可編程邏輯控制器（基于S7-200系列）（趙全利）教案全套

學(xué)年第1學(xué)期可編程控制器原理及應(yīng)用課程僅供參考教案課程代碼：總學(xué)時／周學(xué)時：60/4開課時間：年8月第1周至第15周授課年級、專業(yè)、班級：級使用教材：《可編程邏輯控制器（基于S7-200系列）》西安電子科技大學(xué)出版社，2024.6.學(xué)院/教研室：授課教師：2、教案扉頁本課程教學(xué)目的和要求通過課堂學(xué)習(xí)和實(shí)踐訓(xùn)練，使學(xué)生掌握可編程邏輯控制器的結(jié)構(gòu)及工作原理，初步掌握可編程邏輯控制器的選型及接口的確定方法；能夠熟練應(yīng)用可編程邏輯控制器的邏輯指令系統(tǒng)、梯形圖指令系統(tǒng)，掌握程序設(shè)計(jì)方法和編程技巧；培養(yǎng)學(xué)生對控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析能力，動手能力和分析、解決問題的能力，為后續(xù)課程提供必要的基礎(chǔ)知識，也為以后的工作打下一個堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本課程教學(xué)方法教師主講（理論教學(xué)），同時充分體現(xiàn)學(xué)生的積極思維及學(xué)習(xí)的主導(dǎo)作用。（1）利用多媒體PPT與板書相結(jié)合的方式，通過講授、啟發(fā)、互動討論、分析、動畫演示等多種教學(xué)模式，增加學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性。翻轉(zhuǎn)課堂，超星學(xué)習(xí)通平臺每章有教學(xué)基本要求與重點(diǎn)、難點(diǎn)，有視頻、作業(yè)、項(xiàng)目分享、參考資料以及自測練習(xí)題等豐富的教學(xué)資源供學(xué)生課后自學(xué)。學(xué)生通過超星學(xué)習(xí)通在課下自主安排時間觀看教學(xué)視頻，查閱相關(guān)學(xué)習(xí)資料，課上時間用于交流討論，提高課堂教學(xué)效率。課堂討論：按學(xué)習(xí)內(nèi)容，以學(xué)習(xí)小組為單位進(jìn)行4次（平時2次，期中、期末各1次）課程討論。學(xué)生獨(dú)立完成作業(yè)，以小組為單位討論課后練習(xí)（配合習(xí)題課）。（1）課后作業(yè)：學(xué)生每節(jié)課都有相應(yīng)的隨堂練習(xí)，每章學(xué)完有章節(jié)測驗(yàn)。要求同學(xué)獨(dú)立地完成課后作業(yè)，鼓勵各種方法的探討；教師對于作業(yè)中反映的共性問題，在課堂中再予以重點(diǎn)講解；個性問題則單獨(dú)溝通。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，部分作業(yè)實(shí)行學(xué)生互評。（2）思維導(dǎo)圖：學(xué)完每章之后提交一個知識總結(jié)的思維導(dǎo)圖，對該章內(nèi)容進(jìn)行整理，包括概念、原理及其內(nèi)在聯(lián)系。課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐課題設(shè)計(jì)，展寬PLC應(yīng)用領(lǐng)域?qū)W生創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力培養(yǎng)方法通過項(xiàng)目教學(xué)法+實(shí)驗(yàn)+項(xiàng)目制作，讓學(xué)生掌握程序設(shè)計(jì)方法和編程技巧；培養(yǎng)學(xué)生對控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析能力，動手能力和分析、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力。教材選用原則和特點(diǎn)教材為高等學(xué)校機(jī)電工程類系列教材?？己朔绞娇疾榻虒W(xué)參考資料教材：趙全利.《可編程邏輯控制器（基于S7-200系列）》，西安電子科技大學(xué)出版社，2024.6.參考書籍：[1]《可編程控制器教程》（第二版），作者：胡學(xué)林，電子工業(yè)出版社，2014.[2]王永華.《現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)》（第4版），北京航空航天大學(xué)出版社，2016.[3]廖常初.《S7-200PLC編程及應(yīng)用》（第3版），機(jī)械工業(yè)出版社，2019.[4]李長久.《PLC原理與應(yīng)用》（第2版），機(jī)械工業(yè)出版社，2016.[5]趙全利.《S7-200PLC基礎(chǔ)及應(yīng)用》，機(jī)械工業(yè)出版社，2010.課程網(wǎng)站：學(xué)習(xí)網(wǎng)站：[1]我要自學(xué)網(wǎng)/list.aspx?cid=475[2]PLC之家/[3]中國工控網(wǎng)/cp_vlist.asp?id=162[4]S7-200跟我學(xué)/service/elearning/series/1.html對教案的分析總結(jié)教研室主任審批意見3、按教學(xué)單元編寫教案的格式周次第1周授課時間章節(jié)名稱第1章PLC基礎(chǔ)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1-1繼電接觸控制電路1-2PLC概述1-3PLC系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)1-4從一個簡單示例看PLC應(yīng)用開發(fā)過程電工電器認(rèn)知實(shí)驗(yàn)授課方式理論課（√）、實(shí)驗(yàn)課（√）上機(jī)（）、其他方式（）教學(xué)時數(shù)4學(xué)時教學(xué)目的和要求1.知識與技能：了解本課程的基本情況、本課程在課程體系中的作用、課程的考核；掌握PLC的定義，結(jié)構(gòu)；了解PLC的應(yīng)用和發(fā)展、常用PLC的廠家和產(chǎn)品型號。2.過程與方法：線下教室上課+學(xué)習(xí)通討論的教學(xué)方法。以學(xué)生為主體，組織課堂活動，增加學(xué)生課堂參與度與學(xué)習(xí)的主動性；通過討論分析，從理論聯(lián)系實(shí)際的角度來解決一些實(shí)際問題。3.情感目標(biāo)：學(xué)生通過課程的學(xué)習(xí)了解本課程的作用、地位，一些PLC在工程中的應(yīng)用。提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)、提出問題、分析和解決問題的能力,培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新意識。教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：本課程解決的問題，本課程在課程體系中的作用，PLC的定義，結(jié)構(gòu)；2、難點(diǎn)：PLC的應(yīng)用、如何學(xué)號本課程。3、學(xué)生應(yīng)注意的問題：PLC的定義中PLC、PC的區(qū)別。教學(xué)方法選擇以下方面：教師講授（√），課堂討論（√），多媒體教學(xué)（√），提問式教學(xué)（√）討論練習(xí)作業(yè)1、每位同學(xué)畫一個思維導(dǎo)圖進(jìn)行自我介紹、并作出本學(xué)期的學(xué)習(xí)計(jì)劃（不會做思維導(dǎo)圖的同學(xué)請學(xué)習(xí)2.2.4擴(kuò)展閱讀里的鏈接視頻）。2、對本課程的上課安排給出自己的建議。3、完成學(xué)習(xí)通里的主題討論。教研室主任審批意見教學(xué)內(nèi)容要點(diǎn)(可附另頁)可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController）簡稱PLC。PLC以微處理器為核心，以存儲程序控制的方式執(zhí)行邏輯運(yùn)算、定時、計(jì)數(shù)、模擬信號處理及PID運(yùn)算等功能，是一種新型工業(yè)自動化控制裝置。本章在繼電接觸控制電路的基礎(chǔ)上，闡述了PLC產(chǎn)生、發(fā)展及應(yīng)用特點(diǎn)，介紹了PLC的工作過程、硬件結(jié)構(gòu)及軟件組成，并通過一個簡單的PLC應(yīng)用示例，使讀者初步了解PLC應(yīng)用的開發(fā)過程。繼電接觸控制電路可編程控制器已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各種控制領(lǐng)域中，但是控制對象信號的采集及控制系統(tǒng)的驅(qū)動輸出仍然需要由電氣元器件電路完成，傳統(tǒng)的繼電接觸控制仍然是掌握現(xiàn)代電氣控制技術(shù)的基礎(chǔ)。1.1.1繼電接觸式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所謂繼電接觸式控制，主要是通過各種電氣開關(guān)、按鈕、繼電器、接觸器等來組成控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)及其他電氣設(shè)備的控制功能，以滿足控制系統(tǒng)的需求。在PLC出現(xiàn)之前，繼電接觸式控制是工業(yè)電氣控制的主要形式。盡管現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)電氣控制領(lǐng)域中，但其信息采集輸入及輸出到主電路控制部分仍然需要電氣元器件來完成。對于一些要求不高的小規(guī)模的控制，由于繼電接觸式控制簡單、方便、價廉而仍然在使用。因此，繼電接觸式控制仍然是現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。一個繼電接觸式控制系統(tǒng)，由主電路（被控對象）和控制電路組成，控制電路主要由輸入部分、輸出部分和控制部分組成，如圖1-1所示。被控對象被控對象輸入部分（按鈕、位置開關(guān)、傳感器等）控制部分輸出部分（接觸器、電磁閥、指示燈等）（由繼電器、觸點(diǎn)和硬接線組成）圖1-1繼電接觸式控制系統(tǒng)的組成在圖1-1中，輸入部分是由各種輸入設(shè)備，如按鈕、位置開關(guān)及傳感器等組成；控制部分是按照控制要求，由若干繼電器及觸點(diǎn)組成；輸出部分是由各種輸出設(shè)備，如接觸器、電磁閥、指示燈等執(zhí)行部件組成。繼電接觸式控制系統(tǒng)根據(jù)操作指令及被控對象發(fā)出的信號，由控制電路按規(guī)定的動作要求決定執(zhí)行什么動作或動作順序，然后驅(qū)動輸出設(shè)備實(shí)現(xiàn)各種操作功能。繼電接觸式控制系統(tǒng)缺點(diǎn)是：接線復(fù)雜、靈活性差、工作頻率低、可靠性差、觸點(diǎn)易損壞。1.1.2繼電接觸控制基本控制電路下面僅介紹繼電接觸控制常用的電動機(jī)自鎖單向起動控制和電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制電路。1.三相異步電動機(jī)自鎖單向起動控制電路異步電動機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的動力機(jī)械，其結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、可靠性高、易于維護(hù)、不受使用場所限制，廣泛應(yīng)用于廠礦企業(yè)、科研生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、娛樂生活等各個領(lǐng)域。根據(jù)生產(chǎn)過程和工藝需求，本節(jié)所介紹的項(xiàng)目實(shí)例功能要求如下。1）對三相電動機(jī)進(jìn)行起動、停止、自鎖保護(hù)控制。2）電動機(jī)實(shí)施過載保護(hù)、失電保護(hù)及短路保護(hù)等方面的控制。實(shí)現(xiàn)以上功能的三相異步電動機(jī)自鎖單向起動控制系統(tǒng)電路如圖1-2所示，這也是電氣控制系統(tǒng)中最典型電路之一。FU2MFU2M3～FRKMSB2SB1KMKMFRL1L2L3QF1QF2a）b）圖1-2電動機(jī)自鎖起動控制電路a）原理圖b）電路實(shí)物接線圖1）電動機(jī)自鎖起動控制電路構(gòu)成電動機(jī)自鎖起動控制系統(tǒng)由主電路和繼電控制電路組成。（1）主電路。主電路由三相電源、電動機(jī)M、熱繼電器FR、接觸器（控制電路的輸出部分）KM的主常開觸點(diǎn)、三極低壓斷路器QF1及熔斷器FU1構(gòu)成。（2）繼電控制電路的輸入控制部分由漏電保護(hù)斷路器QF2、熔斷器FU2、常開按鈕SB1（起動控制）、常閉按鈕SB2（停止控制）及熱繼電器常閉觸點(diǎn)FR（串聯(lián)電路）保護(hù)組成；輸出控制部分由接觸器KM輔助常開觸點(diǎn)及它的線圈組成（注意：本例控制電路工作電壓為兩相電壓AC380V），接觸器KM的主常開觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對主電路的控制。2）電動機(jī)自鎖起動控制電路工作原理電動機(jī)自鎖起動控制電路工作原理如下。（1）控制線路起動時，合上QF1，主電路引入三相電源L1-L2-L3。（2）合上QF2，控制電路引入L1-L3相電源，當(dāng)按下起動按鈕SB1，接觸器KM線圈通電，其常開主觸點(diǎn)閉合，電動機(jī)接通電源開始全起動，同時接觸器KM的輔助常開觸點(diǎn)閉合，這樣當(dāng)松開起動按鈕SB1后，接觸器KM線圈仍能通過其輔助觸點(diǎn)通電并保持吸合狀態(tài)。這種依靠接觸器本身輔助觸點(diǎn)使其線圈保持通電的現(xiàn)象稱為自鎖，起自鎖作用的觸點(diǎn)稱為自鎖觸點(diǎn)。（3）按下停止按鈕SB2，接觸器KM線圈失電，則其主觸點(diǎn)斷開，切斷電動機(jī)三相電源，電動機(jī)M自動停止，同時接觸器KM自鎖觸點(diǎn)也斷開，控制回路解除自鎖，KM斷電。松開停止按鈕SB2，控制電路又回到起動前的狀態(tài)。3）電動機(jī)自鎖起動控制電路保護(hù)環(huán)節(jié)由于在生產(chǎn)運(yùn)行中會有很多無法預(yù)測的情況出現(xiàn)，因此為了工業(yè)生產(chǎn)能夠安全、順利的進(jìn)行，減少生產(chǎn)事故造成的損失，有必要在電路中設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)環(huán)節(jié)。電動機(jī)自鎖起動控制線路的保護(hù)環(huán)節(jié)及功能如下。（1）短路保護(hù)。低壓斷路器QF1（或熔斷器FU1）和QF2（或熔斷器FU2）分別對主電路和控制電路實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，當(dāng)電路發(fā)生短路故障時，低壓斷路器立即切斷電路，停止對電路的供電。（2）過載保護(hù)。熱繼電器FR對電動機(jī)實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，當(dāng)通過電動機(jī)電流超過一定范圍且一定時間后，F(xiàn)R觸點(diǎn)動作，切斷電動機(jī)供電回路。（3）漏電保護(hù)。在控制電路發(fā)生漏電故障時，如果漏電保護(hù)斷路器QF2工作十分可靠，控制電路通過漏電保護(hù)斷路器切斷電路，實(shí)施保護(hù)。（4）欠壓、失壓保護(hù)。交流接觸器KM還具有欠壓、失壓保護(hù)功能，即當(dāng)電源電壓過低或電源斷電時，KM自動復(fù)位，電動機(jī)停止工作。在KM復(fù)位后，即便電源電壓恢復(fù)正常狀態(tài)，電路也不能自恢復(fù)起動，必須重新按下起動按鈕電動機(jī)才能重新起動。2.電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制電路1）電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制電路組成圖1-3所示電路為電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制的典型電路之一。圖1-3電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行控制電路2）電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行控制電路工作原理電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行控制電路工作原理如下。按下電動機(jī)正轉(zhuǎn)起動按鈕SB2，接觸器KM1線圈通電，其常開主觸點(diǎn)閉合，電動機(jī)接通電源開始全起動，同時接觸器KM的輔助常開觸點(diǎn)閉合自鎖；按下停止按鈕SB1，KM1斷電，電動機(jī)停止工作；按下反轉(zhuǎn)起動按鈕SB3，接觸器KM2通電自鎖，電動機(jī)反轉(zhuǎn)起動。3）電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行控制電路保護(hù)環(huán)節(jié)正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行控制電路除了具有短路保護(hù)、電動機(jī)過載保護(hù)、欠壓及失壓保護(hù)外，為了防止由于誤操作而引起相間短路，在控制線路中加入接觸器觸點(diǎn)KM1、KM2互鎖及按鈕SB2、SB3互鎖保護(hù)環(huán)節(jié)。1.1.3繼電控制電路電氣元件選擇原則電路原理圖設(shè)計(jì)完成后，依照設(shè)計(jì)電路選擇所需電器元件，一般情況下的選擇原則如下。（1）自動開關(guān)的選擇（2）熔斷器的選擇。（3）接觸器的選擇。（4）時間繼電器的選擇。（5）熱繼電器的選擇。1.2PLC概述通俗地說，PLC就是專用的、便于擴(kuò)充的計(jì)算機(jī)控制裝置。1987年國際電工委員會(InternationalElectricalCommittee，IEC）頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對PLC做了如下定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的生產(chǎn)機(jī)械和生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)連成一個整體、易于擴(kuò)充其功能的原理設(shè)計(jì)。”1.2.1PLC的產(chǎn)生、發(fā)展、特點(diǎn)及分類1.PLC的產(chǎn)生和發(fā)展PLC問世以前，人們主要利用繼電接觸式控制系統(tǒng)控制工業(yè)生產(chǎn)過程。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的快速發(fā)展，以16位和32位微處理器構(gòu)成的微機(jī)化PLC得到了迅猛發(fā)展，使PLC在各個方面都有了新的突破，不僅功能增強(qiáng)，體積、功耗減小，成本下降，可靠性提高，而且在遠(yuǎn)程控制，網(wǎng)絡(luò)通信，數(shù)據(jù)圖像處理等方面也得到了長足的發(fā)展。目前，世界各國的一些著名的電氣工廠幾乎都在生產(chǎn)PLC裝置。PLC已作為一個獨(dú)立的工業(yè)設(shè)備被列入生產(chǎn)中，成為當(dāng)代電控及自動化裝置的主導(dǎo)。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來，隨著改革開放和建設(shè)社會主義現(xiàn)代化強(qiáng)國的強(qiáng)盡需求，PLC的應(yīng)用在我國得到長足的發(fā)展。在改造傳統(tǒng)設(shè)備、設(shè)計(jì)新的控制設(shè)備產(chǎn)品及生產(chǎn)過程工控系統(tǒng)中，PLC的應(yīng)用逐年增多，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。目前，PLC已發(fā)展到現(xiàn)在的以16位和32位微處理器構(gòu)成的微機(jī)化PC，而且實(shí)現(xiàn)了多處理器的多通道處理。PLC技術(shù)已非常成熟，不僅控制功能增強(qiáng)，功耗和體積減小，成本下降，可靠性提高，編程和故障檢測更為靈活方便，而且隨著遠(yuǎn)程I/O、通信網(wǎng)絡(luò)及圖象顯示的多技術(shù)融合，PLC在連續(xù)生產(chǎn)過程控制領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛，PLC已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的主要控制裝置。PLC的應(yīng)用特點(diǎn)PLC作為一種新型、專用的工業(yè)控制裝置，其自身有著其他控制設(shè)備不可替代的特點(diǎn)。1）編程方法簡單、易學(xué)2）功能強(qiáng)、性能價比高3）硬件配套齊全、線路連接方便、適應(yīng)性強(qiáng)4）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)是PLC最突出的特點(diǎn)之一。（1）PLC的I/O通道均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內(nèi)部電路之間在電氣上隔離，有效地抑制了外部干擾源對PLC的影響。（2）對供電電源及線路采用多種形式的濾波，以消除或抑制高頻干擾；對CPU等重要部件采用優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)磁材料進(jìn)行屏蔽，以減少空間電磁干擾。（3）PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。（4）PLC采用掃描工作方式，減少了由于外界環(huán)境干擾引起的故障。另外，在結(jié)構(gòu)上對耐熱、防潮、防塵、抗震等也都有精確的考慮。因此，PLC與其一般控制系統(tǒng)比較，具有更高的可靠性和很強(qiáng)的抗干擾能力，可以直接用于具有強(qiáng)烈干擾的工業(yè)現(xiàn)場，并能持續(xù)正常工作。PLC平均無故障時間可達(dá)數(shù)萬小時，使用壽命可達(dá)10年以上。5）通信方便、便于實(shí)現(xiàn)組態(tài)監(jiān)控6）體積小、功耗低7）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量小8）維護(hù)方便工作量小PLC的分類PLC的形式有多種，功能也不盡相同，對PLC進(jìn)行分類時，一般按照以下原則分類：1）按硬件結(jié)構(gòu)形式分類根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)形式的不同，可大致將PLC分為整體式和模塊式。（1）整體式PLC小型PLC一般采用整體式結(jié)構(gòu)，如西門子S7-200系列、S7-200系列PLC的替代產(chǎn)品S7-200SMART及S7-1200PLC等。（2）模塊式PLC模塊式PLC由機(jī)架和具有各種不同功能的模塊組成。各模塊可直接掛接在機(jī)架上，模塊之間則通過背板總線連接起來。大、中型PLC多采用這種結(jié)構(gòu)形式，如西門子S7-300系列、S7-400系列。2）按功能和I/O點(diǎn)數(shù)分類根據(jù)PLC的功能強(qiáng)弱不同，可將PLC分為小型、中型機(jī)和大型機(jī)三類。目前，國外的S7-200PLC生產(chǎn)線已經(jīng)停產(chǎn)，但在我國及一些發(fā)展中國家，中小型控制系統(tǒng)應(yīng)用特別廣泛，S7-200CN系列PLC由于價格便宜、設(shè)計(jì)簡單及操作方便，仍然占有很大的市場保有量。1.2.2PLC的應(yīng)用領(lǐng)域PLC不僅能替代繼電系統(tǒng)控制，還能用來解決模擬量閉環(huán)控制及較復(fù)雜的計(jì)算和通信問題。PLC在工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用比例越來越大，當(dāng)前已處于自動化控制設(shè)備的領(lǐng)先地位。1.開關(guān)量的邏輯控制2.運(yùn)動控制3.閉環(huán)過程控制4.數(shù)據(jù)處理5.聯(lián)機(jī)通訊6.現(xiàn)場總線型PLC1.2.3從繼電接觸控制到PLC控制前已述及，繼電接觸式控制系統(tǒng)，主要由輸入部分（開關(guān)等）、輸出部分（接觸器等）和控制部分（繼電器及觸點(diǎn)）組成。對于各種不同要求的控制功能，必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制電路。PLC控制系統(tǒng)主要組成也由輸入、輸出和控制三部分組成，如圖1-4所示。被控對象被控對象輸入部分控制部分(PLC)（由用戶程序?qū)崿F(xiàn)控制功能，也稱由"軟件繼電器"、"軟觸點(diǎn)"和"軟接線"組成）輸出部分（接觸器、電磁閥、指示燈等）（按鈕、位置開關(guān)、傳感器等）圖1-4PLC控制系統(tǒng)的組成從圖1-4中可以看出，PLC控制系統(tǒng)的輸入、輸出部分和繼電器控制系統(tǒng)的輸入、輸出部分基本相同，但其控制部分則采用了“可編程”的PLC，而不是實(shí)際的繼電器線路。因此，在硬件電路基本不變的情況下，PLC控制系統(tǒng)可以方便地通過改變用戶程序，以實(shí)現(xiàn)各種控制功能，從根本上解決了繼電器控制系統(tǒng)控制電路難以改變的問題。同時，PLC控制系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，還具有數(shù)值運(yùn)算及過程控制等復(fù)雜的控制功能。PLC控制與繼電器控制的主要區(qū)別如下。1.組成器件不同繼電器控制系統(tǒng)由許多真正的硬件繼電器組成，而PLC控制系統(tǒng)由許多所謂的“軟繼電器（簡稱元件）”組成。這些“軟繼電器”實(shí)質(zhì)上是存儲器中的每一位觸發(fā)器，可以置“0”或置“1”。2.觸點(diǎn)數(shù)量不同硬件繼電器的觸點(diǎn)數(shù)量有限，用于控制的繼電器的觸點(diǎn)一般只有4~8對，而PLC中每只“軟繼電器”供編程使用的觸點(diǎn)數(shù)有無數(shù)多對。3.實(shí)施控制的方法不同在繼電器控制線路中，通過各種繼電器之間的硬接線來實(shí)現(xiàn)某種控制，由于其控制功能已經(jīng)包含在固定線路之間，因此它的功能專一、靈活性差；而PLC控制在輸入輸出硬件裝置基本不變的情況下，可以通過用戶編寫梯形圖程序（軟件功能）實(shí)現(xiàn)多種控制功能，使用方便、靈活多變。繼電器控制線路中，設(shè)置了許多制約關(guān)系的互鎖電路，以達(dá)到提高安全性和節(jié)約繼電器觸點(diǎn)的要求；而在梯形圖中，因?yàn)椴捎昧藪呙韫ぷ鞣绞?，不存在幾個支路并列工作的因素，此外，軟件編程也可將互鎖條件編制進(jìn)去，大大簡化了控制電路設(shè)計(jì)工藝。4.工作方式不同繼電器控制系統(tǒng)采用硬邏輯的并行工作方式，繼電器線圈通電或斷電，都會使該繼電器的所有常開和常閉觸點(diǎn)立刻動作；而PLC采用循環(huán)掃描工作方式（串行工作方式），如果某個軟繼電器的線圈被接通或斷開，其觸點(diǎn)只有等到掃描到該觸點(diǎn)時才會動作。1.2.4PLC掃描工作方式PLC是通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來完成控制任務(wù)的，需要執(zhí)行多種操作。但CPU不可能同時去執(zhí)行多個操作，它只能按分時操作（串行工作）方式，每一次執(zhí)行一個操作，按順序逐個執(zhí)行，這種串行工作過程稱為PLC的掃描工作方式。由于CPU的運(yùn)算處理速度很快，所以從宏觀上來看，PLC的輸出結(jié)果似乎是同時完成的。用掃描工作方式執(zhí)行用戶程序時，掃描是從程序第一條指令開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按程序存儲順序的先后，逐條執(zhí)行用戶程序，直到程序結(jié)束，然后再從頭開始掃描執(zhí)行，周而復(fù)始重復(fù)運(yùn)行。1.內(nèi)部處理階段在內(nèi)部處理階段，進(jìn)行PLC自檢，對監(jiān)視定時器（WDT）復(fù)位以及完成其它一些內(nèi)部處理工作。2.通信服務(wù)階段在通信服務(wù)階段，PLC與其它智能裝置實(shí)現(xiàn)通信，響應(yīng)編程器鍵入的命令，以及更新編程器的顯示內(nèi)容等。當(dāng)PLC處于停止（STOP）狀態(tài)時，只完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)工作；當(dāng)PLC處于運(yùn)行（RUN）狀態(tài)時，除完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)工作外，還要完成輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新工作。上電開始上電開始CPU運(yùn)行方式內(nèi)部處理通信服務(wù)輸入采樣程序執(zhí)行輸出處理RUN方式STOP方式圖1-5掃描過程示意圖3.輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描工作方式按順序?qū)λ休斎攵说妮斎霠顟B(tài)進(jìn)行采樣，并存入刷新輸入映像寄存器中，接著進(jìn)入程序處理階段。既使輸入狀態(tài)發(fā)生變化，輸入映像寄存器的內(nèi)容也不會改變，輸入映像寄存器只有在下一個掃描周期的輸入狀態(tài)采樣后才能被刷新。4.程序執(zhí)行階段在程序執(zhí)行階段，PLC對程序按順序進(jìn)行掃描執(zhí)行。若程序用梯形圖來表示，則總是按先上后下，先左后右的順序進(jìn)行；當(dāng)遇到程序跳轉(zhuǎn)指令時，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來決定程序是否跳轉(zhuǎn)；當(dāng)指令中涉及到輸入、輸出狀態(tài)時，PLC從輸入映像寄存器和元件映像寄存器中讀出，根據(jù)用戶程序進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果再存入元件映像寄存器中。對于元件映像寄存器來說，其內(nèi)容會隨程序執(zhí)行的過程而變化。5.輸出處理階段當(dāng)所有程序執(zhí)行完畢后，進(jìn)入輸出處理階段。在這一階段里，PLC將輸出映像寄存器中與輸出有關(guān)的狀態(tài)（輸出繼電器狀態(tài)）轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，并通過一定方式輸出，驅(qū)動外部負(fù)載。1.3PLC系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)PLC是一種以微處理器（CPU）為核心，專門為工業(yè)環(huán)境下的電氣自動化控制而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)控制裝置。PLC比普通計(jì)算機(jī)有著更強(qiáng)的I/O接口能力，更適用于工業(yè)控制要求的編程語言和優(yōu)良的抗干擾能力。1.3.1PLC硬件結(jié)構(gòu)PLC的硬件主要由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入單元、輸出單元、通信接口、擴(kuò)展接口、電源等幾部分組成。其中，CPU是PLC的核心，輸入單元/輸出單元是CPU與現(xiàn)場輸入/輸出設(shè)備之間的接口電路，通信接口主要用于連接編程器、上位計(jì)算機(jī)等外部設(shè)備。對于整體式PLC，其組成框圖如圖1-6所示；而模塊式PLC，其組成框圖如圖1-7所示。無論是哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，都可根據(jù)用戶需要進(jìn)行配置與組合。圖1-6整體式PLC組成框圖主機(jī)CPU主機(jī)CPU通信模塊輸入模塊輸出模塊智能I/O模塊總線編程器或PC機(jī)上位機(jī)或者工業(yè)現(xiàn)場圖1-7模塊式PLC組成框圖盡管整體式PLC與模塊式的結(jié)構(gòu)不太一樣，但各部分的功能作用是相同的，下面對PLC主要組成部分進(jìn)行簡單介紹。1）CPUCPU是PLC的核心，PLC中所配置的CPU隨機(jī)型不同而不同。在實(shí)際應(yīng)用中，小型PLC大多采用通用微處理器或單片微處理器；中型PLC大多采用16位通用微處理器或單片微處理器；而大型PLC大多采用高速位片式微處理器。目前，小型PLC多為單CPU系統(tǒng)，而大、中型PLC則多為雙CPU系統(tǒng)。對于雙CPU系統(tǒng)，其中一個為字處理器，一般采用8位或16位處理器；另一個為位處理器，采用由各廠家設(shè)計(jì)制造的專用芯片。字處理器為主處理器，用于實(shí)現(xiàn)與編程器連接、監(jiān)視內(nèi)部定時器和掃描時間、處理字節(jié)指令以及對系統(tǒng)總線和位處理器進(jìn)行控制等。位處理器為從處理器，主要用于處理位操作指令和實(shí)現(xiàn)PLC編程語言向機(jī)器語言的轉(zhuǎn)換。位處理器的使用，提高了PLC的速度，使其能夠更好地滿足實(shí)時控制要求。在PLC中，CPU按系統(tǒng)程序賦予的功能，指揮PLC有條不紊地進(jìn)行工作，歸納起來主要有以下幾個方面。（1）接收從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。（2）診斷電源以及PLC內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語法錯誤等。（3）通過“輸入接口”接收現(xiàn)場的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映像寄存器或數(shù)據(jù)寄存器中。（4）從存儲器逐條讀取用戶程序，經(jīng)過解釋后執(zhí)行。（5）根據(jù)執(zhí)行的結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映像寄存器的內(nèi)容，通過輸出單元實(shí)現(xiàn)輸出控制。2）存儲器PLC中的存儲器主要用來存放系統(tǒng)程序、用戶程序以及工作數(shù)據(jù)。常用的存儲器主要有可讀/寫操作的隨機(jī)存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM、PROM、EPROM與EEPROM）兩類。系統(tǒng)程序是用于完成系統(tǒng)診斷、命令解釋、功能子程序調(diào)用、邏輯運(yùn)算、通信及各種參數(shù)設(shè)定等功能，以及提供PLC運(yùn)行所需要的工作環(huán)境，由PLC制造廠家編寫的，直接固化到只讀存儲器ROM、PROM或EPROM中，不允許用戶進(jìn)行訪問和修改。系統(tǒng)程序和PLC的硬件組成有關(guān)，直接影響到PLC的性能。工作數(shù)據(jù)是PLC運(yùn)行過程中經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)，一般將其存放在RAM中，以適應(yīng)隨機(jī)存取的要求。3）輸入/輸出單元輸入/輸出單元通常也稱I/O單元或I/O模塊，是PLC與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場之間連接的部件。PLC通過輸入單元可以檢測被控對象的各種數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)作為PLC對控制對象進(jìn)行控制的依據(jù)，同時PLC也可通過輸出單元將處理結(jié)果送給被控制對象，以實(shí)現(xiàn)控制的目的。4）通信接口為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，PLC配有各種通信接口。PLC通過這些通信接口可與監(jiān)視器、打印機(jī)、以及其它的PLC或計(jì)算機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信。5）智能接口模塊6）編程裝置7）電源1.3.232572輸入輸出單元接口I/O單元內(nèi)部的接口電路具有電平轉(zhuǎn)換的功能，由于外部輸入設(shè)備和輸出設(shè)備所需的信號電平多種多樣，而在PLC內(nèi)部，CPU處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，這種電平的差異要由I/O接口來完成轉(zhuǎn)換。I/O接口電路一般具有光電隔離和濾波功能，用來防止各種干擾信號和高電壓信號的進(jìn)入，以免影響設(shè)備的可靠性或造成設(shè)備的損壞。1）開關(guān)量輸入單元接口常用的開關(guān)量輸入單元按其使用的電源不同分直流輸入單元、交流輸入單元、交/直流輸入單元和傳感器輸入四種類型，其內(nèi)部接口電路原理及外部輸入開關(guān)信號接線如圖1-8所示。對于S7-200PLC，在接口應(yīng)用中應(yīng)該注意到下面幾個問題。（1）允許為某些數(shù)字量輸入點(diǎn)選擇一個定義時延（可從0.2毫秒至12.8毫秒之間選擇）的輸入濾波器，可以通過編程軟件STEP7-Micro/WIN下的系統(tǒng)塊設(shè)置。通過設(shè)置輸入延時過濾數(shù)字量輸入信號。因此，輸入信號必須在時延期限內(nèi)保持不變，才能被認(rèn)為有效。默認(rèn)濾波器時間是6.4毫秒。（2）COM端為各輸入點(diǎn)的內(nèi)部輸入電路的公共端，在S7-200中，使用符號1M或2M表示。（3）直流輸入可以采用S7-200PLC內(nèi)部的DC24V直接供電，輸入開關(guān)信號可以是普通按鈕、行程開關(guān)、繼電器或信號報(bào)警等觸頭產(chǎn)生。2）開關(guān)量輸出單元接口常用的開關(guān)量輸出單元按輸出開關(guān)器件不同有三種類型：繼電器輸出單元、晶體管輸出單元和雙向晶閘管輸出單元。繼電器輸出單元可驅(qū)動交流或直流負(fù)載，但其響應(yīng)速度慢，適用于動作頻率低的負(fù)載；而晶體管輸出單元和雙向晶閘管輸出單元的響應(yīng)速度快，工作頻率高，前者僅用于驅(qū)動直流負(fù)載，后者多用于驅(qū)動交流負(fù)載。1.3.3軟件組成PLC的軟件主要分為系統(tǒng)軟件和用戶程序兩大部分。系統(tǒng)軟件是PLC制造商編制的，并固化在PLC內(nèi)部PROM或EPROM中，隨產(chǎn)品一起提供給用戶的，用于控制PLC自身的運(yùn)行；用戶程序是由使用者編制、用于控制被控裝置運(yùn)行的程序。1．系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件又分為系統(tǒng)管理程序、編程軟件和標(biāo)準(zhǔn)程序庫。（1）系統(tǒng)管理程序是系統(tǒng)軟件最重要的部分，是PLC運(yùn)行的主管，具有運(yùn)行管理、存儲空間管理、時間控制和系統(tǒng)自檢等功能。其中，存儲空間管理是指生成用戶程序運(yùn)行環(huán)境，規(guī)定輸入/輸出、內(nèi)部參數(shù)的存儲地址及大小等；時間控制主要是對PLC的輸入采樣、運(yùn)算、輸出處理、內(nèi)部處理和通信等工作的時序?qū)崿F(xiàn)掃描運(yùn)行的時間管理；系統(tǒng)自檢是對PLC的各部分進(jìn)行狀態(tài)檢測，及時報(bào)錯和警戒運(yùn)行時鐘等，確保各部分能正常有效地工作。（2）編程軟件是一種用于編寫應(yīng)用程序的工具，具有編輯、編譯、檢查、修改等功能。常見的西門子編程軟件有S7-200PLC的Step7-Micro/WIN、S7-200升級版S7-200SMARTPLC的STEP7-Micro/WINSMART、新一代升級版TIA博途中的STEP7Basic（S7-1200PLC）及WinCC組態(tài)編程等。（3）標(biāo)準(zhǔn)程序庫是由許多獨(dú)立的程序塊組成，包括輸入、輸出、通信等特殊運(yùn)算和處理程序，如信息讀寫程序等，各個程序塊能實(shí)現(xiàn)不同的功能，PLC的各種具體工作都是由這部分程序完成的。2.用戶程序用戶程序是指用戶根據(jù)工藝生產(chǎn)過程的控制要求，按照所使用PLC所規(guī)定的編程語言或指令而編寫的應(yīng)用程序。用戶程序除了PLC的控制邏輯程序外，對于需要操作界面的系統(tǒng)還包括界面應(yīng)用程序。1.4從一個簡單示例看PLC應(yīng)用開發(fā)過程本章通過一個簡單的PLC電動機(jī)自鎖起動控制系統(tǒng)應(yīng)用示例，讓讀者初步了解PLC的應(yīng)用開發(fā)過程。1.控制要求控制要求如下。（1）用S7-200系列PLC實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)進(jìn)行起動、停止、自鎖保護(hù)、過載保護(hù)的控制。（2）按下輸入控制起動按鈕，電動機(jī)自鎖起動，按下輸入控制停止按鈕，電動機(jī)停止運(yùn)行。（3）利用熱繼電器常閉觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。2.PLC電動機(jī)自鎖起動控制系統(tǒng)構(gòu)成根據(jù)控制要求，PLC三相異步電動機(jī)自鎖控制系統(tǒng)如圖1-10所示。圖1-10a為主電路，由電動機(jī)M、熱繼電器FR、接觸器（輸出部分）KM的主常開觸點(diǎn)、熔斷器FU1刀開關(guān)QS構(gòu)成；圖圖1-10b為控制電路，由S7-200PLC控制器，起動按鈕SB1（輸入部分）、停止按鈕SB2（輸入部分）、接觸器KM（注意：本例控制線路接觸器線圈的工作電壓為DC24V）。SB1M3～FRSB1M3～FRKMFU1QSL3L2L1Q1.0I0.1I0.0KMSB2COMCOM24V24VPLCFRI0.2SB1圖1-10PLC三相異步電動機(jī)自鎖控制系統(tǒng)a）主電路b）控制電路3.PLC電動機(jī)自鎖起動控制系統(tǒng)工作原理圖1-10b所示為PLC電動機(jī)自鎖起動控制電路，其工作原理如下。（1）控制線路起動時，合上刀開關(guān)QS，主電路引入三相電源。（2）PLC控制電路只需要連接輸入開關(guān)信號（I0.0、I0.1、I0.2）輸出開關(guān)信號（Q1.0）即可，PLC執(zhí)行相應(yīng)的控制程序，即可實(shí)現(xiàn)對繼電器KM的自鎖控制。（3）當(dāng)按下起動按鈕SB1，24V直流電源通過PLC輸入端口I0.0形成回路，置PLC內(nèi)部的輸入軟繼電器I0.0為ON，其軟常開觸點(diǎn)I0.0導(dǎo)通；由于按鈕SB2原狀態(tài)是閉合的，故軟輸入軟繼電器I0.1為ON，其軟常開觸點(diǎn)I0.1也是導(dǎo)通的，因此，PLC內(nèi)部的輸出繼電器Q1.0得電為ON，其內(nèi)部觸點(diǎn)閉合，24V直流電源通過內(nèi)部觸點(diǎn)使接觸器KM線圈形成通電回路，同時實(shí)現(xiàn)自鎖功能；KM線圈得電時，其常開主觸點(diǎn)KM閉合，電動機(jī)接通電源開始全起動；（4）按下停止按鈕SB2，I0.1回路斷電，軟繼電器I0.1線圈失電，則其軟觸點(diǎn)斷開，Q1.0失電為OFF，使接觸器KM線圈斷電，KM觸點(diǎn)斷開，切斷電動機(jī)三相電源，電動機(jī)M自動停止運(yùn)行，控制電路又回到起動前的狀態(tài)。（5）熱繼電器FR對電動機(jī)實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，正常工作時，熱繼電器常閉觸點(diǎn)閉合，I0.2為ON，電路工作正常，當(dāng)通過電動機(jī)電流超過一定范圍時，熱繼電器動作，常閉觸點(diǎn)斷開，I0.2為OFF，切斷電動機(jī)供電回路。（6）熔斷器FU1對主電路實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，電路同時具有欠壓、失壓保護(hù)。教學(xué)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思路教師自我介紹學(xué)生互動小游戲，我和我的同學(xué)們解讀課前問卷調(diào)查，提出問題課程介紹由于本次課程是本門課程的第一次課，所以首先要給學(xué)生作課程介紹。這部分要介紹清楚本門課程在整個學(xué)科體系中的作用和地位，以及學(xué)習(xí)本門課程的要求。PLC的概述。對于對PLC沒有任何認(rèn)識的學(xué)生來說，首先介紹PLC的定義，其次介紹PLC組成及在系統(tǒng)中的作用，最后對PLC的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行介紹。這部分內(nèi)容涉及到一些概念要力求給學(xué)生講清楚。PLC的應(yīng)用實(shí)例。學(xué)生第一次上課，為了加強(qiáng)學(xué)生對PLC的了解，通過邏輯控制、運(yùn)動控制、過程控制、機(jī)械加工的數(shù)控、機(jī)器人控制、多級控制等方面的一些具體的應(yīng)用實(shí)例讓學(xué)生從另一個側(cè)面來了解PLC。這部分內(nèi)容在制作講課用的PPT時采用大量的PLC的實(shí)物圖片，生活生產(chǎn)中的案例來說明PLC的應(yīng)用。如何學(xué)習(xí)這門課程。這部分內(nèi)容結(jié)合了在本門課程的學(xué)習(xí)中往屆學(xué)生設(shè)計(jì)制作的一些項(xiàng)目，以及我自己在以往的教學(xué)工作中承擔(dān)的一些項(xiàng)目，讓學(xué)生明白學(xué)完本門課程可以達(dá)到一個什么要的程度。這部分內(nèi)容內(nèi)容在制作講課用的PPT時采用大量的實(shí)物圖片，視頻。思政內(nèi)容在國內(nèi)生產(chǎn)PLC的廠家體現(xiàn)出來。2、教學(xué)手段和資源（1）視頻+圖片PLC實(shí)物圖片+結(jié)合PLC的工業(yè)應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)室的情況體現(xiàn)項(xiàng)目式教學(xué)（2）仿真PLC的仿真軟件（3）動畫一些實(shí)際系統(tǒng)的工作視頻（4）互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)資料查詢（5）超星學(xué)習(xí)通平臺利用平臺完成課后作業(yè)、測試和主題討論3.教學(xué)過程教學(xué)流程教學(xué)內(nèi)容教師活動學(xué)生活動課程介紹課程性質(zhì)、教材、學(xué)習(xí)要求、本課程解決的問題老師運(yùn)用PPT講授，并在講授種通過大量應(yīng)用實(shí)例的圖片來說明PLC的應(yīng)用。仔細(xì)聆聽，討論，分析問題，回答問題課程導(dǎo)入PLC在哪些地方有應(yīng)用？老師提問，引起學(xué)生的思考思考、討論，回答老師的提問。知識學(xué)習(xí)1（本次課重點(diǎn)難點(diǎn)）PLC概述1.什么是PLC2.PLC的組成3.PLC的產(chǎn)生及發(fā)展4.主要生產(chǎn)廠商及產(chǎn)品1.老師運(yùn)用PPT講授，并在講授過程中提問。這是本章的重點(diǎn)和難點(diǎn)。仔細(xì)聆聽，討論、回答老師的提問。知識學(xué)習(xí)2（本次課重點(diǎn)）PLC的應(yīng)用1.應(yīng)用場合及實(shí)例2.發(fā)展趨勢1.老師運(yùn)用PPT講授，并在講授過程中提問。仔細(xì)聆聽，討論、載學(xué)習(xí)通回答老師的提問?？偨Y(jié)本節(jié)課內(nèi)容總結(jié)根據(jù)所講的內(nèi)容進(jìn)行知識總結(jié)。仔細(xì)聆聽并思考教學(xué)后記周次第2周授課時間章節(jié)名稱第2章S7-200系列PLC硬件及編程資源2-1S7-200系列PLC及升級版2-2S7-200PLC硬件系統(tǒng)配置2-3I/O編址及外部端口接線2-4S7-200PLC內(nèi)部編程資源2-5S7-200SMARTPLC系統(tǒng)配置授課方式理論課（√）、實(shí)驗(yàn)課（）上機(jī)（）、其他方式（）教學(xué)時數(shù)4學(xué)時教學(xué)目的和要求1.知識與技能：1.了解S7-200PLC和S7-200SMARTPLC的硬件系統(tǒng)配置及其區(qū)別。2.了解S7-200系列PLC的內(nèi)部編程資源。3.掌握S7-200系列PLC的工作原理。2.過程與方法：以學(xué)生為主體，組織課堂活動，增加學(xué)生課堂參與度與學(xué)習(xí)的主動性；通過討論分析，從理論聯(lián)系實(shí)際的角度來解決一些實(shí)際問題。3.情感目標(biāo)：學(xué)生通過課程的學(xué)習(xí)了解一些PLC在工程中的應(yīng)用、低壓電器設(shè)備的相關(guān)知識，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)、提出問題、分析和解決問題的能力,培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新意識。教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：PLC的硬件系統(tǒng)配置、編程資源和工作原理。2、難點(diǎn)：PLC的工作原理。教學(xué)方法選擇以下方面：教師講授（√），課堂討論（√），多媒體教學(xué)（√），提問式教學(xué)（√）討論練習(xí)作業(yè)作業(yè)：學(xué)習(xí)通完成作業(yè)教研室主任審批意見教學(xué)內(nèi)容要點(diǎn)(可附另頁)S7-200系列PLC及升級版S7-200系列PLC是西門子公司生產(chǎn)的一種超小型可編程邏輯控制器。2.1.1S7-200PLCS7-200PLC設(shè)計(jì)緊湊，使用方便、應(yīng)用靈活、性價比高，具有良好的可擴(kuò)展性及強(qiáng)大的指令集，能夠比較完美地滿足多種場合中的檢測、監(jiān)測及小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的需求，可以作為獨(dú)立的控制器模塊廣泛應(yīng)用在各類自動控制及集散化控制系統(tǒng)中。2.1.2S7-200SMARTPLCS7-200SMARTPLC是西門子公司推出的S7-200PLC的升級產(chǎn)品，其指令系統(tǒng)與S7-200PLC基本相同，但其編程資源和功能大大增加，集成了強(qiáng)大的以太網(wǎng)功能，可以覆蓋所有與自動檢測、自動控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域。2.1.3S7-1200PLCS7-1200PLC是S7-200的新一代升級產(chǎn)品，涵蓋了S7-200的原有功能并增加了許多特殊功能，可以提供多種智能模塊，具有非常強(qiáng)大的通信功能，可以滿足比較復(fù)雜及更廣泛控制領(lǐng)域的應(yīng)用。2.2S7-200PLC硬件系統(tǒng)配置S7-200PLC（簡稱S7-200）適用于各種場合中的監(jiān)測及系統(tǒng)自動控制，具有極高的可靠性、極其豐富的指令集、強(qiáng)大的通信能力和豐富的擴(kuò)展模塊，便捷的操作特性易于用戶掌握。2.2.1S7-200PLC的硬件構(gòu)成和性能特點(diǎn)1．硬件系統(tǒng)構(gòu)成S7-200PLC硬件系統(tǒng)主要包括CPU主機(jī)模塊、擴(kuò)展模塊、功能模塊、相關(guān)設(shè)備以及編程工具，其系統(tǒng)組成如圖2-1所示，S7-200CNCPU其硬件特點(diǎn)如圖2-2所示。CPUCPU主機(jī)相關(guān)設(shè)備通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備TD200W顯示器其他設(shè)備觸摸屏編程工具工業(yè)軟件功能模塊擴(kuò)展模塊圖2-1S7-200PLC系統(tǒng)組成S7-200PLC硬件特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下方面。1）CPU主機(jī)具有增強(qiáng)的內(nèi)置集成功能CPU主機(jī)是PLC最基本的單元模塊，是PLC的主要組成部分，包括CPU、存儲器、基本I/O點(diǎn)和電源等，內(nèi)置功能強(qiáng)大。CPU主機(jī)實(shí)際就是一個完整的控制系統(tǒng)，可以單獨(dú)完成一定的控制任務(wù)。2）增強(qiáng)的擴(kuò)展模塊特性主機(jī)I/O點(diǎn)數(shù)量不能滿足控制系統(tǒng)的要求時，用戶可以根據(jù)需要使用各種I/O擴(kuò)展模塊。如數(shù)字?jǐn)U展模塊EM223-24VDC支持32個輸入/輸出和32個輸入/繼電器輸出；模擬量EM235擴(kuò)展模塊組合的模擬量為4輸入/1輸出。3）增強(qiáng)的編程軟件包STEP7-Micro/WINV4.0編程軟件能支持MicrosoftVista等操作系統(tǒng)。同時，對通訊設(shè)置也作了改進(jìn)，如果STEP7-Micro/WINV4.0第一次啟動時檢測到USB電纜，就會自動選擇USB通訊方式。4）相關(guān)設(shè)備配備齊全為充分和方便利用系統(tǒng)的硬件和軟件資源而開發(fā)和使用的一些設(shè)備，主要有編程設(shè)備、人機(jī)操作界面和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。為更好地管理和使用這些設(shè)備，開發(fā)了與之相配套的程序，它主要由標(biāo)準(zhǔn)工具、工程工具、運(yùn)行軟件和人機(jī)接口軟件等構(gòu)成。2．S7-200性能特點(diǎn)S7-200性能特點(diǎn)主要表現(xiàn)如下。1）立即讀寫I/O點(diǎn)S7-200的指令集提供了立即讀寫物理I/O點(diǎn)的指令，用戶可以在程序中立即讀寫I/O點(diǎn)，而不受PLC循環(huán)掃描工作方式的影響。2）提供高速I/Ｏ點(diǎn)S7-200具有集成的高速計(jì)數(shù)功能，能夠?qū)ν獠扛咚偈录?jì)數(shù)而不會影響S7-200的性能。這些高速計(jì)數(shù)器都有專用的輸入點(diǎn)作為時鐘、方向控制、復(fù)位端、啟動端等功能輸入；S7-200還支持高速脈沖輸出功能，其輸出點(diǎn)Q0.0和Q0.1可形成高速脈沖串（PTO）或脈寬調(diào)制（PWM）控制信號。3）對數(shù)字量輸入加濾波器S7-200允許用戶為某些或者全部本機(jī)數(shù)字量輸入點(diǎn)選擇輸入濾波器，并可以對濾波器定義0.2ms～12.8ms的延遲時間，系統(tǒng)默認(rèn)的延遲時間為6.4ms。該延遲時間能濾除輸入雜波，從而減小輸入狀態(tài)發(fā)生意外改變的可能。輸入濾波器是系統(tǒng)塊的一部分，它需要通過編程軟件下載并儲存在S7-200CPU中。4）對模擬量輸入加濾波器S7-200允許用戶對每一路模擬量輸入選擇軟件濾波器，濾波值是多個模擬量輸入采樣值的平均值。濾波器具有快速相應(yīng)的特點(diǎn)，可以反映信號的快速變換，系統(tǒng)默認(rèn)為對所有模擬量輸入進(jìn)行濾波配置。5）設(shè)置停止模式下的數(shù)字量/模擬量輸出狀態(tài)S7-200輸出表可以用來設(shè)置數(shù)字量/模擬量的輸出狀態(tài)，用于指明在從運(yùn)行模式進(jìn)入停止模式后，是將已知值傳送至數(shù)字量/模擬量輸出點(diǎn)，還是使輸出保持停止模式之前的狀態(tài)。輸出表是系統(tǒng)塊的一部分，它需要通過編程軟件下載并儲存在S7-200CPU中。6）捕捉窄脈沖S7-200為每個本機(jī)數(shù)字量輸入提供脈沖捕捉功能，該功能允許PLC捕捉到持續(xù)時間很短的高電平脈沖或者低電平脈沖。當(dāng)一個輸入設(shè)置了脈沖捕捉功能，輸入端的狀態(tài)變換就被鎖存一直保持到下一個掃描循環(huán)刷新，這樣就能確保一個持續(xù)時間很短的脈沖被捕捉到，并一直保持到S7-200讀取該輸入點(diǎn)。7）設(shè)置掉電保護(hù)存儲區(qū)S7-200允許用戶定義最多6個掉電保護(hù)區(qū)的地址范圍，變量存儲器V、位存儲器M、計(jì)數(shù)器C和定時器T。在缺省情況下，M存儲器的前14個字節(jié)是非保持的。對于定時器，只有保持型定時器TONR可以設(shè)為掉電保護(hù)。而且定時器和計(jì)數(shù)器只有當(dāng)前值可以保持，定時器位和計(jì)數(shù)器位是不能保持的。8）快速響應(yīng)中斷服務(wù)程序S7-200允許用戶在程序掃描周期中使用中斷，與中斷事件相關(guān)的中斷服務(wù)程序作為程序的一部分被保存。在正常的程序掃描周期中，有中斷請求就立即執(zhí)行中斷事件。在中斷優(yōu)先級相同的情況下，S7-200遵循“先來先服務(wù)”的原則來執(zhí)行中斷服務(wù)程序。9）實(shí)現(xiàn)PID運(yùn)算操作S7-200PLC設(shè)置了PID回路指令，通過程序設(shè)置PID回路表參數(shù)，可以十分方便地通過執(zhí)行PID回路指令，對模擬量構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。10）提供模擬電位器S7-200提供有模擬電位器可以手動調(diào)節(jié)，位于模塊前蓋下面。調(diào)節(jié)電位器能增加/減小存于特殊存儲器中的值，這些只讀值在程序中可有很多功能，如更新定時器或計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值，輸入或修改預(yù)置值、限定值等。11）提供四層口令保護(hù)S7-200所有型號都提供口令保護(hù)功能，用以限制對特殊功能的訪問。對CPU功能及存儲器的訪問權(quán)限是通過設(shè)置口令來實(shí)現(xiàn)的。S7-200CPU提供了限制CPU訪問功能的四個等級，若要進(jìn)行四個等級的訪問，均需輸入正確的口令。2.2.2S7-200CPU模塊和技術(shù)指標(biāo)S7-200CPU22x系列PLC主機(jī)有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226五種不同結(jié)構(gòu)配制的CPU單元，供用戶根據(jù)不同需要選用。1．CPU模塊結(jié)構(gòu)S7-200的CPU模塊是一個功能強(qiáng)大的整體式PLC，它集成了一個微處理器、一個集成電源、輸入/輸出（I/O）若干端點(diǎn)（口）及RAM、EEPROM等，被封裝在一個緊湊的外殼內(nèi)。CPU模塊負(fù)責(zé)執(zhí)行程序，輸入點(diǎn)用于從現(xiàn)場設(shè)備中采集信號，輸出點(diǎn)則負(fù)責(zé)輸出控制信號，用于驅(qū)動外部負(fù)載。CPU22x系列PLC主機(jī)（CPU模塊）的外形示意圖，如圖2-3所示。前翻蓋：前翻蓋：模式選擇開關(guān)模擬電位器擴(kuò)展端口輸入狀態(tài)指示燈端子下翻蓋終端接線端子排輸出狀態(tài)指示燈端子上翻蓋運(yùn)行狀態(tài)指示燈可選卡插槽：存儲卡、時鐘卡、電池卡等通訊接口：（CPU224XP、CPU226有兩個）圖2-3CPU22x系列PLC主機(jī)模塊外形功能示意圖S7-200PLC有RUN和STOP兩種工作模式，可由模式選擇開關(guān)選擇。當(dāng)模式選擇開關(guān)處于STOP位置時，不執(zhí)行程序但可以對其編寫程序；當(dāng)開關(guān)處于RUN位置時，PLC處于運(yùn)行狀態(tài)，此時不能對其編寫程序；當(dāng)開關(guān)處于TERM監(jiān)控狀態(tài)時，可以運(yùn)行程序也可以進(jìn)行讀/寫操作。擴(kuò)展端口用于連接擴(kuò)展模塊，實(shí)現(xiàn)I/O擴(kuò)展。端子下翻蓋下面為輸入端子和傳感器電源端子，輸入端子的運(yùn)行狀態(tài)可以由端子蓋上方的一排指示燈顯示，正常工作時對應(yīng)指示燈被點(diǎn)亮。端子上翻蓋下面為輸出端子和PLC供電電源端子，輸出端子的運(yùn)行狀態(tài)可以由端子蓋下方的一排指示燈顯示，正常工作時對應(yīng)指示燈被點(diǎn)亮。運(yùn)行狀態(tài)指示燈用于顯示CPU所處的工作狀態(tài)。當(dāng)CPU處于STOP狀態(tài)（停機(jī)方式）或重新啟動時，黃燈常量；當(dāng)CPU處于RUN狀態(tài)（運(yùn)行方式）時，綠燈常亮；當(dāng)CPU處于SF狀態(tài)（硬件故障或軟件錯誤）時，紅燈常亮?？蛇x卡插槽可以插入存儲卡、時鐘卡、電池卡等，存儲器卡用來在沒有供電的情況下（不需要電池）保存用戶程序。通訊接口可以連接RS-485通信電纜，可以通過專用PPI通信電纜連接上位機(jī)（RS-232）或編程設(shè)備或文本顯示器或其它的CPU，實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)或者其他PLC之間的通訊。2.CPU模塊實(shí)物外形常用的S7-200PLCCPU模塊實(shí)物外形如圖2-4所示。圖2-4常用S7-200CPU實(shí)物模塊功能下面僅介紹S7-200常用的典型模塊。1）CPU224XPCNPLCCPU224XPCNPLC集成了14輸入/10輸出數(shù)字量I/O點(diǎn)、2輸入/1輸出模擬量I/O端口；22KB程序和數(shù)據(jù)存儲空間間；6個獨(dú)立的100kHz高速計(jì)數(shù)器、2路獨(dú)立的100kHz高速脈沖輸出；具有實(shí)現(xiàn)PID運(yùn)算控制功能，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)；2個RS485通信編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊功能；內(nèi)置模擬量I/O、自整定PID、線性斜坡脈沖指令等功能。CPU224XPCNPLC可以連接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展為168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或38路模擬量I/O端口。CPU224XPCNPLC是具有強(qiáng)大控制能力的控制器。2）CPU226CNPLCCPU226CNPLC集成了24輸入/16輸出數(shù)字量I/O點(diǎn)、2輸入/1輸出模擬量I/O端口；26KB程序和數(shù)據(jù)存儲空間；6個獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器、2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出；具有實(shí)現(xiàn)PID運(yùn)算控制功能，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)；2個RS485通信編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊功能。CPU226CNPLC可以連接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展為248路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O端口，CPU226CNPLC具有更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊，完全能夠適應(yīng)一些較復(fù)雜的中、小型控制系統(tǒng)。4．S7-200CPU技術(shù)指標(biāo)S7-200CPU的技術(shù)指標(biāo)如下。1）S7-200CPU電源技術(shù)規(guī)范CPU221~CPU226分別設(shè)定了DC24V和AC120~220V兩種電源供電模式。例如，CPU22xDC/DC/DC，其中第1個參數(shù)DC表示CPU工作供電為直流電源（20.4~28.8V），第2個DC表示輸入信號控制電壓為直流電源，第3個參數(shù)DC表示輸出控制電壓（負(fù)載的工作電源）為直流電源.。CPU直流供電如圖2-5-a所示。圖2-5CPU供電電源例如，CPU22xAC/DC/繼電器，其中第1個參數(shù)AC表示CPU工作供電為交流電源（AC85～265V），第2個DC表示輸入信號控制電壓為直流電源，第3個參數(shù)表示繼電器輸出，其觸頭控制負(fù)載的電壓可以為交、直流電源（電流<2A，電壓85～265V）。CPU交流供電如圖2-5-b所示。2）S7-200CPU單元技術(shù)指標(biāo)S7-200CPU單元技術(shù)指標(biāo)見表2-1。5．存儲系統(tǒng)及功能1）硬件組成S7-200PLC的存儲系統(tǒng)由隨機(jī)存儲器（RAM）和可編程的只讀存儲器（EEPROM）構(gòu)成，CPU模塊內(nèi)部配備一定容量的RAM和EEPROM，其存儲容量以字節(jié)“B”為單位，如圖2-6所示。同時，CPU模塊支持可選的EEPROM存儲器卡。還增設(shè)了超級電容和電池模塊，用于長時間保存RAM中的數(shù)據(jù)。用戶數(shù)據(jù)可通過主機(jī)的超級電容存儲若干天；電池模塊可選，使用鋰電池模塊可使數(shù)據(jù)的存儲時間延長到1～3年。2）程序存儲空間存儲空間可分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。系統(tǒng)程序由PLC產(chǎn)品設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)并由生產(chǎn)廠商固化在EEPROM中，對用戶不透明，它反映了PLC技術(shù)水平，它能夠智能化地管理和完成PLC規(guī)定的各種基本操作，用戶不能修改；用戶程序（在需要時含數(shù)據(jù)塊、CPU組態(tài)設(shè)置）是根據(jù)PLC用戶要求實(shí)現(xiàn)的特定功能而設(shè)計(jì)的程序。3）程序下載和上傳用戶程序、數(shù)據(jù)塊（可選）及CPU組態(tài)（可選）需要通過上位機(jī)編程下載到CPU存儲器RAM區(qū)，CPU會自動地將其拷貝到EEPROM中，在存儲器RAM和EEPROM中互為映像空間，以利于長期保存，以利于提高系統(tǒng)的可靠性。4）開機(jī)恢復(fù)及掉電保持CPU上電后，將自動從EEPROM中將用戶程序、數(shù)據(jù)及CPU配置恢復(fù)到RAM中，當(dāng)CPU模塊掉電時，如果在編程軟件中設(shè)置為保持，通用輔助存儲器M的前14個字節(jié)（MB0~MB13）數(shù)據(jù)自動保存在EEPROM中。2.2.3數(shù)字量輸入輸出（I/O）擴(kuò)展模塊可以通過數(shù)字量I/O擴(kuò)展模塊擴(kuò)展輸入輸出點(diǎn)，擴(kuò)展模塊外部連接示意圖如圖2-7所示。除CPU221外，其它CPU模塊均可配接一個或多個擴(kuò)展模塊，連接時CPU模塊放在軌道左側(cè)，擴(kuò)展模塊用扁平電纜與左側(cè)的模塊依次相連，形成擴(kuò)展I/0鏈，擴(kuò)展模塊實(shí)物如圖2-8所示。2.2.4模擬量輸入輸出擴(kuò)展模塊在工業(yè)控制過程中，常需要對一些模擬量（連續(xù)變化的物理量）實(shí)現(xiàn)輸入或輸出控制，如溫度、壓力、流量等都是模擬輸入量，某些執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如電動調(diào)節(jié)閥、晶閘管調(diào)速裝置和變頻器等）也要求PLC輸出模擬信號。在模擬信號輸入時，必須將模擬信號轉(zhuǎn)換為CPU能夠接受的數(shù)字信號，即進(jìn)行模/數(shù)（A-D）轉(zhuǎn)換；在模擬信號輸出時，必須將CPU輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，即進(jìn)行數(shù)/模（D-A）轉(zhuǎn)換。2.2.5熱電偶、熱電阻輸入擴(kuò)展模塊1.熱電偶輸入擴(kuò)展模塊S7-200PLC的EM231熱電偶擴(kuò)展模塊直接以熱電偶輸出的電勢作為輸入信號，進(jìn)行A-D轉(zhuǎn)換后輸入給PLC，可以實(shí)現(xiàn)4路熱電偶輸入。該模塊具有冷端補(bǔ)償電路，可用于J、K、E、N、S和R型熱電偶，可通過模塊下方的DIP開關(guān)來選擇熱電偶的類型、斷線檢查、測量單位、冷端補(bǔ)償?shù)裙δ堋?.熱電阻輸入擴(kuò)展模塊S7-200PLC的EM231熱電阻輸入擴(kuò)展模塊提供了與多種熱電阻的連接口，通過DIP開關(guān)來選擇熱電阻的類型、接線方式、測量單位和開路故障的方向可以實(shí)現(xiàn)2路熱電阻輸入。所有連接到擴(kuò)展模塊上的熱電阻必須是同一類型。熱電阻傳感器與EM231熱電阻控制模塊連接方式有2線、3線、4線3種，后兩種主要是為了消除連接導(dǎo)線引起的測量誤差，4線方式精度最高，一般情況下使用3線方式即可滿足測量要求?？梢酝ㄟ^DIP開關(guān)SW8（OFF為3線、ON為2線或4線）設(shè)置熱電阻連接方式。2.2.6網(wǎng)絡(luò)通信及其他控制模塊S7-200PLC除了前面介紹的常用模塊外，還配備了網(wǎng)絡(luò)通信、位置控制、稱重、文本顯示器及觸摸屏等擴(kuò)展模塊。2.3I/O編址及外部端口接線I/O端口是CPU與外部設(shè)備進(jìn)行信息交換的接口，本節(jié)主要介紹S7-200PLC的I/O端口編址及端口的外部接線。2.3.1模塊I/O端口編址CPU必須通過編程實(shí)現(xiàn)從輸入端口獲取外部設(shè)備信息、從輸出端口對外部設(shè)備的控制功能。CPU是通過系統(tǒng)分配給各端口相應(yīng)的編址來訪問輸入輸出端口的。2.3.2S7-200PLC模塊外部接線及注意事項(xiàng)一個PLC控制系統(tǒng)首先需要建立PLC與外部輸入信號與輸出控制設(shè)備的接口電路，然后，才能面向I/O端口進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。因此，用戶必須掌握I/O點(diǎn)與外部設(shè)備的連接關(guān)系和配電要求。2.4S7-200PLC內(nèi)部編程資源2.4.1S7-200PLC編程軟元件編程軟元件是PLC（CPU）內(nèi)部具有不同功能的存儲器單元，每個單元都有唯一的地址，在編程時，用戶只需使用軟元件的符號地址即可。S7-200PLC根據(jù)軟元件的不同功能，分為輸入寄存器、輸出寄存器、位存儲器、定時器、計(jì)數(shù)器、通用寄存器、數(shù)據(jù)寄存器及特殊功能存儲器等區(qū)域。PLC內(nèi)部這些存儲器的作用和繼電接觸控制系統(tǒng)中使用的繼電器十分相似，也有“線圈”與“觸點(diǎn)”，但它們不是“硬”繼電器，而是PLC存儲器的存儲單元。當(dāng)寫入該單元的邏輯狀態(tài)為“1”時，則表示相應(yīng)繼電器線圈得電，其動合（常開）觸點(diǎn)閉合，動斷（常閉）觸點(diǎn)斷開，所以，內(nèi)部的這些繼電器稱之為“軟”繼電器，這些軟繼電器的最大特點(diǎn)是其觸點(diǎn)可以無限次使用。2.4.2軟元件類型和功能1．輸入繼電器（I）輸入繼電器又稱輸入過程映象寄存器，一個輸入繼電器對應(yīng)一個PLC的輸入端子，用于接收外部開關(guān)信號的控制。輸入繼電器與輸入開關(guān)信號的連接及內(nèi)部等效電路，如圖2-21所示。2．輸出繼電器（Q）輸出繼電器又稱輸出過程映象寄存器，一個輸出繼電器對應(yīng)一個PLC的輸出端子，可以作為負(fù)載的控制信號。3．通用輔助繼電器（M）通用輔助繼電器（又稱位存儲區(qū)或內(nèi)部標(biāo)志位）在PLC中沒有輸入/輸出端子與之對應(yīng)，在邏輯運(yùn)算中只起到中間狀態(tài)的暫存作用，類似與繼電器控制系統(tǒng)中的中間繼電器。通用輔助繼電器可以按位來存取數(shù)據(jù)，如M26.7。也可以按字節(jié)、字或雙字來存取數(shù)據(jù)，如MD20。4．特殊繼電器（SM）特殊繼電器的某些位（特殊標(biāo)志位）具有特殊功能或用來存儲系統(tǒng)的狀態(tài)變量、控制參數(shù)和信息，是用戶與系統(tǒng)程序之間的界面。用戶可以通過特殊標(biāo)志位來溝通PLC與被控制對象之間的信息。5．變量存儲器（V）變量存儲器用來存儲變量（可以被主程序、子程序和中斷程序等任何程序訪問，也稱全局變量），可以存放程序執(zhí)行過程中數(shù)據(jù)處理的中間結(jié)果，如直接尋址位變量V1.0、字節(jié)變量VB10、字變量VW10、雙字變量VD10，它們的起始地址是相同的。6．局部變量存儲器（L）局部變量存儲器用來存放局部變量（局部變量只在特定的程序內(nèi)有效），可以用來存儲臨時數(shù)據(jù)或者子程序的傳遞參數(shù)。局步變量可以分配給主程序段、子程序段或中斷程序段，但不同程序段的局部存儲器是不能相互訪問的。7．順序控制繼電器（S）PLC中也把順序控制繼電器稱為狀態(tài)器或狀態(tài)元件，是順序控制繼電器指令的重要元件，常與順序控制指令LSCR、SCRT、SCRE結(jié)合使用。8．定時器（T）定時器是PLC中常用的編程軟元件，主要用于累計(jì)時間的增量，其分辨率有1ms、10ms和100ms三種。定時器的工作過程與繼電器控制系統(tǒng)的時間繼電器類同，當(dāng)定時器的輸入條件滿足時開始累計(jì)時間增量（當(dāng)前值），當(dāng)定時器的當(dāng)前值達(dá)到預(yù)設(shè)值時，定時器觸點(diǎn)動作。定時器地址格式如T37。9．計(jì)數(shù)器（C）計(jì)數(shù)器是用來累計(jì)輸入脈沖的個數(shù)。當(dāng)輸入觸發(fā)條件滿足時，計(jì)數(shù)器開始累計(jì)它的輸入端脈沖上升沿（正跳變）的次數(shù)；當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值達(dá)到預(yù)定的設(shè)定值時，計(jì)數(shù)器觸點(diǎn)動作。計(jì)數(shù)器地址格式如C2410．累加器（AC）11．模擬量輸入/輸出映像寄存器（AI/AQ）模擬量輸入映像寄存器用以存放A-D轉(zhuǎn)換后輸入的16位的數(shù)字量，其地址格式為AIW[起始字節(jié)地址]，如：AIW2。12．高速計(jì)數(shù)器（HC）一般計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率受掃描周期的影響，不能太高。而高速計(jì)數(shù)器可累計(jì)比CPU的掃描速度更快的事件。高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值是一個雙字長（32位）的整數(shù)，且為只讀值。教學(xué)設(shè)計(jì)1.課程導(dǎo)入：采用奧運(yùn)會開幕式五環(huán)展示的控制，展開主題討論，導(dǎo)入本次課程。2.課程討論通過課程討論讓學(xué)生對所學(xué)知識點(diǎn)加深印象，并提高學(xué)生對課堂的參與度。在課堂教學(xué)中引入大量的實(shí)物圖片，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備，即工程應(yīng)用型教學(xué)法正是教學(xué)科研努力的方向，這種工程應(yīng)用型的教學(xué)方法不僅對PLC這門課程的教學(xué)起著重要的作用，而且為工科學(xué)生進(jìn)行以后系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析打下工程基礎(chǔ)，也為他們的工程思想的建立、為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)提供了保障。思政元素：通過奧運(yùn)會開幕式視頻展示增加學(xué)生的愛國熱情，提高學(xué)生的民族自信；工匠精神：通過可編程邏輯控制器的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)參數(shù)培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)精神，用專業(yè)精神、職業(yè)精神和工匠精神引領(lǐng)大學(xué)生成長成才。教學(xué)后記周次第3周授課時間章節(jié)名稱第3章S7-200系列PLC的基本指令及應(yīng)用3-1S7-200系列PLC編程環(huán)境及編程規(guī)約3-2位邏輯指令PLC硬件連接，編程環(huán)境及簡單實(shí)例實(shí)驗(yàn)授課方式理論課（√）、實(shí)驗(yàn)課（√）上機(jī)（）、其他方式（）教學(xué)時數(shù)4學(xué)時教學(xué)目的和要求掌握S7-200基本邏輯指令。掌握PLC基本指令編程；理解PLC程序的簡單設(shè)計(jì)的方法及使用。教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：S7-200基本邏輯指令，PLC基本指令編程2、難點(diǎn)：PLC基本指令的原理、功能及編程應(yīng)用。教學(xué)方法選擇以下方面：教師講授（√），課堂討論（√），多媒體教學(xué)（√），提問式教學(xué)（√）討論練習(xí)作業(yè)作業(yè)：學(xué)習(xí)通完成作業(yè)教研室主任審批意見教學(xué)內(nèi)容要點(diǎn)(可附另頁)3.1S7-200系列PLC編程環(huán)境及編程規(guī)約S7-200系列PLC的編程環(huán)境主要有STEP7-Mirco/WIN編程軟件和STEP7-Mirco/WINSMART編程軟件，用戶需要按編程軟件約定的編程規(guī)約進(jìn)行編程。3.1.1S7-200系列PLC編程軟件簡介PLC應(yīng)用程序編輯、編譯和下載可以通過上位機(jī)（PC）運(yùn)行集成編程軟件來實(shí)現(xiàn)。使用S7-200PLC，首先要在PC上安裝STEP7-Mirco/WIN編程軟件；使用S7-200SMARTPLC，則需要在PC上安裝STEP7-Mirco/WINSMART編程軟件。STEP7-Mirco/WIN和STEP7-Mirco/WINSMART的指令格式基本相同，支持梯形圖LAD（Ladder）、語句表STL（StatementList）和功能塊圖（FunctionBlockDiagram）等編程語言來編制用戶程序，并且可以直接進(jìn)行顯示切換。其中，梯形圖和語句表是最基本、最常用的PLC編程語言，它們不僅支持結(jié)構(gòu)化編程方法，而且兩種編程語言可以相互轉(zhuǎn)化。用戶應(yīng)按照編程軟件規(guī)定的編程語言（指令格式）編寫PLC應(yīng)用程序。可以從STEP7-Micro/WIN中導(dǎo)出項(xiàng)目移植到STEP7-Micro/WINSMART，也可以在STEP7-Micro/WINSMART中直接打開一個STEP7-Micro/WIN項(xiàng)目文件（.mwp）。編程軟件可以使用上位計(jì)算機(jī)作為圖形編程器，用于在線（聯(lián)機(jī)）或離線（脫機(jī)）開發(fā)用戶程序，并可以在線實(shí)時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。STEP7-Mirco/WIN和STEP7-Mirco/WINSMART編程軟件的使用方法見本書第9章。3.1.2S7-200系列PLC指令基本格式及編程規(guī)約 1.S7-200PLC指令基本格式在S7-200PLC程序設(shè)計(jì)中，常用的指令有梯形圖（以下簡稱LAD）和語句表（以下簡稱STL兩種表示方法。1）LAD指令基本格式LAD（梯形圖）指令是使用最廣泛的PLC圖形編程語言，梯形圖與繼電器控制系統(tǒng)的電路圖具有相似、直觀、易懂的優(yōu)點(diǎn)。LAD（梯形圖）指令使用類似于電氣控制形式的符號來描述指令要執(zhí)行的操作，以符號上的數(shù)據(jù)表示需要操作的數(shù)據(jù)，簡單LD位邏輯（開關(guān)量）指令的梯形圖格式如圖3-1a所示，STEP7-Mirco/WIN編程環(huán)境梯形圖格式如圖3-1b所示，STEP7-Mirco/WINSMART編程環(huán)境梯形圖格式如圖3-1c所示。I0.1I0.1Q1.0a)b)c)圖3-1梯形圖指令格式在梯形圖中，為了便于理解和分析各個元器件間的輸入與輸出關(guān)系，可以假想為電路中某支路的概念電流，也稱作能流。因此，本書在描述指令的連接時，融入了“電路”的概念。例如，圖3-1a所示指令中I0.1觸點(diǎn)接通時，有一個假想的能流（箭頭）流過Q1.0的線圈。觸點(diǎn)和線圈等組成的獨(dú)立語句稱為網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)中，程序的邏輯運(yùn)算按從左到右的方向執(zhí)行，與能流的方向一致。 2）STL指令（語句表）STL指令一般由助記符和操作數(shù)組成，其格式如下。助記符助記符操作數(shù)助記符表示指令要執(zhí)行的功能操作；操作數(shù)表示指令要操作的數(shù)據(jù)。例如：LD I0.1//LD：取指令操作碼；I0.1：輸入位操作數(shù)。 = Q1.0//"="：輸出操作碼；Q1.0：輸出位操作數(shù)。STL（語句表）指令表達(dá)式與梯形圖有一一對應(yīng)關(guān)系，在編程環(huán)境中可以方便地相互轉(zhuǎn)換。3）指令中操作數(shù)表示方法指令中的位邏輯操作數(shù)（bit）只能以直接尋址方式對其進(jìn)行讀寫操作。直接尋址也稱字節(jié)·位尋址，由元件名稱、字節(jié)地址和位地址組成。在圖3-1中，操作數(shù)I0.1中的I表示輸入映像寄存器第0字節(jié)中的第1位輸入點(diǎn)；操作數(shù)Q1.0中的Q表示輸出映像寄存器的第1字節(jié)中的第0位輸出位。S7-200PLC梯形圖編程規(guī)約使用梯形圖編程時應(yīng)符合以下規(guī)約。（1）每個網(wǎng)絡(luò)單元（即輸出單元）構(gòu)成一個梯級，每個網(wǎng)絡(luò)必須以觸點(diǎn)開始，根據(jù)其邏輯條件組成邏輯控制，網(wǎng)絡(luò)結(jié)束（右側(cè)）為輸出單元，輸出單元應(yīng)為為軟元件線圈或定時器、計(jì)數(shù)器等指令（盒）。網(wǎng)絡(luò)不能以觸點(diǎn)終止。（2）一個網(wǎng)絡(luò)可有若干個線圈，只要線圈位于該特定網(wǎng)絡(luò)的并行分支上。不能在網(wǎng)絡(luò)上串聯(lián)一個以上線圈（即不能在一個網(wǎng)絡(luò)的一條水平線上放置多個線圈）。（3）梯形圖中，輸入、輸出及其他軟繼電器或指令的觸點(diǎn)，可以任意重復(fù)使用。（4）同一編號的線圈在同一程序中不得使用多次，雖然編譯時可以通過，但容易發(fā)生邏輯錯誤。（5）線圈或指令盒不能直接與左母線連接，如果需要，可以根據(jù)程序要求通過特殊功能繼電器SM0.0（常態(tài)為ON）或SM0.1連接。（6）觸點(diǎn)可以任意并聯(lián)和串聯(lián)，多個線圈和指令盒也可以并聯(lián)使用。（7）為編程方便、提高編程效率和便于閱讀，編程應(yīng)按“上繁下簡、左繁右簡”原則進(jìn)行。（8）編程時，以假設(shè)電路中概念電流（能流）的理解方式為出發(fā)，更能確保程序的正確性。（9）由于PLC采用掃描工作方式，對于某些程序塊（如第5章的子程序、中斷程序），如果按一般計(jì)算機(jī)常規(guī)編程思想編寫梯形圖，會出現(xiàn)梯形圖程序執(zhí)行情況與編程者本來意圖不一致的結(jié)果。需要讀者深刻理解PLC掃描工作方式的工作過程才能避免這些錯誤。3.2位邏輯指令位邏輯指令是PLC中最基本最常用的指令，主要用來完成基本的位邏輯運(yùn)算及控制。位邏輯指令的典型應(yīng)用有電動機(jī)控制、紅綠交通燈、電梯自動控制、密碼鎖、搶答器、二位（或三位）式閉環(huán)控制及位控報(bào)警器等領(lǐng)域。位邏輯指令主要包括觸點(diǎn)輸入、線圈驅(qū)動輸出指令、位邏輯（運(yùn)算）指令、置位/復(fù)位指令、立即指令、邊沿觸發(fā)指令及堆棧操作指令等。3.2.1觸點(diǎn)輸入/線圈驅(qū)動輸出指令1．LD、LDN指令1）取指令LD（Load）LD指令格式如圖3-2所示，其中bit為觸點(diǎn)位操作數(shù)（下同）。語句表LDbit語句表梯形圖梯形圖圖3-2LD指令格式使用LD指令時，起動梯形圖任何邏輯塊的第一條指令時，對應(yīng)輸入端點(diǎn)連接開關(guān)導(dǎo)通，觸點(diǎn)bit閉合；對應(yīng)輸入端點(diǎn)連接開關(guān)斷開，觸點(diǎn)bit斷開。一般用于連接動合（常開）觸點(diǎn)。 LD指令也稱動合指令。2）取反指令LDN（LoadNot）LDN指令格式如圖3-3所示。LDNbitLDNbit梯形圖語句表 梯形圖語句表圖3-3LDN指令格式LDN指令在起動梯形圖任何邏輯塊的第一條指令時，如果對應(yīng)輸入端點(diǎn)連接的開關(guān)導(dǎo)通，觸點(diǎn)bit斷開；對應(yīng)輸入端點(diǎn)連接的開關(guān)斷開，觸點(diǎn)bit閉合。LDN指令也稱動斷指令。2．=（Out）輸出指令=（Out）輸出指令又稱線圈驅(qū)動指令，其指令格式如圖3-4所示。bitbit()=bit語句表梯形圖語句表梯形圖圖3-4“=”指令格式輸出指令示例如圖3-5所示。圖3-5輸出指令示例在梯形圖中，該指令必須放在網(wǎng)絡(luò)的最右端。該類指令使用時注意以下方面。（1）LD、LDN指令操作數(shù)區(qū)域?yàn)椋篒、Q、M、T、C、SM、S、V；“=”指令的操作數(shù)區(qū)域?yàn)镸、Q、T、C、SM、S。（2）指令中常開接點(diǎn)和常閉接點(diǎn)，作為使能的條件，在語法上和實(shí)際編程中都可以無限次的重復(fù)使用。（3）PLC輸出線圈，作為驅(qū)動元件，在語法上可以無限次的使用。由于在重復(fù)使用的輸出線圈中只有程序中最后一個是有效的，其它都是無效的，輸出線圈具有最后優(yōu)先權(quán)。所以，同一程序中，“=”指令后的線圈使用1次為宜。（4）在上一章已經(jīng)強(qiáng)調(diào)，PLC輸入繼電器只能識別相應(yīng)的外部端口開關(guān)是接通狀態(tài)還是斷開狀態(tài)，不能識別外部連接的是常開按鈕還是常閉按鈕。3.2.2位邏輯與指令1．位邏輯“與”指令A(yù)位邏輯“與”指令A(yù)（And）：用于動合觸點(diǎn)的串聯(lián)連接，只有串聯(lián)在一起的所有觸點(diǎn)全部閉合時，輸出才有效。位邏輯與指令梯形圖、指令表以及時序圖如圖3-8所示：梯形圖梯形圖語句表圖圖圖3-8位邏輯與指令及時序圖時序圖2．位邏輯“與非”指令A(yù)N位邏輯“與非”指令A(yù)N（AndNot）用于動斷觸點(diǎn)的串聯(lián)連接。A和AN指令梯形圖及語句表示例如圖3-9所示。梯形圖語句表//使用邏輯“與”指令=ANLD=Q0.0M0.0I0.2Q0.1//驅(qū)動輸出繼電器Q0.0//驅(qū)動輸出繼電器Q0.1梯形圖語句表//使用邏輯“與”指令=ANLD=Q0.0M0.0I0.2Q0.1//驅(qū)動輸出繼電器Q0.0//驅(qū)動輸出繼電器Q0.1//使用邏輯“與非”指令A(yù)I0.1//使用邏輯“與”指令A(yù)M0.1M0.0網(wǎng)絡(luò)1網(wǎng)絡(luò)2I0.1Q0.0Q0.1I0.0I0.2LDI0.0M0.1圖3-9A和AN指令示例A和AN指令的操作數(shù)區(qū)域?yàn)镮、Q、M、SM、T、C、S、V、L。單個觸點(diǎn)可以連續(xù)串聯(lián)使用，最多為11個。3.2.3位邏輯“或”指令1．位邏輯“或”指令O位邏輯“