西門子PLC系統(tǒng)及其應(yīng)用01

一、課程簡介課程性質(zhì)：

本課程是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)任選課程，其特點(diǎn)是與工業(yè)生產(chǎn)聯(lián)系十分密切，實(shí)踐性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛?！镎n程任務(wù)：

它包括理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其任務(wù)是學(xué)習(xí)西門子S7-300系列PLC的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、指令系統(tǒng)、典型程序分析和設(shè)計(jì)，并通過上機(jī)實(shí)驗(yàn)和實(shí)例分析，使學(xué)生具有用西門子S7-300/400系列大中型PLC改造常規(guī)繼電控制系統(tǒng)和根據(jù)生產(chǎn)工藝要求設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)的能力。西門子PLC系統(tǒng)及其應(yīng)用第01次課2/5/20231電氣與信息工程學(xué)院1.掌握西門子S7－300系列PLC的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、尋址方式、工作特點(diǎn)及應(yīng)用范圍。2.掌握S7－300系列PLC的指令系統(tǒng)及典型控制程序的設(shè)計(jì)。3.學(xué)會Windows環(huán)境下的STEP7編程軟件使用和控制程序的調(diào)試步驟及方法。4.通過實(shí)例分析，掌握用PLC進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟，編程方法，培養(yǎng)學(xué)生用PLC改造常規(guī)繼電控制系統(tǒng)和根據(jù)生產(chǎn)工藝要求設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)的能力教學(xué)基本要求2/5/20232電氣與信息工程學(xué)院教材及參考書2/5/20233電氣與信息工程學(xué)院教材及參考書2/5/20234電氣與信息工程學(xué)院考核方式考試課，試卷考試試卷：60%作業(yè)+考勤：20%，5次作業(yè)實(shí)驗(yàn)：20%，5次實(shí)驗(yàn)2/5/20235電氣與信息工程學(xué)院第1章PLC概述§1.1PLC的產(chǎn)生§1.2PLC的定義和分類§1.3PLC的功能和特點(diǎn)§1.4PLC的結(jié)構(gòu)與工作過程§1.5思考與練習(xí)2/5/20236電氣與信息工程學(xué)院傳統(tǒng)的生產(chǎn)機(jī)械自動控制裝置→繼電器控制系統(tǒng)

優(yōu)點(diǎn)→結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、容易操作。缺點(diǎn)→體積龐大、生產(chǎn)周期長、接線復(fù)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(yīng)用→比較適用于工作模式固定，控制邏輯簡單等工業(yè)應(yīng)用場合。

（接線邏輯）§1.1PLC的產(chǎn)生2/5/20237電氣與信息工程學(xué)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(shí)現(xiàn)，由連接導(dǎo)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(chǎn)周期長，接線復(fù)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(xué)院

在可編程序控制器問世以前，工業(yè)控制領(lǐng)域中是以繼電器控制占主導(dǎo)地位的。ST1ST2ST3ST4SB2SB1KM2KM2KM1KM1SB3KM1KM2ST1ST2ST4ST3工作臺前進(jìn)后退正反轉(zhuǎn)自動循環(huán)控制線路2/5/20239電氣與信息工程學(xué)院用戶迫切需要一種先進(jìn)的自動控制裝置繼電器控制系統(tǒng)先進(jìn)自動控制系統(tǒng)2/5/202310電氣與信息工程學(xué)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(biāo)中提出了十項(xiàng)指標(biāo)，即：

1、編程簡單，可在現(xiàn)場方便地編輯及修改程序； 2、維修方便，采用模塊化結(jié)構(gòu)； 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(shù)據(jù)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(qū)動電磁閥、接觸器等；9、通用性強(qiáng)，易于擴(kuò)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(xué)院

這十項(xiàng)招標(biāo)指標(biāo)奠定了可編程控制器最基本的功能要求

用計(jì)算機(jī)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(jié)構(gòu)易于擴(kuò)展核心為：工業(yè)控制單板機(jī)（計(jì)算機(jī)）繼電器控制系統(tǒng)先進(jìn)控制裝置2/5/202312電氣與信息工程學(xué)院可編程序邏輯控制器的產(chǎn)生

1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)上述要求和設(shè)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(chǎn)線上首次應(yīng)用成功，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)時人們把它稱為可編程序邏輯控制器(ProgrammableLogicController，簡稱ＰＬＣ)。可編程控制器誕生2/5/202313電氣與信息工程學(xué)院可編程控制器這一新技術(shù)的出現(xiàn)，受到國內(nèi)外工程技術(shù)界的極大關(guān)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(jìn)了這項(xiàng)新技術(shù)，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(yè)應(yīng)用。

2/5/202314電氣與信息工程學(xué)院PLC的中國現(xiàn)狀

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

為盡快提升我國PLC的技術(shù)水平，引進(jìn)PLC的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，中外合資或外商獨(dú)資企業(yè)在國內(nèi)開始批量生產(chǎn)PLC。西門子公司率先在大連建立PLC生產(chǎn)企業(yè)；歐姆龍公司在上海生產(chǎn)的PLC遠(yuǎn)銷海內(nèi)外。國內(nèi)已有具有較強(qiáng)實(shí)力的公司開始拓展PLC業(yè)務(wù)，并在中國PLC市場有了一定響應(yīng)。北京和利時系統(tǒng)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(xué)院§1.2PLC的定義和分類經(jīng)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(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動能力。但由于PC容易和個人計(jì)算機(jī)（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(xué)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(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)?！?1987.2)2/5/202318電氣與信息工程學(xué)院PLC是一種特別適合于工業(yè)環(huán)境的面向工程技術(shù)人員的“藍(lán)領(lǐng)計(jì)算機(jī)”2/5/202319電氣與信息工程學(xué)院1.按結(jié)構(gòu)形式分類

CPU（基本單元）+擴(kuò)展模塊一體化緊湊型PLC：電源、CPU中央處理系統(tǒng)、I/O接口都集成在一個機(jī)殼內(nèi)。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(xué)院標(biāo)準(zhǔn)模塊式結(jié)構(gòu)化PLC：各種模塊相互獨(dú)立，并安裝在固定的機(jī)架（導(dǎo)軌）上，構(gòu)成一個完整的PLC應(yīng)用系統(tǒng)。如：西門子S7-300、S7-400系列。2/5/202321電氣與信息工程學(xué)院2.按I/O點(diǎn)數(shù)及內(nèi)存容量分類小型機(jī)：256點(diǎn)以下（F1、S7-200）中型機(jī)：256-1024點(diǎn)大型機(jī)：1024點(diǎn)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(xué)院例：SIEMENSS7系列PLC分類小型機(jī):中型機(jī):大型機(jī)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(xué)院按用途分類用于順序邏輯控制用于閉環(huán)過程控制用于多級分布式和集散控制系統(tǒng)用于機(jī)械加工的數(shù)字控制和機(jī)器人控制根據(jù)生產(chǎn)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(xué)院§1.3PLC的功能和特點(diǎn)控制功能邏輯控制定時控制計(jì)數(shù)控制順序控制1.3.1PLC的功能2/5/202325電氣與信息工程學(xué)院PLC的功能

數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能數(shù)學(xué)運(yùn)算功能數(shù)據(jù)處理模擬數(shù)據(jù)處理2/5/202326電氣與信息工程學(xué)院PLC的功能

輸入/輸出接口調(diào)理功能具有A/D、D/A轉(zhuǎn)換功能，通過I/O模塊完成對模擬量的控制和調(diào)節(jié)。位數(shù)和精度可以根據(jù)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(xué)院PLC的功能

通信、聯(lián)網(wǎng)功能PROFIBUSDPPROFIBUSPA(Ex)PROFIBUSPA2/5/202328電氣與信息工程學(xué)院PLC的功能

人機(jī)界面功能2/5/202329電氣與信息工程學(xué)院PLC的功能

編程、調(diào)試等使用復(fù)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(jìn)行編程、調(diào)試、監(jiān)視、試驗(yàn)和記錄，并通過打印機(jī)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(xué)院PLC的特點(diǎn)

高可靠性豐富的I/O接口模塊采用模塊化結(jié)構(gòu)運(yùn)行速度快功能完善編程簡單，易于使用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)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(yè)環(huán)境中使用，它們都有許多共同的特點(diǎn).2/5/202331電氣與信息工程學(xué)院高可靠性

工業(yè)生產(chǎn)對電氣控制設(shè)備的可靠性的要求是非常高的，它應(yīng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，能在很惡劣的環(huán)境下(如溫度高、濕度大、金屬粉塵多、距離高壓設(shè)備近、有較強(qiáng)的高頻電磁干擾等)長期連續(xù)可靠的工作，平均無故障時間(MTBF)長，故障修復(fù)時間短。而PLC是專為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的，能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。可以說，沒有任何一種工業(yè)控制設(shè)備能夠達(dá)到可編程控制器的可靠性。2/5/202332電氣與信息工程學(xué)院在硬件方面，首先是選用優(yōu)質(zhì)器件，采用合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，加固簡化安裝，使它能抗振動沖擊。對印刷電路板的設(shè)計(jì)、加工及焊接都采取了極為嚴(yán)格的工藝措施。對于工業(yè)生產(chǎn)過程中最常見的瞬間強(qiáng)干擾，采取的措施主要是采用隔離和濾波技術(shù)。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(lián)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(xué)院在PLC的電源電路和Ｉ／Ｏ接口中，還設(shè)置多種濾波電路，除了采用常規(guī)的模擬濾波器(如LC濾波和Π型濾波)外，還加上了數(shù)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(diào)整器對微處理器的＋5伏電源進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)交流電網(wǎng)的波動和過電壓、欠電壓的影響。在PLC內(nèi)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(dǎo)電、導(dǎo)磁良好的材料進(jìn)行屏蔽，以防外界干擾。

2/5/202334電氣與信息工程學(xué)院在軟件方面，PLC也采取了很多特殊措施，設(shè)置了警戒時鐘WDT(WatchingDogTimer)，系統(tǒng)運(yùn)行時對WDT定時刷新，一旦程序出現(xiàn)死循環(huán)，使之能立即跳出，重新起動并發(fā)出報警信號。還設(shè)置了故障檢測及診斷程序，用以檢測系統(tǒng)硬件是否正常，用戶程序是否正確，便于自動地做出相應(yīng)的處理，如報警、封鎖輸出、保護(hù)數(shù)據(jù)等。當(dāng)PLC檢測到故障時，立即將現(xiàn)場信息存入存儲器，由系統(tǒng)軟件配合對存儲器進(jìn)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(huán)境正常后，便可恢復(fù)到故障發(fā)生前的狀態(tài)，繼續(xù)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(xué)院

編程簡單可編程控制器的設(shè)計(jì)是面向工業(yè)企業(yè)中一般電氣工程技術(shù)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(yè)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(jìn)行編程。

2/5/202336電氣與信息工程學(xué)院系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試方便

用可編程控制器完成一項(xiàng)控制工程時，由于其硬、軟件齊全，設(shè)計(jì)和施工可同時進(jìn)行。由于用軟件編程取代了繼電器硬接線實(shí)現(xiàn)控制功能，使得控制柜的設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，模擬調(diào)試好后再將PLC控制系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行聯(lián)機(jī)統(tǒng)調(diào)，使得調(diào)試方便、快速、安全，因此大大縮短了設(shè)計(jì)和投運(yùn)周期。2/5/202337電氣與信息工程學(xué)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(jìn)行寫入、讀出、檢測、修改，還能對PLC的工作進(jìn)行監(jiān)控，使得PLC的操作及維護(hù)都很方便。PLC還具有很強(qiáng)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(tài)、RAM的后備電池的狀態(tài)、數(shù)據(jù)通信的異常、PLC內(nèi)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(dāng)PLC機(jī)或外部的輸入裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)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(chǎn)的時間。

有人曾預(yù)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(fā)展和廣泛應(yīng)用的重要因素之一。2/5/202338電氣與信息工程學(xué)院功能強(qiáng)，性能價格比高

一臺小型可編程序控制器內(nèi)有成百上千個可供用戶使用的編程元件，可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。與相同功能的繼電器系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)分散控制與集中管理。2/5/202339電氣與信息工程學(xué)院可編程控制器的與繼電器邏輯控制系統(tǒng)的比較比較項(xiàng)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(fù)雜，修改困難存儲邏輯,體積小、連線少,控制靈活，易于擴(kuò)展控制速度通過觸點(diǎn)的開閉實(shí)現(xiàn)控制作用。動作速度為幾十毫秒，易出現(xiàn)觸點(diǎn)抖動

由半導(dǎo)體電路實(shí)現(xiàn)控制作用,每條指令執(zhí)行時間在微秒級,不會出現(xiàn)觸點(diǎn)抖動限時控制由時間繼電器實(shí)現(xiàn)，精度差，易受環(huán)境、溫度影響用半導(dǎo)體集成電路實(shí)現(xiàn),精度高，時間設(shè)置方便，不受環(huán)境、溫度影響觸點(diǎn)數(shù)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(huán)掃描設(shè)計(jì)與施工設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試必須順序進(jìn)行，周期長，修改困難在系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，現(xiàn)場施工與程序設(shè)計(jì)可同時進(jìn)行,周期短，調(diào)試、修改方便可靠性與可維護(hù)性壽命短可靠性與可維護(hù)性差壽命長，可靠性高，有自診斷功能，易于維護(hù)價格使用機(jī)械開關(guān)、繼電器及接觸器等，價格便宜使用大規(guī)模集成電路，初期投資較高2/5/202340電氣與信息工程學(xué)院傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)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(chǎn)機(jī)械、固定的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)等功能，一旦生產(chǎn)工藝過程改變，則控制柜必須重新設(shè)計(jì)、重新配線。而PLC由于應(yīng)用了微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，各種控制功能都是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的，因此只要改變程序并改動少量的接線端子，就可適應(yīng)生產(chǎn)工藝的改變。從適應(yīng)性、可靠性、方便性及設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)等各方面進(jìn)行比較，PLC都有顯著的優(yōu)勢。因此在用微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的過程中，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)大多數(shù)將被PLC所取代。2/5/202341電氣與信息工程學(xué)院可編程控制器的與其他工業(yè)控制器的比較在工業(yè)控制領(lǐng)域幾種有代表性的工業(yè)控制器：

可編程控制器(PLC)；

PID控制器(又稱PID調(diào)節(jié)器)；集散控制系統(tǒng)(DCS)；微型計(jì)算機(jī)(PC)和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（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(jì)算機(jī)、與集散控制系統(tǒng)、與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)分別做一下比較。2/5/202342電氣與信息工程學(xué)院比較項(xiàng)目可編程控制器微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用范圍工業(yè)控制科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、通信等使用環(huán)境工業(yè)現(xiàn)場具有一定溫度、濕度的機(jī)房輸入／輸出控制強(qiáng)電設(shè)備,有光電隔離,有大量的Ｉ／Ｏ口與主機(jī)采用微電聯(lián)系,沒有光電隔離,沒有專用的Ｉ／Ｏ口程序設(shè)計(jì)一般為梯形圖語言，易于學(xué)習(xí)和掌握程序語言豐富，需專門計(jì)算機(jī)的硬件和軟件知識系統(tǒng)功能自診斷、監(jiān)控等配有較強(qiáng)的操作系統(tǒng)工作方式循環(huán)掃描方式及中斷