西门子PLC中央控制单元CPU416F-3PN/DP

PLC应用人才的关键是自主学习

可编程控制器（PLC）具有结构灵巧，硬件配置灵活方便、可靠性高、抗能力强，易学易用的特点，已作为普遍的自动化控制器件广泛应用于各行各业。《PLC原理及应用》课程已成为工科院校一门覆盖面较广的专业课，作为学校如何出高素质应用型PLC人才，这成为社会、学校、与家长关注的焦点。根据多年的教学实践，就影响PLC人才的各个因素的与协同，我提出以下几点建议以供参考：

移植设计法的PLC编程步骤1．分析原有的工作原理了解被控设备的工艺和机械的情况，根据继电器电路图分析和控制的工作原理。 　　2．PLC的I/O分配确定的输入设备和输出设备，进行PLC的I/O分配，画出PLC外部接线图。3．建立其它元器件的对应关系确定继电器电路图中的中间继电器、时间继电器等各器件与PLC中的辅助继电器和定时器的对应关系。 　　在这中应该处理好以几个问题：1）继电器电路中的执行元件应与PLC的输出继电器对应，如交直流器、电磁阀、电磁铁、指示灯等；2）继电器电路中的主令电器应与PLC的输入继电器对应，如按钮、位置开关、选择开关等。 　　以上（2）和（3）两步建立了继电器电路图中所有的元器件与PLC内部编程元件的对应关系，对于移植设计法而言，这非常重要。热继电器的触点可作为PLC的输入，也可接在PLC外部电路中，主要是看PLC的输入点是否富裕。 　　注意处理好PLC内、外触点的常开和常闭的关系。3）继电器电路中的中间继电器与PLC的辅助继电器对应；4）继电器电路中的时间继电器与PLC的定时器或计数器对应，但要注意：时间继电器有通电延时型和断电延时型两种，而定时器只有“通电延时型”一种。 　　4．设计梯形图程序根据上述的对应关系，将继电器电路图“翻译”成对应的“准梯形图”，再根据梯形图的编程规则将“准梯形图”转换成结构合理的梯形图。对于复杂的控制电路可划整为零，先进行局部的转换再综合起来。 　　5．仔细校对、认真调试对转换后的梯形图一定要仔细校对、认真调试，以保证其控制功能与原图相符。1．镗床继电器控制分析如图5-51所示为某镗床继电器控制的电路图，包括主电路、控制电路、照明电路和指示电路。 　　镗床的主轴电机M1是双速异步电动机，中间继电器KA1和KA2控制主轴电机的起动和停止，器KM1和KM2控制主轴电机的正反转，器KM4、KM5和时间继电器KT控制主轴电机的变速，器KM3用来短接串在定子回路的制动电阻。 　　SQ1、SQ2和SQ3、SQ4是变速操纵盘上的限位开关，SQ5和SQ6是主轴进刀与工作台互锁限位开关，SQ7和SQ8是镗头架和工作台的正、反向快速开关。图5-51镗床的继电器控制电路2．画PLC外部接线图改造后的PLC控制的外部接线图中，主电路、照明电路和指示电路同原电路不变，控制电路的功能由PLC实现，PLC的I/O接线图如图5-52所示。 　　图5-52镗床PLC控制I/O接线图3．设计梯形图根据PLC的I/O对应关系，再加上原控制电路（图5-51）中KA1、KA2和KT分别与PLC内部的、M301和T0相对应，可设计出PLC的梯形图如图5-53所示。 　　图5-53镗床PLC控制的梯形图设计中应注意梯形图与继电器电路图的区别。梯形图是一种，是PLC图形化的程序，PLC梯形图是串行工作的，而在继电器电路图中，各电器可以同时（并行工作）。 　　移植设计法主要是用来对原**电控制进行改造，这种设计没有改变的外部特性，对于操作工人来说，除了控制的可靠性之外，改造前后的没有什么区别，他们不用改变长期形成的操作习惯。这种设计一般不需要改动控制面板及器件，因此可以硬件改造的费用和改造的工作量。 　　

PLC程序设计的逻辑法简介及设计步骤逻辑法：就是应用逻辑代数以逻辑组合的和形式设计程序。 　　逻辑法的理论基础是逻辑函数，逻辑函数就是逻辑运算与、或、非的逻辑组合。因此，从本质上来说，PLC梯形图程序就是与、或、非的逻辑组合，也可以用逻辑函数表达式来表示。（1）基本：用逻辑法设计梯形图，必须在逻辑函数表达式与梯形图之间建立一种一一对应关系，即梯形图中常开触点用原变量（元件）表示，常闭触点用反变量（元件上加一小横线）表示。 　　触点（变量）和线圈（函数）只有两个取值“1”与“0”，1表示触点接通或线圈有电，0表示触点断开或线圈无电。触点串联用逻辑“与”表示，触点并联用逻辑“或”表示，其他复杂的触点组合可用组合逻辑表示，他们的对应关系如下表所示。 　　逻辑函数表达式梯形图逻辑函数表达式梯形图逻辑“与”M0=X1.X2“与”运算式M0=X1.X2---Xn逻辑“或”M0=X1+X2“或/与”运算式逻辑“非”“与/或”运算式M0=(X1.X2)+(X3.X4)（2）设计步骤：1）通过分析控制要求，明确控制任务和控制内容；2）确定PLC的软元件（输入信。 　　梯形图的设计应注意以下三点：（一）梯形图按从左到右、从上到下的顺序排列。每一逻辑行起始于左母线，然后是触点的串、并联接是线圈与右母线相联。（二）梯形图中每个梯级流过的不是物理电流，而是“概念电流”，从左流向右，其两端没有电源。 　　这个“概念电流”只是形象地描述用户程序执行中应线圈接通的条件。（三）输入继电器用于接收外部输入，而不能由PLC内部其它继电器的触点来驱动。因此，梯形图中只出现输入继电器的触点，而不出现其线圈。输出继电器输出程序执行结果给外部输出设备，当梯形图中的输出继电器线圈得电时，就有输出，但不是直接驱动输出设备，而要通过输出接口的继电器、晶体管或晶闸管才能实现。 　　输出继电器的触点可供内部编程使用。交流电机单向运转的启停控制。图1继电器控制线路图图2PLC控制的接线图图LC梯形图表1PLC控制的助记符程序

PC与S7-200系列PLC通信的连接西门子PLCS7-200系列PLC有通信有三种：一种是点对点（PPI），用于与该公司PLC编程器或其它人机接口产品的通信，其通信协议是开的。 　　另一种为DP，这种使得PLC可以通过Profibus-DP通信接口接入Profibus现场总线网络，从而扩大PLC的使用范围一种是口通信（Freeport），由用户定义通信协议，实现PLC与外设的通信。 　　以下采用口通信，实现PC与S7-200系列PLC通信。PC与S7-200系列PLC通信连接PC为RS232C接口，S7-200系列口为RS485。因此PC的RS232接口必须先通过RS232/RS485转换器，再与PLC通信端口相连接，连接媒质可以是双绞线或电缆线。 　　西门子公司提供的PC/PPI电缆带有RS232/RS485转换器，可直接采用PC/PPI电缆，因此在不任何硬件的情况下，可以很方便地将PLC和PC的连接，如图7-17所示。也可实现多点连接。图7-17PC与S7-200系列PLC的连接

   

(1) S7-200在扫描循环中完成一系列任务。任务循环执行一次称为一个扫描周期。S7-200的工作如图4所示。在一个扫描周期中，S7-200主要执行下列五个部分的操作：

（Ⅰ）读输入：S7-200从输入单元读取输入状态，并存入输入映像寄存器中。

（Ⅱ）执行程序：CPU根据这些输入控制相应逻辑，当程序执行时刷新相关数据。程序执行后，S7-200将程序逻辑结果写到输出映像寄存器中。

（Ⅲ）处理通讯请求：S7-200执行通讯处理。

（Ⅳ）执行CPU自诊断：S7-200检查固件、程序存储

器和扩展模块是否工作正常

（Ⅴ）写输出：在程序结束时，S7-200将数据从输出映像寄存器中写入把输出锁存器到物理输出点，驱动外部负载。

（2）、S7-200 CPU的工作

 

   S7-200有两种操作：停止和运行。CPU面板上的LED状态灯可以显示当前的操作。

   在停止下，S7--200不执行程序，您可以下载程序和CPU组态。在运行下，S7-200将运行程序。

   S7-200提供一个开关来改变操作。您可以用开关（位于S7-200前盖下面）手动选择操作：当开关拨在停止，停止程序执行；当开关拨在运行，启动程序的执行；也可以将开关拨在TERM（终端）（暂态），允许通过编程来切换CPU的工作，即停止或运行。

    如果开关打在STOP或者TERM，且电源状态发生变化，则当电源恢复时，CPU会自动进入STOP。如果开关打在RUN，且电源状态发生变化，则当电源恢复时，CPU会进入RUN。

欧州的PLC产品介绍——PLC产品三大流派PLC的分类上PLC产品可按地域分成三大流派：一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，一个流派是产品。美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离情况下研究的，因此美国和欧洲的PLC产品有明显的差。 　　而的PLC技术是由美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性，但的主推产品定位在小型PLC上。美国和欧洲以大中型PLC而**，而则以小型PLC着称。欧州PLC产品德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司、法国的TE公司是欧洲的PLC制造商。 　　在S5系列中，S5-90U、S-95U属于微型整体式PLC；S5-100U是小型模块式PLC，多可配置到256个I/O点；S5-115U是中型PLC，多可配置到1024个I/O点；S5-115UH是中型机，它是由两台SS－115U组成的双机冗余；S5-155U为大型机，多可配置到4096个。 　　德国的西门子的电子产品以性能精良而久负盛名。在中、大型PLC产品领域与美国的A-B公司齐名。西门子PLC主要产品是S5、S7系列。而S7系列是西门子公司在S5系列PLC基础上近年推出的新产品，其性能价格比高，其中S7-200系列属于微型PLC、S7-300系列属于于中小型PLC、S7-400系列属于于中高性能的大型PLC。 　　

PLC逻辑设计法的特点逻辑设计法是以布尔代数为理论基础，根据生产中各工步之间的各个检测元件（如行程开关、传感器等）状态的变化，列出检测元件的状态表，确定所需的中间记忆元件，再列出各执行元件的工序表，然后写出检测元件、中间记忆元件和执行元件的逻辑表达式，再转换成梯形图。 　　该在单一的条件控制中，自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代继电器控制装置以来，PLC了快速发展，在各地了广泛应用。 　　利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图，程序可以存盘、打印、调试，对于查找故障非常有利。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断，PLC在开关量处理的基础上了模拟量处理和运动控制等功能。 　　的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、控制等领域也发挥着十分重要的作用。作为离散控的制的产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代了迅速发展，范围内的PLC年增长率保持为20%～30%。 　　随着工厂自动化程度的不断和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达的增长速度放缓。但是，在等发PLC的增长十分迅速。综合相关资料，2004年**PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。 　　PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产。 　　用户编制的控制程序表达了生产的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。 　　PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。 　　把计算结果送给PLC的控制器。相同I/O点数的，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。PLC没有**操作站，它用的和硬件都是通用的，所以成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（多可达8000多个I/O）。 　　如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为。PLC由于采用通用，在设计企业的信息方面，要容易一些。近10年来，随着PLC价格的不断和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。 　　随着经济的高速发展和基础自动化水平的不断，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。通用PLC应用于**设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的性。 　　实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器，PLC产业一定会有一个美好的未来。非常好用，相当于组合逻辑电路，但和时间有关的控制中，就很复杂。

PLC状态继电器的使用和状态编号状态继电器是PLC在步进顺控实现控制的重要内部元件。它与步进顺控指令STL组合使用，运用状态转移图，编制易懂的程序。 　　状态继电器一般分为四类，其编号及点数如下：初始状态：S0∽S9(10点)；回零：S10∽S19(10点)；通用：S20∽S点)；保持：S500∽S点)；：S900∽S点)；PLC应用中输入、输出接口电路中的光电耦合器件的作用是：1、实现现场与PLC主机的电气隔离、抗性；2、避免外电路。 　　可编程控制器PLC自问世以来发展较为迅速。在工业控制方面正逐步取代的继电器控制，成为现代工业自动化生产的三大支柱之一。1.顺序逻辑控制这是PLC基本、广泛的应用领域，它正逐步取代的继电器顺序控制。 　　2.运动控制PLC和计算机数控(CNC)设备集成在一起，可以完成机床的运动控制。3.定时和计数控制定时和计数精度高，设置灵活，且高精度的时钟脉冲可用于准确的实时控制。4.模拟量控制PLC能完成数模转换或者模数转换，控制大量的物理参数，例如，温度、压力、速度和流量等。 　　5.数据处理能完成数据运算，逻辑运算、比较传送及转换等。6.通信和联网PLC之间、PLC和上级计算机之间有很强的通信功能。作为实时控制，不仅PLC数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电、故障时的对策等。 　　

 

西门子S7-200系列PLC模拟量扩展模块型号及用途

当需要完成某些特殊功能的控制任务时，CPU主机可以连接扩展模块，利用这些扩展模块进一步完善CPU的功能。常用的扩展模块有两类，即模拟量输入／输出扩展模块、特殊功能模块。模拟量扩展模块类型如

表1   模拟量扩展模块型号及用途

分类

型号

I/O规格

功能及用途

模拟量输入扩展模块

EM231

AI4 x 12位

4路模拟输入，12位A/D转换

AI4 x热电偶

4路热电偶模拟输入

AI4 x RTD

4路热电阻模拟输入

模拟量输出扩展模块

EM232

AQ2 x 12位

2路模拟输出

模拟量输入/ 输出扩展模块

EM235

AI4/AQl x 12

4路模拟输入，1路模拟输出，12位转换

HmwxjSQN

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