S7-200实例教程

第1章可编程控制器概述1.1可编程控制器的产生和定义1.2PLC的特点与应用领域1.3PLC的分类1.4PLC与其他控制系统的比较1.5PLC的发展趋势习题第1章可编程控制器概述可编程控制器的产生和定义　　可编程控制器产生以前，以各种继电器为主要元件的电气控制线路承担着生产过程自动控制的艰巨任务，由成百上千只各种继电器所构成的复杂的控制系统需要用成千上万根导线连接起来，安装这些继电器需要大量的继电器控制柜，且占据大量的空间。当这些继电器运行时，又会产生大量的噪音，消耗大量的电能。为保证控制系统的正常运行，需安排大量的电气技术人员进行维护，有时某个继电器的损坏，甚至某个继电器的触点接触不良，都会影响整个系统的正常运行。如果系统出现故障，要进行检查和排除故障是非常困难的，因为这要依靠现场电气技术人员长期积累的经验。章可编程控制器概述　　尤其是在生产工艺发生变化时，可能需要增加很多的继电器，而继电器重新接线或改线的工作量极大，甚至可能需要重新设计控制系统。尽管如此，这种控制系统的功能也仅仅局限于能实现具有粗略定时、计数功能的顺序逻辑控制。因此，人们迫切需要一种新的工业控制装置来取代传统的继电器控制系统，使电气控制系统工作更可靠、更容易，更能适应经常变化的生产工艺要求。章可编程控制器概述　　在20世纪60～70年代，电子技术已经有了一定的发展，计算机技术已经初露端倪，人们受到计算机的存储器可以反复改写的启发，开始寻求一种以存储逻辑代替接线逻辑的新型工业控制设备。　　1968年，美国通用汽车公司(GM)提出了他们关于汽车流水线的控制系统的具体控制要求，即“GM十条”。这是一次公开招标的研制任务，当时小型计算机已在美国出现，但人们将计算机用于工业控制的尝试还没有成功。“GM十条”的内容如下：　　(1)编程简单，可在现场修改和调试程序；　　(2)维护方便，采用插入式模块结构；章可编程控制器概述　　(3)可靠性高于继电器控制系统；　　(4)体积小于继电器控制柜；　　(5)能与管理中心的计算机系统进行通信；　　(6)成本可与继电器控制系统相竞争；　　(7)输入量是115V交流电压(美国电网电压是110V)；　　(8)输出量为115V交流电压，输出电流在2A以上，能直接驱动电磁阀；　　(9)系统扩展时，原系统只需做很小改动；　　(10)用户程序存储器容量至少4KB。章可编程控制器概述　　1969年，美国数据设备公司(DEC)为GM公司的生产流水线研制了世界上公认的第一台可编程控制器。当时的可编程序控制器只能用于执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能，所以被称为可编程序逻辑控制器(ProgrammableLogicalController)，简称PLC。　　进入20世纪70年代后的PLC已不再是仅有逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID控制和数据通信功能，因此被改称为可编程序控制器或可编程控制器，简称PC。但PC已被计算机行业定义为个人计算机(PersonalComputer)，因此一般仍用PLC作为可编程序控制器的简称。章可编程控制器概述　　1987年2月，国际电工委员会(IEC)在可编程序控制器的标准草案中作了如下定义：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外围设备易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充其功能。　　可编程序控制器在控制系统应用方面优于计算机，它易于与自动控制系统相连接，可以方便灵活地构成不同要求、不同规模的控制系统，其环境适应性和抗干扰能力极强，所以也称为工业控制计算机。的特点　　PLC具有以下特点：　　(1)高可靠性，抗干扰能力强。继电接触器系统中，由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象大大降低了系统的可靠性。而在PLC系统中，接线减少到继电器控制系统的1/10～1/100，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加上PLC充分考虑了工业生产环境电磁、粉尘、温度等各种干扰，在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，因此PLC具有极高的可靠性。据有关资料统计，目前某些品种的PLC平均无故障时间甚至达到了几十万小时。章可编程控制器概述　　(2)适应性强，应用灵活。由于PLC产品均为系列化生产，品种齐全，多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便，因此用户可根据自己的需要灵活选用，以满足系统大小不同及功能繁简各异的控制要求。　　(3)编程方便，易于使用。PLC的编程采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气技术人员的欢迎。近年来各生产厂家都加强了通用计算机运行的编程软件的制作，使程序的组织及下载工作更加方便。　　章可编程控制器概述　　(4)功能强，扩展能力强。PLC中含有数量巨大的用于开关量处理的类似继电器的软元件，可轻松地实现大规模的开关量逻辑控制，这是一般的继电器系统所不能实现的。PLC可以方便地与各种类型的输入、输出量连接，实现D/A、A/D转换及PID运算，实现过程控制、数字控制等功能。PLC具有联网通信功能，它不仅可以控制一台单机及一条生产线，还可以控制一个机群及许多条生产线；不仅可以进行现场控制，还可以用于远程监控。章可编程控制器概述　　(5) PLC控制系统设计、安装、调试方便。PLC中相当于继电接触器系统中的中间继电器、时间继电器、计数器等编程元件，虽数量巨大，却是用程序(软接线)代替硬接线，因而安装接线工作量少。设计人员只要有PLC就可进行控制系统设计并可在实验室进行模拟调试。而继电器系统的调试则是靠在现场改变接线进行的，十分繁琐复杂。　　(6)维修方便，维修工作量小。PLC有完善的自诊断、履历情报存储及监视功能，对于其内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示。工作人员通过这些显示功能可以查找故障原因，便于迅速处理。章可编程控制器概述　　(7) PLC体积小、质量轻，易于实现机电一体化。PLC常采用箱体式结构，体积及质量只有通常接触器的大小，易于安装在控制箱中或安装在运动物体中，开关柜的体积缩小到原来的1/2～1/10。采用PLC的控制系统功能强大，调速、定位等功能都可以通过电气方式完成，可以大大减少机械的结构设计，有利于实现机电一体化。的应用领域　　可编程控制器的应用十分广泛，有多种分类方法。有的从产品角度划分，有的从被控物理量的角度划分。从被控物理量的角度可将PLC的应用领域概括如下：　　1.顺序控制　　顺序控制即逻辑控制，主要指开关量的控制。这是PLC昀基本的应用领域，也是昀适合PLC的应用领域。它用以取代传统的继电接触器控制系统，可应用于单机控制、多机群控制或生产线自动控制。例如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、包装生产线、电镀流水线及电梯控制等。章可编程控制器概述　　2.运动控制　　运动控制指通过控制电动机的转速或转角实现运动体运动速度及位置的控制。工厂中昀常见的运动控制的例子是数控机床，刀具按照给定的坐标行走。近年来许多PLC制造商在自己的产品中增加了脉冲串输出指令(PTO)，使PLC方便地用于定位及调速系统。更专业的运动控制方案是选用专门的位置控制模块，PLC把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴或数轴到目标位置。　　3.过程控制　　过程控制指连续生产场合的控制，如石油、化工生产场合，生产一般是不能间断的。这些场合的控制参数叫做过程参数，如温度、压力、速度和流量等。这些参数多为模拟量。PLC通过模拟量单元、比例-积分-微分(Proportional-Integral-Derivative，PID)模块或主机自带的PID指令实现闭环过程控制。章可编程控制器概述　　4.数据处理　　数据处理是计算机昀擅长的工作，也是一个内容十分广泛的概念。如数据的四则运算、乘方、开方是数据处理，生产实时数据的收集筛选是数据处理，机械加工中的数控机床也是数据处理。可编程控制器具有大量的功能指令支持这些工作，使PLC在这些应用领域大显身手。　　5.通信和联网　　PLC的通信包括主机与远程I/O间的通信、多台PLC之间的通信、PLC与其他智能设备(计算机、变频器、数控装置、智能仪表)之间的通信。随着工业自动化程度的不断提高，多机间的数据联通、远程的数据传送越来越重要。近年来PLC的通信功能不断加强，PLC已经在各类工业控制网络中发挥着巨大的作用。的分类　　可编程控制器具有多种分类方式，了解这些分类方式有助于PLC的选型及应用。　　1.根据I/O点数分类　　根据I/O(输入/输出)点数将PLC分为微型机、小型机、中型机和大型机。　　(1)微型机。I/O点数小于64点的为微型机，其内存容量为256B～1KB。这一类PLC主要用于单台设备的监控，在纺织机械、数控机床、塑料加工机械、小型包装机械上应用广泛，有时还应用于家庭。章可编程控制器概述　　(2)小型机。I/O点数在64～256点的为小型机。小型机一般只具有逻辑运算、定时、计数和移位等功能，用于小规模开关量的控制，可实现条件控制、顺序控制等。有些小型机也增加了一些算术运算和模拟量处理、数据通信等功能。小型机的特点是价格低、体积小，适用于控制自动化单机设备及开发机电一体化产品。　　章可编程控制器概述　　(3)中型机。I/O点数在256～1024点之间的为中型机。它除了具备逻辑运算功能，还增加了模拟量输入/输出、算术运算、数据传送、数据通信等功能，可完成既有开关量又有模拟量的复杂控制。中型机的软件比小型机丰富，在已固化的程序内，一般还有PID调节，整数/浮点运算等功能模块。中型机的特点是功能强、配置灵活，适用于具有诸如温度、压力、流量、速度、角度、位置等模拟量控制和大量开关量控制的复杂机械以及连续生产过程的控制场合。章可编程控制器概述　　(4)大型机。I/O点数在1024点以上的为大型机。大型机的功能更加完善，具有数据运算、模拟调节、联网通信、监视记录、打印等功能。大型机的内存容量超过640KB，监控系统采用CRT显示，能够表示生产过程的工艺流程、各种曲线、PID调节参数选择图等，能进行中断控制、智能控制、远程控制等。大型机的特点是I/O点数特别多、控制规模宏大、组网能力强，可用于大规模的过程控制，构成分布式控制系统或整个工厂的集散控制系统(DCS)。章可编程控制器概述　　2．根据结构形式分类　　从结构上看，PLC可分为整体式、模块式及分散式三种形式。　　(1)整体式结构。这种结构的PLC的电源、CPU、I/O部件都集中配置在一个箱体中，有的甚至全部装在一块印制电路板上。图1-1所示OMRON公司的C40P型机即为整体式结构。整体式PLC结构紧凑，体积小，重量轻，价格低，容易装配在工业控制设备的内部。整体式PLC的缺点是主机的I/O点数固定，使用不够灵活，维修也较麻烦。章可编程控制器概述　　(