第三章 西门子系列的PLC的综述

3.1、PLC的发展历程

在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制按照逻辑条件顺序动作，并按逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器（Programmable Controller，简称PC）。

个人计算机（简称PC）发展起来后，为了反映可编程序控制器的特点，将其定名为Programmable Logic Controller（PLC），目前仍常常将PLC简称为PC。

PLC定义为：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC具有通用性强，使用方便、适用面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来是难以取代的。

目前主要PLC生产厂家有三菱、欧姆龙、西门子、ABB等公司，本产品主要采用西门子公司生产的小型机S7-200。

3.2、 可编程序控制器的基本特征 3.2.1、 可编程序控制器的功能

近年来，可编程序控制器把自动化技术、计算机技术、通信技术容为一体，它能完成以下功能：

(1) 逻辑控制。PLC具有逻辑控制功能，它设置有与、或、非等逻辑指令，能够描述继电器触点的串联、并联、串并联等各种连接，因此它可代替继电器进行组合逻辑与顺序逻辑控制。

(2) 定时控制。PLC具有定时控制功能。它为用户提供了若干个定时器并设置了定时指令。定时值可有用户在编程时设定，并能在运行中被读出与修改，使 用灵活，操作方便。程序投入运行后，PLC将根据用户设定的计时值对某个操作进行限时控制和延时控制，以满足生产工艺的要求。

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(3) 计数控制。PLC还具有计数功能。它为用户提供了若干个计数器并设置了计数指令。计数值可有用户在编程时设定，并可在运行中被读出或修改，使用与操作都很灵活方便。

(4) 步进控制。步进控制是指在完成一道工序以后，再进行下一步工序，也就是顺序控制。PLC为用户提供了若干个移位寄存器或直接有步进命令。

(5) A/D、D/A转换。有些PLC还具有数/模转换和模/数转换功能，能完成对模拟量的控制与调节。

(6) 数据处理。有的PLC还具有数据处理能力及并行运算指令，能进行数据并行传送、比较和逻辑运算，BCD码的加、减、乘、除等运算，还能进行字“与”、字“或”、字“异或”、求反、逻辑移位、算术移位、数据检索、比较、数制转换等操作，并可对数拒存储器进行间接寻址，与打印机相连可打印出程序和有关数据及梯形图。

(7) 通讯与联网。若采用通信技术，可以进行远程I/O控制，多台PLC之间可进行同位连接，还可与计算机进行上位连接，接受计算机的命令，并将执行结果告诉计算机。

(8) 对控制系统监控。PLC配置有较强的监控功能，它能记忆某些异常情况，

或当发生异常情况时自动终止运行。

3.2.2、 可编程序控制器的特点

PLC具有以下特点：

(1) 高可靠性。这是PLC最突出的特点之一。由于工业生产过程是昼夜连续的，一般的生产装置要几个月甚至几年才大修一次，这就对用于工业生产过程的控制器提出了高可靠性的要求。因为它采用了微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成；另外还采取了屏蔽、滤波隔离等抗干扰措施。如日本三菱公司的F1、F2系列PLC的平均无故障运行时间可达30万h。

(2) 灵活性。现在有了PLC，硬件设备采用相同的可编程序控制器，只要编写不同应用软件即可，且可以用一台PLC控制几台操作方式完全不同的设备。

(3) 便于改进和修正。相对传统的电气控制线路，PLC为改进和修订原设计提供了及其方便的手段。

(4) 节点利用率提高。传统电路中一个继电器只能提供几个节点用于连锁，在PLC中，一个输入中的开关量或程序中的一个“线圈”可提供用户所需用的任意的连锁节点，即节点在程序中可不受限制的使用。

(5) 具有丰富的I/O接口。由于工业控制机只是整个工业生产过程自动控制系统中的一个控制中枢，为实现对工业生产过程的控制，它还必须与各种工业现场的设备相连接，才能完成控制任务。因此PLC还具有丰富的I/O接口。

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(6) 模拟调试。PLC能对所控功能在实验室内进行模拟调试，缩短现场的调试时间。

(7) 能对现场进行微观监视。操作人员能通过显示器观测到所控每一个节点的运行情况，随时监视事故发生点。

(8) 快速动作。传统继电器节点的响应时间一般需要几百毫秒，而PLC里的节点反应很快，内部是微秒级的，外部是毫秒级的。

(9) 系统购置的简便化。购置了一台PLC，就相当于购买了系统所需要的所有继电器、计数器、计时器等器件。

(10) 图纸简化。传统控制电路要靠画蓝图，而蓝图是不能随意更新的，采用PLC则很容易随时打印出更新后的控制软件源程序。

(11) 体积小、质量轻、功耗低。由于采用半导体集成电路，所以体积小、质量轻、功耗低。

(12) 编程简单、使用方便。PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。

当然，PLC并非十全十美，其缺点是价格还比较高。一般来说，比继电器控制高，比一般单板机系统也高。另外，其工作速度较计算机慢，输出对输入的响应有滞后现象。

3.3 、可编程序控制器结构及工作原理

在传统的继电器、接触器控制系统中，要完成一项控制任务，支配控制系统工作的“程序”是由导线将电气元件连接起来实现的，这样的控制系统称之为接线程序控制系统。这种系统，其输入对输出的控制是通过中间环节(继电器和控制线路)来实现的，其控制过程的变更必须通过改变其中的器件和接线来实现。而PLC系统，它通过PLC内的软接线(程序)来实现输入对输出的控制。 由此可看出，PLC控制系统是由硬件和软件两大部件组成。 输入设备 PLC（硬、软件） 输出设备

被控机械或生产过程 图3－1 PLC控制系统

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3.3.1 、可编程序控制器的基本组成

可编程序控制器构成的基本控制系统硬件简化框图如下所示。其中可编程序控制器的基本组成由以下四部分组成：

(1) 中央处理器(CPU)。它是PLC的神经中枢，是系统的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务：接收并存储用户程序和数据；用扫描的方式接收现场输入设备的状态和数据；诊断电源、PLC内部电路工作状态

和编程过程中的语法错误；完成用户程序中规定的逻辑运算和算术运算任务；更 新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，实现输出控制、指表打印或数据通讯等功能。

(2) 存储器。用来存储数据或程序，它包括随机存取的存储器RAM和在工作过程中只能读出、不能写入的存储器EPROM。

(3) 输入/输出(I/O)模块。它是CPU与现场I/O设备或其他外部设备的桥梁。PLC提供了具有各种操作电平与输出驱动能力的I/O模块和各种用途的功能模块供用户选用。

(4) 电源。PLC配有开关式稳压电源模块，用来对PLC的内部电路供电。

编程器电外部设备源中央处理单元存储器输入设备输出设备用户输出设备用户输入设备 图3－2 PLC组成基本控制系统结构简图

3.3.2 、可编程序控制器的工作过程

PLC的工作过程一般可分为三个主要阶段：输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。

(1) 输入采样阶段。PLC以扫描工作方式，按顺序将所有信号读入到寄存输入状态的输入映像寄存器中存储，这一过程称为采样。在本工作周期内，这个采

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