基于PLC的自动扶梯控制系统设计(本科毕业优秀论文)

基于PLC的自动扶梯控制系统设计

摘要

自动扶梯是现代商场、超市不可缺少的运输工具，用于倾斜输送乘客、货物。

传统的自动扶梯控制系统主要采用继电器--接触器进行控制，其缺点是触点多，故障率高、可靠性差、维修工作量大等，而采用 PLC组成的控制系统可以很好地解决上述问题。

本文通过讨论自动扶梯控制系统的组成，阐述可编程控制器（PLC）在电梯

控制中的应用，采用西门子PLC编程的程序控制方式，提出了自动扶梯的PLC控制系统总体设计方案、设计过程及最后的仿真结果，列出了具体的主要硬件电路、电梯的控制梯形图，并给出了系统组成框图和程序流程图。在分析、处理故障信号逻辑关系的基础上，提出了PLC的编程方法，设计了一套完整的自动扶梯控制系统方案。并进行了程序的调试，最终使用MCGS软件将整个控制界面用动画的方式展示了出来。

关键词：自动扶梯 PLC 梯形图 MCGS 控制系统

I

Control system design based on PLC of escalator

Abstract

As an indispensable transportation tool for modern stores supermarkets,

Escalator is used for carrying passengers, goods, the traditional escalator control

system mainly adopts relays-contact device control, its shortcoming is contacts, high

failure rate, poor reliability, maintenance workload big, etc, and use of PLC control

system can well solve the problems.

This paper discussed the composition of the escalator control system, expounded

the programmable controller (PLC) in the elevator control application, adopted the

mode of programming which is used Siemens PLC program control , put forward the

escalator PLC control system overall design scheme, design process and the final

simulation results, list the major hardware circuit, the elevator control ladder

diagram, and gave the system composition diagram and program flow chart. put

forward PLC programming method based on the analysis and deal with the re fault

signal , designed a set of complete escalator control system scheme. And the

adjustment of the program, and eventually used MCGS show the entire control

interface out by animation.

Key words: Escalator PLC ladder diagram MCGS control system

目录

摘要................................................................................................................................. I

Abstract ......................................................................................................................... II

第一章 引言.................................................................................................................. 1

1.1自动扶梯的发展和研究现状.......................................................................... 1

1.1.1自动扶梯的发展历史........................................................................... 1

1.1.2国内自动扶梯的实例介绍................................................................... 2

1.2自动扶梯的概述.............................................................................................. 3

1.2.1 自动扶梯的定义.................................................................................. 3

1.2.2 自动扶梯的基本结构.......................................................................... 3

1.2.3 自动扶梯的分类.................................................................................. 5

1.2.4 自动扶梯的主要参数.......................................................................... 5

第二章 S7—200系列PLC的概述 ............................................................................. 6

2.1 PLC的定义 ..................................................................................................... 6

2.2 PLC的基本组成 ............................................................................................. 6

2.3 可编程控制器的特点、分类和技术指标..................................................... 8

2.3.1可编程控制器的特点........................................................................... 8

2.3.2可编程控制器的分类......................................................................... 10

2.3.3 可编程控制器的技术指标................................................................ 11

2.4 PLC的工作原理 ........................................................................................... 12

2.4.1PLC的工作模式 ................................................................................. 13

2.4.2 PLC工作过程 .................................................................................... 13

第三章 系统实现的总体方案.................................................................................... 16

3.1 系统实现的主要功能................................................................................... 16

3.1.1 扶梯的运行与停止功能.................................................................. 16

3.1.2 扶梯的故障处理功能...................................................................... 17

3.1.3 扶梯的自动润滑功能...................................................................... 17

3.2可编程控制器与其他控制器的比较............................................................ 17

3.2.1可编程控制器与继电接触器控制系统的比较................................. 17

3.2.2可编程控制器与微机控制系统的比较............................................. 18

3.2.3可编程控制器与单片机控制的比较................................................. 19

第四章 系统硬件设计................................................................................................ 20

4.1输入/输出点的分配 ...................................................................................... 20

4.2主要硬件选型................................................................................................ 22

4.2.1三相异步电机选型............................................................................. 23

4.2.2PLC选型 ............................................................................................. 23

第五章 PLC控制程序设计 ....................................................................................... 24

5.1 STEP7软件 ................................................................................................... 24

5.1.1 STEP7软件概述 ................................................................................ 24

5.1.2 STEP7 软件基本功能 ....................................................................... 24

5.1.3界面及主要部分功能......................................................................... 25

5.2 控制程序开发............................................................................................... 26

5.3.1星三角形切换电路............................................................................. 26

5.3.2 自动扶梯的上下行切换.................................................................... 28

5.3.3自动扶梯检修点动运行..................................................................... 29

5.3.4自动润滑系统控制............................................................................. 30

5.3.5故障显示模块..................................................................................... 30

表5-1 安全开关的故障显示码 ................................................................................. 31

第六章基于MCGS的监控组态设计 ........................................................................ 32

6.1 MCGS简介 ................................................................................................ 32

6.2 自动扶梯的监控系统设计......................................................................... 32

6.2.1 制作监控界面.................................................................................... 32

6.2.2 动画连接............................................................................................ 33

第七章总结.................................................................................................................. 37

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第一章 引言

1.1自动扶梯的发展和研究现状

1.1.1自动扶梯的发展历史 自动扶梯的起源可以追溯到1859年，当时的那森·艾米斯申报了一项“自

动滚梯”方案，该方案由一套通过滚轮驱动，首尾相连、连续不断运动的楼梯组

成。

十九世纪末，两名美国人分别在研究电动扶梯。1897年，杰斯·雷诺

(Jesse W. Reno)在美国纽约康尼岛的游乐场建成了一条使用斜板行走，类

似自动扶梯的机动游戏。而查理斯·西伯格(Charles Seeberger)则在1898

年购下一项关于自动扶梯的发明专利，并且与奥的斯电梯公司合作，1899

年在纽约州制造出第一条有水平的梯级，扶手和梳齿板的电动扶梯。1900

年举行的巴黎博览会上，西伯格成功展出了他们以“电动扶梯”(Escalator)

为名的产品，并且获得了一项头奖。1910年奥的斯收购了西柏格的专利，

次年再购下雷诺的公司。1920年,奥的斯把两者的设计结合，成为今天自动

扶梯的基本设计。1922年, 奥的斯公司制造了世界上第一台现代化自动扶梯,

水平楔槽式梯级与梳齿板相结合, 此后被其它自动扶梯制造商所沿用。1985年,

三菱电机公司研制出曲线运行的螺旋型自动扶梯, 并成功投入生产。1991年, 三

菱电机公司开发了带有中间水平段的大提升高度自动扶梯。这种多坡度型自动扶

梯, 在大提升高度时可降低乘客对高度的恐惧感, 并能与大楼楼梯结构协调配

置。1993 年,据《日立评论》报道,日本日立制作所开发了可以乘运大型轮椅的

自动扶梯, 几个相邻梯级可以联动形成支持轮椅的平台。20世纪90 年代末, 富

士达公司开发了变速式自动人行道,即自动人行道以分段速度运行, 乘客从低速

段进入, 然后进入高速平稳运行段, 再后进入低速段离开。这样提高了乘客上下

自动人行道时的安全性, 缩短了长行程时的乘梯时间。2000年4月, 美国

Elevator World报道, 位于德国汉堡的蒂森自动扶梯工厂,制造出全彩色自动扶

梯梯级,它由玻璃纤维材料制成,有蓝色、绿色、红色、灰色和黑色等。彩色梯级

为建筑师提供了丰富的设计想象空间。2002年4月17日至20日,三菱电机公司在第

第一章 引言

5届中国国际电梯展览会上展出了倾斜段高速运行的自动扶梯模型。可铰接伸缩

的驱动齿条结构在运行时可使梯级的间隔发生变化, 从而使速度也产生变化。其

倾斜段的速度是出入口水平段速度的1.5倍, 这样既缩短了乘客的乘梯时间, 也

提高了乘客上下扶梯的安全性与平稳性。2003 年2 月, 奥的斯公司发布新型的

Next Step自动扶梯, 它采用Guarded 踏板设计, 梯级踏板和围裙板成为协调运

行的单一模块; 它还采用了其它一些提高自动扶梯安全性的新技术, 自动扶梯

技术又一次更新。

随着科学技术的发展，自动扶梯技术也越来越成熟。各国扶梯产业入雨后春

笋，在改革开放的大潮流下，中国的扶梯产业也日渐成熟。

1.1.2国内自动扶梯的实例介绍

目前世界各大电梯企业在国内都有了合资企业，如迅达、奥的斯、三菱、日

立、东芝、通力等。在中国目前的重载公共交通型自动扶梯市场领域内主要有以

下几位厂商：

OTIS（天津、广州）公司的主导产品为510PSE型自动扶梯，最大提升高度

为12m，精旷的外观设计给人以厚重的安全感，其产品在轨道交通领域内的应用

实例为上海地铁一号线。

SCHINDLER（中迅、苏迅）公司的主导产品为SC9700和SC9300型自动扶梯，

最大提升高度为50m，外观设计精巧、细致。备有4种驱动方式，3种扶手带传

动方式以适用于不同的用户需求。具有ECO节能方式。其产品在轨道交通领域内

的应用实例为上海轻轨明珠线、北京地铁复八线、香港荃湾交通线等。

KONE公司的主导产品为TRANS VARIO-RHD型自动扶梯，最大提升高度为50m，

产品不仅拥有精巧的外观，内在品质也很高。曳引方式采用无链驱动，曳引、减

速、传动三者融为一体，行星齿轮传动高效静噪。

CNIM公司的扶梯系列产品，因其较早确立在城市轨道交通领域内的领先优

势，一度成为工程业主的首选品牌。其产品在轨道交通领域内的应用实例为北京

地铁复八线、香港地铁、台北捷运系统等。

SJEC(江南)公司是借90年代早期国内扶梯市场供不需求的东风而迅速崛起

的，其产品已经走出国门。江南电梯公司曾开发出我国第一台变频多坡度自动扶

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梯，在中国电梯界激起一阵波澜。其JHD型自动扶梯现运行于厦门市政工程中，

外观落落大方。

1.2自动扶梯的概述

1.2.1 自动扶梯的定义

自动扶梯，亦称电动扶梯，是一种以运输带方式运送行人的运输工具。一般

是斜置。行人在扶梯的一端站上自动行走的梯级，便会自动被带到扶梯的另一端，

途中梯级会一路保持水平。枎梯在两旁设有跟梯级同步移动的扶手，供使用者扶

握。自动扶梯可以是永远向一个方向行走，但多数都可以根据时间、人流等需要，

由管理人员控制行走方向。

自动扶梯的出现给人类的日常生活带来极大的便利。自动扶梯作为运送旅

客的交通工具, 不仅成功地缩小了目标间的距离, 而且使超短途( 如楼层、月台

间等) 的大流量人员运输成为可能。因此, 经济学家说: “自动扶梯的出现使人

们有了逛大型商场的欲望。”交通学家说“是自动扶梯和自动人行道的应用使我

们可以把车站、机场建的尽可能大。”自动扶梯的应用已经改变了我们的生活, 并

已经成为现代物质文明的一个重要标志。

1.2.2 自动扶梯的基本结构

自动扶梯的主要由桁架、驱动装置、运载系统、扶手装置、安全装置、润滑

系统及室外自动扶梯防盗防水防尘设施等组成。

1）桁架

自动扶梯的金属骨架，一般由上水平段、下水平段和直线段组成，也是承载

部件，具有连接两个不同层高的地面、承受各种载荷及安装支撑所有零部件的作

用。因此它必须具有足够大的强度和刚度，一般由角钢、型钢焊接而成。

2）驱动装置

通常由电动机、减速器、中间传动件、主驱动轴、制动器、传动链轮及链条

等组成 ，安装在桁架的端部，主要功能和作用是驱动扶梯运行，同时限制超速

和阻止逆转运行，是扶梯的主要部件，也是主要的振动源和噪声源。

第一章 引言

3）运载系统

由梯级、牵引构件、梯路导轨系统、梳齿前沿板等组成。当扶梯运行时，梯

级链将驱动主机的动力传送给梯级，使梯级沿着梯路导轨运行，安全快速运输乘

客。

4）扶手装置

由扶手带、扶手带驱动装置、护壁板、扶手支架和导轨、扶手带张紧装置、

围裙板、内盖板、外盖板等组成，扶手装置安装在两台特殊的胶带输送机上，与

梯级同步运行，也有流动的美感效果。

5）安全保护装置

（1）工作制动器、紧急制动器和附加制动器

工作制动器安装在主机上，是确保扶梯正常停车的制动器，紧急制动器直接

作用在主驱动轴上，是确保扶梯紧急情况下有效地停车、并保持静止状态的制动

器，附加制动器直接安装在主驱动轴上，在工作制动器失效时实现加强制动力矩，

确保扶梯停止运行。

（2）超速保护装置

当扶梯超速运行至某设定值或欠速运行至某设定值时超速保护装置动作，切

断扶梯的电源，使扶梯停止运行。

（3）防逆转保护装置

是防止扶梯改变规定运行方向的自动停止控制装置，当扶梯发生逆转时，该

装置能使工作制动器或附加制动器动作，使扶梯停止运行。

（4）梳齿板安全保护装置

当异物卡在梯级踏板和梳齿之间造成梯级不能与梳齿板正常啮合时，此时梯

级不能正常进入梳齿板，梯级的前进力会使梳齿板抬起移位，使微动开关动作，

扶梯停止运行，达到安全保护的作用。

（5）扶手带入口安全保护装置

当扶手带的入口的橡胶套受到30~50N的压力时，会使微动开关动作，是电

梯停止运行，防止人的手和手臂被扯入

6）润滑系统

机械零件摩擦会产生大量的热，加剧机件的磨损，配备自动加油润滑装置可

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以减少机件摩擦产生的热量，降低运行噪声，延长使用寿命，主要润滑的机械部

件包括主驱动链条、梯级驱动链条、扶手驱动链条、以及导轨转向壁等。

1.2.3 自动扶梯的分类

自动扶梯的分类方法很多，可以从不同角度来分。

(1)按驱动方式分类：有链条式(端部驱动)和齿轮齿条式(中间驱动)两类。

(2)按使用条件分：有普通型(每周少于140h运行时间)和公共交通型(每周

大于140h运行时间)。

(3)按提升高度分：有最大至8m的小提升高度，和最大至25m中提升高度以

及最大可达65m的大提升高度3类。

(4)按运行速度分：有恒速和可调速两种。

(5)按梯级运行轨迹分：有直线型(传统型)、螺旋型、跑道型和回转螺旋型

4类。

1.2.4 自动扶梯的主要参数

主要参数：

(1)额定速度(Y／)：梯级在空载情况下的运行速度(m／s)。一般为0.5m／s、

0.65m／s及0.75m／s。

(2)倾角(α)：梯级运行时与水平面构成的最大角度，通常为30°或

35°。

(3)提升高度(H)：扶梯的上基点与下基点的垂直高度差(m)。

(4)梯级宽度(B)：梯级名义宽度(mm)。

(5)梯级水平段(L)：扶梯进口处水平运行的距离(mm)。

当ｖ=0．50m／s时，L≥800mm；

当v≤0．65m／s时，L≥1200mml

当v≤0．75m／s时，L≥1600mm。

第二章S7-200系列PLC的概述

第二章 S7—200系列PLC的概述

2.1 PLC的定义

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计

的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控

制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出

控制各种类型的机械或生产过程。

总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计

算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制

器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行

选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。

2.2 PLC的基本组成

从广义上将，PLC实质上是一种以数字控制为主要特征的工业控制计算机，

由硬件和软件两部分组成。与一般的计算机相比，它具有更强的与工业控制相连

接的接口，编程语言更直接使用于控制要求。因此，在硬件结构上，PLC与计算

机的组成十分相似，主要包括中央处理器（CPU）/存储器、I/O接口、电源等。

PLC的基本结构如图2-1所示。

CPU模块

I/O模块

编程器

电源

图2-1 PLC的基本结构

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1、中央处理单元(CPU)

CPU是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程

器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并

能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现

场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中

逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送

入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O

映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运

行，直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双

CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，

整个系统仍能正常运行。

2、存储器

PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器。系统存储器用来存放系统软件

用户程序存储器用来存放应用软件。

PLC通常使用以下几种物理存储器

（1）随即存取存储器（RAM）用户可以用编程装置读出RAM中的内容，也可

以将用户程序写入RAM，其存取速度最快，由锂电池支持。

（2）只读存储器（ROM）ROM的内容只能读出，不能写入，它是非易失性的，

电源切断后，仍能保存储存的内容。ROM用来存放PLC的系统程序。

（3）电擦除可编程的只读存储器（EEPROM）EEPROM是非易失性的，但是可以

用编程装置对它编程，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点，但是将信息

写入它所需的时间比RAM长得多。EEPROM用来存放用户程序和需长期保存的重

要数据，存储器的信息可保留10年以上。

3、I/O接口

I/O接口是PLC与外界连接的接口。PLC通过输入模块把控制现场的状态、

信息读入主机，通过输出模块把经用户程序的运算与决策所得的操作结果输出给

执行机构。输入模块用于将控制现场输入信号变成CPU能接受的信号，并对其进

第二章S7-200系列PLC的概述

行滤波、电平转换、隔离、放大等。输入接口用来接收和采集两种类型的输入信

号：一类是有按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、

数字拨码开关等来的开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变

送器等来的模拟量输入信号。输出模块用于将CPU的决策输出信号变换成驱动控

制对象执行机构的控制信号（含开关量或模拟量），执行元件如，接触器、电磁

阀、指示灯，调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）等，并对输出信号进行功

率放大、隔离PLC内部电路和外部执行元件等。

2.3 可编程控制器的特点、分类和技术指标

2.3.1可编程控制器的特点

PLC技术之所以迅速发展，除了工业自动化领域的客观需要外，主要原因在

于与现有的各种控制方式相比，它具有一系列深受用户欢迎的特点。它较好地解

决了工业领域中普遍关注的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。主要具有以

下特点：

1.使用灵活、通用性强

PLC的硬件是标准化的，加之PLC的产品已系列化，功能模块品种多，可以

灵活组成各种不同大小和不同功能的控制系统。在PLC构成的控制系统中，只需

在PLC的端子上接入相应的输入输出信号线。当需要变更控制系统的功能时，可

以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输

入输出组件和应用软件的不同。

2.可靠性高、抗干扰能力强

微机功能强大但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动，

温度和湿度的变化，都可能导致一般通用微机不能正常工作；传统的继电器—接

触器控制系统抗干扰能力强，但由于存在大量的机械触点（易磨损、烧蚀）而寿

命短，系统可靠性差。PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存

储器件来完成，大部分继电器和繁杂连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性

大大提高，从实际使用情况来看，PLC控制系统的平均无故障时间一般可达4～5

万小时。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，能适应有各种强烈干扰的工

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业现场，并具有故障自诊断能力。如一般PLC能抗1000V、1ms脉冲的干扰，其

工作环境温度为0～60℃，无需强迫风冷。

3.接口简单、维护方便

PLC的接口按工业控制的要求设计，有较强的带负载能力（输入输出可直接

与交流220V，直流24V等强电相连），接口电路一般亦为模块式，便于维修更

换。有的PLC甚至可以带电插拔输入输出模块，可不脱机停电而直接更换故障模

块，大大缩短了故障修复时间。

4.体积小、功耗小、性价比高

以小型PLC（TSX21）为例，它具有128个I/O接口，可相当于400～800个

继电器组成的系统的控制功能，其尺寸仅为216×127×110mm3，重2.3kg，不带

接口的空载功耗为1.2W，其成本仅相当于同功能继电器系统的10～20％。PLC

的输入输出系统能够直观地反应现场信号的变化状态，还能通过各种方式直观地

反映控制系统的运行状态，如内部工作状态、通讯状态、I/O点状态、异常状态

和电源状态等，对此均有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监

视。

5.编程简单、容易掌握

PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑了现场工程技术人员的技能

和习惯。大多数PLC的编程均提供了常用的梯形图方式和面向工业控制的简单指

令方式。编程语言形象直观，指令少、语法简便，不需要专门的计算机知识和语

言，具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间内掌握。利用专用的编程器，

可方便地查看、编辑、修改用户程序。

6.设计、施工、调试周期短

用继电器—接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原

理图，然后画出继电器屏（柜）的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起

来十分不便。而采用PLC控制，由于其靠软件实现控制，硬件线路非常简洁，并

为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量（输入输出点数、内存

大小）等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩

短了设计周期，使设计和施工可同时进行。由于用软件编程取代了硬接线实现控

制功能，大大减轻了繁重的安装接线工作，缩短了施工周期。PLC是通过程序完

第二章S7-200系列PLC的概述

成控制任务的，采用了方便用户的工业编程语言，且都具有强制和仿真的功能，

故程序的设计、修改和调试都很方便，这样可大大缩短设计和投运周期。

2.3.2可编程控制器的分类

PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC的分类，通常根据其

结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致的分类。

1.按结构形式分类

根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。

（1）整体式PLC 整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一

个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体

式的结构。整体式的PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组

成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口以及与编程器

或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等。没有CPU.基本

单元和扩展单元之间一般用扁平的电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能

单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。

（2）模块式PLC 模块式OLC是将PLC各组成部分，分别做成若干个单独的

模块，入CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能

模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。

这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配

匥，便于扩展或维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。

还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓的叠装式PLC。

叠装式PLC的CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但他们之间是靠电

缆进行连接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还

可以做的体积小巧。

2.按功能分类

根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档PLC三类。

（1）低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本

功能，还可有少量模拟量I/O、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主主

要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制和单机控制系统。

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（2）—中档PLC 除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量I/O、算术

运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些

还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。

（3）高档PLC 除具有中档PLC的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵

运算、位逻辑运算、平方根运算及其他特殊功能函数的运算、制表及表格传送功

能等。高档PLC具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式

网络控制系统，实现工厂自动化。

3.按I/O点数分类

根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型PLC三类。

（1）小型PLC I/O点数为256点以下的为小型PLC。期中，I/O点数小于

64点的为超小型或微型PLC。

（2）中型PLC I/O点数为256点以上、2048点一下的为中型PLC。

（3）大型PLC I/O点数为2048以上的为大型PLC。其中，I/O点数超过8192

点的为超大型PLC.

在实际中，一般PLC功能的强弱与其I/O点数的多少事相互关联的，即PLC

的功能越强，其可配置的I/O点数越多。因此，通常我们所说的小型、中型、大

型PLC，除指I/O点数不同外，同时也表示其对应功能为低档、中档、高档。

2.3.3 可编程控制器的技术指标

1．存储容量

存储容量一般是指用户程序存储的容量。用户程序存储器的容量大，可以编

制出复杂的程序。一般来说，小型PLC的用户存储器容量为几千字节，而大型

PLC的用户存储器容量为几万字节。有些PLC的用户存储器需要另购外插的存储

卡，或者可以用存储卡扩充。

2．I/O点数

I/O点数是PLC可以接受的输入信号和输出信号的总和，是衡量PLC性能的

重要指标。I/O点数越多，外部可接的输入设备和输出设备就越多，控制规模就

越大。

3．扫描速度

第二章S7-200系列PLC的概述

扫描速度是指PLC执行用户程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标。一般

以扫描1K步用户程序所需的时间来衡量扫描速度，通常以ms/K步为单位。PLC

用户手册一般给出执行各条指令所用的时间，可以通过比较各种PLC执行相同的

操作所用的时间，来衡量扫描速度的快慢。

4．指令的功能与数量

指令功能的强弱、数量的多少也是衡量PLC性能的重要指标。编程指令的功

能越强，数量越多，PLC的处理能力和控制能力也就越强，用户编程也越简单和

方便，越容易完成复杂的控制任务。

5．内部元件的种类与数量

在编制PLC程序时，需要用到大量的内部元件来存放变量、中间结果、保持

数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。这些元件的种类与数量越多，

表示PLC的存储和处理各种信息的能力越强。

6．特殊功能单元

特殊功能单元种类的多少与功能的强弱是衡量PLC产品的一个重要指标。近

年来各PLC厂商非常重视特殊功能单元的开发，特殊功能单元种类日益增多，功

能越来越强，使PLC的控制功能日益扩大。例如：高速计数模块，位置控制模块。

闭环控制模块等。

7．可扩展能力

PLC的可扩展能力包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展、

各种功能模块的扩展等。在选择PLC时，经常需要考虑PLC的可扩展能力。

2.4 PLC的工作原理

与继电器控制系统相比，PLC的工作原理是建立在计算机工作原理基础上

的，是通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。CPU是以分时操作方式来处

理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以，程序的执行时按程序顺

序依次完成相应各电器的动作，在时间上形成串行工作方式。PLC的工作方式是

一个不断循环的顺序扫描工作方式，每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作

周期。

南京工业大学本科生毕业设计（论文）

2.4.1PLC的工作模式

PLC有RUN和STOP两种工作模式：在RUN模式下，通过执行用户程序来实

现控制功能；在STOP模式，CPU不执行用户程序，可以用编程软件创建和编辑

用户程序，设置PLC的硬件功能，并将用户程序和硬件设置信息下载到PLC。如

果有致命错误，在消除它之前不允许从STOP模式进入RUN模式。PLC操作系统

存储非致命错误，供用户检查，但不会从RUN模式自动进入STOP模式。

可以用模式开关来改变工作模式。CPU模块上的模式开关在STOP位置时，

将停止用户程序的运行；在RUN位置时，将启动用户程序的运行。模式开关在

STOP或TERM位置时，电源通电后CPU自动进入STOP模式；在RUN位置时，电

源通电后自动进入RUN模式。

PLC工作模式的扫描过程如图2-2所示。

2-2 PLC工作模式的扫描过程

2.4.2 PLC工作过程

PLC工作过程可用图2-3所示的运行框图来表示。

整个运行可分为3部分

（1）上电处理 PLCC上电后对系统进行一次初始化工作，包括：硬件初始化，

I/O模块配置检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。

（2）扫描过程 PLC完成上电处理后，进入扫描工作过程。

先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄

存器更新。当CPU处于STOP方式时，转入执行自诊断检查。当CPU处于RUN

方

第二章S7-200系列PLC的概述

式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊检查。

图2-3 PLC 工作过程框图

（3）出错处理 PLC每扫描

一次，执行一次自诊断检

车，确定PLC自身的动作是否正常，例如，CPU、电池电压、程序存储器、I/O、

通信等是否异常或出错。如检查出异常时，CPU面板上的LED积异常继电器会接

通，在特殊寄存器中会存入出错怠慢。当出现致命错误时，CPU被强制为STOP

方式，所有的扫描停止。

2.5 PLC的扫描过程

PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，

CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或

地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行

用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在

南京工业大学本科生毕业设计（论文）

每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。

PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

1）输入采样阶段：PLC 在输入采样阶段，首先以扫描方式按顺序将所有暂

存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的

输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。

2）程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经

相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有

的内容随着程序的执行而改变。

3）输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输

出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）

输出，驱动相应输出设备工作。

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