一、課程簡介課程性質：

本課程是計算機控制技術專業的一門專業任選課程，其特點是與工業生產聯系十分密切，實踐性強，應用廣泛?！镎n程任務：

它包括理論教學和實驗教學，其任務是學習西門子S7-300系列PLC的基本結構、工作原理、指令系統、典型程序分析和設計，并通過上機實驗和實例分析，使學生具有用西門子S7-300/400系列大中型PLC改造常規繼電控制系統和根據生產工藝要求設計其控制系統的能力。西門子PLC系統及其應用第01次課2/5/20231電氣與信息工程學院1.掌握西門子S7－300系列PLC的基本結構、工作原理、尋址方式、工作特點及應用范圍。2.掌握S7－300系列PLC的指令系統及典型控制程序的設計。3.學會Windows環境下的STEP7編程軟件使用和控制程序的調試步驟及方法。4.通過實例分析，掌握用PLC進行控制系統設計的步驟，編程方法，培養學生用PLC改造常規繼電控制系統和根據生產工藝要求設計PLC控制系統的能力教學基本要求2/5/20232電氣與信息工程學院教材及參考書2/5/20233電氣與信息工程學院教材及參考書2/5/20234電氣與信息工程學院考核方式考試課，試卷考試試卷：60%作業+考勤：20%，5次作業實驗：20%，5次實驗2/5/20235電氣與信息工程學院第1章PLC概述§1.1PLC的產生§1.2PLC的定義和分類§1.3PLC的功能和特點§1.4PLC的結構與工作過程§1.5思考與練習2/5/20236電氣與信息工程學院傳統的生產機械自動控制裝置→繼電器控制系統

優點→結構簡單、價格低廉、容易操作。缺點→體積龐大、生產周期長、接線復雜、故障率高、可靠性及靈活性差。（控制功能略加變動，就需重新組合、改變接線。）應用→比較適用于工作模式固定，控制邏輯簡單等工業應用場合。

（接線邏輯）§1.1PLC的產生2/5/20237電氣與信息工程學院以往的電氣控制裝置主要采用繼電器、接觸器或電子元件來實現，由連接導線將這些器件按照一定的工作程序組合在一起，以完成一定的控制功能，這種控制叫做接線程序控制。接線程序控制的電氣裝置體積大，生產周期長，接線復雜，故障率高，可靠性差。控制功能略加變動，就需重新組合、改變接線。2/5/20238電氣與信息工程學院

在可編程序控制器問世以前，工業控制領域中是以繼電器控制占主導地位的。ST1ST2ST3ST4SB2SB1KM2KM2KM1KM1SB3KM1KM2ST1ST2ST4ST3工作臺前進后退正反轉自動循環控制線路2/5/20239電氣與信息工程學院用戶迫切需要一種先進的自動控制裝置繼電器控制系統先進自動控制系統2/5/202310電氣與信息工程學院1968年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司(GM)為了用新的控制裝置取代繼電器控制裝置，在公開招標中提出了十項指標，即：

1、編程簡單，可在現場方便地編輯及修改程序； 2、維修方便，采用模塊化結構； 3、可靠性高于繼電器控制裝置； 4、體積小于繼電器控制裝置； 5、具有數據通信功能； 6、成本可與繼電器控制裝置競爭； 7、可直接用115V交流輸入； 8、輸出為115V，2A以上，能直接驅動電磁閥、接觸器等；9、通用性強，易于擴展； 10、用戶存儲器容量至少在4KB以上。2/5/202311電氣與信息工程學院

這十項招標指標奠定了可編程控制器最基本的功能要求

用計算機代替繼電器控制盤用程序代替硬件接線輸入/輸出電平可與外部裝置直接連接結構易于擴展核心為：工業控制單板機（計算機）繼電器控制系統先進控制裝置2/5/202312電氣與信息工程學院可編程序邏輯控制器的產生

1969年，美國數字設備公司（DEC）根據上述要求和設想，研制出了世界上第一臺可編程序控制器，型號為PDP-14，并在通用公司的汽車裝配生產線上首次應用成功，取得了顯著的經濟效益。當時人們把它稱為可編程序邏輯控制器(ProgrammableLogicController，簡稱ＰＬＣ)?？删幊炭刂破髡Q生2/5/202313電氣與信息工程學院可編程控制器這一新技術的出現，受到國內外工程技術界的極大關注，紛紛投入力量研制。第一個把ＰＬＣ商品化的是美國哥德公司(GOULD)，時間也是1969年，型號為084。1971年，日本從美國引進了這項新技術，研制出日本第一臺可編程控制器DSC-8。1973～1974年，德國和法國也都相繼研制出自己的可編程控制器，德國西門子公司(SIEMENS)于1973年研制出歐洲第一臺ＰＬＣ，型號為SIMATICS4。我國從1974年開始研制，1977年開始工業應用。

2/5/202314電氣與信息工程學院PLC的中國現狀

目前，中國PLC市場的95％以上被國外品牌占領。2/5/202315電氣與信息工程學院2010中國PLC市場研究報告介紹

為盡快提升我國PLC的技術水平，引進PLC的先進生產技術，中外合資或外商獨資企業在國內開始批量生產PLC。西門子公司率先在大連建立PLC生產企業；歐姆龍公司在上海生產的PLC遠銷海內外。國內已有具有較強實力的公司開始拓展PLC業務，并在中國PLC市場有了一定響應。北京和利時系統工程股份有限公司就是一個典范。2/5/202316電氣與信息工程學院§1.2PLC的定義和分類經歷：可編程邏輯控制器（PLC）→可編程控制器（PC）

通用叫法：可編程序控制器（ProgrammableController，PC），是一臺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。但由于PC容易和個人計算機（PersonalComputer）混淆，所以人們還沿用PLC作為可編程控制器的英文縮寫。

1.2.1PLC的定義

2/5/202317電氣與信息工程學院

國際電工委員會（IEC）對可編程控制器的定義：“可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P外部設備，都按易于與工業控制系統聯成一個整體，易于擴充其功能的原則設計?！?1987.2)2/5/202318電氣與信息工程學院PLC是一種特別適合于工業環境的面向工程技術人員的“藍領計算機”2/5/202319電氣與信息工程學院1.按結構形式分類

CPU（基本單元）+擴展模塊一體化緊湊型PLC：電源、CPU中央處理系統、I/O接口都集成在一個機殼內。如西門子S7-200系列。1.2.2PLC的分類2/5/202320電氣與信息工程學院標準模塊式結構化PLC：各種模塊相互獨立，并安裝在固定的機架（導軌）上，構成一個完整的PLC應用系統。如：西門子S7-300、S7-400系列。2/5/202321電氣與信息工程學院2.按I/O點數及內存容量分類小型機：256點以下（F1、S7-200）中型機：256-1024點大型機：1024點以上3.按控制性能分類低檔PLC中檔PLC高檔PLC2/5/202322電氣與信息工程學院例：SIEMENSS7系列PLC分類小型機:中型機:大型機SIMATICS7-200一體化模塊化SIMATICS7-300模塊化SIMATICM7-300一體化SIMATICC7-620模塊化SIMATICS7-400模塊化SIMATICM7-4002/5/202323電氣與信息工程學院按用途分類用于順序邏輯控制用于閉環過程控制用于多級分布式和集散控制系統用于機械加工的數字控制和機器人控制根據生產廠家分類OMRON（日本歐蒙龍）MITSUBISHI（日本三菱）TOSHIBA（日本東芝）GE-FUNAC（美國通用電氣）A-B(Allen－Bradley)（艾倫-布拉德利,是美國最大的電氣公司）SIEMENS（德國西門子）2/5/202324電氣與信息工程學院§1.3PLC的功能和特點控制功能邏輯控制定時控制計數控制順序控制1.3.1PLC的功能2/5/202325電氣與信息工程學院PLC的功能

數據采集、存儲與處理功能數學運算功能數據處理模擬數據處理2/5/202326電氣與信息工程學院PLC的功能

輸入/輸出接口調理功能具有A/D、D/A轉換功能，通過I/O模塊完成對模擬量的控制和調節。位數和精度可以根據用戶要求選擇。具有溫度測量接口，直接連接各種熱電阻或熱電偶。2/5/202327電氣與信息工程學院PLC的功能

通信、聯網功能PROFIBUSDPPROFIBUSPA(Ex)PROFIBUSPA2/5/202328電氣與信息工程學院PLC的功能

人機界面功能2/5/202329電氣與信息工程學院PLC的功能

編程、調試等使用復雜程度不同的手持、便攜和桌面式編程器、工作站和操作屏，進行編程、調試、監視、試驗和記錄，并通過打印機打印出程序文件。

STEP7ProToolMPIcable有MPI接口的PG或PC2/5/202330電氣與信息工程學院PLC的特點

高可靠性豐富的I/O接口模塊采用模塊化結構運行速度快功能完善編程簡單，易于使用系統設計、安裝、調試方便維修方便，維修工作量小總價格低

可編程控制器的種類雖然千差萬別，但為了在工業環境中使用，它們都有許多共同的特點.2/5/202331電氣與信息工程學院高可靠性

工業生產對電氣控制設備的可靠性的要求是非常高的，它應具有很強的抗干擾能力，能在很惡劣的環境下(如溫度高、濕度大、金屬粉塵多、距離高壓設備近、有較強的高頻電磁干擾等)長期連續可靠的工作，平均無故障時間(MTBF)長，故障修復時間短。而PLC是專為工業控制設計的，能適應工業現場的惡劣環境?？梢哉f，沒有任何一種工業控制設備能夠達到可編程控制器的可靠性。2/5/202332電氣與信息工程學院在硬件方面，首先是選用優質器件，采用合理的系統結構，加固簡化安裝，使它能抗振動沖擊。對印刷電路板的設計、加工及焊接都采取了極為嚴格的工藝措施。對于工業生產過程中最常見的瞬間強干擾，采取的措施主要是采用隔離和濾波技術。PLC的輸入和輸出電路一般都用光電耦合器傳遞信號，作到電浮空，使CPU與外部電路完全切斷了電的聯系，有效地抑制了外部干擾對PLC的影響。2/5/202333電氣與信息工程學院在PLC的電源電路和Ｉ／Ｏ接口中，還設置多種濾波電路，除了采用常規的模擬濾波器(如LC濾波和Π型濾波)外，還加上了數字濾波，以消除和抑制高頻干擾信號，同時也削弱了各種模板之間的相互干擾。用集成電壓調整器對微處理器的＋5伏電源進行調整，以適應交流電網的波動和過電壓、欠電壓的影響。在PLC內部還采用了電磁屏蔽措施，對電源變壓器、CPU、存儲器、編程器等主要部件采用導電、導磁良好的材料進行屏蔽，以防外界干擾。

2/5/202334電氣與信息工程學院在軟件方面，PLC也采取了很多特殊措施，設置了警戒時鐘WDT(WatchingDogTimer)，系統運行時對WDT定時刷新，一旦程序出現死循環，使之能立即跳出，重新起動并發出報警信號。還設置了故障檢測及診斷程序，用以檢測系統硬件是否正常，用戶程序是否正確，便于自動地做出相應的處理，如報警、封鎖輸出、保護數據等。當PLC檢測到故障時，立即將現場信息存入存儲器，由系統軟件配合對存儲器進行封閉，禁止對存儲器的任何操作，以防存儲信息被破壞。這樣，一旦檢測到外界環境正常后，便可恢復到故障發生前的狀態，繼續原來的程序工作。這些有效的措施，保證了可編程控制器的高可靠性。

2/5/202335電氣與信息工程學院

編程簡單可編程控制器的設計是面向工業企業中一般電氣工程技術人員的，它采用易于理解和掌握的梯形圖語言，以及面向工業控制的簡單指令。

除了梯形圖語言以外，PLC還可以采用其他形式的編程語言，如STL（語句表）語言，功能塊圖（FBD），順序功能圖（SFC）以及高級語言進行編程。

2/5/202336電氣與信息工程學院系統設計、安裝、調試方便

用可編程控制器完成一項控制工程時，由于其硬、軟件齊全，設計和施工可同時進行。由于用軟件編程取代了繼電器硬接線實現控制功能，使得控制柜的設計及安裝接線工作量大為減少，縮短了施工周期。同時，由于用戶程序大都可以在實驗室模擬調試，模擬調試好后再將PLC控制系統在生產現場進行聯機統調，使得調試方便、快速、安全，因此大大縮短了設計和投運周期。2/5/202337電氣與信息工程學院

維修方便

PLC的控制程序可通過編程器輸入到PLC的用戶程序存儲器中。編程器不僅能對PLC控制程序進行寫入、讀出、檢測、修改，還能對PLC的工作進行監控，使得PLC的操作及維護都很方便。PLC還具有很強的自診斷能力，能隨時檢查出自身的故障，并顯示給操作人員，如Ｉ／Ｏ通道的狀態、RAM的后備電池的狀態、數據通信的異常、PLC內部電路的異常等信息。正是通過PLC的這種完善的診斷和顯示能力，當PLC機或外部的輸入裝置及執行機構發生故障時，使操作人員能迅速檢查、判斷故障原因，確定故障位置，以便采取迅速有效的措施。如果是PLC本身故障，在維修時只需要更換插入式模板或其它易損件即可，既方便又減少了影響生產的時間。

有人曾預言，將來自動化工廠的電氣工人，將一手拿著螺絲刀，一手拿著編程器。這也是可編程控制器得以迅速發展和廣泛應用的重要因素之一。2/5/202338電氣與信息工程學院功能強，性能價格比高

一臺小型可編程序控制器內有成百上千個可供用戶使用的編程元件，可以實現非常復雜的控制功能。與相同功能的繼電器系統相比，它具有很高的性能價格比?？删幊绦蚩刂破骺梢酝ㄟ^通信聯網，實現分散控制與集中管理。2/5/202339電氣與信息工程學院可編程控制器的與繼電器邏輯控制系統的比較比較項目

繼電器邏輯控制

可編程控制器控制邏輯接線邏輯,體積大,接線復雜，修改困難存儲邏輯,體積小、連線少,控制靈活，易于擴展控制速度通過觸點的開閉實現控制作用。動作速度為幾十毫秒，易出現觸點抖動

由半導體電路實現控制作用,每條指令執行時間在微秒級,不會出現觸點抖動限時控制由時間繼電器實現，精度差，易受環境、溫度影響用半導體集成電路實現,精度高，時間設置方便，不受環境、溫度影響觸點數量４～８對，易磨損任意多個，永不磨損工作方式并行工作串行循環掃描設計與施工設計、施工、調試必須順序進行，周期長，修改困難在系統設計后，現場施工與程序設計可同時進行,周期短，調試、修改方便可靠性與可維護性壽命短可靠性與可維護性差壽命長，可靠性高，有自診斷功能，易于維護價格使用機械開關、繼電器及接觸器等，價格便宜使用大規模集成電路，初期投資較高2/5/202340電氣與信息工程學院傳統的繼電器控制系統被PLC所取代已是必然趨勢

繼電器控制柜是針對一定的生產機械、固定的生產工藝設計的，采用硬接線方式裝配而成，只能完成既定的邏輯控制、定時、計數等功能，一旦生產工藝過程改變，則控制柜必須重新設計、重新配線。而PLC由于應用了微電子技術和計算機技術，各種控制功能都是通過軟件來實現的，因此只要改變程序并改動少量的接線端子，就可適應生產工藝的改變。從適應性、可靠性、方便性及設計、安裝、維護等各方面進行比較，PLC都有顯著的優勢。因此在用微電子技術改造傳統產業的過程中，傳統的繼電器控制系統大多數將被PLC所取代。2/5/202341電氣與信息工程學院可編程控制器的與其他工業控制器的比較在工業控制領域幾種有代表性的工業控制器：

可編程控制器(PLC)；

PID控制器(又稱PID調節器)；集散控制系統(DCS)；微型計算機(PC)和工業控制計算機（IPC）由于PID控制器一般只適用于過程控制中的模擬量控制，并且，目前的PLC或DCS中均具有PID的功能。所以，只對可編程控制器與通用的微型計算機、與集散控制系統、與工業控制計算機分別做一下比較。2/5/202342電氣與信息工程學院比較項目可編程控制器微型計算機應用范圍工業控制科學計算、數據處理、通信等使用環境工業現場具有一定溫度、濕度的機房輸入／輸出控制強電設備,有光電隔離,有大量的Ｉ／Ｏ口與主機采用微電聯系,沒有光電隔離,沒有專用的Ｉ／Ｏ口程序設計一般為梯形圖語言，易于學習和掌握程序語言豐富，需專門計算機的硬件和軟件知識系統功能自診斷、監控等配有較強的操作系統工作方式循環掃描方式及中斷