作者：魏学业
出版社：华中科技大学出版社
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PLC应用技术试读：
前言
PREFACE可编程控制器（简称PLC）是以微控制器为核心，在综合计算机技术、自动控制技术和通信技术等基础之上发展起来的一种工业控制器，是传统继电器控制技术的发展和延续，现已成为自动化领域中重要的控制设备。可编程控制器以其可靠性高、组合灵活、编程简单、性能优越、维护方便等优点被广泛应用于工业自动化控制系统中，深受工业控制领域从业人员的欢迎，将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备。
国际上各大PLC制造企业都倾尽全力开发研究满足工业生产需要的PLC，并已形成系列化产品，在不同的领域和地区形成各自的市场。因此，对于应用系统设计人员来说，熟悉和掌握PLC的功能和特点是很重要的。
本书根据PLC技术的新发展及作者多年的教学经验和工程实践，以S7-300PLC为对象，在参阅同类教材和科研论文的基础上编写而成。本书从实际应用出发，介绍了S7-300PLC的基本概念、基本原理和应用实例等方面的内容，同时在保证PLC技术的系统性和完整性的前提下，重视PLC技术的应用性和实际操作，并结合具体的工程实例，对基于PLC的控制系统的设计思想、设计步骤、设计方法进行了介绍。
本书由北京交通大学魏学业担任主编，负责全书的编写、审核和统稿；由哈尔滨石油学院王妍玮、北京化工大学北方学院韩海花、北京交通大学温伟刚、广东技术师范学院天河学院陈公兴担任副主编，负责全书的编写。参编人员包括哈尔滨远东理工学院李慧、黑龙江信息职业技术学院陈健与沈广利等，他们为本书的编写提供了大量的素材。
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由于时间紧迫，以及编者水平有限，书中的错误及疏漏之处在所难免，敬请各位专家、读者批评指正。编者2013年4月第1章PLC概述
PLC是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、灵活通用及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，备受用户的青睐。PLC在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，被称为现代工业技术的三大支柱之一。1.1 PLC的基本概念1.1.1 PLC的基本概念
可编程逻辑控制器PLC（programmable logic controller）是以微处理器为基础，在传统的继电器控制技术的基础上，综合微型控制器技术、自动控制技术、数字技术和网络技术等发展起来的新型控制器。由于PLC具有一定的编程功能，并且早期的功能只具有数字控制功能，所以又称为逻辑控制器。
20世纪60年代以前，继电器-接触器控制是工业生产中自动控制的主要装置，由于继电器接线复杂、触点多、引起的故障率高、维修时间长，已远不能适应大工业生产的需求，因而在这种技术需求下，PLC应运而生。世界上第一台可编程逻辑控制器（PDP-14）由美国数字设备公司（DEC）在1969年研制成功，并成功地应用在了美国通用公司（GM）的汽车生产线上。之后，日本、德国等发达国家相继开始了PLC的研制。
国际电工委员会（IEC）于1987年2月颁布的可编程控制器标准草案对PLC作了如下的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用于在其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术运算操作等指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则进行设计。”1.1.2 PLC的产生及发展
传统的继电器-接触器控制系统在20世纪20年代得到了广泛应用，它是用各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成的控制系统，用于控制各种生产机械。它具有结构简单、容易掌握、价格便宜等优点，在一定范围内能满足控制要求，在工业控制领域中一直占据着主导地位；但它也有设备体积大、可靠性差、动作速度慢、功能少、难以实现复杂的控制等缺点，特别是由于它是由硬件连线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺或控制对象需要改变时，原有的接线和控制箱（柜）就需要更换，所以其通用性和灵活性较差。
20世纪60年代末，美国汽车工业得到迅速发展，汽车型号不断更新，从而对生产线的控制系统及整个控制系统的重新配置提出了更高的要求。为摆脱传统的继电器-接触器控制系统的束缚，以适应市场竞争的要求，因而在1968年，美国最大的汽车制造商GM（通用汽车）决定对汽车生产线采用计算机程序控制，对汽车生产线的控制系统提出了著名的“GM十条要求”，这些要求具体如下。（1）编程方使，现场可修改程序。（2）维修方便，采用模块化结构。（3）可靠性高于继电器控制装置。（4）体积小于继电器控制装置。（5）数据可直接送入管理计算机。（6）成本可与继电器控制装置竞争。（7）输入电压可以是交流115V。（8）输出电压及电流为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀。（9）在扩展时，原系统只要进行很小的变更即可。（10）用户程序存储器的容量至少能扩展到4K。
这些要求实际上是提出了一种将继电器-接触器控制的简单易懂、使用方便、价格低廉的优点与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，进而将继电器控制的硬件连线逻辑转变为计算机的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，研制开发出世界上第一台可编程控制器PDP-14，并在GM公司汽车生产线上首次应用。当时人们把它称为可编程逻辑控制器（programmable logic contro11er），简称为PLC。这种新型的工业控制装置以其简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小和使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域得到推广应用。至1971年，PLC已经成功地应用于食品、饮料、冶金、造纸等工业领域中。这一新型的工业控制装置的出现也受到了世界其他国家的高度重视，1971年日本从美国引进了这项新技术，并很快研制出了日本第一台可编程逻辑控制器DSC-8；1973～1974年，西欧国家也研制出了他们的第一台PLC，德国西门子公司生产的PLC是SIMATIC-S4；我国从1974年开始研制PLC，并于1977年开始了PLC的工业应用。
随着微电子技术的发展，20世纪70年代中期出现了微处理器和微型计算机，人们将微机技术应用到PLC中，使它能更多地发挥计算机的功能，不仅用程序逻辑取代硬件连线，还增加了运算、数据传输和处理等功能，使其真正成为一种电子计算机工业控制设备。国外工业界在1980年正式命名其为可编程序控制器（programmable contro11er），简称PC，但是由于它和个人计算机（personal computer）的简称容易混淆，所以现在仍把可编程序控制器简称为PLC，一般将这一时期的PLC称为第一代PLC。
随着大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到了巨大的发展，使PLC在概念、设计、性能价格比及应用等方面都取得了前所未有的突破。不仅PLC的控制功能得到增强、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，而且在模拟量I/O和PID控制、远程I/O和通信网络等方面也有了长足的发展，所有这些功能的突现已经使PLC应用于连续生产的过程控制系统。一般将70年代初到70年代末期的PLC称为第二代PLC，它的特点是CPU采用微处理器，存储器采用EPROM；而将70年代末到80年代中期的PLC称为第三代PLC，它的特点是CPU采用8位或16位微处理器，存储器采用EEPROM、EAROM、CMOSRAM等；将80年代中期到90年代中期的PLC称为第四代PLC，它的特点是CPU采用位片式微处理器芯片，处理速度高达微秒级；将90年代中期至今的PLC称为第五代PLC，这个时期的PLC全面使用16位和32位微处理器芯片，有的已经开始使用RISC芯片。1.2 PLC的硬件基本结构
根据上述IEC的定义，PLC本质上是用于工业控制领域的专用计算机，因此它在结构上与一般计算机有着相似的结构，既包括硬件系统和软件系统。其基本组成结构如图1-1所示。图1-1 PLC的基本结构
下面对PLC中主要部分的功能进行简单介绍。
1．CPU
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢，由运算器和控制器组成，可以实现逻辑运算和数字运算、协调控制系统内部各部分的工作。PLC常用的CPU有通用微处理器、单片机、ARM等，按其处理数据的位数可分为4位、8位、16位和32位等。大多数PLC使用8位和16位微处理器。CPU按照PLC系统程序的功能接收并存储从PC或编程器键入的用户程序和数据，检查电源、存储器、I/O及监控定时器的状态，并能诊断出用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，CPU首先以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象寄存器区中，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定将逻辑或算术运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器，等所有的用户程序执行完毕之后，再将I/O映象寄存器区的各输出状态或输出寄存器内的数据传输到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
2．存储器
存储器是PLC存放系统程序、用户程序和用户数据的存储区。系统程序是PLC中出厂内置的软件，类似于计算机中的ROM芯片，主要用于PLC的初始化、自检、用户程序数据的管理及与计算机编程器的读写等系统功能。用户程序是用户根据各自工艺逻辑控制要求编写的专用程序，通过编程写进RAM存储器，当PLC投入运行后，系统将从用户程序存储器中逐条读取用户程序并执行程序规定的相应任务。用户数据存储区主要用于存储系统运行中需要临时保存的数据、计算中间值结果及用户数据备份等。
3．输入/输出接口
输入接口的作用是把现场的按钮、各种开关及传感器等信号转变成PLC内部可处理的标准信号，常用的输入接口采用光电耦合电路，可以减少强电和电磁干扰。输出接口的作用是将PLC内部标准信号转换为外部现场执行机构所需要的电开关量输出信号。
4．I/O扩展接口
I/O扩展接口用来扩展输入/输出端口数。输入量包括各种现场按钮、开关状态，接近开关、各种限位开关等状态信息开关量，以及温度、压力、流量等模拟量的输入。输出量包括继电器、各类执行机构的动作信号等开关量输出信号及阀门开度、电机速度给定、温度调节等模拟量的输出信号。当用户所需要的I/O端子数超过PLC基本单元的I/O数时，可以选择采用并行电缆扩展连接外部扩展模块的方法实现较复杂系统的连接。
5．通信接口
PLC配有各种通信接口，如RS-232、RS-422及RS-485等接口。PLC通信接口通过编程电缆与PC机进行通信，实现程序的下载，在线实时监控，便于在线调试和查找故障。同时还可以与其他PLC连接，构成分散控制系统，从而实现多级管理。1.3 PLC的软件系统1.3.1 PLC的系统软件
PLC的软件由系统程序和用户程序组成。系统程序是由PLC生产商采用汇编语言编写的，生成机器语言固化于ROM型系统程序存储器中，用于控制PLC本身的运行，用户不能更改。系统程序分为系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序模块和系统调用程序。（1）系统管理程序是系统程序中最重要的部分，它有以下三点功用：一是用于运行管理，控制输入、输出、运算、自检、通信的分配管理；二是进行存储空间的管理，即生成用户环境，由它规定各种参数、程序的存放地址；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、句法检验、时钟运行等。整个PLC在系统管理程序的控制下，有序、正确地工作。（2）用户指令解释程序和编辑程序将用户程序翻译成相应的一串机器语言，然后通过PLC完成这些任务。为了释放内存，提高解释速度，用户程序是以内码的形式存放在PLC中。用户程序变为内码形式是由编辑程序实现的，它可以插入、删除、检查、修改用户程序，方便程序的修改与调试。（3）标准程序模块是由许多独立的程序块组成的，各自能完成不同的功能，如能完成输入、输出功能，以及完成特殊运算功能等。PLC的各种具体工作都是由这部分程序来完成的。1.3.2 PLC的应用程序
用户程序又称为应用程序，是用户为完成某一控制任务而利用PLC的编程语言编制的程序。用户程序是一般存放在指定的存储区内。PLC的编程和微机的编程一样，用户程序需要编程环境、程序结构和编程方法。用户环境是由系统程序生成的，它包括用户数据结构、用户元件区、用户程序存储区、用户参数、文件存储区等。用户程序结构大致可以分为以下3种：一是线性程序，负责把一个工程分成多个小的程序块，并将这些程序块依次排列在一个主程序中；二是分块程序，负责把一个工程中的各个程序块独立于主程序之外，工作时由主程序依次有序地去调用；三是结构化程序，即把一个工程中的具有相同功能的程序写成通用功能程序块，工程中的各个程序块都可以随时调用这些通用功能程序块。1.3.3 PLC的编程语言
IEC1131-3为PLC制定了5种标准的编程语言，包括图形化编程语言和文本化编程语言。图形化编程语言包括梯形图（LD，ladder diagram）、功能块图（FBD，function block diagram）、顺序功能图（SFC，sequential function chart）。文本化编程语言包括指令表（IL，instruction list）和结构化文本（ST，structured text）。以下简单介绍一下几种常见的PLC编程语言（梯形图语言、语句表语言、功能块图语言）。
1．梯形图语言
梯形图（LD）编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。PLC的梯形图与继电器控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定的区别。梯形图是PLC使用得最多的一种图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电气控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。梯形图程序设计语言的特点如下。（1）与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性。（2）与原有继电器逻辑控制技术相一致，对于电气技术人员来说，易于掌握和学习。（3）与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流（power flow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器。因此，实际应用时，需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待。（4）与指令表程序设计语言有一一对应的关系，便于相互的转换和程序的检查。
2．语句表语言
这种编程语言是一种与汇编语言类似的助记符编程表达方式。在PLC应用中，经常采用简易编程器，而这种编程器中没有CRT屏幕或较大的液晶屏幕显示。因此，可以用一系列PLC操作命令组成的语句表将梯形图描述出来，再通过简易编程器输入到PLC中。虽然各个PLC生产厂家的语句表形式不尽相同，但基本功能相差无几。
3．功能表图语言
功能表图语言（SFC）是一种较新颖的编程方法，又称为状态转移图语言。它将一个完整的控制过程分为若干阶段，各个阶段具有不同的动作，阶段间有一定的转换条件，转换条件满足时就向现阶段转移，上一阶段动作结束，下一阶段动作开始。使用功能表图的方式来表达一个控制过程，对于顺序控制系统特别适用。1.4 PLC的特点与应用领域1.4.1 PLC的特点
1．可靠性高，抗干扰能力强
可靠性高和抗干扰能力强是PLC重要的特点之一，这主要是由于它采用了一系列特有的硬件和软件措施。硬件方面，在输入/输出通道采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响；在设计中采用滤波器等电路增强PLC对电噪声、电源波动、振动、电磁波等的干扰，确保PLC在高温、高湿及空气中存有特种强腐蚀物质粒子的恶劣工业环境下能稳定地工作；对于中央处理器等重要部件采用具有良好的导电、导磁材料进行屏蔽。一些高档的可编程控制器采用冗余技术，使用双CPU或多CPU，即系统中有备用部件，当一个CPU模板出故障时，系统也能正常工作，使故障对系统正常工作的影响降到最低。
软件方面，可编程控制器采用了硬件监控定时器（watchdog），也称看门狗。可编程控制器正常工作时，最大扫描周期不会超过监控定时器的定时时间。如果可编程控制器的最大扫描周期超过监控定时器的定时时间，很可能是干扰信号，使可编程控制器周期性地循环执行程序的运行过程不再正常，监控定时器不再被周期性地复位，监控定时器特产生报警信号，从而可采取措施使可编程控制器恢复正常的工作状况。在设备停电时，PLC内置后备电源也会正常工作，使得用户数据得到良好的备份。
2．安装方便，易于维护
为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、开关量、模拟量及温度等单元等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合，当某一模块出现故障时，便于安装及拆卸更换。
可编程控制器有完善的自诊断和显示功能，在使用时若发生故障，可以根据可编程控制器上的发光二极管的指示，利用监视装置（如编程器或监控软件）提供的错误信息迅速地查明故障的原因，从而迅速地排除可编程控制器的故障。
3．编程方便，容易上手
PLC的编程大多采用类似继电器控制线路的梯形图形式，对于使用者来说，不需要具备计算机的专门知识即可掌握。企业中一般的电气技术人员及技术工人，也可以很容易地学会程序设计。
4．功能完善、适用性强
PLC发展至今，已形成了大、中、小各种规模的系列化产品，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的工业控制系统。PLC除了具有常规逻辑运算、算术运算、数制转换及顺序控制功能外，还具有PID控制、模拟运算、显示、监控、打印及报表生成等功能，可用于各种数字控制领域。1.4.2 PLC的应用领域
可编程控制器既可用于开关量控制，又可用于模拟量控制；既可用单机控制，又可组成多机控制系统；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。总之，它的应用十分广泛，大致可归纳为如下几类。
1．逻辑控制
逻辑控制是PLC最基本、最广泛的应用方面。工业生产中很多采用继电器逻辑控制的均可采用PLC控制来实现，这类应用最主要的特点是以开关量为主，并且相互之间具有时间的先后顺序。如各种机床、自动电梯、高炉上料、注塑机械、包装机械、印刷机械、纺织机械洗煤生产、电力输煤等均为逻辑控制。
2．运动控制
运动控制是通过采用PLC的单轴或多轴等位置控制模块、高速计数模块等来控制步进电机或伺服电机，从而使运动部件能以适当的速度或加速度实现平滑的直线运动或圆弧运动。如精密金属切削机床、成型机械、装配机械、机械手、机器人等设备的控制。
3．过程控制
过程控制是通过采用A/D、D/A转换模块及智能PID模块实现对生产过程中小的温度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量进行单回路或多回路的闭环调节控制，使这些物理参数保持在设定值。如加热炉的温度控制、锅炉系统的温度蒸汽控制等的控制，钢铁生产中的冶金过程控制，化工生产中的工艺控制，如造纸、制药、蒸馏塔等的控制。
4．分布式控制系统
分布式控制是指利用PLC的网络通信功能模块及远程I/O控制模块可以实现多台PLC之间的连接、PLC与上位计算机的通信，以达到上位计算机与PLC之间及PLC与PLC之间的指令传达、数据交换和数据共享。这种由PLC进行分散控制、计算机进行集中管理的方式，能够完成较大规模的复杂控制，甚至实现整个工厂生产的自动化。1.5 PLC的分类
PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。一般来说，可以从三个角度对PLC进行分类：一是按照PLC的控制规模大小来分类；二是按照PLC的结构特点来分类；三是按照PLC的性能高低来分类。
1．按控制规模分类
按PLC的控制规模分类，可以将PLC分为大型机、中型机和小型机。
小型机的控制点一般在256点之内。这类PLC的控制点数不多，并且其控制功能有局限性，但是它小巧、灵活、价格低，很适合于单机控制或小型系统的控制。
中型机的控制点一般不大于2048点。这类PLC有些控制点数较多，控制功能较强；有些PLC有较强的计算能力，不仅可用于对设备进行直接控制，还可以用于对多个下一级的PLC进行监控。它适合于中型或大型控制系统的控制。
大型机的控制点一般多于2048点。这类PLC控制点数多，控制功能很强，有很强的计算能力。同时，这类PLC运行速度很快，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，还可以用于对多个下一级的PLC进行监控。
2．按结构形式分类
根据PLC的结构形式，可以将PLC分为整体式和模块式两类。
整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，它具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I／O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I／O接口、与I／O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I／O和电源等，基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展，如图1-2所示为西门子公司生产的S7-200系列整体式PLC。图1-2 整体式PLC实物图
模块式PLC是将PLC中各组成部分分别作为若干个单独的模块，如电源模块、CPU模块I/O模块（有的含在CPU模块中）及各种智能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成，模块安装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修，大、中型PLC一般采用这种结构，如图1-3所示为西门子S7-400模块式PLC实物图。图1-3 模块式PLC实物图
3．按性能高低分类
根据PLC所具有的不同功能，可将PLC分为低档、中档、高档3类。
低档PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传输和比较、通信等功能。低档PLC主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。
中档PLC除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传输和比较、数制转换、远程I／O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。
高档PLC除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其他特殊功能函数的运算、制表及表格传输等功能。高档PLC具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂生产的自动化。1.6 国内外PLC发展及厂商产品简介
从20世纪70年代第一台PLC诞生至今，PLC已发展成为自动化控制设备的主力军之一。全球PLC产品可分为美国、日本及欧洲三大类别。其中，欧美的PLC以大型机闻名，而日本则以高性价比的小型PLC见强。
美国生产PLC的著名厂商有GE（通用电气）、Rockwell（罗克韦尔）、MODICON（莫迪康）、TI（德州仪器）、AB（Allen-Bradley）及西屋等公司。其中，AB公司是美国最大的PLC制造商，其产品占据美国市场的半壁江山，在我国引进的大型PLC中，此公司的产品占有很大份额。
AB公司的PLC产品规格齐全、种类丰富，其主推的大、中型PLC产品是PLC-5系列。该系列为模块式结构，CPU模块为PLC-5/10、PLC-5/12、PLC-5/15、PLC-5/25的属于中型PLC，I/O点配置范围为256～1024点；CPU模块为PLC-5／11、PLC-5／20、PLC-5／30、PLC-5/40、PLC-5/60、PLC-5／40L、PLC-5／60L的属于大型PLC，I/O点最多可配置到3072点，该系列产品中PLC-5/250的功能最强，最多可配置到4096个I/O点，具有强大的控制和信息管理功能。大型机PLC-3最多可配置到8096个I/O点，A-B公司的小型PLC产品有SLC500系列等。
GE公司的代表产品是小型机GE-1、GE-1/J、GE-1/P等，其中除GE-1/J外，均采用模块结构。GE-1用于开关量控制系统，最多可配置到112个I/O点。GE-1/J则是更小型化的产品，其I/O点最多可配置到96点。GE-1/P是GE-1的增强型产品，增加了部分功能指令（数据操作指令）、功能模块（A/D、D/A等）、远程I/O功能等，其I/O点最多可配置到168点。中型机GE-III比GE-1/P增加了中断、故障诊断等功能，最多可配置到400个I/O点。大型机GE-V，它比GE-III增加了部分数据处理、表格处理、子程序控制等功能，并具有较强的通信功能，最多可配置到2048个I/O点。GE-VI/P最多可配置到4000个I/O点。
德国的西门子（SIEMENS）公司、法国的施耐德（SCHNEIDER）公司都是欧洲著名的PLC制造商。德国的西门子公司的PLC产品以性能精良而久负盛名，在中、大型PLC产品领域与美国的AB公司齐名。
西门子公司（SIEMENS）的主要产品有S5、S7系列，当前S7系列已代替S5系列成为主流产品。在S5系列中，S5-90U、S5-95U属于微型整体式PLC，S5-100U属于小型模块式PLC，最多可配置到256个I/O点；S5-115U属于中型PLC，最多可配置到l024个I/O点；S5-l15UH也属于中型机，它是由两台S5-115U组成的双机冗余系统；S5-155U属于大型机，最多可配置到4096个I/O点，模拟量可达300多路；S5155H属于大型机，它是由两台S5-155U组成的双机冗余系统。而S7系列则是近年来西门子公司在S5系列PLC基础上推出的新产品，其性能价格比高，已取代S5系列成为主流产品。
西门子公司的S7系列PLC产品包括S7-200、S7-300、S7-400、LOGO、HMI人机界面、工业网络、工业软件等。S7系列的PLC具有体积小、速度快、标准化，以及网络通信能力，功能更强、可靠性更高等优点。S7系列的PLC产品可分为小型PLC（如S7-200）、中规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高规模性能要求的PLC（如S7-400）等。
日本生产的小型PLC最具特色，在小型机领域颇具盛名，某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制，日本的小型机就可以解决，在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机，所以格外受用户欢迎。日本生产PLC的公司包括三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等，在世界小型PLC市场上，日本的产品约占有70％的份额。目前，在中国市场较有影响的PLC生产企业包括三菱（MITSUBISHI）公司、欧姆龙（OMRON）公司、松下（PANASONIC）公司等。
三菱公司是日本生产可编程控制器的主要厂家之一，主要生产Q、QnA、AnS、A系列和FX系列的PLC。其中，Q、QnA、AnS、A系列为模块式大型PLC，最大容量为8K点。Q系列具有超小的体积、丰富的机型、灵活的安装方式、双CPU协同处理、多存储器、远程口令等特点，是三菱公司现有PLC中性能最好的；FX系列为整体式小型PLC，单机最大容量为256点。
三菱A系列PLC主要分为AnS和AnA两大系列，两大系列中除了AnA系列体积大、支持的I／O点数更多外，其他性能基本一致。此外还有由A系列发展而来，并且兼容A系列模块的Q2As（S1）和QnA系列PLC，该系列PLC在软件结构上作出很大改变，如支持多程序和结构化编程，具备CC-LINK网络的自动刷新功能等。
三菱公司早期推出的小型PLC有F系列PLC，随后小型机F系列升级为F1/F2系列，其早期产品在我国的销量很大。F1/F2系列加强了指令系统，增加了特殊功能单元和通信功能，比F系列有了更强的控制能力。20世纪80年代末三菱公司又推出FX系列，在容量、速度、特殊功能、网络功能等方面都有了全面的加强。FX2系列是在20世纪90年代开发的整体式高功能小型机，它配有各种通信适配器和特殊功能单元。FXM是近几年推出的高功能整体式小型机，它是FX2的换代产品，各种功能都得到了全面的提升。近年来，该公司还不断推出满足不同要求的微型PLC，如FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等系列产品。
欧姆龙公司生产的PLC产品，大、中、小、微型规格齐全，特别在中、小型方面更具特长，在中国及国际市场，都占有相当的份额。其微型机以SP系列为代表，体积极小，速度极快。小型机有P型、H型、CPM1A系列、CPM2A系列、CPM2C系列、CQM1系列等。P型机现已被性价比更高的CPM1A系列所取代，CPM2A/2C、CQM1系列内置RS-232C接口和实时时钟，并具有软PID功能，CQM1H是CQM1的升级产品。中型机有C200H、C200HS、C200HX、C200HG、C200HE、CS1系列。C200H是前些年畅销的高性能中型机，具有配置齐全的I/O模块和高功能模块，以及较强的通信和网络功能。C200HS是C200H的升级产品，其指令系统更丰富，网络功能更强。C200HX／HG／HE是C200HS的升级产品，有1148个I/O点，其容量是C200HS的2倍，速度是C200HS的3．75倍。CS1系列具有中型机的规模、大型机的功能，是一种极具推广价值的新机型。大型机有C1000H、C2000H、CV（CV500／CV1000／CV2000／CVM1）等。其中，C1000H、C2000H可单机或双机热备运行，安装带电插拔模块，C2000H可在线更换I／O模块；CV系列中除CVM1外，均可采用结构化编程，易读、易调试，并具有更强大的通信功能。需要特别提到的是欧姆龙公司新近推出的具有高度扩展性的小型一体化机CP1H，它有标准型、模拟量内置型和高速定位型3种型号，内置多种功能，集欧姆龙的大、中型C5／CJ系列各种功能为一体，缩短了追加复杂程序的设计时间。
中国台湾的泓格、台达、永宏、丰炜等公司主要生产小型PLC，多用于运动控制及小型系统。中国大陆生产PLC的厂家不少，但能配套生产大、中、小、微型机的不算太多，主要的厂家有上海正航驰恩系列PLC，以及北京和利时公司的LE、LM系列小型PLC，LK系列大型PLC等。思考题与习题
1．PLC由哪些部分组成？各部分功能是什么？
2．PLC有哪些特点？与普通计算机相比有哪些区别？
3．PLC可以应用在哪些场合？试举例说明。
4．上网或去图书馆了解相关PLC生产厂家的产品，并进行比较。第2章PLC的工作原理与硬件结构
PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。从广义上讲，PLC也是一种计算机系统，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的I／O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，PLC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，由硬件系统和软件系统两大部分组成。2.1 PLC的工作原理
由于PLC是一种专门应用于工业控制的微机系统，因而其工作原理也与计算机系统基本相同。PLC的CPU采用分时操作的原理，即每一时刻执行一个操作，按照时间的顺序执行一个个操作。这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。
PLC中的程序分为操作系统程序和用户程序两种。操作系统程序用于处理PLC的启动、刷新过程映像输入输出区、调用执行用户程序、错误处理和故障诊断、管理存储区和通信处理等任务。操作系统程序一般由PLC生产厂家固化在PLC的存储器中；用户程序则由用户生成，用于实现用户要求的自动化任务。
PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按一定顺序排列，CPU从第一条指令开始，按顺序逐条执行用户程序，直到用户程序结束，然后返回至第一条指令处开始执行新的用户程序。因此，PLC中的CPU执行用户程序和完成控制功能是以循环扫描的方式进行的，PLC的循环扫描工作模式如图2-1所示。图2-1 PLC的循环扫描工作模式
当PLC上电后，首先进行初始化处理，包括清除I/O及内部辅助继电器、复位所有定时器、检查I/O单元的连接等。PLC开始运行之后，串行执行存储器中的程序，这个过程分为如下四个阶段。（1）公共处理阶段 这个阶段在每次循环开始时都要执行，包括复位系统定时器、通信处理、检查程序存储器、检查I/O总线、检查扫描时间等。如出现异常情况，则通过自诊断模块输出故障信号，或者自行进行相应的处理，这将有助于及时发现或提前预报系统的故障，提高系统的可靠性。（2）执行外围设备命令阶段 当有编程器、打印机等外部设备与PLC相连时，则PLC在每次循环时，都将执行来自外部设备的命令。（3）程序执行阶段 在这个阶段，CPU将逐条调出指令并执行，即按顺序对所有的数据（输入和输出的状态）进行处理，包括逻辑运算和算术运算，再将结果传输到输出状态寄存器中。（4）输入、输出更新阶段 PLC的CPU在每个扫描周期都进行一次输入和输出更新。如图2-2所示，CPU对各个输入端口进行扫描，并将输入端口的状态读取到输入过程映像存储区中，同时把输出过程映像存储区中的数据写入输出端口，并通过输出部件转换成外部设备能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。这种对输入、输出状态的集中处理过程称为批处理，它也是PLC工作的一个重要特点。图2-2 PLC的输入、输出更新
在每次循环扫描开始时，CPU会自动处理通信和故障诊断等公共操作任务，并且在扫描过程中除了执行用户程序之外，PLC还要完成输入、输出处理等工作，这样扫描一次所用的时间称为扫描周期，扫描周期的长短取决于系统的配置、I/O通道数、用户程序的长短、程序中使用的指令及外围设备的连接等因素。
PLC完成一个扫描周期所需要的时间称为扫描周期时间，简称扫描时间。将一次工作循环中每个阶段所需的时间加在一起就是扫描时间。通过对PLC的循环扫描过程进行分析可以知道，一次工作循环的时间主要包括以下几个部分。（1）公共处理时间t：对于特定类型的PLC，这部分时间是固定1的。（2）输入、输出更新时间t：此时间即刷新输入、输出过程映像2存储区的时间，主要与输入、输出端口的数量有关。（3）程序执行时间t：这部分时间取决于用户程序中使用的指令3的类型和指令数量，把程序中使用的所有指令的执行时间加在一起，就得出了t。3（4）执行外设命令时间t：这部分时间为当有外部设备与PLC相4连时，执行外设命令所需的时间。当没有外设与PLC相连时，t=0ms。4
将以上四部分时间相加，即可得出扫描时间T：
T＝t＋t＋t＋t1234
扫描时间T的典型值为1～100ms。
当用PLC设计一个控制系统时，必须知道一个输入信号进入后PLC经过多长时间才能输出一个对应的输出信号，否则，就不能正确并精确地解决系统中各部件之间的配合问题。从PLC的工作过程可知：当PLC工作在程序执行阶段时，即使输入端口的状态发生了变化，CPU执行的输入信号也不会发生变化，而要到下一个周期的输入、输出更新阶段，才会改变。同理，暂存在输出过程映像存储区中的输出数据，也要等到下一个扫描周期的输入、输出更新阶段，才能集中输出给输出部件。从PLC收到一个输入信号到PLC向输出端输出一个控制信号所需的时间，就是PLC的I/O响应时间。
PLC的I/O响应时间是可变的。例如，在一个扫描周期的I/O更新阶段开始前的瞬间收到一个输入信号，则在本周期内该输入信号就起作用了，这时的响应时间最短，它等于输入延迟时间、一个扫描周期时间与输出延迟时间三者之和；如果在一个扫描周期的I/O更新阶段刚过就收到一个输入信号，则该信号在本周期内不能起作用，而必须等到下一个扫描周期才能起作用，这时的响应时间最长，它等于输入延迟时间、两个扫描周期时间与输出延迟时间三者之和。【例2-1】 使用PLC设计一个自动化加工系统，如图2-3所示。加工系统的传送带运行速度为50m／min，传送带上零部件的间隔为10cm，若输入延迟时间T=5ms，输出延迟时间T=3ms，求：inout（1）传送带的响应时间应为多少？（2）PLC的扫描时间T最大应为多少？图2-3 传送带系统【解】 系统响应时间=10×60/［50×100］s=0.12s=120ms
如果在一个扫描周期中的I/O更新阶段刚过就收到一个输入信号，则该信号在本周期内不能起作用，必须等到下一个扫描周期才能起作用，这时的响应时间最长，它等于输入延迟时间、两个扫描周期时间与输出延迟时间三者之和，即
系统响应时间=输入延迟时间+2×扫描周期时间+输出延迟时间
因此，可得2.2 PLC的硬件结构
PLC是继电器常规控制概念和计算机技术相结合的产物，是一种以微型计算机处理为核心的专门用于工业控制的特殊计算机。因此，PLC的组成部分与一般的微型计算机类似，主要由中央处理单元、输入接口、输出接口、通信接口等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，I/O部件是连接现场设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器和其他通信设备进行连接。PLC的硬件结构如图2-4所示，其主要部件的介绍分别如下。图2-4 PLC的硬件结构
1．中央处理单元（CPU）
与一般的微处理器一样，中央处理单元（CPU）是PLC的主要组成部分，是系统的核心。CPU通过输入接口读入外设的状态，然后由用户程序处理，并根据处理结果通过输出装置去控制外设。
目前，小型PLC为单CPU系统，而中、大型PLC多为双CPU系统。对于双CPU系统，一般包括字处理器和位处理器。字处理器多为8位或16位的微处理器。例如，OMRON C200H用的是MOTOROLA公司生产的增强型8位字处理器MC68B09，日本光洋（KOYO）电子工业公司生产的SG-8 PLC字处理机采用的是NEC的8086增强型的16位微机芯片V30MP70116，也有一些PLC采用的是单片机，如MCS-51系列单片机等。位处理器也称布尔处理器，大都是由一些厂家设计制造的专用芯片。
字处理器是主处理器，由它处理字节操作指令，控制系统总线、内部计数器和定时器，监视扫描时间，统一管理编程接口，同时协调位处理器及输入与输出。位处理器也称为从处理器，它的主要作用是处理位操作指令和在机器操作系统的管理下实现PLC编程语言向机器语言的转换。位处理器的使用，加快了PLC的扫描速度，使PLC能较好地满足实时控制的要求。
2．存储器
在PLC系统中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。系统程序由PLC的制造广家在研制系统时固化在存储器里，系统程序与机器的硬件组成有关，用于完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、通信和各种参数设定等功能。中小型PLC大多使用EPROM或PROM来存放系统程序，大型PLC则大多使用熔丝FLASH ROM存放。系统程序关系到PLC的性能，因此用户不能访问和修改这一部分存储器的内容。
用户程序根据PLC的应用对象来设计，它是用户根据使用环境和生产工艺的控制要求来编写的。用户程序一般存放于带有后备电池的静态RAM、可改写的EEPROM或FLASH EPROM中，为了保证在断电和加电的瞬间，RAM中的数据不丢失或被随机改写，因而常采取掉电抗干扰保护措施和选择带控制端的CMOS类型RAM。控制端有效时将禁止外电路对存储器的读写，而只维持数据，从而避免了电源波动和正常电源与后备电池切换时产生的误写入。
工作数据是PLC在应用过程中经常变化、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系统的工作数据存储区，开辟有输入/输出数据映像区、计数器、定时器、辅助继电器等逻辑部件，这些部件的设定值和当前值是根据用户程序的初始设置和运行状况而确定的。根据需要，部分数据可在掉电时用后备电池维持现行状态，在掉电时仍然可以保持数据的存储器区域称为保存数据区。
综上所述，PLC所用的存储器基本上由PROM、EPROM、EEPROM及RAM等组成，存储容量的大小随机器的型号不同而变化。由于系统程序用户不可改变，因而PLC产品样本或使用说明书中所列的存储器容量，都是指用户程序可使用容量和数据存储器容量。
3．输入/输出接口
输入/输出接口通常也称为I/O单元或I/O模块，如图2-5所示。PLC通过I/O单元与工业生产过程现场相联系，检测被控对象或被控生产过程的各种参数，以这些现场数据作为PLC对被控对象进行控制的信息依据，同时PLC又通过I/O接口将处理结果传输至被控设备或工业生产过程，以实现现场控制。图2-5 PLC的I/O模块
PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O单元，有各种各样功能的I/O单元供用户选用，外部设备传感器和执行机构所需的信号电平是多种多样的，而PLC中CPU处理的信息只能是标准电平，所以I/O单元需实现这种转换。I/O单元主要类型有数字量输入单元、数字量输出单元、模拟量输入单元、模拟量输出单元等。
4．编程装置和编程软件
PLC是通过顺序执行存储器中的程序来完成其控制功能的。根据生产工艺要求编制出的控制程序，通过一定方式输入到PLC，并经过调试修改后成为可执行的控制程序。编程装置的主要任务就是编写程序、调试程序和监控程序的执行情况，还可以在线测试PLC的内部状态和参数，与PLC进行人机对话。因此，编程装置是开发、应用、监控运行和检查维护PLC不可缺少的设备。编程装置可以是专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统，专用编辑器由PLC生产厂家提供，它们只能用于某一生产厂家的某些PLC产品，专用编辑器一般包括简易编程器和图形编辑器两种。
简易编程器不能直接输入和编辑梯形图程序，它只能输入和编辑语句表指令程序，因此又称为指令编程器，如图2-6所示。有的简易编程器用发光二极管（LED）来显示指令的种类，用七段显示器显示用户存储器地址和编程元件的编号，指令和有关数字用按键输入；有的指令编程器用LED或液晶点阵式显示器直接显示出英文字母表示的指令助记符；有的还可以用英文字母显示出其他信息，如编程错误和种类等。简易编程器的体积很小，可以直接插在PLC的编程器插座上，或者用专用电缆与PLC相连，以方便编程和调试。简易编程器的价格便宜，一般用于给小型PLC编程，或者用于PLC控制系统的现场调试和维修。图2-6 PLC简易编程器
使用简易编程器时必须将梯形图程序转换为语句表指令程序，再用按键将指令程序写入PLC，而图形编程器可以直接生成和编辑工程人员所熟悉的梯形图程序，使用起来更直观、更方便，但是它的价格较高，操作也比较复杂。
图形编程器大多数是便携式的，本质上是一台专用便携式计算机。图形编程器可以在线编程，也可以离线编程，可将用户程序储存在编程器内置的存储器中，它可以很方便地与PLC的CPU模块互传程序，并可将程序写入专用的EPROM存储卡中。大多数图形编程器都带有磁盘驱动器，提供磁带录音机接口和打印机接口，能快速清晰地打印梯形图程序，包括图中的英文注释，也可以打印出指令表程序清单、编程元件表及程序结构框图等，这些文件对程序的调试和维护是很有用的。PLC图形编辑器的软件界面如图2-7所示。图2-7 PLC图形编程器软件界面
5．外部设备
PLC的外部设备包括外存储器、EPROM写入器和人机接口装置。PLC的CPU模块内的半导体存储器称为内存储器，有时用外存储器来存储PLC的用户程序，储存在外存储器中的信息可以长期保存，如果存放在PLC的RAM内的程序丢失，还可以重新装入保存在外存储器中的程序。
EPROM写入器用于把用户程序写入到EPROM中去，它提供了一个非易失性的用户程序的保存方法，存放在EPROM中的程序在没有电源的情况下也不会丢失。同一PLC系统的各种不同应用场合的用户程序可以分别写入到几片EPROM中，在改变系统的工作方式时只需要更换EPROM就可以了。
人机接口装置用于实现操作人员与PLC控制系统之间的对话。人机接口最简单和最普通的形式是由安装在控制台上的按钮、转换开关、拨码开关、指示灯、LED数字显示器和声光报警器等元件组成，这些元件用于指示PLC的I/O系统状态及各种信息。通过合理设计梯形图程序，PLC控制系统可以接收并执行操作从人机接口装置发来的命令。另一种人机接口是加固的“半智能”型CRT接口，可安装在操作台和控制柜的面板上，通过通信接口接收来自PLC的信息并在CRT终端上显示出来。用于PLC控制系统的最高级、最复杂的人机接口是一种“智能”终端，它有自己的微处理器和存储器，能够与操作人员快速地交换信息，并通过通信接口与PLC相连。
小型PLC一般采用上述第一种人机接口，大中型PLC一般选用第二种或第三种接口，而有些PLC系统的人机接口采用的是上述三种形式的结合。PLC及人机接口装置如图2-8所示。图2-8 PLC及人机接口装置
6．智能接口模块
智能接口模块是一个独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器，以及用于外界过程与控制器系统总线相连接的接口。另外，根据模块的功能不同还配有一些特殊组成部分。因为智能接口模块是可编程控制器系统的一个模块，所以它和控制器的CPU模块通过系统总线相连接，进行数据交换，并在CPU模块的协调管理下独立地进行工作，即智能模块的工作不参与巡回扫描过程，而是按照它自身的规律参与系统工作，也即多数情况下的运算功能都是由它本身的CPU完成的。
智能接口模块的种类很多，如高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、数字位置译码模块、阀门控制模块、中断控制模块、智能存储模块，以及PLC之间互联的通信处理模块等。
7．电源部件
PLC配有开关式稳压电源，供内部电路使用。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。有些机型还向外提供24V DC的稳压电源，用于对外部传感器供电，这就避免了由于电源污染或不合格电源产品而引起的故障，例如，S7-300PLC配有专用电源模块PS 307。
常用的PLC有两种类型：整体式PLC和模块式PLC。整体式PLC的所有部件都装在同一机壳内，如图2-9所示，一般小型的PLC都采用这种形式，比如西门子公司的S7-200系列小型PLC。组合式PLC中的各功能部件均独立封装，称为模块或模板，如图2-10所示，比如CPU模块、I/O模块、电源模块、通信模块等，各个模块都安装在机架或导轨上，通过总线相互连接，比如西门子公司的S7-300系列中型PLC和S7-400系列大型PLC等。图2-9 整体式PLC图2-10 模块式PLC2.3 西门子S7-300系列PLC2.3.1 S7-300系列PLC简介
西门子公司的S7-300系列PLC属于S7-200/300/400家族中的中型PLC产品，如图2-11所示。S7-300系列PLC属于组合式PLC，适用于中等性能的控制要求。S7-300系列PLC产品的规格众多，而且还在不断扩充中。其产品性能主要通过不同的CPU模块进行区分，其他的I/O模块、电源模块、通信模块和高功能模块基本上都是通用的。图2-11 S7-300系列PLC
S7-300系列PLC具有如下性能特点。
1．运算速度快、PLC循环周期短
S7-300PLC的处理器的运算速度与早期的产品相比有了很大的提高，CPU317的逻辑指令的执行时间最快可以达到0.05μs。
2．编程功能强
S7-300PLC可以用于复杂功能的编程与控制，并且可以采用STEP7或STEP7-Lite编程软件，利用多种编程语言进行编程。
3．通信功能强
S7-300PLC的所有CPU模块至少带有l个标准的RS-485/422串行通信接口，支持MPI多点接口通信协议（最多125个接点），接口在不带中继器时的最大传输距离可达到50m。其最高传输速率为187.5kbit/s，可用于连接编程器、文本显示器、触摸屏、操作控制面板等外部设备，如有需要，也可以与其他PLC连接，构成PLC网络系统。PLC的MPI接口还可以作为PROFIBUS-DP接口使用，相对于CPU317-2DP而言，CPU318-2DP可以同时连接2条PROFIBUS-DP总线。对于某些具有第2接口的CPU模块，还可以通过第2接口与外设进行点到点（PPI）通信。
4．扩展性能好
S7-300系列PLC不仅具有众多的开关量I/O扩展模块，而且还具有众多的特殊功能模块可以供用户选择，大大提高了PLC的控制性能。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]