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PLC研发工程师对PLC工作原理的看法

 许多人觉得PLC很神秘，其实PLC是很简单的，其内部的CPU除了速度快之外，其他功能还不如普通的单片机。通常PLC采用16位或32位的CPU，带1或2个的串行通道与外界通讯，内部有一个定时器即可，若要提高可靠性再加一个看家狗定时器足够。

       PLC的关键技术在于其内部固化了一个能解释梯形图语言的程序及辅助通讯程序，梯形图语言的解释程序的效率决定了PLC的性能，通讯程序决定了PLC与外界交换信息的难易。对于简单的应用，通常以独立控制器的方式运作，不需与外界交换信息，只需内部固化有能解释梯形图语言的程序即可。实际上，设计PLC的主要工作就是开发解释梯形图语言的程序。

可编程控制器PLC与个人计算机PC的主要差异
（1）PLC工作环境要求比PC低，PLC抗干扰能力强；
（2）PLC编程比PC简单易学；
（3）PLC设计调试**；
（4）PC应用领域与PLC不同；
（5）PLC的输入/输出响应速度慢，（一般ms级），而PC的响应速度快（为微秒级）；
（6）PLC维护比PC容易。

  PLC控制系统一般来讲主要有以下七部分内容：

（1）根据设计任务书，进行工艺分析，并确定控制方案，它是设计的依据。
（2）选择输入设备（如按钮、开关、传感器等）和输出设备（如继电器、接触器、指示灯等执行机构）。
（3）选定PLC的型号（包括机型、容量、I/O模块和电源等）。
（4）分配PLC的I/O点，绘制PLC的I/O硬件接线图。
（5）编写程序并调试。
（6）设计控制系统的操作台、电气控制柜等以及安装接线图。
（7）编写设计说明书和使用说明书。

在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电机的启停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等，而PLC技术是解决上述问题的**有效、**便捷的工具，因此PLC在工业控制领域得到了广泛的应用。下面就PLC工业控制系统设计中的问题进行探讨。 

2 PLC系统设备选型 

PLC**主要的目的是控制外部系统。这个系统可能是单个机器，机群或一个生产过程。不同型号的PLC有不同的适用范围。根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有余量而不浪费资源的机型（小、中、大形机器）。并且结合市场情况，考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定价格性能比较好的PLC机型。 

目前市场上的PLC产品众多，国外**品牌有德国的SIEMENS;日本的 OMRON、MITSUBISHI、FUJI、Panasonic;美国的GE;韩国的LG等。国产品牌有研华、研祥、合力时等。近几年，PLC产品的价格有较大的下降，其性价比越来越高。PLC 的选型应从以下几个方面入手。 

2.1 确定PLC 控制系统的规模 

依据工厂生产工艺流程和复杂程度确定系统规模的大小。可分为大、中、小三种规模。 

小规模PLC控制系统:单机或者小规模生产过程，控制过程主要是条件、顺序控制，以开关量为主，并且I/O点数小于128 点。一般选用微型PLC,如SIEMENS S7-200等。 

中等规模PLC控制系统:生产过程是复杂逻辑控制和闭环控制，I/O点数在128——512 点之间。应该选用具有模拟量控制、PID控制等功能的PLC，如SIEMENS S7-300等。 

大规模PLC控制系统:生产过程是大规模过程控制、DCS系统和工厂自动化网络控制，I/O点数在512点以上。应该选用具有通信联网、智能控制、数据库、中断控制、函数运算的**PLC,如SIEMENS S7-400等, 再和工业现场总线结合实现工厂工业网络的通讯和控制。 

2.2 确定PLC I/O 点的类型 

根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有软硬件资源余量而不浪费资源的机型（小、中、大型机器）。 

根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是晶体管输出，或品闸管输出。不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。 

电磁阀的开闭、大电感负载、动作频率低的设备，PLC输出端采用继电器输出或者固态继电器输出;各种指示灯、变频器/数字直流调速器的启动/停止应采用晶体管输出。 

2.3 确定PLC编程工具 

（1） 一般的手持编程器编程。 手持编程器只能用商家规定语句表中的语句表（STL）编程。这种方式效率低，但对于系统容量小、用量小的产品比较适宜，具有体积小、价格低、易于现场调试等优点。 这主要用于微型PLC的编程。 

（2） 图形编程器编程。图形编程器采用梯形图（LAD）编程，方便直观，一般的电气人员短期内就可应用自如，但该编程器价格较高,主要用于微型PLC和中档PLC。 

（3） 计算机加PLC软件包编程 。这种方式是效率**高的一种方式，但大部分公司的PLC 开发软件包价格昂贵，并且该方式不易于现场调试，主要用于中**PLC系统的硬件组态和软件编程。 

3 PLC控制系统的设计 

PLC 控制系统设计包括硬件设计和软件设计。 

3.1 PLC控制系统的硬件设计 

硬件设计是PLC控制系统的至关重要的一个环节，这关系着PLC控制系统运行的可靠性、安全性、稳定性。主要包括输入和输出电路两部分。 

（1） PLC控制系统的输入电路设计。PLC供电电源一般为AC85—240V，适应电源范围较宽，但为了抗干扰，应加装电源净化元件（如电源滤波器、1:1隔离变压器等）;隔离变压器也可以采用双隔离技术，即变压器的初、次级线圈屏蔽层与初级电气中性点接大地，次级线圈屏蔽层接PLC 输入电路的地，以减小高低频脉冲干扰。 

PLC输入电路电源一般应采用DC 24V, 同时其带负载时要注意容量，并作好防短路措施，这对系统供电安全和PLC安全至关重要，因为该电源的过载或短路都将影响PLC的运行，一般选用电源的容量为输入电路功率的两倍，PLC输入电路电源支路加装适宜的熔丝，防止短路。 

（2） PLC控制系统的输出电路设计。依据生产工艺要求，各种指示灯、变频器/数字直流调速器的启动停止应采用晶体管输出，它适应于高频动作，并且响应时间短;如果PLC 系统输出频率为每分钟6 次以下，应**继电器输出，采用这种方法，输出电路的设计简单，抗干扰和带负载能力强。 

如果PLC输出带电磁线圈等感性负载，负载断电时会对PLC的输出造成浪涌电流的冲击，为此，对直流感性负载应在其旁边并接续流二极管，对交流感性负载应并接浪涌吸收电路，可有效保护PLC。 

当PLC扫描频率为10次／min 以下时，既可以采用继电器输出方式，也可以采用PLC输出驱动中间继电器或者固态继电器（SSR），再驱动负载。 

对于两个重要输出量，不仅在PLC内部互锁，建议在PLC外部也进行硬件上的互锁，以加强PLC系统运行的安全性、可靠性。 

对于常见的AC220V交流开关类负载，例如交流接触器、电磁阀等，应该通过DC24V微小型中间继电器驱动，避免PLC的DO接点直接驱动，尽管PLC手册标称具有AC220V交流开关类负载驱动能力。 

（3） PLC控制系统的抗干扰设计。随着工业自动化技术的日新月异的发展，晶闸管可控整流和变频调速装置使用日益广泛，这带来了交流电网的污染，也给控制系统带来了许多干扰问题，防干扰是PLC控制系统设计时必须考虑的问题。一般采用以下几种方式: 

隔离:由于电网中的高频干扰主要是原副边绕组之间的分布电容耦合而成，所以建议采用1:1超隔离变压器，并将中性点经电容接地。 

屏蔽:一般采用金属外壳屏蔽，将PLC系统内置于金属柜之内。金属柜外壳可靠接地，能起到良好的静电、磁场屏蔽作用，防止空间辐射干扰。 

布线:强电动力线路、弱电信号线分开走线，并且要有一定的间隔;模拟信号传输线采用双绞线屏蔽电缆。 

3.2 PLC 控制系统的软件设计 

在进行硬件设计的同时可以着手软件的设计工作。软件设计的主要任务是根据控制要求将工艺流程图转换为梯形图，这是PLC应用的**关键的问题，程序的编写是软件设计的具体表现。在控制工程的应用中，良好的软件设计思想是关键，优秀的软件设计便于工程技术人员理解掌握、调试系统与日常系统维护。 

（1） PLC控制系统的程序设计思想。由于生产过程控制要求的复杂程度不同，可将程序按结构形式分为基本程序和模块化程序。 

基本程序:既可以作为独立程序控制简单的生产工艺过程，也可以作为组合模块结构中的单元程序;依据计算机程序的设计思想，基本程序的结构方式只有三种:顺序结构、条件分支结构和循环结构。 

模块化程序:把一个总的控制目标程序分成多个具有明确子任务的程序模块，分别编写和调试，**后组合成一个完成总任务的完整程序。这种方法叫做模块化程序设计。我们建议经常采用这种程序设计思想，因为各模块具有相对独立性，相互连接关系简单，程序易于调试修改。特别是用于复杂控制要求的生产过程。 

（2） PLC控制系统的程序设计要点。PLC控制系统I/O分配，依据生产流水线从前至后，I/O点数由小到大;尽可能把一个系统、设备或部件的I/O信号集中编址，以利于维护。定时器、计数器要统一编号，不可重复使用同一编号，以确保PLC工作运行的可靠性。 

程序中大量使用的内部继电器或者中间标志位（不是I/O位），也要统一编号，进行分配。 

在地址分配完成后，应列出I/O分配表和内部继电器或者中间标志位分配表。 
彼此有关的输出器件，如电机的正/反转等，其输出地址应连续安排，如Q2.0/Q2.1等。 

（3） PLC控制系统编程技巧。PLC程序设计的原则是逻辑关系简单明了，易于编程输入，少占内存，减少扫描时间，这是PLC 编程必须遵循的原则。下面介绍几点技巧。 
PLC各种触点可以多次重复使用，无需用复杂的程序来减少触点使用次数。 

同一个继电器线圈在同一个程序中使用两次称为双线圈输出，双线圈输出容易引起误动作，在程序中尽量要避免线圈重复使用。如果必须是双线圈输出，可以采用置位和复位操作（以S7-300为例如SQ4.0或者 RQ4.0）。 

如果要使PLC多个输出为固定值 1 （常闭），可以采用字传送指令完成，例如 Q2.0、Q2.3、Q2.5、Q2.7同时都为1，可以使用一条指令将十六进制的数据0A9H直接传送QW2即可。 

对于非重要设备，可以通过硬件上多个触点串联后再接入PLC输入端，或者通过PLC编程来减少I/O点数，节约资源。例如:我们使用一个按钮来控制设备的启动/停止，就可以采用二分频来实现。 

模块化编程思想的应用:我们可以把正反自锁互锁转程序封装成为一个模块，正反转点动封装成为一个模块，在PLC程序中我们可以重复调用该模块，不但减少编程量，而且减少内存占用量,有利于大型PLC 程序的编制。 

4 PLC控制系统程序的调试 

PLC控制系统程序的调试一般包括I/O端子测试和系统调试两部分内容，良好的调试步骤有利于加速总装调试的过程。 

4.1 I/O端子测试 

用手动开关暂时代替现场输入信号，以手动方式逐一对PLC输入端子进行检查、验证，PLC输入端子的指示灯点亮，表示正常;反之，应检查接线或者是I/O点坏。 

我们可以编写一个小程序，在输出电源良好的情况下，检查所有PLC输出端子指示灯是否全亮。PLC输入端子的指示灯点亮，表示正常。反之，应检查接线或者是I/O点坏。 

4.2 系统调试 

系统调试应首先按控制要求将电源、外部电路与输入输出端子连接好，然后装载程序于PLC中，运行PLC进行调试。将PLC与现场设备连接。在正式调试前全面检查整个PLC控制系统，包括电源、接地线、设备连接线、I/O连线等。在保证整个硬件连接正确无误的情况下即可送电。 

把PLC控制单元的工作方式设置为“RUN”开始运行。反复调试消除可能出现的各种问题。在调试过程中也可以根据实际需求对硬件作适当修改以配合软件的调试。应保持足够长的运行时间使问题充分暴露并加以纠正。调试中多数是控制程序问题。一般分以下几步进行: 

（1） 对每一个现场信号和控制量做单独测试; 
（2） 检查硬件/修改程序; 
（3） 对现场信号和控制量做综合测试; 
（4） 带设备调试; 
（5） 调试结束。 

5 结束语 

PLC控制系统的设计是一个步骤有序的系统工程，要想做到熟练自如，需要反复设计和实践。本文是PLC控制系统的设计和实践经验的总结，在实际应用中具有良好的效果。

西门子中型PLC系列S7-300的新特性

西门子中型可编程控制器系列S7-300技术革新啦！S7-300 PLC是SIMATIC S7家族中的中型可编程序控制器，作为以前版本的升级，新一代固件版本为V3.0的S7-300系列的CPU 312、314、315-2 DP 和315F-2 DP已经发布，这些CPU都有新的订货号。

新一代的S7-300系列CPU与以前对应版本备件兼容，具备以下亮点：性能方面，性能提升了2倍或者更高。内存方面，CPU 314 从96 KB扩展到128 KB ，CPU 315-2 DP从128 KB扩展到256 KB ，CPU 315F-2 DP从 192 KB扩展到384 KB。此外，可以同时在线监控两个快，技术数据也趋于一致，I/O过程映像区增大。同时，CPU 315(F)-2 DP 的PROFIBUS可以使用同步模式，并带有可以进行数据设置的路由。

性能提升

新一代的S7-300 CPU性能比现有的312，314 和315(F)-2 DP CPU有了显著提升，例如，新一代的CPU的用户程序执行速度是原来CPU的2倍或更高。位运算时间缩减到50ns，字运算时间缩减到90ns，定点和浮点数运算性能也有了较大的提升。

同时监控两个块

新一代S7-300固件版本V3.0CPU的可以同时在线监控两个块，用户可以选择在一个PG或PC上同时监视两个块或在两个PG或PC上同时监控一个块。此外，增加了在块状态中监视的程序行数，只有在STEP 7 V5.4 SP5中才有这个功能。

技术数据的一致性

S7-300 CPU的技术数据趋于一致。已经对下面这些S7-300 CPU的固件进行了一致化或增添了一些功能：

——所有的S7-300 CPU具有相同的块数量(FC、FB、DB)

——相同的本地数据量大小

——每个优先级具有相同的嵌套层数：16

——除了CPU312以外的S7-300 CPU具有相同的块容量：64KB

——所有S7-300 CPU都具备：300个可同时激活的Alarm_S块

——相同的时间延时中断OB块：OB20 和OB21

——相同的周期中断OB块：OB32、 OB33、OB34 和OB35

——相同的全局通信数量：8

——断点数目从2个增加到4个

——CPU312 的标签有256 字节

——CPU 312 具有256个S7定时器/S7 计数器

——诊断缓冲器

诊断缓冲器的大小：500条诊断信息，**的100条具有保持功能

CPU运行状态下显示的诊断缓冲器条目可以为10到499条。默认值为10条。

兼容性

新一代的S7-300 CPU 在具有备件兼容性的条件下可以替代以前的版本。

旧版本的312、314、315(F)-2 DP CPU仍然可以订货，在大约1年的时间内，旧版本的312、314、315(F)-2 DP CPU和新一代的CPU可以同时提供，在此之后，我们只提供V3.0或更高版本的CPU。

西门子SIMATIC系列PLC的子系列的功能和适用范围

SIMATIC S7-200系列PLC

SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性价格比。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。    

SIMATIC S7-300系列PLC

S7-300是SIMATIC控制器中销售量**多的产品，它已成功地用于范围广泛的自动化领域。S7-300 的重点在于为生产制造工程中的系统解决方案提供一个通用的自动化平台，是用于集中式或分布式结构的优化解决方案。模块化设计，安装简单、维护方便。

 S7系列PLC分为S7-200小型机、 S7-300中型机、S7-400大型机。S7-200系列PLC是西门子公司20世纪90年代推出的整体式小型机，其结构紧凑、功能强，具有很高的性能价格比，在中小规模控制系统中应用广泛。

 

S7-200系列PLC的外形图

 

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