序控制器内部设置了系统定时计时器WDT（Watch Dog Timer），由它来监视扫描周期是否超时。可编程序控制器在每个扫描周期内都要对WDT进行复位操作，如果不能执行该任务，则WDT的计时会超过设定值，也就是扫描周期超过了规定时间，这表明系统的硬件或用户软件发生了故障。当WDT超时后，它会自动发出故障报警信号，并停止可编程序控制器的运行。WDT的时间设定值一般为扫描周期的2～3倍，通常在l00～200ms之间，很多可编程序控制器可以由用户根据实际应用情况通过硬件或软件来设定。（2）与编程器交换信息任务。编程器是可编程序控制器的外部设备，它与主机的外部设备接口相连。作为编制、调试用户程序的外部设备，编程器在可编程序控制器的外部设备中占有非常重要的地位，所以在主机的扫描周期中把与编程器交换信息的任务单独列出而不包括在与外部设备信息交换的任务中。编程器是人机交互的设备，用户把应用程序输入到可编程序控制器中，或对应用程序进行在线运行监视和修改都要用到它。这就要求可编程序控制器能与编程器进行信息交换。当可编程序控制器执行到与编程器交换信息任务时，就把系统的控制权交给编程器，并启动信息交换的定时器。在编程器取得控制权后，用户就可以利用它来修改内存中的应用程序对系统的工作状态进行修改，如读微处理器的状态、读或写数字变量和逻辑变量、封锁或开放输入/输出，以及控制微处理器等。编程器在完成处理任务或达到信息交换的规定时间后就把控制权交还给可编程序控制器。在每个扫描周期内都要执行此项任务。（3）与数字处理器（DPU）交换信息任务。一般大中型可编程序控制器多为双处理器系统。一个是字节处理器CPU，另一个是位处理器DPU。CPU是系统的主处理器，由它处理字节操作指令，控制系统总线，统一管理各种接口和输入/输出单元。DPU是系统的从处理器，它的作用是处理位操作指令，协助主处理器加快整个系统的处理速度。当可编程序控制器为双处理器系统时，就会有与数字处理器交换信息的任务。该任务主要是数字处理器DPU的寄存器信息与主系统的寄存器信息和开关量信息的交换。这个任务占用的时间随信息交换量而变化。在一般小型可编程序控制器中是没有这个任务的。（4）与外部设备接口交换信息任务。该任务主要是可编程序控制器与上位计算机、其他可编程序控制器或一些终端设备，如彩色图形显示器、打印机等设备进行信息交换。这一任务的大小和占用时间的长短随主机外接设备的数量和数据通信量而变化。如果没有连接外部设备，则该任务跳过。（5）执行用户程序任务。用户程序是由用户根据实际应用情况而编制的程序，存放在RAM或EPROM中。可编程序控制器在每个扫描周期都要把用户程序执行一遍，用户程序的执行是按用户程序的实际逻辑关系结构由前向后逐步扫描处理的，并把运行结果装入输出信号状态暂存区中，系统的全部控制功能都在这一任务中实现。（6）输入/输出任务。可编程序控制器内部开辟了两个暂存区：输入信号状态暂存区和输出信号状态暂存区。用户程序从输入信号状态暂存区中读取输入信号状态，运算处理后将结果放入输出信号状态暂存区中。输入/输出状态暂存区与实际输入/输出单元的信息交换是通过输入/输出任务实现的。输入/输出任务还包括对输入/输出扩展接口的操作，通过输入/输出扩展接口实现主机的输入/输出状态暂存区与简单输入/输出扩展环节中的输入/输出单元或与智能型输入/输出扩展环节中的输入/输出状态暂存区之间的信息交换。可编程序控制器在每个扫描周期都执行该任务。
2.可编程序控制器的输入/输出过程
可编程序控制器的工作方式是周期扫描方式，所以其输入/输出过程是定时进行的，即在每个扫描周期内只进行一次输入和输出的操作。在输入操作时，首先启动输入单元，把现场信号转换成数字信号后全部读入，然后进行数字滤波处理，最后把有效值放入输入信号状态暂存区；在输出操作时，首先把输出信号状态暂存区中的信号全部送给输出单元，然后进行传送正确性检查，最后启动输出单元把数字信号转换成现场信号输出给执行机构。对用户程序而言，要处理的输入信号是输入信号状态暂存区的信号，而不是实际的信号。运算处理后的输出信号被放入输出信号状态暂存区，而不直接输出到现场，所以在用户程序执行的这一周期内，其处理的输入信号不再随现场信号的变化而变化；与此同时，虽然输出信号状态暂存区中的信号随程序执行的结果不同而不断变化，但是实际的输出信号是不变的，在输出过程中，只有最后一次操作结果对输出信号起作用。可编程序控制器周期性的输入/输出处理方式对一般控制对象而言是能够满足的，但是对那些要求响应时间小于扫描周期的控制系统则不能满足，这时可以用智能输入/输出单元或专门的软件指令通过与扫描周期脱离的方式来解决。
3.可编程序控制器的中断输入处理过程
可编程序控制器的中断输入处理方法同一般计算机系统基本相同，即当有中断申请信号输入后，系统要中断正在执行的相关程序而转向执行中断子程序；当有多个中断源时，它们将按中断的优先级有一个先后顺序的排队处理。系统可以通过程序设定中断允许或禁止中断。可编程序控制器对中断的响应不是在每条指令执行结束后进行的，而是在扫描周期内某一个任务完成后进行。
可编程序控制器的中断源信息通过输入单元进入系统，由于可编程序控制器扫描输入点是按顺序进行的，因此中断源的先后顺序根据其占用的输入点位置而自动排序，当系统接到中断申请后，顺序扫描中断源，可能只有一个中断源申请中断，也可能同时有两个或多个中断源申请中断。系统在扫描中断源的过程中，在存储器的一个特定区里建立中断处理表，按顺序存放中断信息，然后系统按照该表顺序先后转至相应的中断子程序去处理。
可编程序控制器的中断源有优先顺序，一般无嵌套关系，即在中断程序执行中如果有新的中断发生，则无论它的优先顺序如何，都不能中断正在执行的中断程序，只有在原中断处理程序结束后再进行新的中断处理。
可编程序控制器是以循环扫描方式工作的，正常的输入/输出处理在扫描周期内的某一个阶段进行，对于中断处理子程序中有关信息的输出必须采取特殊处理，即这部分输出信息不通过周期扫描方式输出，而利用专门的硬件或软件去立即执行。
4.可编程序控制器的工作原理
可编程序控制器的工作原理与计算机的工作原理基本一致，它通过执行用户程序来实现控制任务，但是在时间上，可编程序控制器执行的任务是串行的，与继电器逻辑控制系统中控制任务的执行有所不同。
可编程序控制器的工作过程如上所述。可以看到，整个工作过程是以循环扫描的方式进行的。循环扫描方式是指在程序执行过程的周期中，程序对各个过程输入信号进行采样，对采样的信号进行运算和处理，并把运算结果输出到生产过程的执行机构中。在这个执行周期中，有些输入变量可能有变化，而有些输入变量可能没有发生变化，相应地有些输出变量有变化，有些输出变量没有变化。在可编程序控制器中，采用循环扫描的方式不断地对输入和输出变量进行采样和输出，使得变量满足程序条件时及时有相应的输出使执行机构动作。这里，与计算机程序执行过程的区别是，在计算机的工作过程中，如果变量的条件没有满足，程序将等待，直到该条件满足为止。而在可编程序控制器中，程序执行时，如果这一个扫描周期变量的条件未满足，则程序将继续执行下去，到下面的某一个扫描周期，变量的条件满足时，满足条件的运行结果就被执行。采用循环扫描的方式，由于扫描周期的时间很短，只要变量满足条件的时间大于扫描周期，则该变量的满足条件就能被可编程序控制器的程序执行。
可编程序控制器中断处理的原理与计算机中断处理的原理也是基本一致的，上面已经进行了讨论。可以看到，中断的处理过程是在每个任务结束后进行的，在每个任务执行的过程中，可编程序控制器对中断是不响应的，这是与计算机的中断响应有所区别的第一点。在用户程序的任务执行过程中，可编程序控制器也需要程序块执行完成后才能执行中断子程序，这是与计算机中立即执行中断子程序的方式有所区别的第二点。中断的优先级处理和输出的区别是与计算机中断处理不同的第三点。产生区别的主要原因是由于可编程序控制器采用循环扫描工作方式，在系统软件的编制过程中，对中断处理采用了与计算机不同的处理方法。因此，在应用时要注意它与计算机的不同点，并在编程时加以注意。
可编程序控制器的输入/输出处理也因可编程序控制器采用循环扫描的工作方式而与计算机的处理方式有所区别，即只有在程序扫描到该变量时，才进行采样，而该变量可能在扫描前的某一时刻已经发生了变化。为了及时得到变量的变化信息，缩短扫描周期是可以采取的一个措施，也可以采用智能输入/输出模块，它有独立的微处理器和存储器，与中央处理单元分别进行处理。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]