第一章可編程序控制器1.1可編程序控制器的基本概念與硬件結構1.2可編程序控制器的特點、功能及性能指標1.3可編程控制器的工作原理與編程語言1.4可編程序控制器的應用及發展1.1可編程序控制器的基本概念與硬件結構可編程序控制器的基本概念可編程序控制器的發展歷史可編程序控制器的硬件結構

1.1.1可編程序控制器的基本概念什么是可編程序控制器？國際電工委員會（IEC）于1987年頒布了可編程序控制器標準草案第三稿。在草案中對可編程序控制器定義如下：可編程序控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字式和模擬式是輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器及其有關外圍設備，都應按易于與工業系統聯成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。

英文名：ProgrammableLogicController簡稱：PLCPLC的生產廠家德國生產PLC的主要廠商有：西門子（SIEMENS）公司，它生產S系列的PLC。1996年推出S7-400系列新產品、自帶人機界面的C7系列PLC等多種新產品。日本的三菱公司生產的F1系列PLC，近年來又推出了FX系列，如FX2、FX1、FX2N等等。東芝公司（EX系列PLC）、富士電機公司（NB、NJ、NS系列PLC）、松下公司（EP系列）、日本的立石（歐姆龍）公司。1.1.2可編程序控制器的發展歷史

60年代中期，通用汽車公司（GM）提出設想1969年，第一臺誕生于數字設備公司（DEC）1977年，我國第一臺我國最早廣泛用的企業：寶鋼、已有四代產品，功能逐步增強。世界第一臺PLC1969年由美國設備公司（DEC)根據美國通用汽車公司（GM）的要求研制成功背景：1968年美國通用汽車公司，為了適應汽車型號的不斷更新，生產工藝不斷變化的需要，實現小批量、多品種生產，希望能有一種新型工業控制器，它能做到盡可能減少重新設計和更換電器控制系統及接線，以降低成本，縮短周期。設計思想：吸取繼電器和計算機兩者的優點繼電器控制系統體積大、可靠性低、接線復雜、不易更改、查找和排除故障困難，對生產工藝變化的適應性差，但簡單易懂、價格便宜；計算機功能強大，靈活（可編程）、通用性好，但編程困難；采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”進行編程，使不熟悉計算機的人也能很快掌握使用（梯形圖）。總之，可編程控制器是一臺計算機，它是專為工業環境應用而設計制造的計算機。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅動能力。但可編程控制器產品并不針對某一具體工業應用，在實際應用時，其硬件需根據實際需要進行選用配置，其軟件需根據控制要求進行設計編制（通用控制器）。

可編程序控制器（PLC，ProgrammableLogicController）是在傳統順序控制器的基礎上引入微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通信技術等形成的新型工業控制裝置。它具有控制能力強、可靠性高、配置靈活、編程簡單等優點，是當代工業自動化技術領域中應用場合最多的工業控制裝置之一，也被公認為是現代工業自動化的三大支柱（PLC、機器人、CAD/CAM）之一。

1.1.3可編程序控制器的硬件結構主機輸入/輸出（I/O）接口電源編程器輸入/輸出（I/O）擴展接口外部I/O接口PLC系統的基本結構

主機CPU（運算器、控制器）系統程序存儲器用戶程序及數據存儲器CPU是PLC的控制中樞，CPU一般由控制器、運算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個芯片上。主要功能：運行用戶程序、監控輸入/輸出接口狀態、做出邏輯判斷和進行數據處理，即讀入輸入變量；執行用戶指令，將結果送到輸出端；相應外部設備（打印機、條碼掃面儀等）；內部診斷。存儲器存儲器的作用：PLC的存儲器主要用于系統程序、用戶程序、數據的存放。存放系統軟件——系統程序存儲器存放應用軟件——用戶程序存儲器存儲器的類型：可讀/可寫的隨機存儲器RAM只讀存儲器ROM、PROM、EPROM等輸入/輸出（I/O）接口

輸入/輸出接口通常也稱為I/O單元后I/O模塊，是PLC與輸入/輸出設備連接的部件。

PLC輸入接口——用來接收和收集輸入信號，分為開關量輸入模塊和模擬量輸入模塊。

PLC輸出接口——將處理結果送給被控制對象，以實現控制目的。電源PLC電源是指為CPU、存儲器、I/O接口等內部電子電路工作所配備的直流開關穩壓電源。與普通電源相比，PLC電源的穩定性好、抗干擾能力你強。許多PLC還向外提供直流24V穩壓電源，用于對外部傳感器供電編程器編程器是編制、調試PLC用戶程序的外部設備，是人機交互的窗口。編程器功能：通過編程器可以把用戶程序輸入到RAM中；或者對RAM中已有程序進行編輯；通過編程器還可以對PLC的工作狀態進行監視和跟蹤，對調試和試運行用戶程序非常有用。輸入/輸出（I/O）擴展接口是PLC主機為了擴展輸入/輸出點數和類型的部件。輸入/輸出擴展單元、遠程輸入/輸出擴展單元、只能輸入/輸出單元等都通過I/O擴展接口和主機相連。I/O擴展接口有并行接口、串行接口等多種形式。外部I/O接口是PLC主機實現人機對話、機講對話的通道。通過外部I/O接口，PLC可以和編程器、彩色圖形顯示器、打印機等外部設備相連，也可以和其它PLC或上位機連接。外部I/O接口一般是RS-232C、RS422A、USB等串行通信接口。1.2可編程序控制器的特點、功能及性能指標可編程序控制器的特點可編程序控制器的主要功能及性能指標S7-200PLC概述S7-300/400PLC概述

1.2.1可編程控制器的特點可靠性高、抗干擾能力強繼電器觸點壽命有限，可靠性差，而PLC的大量開關動作由無觸點開關或軟觸點完成。

平均無故障時間：幾十萬小時平均維修時間：幾分鐘-半小時1）所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業現場的外電路與PLC內部電路之間電氣上隔離。2）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。3）采用性能優良的開關電源。4）采用模塊化結構。5）良好的自診斷功能。6）設置了監視定時器。7）大型PLC還可以采用由雙CPU構成冗余系統或由三CPU構成表決系統，使可靠性進一步提高。編程簡單、使用方便1）梯形圖是面向生產、面向用戶的編程語言，與電器控制電路圖相似；2）形象、直觀、簡單易學。3）生產流程需改變時，可現場改變程序。4）編程器的操作和使用簡單。功能完善、通用性強具有邏輯運算、定時、計數、順序控制、數值運算、A/D和D/A轉換、PID控制、通信聯網等。設計安裝簡單、維護方便1）控制柜的設計、接線、安裝工作量大大減少。2）PLC用戶程序大部分在實驗室模擬調試，調試好后再現場安裝調試。3）自診斷功能較強。體積小、質量輕、能耗低PLC采用集成電路，結構緊湊、體積小、能耗低。1.2.2可編程控制器的主要功能及性能指標一、可編程控制器的主要功能邏輯控制功能位處理功能，有與、或、非等邏輯指令，能實現開關量的串聯、并聯、常開、常閉等連接。定時控制功能定時器，功能類似于時間繼電器。計數控制功能計數器計到某一定值時，產生一個狀態信號，利用該狀態信號實現對某個操作的計數控制。步進（順序）控制功能實現由時間、計數或其他指定邏輯信號為轉移條件的步進控制。數據處理功能算術運算、數據比較、數據傳送、數據移位、數制轉換、PID運算等。過程控制功能A/D、D/A轉換通信聯網功能監控功能停電記憶功能故障自診斷功能二、PLC的性能指標（1）存儲容量PLC的存儲器由系統程序存儲器、用戶程序存儲器和數據存儲器三部分組成。生產廠家在生產可編程序控制器時，已按照機器型號的不同，設置了不同容量的存儲器，小到1K~幾K，大至1~2M，甚至更大。（2）I/O點數是PLC可以接收的輸入、輸出信號的總和，是衡量PLC性能的重要指標。二、PLC的性能指標（3）掃描速度常以掃描1KB用戶程序所需時間來表示，通常以ms/KB為單位，大約1ms~10ms/K,更快的0.01ms/K。（4）指令系統PLC基本指令和功能指令的總和。（5）內部元件的種類和數量元件種類和數量越多，表示存儲和處理各種信息的能力越強。（6）特殊功能單元二、PLC的性能指標（7）可擴展能力包括I/O點數的擴展、存儲容量的擴展、聯網功能的擴展、各種功能模塊的擴展。（8）通信能力分為PLC之間的通信和PLC與其它設備之間的通信。主要涉及通信模塊、通信接口、通信協議、通信指令等。1.2.3S7-200PLC概述西門子公司目前最近的PLC產品是SIMATICM7、C7和S7三個系列。M7系列是PLC的嵌入式高檔機，用于解決對時間要求非常高的技術問題。C7系列PLC往往在一個單元中集成一個PLC和一個控制面板。S7系列用處較為廣泛，分為S7-200、S7-300、S7-400。1.2.3S7-200PLC概述集CPU、電源、輸入/輸出安裝于一體，結構緊湊、安裝簡單；運算速度快，基本邏輯控制指令0.22s/條，可實現高速控制；編程指令、編程元件較豐富、性價比高；帶有固定點數的高速計數輸入與高速脈沖輸出，輸入/輸出頻率可達到20~100KHz；帶有RS-485串行通信接口，可以支持自由口通信與PPI、MPI、PROFIBUS現場總線通信；1.2.3S7-200PLC概述最大數字量輸入、輸出映像區均為128點，最大模擬量輸入、輸出映像區均為32點；內部標志位（M寄存器）為256位，掉電永久保存為112位，超級電容或電池保存為256位；256個定時器中有4個1ms定時器，16個10ms定時器，236個100ms定時器；256個計數器均能用超級電容或電池保存。項目功能CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226I/O數字量I/O6輸入/4輸出8輸入/6輸出14輸入/10輸出14輸入/10輸出24輸入/16輸出模擬量I/O無2輸入/1輸出無最多允許的擴展模塊無2個模塊7個模塊接口類型RS-485串行通信接口接口數量12波特率PPI、DP/T9.6kbit/s、19.2kbit/s、187.5kbit/s無協議通信1.2～115.2kbit/s通信距離不使用中繼器50m使用中繼器與波特率有關，187.5kbit/s時為1000mPLC網絡連接方式PPI、MPI、PROFIBUS-DP、Ethernet（需要網絡模塊支持）1.2.4S7-300/400PLC概述1、S7-300PLC概述S7-300PLC分類標準型、緊湊型、故障安全型、技術功能型S7-300PLC的主要功能特點運算速度快、PLC循環周期短；編程能力強；人機界面；診斷功能；口令保護；強大的通信功能。1.2.4S7-300/400PLC概述1、S7-400PLC概述S7-400PLC分類標準型、冗余型、故障安全型S7-400PLC的主要功能具有S7-300系列系統的功能；冗余設計的容錯自動化系統；處理速度顯著提高；多CPU處理；診斷功能；CPU通信性能顯著增強。1.3可編程控制器的工作原理與編程語言1.3.1可編程控制器的工作方式1）繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運行的方式2）PLC的CPU則采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式PLC采用“順序掃描，不斷循環”的工作方式運行時，CPU根據用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號作周期性循環掃描，如無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條順序執行用戶程序，直至程序結束，然后重新返回第一條指令，開始新一輪的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態的刷新等工作。1.3.2可編程控制器的掃描工作過程PLC的掃描工作過程1.3.3可編程控制器的編程語言IEC61131-3標準中定義了