【文章內(nèi)容簡介】 ，可編程控制器是一臺計算機，它是專為工業(yè)環(huán)境應用而設計制造的計算機。它具有豐富的輸入 /輸出接口，并且具有較強的驅(qū)動能力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應用，在實際應用時， 其硬件需根據(jù)實際需要進行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進行設計編 制 。 PLC 的基本組成 從廣義上將， PLC 實質(zhì)上是一種以數(shù)字控制為主要特征的工業(yè)控制計算機，由硬件和軟件兩部分組成。與一般的計算機相比，它具有更強的與工業(yè)控制相連接的接口，編程語言更直接使用于控制要求。因此，在硬件結(jié)構(gòu)上， PLC 與計算機的組成十分相似，主要包括中 央處理器（ CPU） /存儲器、 I/O接口、電源等。PLC 的基本結(jié)構(gòu)如圖 21所示。 圖 21 PLC的基本結(jié)構(gòu) CPU模塊 I/O模塊 編程器 電源 接口 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 7 中央處理單元 (CPU) CPU 是 PLC 的控制中樞。它按照 PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、 I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當 PLC 投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后 按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入 I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。為了進一步提高 PLC的可靠性，近年來對大型 PLC 還采用雙CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三 CPU 的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個 CPU 出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。 存儲器 PLC 的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器。系統(tǒng)存儲器用來存放系統(tǒng)軟件用戶程序存儲器用來存放應用軟件。 PLC 通常使用以下幾種物理存儲器 （ 1） 隨即存取存儲器（ RAM） 用戶可以用編程裝置讀出 RAM 中的內(nèi)容，也可以將用戶程序?qū)懭?RAM，其存取速度最快，由鋰電池支持。 （ 2） 只讀存儲器（ ROM） ROM 的內(nèi)容只能讀出，不能寫入，它是非易失性的，電源切斷后，仍能保存儲存的內(nèi)容。 ROM 用來存放 PLC的系統(tǒng)程序。 （ 3）電擦除可編程的只讀存儲器（ EEPROM） EEPROM 是非易失性的，但是可以用編程裝置對它編程，兼有 ROM 的非易失性和 RAM 的隨機存取優(yōu)點，但是將信息寫入它所需的時間比 RAM 長得多。 EEPROM 用來存放用戶程序和需長期保存的重要數(shù)據(jù)，存儲器的信息 可保留 10 年以上。 I/O 接口 I/O 接口是 PLC 與外界連接的接口。 PLC通過輸入模塊把控制現(xiàn)場的狀態(tài)、信息讀入主機，通過輸出模塊把經(jīng)用戶程序的運算與決策所得的操作結(jié)果輸出給第二章 S7200 系列 PLC 的概述 8 執(zhí)行機構(gòu)。輸入模塊用于將控制現(xiàn)場輸入信號變成 CPU 能接受的信號，并對其進行濾波、電平轉(zhuǎn)換、隔離、放大等。輸入接口用來接收和采集兩種類型的輸入信號：一類是有按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)、繼電器觸點、接近開關(guān)、光電開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)等來的開關(guān)量輸入信號；另一類是由電位器、測速發(fā)電機和各種變送器等來的模擬量輸入信號。輸出模塊用于將 CPU的決 策輸出信號變換成驅(qū)動控制對象執(zhí)行機構(gòu)的控制信號（含開關(guān)量或模擬量），執(zhí)行元件如，接觸器、電磁閥、指示燈，調(diào)節(jié)閥（模擬量）、調(diào)速裝置（模擬量）等，并對輸出信號進行功率放大、隔離 PLC 內(nèi)部電路和外部執(zhí)行元件等。 可編程控制器的特點、分類和技術(shù)指標 可編程控制器的特點 PLC 技術(shù)之所以迅速發(fā)展，除了工業(yè)自動化領(lǐng)域的客觀需要外，主要原因在于與現(xiàn)有的各種控制方式相比，它具有一系列深受用戶歡迎的特點。它較好地解決了工業(yè)領(lǐng)域中普遍關(guān)注的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟等問題。主要具有以下特點： 、通用性強 PLC 的硬件是標準化的，加之 PLC 的產(chǎn)品已系列化，功能模塊品種多，可以靈活組成各種不同大小和不同功能的控制系統(tǒng)。在 PLC 構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，只需在 PLC 的端子上接入相應的輸入輸出信號線。當需要變更控制系統(tǒng)的功能時，可以用編程器在線或離線修改程序，同一個 PLC 裝置用于不同的控制對象，只是輸入輸出組件和應用軟件的不同。 、抗干擾能力強 微機功能強大但抗干擾能力差，工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾，電源波動，機械振動，溫度和濕度的變化，都可能導致一般通用微機不能正常工作；傳 統(tǒng)的繼電器 — 接觸器控制系統(tǒng)抗干擾能力強，但由于存在大量的機械觸點（易磨損、燒蝕）而壽命短，系統(tǒng)可靠性差。 PLC采用微電子技術(shù)，大量的開關(guān)動作由無觸點的電子存儲器件來完成，大部分繼電器和繁雜連線被軟件程序所取代，故壽命長，可靠性大大提高，從實際使用情況來看， PLC 控制系統(tǒng)的平均無故障時間一般可達 4～ 5萬小時。 PLC 采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，能適應有各種強烈干擾的工南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 9 業(yè)現(xiàn)場，并具有故障自診斷能力。如一般 PLC 能抗 1000V、 1ms 脈沖的干擾，其工作環(huán)境溫度為 0～ 60℃ ，無需強迫風冷。 、維護方便 PLC 的接口按工業(yè)控制的要求設計，有較強的帶負載能力（輸入輸出可直接與交流 220V，直流 24V 等強電相連），接口電路一般亦為模塊式，便于維修更換。有的 PLC 甚至可以帶電插拔輸入輸出模塊，可不脫機停電而直接更換故障模塊，大大縮短了故障修復時間。 、功耗小、性價比高 以小型 PLC（ TSX21）為例，它具有 128 個 I/O 接口，可相當于 400～ 800 個繼電器組成的系統(tǒng)的控制功能，其尺寸僅為 216 127 110mm3，重 ，不帶接口的空載功耗為 ，其成本僅相當于同功能繼電 器系統(tǒng)的 10～ 20％。 PLC的輸入輸出系統(tǒng)能夠直觀地反應現(xiàn)場信號的變化狀態(tài)，還能通過各種方式直觀地反映控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，如內(nèi)部工作狀態(tài)、通訊狀態(tài)、 I/O 點狀態(tài)、異常狀態(tài)和電源狀態(tài)等，對此均有醒目的指示，非常有利于運行和維護人員對系統(tǒng)進行監(jiān)視。 、容易掌握 PLC 是面向用戶的設備， PLC 的設計者充分考慮了現(xiàn)場工程技術(shù)人員的技能和習慣。大多數(shù) PLC 的編程均提供了常用的梯形圖方式和面向工業(yè)控制的簡單指令方式。編程語言形象直觀，指令少、語法簡便，不需要專門的計算機知識和語言，具有一定的電工和工 藝知識的人員都可在短時間內(nèi)掌握。利用專用的編程器，可方便地查看、編輯、修改用戶程序。 、施工、調(diào)試周期短 用繼電器 — 接觸器控制完成一項控制工程，必須首先按工藝要求畫出電氣原理圖，然后畫出繼電器屏（柜）的布置和接線圖等，進行安裝調(diào)試，以后修改起來十分不便。而采用 PLC 控制，由于其靠軟件實現(xiàn)控制，硬件線路非常簡潔，并為模塊化積木式結(jié)構(gòu)，且已商品化，故僅需按性能、容量（輸入輸出點數(shù)、內(nèi)存大小）等選用組裝，而大量具體的程序編制工作也可在 PLC到貨前進行，因而縮短了設計周期，使設計和施工可同時進行。由于用軟件 編程取代了硬接線實現(xiàn)控第二章 S7200 系列 PLC 的概述 10 制功能，大大減輕了繁重的安裝接線工作，縮短了施工周期。 PLC 是通過程序完成控制任務的，采用了方便用戶的工業(yè)編程語言，且都具有強制和仿真的功能，故程序的設計、修改和調(diào)試都很方便，這樣可大大縮短設計和投運周期。 可編程控制器的分類 PLC 產(chǎn)品種類繁多，其規(guī)格和性能也各不相同。對 PLC的分類，通常根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式的不同、功能的差異和 I/O 點數(shù)的多少等進行大致的分類。 根據(jù) PLC 的結(jié)構(gòu)形式，可將 PLC 分為整體式和模塊式兩類。 （ 1）整體式 PLC 整體式 PLC 是將電源、 CPU、 I/O 接口等部件都集中裝在一個機箱內(nèi)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低的特點。小型 PLC 一般采用這種整體式的結(jié)構(gòu)。整體式的 PLC 由不同 I/O 點數(shù)的基本單元（又稱主機）和擴展單元組成?；締卧獌?nèi)有 CPU、 I/O 接口、與 I/O 擴展單元相連的擴展口以及與編程器或 EPROM 寫入器相連的接口等。擴展單元內(nèi)只有 I/O 和電源等。沒有 單元和擴展單元之間一般用扁平的電纜連接。整體式 PLC 一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，使其功能得以擴展。 （ 2）模塊式 PLC 模塊式 OLC 是將 PLC 各組成部分，分別做成若干個單獨的模塊，入 CPU 模塊、 I/O 模塊、電源模塊（有的含在 CPU 模塊中）以及各種功能模塊。模塊式 PLC由框架或基板和各種模塊組成。模塊裝在框架或基板的插座上。這種模塊式 PLC 的特點是配置靈活，可根據(jù)需要選配不同規(guī)模的系統(tǒng)，而且裝配匥，便于擴展或維修。大、中型 PLC 一般采用模塊式結(jié)構(gòu)。 還有一些 PLC 將整體式和模塊式的特點結(jié)合起來，構(gòu)成所謂的疊裝式 PLC。疊裝式 PLC 的 CPU、電源、 I/O接口等也是各自獨立的模塊，但他們之間是靠電纜進行連接，并且各模塊可以一層層 地疊裝。這樣，不但系統(tǒng)可以靈活配置，還可以做的體積小巧。 根據(jù) PLC 所具有的功能不同，可將 PLC 分為低檔、中檔、高檔 PLC 三類。 （ 1）低檔 PLC 具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量 I/O、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能。主主南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 11 要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制和單機控制系統(tǒng)。 （ 2） — 中檔 PLC 除具有低檔 PLC 的功能外，還具有較強的模擬量 I/O、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、遠程 I/O、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有 些還可增設中斷控制、 PID 控制等功能，適用于復雜控制系統(tǒng)。 （ 3）高檔 PLC 除具有中檔 PLC 的功能外，還增加了帶符號算術(shù)運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其他特殊功能函數(shù)的運算、制表及表格傳送功能等。高檔 PLC 具有更強的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大規(guī)模過程控制或構(gòu)成分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化。 I/O 點數(shù)分類 根據(jù) PLC 的 I/O 點數(shù)的多少，可將 PLC 分為小型、中型和大型 PLC 三類。 （ 1）小型 PLC I/O 點數(shù)為 256點以下的為小型 PLC。期中， I/O 點數(shù)小于64點的為 超小型或微型 PLC。 （ 2）中型 PLC I/O 點數(shù)為 256點以上、 2048 點一下的為中型 PLC。 （ 3）大型 PLC I/O 點數(shù)為 2048 以上的為大型 PLC。其中， I/O 點數(shù)超過 8192點的為超大型 PLC. 在實際中，一般 PLC 功能的強弱與其 I/O 點數(shù)的多少事相互關(guān)聯(lián)的，即 PLC的功能越強，其可配置的 I/O 點數(shù)越多。因此，通常我們所說的小型、中型、大型 PLC，除指 I/O 點數(shù)不同外，同時也表示其對應功能為低檔、中檔、高檔。 可編程控制器的技術(shù)指標 1．存儲容量 存儲容 量一般是指用戶程序存儲的容量。用戶程序存儲器的容量大，可以編制出復雜的程序。一般來說，小型 PLC 的用戶存儲器容量為幾千字節(jié)，而大型PLC 的用戶存儲器容量為幾萬字節(jié)。有些 PLC的用戶存儲器需要另購外插的存儲卡，或者可以用存儲卡擴充。 2． I/O 點數(shù) I/O 點數(shù)是 PLC 可以接受的輸入信號和輸出信號的總和，是衡量 PLC性能的重要指標。 I/O 點數(shù)越多，外部可接的輸入設備和輸出設備就越多，控制規(guī)模就第二章 S7200 系列 PLC 的概述 12 越大。 3．掃描速度 掃描速度是指 PLC 執(zhí)行用戶程序的速度，是衡量 PLC 性能的重要指標。一般以掃描 1K 步 用戶程序所需的時間來衡量掃描速度，通常以 ms/K 步為單位。 PLC用戶手冊一般給出執(zhí)行各條指令所用的時間，可以通過比較各種 PLC執(zhí)行相同的操作所用的時間，來衡量掃描速度的快慢。 4．指令的功能與數(shù)量 指令功能的強弱、數(shù)量的多少也是衡量 PLC 性能的重要指標。編程指令的功能越強，數(shù)量越多， PLC 的處理能力和控制能力也就越強，用戶編程也越簡單和方便，越容易完成復雜的控制任務。 5．內(nèi)部元件的種類與數(shù)量 在編制 PLC 程序時，需要用到