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1、第一章 可编程控制器简介随着微处理器，计算机的和数字通讯技术的飞速发展，计算机控制技术已经渗透到所有工业领域。当前用于工业控制的计算机可分为:可编程控制器,基于PC总线的工业控制计算机,基与单片机的测控装置,用于模拟量闭环控制的可编程调节器,集散控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)等。可编程控制器是应用广泛,功能强大,使用方便的通用工业控制装置,已成为当代工业自动化的重要支柱.近几年来，在国内已得到迅速推广普及。正改变着工厂自动控制的面貌，对传统的技术改造、发展新型工业具有重大的实际意义。 可编程控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器，目的是用来取代继电器，以执行
2、逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。其基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容写入控制器的用户程序内，控制器和被控对象连接也很方便。 可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的要求专门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。可编程序控制器，英文称
3、Programmable Controller，简称PC。但由于PC容易和个人计算机（Personal Computer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以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指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现
4、场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序的编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。一、PLC的结构及各部分的作用 PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。PLC的硬件系统结构如下图所示：1、主机主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及
5、数据存储器。CPU是PLC的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。2、输入/输出（I/O）接口I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。输出
6、接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。3、电源 图中电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。4、编程 编程是PLC利用外部设备，用户可用以输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。通过专用的PC/MPI电缆线将PLC与电脑联接，并利用专用的编程软件进行电脑编程和监控。5、输入/输出扩展单元I/O
7、扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）连接在一起。6、外部设备接口此接口可将打印机、条码扫描仪,变频器等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。7、S7-300的系统结构S7-300采用紧凑的无槽位限制的模块结构，电源模块（PS）、CPU、信号模块（SM）、功能模块（FM）、接口模块（IM）和通信处理器（CP）都安装在导轨上。导轨是一种专用的金属机架，只需将模块钩在DIN标准的安装导轨上，然后用螺丝锁紧就可以了。电源模块总是安装在机架的最左边，CPU模块紧靠着电源模块。如果有接口模块，它放在CPU模块的右侧。如果有扩展机架，接口模块占用3号槽位，负责与其他扩展机架自
8、动地进行数据通信。二、PLC的工作原理PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随
9、即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。三、PLC的程序编制1.编程元件 PLC是采用软件编制程序来实现控制要求的。编程时要使用到各种编程元件，它们可提供无数个动合和动断触点。编程元件是指输入映像寄存器、输出映像寄存器、位存储器、定时器、计数器、通用寄存器、数据寄存器及特殊功能
10、存储器等。 PLC内部这些存储器的作用和继电接触控制系统中使用的继电器十分相似，也有“线圈”与“触点”，但它们不是“硬”继电器，而是PLC存储器的存储单元。当写入该单元的逻辑状态为“1”时，则表示相应继电器线圈得电，其动合触点闭合，动断触点断开。所以，内部的这些继电器称之为“软”继电器。2.编程语言 所谓程序编制，就是用户根据控制对象的要求，利用PLC厂家提供的程序编制语言，将一个控制要求描述出来的过程。PLC最常用的编程语言是梯形图语言和指令语句表语言。1） 梯形图（LAD）梯形图是一种从继电接触控制电路图演变而来的图形语言。它是借助类似于继电器的动合、动断触点、线圈以及串、并联等术语和符号
11、，根据控制要求联接而成的表示PLC输入和输出之间逻辑关系的图形，直观易懂。梯形图中常用 、 图形符号分别表示PLC编程元件的动断和动合接点；用（ ）表示它们的线圈。梯形图中编程元件的种类用图形符号及标注的字母或数加以区别。触点和线圈等组成的独立电路称为网络，用编程软件生成的梯形图和语句表程序中有网络编号，允许以网络为单位给梯形图加注释。 梯形图的设计应注意到以下三点： 梯形图按从左到右、自上而下的顺序排列。每一逻辑行（或称梯级）起始于左母线，然后是触点的串、并联接，最后是线圈。与能流的方向一致。 梯形图中每个梯级流过的不是物理电流，而是“概念电流”，从左流向右，其两端没有电源。这个“概念电流”
12、只是用来形象地描述用户程序执行中应满足线圈接通的条件。 输入寄存器用于接收外部输入信号，而不能由PLC内部其它继电器的触点来驱动。因此，梯形图中只出现输入寄存器的触点，而不出现其线圈。输出寄存器则输出程序执行结果给外部输出设备，当梯形图中的输出寄存器线圈得电时，就有信号输出，但不是直接驱动输出设备，而要通过输出接口的继电器、晶体管或晶闸管才能实现。输出寄存器的触点也可供内部编程使用。2）指令语句表（STL） 指令语句表是一种用指令助记符来编制PLC程序的语言，它类似于计算机的汇编语言，但比汇编语言易懂易学，若干条指令组成的程序就是指令语句表。一条指令语句是由步序、指令语和作用器件编号三部分组成
13、。3）顺序功能图（SFC）这是一种位于其他编程语言之上的图形语言，用来编制顺序控制程序。在这种语言中，工艺过程被分为若干个顺序出现的步，步中包含控制输出的动作，从一步到另一步的转换有转换条件控制。它的优点是表达复杂的顺序控制过程非常清晰，用于编程及故障诊断更为有效，使PLC程序的结构更加易读，特别适合于生产制造过程。4）功能块图（FBD）功能块图（FBD）使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑。功能块图用类似于与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框被“导线”连接在一起，信号自左向右流动。它的优点是一些
14、复杂的功能用指令框来表示，有数字电路基础的人很容易掌握。下例为PLC实现三相鼠笼电动机起/停控制的三种编程语言的表示方法：第二章 可编程控制器梯形图编程规则一、编程的八个步骤 （一）决定系统所需的动作及次序。 当使用可编程控制器时，最重要的一环是决定系统所需的输入及输出，这主要取决于系统所需的输入及输出接口分立元件，输入及输出要求如下：（1）第一步是设定系统输入及输出数目，可由系统的输入及输出分立元件数目直接取得。 （2）第二步是决定控制先后、各器件相应关系以及作出何种反应。（二）将输入及输出器件编号 每一输入和输出，包括定时器、计数器、内置继电器等都有一个唯一的对应编号，不能混用。（三）画出
15、梯形图。 根据控制系统的动作要求，画出梯形图。梯形图设计规则如下：（1）触点应画在水平线上，不能画在垂直分支上。应根据自左至右、自上而下的原则和对输出线圈的几种可能控制路径来画。（2）不包含触点的分支应放在垂直方向，不可放在水平位置，以便于识别触点的组合和对输出线圈的控制路径。（3）在有几个串联回路相并联时，应将触头多的那个串联回路放在梯形图的最上面。在有几个并联回路相串联时，应将触点最多的并联回路放在梯形图的最左面。这种安排，所编制的程序简洁明了，语句较少。（4）不能将触点画在线圈的右边，只能在触点的右边接线圈。（四）将梯形图转化为程序 把继电器梯形图转变为可编程控制器的编码，当完成梯形图以后，下一步是把它编码成可编程控制器能识别的程序。这种程序语言是由地址、控制语句、数据组成。地址是控制语句及数据所存储或摆放的位置，控制语句告诉可编程控制器怎样利用数据作出相应的动作。（五）在编程方式下用键盘输入程序。（六）编程及设计控制程序。（七）测试控制程序的错误并修改。（八）保存完整的控制程序。第三章 STEP7编程软件的介绍及使用一、Step-7简介Step-7编程软
