西门子模块6ES7221-1EF22-0XA0质保

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在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。为了使各位初学者方便地了解PLC，本文对PLC的发展、基本结构、配置、应用等基本知识作一简介，希望对各位网友有所帮助。　　　　一、PLC的发展历程
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，采用程序化的手段应用于电气控制，这就是代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。
个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。　　PLC的定义有许多种。电工（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，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设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。
二、PLC的构成
从结构，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
三、CPU的构成
CPU是PLC的，起神经的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。
CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。　　CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
四、I/O模块
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。
开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下：
开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA0-20mA）、电压型（0-10V0-5V-10-10V）等，按精度分，有12bit14bit16bit等。
除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受大的底板或机架槽数限制。
五、电源模块
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。
六、底板或机架
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
七、PLC系统的其它设备
1、编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目般由计算机（运行编程软件）充当编程器。
2、人机界面：简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。
3、输入输出设备：用于性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。
八、PLC的通信联网
依靠的工业网络技术可以有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。
PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。
对于一个自动化工程(特别是中大规模控制系统)来讲，选择网络非常重要的。，网络是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。

    为什么工控界信任PLC，选择PLC作为工控的部件呢，主要是由于PLC的以下五个特点：

1. 性高，抗干扰能力强

无触点控制：故障率少；

硬件措施：屏蔽、滤波、隔离；

软件措施：故障检测、信息保护和恢复、警戒时 钟（死循环报警）、程序检验

2. 使用灵活，通用性强

产品系列化，硬件结构模块式，可灵活选用；

软接线逻辑使得PLC能简单轻松的实现各种不同的控制任务，且系统设计。

3. 编程方便，易于掌握

     采用与继电器电路为相似的梯形图语言，直观易懂， SFC 功能图，使编程简单方便。

4. 接口简单，维护方便

    可直接与现场强电设备相连接，接口电路模块化。

有完善的自诊断及监视功能，便于查出故障原因，并处理。

5. 功能完善，

     除逻辑控制，定时计数，数字运算外，配合特殊功能模块还可以实现点位控制， PID 运算，过程控制，数字控制等功能，还可与上位机通信，远程控制等

在实际运用中，当需要对PLC的规模作出评价时，较为普遍的作法是根据输入／输出点数的多少或者程序存储器容量（字数）的大小作为评价的标准，将PLC分为小型、中型和大型（或小规模、中规模和大规模）三类。

存储器容量的大小决定存储用户程序的步数或语句条数的多少。输入／输出点数与程序存储器容量之间有内在的联系。当输入／输出点数增加时，顺序程序处理的信息量增大，程序加长，因而需加大程序存储器的容量。

一般来说，数控车床、铣床、加工等单机数控设备所需输入或输出点数多在128点以下，少数复杂设备在128点以上。而大型数控机床，FMC、FMS、FA则需要采用中规模或大规模PLC。

为了可编程序控制器作为工业控制装置的特点，或者为了与个人计算机“PC”或脉冲编码器“PLC”等术语相区别，除通称可编程控制器为“PLC”外，目前不少厂家，其中有些是世界的PLC厂家，还采用了与PLC不同的其他名称。现将几种常见名称列举如下：

    微机可编程控制器（Microprocessor Programmable Controller-MPC）；

    可编程接口控制器（Programmable Interface Controller-PIC）；

    可编程机器控制器（Programmable Machine Controller-PMC），

    可编程顺序控制器（Programmable Seguence Controller-PSC）。

    在了解了程序结构和编程方法的基础上，就要实际地编写 PLC程序了。编写 PLC 程序和编写其他计算机程序一样，都需要经历如下过程。

1)  对系统任务分块

分块的目的就是把一个复杂的工程，分解成多个比较简单的小任务。这样就把一个复杂的大问题化为多个简单的小问题。这样可便于编制程序。

2)  编制控制系统的逻辑关系图

从逻辑关系图上，可以反应出某一逻辑关系的结果是什么，这一又英国导出哪些动作。这个逻辑关系可以是以各个控制活动顺序为基准，也可能是以整个活动的时间节拍为基准。逻辑关系图反映了控制过程中控制作用与被控对象的活动，也反应了输入与输出的关系。

3)  绘制各种电路图

绘制各种电路的目的，是把系统的输入输出所设计的和名称联系起来。这是很关键的一步。在绘制 PLC 的输入电路时，不仅要考虑到信号的连接点是否与命名一致，还要考虑到输入端的电压和电流是否合适，也要考虑到在特殊条件下运行的性与稳定条件等问题。特别要考虑到能否把高压引导到 PLC 的输入端，把高压引入 PLC 输入端，会对 PLC 造成比较大的伤害。在绘制 PLC 的输出电路时，不仅要考虑到输出信号的连接点是否与命名一致，还要考虑到 PLC 输出模块的带负载能力和耐电压能力。此外，还要考虑到电源的输出功率和性问题。在整个电路的绘制中，还要考虑设计的原则努力提高其稳定性和性。虽然用 PLC 进行控制方便、灵活。但是在电路的设计上仍然需要谨慎、。因此，在绘制电路图时要考虑周全，何处该装按钮，何处该装开关，都要一丝不苟。

4)  编制 PLC 程序并进行模拟调试

在绘制完电路图之后，就可以着手编制 PLC 程序了。当然可以用上述方法编程。在编程时，除了要注意程序要正确、之外，还要考虑程序要简捷、省时、便于阅读、便于修改。编好一个程序块要进行模拟实验，这样便于查找问题，便于及时修改，不要整个程序完成后一起算总帐。

5)  制作控制台与控制柜

在绘制完电器、编完程序之后，就可以制作控制台和控制柜了。在时间紧张的时候，这项工作也可以和编制程序并列进行。在制作控制台和控制柜的时候要注意选择开关、按钮、继电器等器件的质量，规格满足要求。设备的安装注意、。比如说屏蔽问题、接地问题、高压隔离等问题妥善处理。

6)  现场调试

现场调试是整个控制系统完成的重要环节。任何程序的设计很难说不经过现场调试就能使用的。只有通过现场调试才能发现控制回路和控制程序不能满足系统要求之处；只有通过现场调试才能发现控制电路和控制程序发生矛盾之处；只有进行现场调试才能后实地测试和后调整控制电路和控制程序，以适应控制系统的要求。

7)  编写技术文件并现场试运行

经过现场调试以后，控制电路和控制程序基本被确定了，整个系统的硬件和软件基本没有问题了。这时就要整流技术文件，包括整理电路图、 PLC 程序、使用说明及帮助文件。到此工作基本结束

1.   可编程控制器的产生

PLC的诞生

1)      随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，在20世纪70年代初期、中期，设计制造出可编程逻辑控制器PLC，它能完成顺序控制，仅有逻辑运算、定时、计数等控制功能。

2)      20世纪70年代末至80年代初，可编程控制器的处理速度大提高，增加了许多特殊功能，使得可编程控制器不仅可以进行逻辑控制，而且可以对模拟量进行控制。

3)      20世纪80年代以来，随着大规模和大规模集成电路技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器为的可编程控制器也得到迅猛发展，其功能越来越强。PLC具有了高速计数、中断技术、PID调节、数据处理和数据通信功能。

4)      1985年1月电工(IEC)了PLC的标准。

2.   什么是PLC？

电工（IEC）在1987年2月颁布了PLC的标准草案（三稿），草案对PLC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装置，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，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，并通过数字式或模拟式的输入和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的外围设备都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。

3.   PLC的特点

3.1性高，抗干扰能力强

3.2通用性强，使用方便

3.3采用模块化结构，系统组合灵活方便

3.4编程语言简单、易学，便于掌握

3.5系统设计

3.6对生产工艺以身试法适应性强

3.7安装简单、调试方便、维护工作量小

4.   可编程控制器的分类

1)      按输入/输出点数分

a)      小型机

小型PLCI/O总点数在256点以下，用户程序存储容量在4KB左右。

b)      中型机

中型PLCI/O总点数在256∽2048点之间，用户程序存储容量在8KB左右。

c)      大型机

大型PLCI/O总点数在2048点以上，用户程序存储容量在16KB以上。

2)      按结构形式分

a)      整体式

b)      模块式

3)      按生产厂家分

在全世界有上百家PLC制造商，其中占PLC市场80%以上的生产公司是：德国的西门子（SIEMENS）公司、法国的施耐德（SCHNEIDER）自动化公司、日本的欧姆龙（OMRON）和三菱公司。

5.   PLC的应用

1)      开关量逻辑控制

2)      模拟量控制

3)      过程控制

4)      定时和计数控制

5)      顺序控制

6)      数据处理

7)      通信和联网

6.   PLC的发展趋势

a)      系列化、模块化

b)      小型机功能强化

c)      中、大型机高速度、高功能、大容量

d)      

e)      多功能

7.   可编程控制器技术性能指标

a)      I/O点数

I/O点数是指PLC外部I/O端子的总数。如FX毓的I/O点数多为256。

b)      扫描速度

一般指执行指令的时间，单位是μs/步，有时也以执行1000步指令的时间计，单位为ms/千步，通常为10ms，小型PLC的扫描时间可能大于40s。

c)      内存容量

通常以PLC所能存放用户程序的多少来衡量。

d)      指令系统

PLC指令的多少是衡量其软件功能强弱的主要指标。PLC具有的指令种类越多，它的软件功能则强。

e)      内部寄存器

寄存器的配置情况是衡量PLC硬件功能的一个指标。这些寄存器主要用以存放变量状态、结果和数据等。

 PLC的基础技术的进展，主要集中在两个基本方面：执行多任务和程序互换。

  所谓执行多任务，就是在一个PLC系统中可同时装几个CPU模块，每个CPU模块都执行某一种任务，控制与其所执行任务相关的I/O模块的存取。其实，按照IEC 61131-3的概念，我们应该确切地称之为通过多配置执行多任务。例如，三菱电机的小Q系列多可以在一个机架上插4个CPU模块；富士电机的MICREX-SX系列多可以在一个机架上插6个CPU模块。这些CPU模块可以是专门用于逻辑控制、顺序控制的，也可以是运动控制用的，还可以是做过程控制用的，上述在bbbbbbs操作系统的环境下执行PC机任务的模块，也是供用户选择的一种选项。从某种意义上讲，这也是一种混合式的控制系统。
PLC的传统软件模型包括一个资源，运行一个任务，控制一个程序，且运行于一个封闭系统中。而在IEC 61131-3可编程控制器编程语言标准的软件模型中，在其上层把解决一个具体控制问题的完整的软件概括为一个“配置”。它专指一个特定类型的控制系统，包括硬件装置、处理资源、I/O通道的存贮地址和系统能力，等同于一个PLC系统的应用程序。在一个由多台PLC或由多个CPU构成的PLC控制系统中，每一台PLC或每一个CPU的应用程序就是一个立的“配置”。在一个“配置”中可以定义一个或多个“资源”。可把“资源”看作能执行IEC程序的处理手段，它反映PLC的物理结构，在程序和PLC的物理I/O通道之间提供了一个接口。只有在装入“资源”后才能执行IEC程序。一般而言，通常资源放在PLC内，当然它也可以放在其它支持IEC程序执行的系统内。在一个“资源”内可以定义一个或多个任务。任务被配置后可以控制一组程序或功能块。这些程序和功能块可以是周期地执行，也可以由一个事件驱动予以执行。
    由此可见，该软件模型足以映像各类实际系统：对于只有一个处理器的小型系统，其模型只有一个配置、一个资源和一个程序，与现在大多数PLC的情况相符。对于有多个CPU模块插装在同一机架上的中、大型系统，每个CPU模块被视作一个配置，可由一个或多个资源来描述，而一个资源则包括一个或多个程序。对于分散型系统，包含多个配置，而一个配置又包含多个处理器，每个处理器用一个资源描述，每个资源则包括一个或多个程序。
    值得指出的是，近些年来在日本开始流行的多CPU的PLC结构，恰恰是在IEC 61131-3标准颁布后多年之后才问世的。这个PLC结构的性变化，显然是建立在这个软件模型的  理论基础上，要不然PLC还是由一个CPU按扫描方式执行一个程序的那种传统结构。
    至于程序互换的问题，至少到目前为止尚是一个努力的方向。只有在每个PLC的供应厂商所提供的PLC产品都真正遵循IEC 61131-3的标准，而且其编程系统的具体实现又切实符合IEC 61131-8《编程语言的应用和实现导则》，并通过PLCopen这个组织对各种编程语言（LD、SFC、FBD、ST和IL）的一致性测试，还要解决不同PLC的存储地址资源的对应互换，才有可能实现的程序互换。