PLC的产生和发展

早期的控制系统都是继电器控制系统，但是到了20世纪60年代和70年代，继电器控制的缺点就暴露出来了。当然它是有很多优点的，简单易懂、操作方便、价格便宜（例如，一些常开常闭触点、线圈，就这些简单的符号就能表达一个系统，让别人一看简单易懂。在操作方面都是些按钮，操作简便，继电器价格也便宜）。到现在为止并不是说继电器已经完全抛弃了或者不用了，但是主要是用在一些小的系统上。

如果是在一些比较大的系统，对于继电器控制来说，就存在明显的缺点，如接线比较复杂（见图1-1）、生产工艺变化的适应性较差等，特别是它是靠硬连线逻辑构成的系统（硬连线就是一般的导线）。对于这些情况大家会想到如果能用程序来修改不就更好了吗？这就是后来的PLC。

在20世纪60年代到70年代，计算机系统也得到了发展，它优点就是能完备、灵活性、通用性好。特别是计算机的计算能力特别强。在这个时候，有人就会想到把继电器系统和计算机系统二合一，计算机系统编程容易、计算速度快，就内置在继电器系统上，而继电器系统操作方便就负责外围的设备。提出这种设想的是1968年美国的通用汽车公司，当时主要是为它生产汽车而考虑的，但是他们对计算机不是很了解。到了1969年，美国数字设备公司研制出了世界上台PLC，型号称为PDP-14

到目前为止，PLC的发展经历了五个阶段：

阶段：从台PLC到20世纪70年初期，CPU是采用中小规模集成电路，存储器为磁芯存储器（抗电磁干扰能力差）。

第二阶段：20世纪70年代初期到70年代末期。CPU是采用微处理器，存储器是EPROM。

第三阶段：20世纪70年代末期到80年代中期。CPU采用8位和16位微处理器，有些还采用多微处理器。存储器采用EPROM、EAROM、CMOS RAM。

第四阶段：20世纪80年代中期到90年代中期。PLC全面采用8位、16位的微处理芯片的位片式芯片，处理速度达到1ns/步。

第五阶段：20世纪90年代中期到现在。PLC采用16位和32位微处理芯片，有的已经使用RISC芯片。

PLC的发展与PC的发展相比较是落后一点，主要原因不是CPU装不上去，而是PLC的发展一定要和外围设备的发展相配套。

PLC会向哪个方向发展呢？

同计算机的发展类似，目前，可编程序控制器正朝着两个方向发展。

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一是朝着小型、简易、价格低廉的方向发展。如 OMRON 公司的 CQM1、SIEMENS公司的S7-200一类可编程序控制器，2009年又推出了S7-1200，SIEMENS公司将会把新的通信和控制技术应用在S7-1200这款产品上，同样，SIEMENS也将会用S7-1200这款产品强力打造全球PLC中低端市场。这种可编程序控制器可以广泛地取代继电器控制系统，用于单机控制和规模比较小的自动化生产线控制。

二是朝着大型、高速、多能和多层分布式全自动网络化方向发展。这类可编程序控制器一般为多处理器系统，有较大的存储能力和能很强的输入/输出接口。系统不仅具有逻辑运算、计时、计数等能，还具备数值运算、模拟调节、实时监控、记录显示、计算机接口、数据传送等能，还能进行中断控制、智能控制、过程控制、远程控制等。通过网络可以与上位机通信，配备数据采集系统、数据分析系统、彩色图像系统的操纵台，可以实现自动化工厂的全面要求。它会向高速度、大容量方向发展。目前很多已经使用64位RISC芯片，多CPU并行、分时、分任务处理，这样速度可以达到ns级。2013年西门子推出SIMATIC S7-1500，该系列专为中高端设备和工厂自动化设计。

开关量的逻辑控制是PLC控制基本的控制。目前，PLC控制的首先目标就是开关量的控制。它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可以用于单台设备的控制，也可以用于多机控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2.模拟量的闭环控制

PLC 厂家都生产配套的 A/D、D/A 转换模块，可以处理模拟量（温度、压力、流量、液位和速度等），从而实现对模拟量的控制。3.数据采集和监控

PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。4.通信联网和集散控制

随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信能，纷纷推出各自的网络系统。新生产的 PLC 具有 RS-232、RS-422、RS-485 或现场总线等通信接口，可进行远程I/O控制，实现多台PLC联网和通信。

在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。

1.5 PLC的生产厂家

德国西门子公司SS系列的产品，有SS-95U、100U、115U、135U及155U。135U、155U为大型机，控制点数可达6000多点，模拟量可达300多路。还推出了S7系列机，有S7-200 （小型）、S7-300（中型）及S7-400机（大型）。

日本 OMRON 公司的 CPM1A 型机，P 型机，H 型机，CQM1、CVM、CV 型机，Ha型、F型机等，大、中、小、微均有，特别在中、小、微方面更具特长，在中国及世界市场，都占有相当的份额。

美国通用电气公司的GE-Ⅱ系列PLC。GE公司的代表产品是小型机：GE-1、GE-1/J、GE-1/P；中型机：GE-Ⅲ；大型机：GE-V。

美国莫迪康公司（施耐德）的984机也是很有名的。其中，E984-785可安装31个远程站点，总控制规模可达63535点。小的为紧凑型，如984-120，控制点数为256点，在大与小之间，共20多个型号。

美国AB（Alien-Bradley）公司创建于1903年，在世界各地有20多个附属机构，10多个生产基地。可编程控制器也是它的重要产品。它的PLC-5系列是很有名的，有PLC-5/10～PLC-5/250多种型号。另外，也有微型PLC，SLC-500即为其中一种。有三种配置，有20、30及40I/O配置选择，I/O点数分别为12/8、18/12及24/16三种。

S7-300/400是一种模块化的通用型PLC，模块扩展能和易于实现分布式配置的优点，使其广泛应用于生产制造。S7-300/400 PLC CPU循环周期短、指令集能强大，进一步提高了系统的工作效率。

1.1　S7-300综述

S7-300是一种通用型的PLC，适合自动化工程中的各种应用场合，尤其是生产制造过程。其具有模块化的无风扇结构，易于实现分布式配置，循环周期短、指令集能强大以及用户易于掌握等特点，使得S7-300在完成生产制造工程、汽车工业、通用机械制造、工艺过程及包装等任务时，成为一种既经济又切合实际的解决方案。1.1.1　整体设计

S7-300是由机架（中央控制器/扩展单元）和各种模块部件所组成的，如图1-1所示，各个模块以搭积木的方式组合在一起形成系统，以达到应用的需要。图中PS为电源模块，CPU为处理器模块，SM为信号模块，IM为接口模块，FM为能模块，CP为通信处理器模块。

电源模块总是安装在机架的左边，CPU模块紧靠电源模块。如果有接口模块，放在CPU模块的右侧。信号模块和通信处理器模块可以不受限制地插到任何一个槽上，系统可以自动分配模块的地址。每个机架多只能安装8个信号模块、能模块或通信处理器模块。如果系统任务需要的这些模块超过8块，则可以增加扩展机架。

各模块上集成有背板总线，通过模块机壳背后的U形总线连接器将总线连成一体，如图1-2所示。用户所要做的就是将模块固定在DIN标准导轨上，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，然后用螺栓锁紧即可。这种结构形式既可靠又可以满足电磁兼容的要求除了带CPU的中央机架（CR），多可以增加3个扩展机架（ER），每个机架可以插CPU模块和接口模块（IM），4个机架多可以安装32个信号模块、能模块或通信处理模块。电源模块总是在1号槽的位置。中央机架（0号机架）的2号槽上是CPU模块，3号槽是接口模块，这3个槽号被固定占用。信号模块、能模块和通信处理器使用4～11号槽。

因为模块是用总线连接器连接的，而不是像其他模块式PLC那样用焊在背板上的总线插座来安装模块，所以槽号是相对的，在机架导轨上并不存在物理槽位。例如在不需要扩展机架时，中央机架上没有接口模块，此时虽然3号槽位仍然被实际上并不存在的接口模块占用，中央机架上的CPU模块和4号槽的模块实际上是挨在一起的。

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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动地进行数据通信。

如果只需要扩展一个机架，可以使用价格便宜的IM 365接口模块对，两个接口模块用1m长的固定电缆连接，由于IM 365不能给机架1提供通信总线，所以机架l上只能安装信号模块，不能安装通信模块和其他智能模块，如图1-3所示。扩展机架的电源由IM 365提供，两个机架的DC 5V电源的总电流应在允许值之内。

S7-300系列PLC共有20种性能档次不同的CPU可供控制使用。从范围广泛的基本能（指令执行、I/O读写、通过MPI模块或CP模块通信）、集成能和集成I/O模块到广泛的通信选项，总有一种CPU可以满足控制使用需求。S7-300系列CPU大致分为以下几类。

紧凑型：CPU 312C、CPU 313C、CPU 313C-2 PtP、CPU 312C-2DP、CPU 314C-2PtP、CPU 312C-2DP（带集成的技术能和I/O,CPU运行时需要微存储器卡）。

新标准型：CPU 312、CPU 314、CPU 315-2DP（适用于对处理速度中等要求的小规模应用，CPU运行时需要微存储器）。

户外型：CPU 312IFM、CPU 314 IFM、CPU 315-2DP（可在恶劣环境下使用）。

高端型：CPU 317-2DP、CPU 318-2DP。

故障安全型：CPU 315F-2DP。

其他类型：CPU 313、CPU 314、CPU 315、CPU 315-2DP、CPU 316-2DP。

S7-300系列的CPU可以缩短机器时钟时间，执行时间为原有的1/3或1/4，因而为更高生产率奠定基础。由于采用了更大容量的构架（例如大容量的RAM），因此为面向任务的STEP 7工程工具的应用构建了一个平台，例如SCL语言和Easy Motion Control（轻松的运动控制）。S7-300系列的CPU采用微型存储器卡，取消后备电池，因此减少了成本和维护费用。另外，其宽度只有40mm，而不是以前的80mm，这就意味着控制器以及开关柜将更为紧凑。作为开放系统，使用由DP V1能支持的PROFIBUS,S7-300系列的CPU可以对所连接的第三方系统进行更全面的参数化和诊断。

在指令方面，S7-300的指令集包含普通STEP 5、TISOFT和其他附加指令在内的350多条指令。在所有程序块中（OB、FC、FB），全部指令均可以使用。S7-300的高性能指令系统可以提供诸如中断处理和诊断信息这样的能，由于这些能集成在操作系统中，因此节省了很多RAM空间。

程序设计

使用STEP 7或STEP 7-LITE软件包可以对S7-300进行编程，并可以用简单、用户友好的方式使用S7-300的全部能。该软件包含了自动化项目中所有阶段（从项目组态到调试、测试以及服务）的能。