西门子S120控制器模块6SL3420-1TE21-8AA1

 前 言

    长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。另一方面，PLC还必须依靠其他新技术来面对市场份额逐渐缩小所带来的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。PLC需要解决的问题依然是新技术的采用、系统开放性和价格。

    PLC技术展的**终趋势仍然是人们所争论的焦点之一。大多数人认为，PLC将会继续失去市场份额；更有甚者认为，在工业PC面前，PLC将会一步一步走向死亡；但也有一部分人相信，一些特殊工业应用领域仍将为PLC提供一定的市场份额。

    在全球工业计算机控制领域，围绕开放与再开放过程控制系统、开放式过程控制软件、开放性数据通信协议，已经发生巨大变革，几乎到处都有PLC，但这种趋势也许不会继续发展下去。随着软PLC(SoftPLC)控制组态软件技术的诞生与进一步完善和发展，安装有SoftPLC组态软件和基于工业PC控制系统的市场份额正在逐步得到增长，这些事实使传统PLC供应商在思想上已经发生了戏剧性的变化，他们必须面对现实，在传统PLC的技术发展与提高方面作出更加开放的高姿态。对于控制软件来讲，这是PLC控制器的核心，PLC供应商正在向工业用户提供开放式的编程组态工具软件，而且对于工业用户表现得非常积极。此外，开放式通信网络技术也得到了突破，其结果是将PLC融入更加开放的工业控制行业。

    一、开放和基于工业PC控制

    PLC制造商已经开始注视基于工业PC控制技术所带来的强大冲击。有**甚至认为，新商务活动所带来的新技术和开放技术规范将会埋葬传统PLC。PLC制造商认为，虽然在工业现场安装有大量的PLC控制设备，但他们仍然需要联合工控软件公司，以便开发他们自己的基于工业PC的过程控制软件。

    诚然，几年前在工业现场明显存在着新旧PLC混合使用的情况，工业用户不得不同时学习相关的新旧知识，甚至彼此借鉴学习。大多数PLC制造商为工业用户仅仅提供了软逻辑和一种操作平台。

    在高端应用方面，很难进一步区分PLC控制系统和工业PC控制系统之间的差异，因为这两者均采用了同样类型的微处理器和内存芯片。形象地打个比喻，如果你忘掉工业PC和PLC这些词语字面上的含义，那么在箱子里所能够观察到的恰恰是一些基本计算机硬件技术，我们更多观察到的却是那些基本技术的复杂化和混合体，这些技术被有效地组合到控制系统中去。

    另外，采用开放控制的原因一方面是系统功能集成的需要，另一方面也是由于一些工业用 户对功能过分苛求所致。如果能够给予高度的重视，就能够获得更多的基本技术知识。PLC制造商专注于系统功能化，而工业用户则专注于系统应用。人们可以看到，将来的发展趋势是将更多的功能进一步集成到一个控制箱内。因而像顺序控制和过程控制这样的事件将会采用功能化方式进行处理，其他像运动控制等也能够共享到相同的控制结构体系中。

    可以相信，PLC技术将继续向开放式控制系统方向转移，尤其是基于工业PC的控制系统。后者除了在灵活性方面比传统PLC具有截然不同的优势外，还具有其他优点，如能够缩短系统投放到市场的周期，降低系统投资费用，提高从工厂底层到企业办公自动化的数据信息流动效率等。

    关于工业PC控制系统的实时响应问题已经得到很好的解决，也许其主要的东西仍然隐藏在技术背后，但缺乏相应的跟踪记录。对于PLC来讲，坚固性是其主要特点之一，这已经有相当多的跟踪记录来验证。工业用户仍然非常小心地对待PLC，他们正在对PLC作不同的技术测试工作。在利用一种新技术时，工业用户需要考虑的问题是要冒多大的风险，同时需要考虑对其商务活动能够带来多少机会和收益。

    但工业用户不完全相信开放式控制系统所带来的好处。随着技术的进一步发展，他们开始逐渐淡化这些思想观念。工业用户正在平衡采用新技术所存在的风险和给他们的商务活动所带来的收益，以便为今后的决策提供有效的保障。

    工业PC技术提供了许多功能，能够增强PLC的功能特性，包括内藏视频和高速浮点数字协处理器。尽管Microsoft公司没有进一步提升该项功能特性的计划，但新的Windows CE 3.0完全能够更好地满足过程控制的需要。

    不久前，Siemens公司公布了一套新的基于开放式控制系统的软件产品，即3.0版本的SIMATIC WinAC(Windows自动化中心)。WinAC是基于Windows NT，与SIMATIC S7 PLC兼容的适合于工业PC的控制系统解决方案。WinAC 3.0提供了具有较高集成度的Profibus现场总线局域网的连接性能，以及远程程序设计。此外，它还为现场控制设备本地化集成提供了一种新的DeviceNet I/O设备驱动程序，用于连接所安装的DeviceNet I/O设备。

    Steeplechase软件公司也已推出了一套支持硬实时过程控制的嵌入式Windows NT操作系统接口部件。该部件进一步结合了Steeplechase公司采用SBS技术并运行于Windows NT环境的工业Compact PCI的硬实时控制软件。现在，Steeplechase公司的可视化逻辑控制器已经升级到5.0版。该控制器适合于Windows NT 4.0和Windows 2000两种操作系统，它的实时引擎能够直接与普通的Ethernet和TCP/IP集成在一起。5.0版本的控制器利用了一种增强型OPC服务器驱动程序，因而比以前的版本具有更快的运行速度。其他一些特点还包括新OI网络特性，以及能够让工业用户自己设计出丰富多彩的动态图形画面等。

    Transysoft公司**近推出了新版本的ISaGRAF系列工业控制组态软件包，即ISaGRAF PRO，它是基于IEC 61131-3国际标准，并独立于任何硬件平台的软逻辑自动化控制软件包。在一个网络化过程控制系统环境中，该软件包能够应用于多种组态和分布式控制系统的开发，它包含了一套开发工具、应用程序工作平台，以及相应的“虚拟机器”运行时目标。该运行时目标能够运行于各种各样的硬件平台。

    CTC自动化工程公司已经发布了一套新的控制软件包MachineLogic PCLC（工业PC逻辑控制器），该软件可以让工业PC扮演PLC的角色，且仍然保持着工业PC的功能特性。该软件能够完成一台PLC所确定的控制任务，并且与程序执行时间一样快，均在1 ms以内；还能够同时处理多任务工作，但不能同时超过16个控制任务。一种具有优先级和多任务处理内核的机制保持着对每一件控制任务的跟踪，确保控制任务能够取得**高的优先权。该软件能够运行全部5种IEC 61131-3标准程序设计语言和PID控制程序，支持两种类型的I/O控制设备。一种是像Profibus和DeviceNet等这样的现场总线I/O设备；另一种是像ISA和PC/104这样的工业PC I/O模板。另外，该软件还提供了对控制系统的在线编辑组态功能。程序可以在Windows 95/98和Windows NT下开发并运行，但也能够在RTXDOS下执行。

    SoftPLC公司也提供了一种工控软件产品Tealware，有人非常形象地把这种软件产品称作穿着工业PC衣服的PLC。那些安装在支架上的控制系统已经有了小型PLC的形状系数，但SoftPLC公司的控制软件已经被嵌入到CPU中。Tealware软件能够满足各种类型工业用户的需要，从小型、单机系统到大型、分散多控制工作站应用。其特点包括全系列I/O模件、内藏Ethernet和工业串行通信接口。

    **近，Tealware软件已经升级到2.3版本。其中，控制软件提供了事实上无限的梯形图逻辑控制步序，同时允许有超过百万字的数据表；许多OI/SCADA应用接口；内藏Java引擎和FTP服务器用于远程维护与管理；支持用户自己编写的C、C++、Java程序和设备驱动程序；适合于嵌入式Web服务器用；程序设计的在线运行模式；坚固的I/O模件支持能力和许多其他标准PLC功能；可以运行所输入的，或者是经过转换的A-B公司的PLC-5、PLC-2/PLC、PLC-3和SLC-500程序。

    二、Ethernet的扩展与进一步容纳Web技术

    当前，在所有过程控制领域，**的发展趋势之一就是Ethernet技术的扩展。PLC也例外，现在，越来越多的PLC供应商开始提供Ethernet接口部件。在**近的几年间，我们已经看到，发展比现有普通小快灵PLC更加强大的PLC是种趋势。Ethernet将会成为PLC的通信标准吗？也许**终结果是这样的，但现在还为时尚早。对于在PLC上提供Ethernet接口将能够解决所有通信问题，人们普遍存在着误解。Ethernet仅仅定义了OSI参考模型底部的几层协议标准，如果上层协议相互之间不能兼容，那么仍然不可能进行相互之间的通信处理。打个比方，这如同一个不懂英语的中国人与一个不懂汉语的美国人之间是不能够通过电话进行对话一样。因此，协议就是设备之间相互通信的语言。

    另一方面，前进的步伐已经迈出，我们只有迎着困难而上，为了将Ethernet技术应用到工厂底层的现场过程控制设备中去，ODVA协会为此建立了一套全球性标准技术规范，即Ethernet/IP标准，以便能够解决在实际工作中所遇到的困难。

    向Ethernet靠近的一个目的在于通过Internet能够连接到所希望的任何地方。实际上，在一些意想不到的地方，Web服务器正在显露出其应有的威力。几年前，有一些PLC系统已经内藏了Web服务器，这无疑又为PLC系统增加了更多的特点。其他类型的控制设备也正在准备进一步集成Web服务器。例如，Square D公司已经有一个具备Ethernet连接接口的发动机控制中心，并正在准备开发一种内藏Web服务器连接接口的变速装置。

    内藏Web服务器所体一风的益处包括开放网络、商业工具的影响、客户机/服务器关系。在过去，工业用户可能会有代表性地询问一些有关PLC方面的信息，但在现在，由于新技术的不断诞生和发展，工业用户很容易就可以得到有关这方面的信息。另一方面，随着芯片和处理器大规模的生产，PLC生产制造商能够生产并提供开放网络的产品，让工业用户花较少的费用就能够购买到功能非常完善的PLC产品。

    在为将PLC连接到Ethernet和Web上提供技术支持方面，Schneider公司已经成了先驱者之一。**近，该公司推出了一种运行于Premium PLC平台的新型**Ethernet(100 Mb/s)模件。该模件为PLC能够连接到TCP/IP的Ethernet提供了全双工自适应10/100Mb/s的连接速度，现场过程控制器之间可以共享实时数据信息，自动扫描Momentum I/O模件和其他任何基于Modbus通信协议的现场控制设备，采用一个嵌入式Web服务器提供HTML通信服务，同时提供了SNMP用于标准网络通信管理。在一次展览会上，Schneider公司还向工业用户展示了他们有关透明工厂的观念。

    另外，Schneider公司**近还推出了基于Modicon公司的Momentum MIE系列处理器的适配器，该适配器提供了标准IEC程序控制性能，进一步为e-制造提供了完**解决方案。该适配器还提供了将智能化I/O系统和其他现场过程控制设备连接到Internet和Ethernet的能力，现场过程控制设备包括所有功能化实时过程控制器。

    几年前，Rockwell自动化公司也在其PLC产品中提供了Ethernet接口，而且正在坚定不移地稳步提高Ethernet的功能特性。该公司**近已经公布了一种柔性I/O模件解决方案，这种柔性I/O模件利用非专利版本的Ethernet技术能够提供实时过程控制性能。A-B公司提供的1756型ControlLogix I/O也是基于标准Ethernet TCP/IP和UDP数据传输协议的组件，其应用层使用了一种开放式、面向对象、基于生产者/ 消费者的技术。这种技术在ControlNet、DeviceNet和FF现场总线H1网络系统中也能够找到。

三、置位/复位指令型顺序控制系统设计法

    1．步进阶梯设计图5a为用置位/复位指令设计的顺序控制系统步进阶梯。其设计依据也是图1所示的控制流程。该步进阶梯结构的特点是每步的辅助继电器都有一个置位线圈和一个复位线圈，二者编号相同。步1利用置位指令S使辅助继电器M1置位（即M1线圈得电后内部自锁），建立步1程序，并为步2提供步进条件信号。当步2的转步主令信号发出（X2闭合），指令S使M2置位，建立步2程序，同时复位指令R使M1复位，撤销步1程序。同理可画出后续各步继电器置位/复位梯形图。当**后一步完成并回到原位（X1闭合）时，指令R使M4复位，系统的工作循环结束。

    2．输出阶梯设计图5b为输出阶梯结构，与图4b完全相同，不再赘述。

图5 置位/复位指令型顺序控制电路

    四、移位指令型顺序控制系统设计

    1．步进阶梯设计设计依据如图6所示。图7a为按图6所示要求采用移位指令设计法设计的顺序控制系统步进阶梯，这种步进阶梯由一个8位移位寄存器（由移位指令定义辅助继电器M20～M27而成）作为控制元件。该移位寄存器中的IN为移位数据输入端，CP为移位脉冲输入端，R为复位端。这三个输入端的输入信号均为脉冲上升沿有效。对顺序控制系统来说，输入IN的信号必须是一个单脉冲信号，即移位数据为“1”。起动步1时，IN和CP同时输入按钮信号X0的脉冲上升沿后，在IN端生成的移位数据“1”便移入移位寄存器的M20位，此时该位有输出（即输出M20的常开触点闭合信号），建立步1程序，并为步2提供步进条件信号；M20的常闭触点即时断开IN输入端和CP的步1输入端，完成数据“1”输入和移位脉冲输入。从步2起，本步的转步主令信号一发出（X2接通），便输入一个移位脉冲上升沿，使原来移入M20位的数据“1”移入M21位，建立步2程序，并为步3提供步进条件信号。移位后，M20位的状态变为0，即其相应的步1被撤销，输出为0。依此类推便可实现整个步进阶梯逐步得电和逐步失电。**后一步完成并回到原位（X1接通）时，接通移位寄存器的复位端R，使移位寄存器复位清零，整个控制系统失电停止。

图6 移位顺序控制流程图

图7 移位指令型顺序控制电路

    设计这种步进阶梯时要注意以下问题：（1）在一个自动工作循环内，移位寄存器的移位数据输入端IN只允许起动时输入一个单脉冲信号。也就是说起动时只能输入移位数据“1”。步进阶梯的工作原理就是根据输入的数据“1”，在移位寄存器中逐步向高位移位来实现逐步得电和逐步失电。所以输入端IN要串联每个移位输出位的常闭触点；（2）移位寄存器对移位脉冲输入端开关的抖动非常敏感。若开关抖动一次，相当于多输入了一个移位脉冲，移位数据“1”随之多移了一位。由于接点式开关被触发时难免产生抖动。为消除这种影响，在移位脉冲输入端的步1输入回路，必须串联移位寄存器0位（本例为M20）的常闭触点，一旦移位数据移入M20位，便断开步1的输入回路；而从步2开始，每步的输入回路也要串联上一位的常开触点。例如步2的输入回路要串联上一位M20的常开触点。这样，当移位到步2转步主令信号对应的M21位时，便立即断开步2的输入回路。采用这样的移位脉冲输入回路结构，可确保每步的转步输入信号持续时间只有PLC的一个扫描周期（一般只有几Mｓ），因开关的抖动时间远大于PLC的一个扫描周期。所以可有效地消除开关抖动的影响。

    2．输出阶梯设计图7b为输出阶梯，其结构与图4b相同，只是辅助继电器编号不同而已。

    结束语

    上述4种PLC顺序控制系统设计方法的共同特点是：

    （1）由输入继电器控制辅助继电器（包括由置位/复位指令和移位指令定义的辅助继电器），按此构成步进阶梯；

    （2）由辅助继电器控制输出继电器，以此构成输出阶梯；

    （3）无论步进阶梯还是输出阶梯，都是很有规律的回路结构。不管要设计的顺序控制系统有多少步，也不管其输入输出点数有多少，只要弄清各种设计方法所设计的步进阶梯和输出阶梯的回路结构的规律性，根据设计依据，套用其中任一种设计方法的回路结构，就能**地一次成功设计出较复杂的PLC顺序控制系统。

信号灯控制系统——以转换为中心的编程方式梯形图举例

如图5-29所示为以转换为中心的编程方式设计的梯形图与功能表图的对应关系。图中要实现X_i对应的转换必须同时满足两个条件：前级步为活动步（M_i-1=1）和转换条件满足（X_i=1），所以用M_i-1和X_i的常开触点串联组成的电路来表示上述条件。两个条件同时满足时，该电路接通时，此时应完成两个操作：将后续步变为活动步（用SET  Mi指令将M_i置位）和将前级步变为不活动步(用RST  M_i-1 指令将M_i-1复位)。这种编程方式与转换实现的基本规则之间有着严格的对应关系，用它编制复杂的功能表图的梯形图时，更能显示出它的优越性。

图5-29  以转换为中心的编程方式

如图5-30所示为某信号灯控制系统的时序图、功能表图和梯形图。初始步时仅红灯亮，按下起动按钮X0，4s后红灯灭、绿灯亮，6s后绿灯和黄灯亮，再过5s后绿灯和黄灯灭、红灯亮。按时间的先后顺序，将一个工作循环划分为4步，并用定时器T0～T3来为3段时间定时。开始执行用户程序时，用M8002的常开触点将初始步M300置位。按下起动按钮X0后，梯形图第2行中M300和X0的常开触点均接通，转换条件X0的后续步对应的M301被置位，前级步对应的辅助继电器M300被复位。M301变为“1”状态后，控制Y0（红灯）仍然为“l”状态，定时器T0的线圈通电，4s后T0的常开触点接通，系统将由第2步转换到第3步，依此类推。

图5-30  某信号灯控制系统

a）时序图 b）功能表图 c）以转换为中心编程的梯形图

使用这种编程方式时，不能将输出继电器的线圈与SET、RST指令并联，这是因为图5-30中前级步和转换条件对应的串联电路接通的时间是相当短的，转换条件满足后前级步马上被复位，该串联电路被断开，而输出继电器线圈至少应该在某一步活动的全部时间内接通。

西门子PLC系列产品的特点简介

LOGO、S7-200、S7-300和S7-400系列PLC，这几个系列PLC基本是由南京出产，网上相关介绍资料也比较多了，就不做太多介绍。重点为大家介绍下进口的S7-1200和S7-1500系列PLC，目前这块网上谈及的资料并不是很多，以供大家了解。

LOGO和S7-200是超小型化的PLC，适合于单机控制或小型系统的控制，适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等；S7-300是模块化小型PLC系统，可用于对设备进行直接控制，可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控，还适合中型或大型控制系统的控制，能满足中等性能要求的应用；S7-400则用于中、**性能范围的可编程序控制器，能进行较复杂的算术运算和复杂的矩阵运算，还可用于对设备进行直接控制，也可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控。

S7-1200是紧凑型PLC，是S7-200的升级版，具有模块化、结构紧凑、功能全面等特点，适用于多种应用，能够保障现有投资的长期安全。它采用更快的处理芯片，布尔运算执行速度从S7-200的0.22us提升到0.08us，提升幅度达275%，非常接近S7-300的水平，而且经过测试，S7-1200与S7-300计算速度基本一致，大幅**S7-200。它采用的CPU工作存储器远超S7-200的存储器，支持存储卡的容量甚至超过了S7-300所支持的存储卡容量，标配PROFINET以太网接口，以及全面的集成工艺功能，可以作为一个组件集成在完整的综合自动化解决方案中。

S7-1500是新一代大中型PLC，比S7-300/400的各项指标有很大的提高，专为中高端设备和工厂自动化设计，可供用户使用的充足的资源和超高速的运算处理速度，拥有卓越的系统性能，并集成一系列功能，包括运动控制、工业信息安全，以及可实现便捷安全应用的故障安全功能。其创新的设计使调试和安全操作简单便捷，而集成于TIA博途的诊断功能通过简单配置即可实现对设备运行状态的诊断，简化工程组态，并降低项目成本。