學年第1學期可編程控制器原理及應用課程僅供參考教案課程代碼：總學時／周學時：60/4開課時間：年8月第1周至第15周授課年級、專業、班級：級使用教材：《可編程邏輯控制器（基于S7-200系列）》西安電子科技大學出版社，2024.6.學院/教研室：授課教師：2、教案扉頁本課程教學目的和要求通過課堂學習和實踐訓練，使學生掌握可編程邏輯控制器的結構及工作原理，初步掌握可編程邏輯控制器的選型及接口的確定方法；能夠熟練應用可編程邏輯控制器的邏輯指令系統、梯形圖指令系統，掌握程序設計方法和編程技巧；培養學生對控制系統設計和分析能力，動手能力和分析、解決問題的能力，為后續課程提供必要的基礎知識，也為以后的工作打下一個堅實的基礎。本課程教學方法教師主講（理論教學），同時充分體現學生的積極思維及學習的主導作用。（1）利用多媒體PPT與板書相結合的方式，通過講授、啟發、互動討論、分析、動畫演示等多種教學模式，增加學生學習的趣味性。翻轉課堂，超星學習通平臺每章有教學基本要求與重點、難點，有視頻、作業、項目分享、參考資料以及自測練習題等豐富的教學資源供學生課后自學。學生通過超星學習通在課下自主安排時間觀看教學視頻，查閱相關學習資料，課上時間用于交流討論，提高課堂教學效率。課堂討論：按學習內容，以學習小組為單位進行4次（平時2次，期中、期末各1次）課程討論。學生獨立完成作業，以小組為單位討論課后練習（配合習題課）。（1）課后作業：學生每節課都有相應的隨堂練習，每章學完有章節測驗。要求同學獨立地完成課后作業，鼓勵各種方法的探討；教師對于作業中反映的共性問題，在課堂中再予以重點講解；個性問題則單獨溝通。為了提高學生的學習效果，部分作業實行學生互評。（2）思維導圖：學完每章之后提交一個知識總結的思維導圖，對該章內容進行整理，包括概念、原理及其內在聯系。課內實驗。實踐課題設計，展寬PLC應用領域學生創新精神、實踐能力培養方法通過項目教學法+實驗+項目制作，讓學生掌握程序設計方法和編程技巧；培養學生對控制系統設計和分析能力，動手能力和分析、解決問題的能力，培養學生創新精神、實踐能力。教材選用原則和特點教材為高等學校機電工程類系列教材。考核方式考查教學參考資料教材：趙全利.《可編程邏輯控制器（基于S7-200系列）》，西安電子科技大學出版社，2024.6.參考書籍：[1]《可編程控制器教程》（第二版），作者：胡學林，電子工業出版社，2014.[2]王永華.《現代電氣控制及PLC應用技術》（第4版），北京航空航天大學出版社，2016.[3]廖常初.《S7-200PLC編程及應用》（第3版），機械工業出版社，2019.[4]李長久.《PLC原理與應用》（第2版），機械工業出版社，2016.[5]趙全利.《S7-200PLC基礎及應用》，機械工業出版社，2010.課程網站：學習網站：[1]我要自學網/list.aspx?cid=475[2]PLC之家/[3]中國工控網/cp_vlist.asp?id=162[4]S7-200跟我學/service/elearning/series/1.html對教案的分析總結教研室主任審批意見3、按教學單元編寫教案的格式周次第1周授課時間章節名稱第1章PLC基礎及系統結構1-1繼電接觸控制電路1-2PLC概述1-3PLC系統基本結構1-4從一個簡單示例看PLC應用開發過程電工電器認知實驗授課方式理論課（√）、實驗課（√）上機（）、其他方式（）教學時數4學時教學目的和要求1.知識與技能：了解本課程的基本情況、本課程在課程體系中的作用、課程的考核；掌握PLC的定義，結構；了解PLC的應用和發展、常用PLC的廠家和產品型號。2.過程與方法：線下教室上課+學習通討論的教學方法。以學生為主體，組織課堂活動，增加學生課堂參與度與學習的主動性；通過討論分析，從理論聯系實際的角度來解決一些實際問題。3.情感目標：學生通過課程的學習了解本課程的作用、地位，一些PLC在工程中的應用。提高學生發現、提出問題、分析和解決問題的能力,培養學生的動手能力、創新意識。教學重點難點重點：本課程解決的問題，本課程在課程體系中的作用，PLC的定義，結構；2、難點：PLC的應用、如何學號本課程。3、學生應注意的問題：PLC的定義中PLC、PC的區別。教學方法選擇以下方面：教師講授（√），課堂討論（√），多媒體教學（√），提問式教學（√）討論練習作業1、每位同學畫一個思維導圖進行自我介紹、并作出本學期的學習計劃（不會做思維導圖的同學請學習2.2.4擴展閱讀里的鏈接視頻）。2、對本課程的上課安排給出自己的建議。3、完成學習通里的主題討論。教研室主任審批意見教學內容要點(可附另頁)可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController）簡稱PLC。PLC以微處理器為核心，以存儲程序控制的方式執行邏輯運算、定時、計數、模擬信號處理及PID運算等功能，是一種新型工業自動化控制裝置。本章在繼電接觸控制電路的基礎上，闡述了PLC產生、發展及應用特點，介紹了PLC的工作過程、硬件結構及軟件組成，并通過一個簡單的PLC應用示例，使讀者初步了解PLC應用的開發過程。繼電接觸控制電路可編程控制器已經廣泛應用在各種控制領域中，但是控制對象信號的采集及控制系統的驅動輸出仍然需要由電氣元器件電路完成，傳統的繼電接觸控制仍然是掌握現代電氣控制技術的基礎。1.1.1繼電接觸式控制系統的結構所謂繼電接觸式控制，主要是通過各種電氣開關、按鈕、繼電器、接觸器等來組成控制系統，從而實現對電機及其他電氣設備的控制功能，以滿足控制系統的需求。在PLC出現之前，繼電接觸式控制是工業電氣控制的主要形式。盡管現代計算機控制系統已經廣泛應用在工業電氣控制領域中，但其信息采集輸入及輸出到主電路控制部分仍然需要電氣元器件來完成。對于一些要求不高的小規模的控制，由于繼電接觸式控制簡單、方便、價廉而仍然在使用。因此，繼電接觸式控制仍然是現代電氣控制系統的基礎。一個繼電接觸式控制系統，由主電路（被控對象）和控制電路組成，控制電路主要由輸入部分、輸出部分和控制部分組成，如圖1-1所示。被控對象被控對象輸入部分（按鈕、位置開關、傳感器等）控制部分輸出部分（接觸器、電磁閥、指示燈等）（由繼電器、觸點和硬接線組成）圖1-1繼電接觸式控制系統的組成在圖1-1中，輸入部分是由各種輸入設備，如按鈕、位置開關及傳感器等組成；控制部分是按照控制要求，由若干繼電器及觸點組成；輸出部分是由各種輸出設備，如接觸器、電磁閥、指示燈等執行部件組成。繼電接觸式控制系統根據操作指令及被控對象發出的信號，由控制電路按規定的動作要求決定執行什么動作或動作順序，然后驅動輸出設備實現各種操作功能。繼電接觸式控制系統缺點是：接線復雜、靈活性差、工作頻率低、可靠性差、觸點易損壞。1.1.2繼電接觸控制基本控制電路下面僅介紹繼電接觸控制常用的電動機自鎖單向起動控制和電動機正、反轉控制電路。1.三相異步電動機自鎖單向起動控制電路異步電動機是一種將電能轉換成機械能的動力機械，其結構簡單、使用方便、可靠性高、易于維護、不受使用場所限制，廣泛應用于廠礦企業、科研生產、交通運輸、娛樂生活等各個領域。根據生產過程和工藝需求，本節所介紹的項目實例功能要求如下。1）對三相電動機進行起動、停止、自鎖保護控制。2）電動機實施過載保護、失電保護及短路保護等方面的控制。實現以上功能的三相異步電動機自鎖單向起動控制系統電路如圖1-2所示，這也是電氣控制系統中最典型電路之一。FU2MFU2M3～FRKMSB2SB1KMKMFRL1L2L3QF1QF2a）b）圖1-2電動機自鎖起動控制電路a）原理圖b）電路實物接線圖1）電動機自鎖起動控制電路構成電動機自鎖起動控制系統由主電路和繼電控制電路組成。（1）主電路。主電路由三相電源、電動機M、熱繼電器FR、接觸器（控制電路的輸出部分）KM的主常開觸點、三極低壓斷路器QF1及熔斷器FU1構成。（2）繼電控制電路的輸入控制部分由漏電保護斷路器QF2、熔斷器FU2、常開按鈕SB1（起動控制）、常閉按鈕SB2（停止控制）及熱繼電器常閉觸點FR（串聯電路）保護組成；輸出控制部分由接觸器KM輔助常開觸點及它的線圈組成（注意：本例控制電路工作電壓為兩相電壓AC380V），接觸器KM的主常開觸點實現對主電路的控制。2）電動機自鎖起動控制電路工作原理電動機自鎖起動控制電路工作原理如下。（1）控制線路起動時，合上QF1，主電路引入三相電源L1-L2-L3。（2）合上QF2，控制電路引入L1-L3相電源，當按下起動按鈕SB1，接觸器KM線圈通電，其常開主觸點閉合，電動機接通電源開始全起動，同時接觸器KM的輔助常開觸點閉合，這樣當松開起動按鈕SB1后，接觸器KM線圈仍能通過其輔助觸點通電并保持吸合狀態。這種依靠接觸器本身輔助觸點使其線圈保持通電的現象稱為自鎖，起自鎖作用的觸點稱為自鎖觸點。（3）按下停止按鈕SB2，接觸器KM線圈失電，則其主觸點斷開，切斷電動機三相電源，電動機M自動停止，同時接觸器KM自鎖觸點也斷開，控制回路解除自鎖，KM斷電。松開停止按鈕SB2，控制電路又回到起動前的狀態。3）電動機自鎖起動控制電路保護環節由于在生產運行中會有很多無法預測的情況出現，因此為了工業生產能夠安全、順利的進行，減少生產事故造成的損失，有必要在電路中設置相應的保護環節。電動機自鎖起動控制線路的保護環節及功能如下。（1）短路保護。低壓斷路器QF1（或熔斷器FU1）和QF2（或熔斷器FU2）分別對主電路和控制電路實現短路保護，當電路發生短路故障時，低壓斷路器立即切斷電路，停止對電路的供電。（2）過載保護。熱繼電器FR對電動機實現過載保護，當通過電動機電流超過一定范圍且一定時間后，FR觸點動作，切斷電動機供電回路。（3）漏電保護。在控制電路發生漏電故障時，如果漏電保護斷路器QF2工作十分可靠，控制電路通過漏電保護斷路器切斷電路，實施保護。（4）欠壓、失壓保護。交流接觸器KM還具有欠壓、失壓保護功能，即當電源電壓過低或電源斷電時，KM自動復位，電動機停止工作。在KM復位后，即便電源電壓恢復正常狀態，電路也不能自恢復起動，必須重新按下起動按鈕電動機才能重新起動。2.電動機正、反轉控制電路1）電動機正、反轉控制電路組成圖1-3所示電路為電動機正反轉控制的典型電路之一。圖1-3電動機正、反轉運行控制電路2）電動機正、反轉運行控制電路工作原理電動機正、反轉運行控制電路工作原理如下。按下電動機正轉起動按鈕SB2，接觸器KM1線圈通電，其常開主觸點閉合，電動機接通電源開始全起動，同時接觸器KM的輔助常開觸點閉合自鎖；按下停止按鈕SB1，KM1斷電，電動機停止工作；按下反轉起動按鈕SB3，接觸器KM2通電自鎖，電動機反轉起動。3）電動機正、反轉運行控制電路保護環節正、反轉運行控制電路除了具有短路保護、電動機過載保護、欠壓及失壓保護外，為了防止由于誤操作而引起相間短路，在控制線路中加入接觸器觸點KM1、KM2互鎖及按鈕SB2、SB3互鎖保護環節。1.1.3繼電控制電路電氣元件選擇原則電路原理圖設計完成后，依照設計電路選擇所需電器元件，一般情況下的選擇原則如下。（1）自動開關的選擇（2）熔斷器的選擇。（3）接觸器的選擇。（4）時間繼電器的選擇。（5）熱繼電器的選擇。1.2PLC概述通俗地說，PLC就是專用的、便于擴充的計算機控制裝置。1987年國際電工委員會(InternationalElectricalCommittee，IEC）頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義：“可編程控制器是一種數字運算操作系統，專為工業環境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，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，并通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的生產機械和生產過程。可編程控制器及其有關外圍設備，都按易于與工業系統連成一個整體、易于擴充其功能的原理設計。”1.2.1PLC的產生、發展、特點及分類1.PLC的產生和發展PLC問世以前，人們主要利用繼電接觸式控制系統控制工業生產過程。進入20世紀80年代，隨著大規模和超大規模集成電路等微電子技術的快速發展，以16位和32位微處理器構成的微機化PLC得到了迅猛發展，使PLC在各個方面都有了新的突破，不僅功能增強，體積、功耗減小，成本下降，可靠性提高，而且在遠程控制，網絡通信，數據圖像處理等方面也得到了長足的發展。目前，世界各國的一些著名的電氣工廠幾乎都在生產PLC裝置。PLC已作為一個獨立的工業設備被列入生產中，成為當代電控及自動化裝置的主導。進入20世紀80年代以來，隨著改革開放和建設社會主義現代化強國的強盡需求，PLC的應用在我國得到長足的發展。在改造傳統設備、設計新的控制設備產品及生產過程工控系統中，PLC的應用逐年增多，并取得了顯著的經濟效益。目前，PLC已發展到現在的以16位和32位微處理器構成的微機化PC，而且實現了多處理器的多通道處理。PLC技術已非常成熟，不僅控制功能增強，功耗和體積減小，成本下降，可靠性提高，編程和故障檢測更為靈活方便，而且隨著遠程I/O、通信網絡及圖象顯示的多技術融合，PLC在連續生產過程控制領域的應用更加廣泛，PLC已經成為實現工業生產自動化的主要控制裝置。PLC的應用特點PLC作為一種新型、專用的工業控制裝置，其自身有著其他控制設備不可替代的特點。1）編程方法簡單、易學2）功能強、性能價比高3）硬件配套齊全、線路連接方便、適應性強4）可靠性高，抗干擾能力強可靠性高，抗干擾能力強是PLC最突出的特點之一。（1）PLC的I/O通道均采用光電隔離，使工業現場的外電路與PLC內部電路之間在電氣上隔離，有效地抑制了外部干擾源對PLC的影響。（2）對供電電源及線路采用多種形式的濾波，以消除或抑制高頻干擾；對CPU等重要部件采用優良的導電、導磁材料進行屏蔽，以減少空間電磁干擾。（3）PLC由于采用現代大規模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。（4）PLC采用掃描工作方式，減少了由于外界環境干擾引起的故障。另外，在結構上對耐熱、防潮、防塵、抗震等也都有精確的考慮。因此，PLC與其一般控制系統比較，具有更高的可靠性和很強的抗干擾能力，可以直接用于具有強烈干擾的工業現場，并能持續正常工作。PLC平均無故障時間可達數萬小時，使用壽命可達10年以上。5）通信方便、便于實現組態監控6）體積小、功耗低7）系統的設計、安裝、調試工作量小8）維護方便工作量小PLC的分類PLC的形式有多種，功能也不盡相同，對PLC進行分類時，一般按照以下原則分類：1）按硬件結構形式分類根據硬件結構形式的不同，可大致將PLC分為整體式和模塊式。（1）整體式PLC小型PLC一般采用整體式結構，如西門子S7-200系列、S7-200系列PLC的替代產品S7-200SMART及S7-1200PLC等。（2）模塊式PLC模塊式PLC由機架和具有各種不同功能的模塊組成。各模塊可直接掛接在機架上，模塊之間則通過背板總線連接起來。大、中型PLC多采用這種結構形式，如西門子S7-300系列、S7-400系列。2）按功能和I/O點數分類根據PLC的功能強弱不同，可將PLC分為小型、中型機和大型機三類。目前，國外的S7-200PLC生產線已經停產，但在我國及一些發展中國家，中小型控制系統應用特別廣泛，S7-200CN系列PLC由于價格便宜、設計簡單及操作方便，仍然占有很大的市場保有量。1.2.2PLC的應用領域PLC不僅能替代繼電系統控制，還能用來解決模擬量閉環控制及較復雜的計算和通信問題。PLC在工業自動化領域的應用比例越來越大，當前已處于自動化控制設備的領先地位。1.開關量的邏輯控制2.運動控制3.閉環過程控制4.數據處理5.聯機通訊6.現場總線型PLC1.2.3從繼電接觸控制到PLC控制前已述及，繼電接觸式控制系統，主要由輸入部分（開關等）、輸出部分（接觸器等）和控制部分（繼電器及觸點）組成。對于各種不同要求的控制功能，必須設計相應的控制電路。PLC控制系統主要組成也由輸入、輸出和控制三部分組成，如圖1-4所示。被控對象被控對象輸入部分控制部分(PLC)（由用戶程序實現控制功能，也稱由"軟件繼電器"、"軟觸點"和"軟接線"組成）輸出部分（接觸器、電磁閥、指示燈等）（按鈕、位置開關、傳感器等）圖1-4PLC控制系統的組成從圖1-4中可以看出，PLC控制系統的輸入、輸出部分和繼電器控制系統的輸入、輸出部分基本相同，但其控制部分則采用了“可編程”的PLC，而不是實際的繼電器線路。因此，在硬件電路基本不變的情況下，PLC控制系統可以方便地通過改變用戶程序，以實現各種控制功能，從根本上解決了繼電器控制系統控制電路難以改變的問題。同時，PLC控制系統不僅能實現邏輯運算，還具有數值運算及過程控制等復雜的控制功能。PLC控制與繼電器控制的主要區別如下。1.組成器件不同繼電器控制系統由許多真正的硬件繼電器組成，而PLC控制系統由許多所謂的“軟繼電器（簡稱元件）”組成。這些“軟繼電器”實質上是存儲器中的每一位觸發器，可以置“0”或置“1”。2.觸點數量不同硬件繼電器的觸點數量有限，用于控制的繼電器的觸點一般只有4~8對，而PLC中每只“軟繼電器”供編程使用的觸點數有無數多對。3.實施控制的方法不同在繼電器控制線路中，通過各種繼電器之間的硬接線來實現某種控制，由于其控制功能已經包含在固定線路之間，因此它的功能專一、靈活性差；而PLC控制在輸入輸出硬件裝置基本不變的情況下，可以通過用戶編寫梯形圖程序（軟件功能）實現多種控制功能，使用方便、靈活多變。繼電器控制線路中，設置了許多制約關系的互鎖電路，以達到提高安全性和節約繼電器觸點的要求；而在梯形圖中，因為采用了掃描工作方式，不存在幾個支路并列工作的因素，此外，軟件編程也可將互鎖條件編制進去，大大簡化了控制電路設計工藝。4.工作方式不同繼電器控制系統采用硬邏輯的并行工作方式，繼電器線圈通電或斷電，都會使該繼電器的所有常開和常閉觸點立刻動作；而PLC采用循環掃描工作方式（串行工作方式），如果某個軟繼電器的線圈被接通或斷開，其觸點只有等到掃描到該觸點時才會動作。1.2.4PLC掃描工作方式PLC是通過執行反映控制要求的用戶程序來完成控制任務的，需要執行多種操作。但CPU不可能同時去執行多個操作，它只能按分時操作（串行工作）方式，每一次執行一個操作，按順序逐個執行，這種串行工作過程稱為PLC的掃描工作方式。由于CPU的運算處理速度很快，所以從宏觀上來看，PLC的輸出結果似乎是同時完成的。用掃描工作方式執行用戶程序時，掃描是從程序第一條指令開始，在無中斷或跳轉控制的情況下，按程序存儲順序的先后，逐條執行用戶程序，直到程序結束，然后再從頭開始掃描執行，周而復始重復運行。1.內部處理階段在內部處理階段，進行PLC自檢，對監視定時器（WDT）復位以及完成其它一些內部處理工作。2.通信服務階段在通信服務階段，PLC與其它智能裝置實現通信，響應編程器鍵入的命令，以及更新編程器的顯示內容等。當PLC處于停止（STOP）狀態時，只完成內部處理和通信服務工作；當PLC處于運行（RUN）狀態時，除完成內部處理和通信服務工作外，還要完成輸入采樣、程序執行、輸出刷新工作。上電開始上電開始CPU運行方式內部處理通信服務輸入采樣程序執行輸出處理RUN方式STOP方式圖1-5掃描過程示意圖3.輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描工作方式按順序對所有輸入端的輸入狀態進行采樣，并存入刷新輸入映像寄存器中，接著進入程序處理階段。既使輸入狀態發生變化，輸入映像寄存器的內容也不會改變，輸入映像寄存器只有在下一個掃描周期的輸入狀態采樣后才能被刷新。4.程序執行階段在程序執行階段，PLC對程序按順序進行掃描執行。若程序用梯形圖來表示，則總是按先上后下，先左后右的順序進行；當遇到程序跳轉指令時，則根據跳轉條件是否滿足來決定程序是否跳轉；當指令中涉及到輸入、輸出狀態時，PLC從輸入映像寄存器和元件映像寄存器中讀出，根據用戶程序進行運算，運算的結果再存入元件映像寄存器中。對于元件映像寄存器來說，其內容會隨程序執行的過程而變化。5.輸出處理階段當所有程序執行完畢后，進入輸出處理階段。在這一階段里，PLC將輸出映像寄存器中與輸出有關的狀態（輸出繼電器狀態）轉存到輸出鎖存器中，并通過一定方式輸出，驅動外部負載。1.3PLC系統基本結構PLC是一種以微處理器（CPU）為核心，專門為工業環境下的電氣自動化控制而設計的計算機控制裝置。PLC比普通計算機有著更強的I/O接口能力，更適用于工業控制要求的編程語言和優良的抗干擾能力。1.3.1PLC硬件結構PLC的硬件主要由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入單元、輸出單元、通信接口、擴展接口、電源等幾部分組成。其中，CPU是PLC的核心，輸入單元/輸出單元是CPU與現場輸入/輸出設備之間的接口電路，通信接口主要用于連接編程器、上位計算機等外部設備。對于整體式PLC，其組成框圖如圖1-6所示；而模塊式PLC，其組成框圖如圖1-7所示。無論是哪種結構類型的PLC，都可根據用戶需要進行配置與組合。圖1-6整體式PLC組成框圖主機CPU主機CPU通信模塊輸入模塊輸出模塊智能I/O模塊總線編程器或PC機上位機或者工業現場圖1-7模塊式PLC組成框圖盡管整體式PLC與模塊式的結構不太一樣，但各部分的功能作用是相同的，下面對PLC主要組成部分進行簡單介紹。1）CPUCPU是PLC的核心，PLC中所配置的CPU隨機型不同而不同。在實際應用中，小型PLC大多采用通用微處理器或單片微處理器；中型PLC大多采用16位通用微處理器或單片微處理器；而大型PLC大多采用高速位片式微處理器。目前，小型PLC多為單CPU系統，而大、中型PLC則多為雙CPU系統。對于雙CPU系統，其中一個為字處理器，一般采用8位或16位處理器；另一個為位處理器，采用由各廠家設計制造的專用芯片。字處理器為主處理器，用于實現與編程器連接、監視內部定時器和掃描時間、處理字節指令以及對系統總線和位處理器進行控制等。位處理器為從處理器，主要用于處理位操作指令和實現PLC編程語言向機器語言的轉換。位處理器的使用，提高了PLC的速度，使其能夠更好地滿足實時控制要求。在PLC中，CPU按系統程序賦予的功能，指揮PLC有條不紊地進行工作，歸納起來主要有以下幾個方面。（1）接收從編程器輸入的用戶程序和數據。（2）診斷電源以及PLC內部電路的工作故障和編程中的語法錯誤等。（3）通過“輸入接口”接收現場的狀態或數據，并存入輸入映像寄存器或數據寄存器中。（4）從存儲器逐條讀取用戶程序，經過解釋后執行。（5）根據執行的結果，更新有關標志位的狀態和輸出映像寄存器的內容，通過輸出單元實現輸出控制。2）存儲器PLC中的存儲器主要用來存放系統程序、用戶程序以及工作數據。常用的存儲器主要有可讀/寫操作的隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM、PROM、EPROM與EEPROM）兩類。系統程序是用于完成系統診斷、命令解釋、功能子程序調用、邏輯運算、通信及各種參數設定等功能，以及提供PLC運行所需要的工作環境，由PLC制造廠家編寫的，直接固化到只讀存儲器ROM、PROM或EPROM中，不允許用戶進行訪問和修改。系統程序和PLC的硬件組成有關，直接影響到PLC的性能。工作數據是PLC運行過程中經常變化、經常存取的一些數據，一般將其存放在RAM中，以適應隨機存取的要求。3）輸入/輸出單元輸入/輸出單元通常也稱I/O單元或I/O模塊，是PLC與工業生產現場之間連接的部件。PLC通過輸入單元可以檢測被控對象的各種數據，將這些數據作為PLC對控制對象進行控制的依據，同時PLC也可通過輸出單元將處理結果送給被控制對象，以實現控制的目的。4）通信接口為了實現人機交互，PLC配有各種通信接口。PLC通過這些通信接口可與監視器、打印機、以及其它的PLC或計算機等設備實現通信。5）智能接口模塊6）編程裝置7）電源1.3.232572輸入輸出單元接口I/O單元內部的接口電路具有電平轉換的功能，由于外部輸入設備和輸出設備所需的信號電平多種多樣，而在PLC內部，CPU處理的信息只能是標準電平，這種電平的差異要由I/O接口來完成轉換。I/O接口電路一般具有光電隔離和濾波功能，用來防止各種干擾信號和高電壓信號的進入，以免影響設備的可靠性或造成設備的損壞。1）開關量輸入單元接口常用的開關量輸入單元按其使用的電源不同分直流輸入單元、交流輸入單元、交/直流輸入單元和傳感器輸入四種類型，其內部接口電路原理及外部輸入開關信號接線如圖1-8所示。對于S7-200PLC，在接口應用中應該注意到下面幾個問題。（1）允許為某些數字量輸入點選擇一個定義時延（可從0.2毫秒至12.8毫秒之間選擇）的輸入濾波器，可以通過編程軟件STEP7-Micro/WIN下的系統塊設置。通過設置輸入延時過濾數字量輸入信號。因此，輸入信號必須在時延期限內保持不變，才能被認為有效。默認濾波器時間是6.4毫秒。（2）COM端為各輸入點的內部輸入電路的公共端，在S7-200中，使用符號1M或2M表示。（3）直流輸入可以采用S7-200PLC內部的DC24V直接供電，輸入開關信號可以是普通按鈕、行程開關、繼電器或信號報警等觸頭產生。2）開關量輸出單元接口常用的開關量輸出單元按輸出開關器件不同有三種類型：繼電器輸出單元、晶體管輸出單元和雙向晶閘管輸出單元。繼電器輸出單元可驅動交流或直流負載，但其響應速度慢，適用于動作頻率低的負載；而晶體管輸出單元和雙向晶閘管輸出單元的響應速度快，工作頻率高，前者僅用于驅動直流負載，后者多用于驅動交流負載。1.3.3軟件組成PLC的軟件主要分為系統軟件和用戶程序兩大部分。系統軟件是PLC制造商編制的，并固化在PLC內部PROM或EPROM中，隨產品一起提供給用戶的，用于控制PLC自身的運行；用戶程序是由使用者編制、用于控制被控裝置運行的程序。1．系統軟件系統軟件又分為系統管理程序、編程軟件和標準程序庫。（1）系統管理程序是系統軟件最重要的部分，是PLC運行的主管，具有運行管理、存儲空間管理、時間控制和系統自檢等功能。其中，存儲空間管理是指生成用戶程序運行環境，規定輸入/輸出、內部參數的存儲地址及大小等；時間控制主要是對PLC的輸入采樣、運算、輸出處理、內部處理和通信等工作的時序實現掃描運行的時間管理；系統自檢是對PLC的各部分進行狀態檢測，及時報錯和警戒運行時鐘等，確保各部分能正常有效地工作。（2）編程軟件是一種用于編寫應用程序的工具，具有編輯、編譯、檢查、修改等功能。常見的西門子編程軟件有S7-200PLC的Step7-Micro/WIN、S7-200升級版S7-200SMARTPLC的STEP7-Micro/WINSMART、新一代升級版TIA博途中的STEP7Basic（S7-1200PLC）及WinCC組態編程等。（3）標準程序庫是由許多獨立的程序塊組成，包括輸入、輸出、通信等特殊運算和處理程序，如信息讀寫程序等，各個程序塊能實現不同的功能，PLC的各種具體工作都是由這部分程序完成的。2.用戶程序用戶程序是指用戶根據工藝生產過程的控制要求，按照所使用PLC所規定的編程語言或指令而編寫的應用程序。用戶程序除了PLC的控制邏輯程序外，對于需要操作界面的系統還包括界面應用程序。1.4從一個簡單示例看PLC應用開發過程本章通過一個簡單的PLC電動機自鎖起動控制系統應用示例，讓讀者初步了解PLC的應用開發過程。1.控制要求控制要求如下。（1）用S7-200系列PLC實現對電動機進行起動、停止、自鎖保護、過載保護的控制。（2）按下輸入控制起動按鈕，電動機自鎖起動，按下輸入控制停止按鈕，電動機停止運行。（3）利用熱繼電器常閉觸點實現過載保護。2.PLC電動機自鎖起動控制系統構成根據控制要求，PLC三相異步電動機自鎖控制系統如圖1-10所示。圖1-10a為主電路，由電動機M、熱繼電器FR、接觸器（輸出部分）KM的主常開觸點、熔斷器FU1刀開關QS構成；圖圖1-10b為控制電路，由S7-200PLC控制器，起動按鈕SB1（輸入部分）、停止按鈕SB2（輸入部分）、接觸器KM（注意：本例控制線路接觸器線圈的工作電壓為DC24V）。SB1M3～FRSB1M3～FRKMFU1QSL3L2L1Q1.0I0.1I0.0KMSB2COMCOM24V24VPLCFRI0.2SB1圖1-10PLC三相異步電動機自鎖控制系統a）主電路b）控制電路3.PLC電動機自鎖起動控制系統工作原理圖1-10b所示為PLC電動機自鎖起動控制電路，其工作原理如下。（1）控制線路起動時，合上刀開關QS，主電路引入三相電源。（2）PLC控制電路只需要連接輸入開關信號（I0.0、I0.1、I0.2）輸出開關信號（Q1.0）即可，PLC執行相應的控制程序，即可實現對繼電器KM的自鎖控制。（3）當按下起動按鈕SB1，24V直流電源通過PLC輸入端口I0.0形成回路，置PLC內部的輸入軟繼電器I0.0為ON，其軟常開觸點I0.0導通；由于按鈕SB2原狀態是閉合的，故軟輸入軟繼電器I0.1為ON，其軟常開觸點I0.1也是導通的，因此，PLC內部的輸出繼電器Q1.0得電為ON，其內部觸點閉合，24V直流電源通過內部觸點使接觸器KM線圈形成通電回路，同時實現自鎖功能；KM線圈得電時，其常開主觸點KM閉合，電動機接通電源開始全起動；（4）按下停止按鈕SB2，I0.1回路斷電，軟繼電器I0.1線圈失電，則其軟觸點斷開，Q1.0失電為OFF，使接觸器KM線圈斷電，KM觸點斷開，切斷電動機三相電源，電動機M自動停止運行，控制電路又回到起動前的狀態。（5）熱繼電器FR對電動機實現過載保護，正常工作時，熱繼電器常閉觸點閉合，I0.2為ON，電路工作正常，當通過電動機電流超過一定范圍時，熱繼電器動作，常閉觸點斷開，I0.2為OFF，切斷電動機供電回路。（6）熔斷器FU1對主電路實現短路保護，電路同時具有欠壓、失壓保護。教學設計設計思路教師自我介紹學生互動小游戲，我和我的同學們解讀課前問卷調查，提出問題課程介紹由于本次課程是本門課程的第一次課，所以首先要給學生作課程介紹。這部分要介紹清楚本門課程在整個學科體系中的作用和地位，以及學習本門課程的要求。PLC的概述。對于對PLC沒有任何認識的學生來說，首先介紹PLC的定義，其次介紹PLC組成及在系統中的作用，最后對PLC的發展和應用進行介紹。這部分內容涉及到一些概念要力求給學生講清楚。PLC的應用實例。學生第一次上課，為了加強學生對PLC的了解，通過邏輯控制、運動控制、過程控制、機械加工的數控、機器人控制、多級控制等方面的一些具體的應用實例讓學生從另一個側面來了解PLC。這部分內容在制作講課用的PPT時采用大量的PLC的實物圖片，生活生產中的案例來說明PLC的應用。如何學習這門課程。這部分內容結合了在本門課程的學習中往屆學生設計制作的一些項目，以及我自己在以往的教學工作中承擔的一些項目，讓學生明白學完本門課程可以達到一個什么要的程度。這部分內容內容在制作講課用的PPT時采用大量的實物圖片，視頻。思政內容在國內生產PLC的廠家體現出來。2、教學手段和資源（1）視頻+圖片PLC實物圖片+結合PLC的工業應用及實驗室的情況體現項目式教學（2）仿真PLC的仿真軟件（3）動畫一些實際系統的工作視頻（4）互聯網互聯網資料查詢（5）超星學習通平臺利用平臺完成課后作業、測試和主題討論3.教學過程教學流程教學內容教師活動學生活動課程介紹課程性質、教材、學習要求、本課程解決的問題老師運用PPT講授，并在講授種通過大量應用實例的圖片來說明PLC的應用。仔細聆聽，討論，分析問題，回答問題課程導入PLC在哪些地方有應用？老師提問，引起學生的思考思考、討論，回答老師的提問。知識學習1（本次課重點難點）PLC概述1.什么是PLC2.PLC的組成3.PLC的產生及發展4.主要生產廠商及產品1.老師運用PPT講授，并在講授過程中提問。這是本章的重點和難點。仔細聆聽，討論、回答老師的提問。知識學習2（本次課重點）PLC的應用1.應用場合及實例2.發展趨勢1.老師運用PPT講授，并在講授過程中提問。仔細聆聽，討論、載學習通回答老師的提問。總結本節課內容總結根據所講的內容進行知識總結。仔細聆聽并思考教學后記周次第2周授課時間章節名稱第2章S7-200系列PLC硬件及編程資源2-1S7-200系列PLC及升級版2-2S7-200PLC硬件系統配置2-3I/O編址及外部端口接線2-4S7-200PLC內部編程資源2-5S7-200SMARTPLC系統配置授課方式理論課（√）、實驗課（）上機（）、其他方式（）教學時數4學時教學目的和要求1.知識與技能：1.了解S7-200PLC和S7-200SMARTPLC的硬件系統配置及其區別。2.了解S7-200系列PLC的內部編程資源。3.掌握S7-200系列PLC的工作原理。2.過程與方法：以學生為主體，組織課堂活動，增加學生課堂參與度與學習的主動性；通過討論分析，從理論聯系實際的角度來解決一些實際問題。3.情感目標：學生通過課程的學習了解一些PLC在工程中的應用、低壓電器設備的相關知識，提高學生發現、提出問題、分析和解決問題的能力,培養學生的動手能力、創新意識。教學重點難點重點：PLC的硬件系統配置、編程資源和工作原理。2、難點：PLC的工作原理。教學方法選擇以下方面：教師講授（√），課堂討論（√），多媒體教學（√），提問式教學（√）討論練習作業作業：學習通完成作業教研室主任審批意見教學內容要點(可附另頁)S7-200系列PLC及升級版S7-200系列PLC是西門子公司生產的一種超小型可編程邏輯控制器。2.1.1S7-200PLCS7-200PLC設計緊湊，使用方便、應用靈活、性價比高，具有良好的可擴展性及強大的指令集，能夠比較完美地滿足多種場合中的檢測、監測及小規模控制系統的需求，可以作為獨立的控制器模塊廣泛應用在各類自動控制及集散化控制系統中。2.1.2S7-200SMARTPLCS7-200SMARTPLC是西門子公司推出的S7-200PLC的升級產品，其指令系統與S7-200PLC基本相同，但其編程資源和功能大大增加，集成了強大的以太網功能，可以覆蓋所有與自動檢測、自動控制有關的工業及民用領域。2.1.3S7-1200PLCS7-1200PLC是S7-200的新一代升級產品，涵蓋了S7-200的原有功能并增加了許多特殊功能，可以提供多種智能模塊，具有非常強大的通信功能，可以滿足比較復雜及更廣泛控制領域的應用。2.2S7-200PLC硬件系統配置S7-200PLC（簡稱S7-200）適用于各種場合中的監測及系統自動控制，具有極高的可靠性、極其豐富的指令集、強大的通信能力和豐富的擴展模塊，便捷的操作特性易于用戶掌握。2.2.1S7-200PLC的硬件構成和性能特點1．硬件系統構成S7-200PLC硬件系統主要包括CPU主機模塊、擴展模塊、功能模塊、相關設備以及編程工具，其系統組成如圖2-1所示，S7-200CNCPU其硬件特點如圖2-2所示。CPUCPU主機相關設備通訊網絡設備TD200W顯示器其他設備觸摸屏編程工具工業軟件功能模塊擴展模塊圖2-1S7-200PLC系統組成S7-200PLC硬件特點主要表現在以下方面。1）CPU主機具有增強的內置集成功能CPU主機是PLC最基本的單元模塊，是PLC的主要組成部分，包括CPU、存儲器、基本I/O點和電源等，內置功能強大。CPU主機實際就是一個完整的控制系統，可以單獨完成一定的控制任務。2）增強的擴展模塊特性主機I/O點數量不能滿足控制系統的要求時，用戶可以根據需要使用各種I/O擴展模塊。如數字擴展模塊EM223-24VDC支持32個輸入/輸出和32個輸入/繼電器輸出；模擬量EM235擴展模塊組合的模擬量為4輸入/1輸出。3）增強的編程軟件包STEP7-Micro/WINV4.0編程軟件能支持MicrosoftVista等操作系統。同時，對通訊設置也作了改進，如果STEP7-Micro/WINV4.0第一次啟動時檢測到USB電纜，就會自動選擇USB通訊方式。4）相關設備配備齊全為充分和方便利用系統的硬件和軟件資源而開發和使用的一些設備，主要有編程設備、人機操作界面和網絡設備等。為更好地管理和使用這些設備，開發了與之相配套的程序，它主要由標準工具、工程工具、運行軟件和人機接口軟件等構成。2．S7-200性能特點S7-200性能特點主要表現如下。1）立即讀寫I/O點S7-200的指令集提供了立即讀寫物理I/O點的指令，用戶可以在程序中立即讀寫I/O點，而不受PLC循環掃描工作方式的影響。2）提供高速I/Ｏ點S7-200具有集成的高速計數功能，能夠對外部高速事件計數而不會影響S7-200的性能。這些高速計數器都有專用的輸入點作為時鐘、方向控制、復位端、啟動端等功能輸入；S7-200還支持高速脈沖輸出功能，其輸出點Q0.0和Q0.1可形成高速脈沖串（PTO）或脈寬調制（PWM）控制信號。3）對數字量輸入加濾波器S7-200允許用戶為某些或者全部本機數字量輸入點選擇輸入濾波器，并可以對濾波器定義0.2ms～12.8ms的延遲時間，系統默認的延遲時間為6.4ms。該延遲時間能濾除輸入雜波，從而減小輸入狀態發生意外改變的可能。輸入濾波器是系統塊的一部分，它需要通過編程軟件下載并儲存在S7-200CPU中。4）對模擬量輸入加濾波器S7-200允許用戶對每一路模擬量輸入選擇軟件濾波器，濾波值是多個模擬量輸入采樣值的平均值。濾波器具有快速相應的特點，可以反映信號的快速變換，系統默認為對所有模擬量輸入進行濾波配置。5）設置停止模式下的數字量/模擬量輸出狀態S7-200輸出表可以用來設置數字量/模擬量的輸出狀態，用于指明在從運行模式進入停止模式后，是將已知值傳送至數字量/模擬量輸出點，還是使輸出保持停止模式之前的狀態。輸出表是系統塊的一部分，它需要通過編程軟件下載并儲存在S7-200CPU中。6）捕捉窄脈沖S7-200為每個本機數字量輸入提供脈沖捕捉功能，該功能允許PLC捕捉到持續時間很短的高電平脈沖或者低電平脈沖。當一個輸入設置了脈沖捕捉功能，輸入端的狀態變換就被鎖存一直保持到下一個掃描循環刷新，這樣就能確保一個持續時間很短的脈沖被捕捉到，并一直保持到S7-200讀取該輸入點。7）設置掉電保護存儲區S7-200允許用戶定義最多6個掉電保護區的地址范圍，變量存儲器V、位存儲器M、計數器C和定時器T。在缺省情況下，M存儲器的前14個字節是非保持的。對于定時器，只有保持型定時器TONR可以設為掉電保護。而且定時器和計數器只有當前值可以保持，定時器位和計數器位是不能保持的。8）快速響應中斷服務程序S7-200允許用戶在程序掃描周期中使用中斷，與中斷事件相關的中斷服務程序作為程序的一部分被保存。在正常的程序掃描周期中，有中斷請求就立即執行中斷事件。在中斷優先級相同的情況下，S7-200遵循“先來先服務”的原則來執行中斷服務程序。9）實現PID運算操作S7-200PLC設置了PID回路指令，通過程序設置PID回路表參數，可以十分方便地通過執行PID回路指令，對模擬量構成閉環控制系統。10）提供模擬電位器S7-200提供有模擬電位器可以手動調節，位于模塊前蓋下面。調節電位器能增加/減小存于特殊存儲器中的值，這些只讀值在程序中可有很多功能，如更新定時器或計數器的當前值，輸入或修改預置值、限定值等。11）提供四層口令保護S7-200所有型號都提供口令保護功能，用以限制對特殊功能的訪問。對CPU功能及存儲器的訪問權限是通過設置口令來實現的。S7-200CPU提供了限制CPU訪問功能的四個等級，若要進行四個等級的訪問，均需輸入正確的口令。2.2.2S7-200CPU模塊和技術指標S7-200CPU22x系列PLC主機有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226五種不同結構配制的CPU單元，供用戶根據不同需要選用。1．CPU模塊結構S7-200的CPU模塊是一個功能強大的整體式PLC，它集成了一個微處理器、一個集成電源、輸入/輸出（I/O）若干端點（口）及RAM、EEPROM等，被封裝在一個緊湊的外殼內。CPU模塊負責執行程序，輸入點用于從現場設備中采集信號，輸出點則負責輸出控制信號，用于驅動外部負載。CPU22x系列PLC主機（CPU模塊）的外形示意圖，如圖2-3所示。前翻蓋：前翻蓋：模式選擇開關模擬電位器擴展端口輸入狀態指示燈端子下翻蓋終端接線端子排輸出狀態指示燈端子上翻蓋運行狀態指示燈可選卡插槽：存儲卡、時鐘卡、電池卡等通訊接口：（CPU224XP、CPU226有兩個）圖2-3CPU22x系列PLC主機模塊外形功能示意圖S7-200PLC有RUN和STOP兩種工作模式，可由模式選擇開關選擇。當模式選擇開關處于STOP位置時，不執行程序但可以對其編寫程序；當開關處于RUN位置時，PLC處于運行狀態，此時不能對其編寫程序；當開關處于TERM監控狀態時，可以運行程序也可以進行讀/寫操作。擴展端口用于連接擴展模塊，實現I/O擴展。端子下翻蓋下面為輸入端子和傳感器電源端子，輸入端子的運行狀態可以由端子蓋上方的一排指示燈顯示，正常工作時對應指示燈被點亮。端子上翻蓋下面為輸出端子和PLC供電電源端子，輸出端子的運行狀態可以由端子蓋下方的一排指示燈顯示，正常工作時對應指示燈被點亮。運行狀態指示燈用于顯示CPU所處的工作狀態。當CPU處于STOP狀態（停機方式）或重新啟動時，黃燈常量；當CPU處于RUN狀態（運行方式）時，綠燈常亮；當CPU處于SF狀態（硬件故障或軟件錯誤）時，紅燈常亮。可選卡插槽可以插入存儲卡、時鐘卡、電池卡等，存儲器卡用來在沒有供電的情況下（不需要電池）保存用戶程序。通訊接口可以連接RS-485通信電纜，可以通過專用PPI通信電纜連接上位機（RS-232）或編程設備或文本顯示器或其它的CPU，實現PLC與上位機或者其他PLC之間的通訊。2.CPU模塊實物外形常用的S7-200PLCCPU模塊實物外形如圖2-4所示。圖2-4常用S7-200CPU實物模塊功能下面僅介紹S7-200常用的典型模塊。1）CPU224XPCNPLCCPU224XPCNPLC集成了14輸入/10輸出數字量I/O點、2輸入/1輸出模擬量I/O端口；22KB程序和數據存儲空間間；6個獨立的100kHz高速計數器、2路獨立的100kHz高速脈沖輸出；具有實現PID運算控制功能，構成閉環控制系統；2個RS485通信編程口，具有PPI通訊協議、MPI通訊協議和自由方式通訊功能；內置模擬量I/O、自整定PID、線性斜坡脈沖指令等功能。CPU224XPCNPLC可以連接7個擴展模塊，最大擴展為168路數字量I/O點或38路模擬量I/O端口。CPU224XPCNPLC是具有強大控制能力的控制器。2）CPU226CNPLCCPU226CNPLC集成了24輸入/16輸出數字量I/O點、2輸入/1輸出模擬量I/O端口；26KB程序和數據存儲空間；6個獨立的30kHz高速計數器、2路獨立的20kHz高速脈沖輸出；具有實現PID運算控制功能，構成閉環控制系統；2個RS485通信編程口，具有PPI通訊協議、MPI通訊協議和自由方式通訊功能。CPU226CNPLC可以連接7個擴展模塊，最大擴展為248路數字量I/O點或35路模擬量I/O端口，CPU226CNPLC具有更快的運行速度和功能更強的內部集成特殊，完全能夠適應一些較復雜的中、小型控制系統。4．S7-200CPU技術指標S7-200CPU的技術指標如下。1）S7-200CPU電源技術規范CPU221~CPU226分別設定了DC24V和AC120~220V兩種電源供電模式。例如，CPU22xDC/DC/DC，其中第1個參數DC表示CPU工作供電為直流電源（20.4~28.8V），第2個DC表示輸入信號控制電壓為直流電源，第3個參數DC表示輸出控制電壓（負載的工作電源）為直流電源.。CPU直流供電如圖2-5-a所示。圖2-5CPU供電電源例如，CPU22xAC/DC/繼電器，其中第1個參數AC表示CPU工作供電為交流電源（AC85～265V），第2個DC表示輸入信號控制電壓為直流電源，第3個參數表示繼電器輸出，其觸頭控制負載的電壓可以為交、直流電源（電流<2A，電壓85～265V）。CPU交流供電如圖2-5-b所示。2）S7-200CPU單元技術指標S7-200CPU單元技術指標見表2-1。5．存儲系統及功能1）硬件組成S7-200PLC的存儲系統由隨機存儲器（RAM）和可編程的只讀存儲器（EEPROM）構成，CPU模塊內部配備一定容量的RAM和EEPROM，其存儲容量以字節“B”為單位，如圖2-6所示。同時，CPU模塊支持可選的EEPROM存儲器卡。還增設了超級電容和電池模塊，用于長時間保存RAM中的數據。用戶數據可通過主機的超級電容存儲若干天；電池模塊可選，使用鋰電池模塊可使數據的存儲時間延長到1～3年。2）程序存儲空間存儲空間可分為系統程序存儲器和用戶程序存儲器。系統程序由PLC產品設計者設計并由生產廠商固化在EEPROM中，對用戶不透明，它反映了PLC技術水平，它能夠智能化地管理和完成PLC規定的各種基本操作，用戶不能修改；用戶程序（在需要時含數據塊、CPU組態設置）是根據PLC用戶要求實現的特定功能而設計的程序。3）程序下載和上傳用戶程序、數據塊（可選）及CPU組態（可選）需要通過上位機編程下載到CPU存儲器RAM區，CPU會自動地將其拷貝到EEPROM中，在存儲器RAM和EEPROM中互為映像空間，以利于長期保存，以利于提高系統的可靠性。4）開機恢復及掉電保持CPU上電后，將自動從EEPROM中將用戶程序、數據及CPU配置恢復到RAM中，當CPU模塊掉電時，如果在編程軟件中設置為保持，通用輔助存儲器M的前14個字節（MB0~MB13）數據自動保存在EEPROM中。2.2.3數字量輸入輸出（I/O）擴展模塊可以通過數字量I/O擴展模塊擴展輸入輸出點，擴展模塊外部連接示意圖如圖2-7所示。除CPU221外，其它CPU模塊均可配接一個或多個擴展模塊，連接時CPU模塊放在軌道左側，擴展模塊用扁平電纜與左側的模塊依次相連，形成擴展I/0鏈，擴展模塊實物如圖2-8所示。2.2.4模擬量輸入輸出擴展模塊在工業控制過程中，常需要對一些模擬量（連續變化的物理量）實現輸入或輸出控制，如溫度、壓力、流量等都是模擬輸入量，某些執行機構（如電動調節閥、晶閘管調速裝置和變頻器等）也要求PLC輸出模擬信號。在模擬信號輸入時，必須將模擬信號轉換為CPU能夠接受的數字信號，即進行模/數（A-D）轉換；在模擬信號輸出時，必須將CPU輸出的數字信號轉換為模擬信號，即進行數/模（D-A）轉換。2.2.5熱電偶、熱電阻輸入擴展模塊1.熱電偶輸入擴展模塊S7-200PLC的EM231熱電偶擴展模塊直接以熱電偶輸出的電勢作為輸入信號，進行A-D轉換后輸入給PLC，可以實現4路熱電偶輸入。該模塊具有冷端補償電路，可用于J、K、E、N、S和R型熱電偶，可通過模塊下方的DIP開關來選擇熱電偶的類型、斷線檢查、測量單位、冷端補償等功能。2.熱電阻輸入擴展模塊S7-200PLC的EM231熱電阻輸入擴展模塊提供了與多種熱電阻的連接口，通過DIP開關來選擇熱電阻的類型、接線方式、測量單位和開路故障的方向可以實現2路熱電阻輸入。所有連接到擴展模塊上的熱電阻必須是同一類型。熱電阻傳感器與EM231熱電阻控制模塊連接方式有2線、3線、4線3種，后兩種主要是為了消除連接導線引起的測量誤差，4線方式精度最高，一般情況下使用3線方式即可滿足測量要求。可以通過DIP開關SW8（OFF為3線、ON為2線或4線）設置熱電阻連接方式。2.2.6網絡通信及其他控制模塊S7-200PLC除了前面介紹的常用模塊外，還配備了網絡通信、位置控制、稱重、文本顯示器及觸摸屏等擴展模塊。2.3I/O編址及外部端口接線I/O端口是CPU與外部設備進行信息交換的接口，本節主要介紹S7-200PLC的I/O端口編址及端口的外部接線。2.3.1模塊I/O端口編址CPU必須通過編程實現從輸入端口獲取外部設備信息、從輸出端口對外部設備的控制功能。CPU是通過系統分配給各端口相應的編址來訪問輸入輸出端口的。2.3.2S7-200PLC模塊外部接線及注意事項一個PLC控制系統首先需要建立PLC與外部輸入信號與輸出控制設備的接口電路，然后，才能面向I/O端口進行程序設計。因此，用戶必須掌握I/O點與外部設備的連接關系和配電要求。2.4S7-200PLC內部編程資源2.4.1S7-200PLC編程軟元件編程軟元件是PLC（CPU）內部具有不同功能的存儲器單元，每個單元都有唯一的地址，在編程時，用戶只需使用軟元件的符號地址即可。S7-200PLC根據軟元件的不同功能，分為輸入寄存器、輸出寄存器、位存儲器、定時器、計數器、通用寄存器、數據寄存器及特殊功能存儲器等區域。PLC內部這些存儲器的作用和繼電接觸控制系統中使用的繼電器十分相似，也有“線圈”與“觸點”，但它們不是“硬”繼電器，而是PLC存儲器的存儲單元。當寫入該單元的邏輯狀態為“1”時，則表示相應繼電器線圈得電，其動合（常開）觸點閉合，動斷（常閉）觸點斷開，所以，內部的這些繼電器稱之為“軟”繼電器，這些軟繼電器的最大特點是其觸點可以無限次使用。2.4.2軟元件類型和功能1．輸入繼電器（I）輸入繼電器又稱輸入過程映象寄存器，一個輸入繼電器對應一個PLC的輸入端子，用于接收外部開關信號的控制。輸入繼電器與輸入開關信號的連接及內部等效電路，如圖2-21所示。2．輸出繼電器（Q）輸出繼電器又稱輸出過程映象寄存器，一個輸出繼電器對應一個PLC的輸出端子，可以作為負載的控制信號。3．通用輔助繼電器（M）通用輔助繼電器（又稱位存儲區或內部標志位）在PLC中沒有輸入/輸出端子與之對應，在邏輯運算中只起到中間狀態的暫存作用，類似與繼電器控制系統中的中間繼電器。通用輔助繼電器可以按位來存取數據，如M26.7。也可以按字節、字或雙字來存取數據，如MD20。4．特殊繼電器（SM）特殊繼電器的某些位（特殊標志位）具有特殊功能或用來存儲系統的狀態變量、控制參數和信息，是用戶與系統程序之間的界面。用戶可以通過特殊標志位來溝通PLC與被控制對象之間的信息。5．變量存儲器（V）變量存儲器用來存儲變量（可以被主程序、子程序和中斷程序等任何程序訪問，也稱全局變量），可以存放程序執行過程中數據處理的中間結果，如直接尋址位變量V1.0、字節變量VB10、字變量VW10、雙字變量VD10，它們的起始地址是相同的。6．局部變量存儲器（L）局部變量存儲器用來存放局部變量（局部變量只在特定的程序內有效），可以用來存儲臨時數據或者子程序的傳遞參數。局步變量可以分配給主程序段、子程序段或中斷程序段，但不同程序段的局部存儲器是不能相互訪問的。7．順序控制繼電器（S）PLC中也把順序控制繼電器稱為狀態器或狀態元件，是順序控制繼電器指令的重要元件，常與順序控制指令LSCR、SCRT、SCRE結合使用。8．定時器（T）定時器是PLC中常用的編程軟元件，主要用于累計時間的增量，其分辨率有1ms、10ms和100ms三種。定時器的工作過程與繼電器控制系統的時間繼電器類同，當定時器的輸入條件滿足時開始累計時間增量（當前值），當定時器的當前值達到預設值時，定時器觸點動作。定時器地址格式如T37。9．計數器（C）計數器是用來累計輸入脈沖的個數。當輸入觸發條件滿足時，計數器開始累計它的輸入端脈沖上升沿（正跳變）的次數；當計數器計數值達到預定的設定值時，計數器觸點動作。計數器地址格式如C2410．累加器（AC）11．模擬量輸入/輸出映像寄存器（AI/AQ）模擬量輸入映像寄存器用以存放A-D轉換后輸入的16位的數字量，其地址格式為AIW[起始字節地址]，如：AIW2。12．高速計數器（HC）一般計數器的計數頻率受掃描周期的影響，不能太高。而高速計數器可累計比CPU的掃描速度更快的事件。高速計數器的當前值是一個雙字長（32位）的整數，且為只讀值。教學設計1.課程導入：采用奧運會開幕式五環展示的控制，展開主題討論，導入本次課程。2.課程討論通過課程討論讓學生對所學知識點加深印象，并提高學生對課堂的參與度。在課堂教學中引入大量的實物圖片，結合實驗室的設備，即工程應用型教學法正是教學科研努力的方向，這種工程應用型的教學方法不僅對PLC這門課程的教學起著重要的作用，而且為工科學生進行以后系統的設計分析打下工程基礎，也為他們的工程思想的建立、為后續課程的學習提供了保障。思政元素：通過奧運會開幕式視頻展示增加學生的愛國熱情，提高學生的民族自信；工匠精神：通過可編程邏輯控制器的行業標準、指標參數培養學生的專業精神，用專業精神、職業精神和工匠精神引領大學生成長成才。教學后記周次第3周授課時間章節名稱第3章S7-200系列PLC的基本指令及應用3-1S7-200系列PLC編程環境及編程規約3-2位邏輯指令PLC硬件連接，編程環境及簡單實例實驗授課方式理論課（√）、實驗課（√）上機（）、其他方式（）教學時數4學時教學目的和要求掌握S7-200基本邏輯指令。掌握PLC基本指令編程；理解PLC程序的簡單設計的方法及使用。教學重點難點重點：S7-200基本邏輯指令，PLC基本指令編程2、難點：PLC基本指令的原理、功能及編程應用。教學方法選擇以下方面：教師講授（√），課堂討論（√），多媒體教學（√），提問式教學（√）討論練習作業作業：學習通完成作業教研室主任審批意見教學內容要點(可附另頁)3.1S7-200系列PLC編程環境及編程規約S7-200系列PLC的編程環境主要有STEP7-Mirco/WIN編程軟件和STEP7-Mirco/WINSMART編程軟件，用戶需要按編程軟件約定的編程規約進行編程。3.1.1S7-200系列PLC編程軟件簡介PLC應用程序編輯、編譯和下載可以通過上位機（PC）運行集成編程軟件來實現。使用S7-200PLC，首先要在PC上安裝STEP7-Mirco/WIN編程軟件；使用S7-200SMARTPLC，則需要在PC上安裝STEP7-Mirco/WINSMART編程軟件。STEP7-Mirco/WIN和STEP7-Mirco/WINSMART的指令格式基本相同，支持梯形圖LAD（Ladder）、語句表STL（StatementList）和功能塊圖（FunctionBlockDiagram）等編程語言來編制用戶程序，并且可以直接進行顯示切換。其中，梯形圖和語句表是最基本、最常用的PLC編程語言，它們不僅支持結構化編程方法，而且兩種編程語言可以相互轉化。用戶應按照編程軟件規定的編程語言（指令格式）編寫PLC應用程序。可以從STEP7-Micro/WIN中導出項目移植到STEP7-Micro/WINSMART，也可以在STEP7-Micro/WINSMART中直接打開一個STEP7-Micro/WIN項目文件（.mwp）。編程軟件可以使用上位計算機作為圖形編程器，用于在線（聯機）或離線（脫機）開發用戶程序，并可以在線實時監控用戶程序的執行狀態。STEP7-Mirco/WIN和STEP7-Mirco/WINSMART編程軟件的使用方法見本書第9章。3.1.2S7-200系列PLC指令基本格式及編程規約 1.S7-200PLC指令基本格式在S7-200PLC程序設計中，常用的指令有梯形圖（以下簡稱LAD）和語句表（以下簡稱STL兩種表示方法。1）LAD指令基本格式LAD（梯形圖）指令是使用最廣泛的PLC圖形編程語言，梯形圖與繼電器控制系統的電路圖具有相似、直觀、易懂的優點。LAD（梯形圖）指令使用類似于電氣控制形式的符號來描述指令要執行的操作，以符號上的數據表示需要操作的數據，簡單LD位邏輯（開關量）指令的梯形圖格式如圖3-1a所示，STEP7-Mirco/WIN編程環境梯形圖格式如圖3-1b所示，STEP7-Mirco/WINSMART編程環境梯形圖格式如圖3-1c所示。I0.1I0.1Q1.0a)b)c)圖3-1梯形圖指令格式在梯形圖中，為了便于理解和分析各個元器件間的輸入與輸出關系，可以假想為電路中某支路的概念電流，也稱作能流。因此，本書在描述指令的連接時，融入了“電路”的概念。例如，圖3-1a所示指令中I0.1觸點接通時，有一個假想的能流（箭頭）流過Q1.0的線圈。觸點和線圈等組成的獨立語句稱為網絡。在網絡中，程序的邏輯運算按從左到右的方向執行，與能流的方向一致。 2）STL指令（語句表）STL指令一般由助記符和操作數組成，其格式如下。助記符助記符操作數助記符表示指令要執行的功能操作；操作數表示指令要操作的數據。例如：LD I0.1//LD：取指令操作碼；I0.1：輸入位操作數。 = Q1.0//"="：輸出操作碼；Q1.0：輸出位操作數。STL（語句表）指令表達式與梯形圖有一一對應關系，在編程環境中可以方便地相互轉換。3）指令中操作數表示方法指令中的位邏輯操作數（bit）只能以直接尋址方式對其進行讀寫操作。直接尋址也稱字節·位尋址，由元件名稱、字節地址和位地址組成。在圖3-1中，操作數I0.1中的I表示輸入映像寄存器第0字節中的第1位輸入點；操作數Q1.0中的Q表示輸出映像寄存器的第1字節中的第0位輸出位。S7-200PLC梯形圖編程規約使用梯形圖編程時應符合以下規約。（1）每個網絡單元（即輸出單元）構成一個梯級，每個網絡必須以觸點開始，根據其邏輯條件組成邏輯控制，網絡結束（右側）為輸出單元，輸出單元應為為軟元件線圈或定時器、計數器等指令（盒）。網絡不能以觸點終止。（2）一個網絡可有若干個線圈，只要線圈位于該特定網絡的并行分支上。不能在網絡上串聯一個以上線圈（即不能在一個網絡的一條水平線上放置多個線圈）。（3）梯形圖中，輸入、輸出及其他軟繼電器或指令的觸點，可以任意重復使用。（4）同一編號的線圈在同一程序中不得使用多次，雖然編譯時可以通過，但容易發生邏輯錯誤。（5）線圈或指令盒不能直接與左母線連接，如果需要，可以根據程序要求通過特殊功能繼電器SM0.0（常態為ON）或SM0.1連接。（6）觸點可以任意并聯和串聯，多個線圈和指令盒也可以并聯使用。（7）為編程方便、提高編程效率和便于閱讀，編程應按“上繁下簡、左繁右簡”原則進行。（8）編程時，以假設電路中概念電流（能流）的理解方式為出發，更能確保程序的正確性。（9）由于PLC采用掃描工作方式，對于某些程序塊（如第5章的子程序、中斷程序），如果按一般計算機常規編程思想編寫梯形圖，會出現梯形圖程序執行情況與編程者本來意圖不一致的結果。需要讀者深刻理解PLC掃描工作方式的工作過程才能避免這些錯誤。3.2位邏輯指令位邏輯指令是PLC中最基本最常用的指令，主要用來完成基本的位邏輯運算及控制。位邏輯指令的典型應用有電動機控制、紅綠交通燈、電梯自動控制、密碼鎖、搶答器、二位（或三位）式閉環控制及位控報警器等領域。位邏輯指令主要包括觸點輸入、線圈驅動輸出指令、位邏輯（運算）指令、置位/復位指令、立即指令、邊沿觸發指令及堆棧操作指令等。3.2.1觸點輸入/線圈驅動輸出指令1．LD、LDN指令1）取指令LD（Load）LD指令格式如圖3-2所示，其中bit為觸點位操作數（下同）。語句表LDbit語句表梯形圖梯形圖圖3-2LD指令格式使用LD指令時，起動梯形圖任何邏輯塊的第一條指令時，對應輸入端點連接開關導通，觸點bit閉合；對應輸入端點連接開關斷開，觸點bit斷開。一般用于連接動合（常開）觸點。 LD指令也稱動合指令。2）取反指令LDN（LoadNot）LDN指令格式如圖3-3所示。LDNbitLDNbit梯形圖語句表 梯形圖語句表圖3-3LDN指令格式LDN指令在起動梯形圖任何邏輯塊的第一條指令時，如果對應輸入端點連接的開關導通，觸點bit斷開；對應輸入端點連接的開關斷開，觸點bit閉合。LDN指令也稱動斷指令。2．=（Out）輸出指令=（Out）輸出指令又稱線圈驅動指令，其指令格式如圖3-4所示。bitbit()=bit語句表梯形圖語句表梯形圖圖3-4“=”指令格式輸出指令示例如圖3-5所示。圖3-5輸出指令示例在梯形圖中，該指令必須放在網絡的最右端。該類指令使用時注意以下方面。（1）LD、LDN指令操作數區域為：I、Q、M、T、C、SM、S、V；“=”指令的操作數區域為M、Q、T、C、SM、S。（2）指令中常開接點和常閉接點，作為使能的條件，在語法上和實際編程中都可以無限次的重復使用。（3）PLC輸出線圈，作為驅動元件，在語法上可以無限次的使用。由于在重復使用的輸出線圈中只有程序中最后一個是有效的，其它都是無效的，輸出線圈具有最后優先權。所以，同一程序中，“=”指令后的線圈使用1次為宜。（4）在上一章已經強調，PLC輸入繼電器只能識別相應的外部端口開關是接通狀態還是斷開狀態，不能識別外部連接的是常開按鈕還是常閉按鈕。3.2.2位邏輯與指令1．位邏輯“與”指令A位邏輯“與”指令A（And）：用于動合觸點的串聯連接，只有串聯在一起的所有觸點全部閉合時，輸出才有效。位邏輯與指令梯形圖、指令表以及時序圖如圖3-8所示：梯形圖梯形圖語句表圖圖圖3-8位邏輯與指令及時序圖時序圖2．位邏輯“與非”指令AN位邏輯“與非”指令AN（AndNot）用于動斷觸點的串聯連接。A和AN指令梯形圖及語句表示例如圖3-9所示。梯形圖語句表//使用邏輯“與”指令=ANLD=Q0.0M0.0I0.2Q0.1//驅動輸出繼電器Q0.0//驅動輸出繼電器Q0.1梯形圖語句表//使用邏輯“與”指令=ANLD=Q0.0M0.0I0.2Q0.1//驅動輸出繼電器Q0.0//驅動輸出繼電器Q0.1//使用邏輯“與非”指令AI0.1//使用邏輯“與”指令AM0.1M0.0網絡1網絡2I0.1Q0.0Q0.1I0.0I0.2LDI0.0M0.1圖3-9A和AN指令示例A和AN指令的操作數區域為I、Q、M、SM、T、C、S、V、L。單個觸點可以連續串聯使用，最多為11個。3.2.3位邏輯“或”指令1．位邏輯“或”指令O位邏輯“