西门子KP300

PLC由中央处理单元（Central Process Unit，CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信单元、电源以及扩展单元有机组合而成。根据结构形式的不同，PLC可以分为整体式和模块式两类。

整体式PLC又称为单元式或箱体式，体积小、价格低且结构紧凑。一般小型PLC采用整体式，如西门子的S7-200系列PLC。整体式PLC将CPU模块、I/O模块和电源模块装在一个箱体内构成主机。还提供许多I/O扩展模块供用户需要时选用，另外还配备多种专用的特殊功能模块，使PLC的功能得到扩展。

模块式PLC又称为组合式PLC，由机架和模块组成，配置灵活。中、大型PLC常采用模块式，如西门子的S7-300和S7-400系列PLC。模块式PLC将组成PLC的多个单元分别做成相应的模块，各模块可以灵活安插在机架上，通过总线相互联系，进行广泛地组合和扩展。1.CPU模块

CPU（Central Process Unit）模块是PLC的核心部分，主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。CPU模块在PLC系统中的作用类似于人的大脑，其主要任务是：接收输入的用户程序和数据，送入存储器存储；采集现场的输入信号，存入相应的数据区；监控和诊断电源、电路的工作状态和用户程序中的语法错误，执行用户程序，从存储器逐条读取用户指令并完成其功能；根据数据处理的结果刷新系统的输出。PLC采用的CPU芯片随机型不同而异，芯片的性能决定了PLC处理信号的能力和速度。

西门子KP300

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存储器主要用来存储程序和数据，分为系统程序存储器、用户程序存储器和系统RAM存储区。系统程序存储器用来存放系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序模块与系统调用程序，是由生产厂家编写并固化在ROM内的，用户不能直接更改；用户程序存储器用来存放用户根据控制任务编写的控制程序，可以是RAM、EPROM或E2PROM存储器，其内容可以由用户任意修改或删减；系统RAM存储区包括I/O映像区和系统软设备存储区，如逻辑线圈、定时器、计数器、数据寄存器和累加器等。2.电源模块

电源模块将输入的交流电转换为CPU、存储器和I/O模块等需要的DC 5 V工作电源，是整个PLC的能源供给中心，直接影响到PLC的功能和可靠性。电源模块还向外部提供DC 24 V稳压电源，向传感器和其他模块供电。3.信号模块

信号模块是PLC与工业现场连接的接口，包括输入（Input）模块和输出（Output）模块，简称为I/O模块。其中开关量输入、输出模块分别称为DI模块和DO模块，模拟量输入、输出模块分别称为AI模块和AO模块。输入模块用来接收和采集现场的输入信号，输出模块用来控制输出负载，同时它们还有电平转换和隔离作用，使不同的过程信号电平与PLC内部的信号电平相匹配。

开关量输入模块用来接收从按钮、数字开关、限位开关以及各种继电器等传送来的开关量输入信号，模拟量输入模块用来接收从电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的电压或电流模拟量信号。

PLC是一种工业计算机，不同厂家不同型号的PLC都有自己的编程语言。目前，PLC常用的编程语言有以下几种：1.梯形图

梯形图编程语言简称梯形图，与继电器控制电路图很相似，是用程序来代替继电器硬件的逻辑连接，很容易被电气人员掌握，特别适合数字量逻辑控制系统。

梯形图由触点、线圈或指令框组成。触点代表逻辑输入条件，如外部的开关、按钮、传感器和内部条件等输入信号；线圈代表逻辑运算的结果，常用来控制外部的输出信号（如指示灯、交流接触器和电磁阀等）和内部的标志位等；指令框用来表示定时器、计数器和数学运算等功能指令。

梯形图左、右的竖直线称为左、右母线。梯形图从左母线开始，经过触点和线圈，终止于右母线。可以把左母线看作是提供能量的母线。实际上，梯形图是CPU效仿继电器控制电路图，使来自“电源”的“电流”通过一系列的逻辑控制元件，根据运算结果执行逻辑输出的模拟过程。

梯形图中，每个输出元素可以构成一个梯级，每个梯级由一个或多个支路组成，但右边的元件只能是输出元件，且只能有一个。每个梯形图由一个或多个梯级组成。

梯形图编程语言形象、直观、实用，逻辑关系明确，是使用多的PLC编程语言。

虽然PLC的梯形图与继电器控制电路图很相似，但是两种控制系统却有本质的区别，主要表现在以下几点。

1）组成器件不同。继电器控制系统是由许多硬件继电器组成的，而梯形图是由许多所谓的“软继电器”组成的。这些“软继电器”实质上是存储器的触发器，“软继电器”的“通”或“断”状态也就是触发器置“0”或置“1”的状态，因此不存在电弧、磨损和接触不良等故障。

2）触点数量不同。硬继电器的触点数量是有限的，而梯形图中“软继电器”触点的通断是由对应的触发器的状态决定的，所以每只“软继电器”的触点数是无限制的。

3）控制方法不同。在继电器控制系统中，实现各种逻辑控制关系和联锁关系是通过硬接线来解决的；而PLC是通过梯形图即软件编程解决的。

4）工作方式不同。继电器控制系统采用硬逻辑并行运行的方式，如果某个继电器的线圈通电或断电，无论该继电器的触点在控制系统的哪个位置，也无论是常开触点还是常闭触点，该继电器的所有触点都会立即同时动作。而PLC的CPU采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，如果一个输出线圈和逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作，所以是串行方式。2.语句表

语句表编程语言是用一系列操作指令（即指令助记符）组成的语句表将控制流程描述出来。不同PLC厂家语句表所使用的指令助记符并不相同。

语句表是由若干条指令组成的程序，指令是程序的小独立单元。每个操作功能由一条或几条指令来执行。PLC的指令表达形式与计算机的指令表达形式很相似，也是由操作码和操作数两部分组成的。操作码用指令助记符表示，用来说明要执行的功能，告诉CPU应该进行什么操作，如与、或、非等逻辑运算，加、减、乘、除等算术运算，计时、计数、移位等控制功能。操作数一般由标识符和参数组成，标识符表示操作数的类别，如表明输入继电器、输出继电器、定时器、计数器以及数据寄存器等；参数表明操作数的地址或一个预先设定值。3.逻辑功能块图

逻辑功能块图主要采用类似于数字逻辑门电路中“与”“或”“非”等图形符号的编程语言，这种编程语言逻辑功能直观，逻辑关系一目了然。

1.1.5 PLC的应用和发展1.PLC的应用

近年来，随着PLC的成本下降和功能大大增强，能解决复杂的计算和通信问题，因而应用面也日益增大。目前，PLC已广泛应用于钢铁、采矿、石油、化工、电力、机械制造、汽车、造纸、环保以及娱乐等行业。PLC的应用领域包括以下几个方面。

（1）逻辑控制

逻辑控制是目前PLC应用广泛的领域，它取代了传统的继电器顺序控制，应用于单机控制、多机控控制和生产自动线控制。

（2）运动控制

PLC把描述目标位置的数据送给拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块，模块移动一轴或多轴到目标位置。当每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。

（3）过程控制

PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量。采用PID（Proportional-Integral-Derivative）模块使PLC实现闭环控制的功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。

（4）数据处理

在机械加工中，出现了将支持顺序控制的PLC与计算机数字控制（CNC）设备紧密结合的趋向。

（5）工业网络通信

为了适应工厂自动化（FA）系统发展的需要，不仅要发展PLC之间、PLC和上级计算机之间的通信功能，而且作为实时控制系统，PLC数据通信速率要高，要考虑出现停电、故障时的对策等。

SIMATIC S7-300系列PLC是针对中小型控制系统而设计的中型PLC，采用模块化、无风扇结构，一般适用于I/O点数为1000点左右的集中或分布式中小型控制系统。典4.SIMATIC新一代的PLC S7-1200

S7-1200 PLC是西门子开发的新产品，实现了模块化和紧凑型设计，可完成简单逻辑控制、逻辑控制、HMI（人机界面）和网络通信等任务。它可扩展性强、灵活度高，具有支持小型运动控制系统、过程控制系统的应用功能。S7-1200的性能介于S7-200和S7-300之间，其编程软件由博途（TIA PORTAL）完成。5.SIMATIC S7-400系列PLC

SIMATIC S7-400系列PLC是针对大中型控制系统而设计的大型PLC，采用模块化、无风扇结构，一般适用于I/O点数为10000点左右的自动化控制系统。SIMATIC S7-400系列PLC还包括H（冗余）系统和F（故障安全）系统，如S7-400H PLC、S7-400F PLC等

SIMATIC S7-300/400系列PLC的编程软件为STEP 7，中英文新版本为STEP 7 V5.6 SP1，多语言版为STEP 7 V5.6 SP1及SIMATIC STEP 7 Professional 2017 SR1。6.SIMATIC S7-1500

SIMATIC S7-1500 PLC是SIMATIC S7-300/400 PLC的升级版。S7-1500 PLC借助于西门子新一代框架结构的TIA（Totally Integrated Automation）博途平台，采用统一的工程组态和软件环境，通过添加不同领域的软件，进行自动化系统的组态、编程、调试，方便轻松、快速地进行互连互通，真正达到了控制系统的全集成自动化。

S7-200 SMART是微型的PLC，S7-300是中型PLC，S7-400是大型PLC，S7-1200是小型PLC，S7-1500是中型和大型的PLC，目前S7-1200和S7-1500具有广大的应用前景。

SIMATIC S7-300系列PLC采用配置灵活的模块化结构，SIMATIC S7-300系列PLC的逻辑结构。系统以中央处理单元（CPU）为核心，通过背板总线（BUS）与输入信号模块、输出信号模块、功能模块、通信处理器模块、接口模块及其他模块共同组成完整的PLC应用系统。

1.机架（Rack）

机架用于安装和连接PLC的所有模块，CPU所在机架为主机架，如果主机架不能容纳控制系统的全部模块，可以增设一个或者多个扩展机架。2.中央处理单元（CPU）

与一般计算机一样，中央处理单元（CPU）是PLC的核心，它按PLC系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊地进行工作，其主要任务有：为背板总线提供5 V电源；通过输入信号模块接收外部设备信息；存储、检查、校验和执行用户程序；通过输出信号模块送出控制信号；通过通信处理器或自身的通信接口与其他设备交换数据；进行故障诊断等。

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数字量输出模块有8点、16点、32点和64点几种，有继电器（适用于感性及交流负载）、晶体管（适用于直流负载）和晶闸管（适用于交流及直流负载）3种输出形式，可连接的外部负载电压等级有DC 24 V、AC 120 V、DC/AC 24/48 V、DC 48～125 V、AC 120/230 V、DC 120 V、AC 230 V等多种，可根据信号类型进行选择。S7-300系列PLC的数字量输出模块型号以“SM 322”开头。例如，SM 322 DO 8×Rel. AC 230 V是一块额定负载电压为交流230 V，具有8个输出点的继电器输出型数字量输出模块。