1、 内容摘要 本书以培养综 合 型应用人才为目标，在注重基础理论教育的同时，突出实践性教育环节，力图做到深入浅出，便于教学，突出高等职业教育的特点，适合高职高专工科学生使用。 可编程控制器（ PLC）是工业自动化的主导产品，具有控制能力强，可靠性高，使用方便，编程简单，易于扩展等优点，是当今以及今后工业控制的主要手段和重要的自动化控制设备。 近年来，德国西门子公司的 S7 系列 PLC 在我国已经广泛使用，并在各行各业的生产过程的自动控制担任着重要角色。本书以 S7-200 系列的 CPU22X 为例，讲述了小型可编程控制器的的构成 、原理、指令系统、应用以及系统的设置、调试方法，每章都配有习题
2、和实验。本课程建议学时数 48 64 学时。 近年来，德国西门子公司的 S7 系列 PLC 在我国已经广泛使用，并在各行各业的生产过程的自动控制担任着重要角色。本书以 S7-200 系列的 CPU22X 为例，讲述了小型可编程控制器的的构成、原理、指令系统、应用以及系统的设置、调试方法，每章都配有习题和实验。本课程建议学时数 48 64 学时。 关键字： PLC S7-200 原理 指令系统 习题 目 录 第一章 可编程序控制器概述 1 1.1 可编程序控制器的产生和定义 1 1.2 可编程序控制器的主要功能及特点 2 1.3 可编程序控制器的分类 4 1.4 可编程序控制器的发展趋势 6 第
3、二章 可编程序控制器的结构和工作原理 7 2.1 可编程序控制器的组成与基本结构 7 2.2 可编程序控制器的工作原理及主要技术指标 9 2.3 S7-200 系列可编程控制器 12 2.4 可编程序控制器的编程语言 13 致谢 15 参考文献 16天津轻工职业技术学院 20级毕业设计（论文） 1 第一章 可编程序控制器概述 可编程控制器（ Programmable Controller 简称 PLC）。 PLC 是 在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程
4、控系统。可编程控制器具有能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单等优点，是当代工业生产自动化的主要手段和重要的自动化控制设备。 1.1 可编程序控制器的产生和定义 一、 可编程序控制器的产生 在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是以继电控制器占主导地位的。这种由继电器构成的控制系统有着明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运 行速度不高，尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差，一旦生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，这造成了时间和资金的严重浪费。 20 世纪 60 年代末期，为了使汽车改型或改变工艺流程时不改动原有继电器柜内的接线，以便降低生产成本，缩短新产品的开发周
5、期，以满足生产的需求。美国通用汽车公司 (GM 公司 ) 1968 年提出了研制新型控制装置的十项指标，其主要内容如下： (1) 编程简单，可在现场修改和调试程序； (2) 价格便宜，性价比高于继电器控制系统； (3) 可靠性高于继电器控制系统； (4) 体积小 于有继电器控制柜的体积，能耗少； (5) 能与计算机系统数据通信； (6) 输入量是交流 115 V 电压信号（美国电网电压是 110V）； (7) 输出量是交流 115 V 电压信号、输出电流在 2 A 以上，能直接驱动电磁阀等； (8) 具有灵活的扩展能力； (9) 硬件维护方便，采用插入式模块结构； (10) 用户存储器容量至少
6、在 4 KB以上 (根据当时的汽车装配过程的要求提出 )。 天津轻工职业技术学院 20级毕业设计（论文） 2 从上述 10 项指标可以看出，它实际上就是当今可编程序控制器最基本的功能，具备了可编程序控制器的特点。 1969 年，美国数字设备公司（ DEG）根据上述要求研制出第一台可编程序控制器，型号为 PDP-14，并在 GM 公司的汽车生产线上适用成功，于是第一台可编程序控制器诞生了。 二、可编程序控制器的定义 由于 PLC 在不断发展，因此，对它进行确切的定义是比较困难的。美国电气制造商协会 (NEMA)经过四年的调查工作，于 1980 年正式将可编程序控制器命名为PC(Programma
7、ble Controller)，但为了与个人计算机 PC（ Personal Computer）相区别，常将可编程序控制器简称为 PLC，并给 PLC 作了定义：可编程序控制器是一种带有指令 存储器、数字的或模拟的输入 /输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和运算等功能，用于控制机器或生产过程的 自动化控制装置。 1982 年，国际电工委员会 (International Electrical Committee， IEC)颁布了 PLC标准草案第一稿， 1985 年提交了第 2 稿，并在 1987 年的第 3 稿中对 PLC 作了如下的定义：“ PLC 是一种数字运算的电子系
8、统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令 ，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。” 上述的定义表明， PLC 是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，是以微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、面向用户的 “自然语言 ”编程的一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。 1.2 可编程序控制器的主要功能及特点 一、可编程序控制器的
9、主要功能 1 . 开关逻辑和顺序控制 天津轻工职业技术学院 20级毕业设计（论文） 3 这是 PLC 应用最广泛、最基本的场合。它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种控制要求。 2. 模拟控制 （ A/D 和 D/A 控制） 在工业生产过程中，许多连续变化的需要进行控制的物理量，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。过去， PLC 长于逻辑运算控制，对于模拟量的控制主要靠仪表或分布式控制系统，目前大部分 PLC 产品都具备处理这类模拟量的功能，而且编程和使用方便。 3. 定时 /计数控制 PLC 具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定 时
10、器与计数器。对于定时器，定时间隔可以由用户加以设定；对于计数器，如果需要对频率较高的信号进行计数，则可以选择高速计数器。 4. 步进控制 PLC 为用户提供了一定数量的移位寄存器，用移位寄存器可方便地完成步进控制功能。 5运动控制 在机械加工行业，可编程序控制器与计算机数控（ CNC）集成在一起，用以完成机床的运动控制。 6. 数据处理 大部分 PLC 都具有不同程度的数据处理能力，它不仅能进行算术运算、数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等操作，有些 PLC 还 可以进行浮点运算和函数运算。 7. 通信联网 PLC 具有通信联网的功能，它使 PLC 与 PLC 之间、 PL
11、C 与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制 。 二、可编程序控制器的特点 PLC 能如此迅速发展的原因，除了工业自动化的客观需要外，还有许多独特的优点。它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济天津轻工职业技术学院 20级毕业设计（论文） 4 等问题。其主要特点如下： 1. 可靠性高 可靠性指的是可编程控制器平均无故障工作时间。由于可编程序控制器采取了一系列硬件和软件抗干扰措 施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。可编程序控制器已被广大用户公认为是最可靠的工业控制设备之
12、一。 2. 控制功能强 一台小型可编程序控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，它具有很高的性能价格比。可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制与集中管理。 3. 用户使用方便 可编程序控制器产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置 ，组成不同功能、不同规模的系统。可编程序控制器的安装接线也很方便，有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。 4. 编程方便、简单 梯形图是可编程序控制器使用
13、最多的编程语言，其电路符号、表达方式与继电器电路原理图相似。梯形图语言形象、直观、简单、易学，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。 5. 设计、安装、调试周期短 可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继 电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少，缩短了施工周期。可编程序控制器的用户程序可以在实验室模拟调试，模拟调试好后再将PLC 控制系统在生产现场进行安装和接线，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，大大缩短了设计和投运周期。 6. 易于实现机电一体化 可编程序控制器体积小、重
14、量轻、功耗低、抗振防潮和耐热能力强，使之易于天津轻工职业技术学院 20级毕业设计（论文） 5 安装在机器设备内部，制造出机电一体化产品。目前以 PLC 作为控制器的 CNC 设备和机器人装置已成为典型。 1.3 可编程序控制器的分类 目前 PLC 的种类非常多，型号和规格也不统一，了解 PLC 的分类有助于 PLC的选型和应用。 1. 按点数和功能分类 为了适应不同工业生产过程的应用要求，可编程序控制器能够处理的输入 /输出信号数是不一样的。一般将一路信号叫做一个点，将输入点数和输出点数的总和称为机器的点数，简称 I/O 点数。一般讲，点数多的 PLC，功能也越强。按照点数的多少，可将 PLC
15、 分为超小 (微 )、小、中、大四种类型。 （ 1） 超小型机 ： I/O 点数为 64 点以内， 内存容量为 256 1000 字节； （ 2）小型机： I/O 点数为 64 256， 内 存容量为 1 3.6K 字节； 小型及超小型 PLC 主要用于小型设备的开关量控制，具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制、通信等功能。 （ 3） 中型机： I/O 点数为 256 1024，内存容量为 3.6 13K 字节； 中型 PLC 除具有小型、超小型 PLC 的功能外，还增加了数据处理能力，适用于小规模的综合控制系统。 （ 4）大型机： I/O 点数为 1024 以上， 内存容量为 13K 字节以上
16、； 大型 PLC 的功能更加完善，多用于大规模过程控制、集散式控制和工厂自动化网络。 2. 按结构形式分类 通常从 PLC 硬件结构形式上 分整体式结构和模块式结构。 （ 1) 整体式结构 一般的小型及超小型 PLC 多为整体式结构，这种可编程序控制器是把 CPU、RAM、 ROM、 I/O 接口及与编程器或 EPROM 写入器相连的接口、输入 /输出端子、电源、指示灯等都装配在一起的整体装置。它的优点是结构紧凑，体积小，成本低，安装方便，缺点是主机的 I/O 点数固定，使用不灵活。西门子公司的 S7-200 系列天津轻工职业技术学院 20级毕业设计（论文） 6 PLC 为整体式结构。 （ 2
17、) 模块式结构 模块式结构又叫积木式。这种结构形式的特点是把 PLC 的每个工作单元都制成独立的模块，如 CPU 模块、输入模块、输出 模块、电源模块、通信模块等。另外，机器上有一块带有插槽的母板，实质上就是计算机总线。把这些模块按控制系统需要选取后，都插到母板上，就构成了一个完整的 PLC。这种结构的 PLC 的特点是系统构成非常灵活，安装、扩展、维修都很方便，缺点是体积比较大。常见产品有OMRON 公司的 C200H、 C1000H、 C2000H，西门子公司的 S5-115U、 S7-300、 S7-400系列等。 3. 按生产厂家分类 PLC 的生产产家很多，国内国外都有，其点数、容量
18、、功能各有差异，但都自成系列，比较有影响的厂家有： 日本立石（ OMRON）公司的 C 系列可编程序控制器； 日本三菱（ MITSUBISHI）公司的 F、 F1、 F2、 FX2 系列可编程序控制器； 日本松下（ PANASONIC）电工公司的 FP1 系列可编程序控制器； 美国通用电气（ GE）公司的 GE 系列可编程序控制器； 美国艾论 布拉德利（ A-B）公司的 PLC-5 系列可编程序控制器； 德国西门子（ SIEMENS）公司的 S5、 S7 系列可编程序控制器。 1.4 可编程序控制器的发展趋势 随着 PLC 技术的推广、应用， PLC 将向两个方面发展：一方面向着大型化的方向发
19、展，另一方面则 向着小型化的方向发展。 PLC 向大型化方向发展，主要表现在大中型 PLC 高功能、大容量、智能化、网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合的自动控制。 PLC 向小型化方向发展，主要表现在下列几个方面：为了减小体积、降低成本，向高性能的整体型发展；在提高系统可靠性的基础上，产品的体积越来越小，功能越来越强；应用的专业性，使得控制质量大大提高。 天津轻工职业技术学院 20级毕业设计（论文） 7 另外， PLC 在软件方面也将有较大的发展。系统的开放使第三方的软件能方便地在符合开放系统标准的 PLC 上得到移植。除了采用标准 化的硬件外，采用标准化的
20、软件也能大大缩短系统开发周期；同时，标准化的软件由于经受了实际应用的考验，它的可靠性也明显提高。 总之， PLC 总的发展趋势是：高功能、高速度、高集成度、容量大、体积小、成本低、通信联网功能强。 天津轻工职业技术学院 20级毕业设计（论文） 8 第二章 可编程序控制器的结构和工作原理 2.1 可编程序控制器的组成与基本结构 PLC 是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，从广义上讲， PLC 也是一种计算机系统，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的输入 /输出接口，具有更适用于控制要求的编程 语言，具有更适应于工业环境的抗干扰性能。因此， PLC 是一种工业控制用的专用计算机
21、，它的实际组成与一般微型计算机系统基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。 一、可编程序控制器的硬件系统 PLC 的硬件系统由主机系统、输入 /输出扩展环节及外部设备组成。 1. 主机系统 图 2.1 PLC 结构示意图 (1) 微处理器单元 (Central Processing Unit， CPU)。 CPU 是 PLC 的核心部分，主机电源微 处 理 器 (CP U )运 算 器控 制 器输入单元存 储 器E P RO M( 系 统 程 序 )RA M( 用 户 程 序 )外设I/ O接口I/ O扩展接口用户输入设备输出单元用户输出设备I/ O扩展接口P L C 或 上 位 计 算 机图 形 监 控 系 统E P RO M 写 入 器打 印 机盒 式 磁 带 机编 程 器外部设备
