2026PLC技術應用ProgrammableLogicControllerCONTENTS02PLC內部結構、工作原理及分類04STEP7-Micro/WIN編程軟件的使用03PLC基礎知識01S7-200SMART系列PLC的硬件介紹學習任務及學習目標學習任務隨著社會的發展和科技的進步，我們進入到自動化控制時代。不管是生活中的交通燈、電梯、旋轉門，還是工業生產中的電動機、車床系統、自動化工廠系統，都可以用具有相應功能的控制器來實現。可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，簡稱PLC）是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術發展起來的一種通用工業自動控制裝置。目前廣泛應用于生產生活自動化控制的各個領域。本任務根據實訓室不同條件，采用不同品牌、不同型號PLC，搭建不同功能的簡單PLC控制系統，通過觀察和簡單操作控制系統，使學生認識PLC，了解其產生發展、特點及應用，掌握PLC硬件結構、工作原理和簡單操作。PLC的“模樣”如圖1-1所示，應用場景如圖1-2所示。圖1-1PLC的“模樣”圖1-2PLC的應用場景學習任務及學習目標學習目標（1）通過觀察及簡單操作了解PLC的功能、特點及應用場合，熟悉STEP7-Micro/WINSMART編程軟件的主界面，掌握編程軟件和PLC建立通信聯系的方法，能夠輸入PLC梯形圖程序，并編譯、下載及調試PLC控制程序。（2）通過查閱資料，掌握PLC的基本概念，了解PLC的產生、發展，熟悉PLC的分類，了解當前世界PLC產品的幾大流派及知名品牌，能識別常用PLC品牌。（3）通過學習掌握PLC的內部結構及工作原理，掌握PLC的面板組成，掌握PLC的接線規則并能夠進行簡單安裝、接線。（4）通過對觀察及實際操作簡單控制系統，激發對PLC的學習興趣，培養同學們分析問題、解決問題的能力。通過學習和訓練，培養嚴謹認真、精益求精的學習態度，提高創新思維和開拓能力。（5）通過了解PLC的產生和發展，結合中國科技發展的突飛猛進，思考國家安全穩定對經濟社會發展的重要性，激發同學們的愛國情懷。PLC基礎知識01PLC基礎知識一、PLC的基本概念

PLC是可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController）的英文縮寫。PLC的主要功能是取代傳統繼電器，執行邏輯、計時和計數等順序控制功能，建立一種柔性的程序控制系統。作為工業控制計算機，PLC發展經歷了從無到有，功能從弱到強，應用領域從單一到復雜的過程，繼而成為現代工業控制的三大支柱（可編程序控制器PLC、機器人ROBOT和計算機輔助設計與制造CAD/CAM）之一。可編程控制器機器人技術計算機輔助制造CAD/CAMPLC基礎知識PLC是微電子技術、計算機技術與繼電邏輯控制系統相結合的產物，如圖1-2,1-3所示。PLC產生時主要用來取代繼電控制系統進行邏輯控制，但隨著工業發展和技術進步，PLC增加了運算、數據傳送和處理等功能，逐漸由原來的開關量邏輯控制發展為具有條件控制、過程控制、模糊控制等高級功能的控制器，邏輯控制的功能越來越弱化，所以后來稱之為可編程序控制器，簡稱PC（ProgrammableController）。但由于PC容易和個人計算機（PersonalComputer)混淆，故人們仍習慣地用PLC作為可編程序控制器的縮寫。現代工業三大支柱之一圖1-2

可編程控制器圖1-3機器人技術PLC基礎知識二、產生與發展

20世紀60年代初，出現了利用二極管、三極管和中小規模集成電路構成的邏輯式順序控制器。20世紀60年代末，美國汽車制造工業競爭激烈，其生產技術要求的發展促進了PLC的產生。美國通用汽車公司（GM）在對工廠生產線調整時，發現繼電器、接觸器控制系統修改難、體積大、噪聲大、維護不方便以及可靠性差，于是在1968年通用汽車公司首次公開招標，尋求一種取代傳統繼電器控制系統的新設備，并提出10條要求：現代工業三大支柱之一②維修方便，采用插件式模塊結構①編程簡單，可在現場修改程序③可靠性高于繼電器控制系統④體積小于繼電器控制裝置⑤數據可直接輸入管理計算機⑥可直接用115V交流電壓輸入⑦輸出交流115V負載電流要求2A以上，能直接驅動電磁閥、接觸器等負載元件⑧通用性強，易于擴展，擴展時原系統改變最小⑨用戶程序存儲器容量大于4kB⑩成本可與繼電器控制系統競爭PLC基礎知識1969年，美國數字化設備公司（DEC）根據上述要求，研制出了世界上第一臺PLC，型號為PDP-14，在通用汽車公司的生產線上首次應用成功。此后，日本、德國、法國等國相繼研制了自己的PLC。1971年，日本從美國引進該技術，由日立公司研制出第一臺PLC，型號為DCS-8。1973年，德國研制出第一臺PLC；1974年，我國開始研制可編程控制器，我國于1977年在工業應用領域推廣PLC。19世紀70年代中期，美、日、德等國在PLC中開始更多的引入微機技術，核心部件采用微處理器及其它大規模集成電路芯片，極大提高了PLC的性價比，PLC進入了實用化發展階段。19世紀70年代末80年代初，PLC向多微處理器發展，其功能和處理速度大大增強；具有通信功能和遠程I/O能力，增加了多種特殊功能，如復雜計算、查表、列表、脈寬調制變換等，PLC進入了成熟發展階段。近年來，隨著微電子技術、計算機技術和通訊技術的不斷發展，PLC的發展更為迅速，結構更新換代周期大約為3年左右，功能日益增強，性價比越來越高。PLC在規模和功能上將向兩大方向發展：一方面大型PLC不斷向高速、大容量、高功能、多層分布式工廠全自動網絡化方向發展；另一方面，超小型PLC不斷向體積更小、速度更快、功能更強的微型化發展，以適應單機控制、小型自動化的需要。PLC基礎知識S7-200PLCS7-300PLCS7-400PLC歐洲的PLC產品：德國西門子（Siemens）公司、德國AGE公司和法國施耐德（Schneider）公司旗下的TE公司是歐洲著名的PLC制造商。西門子PLC以性能優良久負盛名，其產品范圍涵蓋微型、小型、中型和大型等各種PLC，尤其是大、中型PLC，因其突出的高可靠性被廣泛應用于自動化控制領域中。西門子主要產品有S5和S7系列，由于S7系列性價比較高，近年來在我國的市場份額不斷攀升。其中，S7-200、S7-300、S7-400分別為小、中、大型控制器，如圖1-4所示。近幾年，西門子公司為提高產品競爭力和市場占有率，推出了S7-200SMART小型PLC，在CPU模塊上集成了一個以太網接口和一個RS485通信接口，可以實現用普通網線進行編程、監控和組網，大大的提高了數據傳輸效率，應用更加方便。三、著名PLC品牌PLC基礎知識三菱PLC歐姆龍PLC松下PLC日本的PLC產品：日本主要的PLC品牌有三菱、歐姆龍、松下、東芝等。日本PLC產品在小型機領域頗負盛名，在世界小型機市場上，日本產品約占70%的份額。PLC基礎知識羅克韋爾公司（A-B）PLC通用電氣公司（GE）PLC美國的PLC產品:誕生世界上第一臺PLC的美國是個PLC生產大國，有100多家PLC廠商，著名的有羅克韋爾公司（全稱Allen-BradleyRockwellAutomation公司，簡稱A-B）、通用電氣公司（GE）、德州儀器公司（TI）等。其中A-B公司是美國最大的PLC制造商，主要產品是大、中型機。中國的PLC產品:我國PLC產品的研制與應用起步較晚，1974年開始研制，1977年應用于工業生產。我國早期獨立研制PLC的單位有北京機械工業自動化研究所、上海工業自動化儀表研究所等20多家科研單位。但由于生產技術相對落后、缺乏資金和后續研究力量，只能停留在實驗室階段，沒能投入實際應用和形成工業化生產規模。隨著我國科技的快速發展，我國也出現了一些性價比較高、性能比較穩定、功能比較齊全的PLC品牌，如江蘇信捷、浙大中控、南京冠德、中山易達、臺灣臺達、永宏等，但目前我國PLC市場上德國西門子和日本三菱產品仍占據主流。PLC基礎知識1.軟件簡單易學

PLC最常用的編程語言是梯形圖編程語言，這種圖形化的編程語言形象、直觀，其表達方式和繼電器控制電路圖比較接近，對于不熟悉計算機編程語言的工程技術人員也能很快上手，易學易用。圖1-7為PLC梯形圖與傳統繼電器控制電路圖的對比。圖1-7

PLC梯形圖與傳統繼電器控制電路圖的對比四、PLC的特點PLC基礎知識2.使用和維護方便

PLC的發展已經標準化、系列化、模塊化，大、中、小各種規模的系列化產品應有盡有，并且配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進行系統配置，組成不同功能、不同規模的系統。

PLC的安裝接線也很方便，一般可直接用接線端子連接外部接線。PLC有較強的帶負載能力，可直接驅動一般的電磁閥和交流接觸器，可以用于各種規模的工業控制場合。3.運行穩定可靠

PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關的少量硬件，電氣接線及開關接點可減少到繼電器控制系統的數百甚至數千分之一，因觸點接觸不良造成的故障大為減少。

除此之外，PLC采用現代大規模集成電路技術，通過采用嚴格的生產工藝制造技術和先進的抗干擾技術，大大提高了PLC內部電路的可靠性。有數據表明，PLC的平均無故障工作時間一般都在10萬小時以上。4.設計施工周期短PLC用控制程序代替大量的中間繼電器、時間繼電器等器件，大大減少了控制設備外部的設計、安裝和接線，使控制系統設計及建造的周期大為縮短，同時更加易于維護。PLC的梯形圖程序一般采用順序控制設計法。這種編程方法很有規律，很容易掌握。對于復雜的控制系統，梯形圖的設計時間比設計繼電器系統電路圖的時間要少得多。而且硬件安裝和程序調試可以同時進行，大大縮短了施工周期。5.體積小，功耗低PLC采用微電子技術制造，結構緊湊堅固、體積小、質量輕、功耗低。PLC基礎知識輸入/輸出點數輸入/輸出（Input/Output，簡稱I/O）點數是指PLC外部輸入、輸出端子的個數，包括主機和擴展模塊能最多能擴展的點數。I/O點數是PLC最重要的性能指標之一，是PLC選型的一個重要依據。01存儲容量存儲容量是指用戶程序存儲器的容量，不包括系統程序存儲器，一般以“字節”為單位來計算，1024個字節為1KB。PLC的存儲容量越大，可以容納的用戶程序的長度越長。02掃描速度掃描速度是指PLC執行程序的速度，是衡量PLC性能的重要指標。03編程指令的種類和條數PLC編程指令的種類和條數越多，則處理能力和控制能力越強。例如，西門子S7-200SMART系列PLC有16大類指令，合計約有160條指令。04擴展能力和功能模塊種類為了完成復雜的控制功能，除了主機外，PLC還可以配接各種功能模塊來實現一些特殊的專門功能。PLC的擴展能力取決于CPU的尋址能力和電源容量。因此，PLC可擴展模塊種類的多少也反映了PLC功能的強弱，是衡量PLC產品檔次高低的一個重要指標。05五、PLC的主要性能指標PLC基礎知識開關量的邏輯控制這是PLC最基本最廣泛的應用領域，它取代傳統的繼電控制系統，實現邏輯控制。既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線，如機床電氣控制、汽車配裝線、包裝生產線及電鍍流水線等。圖1-8所示為汽車裝配生產線。

圖1-8

汽車裝配生產線六、PLC的應用PLC基礎知識模擬量控制在工業控制過程當中，有許多連續變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了實現模擬量和數字量之間的A/D轉換及D/A轉換，PLC廠家都生產配套的A/D和D/A轉換模塊，使PLC可用于模擬量控制。圖1-9所示為用PLC實現對液位的控制。

圖1-9

PLC液位控制系統PLC基礎知識運動控制

PLC可以通過高速輸入和高速輸出功能用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用開關量I/O模塊連接位置傳感器和執行機構，現在一般使用專用的運動控制模塊，可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC生產廠家的產品幾乎都具有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。圖1-10所示為用PLC控制工業機器人實現搬運功能。圖1-10

用PLC控制工業機器人實現搬運功能PLC基礎知識過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環控制，在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。PID（ProportionalIntegralDifferential，即比例-積分-微分）調節是一般閉環控制系統中用得較多的調節方法，利用PLC可實現對模擬量的PID閉環控制，具有性價比高、用戶使用方便、可靠性高、抗干擾能力強等特點。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。圖1-10

用PLC控制工業機器人實現搬運功能PLC基礎知識數據處理現代PLC具有數學運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表及位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。數據處理一般用于大型控制系統，如無人控制的柔性制造系統；也可用于過程控制系統，如造紙、冶金、食品工業中的一些大型控制系統。圖1-11所示為變頻器恒壓供水系統。圖1-11

變壓器恒壓供水系統PLC基礎知識通信及聯網PLC通信含PLC間的通信及PLC與其他智能設備間的通信。隨著計算機控制和工廠自動化網絡的發展，各PLC生產廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網絡系統。最近生產的PLC都具有通信接口，通信非常方便。圖1-12所示為PLC與PLC間、PLC與其他智能設備間的通信功能。圖1-12

PLC的通信功能PROFIBUSDPPROFIBUSPAPLC內部結構工作原理及分類02PLC內部結構、工作原理及分類開關量的邏輯控制一、PLC的內部結構

目前主流的PLC品牌有西門子（德國）、三菱（日本）、歐姆龍（日本）、施耐德（法國）等。不同的品牌，其使用的編程軟件也有所不同，甚至同一品牌的不同型號PLC使用的軟件也不相同。比如西門子PLC就有四款編程軟件，分別為STEP7Microwin（S7-200），STEP7-Micro/WINSMART（是專門為S7-200SMART開發的編程軟件），STEP7V5.5（S7-300，S7-400，ET200），TIAPortal（S7-300，S7-400，S7-1500，S7-1200）。

雖然PLC種類繁多，性能各異，但在其組成和工作原理上，幾乎所有的PLC都是相同或相似的。PLC實質上是一種工業控制計算機，與通用計算機一樣，PLC也是由硬件和軟件兩大部分組成的。現在針對PLC硬件進行介紹。

PLC有整體式和模塊式兩種結構類型，無論是哪種結構類型，其基本組成及功能都是一樣的。PLC硬件的基本組成包括中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出接口（1/O接口）、I/O擴展接口、通信接口及電源等，如圖1-15所示。如果對于PLC的組成比較陌生，不如讓我們來對比一下我們的手機，手機進行運算、控制閃光燈的亮滅等操作，需要手機的CPU進行工作，這就相當于PLC的中央處理器的作用；手機有內存，有可以存儲圖片視頻等的存儲空間，這就是PLC的存儲器的作用；還有PLC的I/O接口、通信接口和電源這些部分都可以對應手機、電腦找到相應的組成部分。PLC內部結構、工作原理及分類一、PLC的內部結構圖1-15PLC硬件的基本組成CPU按系統程序指揮PLC有條不紊地工作。歸納起來，CPU的功能主要包括以下幾個方面：①接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數據。②診斷電源及PLC內部電路的工作故障，并檢查用戶程序的語法錯誤。③采用掃描方式接收現場各輸入設備的狀態或數據，并存儲到輸入過程映像寄存器和數據存儲器中。④進入運行方式后，按順序讀取、解釋、執行用戶程序，完成用戶程序所規定的各種操作，并將運算結果存入輸出過程映像寄存器或數據存儲器內。⑤根據運算結果更新有關標志位的狀態，刷新輸出過程映像寄存器的內容，再經輸出設備實現輸出控制、打印制表或數據通信等功能。中央處理器（CPU）PLC內部結構、工作原理及分類一、PLC的內部結構圖1-15PLC硬件的基本組成PLC具有隨機存取存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）和電可擦除可編程只讀存儲器（EEPROM）。根據用途的不同，PLC中的存儲器可分為系統程序存儲器和用戶程序存儲器。系統程序存儲器用來存放系統程序，用戶不能更改，一般為只讀存儲器ROM。用戶程序存儲器用來存放用戶程序及工作數據，因為需要經常改動，所以用戶程序存儲器多為可隨時讀寫的RAM或EEPROM。由于RAM掉電會丟失數據，因此需要使用后備電池（鋰電池）保護。較先進的PLC采用快閃存儲器（FlashMemory）作為用戶程序存儲器，則不需要后備電池。存儲器PLC內部結構、工作原理及分類一、PLC的內部結構圖1-15PLC硬件的基本組成輸入/輸出接口也稱為輸入/輸出單元，是PLC與工業生產現場之間的連接部件。1）輸入接口輸入接口的作用是將用戶輸入設備（如按鈕、行程開關、接近開關、傳感器及其相應的變送器等）向PLC發出的信號（開關量或模擬量信號）轉換成CPU能夠接收和處理的信號，并送給輸入過程映像寄存器。輸入/輸出接口（I/O接口）PLC內部結構、工作原理及分類一、PLC的內部結構輸入接口電路主要用來將接收的外界輸入信號轉化為PLC內部CPU能接受的信號，由CPU進行處理。為防止由于觸點抖動或干擾脈沖引起錯誤的輸入信號，輸入接口電路必須有很強的抗干擾能力。輸入接口電路提高抗干擾能力的方法主要有：①利用光電耦合器提高抗干擾能力；②利用阻容濾波電路提高抗干擾能力。2）輸出接口輸出接口的作用是將經過CPU處理的信號轉換成外部輸出設備所需要的驅動信號（開關量或模擬量信號），以驅動各種執行機構（如繼電器、接觸器、報警器、電磁閥、調節閥、調速裝置等）。輸入/輸出接口（I/O接口）PLC內部結構、工作原理及分類二、PLC的工作原理PLC通電后，需要對硬件和軟件做一些初始化工作。為了使PLC的輸出能及時地響應各種輸入信號，初始化后PLC要反復不停地分階段處理各種不同的任務，這種周而復始的循環工作方式稱為循環掃描工作方式。對于S7-200PLC一次完整的掃描工作過程一般包括輸入采樣、執行用戶程序、處理通信請求、執行CPU自診斷、輸出刷新五個階段，如圖1-16所示。其中，輸入采樣、執行用戶程序和輸出采樣這三個階段都分別采取了集中批處理的方法。一個掃描周期輸入采樣執行用戶程序處理通信請求執行CPU自診斷輸出刷新圖1-16PLC循環掃描工作方式PLC內部結構、工作原理及分類二、PLC的工作原理（1）輸入采樣輸入采樣也稱為讀輸入，這是第一個集中批處理過程。在每次掃描周期開始時，CPU集中采樣所有輸入端的當前輸入值，并將其存入內存中各自對應的輸入過程映像寄存器。此時，輸入過程映像寄存器被刷新，那些沒有使用的輸入過程映像寄存器位被清零。此后，輸入過程映像寄存器與外界隔離，無論輸入信號如何變化，都不會再影響輸入過程映像寄存器，其內容將一直保持到下一掃描周期的輸入采樣階段才會被重新刷新。圖1-16PLC循環掃描工作方式一個掃描周期輸入采樣執行用戶程序處理通信請求執行CPU自診斷輸出刷新PLC內部結構、工作原理及分類二、PLC的工作原理（2）執行用戶程序執行用戶程序階段是第二個集中批處理過程。PLC的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按照順序排列。CPU執行用戶程序是從第一條指令開始逐條順序執行，直到最后一條指令（結束指令）結束（遇到程序中斷或跳轉除外）。對于梯形圖程序是按照先上后下、先左后右的順序進行掃描運算的。圖1-16PLC循環掃描工作方式一個掃描周期輸入采樣執行用戶程序處理通信請求執行CPU自診斷輸出刷新PLC內部結構、工作原理及分類二、PLC的工作原理（3）處理通信請求CPU處理從通信端口接收到的任何信息，完成數據通信任務，即檢查是否有計算機、編程器的通信請求，若有則進行相應處理。（4）執行CPU自診斷在此階段，CPU檢查其硬件和所有I/O模塊的狀態。在RUN模式下，還要檢查用戶程序存儲器。若發現故障，將點亮故障指示燈并判斷故障性質；若沒有故障，則繼續下一步驟。圖1-16PLC循環掃描工作方式一個掃描周期輸入采樣執行用戶程序處理通信請求執行CPU自診斷輸出刷新PLC內部結構、工作原理及分類二、PLC的工作原理（5）輸出刷新輸出刷新也稱為寫輸出階段，這是第三個集中批處理過程。在本掃描周期內，CPU執行完用戶程序后，將各個輸出過程映像寄存器的“0”或“1”狀態集中輸出到輸出鎖存器鎖存起來（在一個掃描周期中，鎖存器中的數據是不會變的）。圖1-16PLC循環掃描工作方式一個掃描周期輸入采樣執行用戶程序處理通信請求執行CPU自診斷輸出刷新PLC內部結構、工作原理及分類三、PLC分類目前PLC比較通用的分類方法有兩種：按照結構形式分類和按照數字量I/O點數分類。（1）按照結構形式分類按結構形式的不同，PLC可分為整體式和模塊式兩種類型。1）整體式PLC整體式PLC的基本結構如圖1-17所示，它將電源、CPU、存儲器、I/O接口、通信接口、I/O擴展接口等各個功能集成在一個機殼內，形成一個整體，常被稱為PLC主機或基本單元。用戶通過按鈕、開關或各種傳感器及其相應的變送器等輸入設備就能夠將開關量或模擬量（需要經過A/D轉換）由輸入接口輸入并存入主機存儲器的輸入過程映像寄存器，再經過CPU運算或處理得到開關量或模擬量（需要經過CPU進行D/A轉換得到）控制信號由輸出接口輸出到用戶的被控設備。PLC內部結構、工作原理及分類三、PLC分類圖1-17整體式PLC結構圖PLC內部結構、工作原理及分類三、PLC分類2）模塊式PLC模塊式PLC的基本結構如圖1-18所示，它將整體式PLC主機內的各個部分制成單獨的模塊，如CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、通信模塊、各種智能I/O模塊以及電源模塊等，這些模塊通過總線連接，安裝在機架或導軌上。模塊式PLC的特點是配置靈活、裝配維護方便，一般中、大型PLC多采用這種結構，如西門子S7-300、S7-400系列PLC。由上述可見，模塊式PLC比整體式PLC配置更加靈活，輸入和輸出的點數能夠自由選擇。整體式PLC雖然也能通過擴展接口連接其他模塊，但能夠擴展的模塊的數量畢竟是很有限的。圖1-18模塊式PLC結構圖PLC內部結構、工作原理及分類三、PLC分類（3）按照數字量I/O點數分類數字量I/O點數是PLC性能指標之一，按數字量I/O點數的多少，可將PLC分成小型（低檔）、中型（中檔）和大型（高檔）三種，見表1-5。類型數字量I/O點數用戶程序存儲器容量功能小型256點以內4kb以下功能單一，以開關量控制功能為主，體積小、價格低，可用于開關量控制、定時/計數控制、順序控制及少量模擬量控制場合中型256-2048點4-16kb功能比較豐富，除了具有小型機功能，還增加了模擬量輸入/輸出（AI/AO）、算術運算、數據傳送、數據通信等功能，可完成既有開關量又有模擬量的復雜控制，如閉環過程控制等。大型2048點以上16kb以上功能更加完善，除了具有小型、中型機功能，還具有數據運算、模擬調節、聯網通信、監視記錄和打印等功能，用于大規模過程控制、集散式控制和工廠自動化網絡。表1-5I/O點數分類PLC內部結構、工作原理及分類西門子PLC-S7系列是傳統意義的PLC產品，S7-200針對低性能要求的小型PLC，屬于一體化緊湊型PLC，電源、中央處理器（CPU）、I/O接口都集成在一個機殼內，如圖1-19a所示。西門子S7-300是模塊式中小型PLC，最多可以擴展32個模塊，屬于標準模塊式結構化PLC: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PLC應用系統，如圖1-19b所示。S7-400是大型PLC，可以擴展300多個模塊。S7-300/400可以組成MPI、PROFIBUS和工業以太網等，如圖1-19c所示。M7-300/400:采用與S7-300/400相同的結構，它可以作為CPU或功能模塊使用，具有AT兼容計算機的功能，可以用C、C++或CFC等語言來編程。S7-1200是西門子公司新一代的模塊化小型PLC，PLC的主體是中間的CPU，雖說是CPU，其實它集處理器、輸入輸出口、存儲器等于一身，能夠單獨工作。S7-1200有1211、1212、1214、1215、1217五個型號的CPU可供選擇，除1217只有DC/DC/DC的版本外，其余型號有AC/DC/RLY、DC/DC/DC、DC/DC/RLY三個版本，對應不同的電源/輸入/輸出方式，使用時非常靈活，如圖1-19d所示。新型的S7-1500控制器除了包含多種創新技術之外，還設定了新標準，最大程度提高生產效率。無論是小型設備還是對速度和準確度要求較高的復雜設備裝置，都一一適用。S7-1500無縫集成到TIA博途中，極大提高了工程組態的效率，如圖1-19（e）所示。四、西門子PLC的分類PLC內部結構、工作原理及分類四、西門子PLC的分類圖1-19a西門子S7-200PLC圖1-19b

西門子S7-300PLC圖1-19c西門子S7-400PLC圖1-19

d西門子S7-1200PLC圖1-19e西門子S7-1500PLCS7-200SMART系列PLC的硬件介紹03S7-200SMART系列PLC的硬件介紹一、S7-200SMART系列PLC的產品特點S7-200SMART系列PLC是在S7-200系列PLC的基礎上發展而來，標準型CPU模塊包括CPUSR20/SR30/SR40/SR60/ST20/ST30/ST40/ST60，經濟型CPU模塊包括CPUCR40/CR60。它具有一些新的優良特性，具體有以下幾方面：（1）機型豐富，更多選擇提供不同類型、I/O點數豐富的CPU模塊，單體I/O點數最高可達60點，可滿足大部分小型自動化設備的控制需求。另外，CPU模塊配備標準型和經濟型供用戶選擇，對于不同的應用需求，產品配置更加靈活，最大限度地控制成本。（2）選件擴展，精確定制新穎的信號板設計可擴展通信端口、數字量通道、模擬量通道。在不額外占用電控柜空間的前提下，信號板擴展能更加貼合用戶的實際配置，提升產品的利用率，同時降低用戶的擴展成本。（3）高速芯片、性能卓越配備西門子專用高速處理器芯片，基本指令執行時間可達0.15微秒，在同級別小型PLC中遙遙領先。S7-200SMART系列PLC的硬件介紹一、S7-200SMART系列PLC的產品特點（4）以太互聯，經濟便捷CPU模塊本體配備以太網接口，集成了強大的以太網通信功能，通過一根普通的網線即可將程序下載到PLC中，方便快捷，省去了專用編程電纜。而且以太網接口還可與其他CPU模塊、觸摸屏、計算機進行通信，輕松組網。（5）軟件友好，編程高效在繼承西門子編程軟件強大功能的基礎上，STEP7-Micro/WINSMART編程軟件融入了更多的人性化設計，如新穎的帶狀式菜單、全移動式界面窗口，方便的程序注釋功能、強大的密碼保護等。（6）完美整合，無縫集成S7-200SMART可編程序控制器和觸摸屏、變頻器完美整合，滿足客戶對與人機交互、控制、驅動等功能的全方位需求。S7-200SMART系列PLC的硬件介紹二、S7-200SMART系列PLC的實物介紹S7-200SMART系列PLC的硬件介紹二、S7-200SMART系列PLC的實物介紹S7-200SMARTCPU將微處理器、集成電源和多個數字量I/O點集成在一個緊湊的盒子中，形成功能比較強大的S7-200SMART系列PLC，如圖1-20為PLC外部結構。（1）I/O的LEDI/O點接通或輸出有效時，對應點位的指示燈會亮。（2）端子連接器S7-200SMART所有模塊的輸入、輸出端子均可拆卸，而S7-200PLC沒有這個優點。（3）以太網通信端口用于與上位機、交換機、編程設備等進行以太網通信連接，如圖1-21。圖1-21CPU通過以太網與編程設備通信S7-200SMART系列PLC的硬件介紹二、S7-200SMART系列PLC的實物介紹（4）用于在標準導軌上安裝的夾片安裝PLC模塊時進行固定卡住，防止模塊脫落。（5）以太網狀態LED用于指示以太網通信的狀態，通訊硬件連接正常時，LINK燈常亮，Rx/Tx閃爍。（6）狀態LED：RUN、STOP和ERROR顯示PLC的工作狀態，RUN，運行模式；STOP，停止模式；ERROR，報警錯誤。（7）RS-485通信端口用于串口通信，如自由口通信、USS通信和Modbus通信等，如圖1-22。圖1-22CPU通過RS485與編程設備通信S7-200SMART系列PLC的硬件介紹二、S7-200SMART系列PLC的實物介紹（8）可選信號板用于連接擴展模塊，插針式連接，模塊連接更加緊密。（9）存儲卡讀卡器和通用Micro-SD卡支持程序下載和PLC固件更新。（10）S7-200SMARTCPU的工作方式CPU前面板即存儲卡插槽的上部，有3盞指示燈顯示當前工作方式，指示燈為綠色時，表示運行狀態；指示燈為紅色時，表示停止狀態；標有“ERROR”的燈亮時，表示系統故障，PLC停止工作。當CPU處于運行工作方式時，PLC按照自己的工作方式運行用戶程序。當CPU處于停止工作方式時，不執行程序。進行程序的上傳和下載時，都應將CPU置于停止工作方式。工作方式可以在編譯軟件中設定。S7-200SMART系列PLC的硬件介紹三、S7-200SMARTCPU模塊的接線（1）電源接線將電源連接到CPU，圖1-23顯示了直流和交流型CPU的接線方式。如圖a為直流電源供電，“L+”為DC24V正極連接端子，“M”為DC24V負極連接端子。圖b為交流電源供電，“L1”為交流相線（火線）連接端子，“N”為中線（零線）連接端子，通常為AC120-240V，為PLC提供電源。在給CPU進行供電接線時，要注意電源的電壓類型和電壓等級，如果把AC220V接到DC24V供電的CPU上，或者不小心接到DC24V傳感器的輸出電源上，都會造成CPU的損壞。a）DC24V供電型b）AC220V供電型S7-200SMART系列PLC的硬件介紹三、S7-200SMARTCPU模塊的接線（2）輸入端子的接線S7-200SMART系列CPU的輸入端接線與三菱的FX2N系列的輸入端接線不同，后者不需要接入直流電源，其電源由系統內部提供，而S7-200SMART系列CPU的輸入端則必須接入直流電源。下面以CPUSR60為例介紹輸入端的接線。“1M”是輸入端的公共端子，.0、.1、.2……為PLC的輸入端子。各種開關、按鈕的常開常閉觸點、兩線式的磁性開關等輸入信號與直流24V電源串聯后接入公共端子和輸入端子之間。公共端子1M接直流電源的正負均可，但如果接入的是分極性兩線式磁性開關等信號時，要注意電源極性與磁性開關極性要保持一致，如圖1-24所示。如圖1-24S7-200SMART系列PLC的硬件介紹三、S7-200SMARTCPU模塊的接線在實際應用過程中經常遇到各種三線式的接近開關、光電開關、光纖傳感器等作為PLC的輸入信號，這類信號如何連接呢？這種三線式的接近開光、光電開關通常分為NPN型和PNP型，兩種接法不同，極性不能接反，否則PLC無法接收到信號。三線式NPN型傳感器與PLC進行連接如圖1-25所示，此時電流是從輸入端子流出的，也稱為源型輸入電路。三線式PNP型傳感器與PLC進行連接如圖1-26所示，此時電流是向輸入端子流入的，又稱為漏型輸入電路。圖1-25三線式NPN型傳感器與PLC進行連接圖1-26線式PNP型傳感器與PLC進行連接S7-200SMART系列PLC的硬件介紹三、S7-200SMARTCPU模塊的接線（3）輸出端子的接線S7-200SMART系列CPU的數字量輸出有兩種形式：一種是24V直流輸出（即晶體管輸出），另一種是繼電器輸出。標注為“CPUST20（DC/DC/DC）”的含義是：第一個DC表示供電電源電壓為DC24V，第二個DC表示輸入端的電源電壓為DC24V，第三個DC表示輸出為DC24V，20表示輸入和輸出端子總數為20點；標注為“CPUSR60（AC/DC/RELAY）”的含義是：AC表示供電電源電壓為AC120-240V，通常用AC220V，DC表示輸入端的電源電壓為DC24V，“RELAY”表示輸出為繼電器輸出。因晶體管的工作狀態需要加相應極性的直流電源才能工作，所以晶體管輸出型的PLC輸出端只能驅動直流負載，晶體管輸出接線示意圖如圖1-27所示。圖1-27晶體管輸出型PLC外部接線示意圖S7-200SMART系列PLC的硬件介紹三、S7-200SMARTCPU模塊的接線繼電器輸出型與外部負載連接的是繼電器的觸點，沒有電流方向和極性要求，因此可以帶交流負載，也可以帶直流負載，但要注意外部電源的電壓范圍為DC5~30V、AC5~250V，超出電壓范圍將導致不能驅動負載或燒毀PLC。繼電器輸出型外部接線示意圖如圖1-28所示。從示意圖上可以看出輸出是分組安排的，每組既可以是直流，也可以是交流，還可以一組為直流，一組為交流，但是同組的輸出負載的電壓類型和等級必須一致，如果各組之間的電壓類型和電壓等級完全相同時，組和組之間電源可以共用。需要注意的是“L+、M”端子為PLC提供的DC24V電源輸出端子，不是電源輸入端子，且帶載能力很小，只能用于輸入端傳感器的電源，不能用于驅動輸出端的負載，更不能接入直流電源。圖1-28繼電器輸出型PLC外部接線示意圖S7-200SMART系列PLC的硬件介紹三、S7-200SMARTCPU模塊的接線圖1-29S7-200SMARTCPU模塊CPUSR60接線示意圖S7-200SMART系列PLC的硬件介紹四、S7-200SMARTCPU模塊的型號說明S7-200SMART系列PLC的硬件介紹四、S7-200SMARTCPU模塊的型號說明6ES7288-1SR20-0AA0CPU的型號為SR606ES7為西門子S7系列PLC288表示S7-200SMART1SR60表示標準型CPU，數字量擴展模塊繼電器輸出，輸入/輸出端口數為60圖1-31SIMATICS7-200SMARTCPUSR60模塊STEP7-Micro/WIN編程軟件的使用04STEP7-Micro/WIN編程軟件的使用一、STEP7-Micro/WIN編程軟件的介紹STEP7-Micro/WIN編程軟件是基于Windows操作系統的應用軟件，由西門子公司專為S7-200系列PLC研制開發。該軟件功能強大，界面友好，有聯機幫助功能，既可用于開發用戶程序，又可實時監控用戶程序的執行狀態。支持3種模式：LAD（梯形圖）、FBD（功能塊圖）和STL（語句表）。STEP7-Micro/WIN編程軟件可提供程序的在線編輯、監控和調試。它可以打開大部分S7-200的程序。STEP7-Micro/WIN編程軟件是免費軟件，讀者可在供貨商處索要，或者在西門子（中國）自動化與驅動集團的網站上下載軟件并安裝使用。安裝此軟件對計算機的要求有以下幾方面：1.WindowsXPProfessionalSP3操作系統，只支持32位，Windows操作系統，支持32位和64位。2.軟件安裝程序不足80MB，但需要至少350MB硬盤空間。STEP7-Micro/WIN編程軟件的使用二、STEP7-Micro/WIN編程軟件的安裝步驟（1）打開STEP7-Micro/WINSMART編程軟件的安裝包，雙擊可執行文件“SETUP.EXE”，軟件安裝開始，并彈出選擇設置語言對話框，如圖1-32所示，共有兩種語言供選擇，選擇“中文（簡體）”，單擊“確定”按鈕。此時彈出安裝向導對話框如圖1-33所示，單擊“下一步”按鈕即可。之后彈出安裝許可協議界面如圖1-34所示，選擇“我接受許可協定和有關安全信息的所有條件”，單擊“下一步”按鈕，表示同意許可協議，否則安裝不能繼續進行。圖1-33安裝向導對話框STEP7-Micro/WIN編程軟件的使用二、STEP7-Micro/WIN編程軟件的安裝步驟（2）選擇安裝目錄。如果要改變安裝目錄則單擊“瀏覽”，選定想要安裝的目錄即可，如果不想改變目錄，則單擊“下一步”按鈕，如圖1-35所示，程序開始安裝，并顯示安裝進程如圖1-36所示。圖1-35安裝目錄圖1-36安裝進程圖1-37安裝結束STEP7-Micro/WIN編程軟件的使用二、STEP7-Micro/WIN編程軟件的安裝步驟（3）當軟件安裝結束時，彈出如圖1-37所示的界面，單擊“完成”按鈕，所有安裝完成。【關鍵點】①安裝STEP7-Micro/WINSMART編程軟件前，最好關閉殺毒和防火墻軟件，此外存放STEP7-Micro/WINSMART編程軟件的目錄最好是英文。其他處于運行狀態的程序最好也關閉。②選用正版操作系統，如果選用盜版的操作系統，可能導致不能安裝此軟件，或者軟件安裝完成后，丟失一些本應該有的功能，例如可能導致不能下載程序。STEP7-Micro/WIN編程軟件的使用三、STEP7-Micro/WIN編程軟件的打開（1）單擊“所有程序”→“Simatic”→“STEP7-Micro/WIN”→“STEP7-Micro/WINSART”，如圖1-38所示，即可打開軟件。（2）直接雙擊桌面上的STEP7-Micro/WINSMART軟件編程快捷方式，也可以打開軟件，這是較快捷的打開方法。（3）在電腦的任意位置，雙擊以前保存的程序，即可打開軟件。圖1-38打開軟件STEP7-Micro/WIN編程軟件的使用四、STEP7-Micro/WINSMART軟件的界面介紹STEP7-Micro/WINSMART軟件的主界面如圖1-39所示。其中包含快速訪問工具欄、項目樹、導航欄、菜單欄、程序編輯器、符號表、狀態欄、輸出窗口、狀態圖、變量表、數據塊、交叉引用。STEP7-Micro/WINSMART的界面顏色為彩色，視覺效果更好。（1）菜單欄菜單欄共有文件、編輯、視圖、PLC、調試、工具、幫助7個選項，其功能分別如下：1）“文件”菜單項可完成新建、打開、關閉、保存文件，導入和導出、上傳和下載程序、文件的頁面設置，打印預覽和打印設置等操作，如圖1-40。圖1-39主界面圖1-40頁面設置STEP7-Micro/WIN編程軟件的使用四、STEP7-Micro/WINSMART軟件的界面介紹2）“編輯”菜單項提供編輯程序用的各種工具，如選擇、剪切、復制、粘貼程序塊或數據塊的操作，以及查找、替換、插入、刪除和快速光標定位等功能，如圖1-41。3）“視圖”菜單項可以設置編程軟件的開發環境，如打開和關閉其他輔助窗口（如引導窗口、指令數窗口、工具欄按鈕區），執行引導窗口的所有操作項目，選擇不同語言的編程器（LAD、STL或FBD），設置三種程序編輯器的風格（如字體、指令盒的大小等），如圖1-42。圖1-41編輯菜單圖1-42視圖STEP7-Micro/WIN編程軟件的使用四、STEP7-Micro/WINSMART軟件的界面介紹4）“PLC”菜單項用于實現與PLC聯機時的操作，如改變PLC的工作方式、在線編譯、清除程序和數據、查看PLC的信息以及選擇PLC的類型和進行通信設置等，如圖1-43。5）“調試”菜單項用于聯機調試，如圖1-44。圖1-44調試圖1-43PLCSTEP7-Micro/WIN編程軟件的使用四、STEP7-Micro/WINSMART軟件的界面介紹6）“工具”菜單項可以調用復雜指令，安裝文本顯示器，改變用戶界面風格等。如圖1-45。7）“幫助”菜單項可以方便地檢索各種幫助信息，還提供網上查詢功能。在軟件操作過程中，可隨時按F1鍵來顯示在線幫助，如圖1-46。圖1-46幫助圖1-45工具STEP7-Micro/WIN編程軟件的使用四、STEP7-Micro/WINSMART軟件的界面介紹（2）工具欄工具欄是一種代替命令或下拉菜單的便利工具，如圖1-47所示，它將STEP7-Micro/WINSMART編程軟件最常用的操作以按鈕形式設定到工具欄中，以提供簡便的鼠標操作。利用“查看”菜單中的“工具欄”選項可以設置顯示或隱藏“標準”“調試”“公用”“指令”4個工具欄。標準工具欄中的按鈕包括：新建項目、打開項目、保存項目、打印、打印預覽、剪切、復制、粘貼、撤銷、編譯、全部編譯、上傳、下載、升序排列、降序排列和選項。調試工具欄中的按鈕包括：運行、停止、程序狀態監控、暫停程序狀態監控、狀態表監控、趨勢圖、暫停趨勢圖、單次讀取、全部寫入、強制、取消強制、取消全部強制和讀取全部強制。公用工具欄中的按鈕包括：插入網絡、刪除網絡、切換POU注釋、切換網絡注釋，切換符號信息表、切換書簽、下一個書簽、上一個書簽，清除全部書簽、應用項目中所帶符號和建立未定義符號表。指令工具欄中的按鈕包括：向下連線、向上連線、向左連線、向右連線、觸點、線圈和指令盒。STEP7-Micro/WIN編程軟件的使用四、STEP7-Micro/WINSMART軟件的界面介紹（3）指令樹用指令樹窗口或菜單中“視圖/組件”選項，也可以實現瀏覽條中的各組件窗口。如圖1-48所示，指令樹提供編程所用到的所有命令和PLC指令的快捷操作。可以用菜單中的“視圖/組件/項目樹”選項控制是否打開項目樹。圖1-48指令樹STEP7-Micro/WIN編程軟件的使用四、STEP7-Micro/WINSMART軟件的界面介紹在編程過程中，指令樹提供窗口快速切換的功能，組件框含有以下七種組件。1）程序塊程序塊由可執行的程序代碼和注釋組成，如圖1-49所示。可執行的程序代碼由主程序、可選的子程序和中斷程序組成。代碼被編譯并下載到PLC中時，程序注釋被自動忽略。圖1-49程序塊STEP7-Micro/WIN編程軟件的使用四、STEP7-Micro/WINSMART軟件的界面介紹2）符號表符號表用來建立自定義符號與絕對地址之間的對應關系，并可附加注釋，使得用戶可以使用具有實際含義的符號作為編程元件，增加程序的可讀性，如圖1-50所示。當程序被編譯后下載到PLC中時，所有的自定義符號都將被轉換成絕對地址，而自定義符號則被自動忽略。圖1-50符號表STEP7-Micro/WIN編程軟件的使用四、STEP7-Micro/WINSMART軟件的界面介紹3）狀態圖表狀態圖表用于聯機調試時監視指定的內部變量的狀態和當前值，狀態表并不下載到PLC，僅僅是監控用戶程序運行狀態的一種工具，如圖1-51所示。監控用戶程序的運行情況時，只需要在地址欄中寫入變量地址，在數據格式欄中標明變量的類型，就可以在運行時監視這些變量的狀態和當前值。圖1-51狀態圖表STEP7-Micro/WIN編程軟件的使用四、STEP7-Micro/WINSMART軟件的界面介紹4）數據塊數據塊由數據和注釋組成，可以對變量寄存器V進行初始數據的賦值或修改，并可附加必要的注釋，如圖1-52所示。數據被編譯并下載到PLC時，注釋被自動忽略。對于數字量控制系統一般只有主程序，不使用子程序、中斷程序和數據塊。圖1-52數據塊STEP7-Micro/WIN編程軟件的使用四、STEP7-Micro/WINSMART軟件的界面介紹5）系統塊系統塊主要用于系統組態，如圖1-53所示。系統組態主要包括設置數字量或模擬量輸入濾波、設置脈沖捕捉、配置輸出表、定義存儲器保持范圍、設置密碼和通信參數等。圖1-53系統塊STEP7-Micro/WIN編程軟件的使用四、STEP7-Micro/WINSMART軟件的界面介紹6）交叉引用交叉引用可以列舉出程序中使用的各操作數在哪一個程序塊的什么位置出現，以及使用它們的指令助記符；可以查看哪些內存區域已經被使用，是作為位使用還是作為字節使用等；在運行方式下編輯程序時，還可以查看程序當前正在使用跳變信號的地址，如圖1-54所示。交叉引用表不能下載到PLC，程序編譯成功后才能看到交叉引用表的內容。在交叉引用表中雙擊某個操作數時，可以顯示含有該操作數的那部分程序。圖1-