从长远来讲，PLC的制造商将会根据工业用户的需求集成更多的系统功能，逐渐降低用户的使用难度，缩短开发周期，节约产品开发成本。但是这是一个逐渐发展的过程。就目前技术现状而言，一些复杂的控制要求依然要使用那些“”的控制系统，使用相对复杂的编程手段，对工业用户依然要求具备的控制技术知识。

4.PLC的定义

国际电工委员会（IEC）于1982年11月和1985年1月颁布了PLC标准的第1稿和第2稿，对PLC作了如下的定义：“PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它可采用可编程序的存储器，用来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的命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。PLC及其有关设备，都应易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充功能的原则而设计。”

5.PLC实现控制的原理

组成PLC的模块是PLC的硬件基础，只有弄清所选用的PLC都具有哪些模块及其特点，才能正确选用模块，去组成一台完整的PLC（见图1-5），以满足控制系统对PLC的要求。

常见的PLC模块有：

1）CPU模块，它是PLC的硬件核心。PLC的主要性能，如速度、规模都由它的性能来体现。

CPU模块由微处理器系统、系统程序存储器和用户程序存储器组成，其本质为一台计算机，该计算机负责系统程序的调度、管理、运行和PLC的自诊断，负责将用户程序作出编译解释处理以及调度用户目标程序运行的任务。

2）电源模块，它为PLC运行提供内部工作电源，而且有的还可为输入信号提供电源。

PLC的工作电源一般为交流单相电源，电源电压必须与额定电压相符，如AC110V或AC220V，当然也有DC24V供电的。PLC对电源的稳定性要求不高，一般都允许电源电压额定值在±15％的范围内波动，有些交流输入电源甚至允许在AC85V～AC240V的范围内波动。

3）I/O模块，它包括输入/输出（I/O）电路，并根据类型划分为不同规格的模块。

输入部分

PLC与生产过程相连接的输入通道，输入部分接收来自生产现场的各种信号，如限位开关、按钮、传感器的信号等。

输出部分

PLC与生产过程相连接的输出通道，输出部分接受CPU的处理输出，并转换成被控设备所能接收的电压、电流信号，以驱动被控设备。

4）内存模块，它主要存储用户程序，有的还为系统提供辅助的工作内存，在结构上内存模块都是附加于CPU模块之中。

5）底板、机架，它为PLC各模块的安装提供基板，并为模块间的联系提供总线。若干底板间的联系有的用接口模块，有的用总线接口。

箱体式的小型PLC的主箱体就是把上述几种模块集成在一个箱体内，并依可能提供I/O点数的多少，划分为不同的规格。

箱体式的PLC还有I/O扩展箱体，它不含CPU，仅有电源及I/O单元的功能。扩展箱体也是按I/O点数的多少划分有不同的规格。

6.S7-200 PLC

西门子S7-200系列小型PLC适用于各行各业、各种场合中的检测、监测及控制的自动化，它的强大功能使其无论在独立运行中或相连成网络都能实现复杂的控制功能。

S7-200 CPU将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的箱体中，从而形成了一个功能强大的小型PLCS7-200PLC具有集成的24V负载电源，它可直接连接到传感器、变送器和执行器，CPU221、CPU222具有180mA输出，CPU224、CPU224XP、CPU226分别输出280mA或400mA，可用作负载电源。

S7-200 CPU的种类比较多，但根据输出结构，大致分为两类，即输出为晶体管的和输出为继电器的。

自从PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速，本书主要以西门子公司的S7-300/400系列为载体进行阐述。本讲主要从以下几个方面介绍了S7-300/400 PLC的入门知识。

 PLC的概念、工作原理及分类：PLC是一台计算机，是专为工业环境应用而设计制造。它具有丰富的输入、输出接口，并且具有较强的驱动能力。

 大中型PLC的模块化结构：PLC的配置一般都采用机架配置表来完成，它可以帮助用户配置一个机架或系统。

 S7-300 PLC入门：S7-300 PLC可以选择各种不同性能分级的CPU作控制器使用，通过高效处理速率，能提供比小型PLC快得多的扫描时间来执行相同的程序。

S7-400 PLC入门：S7-400是用于中、性能范围的PLC，具有坚固耐用、容易扩展和广泛的通信能力、容易实现分布式结构、操作界面用户友好等特点。

1.1 PLC的组成与原理

在20世纪60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。某汽车生产线的装配环节需要进行定时操作，A型号汽车需要1个时间继电器，而B型号汽车则需要3个时间继电器，如果汽车装配从A型号换到B型号，则势必造成继电器控制电路的重装。随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经

常地重新设计和安装，十分费时、费工、费料，甚至阻碍了汽车更新周期的缩短。

西门子KTP600面板

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为了改变这一现状，美国通用汽车（GM）公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了10项招标指标，即

1）编程方便，现场可修改程序；

2）维修方便，采用模块化结构；

3）可靠性高于继电器控制装置；

4）体积小于继电器控制装置；

5）数据可直接送入管理计算机；

6）成本可与继电器控制装置竞争；

7）输入可以是交流115V；

8）输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；

9）在扩展时，原系统只要很小变更；

10）用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。

1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出台PLC，在美国通用汽车公司的自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年，已经成功地应用于食品、饮料、冶金、造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本台PLC。1973年，西欧国家也研制出它们的台PLC。我国从1974年开始研制。于1977年开始工业应用。2.PLC的概念

PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，国际电工委员会（IEC）先后颁布了PLC标准的草案稿，第二稿，并在1987年2月通过了对它的定义：

“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于在其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/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外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”

为了避免与PC（Personal Computer，个人计算机）相混淆，所以命名为PLC（Program-mable Logic Controller，可编程序逻辑控制器），但从功能上讲，现在的PLC早已不是原来意义上的“PLC”了。

总之，PLC是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机，具有丰富的输入、输出接口，并且具有较强的驱动能力。但PLC产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。1.1.2 PLC的硬件组成

PLC的构成框图和计算机是一样的，都由中央处理器（CPU）、存储器和输入/输出接口等构成。因此，从硬件结构来说，PLC实际上就是计算机，图1-2所示为其硬件系统的简化框图。

CPU（Central Processing Unit，中央处理器）是PLC的核心组成部分，与通用微机的CPU一样，它在PLC系统中的作用类似于人体的神经中枢，图1-3所示为CPU模块功能示意。

CPU的功能：

1）按PLC中系统程序赋予的功能，接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；

2）用扫描方式接收现场输入装置的状态式数据，并存入映象寄存器或数据寄存器中；

3）诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误；

4）在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令规定的任务，产生相应的信号，去启动或关闭相关控制电路，分时分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等操作，完成用户程序中规定的逻辑式算术运算等任务。根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，再由输出映象寄存器的位状态式数据寄存器的有关内容，实现输出控制、制表、打印式数据通信等。

PLC常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机或双极型位片式微处理器。通用的微处理器常用的是8位机、16位机，甚至32位机，如Z80A、8085、80x86、6502、M6800、M6809、M68000等。单片机常用的有8039、8049、8031、8051等。双极型位片式微处理器常用的有AMD2900、AMD2903等。2.系统程序存储器

系统程序存储器用于存放系统工作程序（监控程序）、模块化应用功能子程序、命令解释功能子程序的调用管理程序，以及对应定义（I/O、内部继电器、计时器、计数器、移位寄存器等存储系统）参数等功能。3.用户存储器

用户存储器用于存放用户程序即存放通过编程器输入的用户程序。PLC的用户存储器通常以字（16位/字）为单位来表示存储容量。通常PLC产品资料中所指的存储器形式或存储方式及容量，是对用户程序存储器而言。

常用的用户存储方式及容量形式或存储方式有CM0S RAM（采用互补金属氧化物半导体工艺的随机存取存储器）、EPR0M（可擦除可编程只读存储器）、EEPR0M（电可擦除可编程只读存储器）、Flash EPR0M（闪存型可擦除可编程只读存储器）等。

CMOS RAM存储器是一种中高密度、低功能、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源。一旦交流电源停电，用锂电池来维持供电，可保存RAM内停电前的数据。锂电池寿命一般为1～5年左右。

EPR0M存储器是一种常的只读存储器，存入时加高电平，擦除时用紫外线照射。PLC通过写入器可将RAM区的用户程序固化到R0M盒中的EPR0M中去。在PLC机中插入R0M盒，PLC则执行R0M盒

中用户程序；反之，不插上R0M盒，PLC则执行RAM区用户程序。

EEPR0M存储器是一种可用电改写的只读存储器。4.输入输出组件（I/O模块）

I/O模块是CPU与现场I/O装置或其他外部设备之间的连接部件。PLC提供了各种操作电平与驱动能力的I/O模块和各种用途的I/O组件供用户选用。如输入/输出电平转换、电气隔离、串/并行转换数据、误码校验、A-D或D-A转换以及其他功能模块等。I/O模块将外界输入信号变成CPU能接受的信号，或将CPU的输出信号变成需要的控制信号去驱动控制对象（包括开关量和模拟量），以确保整个系统正常工作。

PLC输入的开关量信号接在IN端和0V端之间，PLC内部提供24V电源，输入信号通过光电隔离，通过R/C滤波进入CPU控制板，CPU发出输出信号至输出端。

PLC输出有多种形式，包括继电器、晶体管、晶闸管等。