可编程控制器与现场总线网络控制 骆 德 汉 主编 * 07/16/96 可编程控制器与现场总线网络控制 骆 德 汉 主编 2005.05.05 *

* 1.1 可编程序控制器的发展与特点 1.2 可编程序控制器的基本结构与工 作原理 1.3 西门子SIMENS控制器简介 07/16/96 第一章 可编程序控制器基础知识 1.1 可编程序控制器的发展与特点 1.2 可编程序控制器的基本结构与工 作原理 1.3 西门子SIMENS控制器简介 *

1.1 可编程序控制器发展与特点 1.1.1 可编程序控制器产生与现状 继电器一接触器控制系统简称为继电控制系统。 * 1.1 可编程序控制器发展与特点 07/16/96 1.1.1 可编程序控制器产生与现状 继电器一接触器控制系统简称为继电控制系统。 第一台PLC （Programmable Logic Controller)是美国数字设备公司（DEC）研制并成功地应用到美国通用汽车公司（GM）的生产线上 70年代中期，随着大规模集成电路和微型计算机技术的发展，美国、日本、德国等把微处理器引入PLC 80年代工业界把引进了微处理器的可编程序逻辑控制器命名为可编程序控制器（Programmable Controller),简称为PC。 *

1.1 可编程序控制器发展与特点 1.1.1、可编程序控制器产生与现状 第一代PLC只有逻辑控制功能； * 1.1 可编程序控制器发展与特点 07/16/96 1.1.1、可编程序控制器产生与现状 第一代PLC只有逻辑控制功能； 第二代PLC采用8位微处理具有逻辑控制、计数、定时等功能； 第三代PLC采用8位微处理器和位片式CPU，控制功能和处理速度大大提高。 第四代PLC采用16位、32位微处理器，并采用多处理器并行处理方式，具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理控制功能和网络通讯控制功能等。 第五代PLC诞生于上世纪末，特点是在第四代PLC基础上，增加了现场总线的结构标准，从而为网络控制系统提供了开放式接口，使PLC应用更为灵活、方便。 *

1.1 可编程序控制器发展与特点 1.1.1、可编程序控制器产生与现状 目前全世界PLC制造商有200多家，产品有400多个系列。按 * 1.1 可编程序控制器发展与特点 07/16/96 1.1.1、可编程序控制器产生与现状 目前全世界PLC制造商有200多家，产品有400多个系列。按 其地域影响力可分为三大流派， 1、欧洲产品以西门子（SIEMENS）PLC为代表； 2、美国产品以A-B (Allen-Bradley) PLC为代表； 3、日本产品以欧姆龙（OMRON）PLC为代表 可编程序控制器定义： “可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在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，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产线。 *

1.1.2 可编程控制器的特点 1. 功能齐全 ● 基本功能 开关量输入/输出控制 模拟量输入/输出控制 * 07/16/96 1.1.2 可编程控制器的特点 1. 功能齐全 ● 基本功能 开关量输入/输出控制 模拟量输入/输出控制 提供内部中间继电器、 延时继电器、锁存继电器、主控继 电器、计时器、计数器、移位寄存器等、具有四则运算、 比较、二一十进制转换、中断控制、程序跳转； ● 扩展功能 网络通信、批数据传送、矩阵运算、PID闭环回路控制、 排序查表功能、及特殊功能函数运算等功能。 *

1.1.2 可编程控制器的特点 2. 抗干扰能力强、可靠性高 ● 开关动作由无触点的半导体电路来完成； ● PLC采取了屏蔽、滤波; * 07/16/96 1.1.2 可编程控制器的特点 2. 抗干扰能力强、可靠性高 ● 开关动作由无触点的半导体电路来完成； ● PLC采取了屏蔽、滤波; ● 输入/输出采用光电隔离； ● 软件方面，PLC具有断电保护和故障自诊断功能。 3.组合灵活 ● PLC通常采用模块式结构，便于将PLC与数据总线连接。 ● PLC的功能模块品种多，可以灵活组合成各种规模和不同功 能的控制系统 *

* 07/16/96 1.1.2 可编程控制器的特点 4. 现场信号接线简单 针对不同的现场信号有相应的输入和输出模块可与现场的工业设备部件直接连接，并通过数据总线与微处理器模块相连接。 5. 编程简单 PLC采用面向控制过程,编程一般使用与继电器电路原理图相似的梯形图编程方式，既继承了传统控制线路的清清晰直观感，又考虑到大多数电气技术人员的读图习惯，使得编程简单、形象，修改灵活、方便。 6.维修维护方便 PLC有完善的自诊断功能，其内部状态、通信状态、I/O接口工作状态及异常状态均有显示，通过分析这些状态可迅速查出故障原因，便于及时处理。 *

1.1.3 可编程控制器的性能指标 1.编程语言 梯形图、语句表、控制系统流程图及高级语言四种编程语言。 2. 用户程序存贮容量 * 07/16/96 1.1.3 可编程控制器的性能指标 1.编程语言 梯形图、语句表、控制系统流程图及高级语言四种编程语言。 2. 用户程序存贮容量 中小型PLC存贮容量一般8K以下，大型PLC存贮量有的256K及2M。 3. I/O总数 PLC的输入、输出开关量I／O总数用最大I／0点数表示；模拟量I／0总数用最大I/O通道路数表示。 *

1.1.3 可编程控制器的性能指标 4. 扫描速度 以ms/K字表示。如20ms／K表示扫描1K字程序所需的时 间为20ms。 * 07/16/96 1.1.3 可编程控制器的性能指标 4. 扫描速度 以ms/K字表示。如20ms／K表示扫描1K字程序所需的时 间为20ms。 5. 指令种数 用以表示PLC的编程功能。指令种数越多，PLC功能越强， 编程越方便。 6. 内部继电器 内部继电器的种数和点数包括辅助继电器、计时器／计 数器、移位寄存器、特殊继电器等。 *

1.1.4 可编程控制器的分类 (一) 按结构形式分类 1 整体式-- CPU、存贮器及I/O、电源等基本单元装在一起。 * 1.1.4 可编程控制器的分类 07/16/96 (一) 按结构形式分类 1 整体式-- CPU、存贮器及I/O、电源等基本单元装在一起。 2 模块式-- CPU、包括存贮器、输入、输出单元为独立的模块。 (二) 按I/O点数分类 1 小型-- I／O点数为256点以下,如F1／F2、S5一100U等。 2 中型-- I／O点数为256点以上，2048点以下。如S5一115U等。 3 大 型-- I/O点数为2048点以上，如S5一150U等。 *

1.1.4 可编程控制器的分类 (三) 按功能分类 1.低档PLC 具有逻辑运算、计时、计数、移位及自诊断、监控等功能。 2.中档PLC * 1.1.4 可编程控制器的分类 07/16/96 (三) 按功能分类 1.低档PLC 具有逻辑运算、计时、计数、移位及自诊断、监控等功能。 2.中档PLC ——还具有较强的模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/0、通讯联网等功能。 3. 高档PLC ——还增设有带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及函数运算、表格传送等功能。 *

1.1.5 可编程控制器的发展趋势 1. 过程控制领域的发展 高速模拟量输入模块、专用PID控制器、专用输 入模块、专用快速计算模块。 * 07/16/96 1.1.5 可编程控制器的发展趋势 1. 过程控制领域的发展 　 高速模拟量输入模块、专用PID控制器、专用输 入模块、专用快速计算模块。 2. 网络功能的发展 多可编程控制器构成网络，各PLC之间实现通讯和控制。 *

1.1.5 可编程控制器的发展趋势 3. 智能输入输出模块的发展 专用智能PID控制器、语音处理模块、图像识别专用模块. * 07/16/96 1.1.5 可编程控制器的发展趋势 3. 智能输入输出模块的发展 　专用智能PID控制器、语音处理模块、图像识别专用模块. 4. 外部故障检测能力的发展 用于检测外部故障的专用智能模块，提高可编程控制器系统的可靠性。 5. 编程语言的发展 *

1.2 PLC的基本结构与工作原理 1.2.1 PLC程序控制的基本概念 1 继电--接触器控制系统 控制系统程序由导线、继电器、接触器的连接来实现，输入对输出的控制完全由硬件实现。

1.2.1 PLC程序控制的基本概念 2 软件程序控制系统 控制系统程序由软件语言表达，输入对输出的控制由硬件和软件共同实现，其软件存放在硬件的存贮器中。

3、延时控制电路举例 2个开关X1、X2，任一接通立即点亮红灯，2秒后点亮绿灯。 继电接触器控制系统 选用2个按钮开关、2个常开继电器及1个具有延时2秒后闭合的时间继电器

3、延时控制电路举例 当X1或X2任一按下，线圈Y1接通，Y1常开触点闭合，时间继电器T开始计时，T常开触点因时间未到未闭合。时间到， T常开触点闭合，Y2线圈接通，同时Y2触点接通，过程完成

PLC控制系统 选用2个按钮开关，PLC的2个输入点和2个输出点。 3、延时控制电路举例 PLC控制系统 选用2个按钮开关，PLC的2个输入点和2个输出点。

3、延时控制电路举例 PLC控制系统 PLC工作过程： 先读入X1、 X2触点信息，然后对X1、X2状态进行逻辑运 算，若逻辑条件满足，Y1线圈接通，此时外触点Y1接 通，外电路形成回路，红灯亮； 在定时时间未到时，T触点接通的条件不满足,因此Y2线圈 不通电，绿灯不亮。在到T时间后，Y2线圈才接通，Y2触点 接通，绿灯亮。

1.2.2 PLC工作原理 （一）PLC的等效（软）继电器 ● 输入等效继电器 与外部输入设备连接，如按钮、操作开关、限位开关、传感器等。 ● 输入等效继电器 与外部输入设备连接，如按钮、操作开关、限位开关、传感器等。 ● 控制等效继电器 按照被控对象实际要求而动作的继电器控制线路。

1.1.2 PLC工作原理 ● 输出等效继电器 外部输出设备连接，如继电器、接触器、电磁阀等执行元件以及信号灯、电铃等信号器件。 采用存贮器来代 替继电器， 通过 编制好的程序实 现控制

(二） PLC 工作过程 1. 第一阶段——输入扫描 输入采样结束后即转入程序执行阶段。在程序执行期间，即使输入状态变化，输入状态寄存器的内容也不会改变,一般输入映象区中的内容只有在输入扫描阶段才会被刷新

（二）PLC 工作过程 2. 第二阶段——执行扫描 （1）PLC对梯形图程序从上到下，从左到右的顺序扫描各条指令； （2）从输入映象区取出相应数据或从输出映象区读取有关的数据； （3）进行由程序确定的逻辑运算或其它数字运算，结果存入输出映象。

（二）PLC 工作过程 2. 第二阶段——执行扫描 输入映象寄存器的状态值，取决于上一扫描周期从输入端口采样取得的数据，并在程序执行阶段保持不变。 输出映象寄存器中的状态值，取决于执行程序输出指令的结果。

（二）PLC 工作过程 3. 第三阶段——输出扫描 执行完用户程序后，PLC将输出映象区中的内容同时送入到输出锁存器中（称为输出刷新），然后由锁存器去驱动继电器的线圈，以驱动被控设备，完成本次工作周期运行结果的实际输出。

（三）扫描周期与响应滞后 1 扫描周期 2 输入、输出状态的改变 输入、输出状态的改变需一个扫描周期，即输入、输 3 扫描周期大小 PLC 经过三个阶段的工作过程为一个扫描周期。 2 输入、输出状态的改变 输入、输出状态的改变需一个扫描周期，即输入、输 出状态保持为一个扫描周期。 3 扫描周期大小 （1）取决于程序长短，一般在几ms至几十ms之间； （2）取决于硬件及CPU速度

（三）扫描周期与响应滞后 4 输入／输出响应滞后 （1）主程序循环扫描执行产生输入／输出响应滞后现象； 4 输入／输出响应滞后 （1）主程序循环扫描执行产生输入／输出响应滞后现象； （2）调用子程序或中断程序输入／输出响应滞后现象； （3）一般来说，输入／输出响应滞后2～3个扫描工作周期。 对一般工业控制设备来说，这些滞后现象是允许的。但对有些要求输入／输出作快速反应的场合，则是不允许的。但可采用快速响应模块，高速计数模块以及中断处理等措施来尽量减少滞后时间。

1.2.3 PLC基本结构 1 总体结构 输入／输出、中央控制单元、电源及编程器等。 2. 输入部件 1 总体结构 输入／输出、中央控制单元、电源及编程器等。 2. 输入部件 （1） 输入部件 是PLC与外部连接的输入通道（数字通道或模拟通道） （2） 输入信号 是按钮、行程开关、传感器输出的开关量或模拟量, （3） 输入部件 由光电耦合器和输入寄存器组成，实现信号隔离。

3. 输出部件 4. 中央控制单元 （1）输出部件 向外部现场执行部件输出相应控制信号。 （1）输出部件 向外部现场执行部件输出相应控制信号。 （2）输出部件规模大小 决定可编程序控制器的输出点数。 4. 中央控制单元 （1）由CPU、系统程序贮存器、用户程序贮存器及编程器接口等组成； （2）CPU是PLC的控制中枢，系统程序贮存器存放系统管理和监控程序及对用户程序做编译处理的程序。

5. 电源部件 6. 编程器 （1）电源部件将交流电转换直流电源，使PLC能正常工作； （2）电源内部有多级滤波、交、直流电源的必要绝缘、稳压电源等； （3）电源部件内还装有备用电池（锂电池）。 6. 编程器 编程器对PLC程序进行编制、调试、监视、修改、编辑，最后将程序固化在EPR0M中。

1. 数字量输入接口模板 (一) 输入模板 采集现场各种开关接点信号，并将其转换成标准的逻辑电平，送给CPU处理。 （1）0～7为8个输入接线端子， COM为输入公共端； （2）24V直流电源专供输 入接口用； （3）K0～K7为现场外接 的开关。 （4）发光二极管LED为输 入状态指示灯，R为 限流电阻，为LED和 光电耦合器,提供合适的工作电流。

(一) 输入模板 (5) 光电耦合器件有三个作用： （1）实现现场与PLC主机的电气隔离，以提高抗干扰性。 （2）避免外电路出故障时，外部强电侵入PLC而损坏CPU模板； （3）实现电平变换，将现场开关各种电平信号变换成CPU主模板要 求的标准逻辑电平，

(一) 输入模板 2 交流输入接口模板 ● R11、C11组成输入滤波电路，以提高电路的输入抗干扰能力

2 交流输入接口模板 ● B1为整流电路，220V的交流信号经它整流后得到直流信号； ● R13和C12组成高频滤波电路对整流后的直流进行高频滤波 ● V11是LED指示灯，用于对外指示该路是否有信号接通； ● VT1为光电藕合器，将滤波后的直流信号通过光介质转换成标准逻辑电平送到总线接口电路中

(一) 输入模板 3.模拟量输入模板 ● 4路模拟电压输入和4路模拟电流输入 ● 由输入滤波及多路模拟开关电路、采样/保持电路、A/D转换 电路、控制电路和总线接口电路组成

(一) 输入模板 3.模拟量输入模板 工作过程： (1) PLC发出采样控制信号； (2)自动切换多路开关接通相应的采样通道，使被采样信号通过多路开关进入采样/保持器， (3)同时CPU启动A/D转换器对其进行A/D转换，转换后的数字信号经光电隔离后被送到总线接口电路。

1 模板主要结构 CPU及其外围电路、ROM和RAM、译码及控制； （二）中央处理模板 1 模板主要结构 CPU及其外围电路、ROM和RAM、译码及控制；

（二）中央处理模板 2 CPU及其外围电路 （1）小型PLC的CPU模板上有1个处理器

（二）中央处理模板 3 存储器ROM（EPROM）和RAM (1) ROM（EPROM）存储系统监控程序和用户程序 (2) RAM 存储PLC内部的输入输出信息，并用于内部继电 器（软继电器）、移位寄存器、数据寄存器、定时 器／计数器以及累加器等；

（1） 晶体管输出方式, 晶体管输出方式用于直流负载，采用 光电隔离 （2） 晶闸管输出方式, 双向晶闸管输出用于交流负载，采用 光电隔离 (三) 输出接口模板 （1） 晶体管输出方式, 晶体管输出方式用于直流负载，采用 光电隔离 （2） 晶闸管输出方式, 双向晶闸管输出用于交流负载，采用 光电隔离

(三) 输出接口模板 （3） 继电器输出方式, 可用于直流负载，或用于交流负载。 无光电隔离 （3） 继电器输出方式, 可用于直流负载，或用于交流负载。 无光电隔离 当PLC通过输出寄存器在输出点输出0电平时，继电器KA得电，其常开触点闭合，负载得电。一般输出可带2A的负载。

（4） 模拟输出模板 控制电路、D/A转换器、电压/电流转换器、输出保持器 和功率放大电路等组成。 (三) 输出接口模板 （4） 模拟输出模板 控制电路、D/A转换器、电压/电流转换器、输出保持器 和功率放大电路等组成。

(三) 输出接口模板 （4） 模拟输出模板 ● 数字信号转换成模拟电流或电压信号，并经功率放大成标 准信号，如1~5V电压或4~20mA电流，或-10V~10V电压等。 ● D/A决定了模拟输出部件的工作速度和精度，通常有8位、 10位和12位D/A转换器之分，位数越高，转换精度

1.3 西门子SIMATIC控制器简介 ●西门子SIMATIC系统由SIMATIC硬件和软件组成 ● SIMATIC 软件是一个连接紧密的软件工具系统，用于 SIMATIC S7 、SIMATIC C7 和SIMATIC M7 PLC 以 及具有基于 WinAC 的PC的控制。 ● SIMATIC硬件以SIMATIC PLC控制 器为核心， 通过ASI接口和SIMATIC-DP接口使PLC与生 产设备连接； 通过SIMATIC NET构成的MPI或工业以太网或Profibus， 将生产设备系统中PLC控制器构成网络控制系统

1.3 西门子SIMATIC控制器简介 1.3.1 西门子SIMATIC系统

1.3 西门子SIMATIC控制器简介 1.3.2 西门子SIMATIC控制器 西门子SIMATIC控制器包括三个可编程控制器系列 ● SIMATIC M7 ● SIMATIC C7 ● ● WinAC。

1.3 西门子SIMATIC控制器简介 1.3.2 西门子SIMATIC控制器 SIMATIC S7--- PLC S7-200系列 SIMATIC M7系统---将 AT 兼容机的性能引入PLC， M7-300 M7-400 通过计算机开放硬件和软件平台的方法扩展了PLC的功能。

1.3 西门子SIMATIC控制器简介 1.3.2 西门子SIMATIC控制器 SIMATIC C7 由一个PLC (S7-300)、一个HMI操作面板和过程 监视系统组成。 WinAC包含3种产品: ● WinAC Basic 是纯软件的解决方案(PLC作为 Windows NT的任务) ● WinAC Pro 是硬件解决方案 (PLC 作为PC卡) ● WinAC FI Station Pro 是完全解决方案(SIMATIC PC FI25)