PLC通俗易懂教程_西门子学习入门详细

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第一章 ＰＬＣ概述

一、可编程控制器的产生及定义

①１９６９年美国数字设备公司（DEC）研制出世界第一台可编程控制

器，并成功地应用在美国通用汽车公司（GM）的生产线上。但当时

只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC （programmable logic controller）。

②70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使PLC从开

关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电

子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC（programmable controller）。但由于PC容易与个人计算机（personal computer）相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。

③1985年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下：

可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下

的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程序的存储器，用来在

其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作

的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生

产过程。

④PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控

制方面具有一定优势。继电器在控制系统中主要起两种作用：（1）逻

辑运算（2）弱电控制强电。

⑤PLC是集自动控制技术、计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工

业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。

二、可编程控制器的分类及特点

（一）分类

（１）从组成结构形式分

①一体化整体式ＰＬＣ

②模块式结构化ＰＬＣ

（２）按Ｉ／Ｏ点数及内存容量分

①超小型ＰＬC

②小型ＰＬＣ

③中型ＰＬＣ

④大型ＰＬＣ

⑤超大型ＰＬＣ

（3）按输出形式分

①继电器输出

为有触点输出方式，适用于低频大功率直流或交流负载

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②晶体管输出 为无触点输出方式，适用于高频小功率直流负载

③晶闸管输出 为无触点输出方式，适用于高速大功率交流负载

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（二）特点

①可靠性高、抗干扰能力强

②编程简单、使用方便

③设计、安装容易，维护工作量少

④功能完善、通用性好，可实现三电一体化

PLC 将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运 动控制）这三电集于一体。

⑤体积小、能耗低 ⑥性能价格比高

三、可编程控制器的应用

①开关量的逻辑控制

②位置控制

③过程控制

④数据处理

⑤通信联网

⑥ＣＩＭＳ的应用

四、PLC 控制系统的分类

（一）、集中式控制系统 集中式控制系统是用一个PLC 控制一台或多个被控设备。主要用于

输入、输出点数较少，各被控设备所处的位置比较近，且相互间的

动作有一定联系的场合。其特点是控制结构简单。

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第４页 （二）、远程式控制系统

远程式控制系统是指控制单元远离控制现场，PLC 通过通信电缆与

被控设备进行信息传递。该系统一般用于被控设备十分分散，或工

作环境比较恶劣的场合。其特点是需要采用远程通信模块，提高了

系统的成本和复杂性。

（三）分布式控制系统 分布式控制系统即采用几台小型PLC 分别独立控制某些被控设备，

然后再用通信线将几台PLC 连接起来，并用上位机进行管理。该系

统多用于有多台被控设备的大型控制系统，其各被控设备之间有数

据信息传送的场合。其特点是系统灵活性强、控制范围大，但需要

增加用于通信的硬件和软件，系统的复杂性也更大。

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第二章 可编程控制器原理

２.1 ＰLC的组成与基本结构

２.1.1 ＰＬＣ的基本组成

ＰＬＣ主要由中央处理单元、输入接口、输出接口、通信接口等部分组

成，其中ＣＰＵ是ＰＬＣ的核心，Ｉ／Ｏ部件是连接现场设备与ＣＰＵ

之间的接口电路，通信接口用于与编程器和上位机连接。

对于整体式ＰＬＣ，所有部件都装在同一机壳内；对于模块式ＰＬＣ，

各功能部件独立封装，称为模块或模板，各模块通过总线连接，安装在

机架或导轨上。不同厂商生产的不同系列产品在每个机架上可插放的模

块数是不同的，一般为３－１０块。可扩展的机架数也不同，一般为２

－８个机架。基本机架与扩展机架之间的距离不宜太长，一般不超过

１０M.。

2.1.2 ＰＬＣ各组成部分

1、中央处理单元ＣＰＵ

ＣＰＵ通过输入装置读入外设的状态，由用户程序去处理，并根据

处理结果通过输出装置去控制外设。

一般的中型可编程控制器多为双微处理器系统，一个是字处理器，

它是主处理器，由它处理字节操作指令，控制系统总线，内部计数

器，内部定时器，监视扫描时间，统一管理编程接口，同时协调位

处理器及输入输出。另一个为位处理器，也称布尔处理器，它是从

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处理器，它的主要作用是处理位操作指令和在机器操作系统的管理下实现ＰＬＣ编程语言向机器语言转换。

ＣＰＵ处理速度是指ＰＬＣ执行１０００条基本指令所花费的时间。

2、存储器

存储器主要存放系统程序，用户程序及工作数据。

ＰＬＣ所用的存储器基本上由ＰＲＯＭ，ＥＰＲＯＭ，ＥＥＰＲＯＭ及ＲAM等组成。

3、输入／输出部件

输入／输出部件又称Ｉ／Ｏ模块。ＰＬＣ通过Ｉ／Ｏ接口可以检测被控对象或被控生产过程的各种参数，以这些现场数据作为ＰＬＣ对控对象进行控制的信息依据。同时ＰＬＣ又通过Ｉ／Ｏ接口将处理结果送给被控设备或工业生产过程，以实现控制。

4、编程装置和编程软件

ＰＬＣ是以顺序执行存储器中的程序来完成其控制功能的。

5、电源部件

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2.2ＰＬＣ的基本工作原理

２.2.1 ＰＬＣ的循环扫描工作过程

（一）ＰＬＣ的循环扫描

ＰＬＣ的ＣＰＵ是采用分时操作的原理，每一时刻执行一个操作，随着

时间的延伸一个动作接一个动作顺序地进行，这种分时操作进程称为

ＣＰＵ对程序的扫描。ＰＬＣ的用户程序由若干条指令组成，指令在存

储器中按序号顺序排列。ＣＰＵ从第一条指令开始，顺序逐条地执行用

户程序，直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。

（二）ＰＬＣ工作过程

1、公共操作

公共操作是在每次扫描程序前进行的自检。

2、数据Ｉ／Ｏ操作

数据Ｉ／Ｏ操作也称为Ｉ／Ｏ状态刷新。它包括两种操作：

①采样输入信号，即刷新输入状态表的内容

②送出处理结果，即用输出状态表的内容刷新输出电路

3、执行用户程序操作

4、处理外设请求操作

外设的请求命令包括操作人员的介入和硬件设备的中断

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２.2.2 ＰＬＣ的Ｉ／Ｏ滞后现象

造成Ｉ／Ｏ响应滞后的原因：

①扫描方式

②电路惯性

输入滤波时间常数和输出继电器触点的机械滞后

③与程序设计安排有关

２.３ ＰＬＣ的编程语言

２.3.1 梯形图编程

（一）PLC 的编程特点

1、程序的执行顺序

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两图实现相同的功能。当IS1闭合时，1Y1、1Y2输出。系统上

电之后，当1S1闭合时，继电器梯形图中的1Y1、1Y2会同时得电，若不考虑继电器触点的延时，则1Y1、1Y2会同时输出。但在PLC 梯形图中，因为PLC 的程序是顺序扫描执行的，PLC 的指令按从上向下，从左向右的扫描顺序执行，整个PLC 的程序不断循环往复。PLC 的“继电器”的动作顺序由PLC 的扫描顺序和在梯形图中的位置决定，因此，当1S1闭合时，1Y1先输出而1Y2后输出。即继电器采用并行的执行方式，而PLC 则采用串行的执行方式。

2、继电器自身的延时效应

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传统的继电器的触点在线圈得电后动作时有一个微小的延时， 并且常开和常闭触点的动作之间有一微小的时间差。而PLC 中的继电器都为软继电器，不会有延时效应，当然，这里忽略 了PLC 的扫描时间。

3、PLC 中的软继电器

每个继电器有无数个常开和常闭触点。

（二）PLC 编程的基本原则

（１）每个梯形图网络由多个梯级组成，每个输出元素可构成一

个梯级，每个梯级可由多个支路组成。

（２）梯形图每一行都是从左母线开始，而且输出线圈接在最右

边，输入触点不能放在输出线圈的右边。

（３）输出线圈不能直接与左母线连接。

（４）多个的输出线圈可以并联输出。

（５）在一个程序中各输出处同一编号的输出线圈若使用两次

称为“双线圈输出”。双线圈输出容易引起误动作，禁止使用。

（６）ＰＬＣ梯形图中，外部输入／输出继电器、内部继电器、

定时器、计数器等器件的触点可多次重复使用。

（７）梯形图中串联或并联的触点的个数没有限制，可无限次的

使用。

（８）在用梯形图编程时，只有在一个梯级编制完整后才能继续

后面的程序编制。

（９）梯形图程序运行时其执行顺序是按从左到右，从上到下的

原则。

（二）编程技巧及原则“上重下轻，左重右轻，避免混联”

（１）梯形图应把串联触点较多的电路放在梯形图上方 （２）梯形图应把并联触点较多的电路放在梯形图最左边

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第１１页 （３）为了输入程序方便操作，可以把一些梯形图的形式作适当

变换

2.3.2 语句表编程

ＰＬＣ的语句：操作码＋操作数 操作码用来指定要执行的功能，告诉ＣＰＵ该进行什么操作；操

作数内包含为执行该操作所必需的信息，告诉ＣＰＵ用什么地方

的数据来执行此操作。

操作数的分配原则：

（１）为了让ＣＰＵ区别不同的编程元素，每个

独立的元素应指定一个互不重复的地址

（２）所指定的地址必须在该型机器允许的范

围之内。

2.3.3 其它编程语言

功能图编程．高级编程语言（Ｃ语言．Pascal 语言等） 编程语言

用户类 应用 语

句表（STL ） 愿意用类似于机器码语言编程的用户 程序在运行时间和存贮空间要求上最优 梯

形图（LAD ）

习惯电路图的用户 编写逻辑控制程序 功能图（FBD ） 熟悉布尔代数逻辑图的用户 编写逻辑控制程序

SCL （结构控制语言）可选软件包 用高级语言。如PASCAL 或C 语言编程的用户

数据处理任务程序

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第１２页 S7 Graph （顺序控制）可选软件包

有技术背景，没有PLC 编程经验的用户

以顺序过程的描述很方

便 S7 HiGraph （状态图形）可选软件包

有技术背景，没有PLC 编程经验的用户

以异步非顺序过程的描

述很方便 CFC （连续功能图）可选软件包

有技术背景，没有PLC 编程经验的用户

适用于连续过程的描述

第三章SIMATIC S7-300 PLC 系统特性及硬件构成

3.1 S7-300 PLC 系统结构

3.1.1 S7-300 PLC 的组成

主要组成部分有导轨（ＲＡＣＫ）、电源模块（ＰＳ）、中央处理单元ＣＰＵ

模块、接口模块（ＩＭ）、信号模块（ＳＭ）、功能模块（ＦＭ）等，通过 ＭＰＩ网的接口直接与编程器ＰＧ、操作员面板ＯＰ和其它Ｓ７ＰＬＣ相 连。

3.1.2 S7-300的扩展能力

CPU314一个机架上最多只能再安装八个信号模块或功能模块，最多可以扩

展为四个机架。中央处理单元总是在０机架的２号槽位上，１号槽安装电 源模块，３号槽总是安装接口模块，槽号４至１１，可自由分配信号模块、 功能块。

3.1.3 S7-300模块地址的确定

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第１３页 数字Ｉ／Ｏ模块每个槽划分为４Ｂyte（等于３２个Ｉ／Ｏ点），模拟Ｉ／Ｏ

模块每个槽划分为１６Byte（等于８个模拟量通道），每个模拟量输入或输 出通道的地址总是一个字地址。 槽号 机架 模板

起始

地址

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

0 数字

量

模拟

量

PS CPU IM 0 256 4 2728 28812 30416 32020 336 24 352 28 3681 数字

量

模拟

量

IM 32 38436 40040 41644 43248 44852 464 56 480 60 4962 数字

量

模拟

量

IM 64 51268 52872 54476 56080 57684 592 88 608 92 6243 数字

量

模拟

量 IM 96 640100656104672108688112704116 720 120 736 124752

怎样确定信号模板的地址

（一）确定数字量模板的地址

一个数字量模板的输入或输出地址由字节地址和位地址组成。字节地

址取决于其模板起始地址。

例如：如果一块数字量模板插在第4槽里，其地址分配如下：

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（二）确定模拟量模板的地址

模拟量输入或输出通道的地址总是一个字地址。通道地址取决于模板的起始地址。

例如：如果第一块模拟量模板插在第4号槽，其地址分配如下：

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第１５页 3.2 S7-300 PLC 存储区简介

3.2.1 S7-300编程方式简介

S7-300 PLC 的编程软件是STEP 7。 用户程序由组织块(OB)、功能块(FB,FC)、数据块(DB)构成。

OB 是系统操作程序与用户应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制 程序的运行。OB1是主程序循环块，在任何情况下，它都是需要的。

功能块(FB,FC)实际上是用户子程序，分为带“记忆”的功能块FB 和不 带“记忆”的功能块FC。前者有一个数据结构与该功能块的参数表完全 相同的数据块(DB)附属于该功能块,并随着功能块的调用而打开，随着功 能块的结束而关闭。该附属数据块(DB)叫做背景数据块，存在背景数据 块中的数据在FB 块结束时继续保持，也即被“记忆”。功能块FC 没有背 景数据块，当FC 完成操作后数据不能保持。

数据块(DB)是用户定义的用于存放数据的存储区。

S7 CPU

还提供标准系统功能块(SFB,SFC)。

3.2.2 S7-300 PLC 的存储区

S7-300 CPU 有三个基本存储区：

（１）系统存储区：ＲＡＭ类型，用于存放操作数据（Ｉ／Ｏ、

位存储、定时器、计数器等）。

（２）装载存储区：物理上是ＣＰＵ模块中的部分ＲＡＭ，加上

内置的ＥＥＰＲＯＭ或选用的可拆卸ＦＥＰＲＯＭ卡，用

于存放用户程序。

（３）工作存储区：物理上是占用ＣＰＵ模块中的部分ＲＡＭ，

其存储内容是ＣＰＵ运行时，所执行的用户程序单元（逻

辑块和功能块）的复制件。

ＣＰＵ程序所能访问的存储区为系统存储区的全部、工作存储区

中的数据块ＤＢ、暂时局部数据存储区、外设Ｉ／Ｏ存储区等。

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程序可访问的存储区及功能

名称 存储区

存储区功能

输入(I)

输入过程映象

表

扫描周期开始，操作系统读取过程输入值并录入表中，在处理过程中，程序使用这些值 每个CPU 周期，输入存储区在输入映象表中所存放的输入状态值，它们是外设输入存储区头128Byte 的映象

输出(Q)

输出过程映象

表

在扫描周期中，程序计算输出值并存放该表中，在扫描周期结束后，操作系统从表中读取输出值，并传送到过程输出口，过程输出映象表是外设输出存储区的头128Byte 的映象

位存储区(M) 存储位

存放程序运算的中间结果

外设输入(PI) 外设输出(PQ) I/O:外设输入I/O:外设输出

外设存储区允许直接访问现场设备（物理的或外部的输入和输出），外设存储区可以字节，字和双字格式访问，但不可以位方式访问

定时器(T)

定时器 为定时器提供存储区 计时时钟访问该存储区中的计时单元，并以减法更新计时值 定时器指令可以访问该存储区和计时单元

计数器(C) 计数器

为计数器提供存储区，计数指令访问该存储区

临时本地数据(L)

本地数据堆栈（Ｌ堆栈）

在ＦＢ、ＦＣ可ＯＢ运行时设定。在块变量声明表中声明的暂时变量存在该存储区中，提供空间以传送某些类型参数和存放梯形图中间结果。块结束执行时，临时本地存储区再行分配。

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第１７页 不同的CPU 提供不同数量的临时

本地存储区

数据块

(DB)

据块 ＤＢ块存放程序数据信息，可被所有逻辑块公用（“共享”数据块）或（被ＦＢ特定占用“背景”数据块）

3.3 S7-300 PLC 中央处理单元CPU 模块

3.3.1 CPU 模块概述

中央处理单元ＣＰＵ的主要特性，包括存储器容量、指令执行时间、最

大Ｉ／Ｏ点数、各类编程元件（位存储器、计数器、定时器、可调用块） 数量等。

S7-300可编程控制器CPU314的技术数据 程序存储量

24K 每1K 语句执行时间

0.3ms 计数器

64个（C0~C63） 计数范围：0~999 定时器

128个（T0~T127） 定时范围：10ms~9990s 通讯接口

MPI 编程软件

STEP7 位存储器

2048个（MB0~MB255） 数据块 最多127（DB0保留） 大小：最大8KB

嵌套深度：8层

机架 最多4个

每个机架的信号模块数：最多8

个

应用场合

对编程范围和操作处理速度有高要求的大型设备

3.3.2 CPU 模块的方式选择开关和状态指示二极管 S7-300的CPU 有四种工作方式，通过可卸的专用钥匙控制：

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（１）ＲＵＮ－Ｐ：可编程运行方式。

（２）ＲＵＮ：运行方式。

（３）ＳＴＯＰ：停机方式。

（４）ＭＲＥＳ：ＣＰＵ清零

用钥匙开关进行程序的清除

在开始一个新的编程工作时，我们需要将中央处理器进行清零处理。它

将很容易地通过操作CPU上的钥匙开关来实现。为此我们必须进行以下

的操作步骤：

1．接通PLC工作电源，并等待至CPU的自检测运行完成

2．转动钥匙开关至MRES位置，并保持这个状态，直至STOP发光二极管从闪动转为常亮状态

3．钥匙开关转至STOP位置并迅速转回MRES位置，保持这个状态，

STOP发光二极管开始快速闪动

4．STOP发光二极管的快速闪动，表示CPU已被清零

5．松开钥匙开关，这时钥匙会自动返回STOP位置

6．可编程控制器已被清零，并可以传输新的控制程序

程序的下传只能是钥匙开关在STOP或RUN－P位置进行

3.3.3 CPU单元的参数设置

（１）时钟存储器

S7-300有８个时钟存储器，每个频率都不一样。可以在０－

２５５范围内定义任一字节为时钟存储器字节。

A period duration/frequency is assigned to each bit of the

clock memory byte:

Bit 7 6 5 4 3 2 1 0

Period

duration (s): 2 1.6 1 0.8 0.5 0.4 0.2 0.1

Frequency

(Hz): 0.5 0.625 1 1.25 2 2.5 5 10

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（２）循环中断参数

（３）最长循环时间

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（４）ＭＰＩ参数

3.3.4 CPU的循环时间计算

循环时间是一个程序循环所占用的时间，循环时间由过程映像传送时

间、操作系统的执行时间和用户程序的执行时间三大部分组成

练习：

一、填空题：

（1）美国数字设备公司于（ ）年研制出世界第一台ＰＬＣ。

（2）ＰＬＣ从组成结构形式上可以分为（ ）和（

）两类。

（3）ＰＬＣ以（ ）工作方式工作的。

（4）一般由程序控制的数字电子设备产生的故障常有两种，一种是（

）；另一种是（ ）。

（5）ＰＬＣ是由（ ）逻辑控制系统发展而来的，它在（

）、（ ）方面具有一定优势。

（6）ＰＬＣ的基本组成主要由（ ）、（

）、（ ）、（ ）等部分组成。

（7）ＰＬＣ的处理速度是指ＰＬＣ执行（ ）条基本指令所 花费的时间。

（8）ＰＬＣ所用的存储器基本上由（ ）、（

）、（ ）等组成。

（9）ＰＬＣ运行时，内部要进行一系列操作，大致可分为四大类：（

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）操作、（ ）操作、（ ）操作、（

）操作。

（10）常用的ＰＬＣ编程语言有（ ）、（

）、（ ）等。

（11）S7-300 PLC 314CPU 一个机架最多可安装（ ）个信号模 块，最多可扩展为（ ）个机架，机架之间的通讯距离最

大不超过（ ），最大数字量Ｉ／Ｏ点数（ ），

支持的可保持的定时器最多为（ ）个，计数器最多

为（ ）个。

（12）CPU314支持的OB、FB、FC、DB的容量均不大于（ ）KB。

（13）确定机架０的６号槽上SM323 DI8/DO8的地址范围（

）以及５号槽上SM334 AI4/AO2的地址 范围（ ）。

（14）手编器一般采用（ ）语言编辑。

（15）高速、大功率的交流负载，应选用（ ）输出的输出接口 电路。

（16）PLC产品手册中给出的“存储器类型”和“程序容量”是针对 （ ）存储器而言。

(17)PLC控制系统分（ ）、（ ）、（

）三大类。

（18）S7-300 CPU所用的存储区基本上由（ ）、（

）、（ ）组成。

（19）ＣＰＵ程序所能访问的存储区为（ ）、（

）、暂时局部数据存储区、外设Ｉ／Ｏ存储区等

二、画出下面程序正确的梯形图

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gtlq.html