西门子KP900人机界面

伴随科技发展，很多工业控制产品都加设了智能控制和通信功能，如变频器、软启动器等。可以和现代的可编程控制器通信联网，实现更强大的控制功能。通过双绞线、同轴电缆或光纤联网，信息可以传送到几十公里远的地方，通过Modem和互联网可以与世界上其他地方的计算机装置通信。

相当多的大中型控制系统都采用上位计算机加可编程控制器的方案，通过串行通信接口或网络通信模块，实现上位计算机与可编程控制器交换数据信息。组态软件引发的上位计算机编程革命，很容易实现两者的通信，降低了系统集成的难度，节约了大量的设计时间，提高了系统的可靠性。国际上比较的组态软件有Intouch、Fix等，国内也涌现出了组态王、力控等一批组态软件。有的可编程控制器厂商也推出了自己的组态软件，如西门子公司的WINCC。本章小结

可编程控制器（PLC）是以微机技术为核心的通用工业控制装置，它将传统的继电器-接触器控制技术与计算机技术、通信技术融于一体，具有功能强大、环境适用性好、编程简单、使用方便等优点。

PLC的硬件系统由主机系统、输入/输出扩展环节及外部设备组成。PLC是采用周期循环扫描的工作方式，一个扫描周期主要可分为：读输入阶段、执行程序阶段、处理通信请求阶段、执行CPU自诊断测试阶段、写输出阶段。执行完一个周期后，PLC再进入下一个循环周期，重新执行输入采样阶段，周而复始。

PLC的生产厂家很多，国内国外都有，其点数、容量、功能各有差异，但都自成系列，比较有影响的厂家有西门子的S系列和三菱FX系列等。

自20世纪60年代台PLC问世以来，PLC已很快被应用到汽车制造、机械加工、冶金、矿业、轻工等各个领域，大大推进了机电一体化进程。经过长时间的发展和完善，PLC的编程概念和控制思想已为广大的自动化行业人员所熟悉，这是一个目前任何其他工业控制器［包括集散控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）等］都无法与之相提并论的巨大知识资源。1.1 PLC概述与S7-200的引入

1.台PLC的出现

可编程序控制器，英文称为Programmable Logic Controller，简称PLC。

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。随着生产的发展，汽车型号更新的周期越来越短，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，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，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，PLC已经成功地应用于食品、饮料、冶金、造纸等工业领域。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年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，西欧国家也研制出他们的台PLC。我国从1974年开始研制，于1977年开始工业应用。

自20世纪60年代台PLC问世以来，PLC已很快被应用到汽车制造、机械加工、冶金、矿业、轻工等各个领域，大大推进了机电一体化进程。

经过长时间的发展和完善，PLC的编程概念和控制思想已为广大的自动化行业人员所熟悉，这是一个目前任何其他工业控制器（包括DCS和FCS等）都无法与之相提并论的巨大知识资源。实践也进一步证明：PLC系统硬件技术成熟、性能价格比较高、运行稳定可靠、开发过程也简单方便、运行维护成本很低。上述特点造就了PLC的旺盛生命力，造就了PLC的快速进化。

现在的PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展而来的一种新型工业控制装置，是工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，并与机器人、计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）并称为工业生产的三大支柱。

PLC的进化是在继电器控制逻辑基础上，与计算机、控制、通信（Computer、Control、Communication，3C）技术相结合，不断发展完善的。它从过去的小规模、单机、顺序控制，已经发展到包括过程控制、传动控制、位置控制、通信控制等场合的大部分现代工业控制领域和部分商用民用控制领域。在通信能力上，由于现场总线的出现，使得一个个独立的PLC系统不再是信息孤岛。实时以太网技术也走进了PLC厂商的视野，甚至在实时以太网产品中已经能够支持CANOpen等现场总线。实时以太网应用的另一方面意义在于，控制层与管理层的界线不再那么截然分明。随着PLC运算能力的不断提高，PLC在数据交换方面的能力和需求也在不断提高，另一方面，信息技术（IT）的飞速发展使得微型高速存储设备的容量越来越大，价格越来越低，可靠性却越来越有保障。越来越多的PLC控制系统已经在使用64MB、128MB甚至更大容量的闪速（Flash）存储设备。

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。

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在PLC发展初期，很多PLC厂家都研制了各种类型的编程器，但随着PLC与PC的融合程序越来越高，专用编程器已经逐渐退出历史舞台，转而代之的是各种通用PC，通过预装PLC编程软件来作为编程器来使用。6.外部设备

一般PLC可配有打印机、EPROM写入器、带有高分辨率屏幕的彩色图形监控系统等外部设备。7.电源

通常情况下，根据PLC的设计特点，PLC对电源并无特别要求，可使用一般工业电源。但是在大中型PLC中，如果电源模块占据PLC机架槽位的，必须购买PLC专用电源。1.1.3 PLC的软件组成1.PLC软件的逻辑部件

由图1-2可见，PLC实质上是一种工业控制用的专用计算机。PLC系统也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。其软件主要有以下几个逻辑部件：

（1）继电器逻辑

为适应电气控制的需要，PLC为用户提供继电器逻辑，用逻辑与或非等逻辑运算来处理各种继电器的连接。PLC内部有储单元有“1”和“0”两种状态，对应于“0N”和“0FF”两种状态。因此，PLC中所说的继电器是一种逻辑概念的，而不是真正的继电器，有时称为“软继电器”。这些“软继电器”与通常的继电器相比有以下特点：

1）体积小、功耗低；

2）无触点、速度快、寿命长；

3）有无数个触点，使用中不必考虑接点的容量。

PLC一般为用户提供以下几种继电器：

1）输入继电器：把现场信号输入PLC，同时提供无限多个常开、常闭触点供用户编程使用。在程序中只有触点没有线圈，信号由外部信号驱动。编号可采用八进制、十进制或十六进制。

2）输出继电器：具备一对物理接点，可以串接在负载回路中，对应物理元件有继电器、晶闸管和晶体管。外部信号不能直接驱动，只能在程序中用指令驱动。编号与输入继电器相同。

3）内部继电器：与外界没有直接联系，仅作运算的中间结果使用。有时也称为辅助继电器或中间继电器。和输出继电器一样，只能由程序驱动。每个辅助继电器有无限多对常开、常闭触点，供编程使用。

（2）定时器逻辑

PLC一般采用硬件定时中断或软件计时的方法来实现定时逻辑功能。

（3）计数器逻辑

PLC为用户提供了若干计数器，它们是由软件来实现的，可采用递减、递增或双向计数。2.PLC的工作原理

众所周知，继电器控制系统是根据各种输入条件去执行逻辑控制电路，这些逻辑控制电路是根据控制对象的需要以某种固定的电路连接好的，所以不能灵活变更。

和继电器控制系统类似，PLC也是由输入部分、逻辑部分和输出部分组成。

各部分的主要作用如下：

输入部分：收集并保存被控对象实际运行的数据的信息（被控对象上的各种开关量信息或操作命令等）。

逻辑部分：处理来自输入部分的信息，并按照被控对象的实际动作要求做出正确的反应。

输出部分：提供正在被控制的装置中，哪几个设备需要实施操作处理的信息。

用户程序通过编程器或其他输入设备输入并存放在PLC的用户存储器中。当PLC开始运行时，CPU根据系统监控程序的规定顺序，通过扫描，完成各输入点的状态采集或输入数据采集、用户程序的执行、各输出点状态更新、编程器键入响应和显示更新及CPU自检等功能。

PLC扫描既可按固定的程序进行，也可按用户程序规定的可变顺序进行。

PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，减少了外界的干扰。

由以上分析，可以把PLC的工作过程主要分为5个阶段，即初始化处理、输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段和END处理，

（1）初始化处理

上电运行或复位时处理一次，并完成如下任务。

1）复位输入输出模块；

2）进行自诊断；

3）清除数据区；

4）输入输出模块的地址分配以及种类登记

（2）输入采样阶段

PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入存入内存中各对应的输入映像寄存器。此时，输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执阶段，在程序执行阶段或输出阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论信号如何变化，其内容保持不变直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容

（3）程序执行阶段

根据PLC的程序扫描原则，PLC先左后右，先上后下的步序语句逐句扫描。当指令涉及输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器中“读入”对应输入映像寄存器的当前状态，然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中，对元件映像寄存器来说，每一个元件会随着程序执行过程而变化。

（4）输出刷新阶段

在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段转存到输出锁存寄存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。采用集中采样，集中输出工作方式的特点是：在采样周期中，将所有输入信号（不管该信号当时是否采用），一起读入，此后在整个程序处理过程中PLC系统与外界隔绝，直到输出控制信号到下一个工作周期再与外界交涉，从根本上提高了系统的抗干扰，提高了工作的可靠性。