1、一、課程簡介課程性質：本課程是計算機控制技術專業的一門專業任選課程，其特點是與工業生產聯系十分密切，實踐性強，應用廣泛。課程任務：它包括理論教學和實驗教學，其任務是學習西門子S7-300系列PLC的基本結構、工作原理、指令系統、典型程序分析和設計，并通過上機實驗和實例分析，使學生具有用西門子S7-300/400系列大中型PLC改造常規繼電控制系統和根據生產工藝要求設計其控制系統的能力。西門子西門子PLCPLC系統及其應用系統及其應用 第第0101次課次課1.掌握西門子S7300系列PLC的基本結構、工作原理、尋址方式、工作特點及應用范圍。2.掌握S7300系列PLC的指令系統及典型控制程序的設

2、計。3.學會Windows環境下的STEP 7編程軟件使用和控制程序的調試步驟及方法。4.通過實例分析，掌握用PLC進行控制系統設計的步驟，編程方法，培養學生用PLC改造常規繼電控制系統和根據生產工藝要求設計PLC控制系統的能力教學基本要求教學基本要求教材及參考書教材及參考書考核方式n考試課，試卷考試n試卷：60%n作業+考勤：20%，5次作業n實驗：20%，5次實驗第第1 1章章 PLCPLC概述概述1.1 PLC1.1 PLC的產生的產生1.2 PLC1.2 PLC的定義和分類的定義和分類1.3 PLC1.3 PLC的功能和特點的功能和特點1.4 PLC1.4 PLC的結構與工作過程的結構

3、與工作過程1.5 1.5 思考與練習思考與練習l傳統的生產機械自動控制裝置傳統的生產機械自動控制裝置繼電器控制系統繼電器控制系統 l優點優點結構簡單、價格低廉、容易操作結構簡單、價格低廉、容易操作 。l缺陷缺陷體積龐大、生產周期長、接線復雜、故障率高、體積龐大、生產周期長、接線復雜、故障率高、可靠性及靈活性差可靠性及靈活性差 。（控制功能略加變動，就需重。（控制功能略加變動，就需重新組合、改變接線。）新組合、改變接線。）l運用運用比較適用于工作模式固定，控制邏輯簡單等工比較適用于工作模式固定，控制邏輯簡單等工業應用場合。業應用場合。 l（接線邏輯）（接線邏輯）1.1 PLC1.1 PLC的產生

4、的產生n以往的電氣控制裝置主要采用繼電器、接觸器以往的電氣控制裝置主要采用繼電器、接觸器或電子元件來實現，由連接導線將這些器件按或電子元件來實現，由連接導線將這些器件按照一定的工作程序組合在一起，以完成一定的照一定的工作程序組合在一起，以完成一定的控制功能，這種控制叫做接線程序控制。控制功能，這種控制叫做接線程序控制。n 接線程序控制的電氣裝置體積大，生產周期接線程序控制的電氣裝置體積大，生產周期長，接線復雜，故障率高，可靠性差。控制功長，接線復雜，故障率高，可靠性差。控制功能略加變動，就需重新組合、改變接線。能略加變動，就需重新組合、改變接線。 在可編程序控制器問世以前，工業控制領域中是以繼

5、電器控制占主導地位的。ST1ST2ST3ST4SB2SB1KM2KM2KM1KM1SB3KM1KM2ST1ST2ST4ST3工作臺工作臺前進前進后退后退正反轉自動循環正反轉自動循環控制線路控制線路l用戶迫切需要一種先進的自動控制裝置用戶迫切需要一種先進的自動控制裝置繼電器控制系統繼電器控制系統先進自動控制系統先進自動控制系統 1968 1968年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司(GM) (GM) 為了用新的控制裝置取代繼電器控制裝置，在公開招標為了用新的控制裝置取代繼電器控制裝置，在公開招標中提出了十項指標，即：中提出了十項指標，即： 這十項招標指標奠定了

6、可編程控制器最基本的功能要求r 用計算機代替繼電器控制盤用計算機代替繼電器控制盤r 用程序代替硬件接線用程序代替硬件接線r 輸入輸入/ /輸出電平可與外部裝置直接連接輸出電平可與外部裝置直接連接r 結構易于擴展結構易于擴展核心為：核心為：工業控制單板機計算機）工業控制單板機計算機） 繼電器控制系統繼電器控制系統 先進控制裝置先進控制裝置 l可編程序邏輯控制器的產生可編程序邏輯控制器的產生l 19691969年，美國數字設備公司年，美國數字設備公司DECDEC根據上述要求根據上述要求和設想，研制出了世界上第一臺可編程序控制器，和設想，研制出了世界上第一臺可編程序控制器，型號為型號為PDP-14P

7、DP-14，并在通用公司的汽車裝配生產線上，并在通用公司的汽車裝配生產線上首次應用成功，取得了顯著的經濟效益。當時人們首次應用成功，取得了顯著的經濟效益。當時人們把它稱為可編程序邏輯控制器把它稱為可編程序邏輯控制器(Programmable (Programmable Logic ControllerLogic Controller，簡稱，簡稱) )。可編程控制器誕生可編程控制器誕生n可編程控制器這一新技術的出現，受到國內外工程可編程控制器這一新技術的出現，受到國內外工程n 技術界的極大關注，紛紛投入力量研制。技術界的極大關注，紛紛投入力量研制。n第一個把商品化的是美國哥德公司第一個把商品化的

8、是美國哥德公司(GOULD)(GOULD)，時，時間也是間也是 19691969年，型號為年，型號為084084。n19711971年，日本從美國引進了這項新技術，研制出日本年，日本從美國引進了這項新技術，研制出日本n 第一臺可編程控制器第一臺可編程控制器DSC-8DSC-8。n1973197319741974年，德國和法國也都相繼研制出自己的可年，德國和法國也都相繼研制出自己的可編程控制器，德國西門子公司編程控制器，德國西門子公司(SIEMENS)(SIEMENS)于于19731973年研制年研制出歐洲第一臺出歐洲第一臺 ， 型號為型號為SIMATIC S4SIMATIC S4。n我國從我國

9、從19741974年開始研制，年開始研制，19771977年開始工業應用。年開始工業應用。 PLC的中國現狀的中國現狀 目前，中國PLC市場的95以上被國外品牌占領。2019中國中國PLC市市場研究報告介紹場研究報告介紹為盡快提升我國PLC的技術水平，引進PLC的先進生產技術，中外合資或外商獨資企業在國內開始批量生產PLC。西門子公司率先在大連建立PLC生產企業；歐姆龍公司在上海生產的PLC遠銷海內外。 國內已有具有較強實力的公司開始拓展PLC業務，并在中國PLC市場有了一定響應。北京和利時系統工程股份有限公司就是一個典范。1.2 PLC1.2 PLC的定義和分類的定義和分類l閱歷：可編程邏輯

10、控制器閱歷：可編程邏輯控制器PLCPLC）可編程控制器可編程控制器PCPC）l 通用叫法：通用叫法：l 可編程序控制器可編程序控制器Programmable ControllerProgrammable Controller，PCPC），），是一臺專為工業環境應用而設計制造的計算機。它具有是一臺專為工業環境應用而設計制造的計算機。它具有豐富的輸入豐富的輸入/ /輸出接口，并且具有較強的驅動能力。但由輸出接口，并且具有較強的驅動能力。但由于于PCPC容易和個人計算機容易和個人計算機Personal ComputerPersonal Computer混淆，所混淆，所以人們還沿用以人們還沿用PLCP

11、LC作為可編程控制器的英文縮寫。作為可編程控制器的英文縮寫。 1.2.1 PLC的定義的定義 國際電工委員會國際電工委員會IECIEC對可編程控制器的定義：對可編程控制器的定義： “ “可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其業環境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/ /輸出輸出

12、控制各種類型的機械或生產過程。可編程控制器及其有關外控制各種類型的機械或生產過程。可編程控制器及其有關外部設備，都按易于與工業控制系統聯成一個整體，易于擴充部設備，都按易于與工業控制系統聯成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。其功能的原則設計。”(1987.2)(1987.2)PLCPLC是一種是一種特別適合于工業環境的特別適合于工業環境的面向工程技術人員的面向工程技術人員的“藍領計算機藍領計算機” ” l1.1.按結構形式分類按結構形式分類 CPU CPU基本單元）基本單元） + + 擴展模塊擴展模塊 一體化緊湊型一體化緊湊型PLC PLC ：電源、：電源、CPUCPU中央處理系統、中央處理

13、系統、I/OI/O接接口都集成在一個機殼內。如西門子口都集成在一個機殼內。如西門子S7-200S7-200系列。系列。1.2.2 PLC的分類的分類標準模塊式結構化標準模塊式結構化PLC PLC ：各種模塊相互獨立，并安裝在固：各種模塊相互獨立，并安裝在固定的機架導軌上，構成一個完整的定的機架導軌上，構成一個完整的PLCPLC應用系統。如：應用系統。如：西門子西門子S7-300S7-300、S7-400S7-400系列。系列。2.按I/O點數及內存容量分類小型機：256點以下F1、S7-200）中型機：256-1024點大型機：1024點以上3.按控制性能分類低檔PLC中檔PLC高檔PLC例：

14、例：SIEMENS S7SIEMENS S7系列系列PLCPLC分類分類小型機小型機 : :中型機中型機: :大型機大型機SIMATIC S7 - 200一體化模塊化SIMATIC S7 - 300模塊化SIMATIC M7 - 300一體化SIMATIC C7 - 620模塊化SIMATIC S7 - 400模塊化SIMATIC M7 - 400q按用途分類q用于順序邏輯控制q用于閉環過程控制q用于多級分布式和集散控制系統q用于機械加工的數字控制和機器人控制q根據生產廠家分類qOMRON日本歐蒙龍）qMITSUBISHI日本三菱）qTOSHIBA日本東芝）qGE-FUNAC美國通用電氣）qA

15、-B (AllenBradley)（艾倫-布拉德利,是美國最大的電氣公司 ）qSIEMENS德國西門子）1.3 PLC1.3 PLC的功能和特點的功能和特點控制功能控制功能 邏輯控制邏輯控制 定時控制定時控制 計數控制計數控制 順序控制順序控制1.3.1 PLC的功能的功能lPLCPLC的功能的功能 l數據采集、存儲與處理功能數據采集、存儲與處理功能數學運算功能數學運算功能數據處理數據處理模擬數據處理模擬數據處理lPLCPLC的功能的功能 l輸入輸入/ /輸出接口調理功能輸出接口調理功能 具有具有A/DA/D、D/AD/A轉換功轉換功能，通過能，通過I/OI/O模塊完成對模塊完成對模擬量的控制

16、和調節。模擬量的控制和調節。位數和精度可以根據用位數和精度可以根據用戶要求選擇。具有溫度戶要求選擇。具有溫度測量接口，直接連接各測量接口，直接連接各種 熱 電 阻 或 熱 電 偶 。種 熱 電 阻 或 熱 電 偶 。 lPLCPLC的功能的功能 l通訊、聯網功能通訊、聯網功能PROFIBUS DPPROFIBUS PA (Ex)PROFIBUS PAlPLCPLC的功能的功能 l人機界面功能人機界面功能lPLCPLC的功能的功能 l編程、調試等編程、調試等使用復雜程度不同的使用復雜程度不同的手持、便攜和桌面式手持、便攜和桌面式編程器、工作站和操編程器、工作站和操作屏，進行編程、調作屏，進行編程

17、、調試、監視、試驗和記試、監視、試驗和記錄，并通過打印機打錄，并通過打印機打印出程序文件。印出程序文件。 STEP7STEP7ProToolProToolMPI cable有有MPI接口的接口的PG 或或PClPLCPLC的特點的特點 l高可靠性高可靠性l豐富的豐富的I/OI/O接口模塊接口模塊l采用模塊化結構采用模塊化結構l運行速度快運行速度快l功能完善功能完善l編程簡單，易于使用編程簡單，易于使用l系統設計、安裝、調試方便系統設計、安裝、調試方便l維修方便，維修工作量小維修方便，維修工作量小l總價格低總價格低 可編程控制器的種可編程控制器的種類雖然千差萬別，但為類雖然千差萬別，但為了在工業

18、環境中使用，了在工業環境中使用，它們都有許多共同的特它們都有許多共同的特點點.高可靠性高可靠性 工業生產對電氣控制設備的可靠性的要求工業生產對電氣控制設備的可靠性的要求是非常高的，它應具有很強的抗干擾能力，是非常高的，它應具有很強的抗干擾能力，能在很惡劣的環境下能在很惡劣的環境下( (如溫度高、濕度大、金如溫度高、濕度大、金屬粉塵多、距離高壓設備近、有較強的高頻屬粉塵多、距離高壓設備近、有較強的高頻電磁干擾等電磁干擾等) )長期連續可靠的工作，平均無故長期連續可靠的工作，平均無故障時間障時間(MTBF)(MTBF)長，故障修復時間短。而長，故障修復時間短。而PLCPLC是專為工業控制設計的，能

19、適應工業現場的是專為工業控制設計的，能適應工業現場的惡劣環境。可以說，惡劣環境。可以說， 沒有任何一種工業控制沒有任何一種工業控制設備能夠達到可編程控制器的可靠性。設備能夠達到可編程控制器的可靠性。 n在硬件方面，首先是選用優質器件，采用合理的系統結構，加固簡化安裝，使它能抗振動沖擊。對印刷電路板的設計、加工及焊接都采取了極為嚴格的工藝措施。對于工業生產過程中最常見的瞬間強干擾，采取的措施主要是采用隔離和濾波技術。PLC的輸入和輸出電路一般都用光電耦合器傳遞信號，作到電浮空，使CPU與外部電路完全切斷了電的聯系，有效地抑制了外部干擾對PLC的影響。n在PLC的電源電路和接口中，還設置多種濾波電

20、路，除了采用常規的模擬濾波器(如LC濾波和型濾波)外，還加上了數字濾波，以消除和抑制高頻干擾信號， 同時也削弱了各種模板之間的相互干擾。用集成電壓調整器對微處理器的5伏電源進行調整，以適應交流電網的波動和過電壓、欠電壓的影響。在PLC內部還采用了電磁屏蔽措施，對電源變壓器、CPU、存儲器、編程器等主要部件采用導電、 導磁良好的材料進行屏蔽，以防外界干擾。 n在軟件方面，PLC也采取了很多特殊措施，設置了警戒時鐘WDT(Watching Dog Timer)，系統運行時對WDT定時刷新，一旦程序出現死循環，使之能立即跳出，重新起動并發出報警信號。還設置了故障檢測及診斷程序，用以檢測系統硬件是否正

21、常，用戶程序是否正確，便于自動地做出相應的處理，如報警、封鎖輸出、保護數據等。當PLC檢測到故障時，立即將現場信息存入存儲器，由系統軟件配合對存儲器進行封閉，禁止對存儲器的任何操作，以防存儲信息被破壞。這樣，一旦檢測到外界環境正常后，便可恢復到故障發生前的狀態，繼續原來的程序工作。n 這些有效的措施，保證了可編程控制器的高可靠性。 編程簡單編程簡單n可編程控制器的設計是面向工業企業中一般電氣可編程控制器的設計是面向工業企業中一般電氣工程技術人員的，它采用易于理解和掌握的梯形工程技術人員的，它采用易于理解和掌握的梯形圖語言，以及面向工業控制的簡單指令。圖語言，以及面向工業控制的簡單指令。 n除了

22、梯形圖語言以外，除了梯形圖語言以外，PLCPLC還可以采用其他形式還可以采用其他形式的編程語言，的編程語言， 如如STLSTL語句表言語，功能塊圖語句表言語，功能塊圖FBDFBD），順序功能圖），順序功能圖SFCSFC以及高級語言進行以及高級語言進行編程。編程。 系統設計、安裝、調試方便系統設計、安裝、調試方便n 用可編程控制器完成一項控制工程時，由于其硬、軟件齊全，設計和施工可同時進行。由于用軟件編程取代了繼電器硬接線實現控制功能，使得控制柜的設計及安裝接線工作量大為減少，縮短了施工周期。同時，由于用戶程序大都可以在實驗室模擬調試，模擬調試好后再將PLC控制系統在生產現場進行聯機統調，使得調

23、試方便、快速、平安，因此大大縮短了設計和投運周期。 維修方便維修方便nPLCPLC的控制程序可通過編程器輸入到的控制程序可通過編程器輸入到PLCPLC的用戶程序存儲器中。的用戶程序存儲器中。編程器不僅能對編程器不僅能對PLCPLC控制程序進行寫入、讀出、檢測、修正，控制程序進行寫入、讀出、檢測、修正，還能對還能對PLCPLC的工作進行監控，使得的工作進行監控，使得PLCPLC的操作及維護都很方便。的操作及維護都很方便。PLCPLC還具有很強的自診斷能力，能隨時檢查出自身的故障，并還具有很強的自診斷能力，能隨時檢查出自身的故障，并顯示給操作人員，如通道的狀態、顯示給操作人員，如通道的狀態、RAM

24、RAM的后備電池的狀的后備電池的狀態、數據通信的異常、態、數據通信的異常、PLCPLC內部電路的異常等信息。正是通過內部電路的異常等信息。正是通過PLCPLC的這種完善的診斷和顯示能力，當的這種完善的診斷和顯示能力，當PLCPLC機或外部的輸入裝置機或外部的輸入裝置及執行機構發生故障時，使操作人員能迅速檢查、判斷故障原及執行機構發生故障時，使操作人員能迅速檢查、判斷故障原因，確定故障位置，以便采取迅速有效的措施。如果是因，確定故障位置，以便采取迅速有效的措施。如果是PLCPLC本本身故障，在維修時只需要更換插入式模板或其它易損件即可，身故障，在維修時只需要更換插入式模板或其它易損件即可，既方便

25、又減少了影響生產的時間。既方便又減少了影響生產的時間。n 有人曾預言，將來自動化工廠的電氣工人，將一手拿著有人曾預言，將來自動化工廠的電氣工人，將一手拿著螺絲刀，一手拿著編程器。這也是可編程控制器得以迅速發展螺絲刀，一手拿著編程器。這也是可編程控制器得以迅速發展和廣泛應用的重要因素之一。和廣泛應用的重要因素之一。 功能強，性能價格比高功能強，性能價格比高 一臺小型可編程序控制器內有成百上千個可一臺小型可編程序控制器內有成百上千個可供用戶使用的編程元件，可以實現非常復雜的控制供用戶使用的編程元件，可以實現非常復雜的控制功能。與相同功能的繼電器系統相比，它具有很高功能。與相同功能的繼電器系統相比，

26、它具有很高的性能價格比。可編程序控制器可以通過通信聯網，的性能價格比。可編程序控制器可以通過通信聯網，實現分散控制與集中管理。實現分散控制與集中管理。比較項目比較項目 繼電器邏輯控制繼電器邏輯控制 可編程控制器可編程控制器控制邏輯控制邏輯接線邏輯接線邏輯,體積大體積大,接線復雜，修接線復雜，修改困難改困難存儲邏輯存儲邏輯,體積小、連線少體積小、連線少,控制靈活，控制靈活，易于擴展易于擴展控制速度控制速度通過觸點的開閉實現控制作用。動作通過觸點的開閉實現控制作用。動作速度為幾十毫秒，易出現觸點抖動速度為幾十毫秒，易出現觸點抖動由半導體電路實現控制作用由半導體電路實現控制作用,每條指令執行每條指令

27、執行時間在微秒級時間在微秒級,不會出現觸點抖動不會出現觸點抖動限時控制限時控制由時間繼電器實現，精度差，易由時間繼電器實現，精度差，易受環境、溫度影響受環境、溫度影響用半導體集成電路實現用半導體集成電路實現,精度高，時精度高，時間設置方便，不受環境、溫度影響間設置方便，不受環境、溫度影響觸點數量觸點數量對，易磨損對，易磨損任意多個，永不磨損任意多個，永不磨損工作方式工作方式并行工作并行工作串行循環掃描串行循環掃描設計與施工設計與施工設計、施工、調試必須順序進行，設計、施工、調試必須順序進行，周期長，修改困難周期長，修改困難在系統設計后，現場施工與程序設計在系統設計后，現場施工與程序設計可同時進

28、行可同時進行, 周期短，調試、修改方便周期短，調試、修改方便可靠性與可靠性與可維護性可維護性壽命短壽命短 可靠性與可維護性差可靠性與可維護性差壽命長，可靠性高，有自診斷功能，壽命長，可靠性高，有自診斷功能，易于維護易于維護價價 格格使用機械開關、繼電器及接觸器使用機械開關、繼電器及接觸器等，價格便宜等，價格便宜使用大規模集成電路，初期投資較高使用大規模集成電路，初期投資較高n在工業控制領域幾種有代表性的工業控制器：在工業控制領域幾種有代表性的工業控制器：n u 可編程控制器可編程控制器(PLC)(PLC)；u PIDPID控制器控制器( (又稱又稱PIDPID調節器調節器) )；u 集散控制系

29、統集散控制系統(DCS)(DCS)；u 微型計算機微型計算機(PC)(PC)和工業控制計算機和工業控制計算機IPCIPC） 由于由于PIDPID控制器一般只適用于過程控制中的模擬量控制，并且，目前控制器一般只適用于過程控制中的模擬量控制，并且，目前的的PLCPLC或或DCSDCS中均具有中均具有PIDPID的功能。所以，只對可編程控制器與通用的微型的功能。所以，只對可編程控制器與通用的微型計算機、與集散控制系統、與工業控制計算機分別做一下比較。計算機、與集散控制系統、與工業控制計算機分別做一下比較。比較項目比較項目可編程控制器可編程控制器微型計算機微型計算機應用范圍應用范圍工業控制工業控制科學

30、計算、數據處理、通信等科學計算、數據處理、通信等使用環境使用環境工業現場工業現場具有一定溫度、濕度的機房具有一定溫度、濕度的機房輸入輸出輸入輸出控制強電設備控制強電設備,有光電隔離有光電隔離,有大量有大量的口的口與主機采用微電聯系與主機采用微電聯系,沒有光電隔沒有光電隔離離,沒有專用的口沒有專用的口程序設計程序設計一般為梯形圖語言，易于學習和一般為梯形圖語言，易于學習和掌握掌握程序語言豐富，程序語言豐富， 需專門計算機的硬件和軟件知識需專門計算機的硬件和軟件知識系統功能系統功能自診斷、監控等自診斷、監控等配有較強的操作系統配有較強的操作系統工作方式工作方式循環掃描方式及中斷方式循環掃描方式及中斷方式中斷方式中斷方式可靠性可靠性極高，抗干擾能力強，長期運行極高，抗干擾能力強，長期運行抗干擾能力差抗干擾能力差,不能長期運行不能長期運行體積與結構體積與結構結構緊湊結構緊湊,體積小體積小外殼堅固，密封外殼堅固，密封結構松散，體積大，密封性差結構松散，體積大，密封性差鍵盤大，顯示器大鍵盤大，顯示器大可編程控制器與通用的微型計算機的比較可編程控制器與通用的微型計算機的比較 PLC與微機有相似的構造，但又不同于一般的微機，特別是它采用了特殊的抗干擾技術，有著很強的接口能力，使它更能適用于工業控制。 可編程控制器與集散控制系統的比較可編程控制器與集散控制系統的比較 集散控制系統又稱分散控制系統，