第1章 PLC概述

自1969年第一台PLC（可编程序控制器）问世以来，经历了近40年的发展，PLC的种类在不断地更新，应用领域也在不断地扩大。目前，PLC的应用已经成为现代化设备的象征，并且PLC已经成为工业控制的主要手段和重要的基础控制设备之一。

1.1  PLC的特点

国际电工委员会（IEC）对PLC作了规定：“可编程序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、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。”这段话道出了PLC的特点和应用领域。PLC之所以被广泛使用，是和它的突出特点以及优越的性能分不开的。归纳起来，PLC主要具有以下特点。

1．可靠性高

为了满足工业生产对控制设备安全性和可靠性的要求，PLC采用了微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成。PLC选用的电子器件一般是工业级的，有的甚至是军用级的，平均无故障时间很长。例如，三菱F系列PLC平均无故障时间可以达到30万小时（约34年）。可以毫不夸张地说，到目前为止，没有任何一种工业控制设备可以有PLC这样高的可靠性。随着器件水平的提高，PLC的可靠性还在继续提高，尤其是近来开发出的多机冗余系统和表决系统更进一步提高了PLC的可靠性。PLC完善的自诊断功能，保证了PLC控制系统工作的安全性。由于PLC是用存储在其内部的程序来实现控制的，其控制程序设计本身就从各个方面考虑了PLC工作的可靠性、安全性和稳定性，这又进一步提高了可编程序控制器的可靠性。

2．环境适应性强

PLC具有良好的环境适应性，可应用于十分恶劣的工业现场。在电源瞬间断电的情况下，仍可正常工作；具有很强的抗空间电磁干扰能力，可以抗峰值1000V，脉宽10μs的矩形波空间电磁干扰；具有良好的抗振能力和抗冲击能力。一般对环境温度要求不高，在环境温度为-20℃～65℃，相对湿度为35%～85%的情况下可正常工作。

3．灵活通用

在完成一个控制任务时，PLC具有很高的灵活性。首先，PLC产品已经系列化，结构形式多种多样，在机型上有很大的选择余地；其次，同一机型的PLC的硬件构成具有很大的灵活性，用户可以根据不同任务的要求，选择不同类型的输入和输出模块或特殊功能模块组成不同硬件结构的控制装置；最后，PLC是利用应用程序实现控制的，在应用程序编制上有较大的灵活性。在实现不同的控制任务时，PLC具有良好的通用性，相同硬件构成的PLC用不同的软件可以完或不同的控制任务。在被控对象的控制逻辑需要改变时，利用PLC可以很方便地实现新的控制要求，这在一般继电器控制中是很难做到的。

4．使用方便、维护简单

PLC控制的输入模块、输出模块和特殊功能模块都具有即插即用功能，连接十分容易。对于逻辑信号，输入和输出采用开关方式，不需要进行电平转换和驱动放大；对于模拟信号，输入和输出采用传感器、仪表和驱动设备的标准信号。各个输入和输出模块与外部设备的连接十分简单。
PLC的用户界面十分友好，给使用者带来很大的方便。PLC提供标准通信接口，可以方便地构成PLC-PLC网络或计算机-PLC网络。
PLC应用程序的编制和调试非常方便。PLC的基本编程语言有3种，其中梯形图语言与继电器控制线路图相似，即使没有计算机基础的人也很容易掌握。
PLC具有监控功能，利用编程器或监视器可以对PLC的运行状态和内部数据进行监视或修改。PLC控制系统的维护非常简单，利用PLC的诊断功能和监控功能，可以迅速查找到故障点，对大多数故障都可以及时予以排除。
当然，PLC由于其工作方式是扫描方式，因此，扫描周期的长短决定了PLC的工作速度。一般来说，PLC的速度与单片机等计算机相比相对比较低，其计算能力一般都比微机要差。PLC的这些缺点随着科学技术的发展正在逐渐地被克服。

1.2  PLC的分类

PLC是根据现代化大生产的需要而产生的，PLC的分类也必然要符合现代化生产的需求。可以从下面3个角度粗略地对PLC进行分类。

1．按PLC的控制规模分类

PLC按控制规模分，可以分为小型机、中型机和大型机3类。
（1）小型机
小型机的控制点数一般在256点以内，如日本OMRON公司生产的CQM1、三菱公司生产的FX2和德国西门子公司生产的S7-200。这类PLC由于控制点数不多，控制功能有一定局限性。但它价格低廉，并且小巧、灵活，可以直接安装在电气控制柜内，很适合用于单机控制或小型系统的控制。
（2）中型机
中型机的控制点数一般在500～2048点之间，如日本OMRON公司生产的C200H、日本富士公司生产的HDC-100和德国西门子公司生产的S7-300。这类PLC由于控制点数较多，控制功能较强，有些PLC还有较强的计算能力，不仅可用于对设备进行直接控制，也可以对多个下一级的PLC进行监控，适用于中型或大型控制系统的控制。
（3）大型机
大型机的控制点数一般大于2048点，如日本OMRON公司生产的C2000H、日本富士公司生产的F200和德国西门子公司生产的S7-400。这类PLC控制点数多，控制功能很强，有很强的计算能力。同时，这类PLC运行速度很高，不仅能完成较复杂的算术运算，还能进行复杂的矩阵运算，它不仅可以用于对设备进行直接控制，可以对多个下一级的PLC进行监控，还可以完成现代化工厂的全面管理和控制任务。

2．按PLC的结构分类

PLC按结构分，可以分为整体式和模块式两大类。
（1）整体式
整体式结构的PLC把电源、CPU、存储器和I/O系统都集成在一个单元内，该单元叫做基本单元。一个基本单元就是一台完整的PLC。控制点数不满足需要时，可再接扩展单元，扩展单元不带CPU，在安装时不用基板，仅用电缆进行单元间的连接，由基本单元和若干扩展单元组成较大的系统。整体式结构的特点是紧凑、体积小、成本低、安装方便，其缺点是各个单元输入与输出点数有确定的比例，使PLC的配置缺少灵活性，有些I/O资源不能充分利用。早期的小型机多为整体式结构。
（2）模块式
PLC的模块式结构通常也叫做组合式结构。模块式结构的PLC是把PLC系统的各个组成部分按功能分成若干个模块，如CPU模块、输入模块、输出模块和电源模块等，其中各模块功能比较单一，模块的种类却日趋丰富。例如，一些PLC除了－些基本的I/O模块外，还有一些特殊功能模块，如温度检测模块、位置检测模块、PID控制模块和通信模块等。模块式结构的PLC采用搭积木的方式，在一块基板插槽上插上所需模块组成控制系统（又叫做组合式结构）。有的PLC没有基板而是采用电缆把模块连接起来组成控制系统（又叫做叠装式结构）。模块式结构的PLC特点是CPU、输入和输出均为独立的模块。模块尺寸统一、安装整齐、I/O点选型自由，并且安装调试、扩展和维修方便。中型机和大型机多为模块式结构。

3．按PLC的功能分类

PLC按功能分，可以分为低档机、中档机和高档机3类。
（1）低档机
低档机具有基本的控制功能和一般的运算能力。工作速度比较低，能带的输入/输出模块的数量比较少，种类也比较少。这类可编程序控制器只适合于小规模的简单控制，在联网中一般适合做从站使用。如日本OMRON公司生产的C60P就属于低档机。
（2）中档机
中档机具有较强的控制功能和较强的运算能力，它不仅能完成一般的逻辑运算，也能完成比较复杂的三角函数、指数运算和PID运算。工作速度比较快，能带的输入/输出模块的数量和种类也比较多。这类可编程序控制器不仅能完成小型系统的控制，也可以完成较大规模的控制任务。在联网中可以做从站，也可以做主站。如德国西门子公司生产的S7-300就属于中档机。
（3）高档机
高档机具有强大的控制功能和强大的运算能力，它不仅能完成逻辑运算、三角函数运算、指数运算和PID运算，还能进行复杂的矩阵运算。工作速度很快，能配带的输入/输出模块的数量很多，种类也很全面。这类可编程序控制器不仅能完成中等规模的控制工程，也可以完成规模很大的控制任务。在联网中一般做主站使用。如德国西门子公司生产的S7-400就属于高档机。

1.3  PLC的组成

PLC本身就是一台适合工业现场使用的专用计算机，其硬件组成有下面7个部分，如图1-1所示。

图1-1  PLC的组成

1．中央处理器（CPU）

CPU是PLC的核心部件，主要用来运行用户程序、监控输入/输出接口状态以及进行逻辑判断和数据处理。CPU用扫描的方式读取输入装置的状态或数据，从内存逐条读取用户程序，通过解释后按指令的规定产生控制信号，然后分时、分渠道地执行数据的存取、传送、比较和变换等处理过程，完成用户程序所设计的逻辑或算术运算任务，并根据运算结果控制输出设备响应外部设备的请求以及进行各种内部诊断。

2．存储器

PLC的存储器可以分为两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理、监控程序和用户程序编译程序，这类程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要用于存放用户编制的应用程序和各种数据。

3．电源

PLC的电源是指为CPU、存储器和I/O接口等内部电子电路工作所配备的直流开关电源。电源的交流输入端一般都有脉冲吸收电路，交流输入电压范围一般都比较宽，抗干扰能力比较强。电源的直流输出电压多为直流5V和直流24V。直流5V电源供PLC内部使用，直流24V电源除供内部使用外还可以供输入/输出单元和各种传感器使用。

4．输入/输出接口

输入/输出接口是PLC与现场输入/输出设备或其他外部设备之间的连接部件。PLC通过输入接口把工业设备或生产过程的状态或信息（如按钮、各种继电器触点、行程开关和各种传感器等）读入中央处理单元。输出接口是将CPU处理的结果通过输出电路驱动输出设备（如指示灯、电磁阀、继电器和接触器等）。

5．外部设备接口

PLC的外部设备主要有编程器、操作面板、文本显示器和打印机等。
编程器接口是用来连接编程器的，PLC本身通常是不带编程器的，为了能对PLC编程及监控，PLC上专门设置有编程器接口，通过这个接口可以连接各种形式的编程装置，还可以利用此接口做通信和监控工作。操作面板和文本显示器不仅是用于显示系统信息的显示器，还是操作控制单元，它们可以在执行程序的过程中修改某个量的数值，也可直接设置输入或输出量，以便立即启动或停止一台外部设备的运行。打印机可以把过程参数和运行结果以文字形式输出。
外部设备接口可以把上述外部设备与CPU连接，以完成相应的操作。
除上述一些外部设备接口以外，PLC还设置了存储器接口和通信接口。存储器接口是为扩展存储区而设置的，用于扩展用户程序存储区和用户数据参数存储区，可以根据使用的需要扩展存储器。通信接口是为在微机与PLC、PLC与PLC之间建立通信网络而设立的接口。

6．I/O扩展接口

扩展接口用于扩展输入/输出单元，它使PLC的控制规模配置更加灵活，这种扩展接口实际上为总线形式，可以配置开关量的I/O单元，也可配置模拟量和高速计数等特殊I/O单元及通信适配器等。

1.4  PLC的工作原理

PLC是一种工业控制用的计算机，它的外形不像个人计算机，工作方式也与计算机差别很大。编程语言甚至工作原理都与个人计算机有所不同。

1．PLC的扫描工作过程

PLC的工作方式有周期扫描方式、定时中断方式、输入中断方式和通信方式等，最主要的方式是周期扫描方式。周期扫描方式大致可以分为7个过程，如图1-2所示。

图1-2  PLC的工作过程
（1）启动处理过程
PLC启动后，要进行笫一次启动的初始化处理。CPU进行的初始化工作包括清除内部继电器区、复位所有的计时器和检查I/O单元的连接等。该过程所占用的时间为T₀。
（2）共同处理过程
在启动处理过程通过以后，要进到共同处理过程。共同处理的主要任务是复位监视计时器、检查I/O总线是否正常、检查扫描周期是否过长和检查程序存储器是否有异常等，如果有异常，则根据错误情况发出报警，输出或者停止PLC的运行。该过程所占用的时间为T₁。
（3）通信服务过程
当PLC和微机构成通信网络或由PLC构成分散系统时，需要有通信服务过程，该过程所占用的时间为T₂。
（4）外设服务过程
当PLC接有外部设备时，如编程器、打印机等，则需要进行外设服务过程。该过程所占用的时间为T₃。
（5）输入信号刷新过程
输入信号刷新过程为输入处理过程。输入处理过程将PLC全部输入端的通/断状态读进输入映像寄存器。在程序执行中，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不改变，直到下一扫描周期的输入处理阶段才读入这一变化。
输入信号刷新过程占用时间为T₄。T₄和PLC所带的输入模块的种类和点数的多少   有关。
（6）程序执行过程
程序执行过程用于执行用户程序，这个过程先从输入映像区读入输入端的信息，然后根据用户程序进行运算操作，并向输出映像区送出控制信息。
该过程执行用户程序存储器所存的指令，从输入映像寄存器和其他元件的映像寄存器中将有关元件的通/断状态读出后，从程序的第0步开始顺序的运算，每次结果都写入对应的映像寄存器中。因此，各元件的映像寄存器的内容随着程序的执行在不断变化（输入元件除外）。输出继电器的内部触点的动作由输出映像寄存器的内容决定。显然，程序执行的时间和PLC的速度、用户程序所用指令多少和指令种类有关。该过程占用的时间为T₅。
（7）输出信号刷新过程
输出信号刷新过程为输出处理过程。输出处理过程将输出映像寄存器的通/断状态向输出锁存寄存器传送，成为PLC的实际输出。PLC内的外部输出触点对输出元件的动作有一个响应时间，要一个延迟才能动作。
输出信号刷新过程占用的时间为T₆。T₆和PLC所带的输出模块的种类和点数的多少 有关。
可以看出，PLC的扫描周期T和上述各个过程的关系为：
T=T₁ T₂ T₃ T₄ T₅ T₆
扫描周期T在控制过程中是一个比较重要的技术指标。一般来说T越大表明扫描一次所需要的时间就越长，要求输入信号的宽度就应该越大，控制的周期就越长，控制的速度就要降低。
图1-3展示了S7-300系列PLC周期扫描方式的工作过程。上电后系统监控程序依次进行上电处理（由组织块OB100执行）、共同处理、通信服务和外设服务等查询和处理，然后启动循环监视时钟并启动循环扫描过程。

图1-3  S7-300系列PLC的工作过程
循环扫描过程开始，首先进行输入刷新，把输入模块送到输入映像区的信号读到CPU，然后调用循环扫描程序OB1，扫描并执行用户程序，如把I0.0和I0.1的与赋给Q8.0，并把结果写到输出映像区。在输出刷新时，把输出映像区写到输出模块。一次扫描结束后返回，进行下一个循环。

2．PLC的中断和子程序调用过程

PLC除了循环扫描工作方式外，还有中断和子程序调用工作方式，这些方式的内容将在后面章节介绍。

1.5  PLC的接口模块

输入模块用于处理输入信号，对输入信号进行滤波、隔离和电平转换等，把输入信号的逻辑值安全可靠地传递到PLC内部。输入模块有直流输入模块、交流输入模块和交直流输入模块。
输出模块用于把用户程序的逻辑运算结果输出到PLC外部，输出模块具有隔离PLC内部电路和外部执行元件的作用，还具有功率放大的作用。输出模块有晶体管输出模块、可控硅输出模块和继电器输出模块。
功能模块是一些智能化的输入/输出模块。如温度检测模块、位置检测模块、位置控制模块和PID控制模块等。
中央处理单元与输入/输出模块的连接是由输入接口和输出接口完成的。
PLC的模拟量模块也是CPU和外部设备的连接器件，其作用是把外部设备的模拟量信息转换成CPU能够接收的数字信号，同时把CPU发送到外部设备的数字量信号转换成能够驱动外部设备的模拟量。接口模块不仅能起到转换电平的作用，还可以起到外部设备的电信号与CPU的隔离作用，同时也可以起到抗干扰和滤波等作用。

1．数字量模块

（1）直流输入模块
直流输入模块的电路原理图如图1-4所示。R1为限流电阻，R2和C构成滤波电路，VL为输入指示灯，VLC为光电偶合器。输入模块的外接直流电源DC 24V的极性可以任意。
直流输入模块的工作原理是：当输入开关闭合时，经R1、VLC的二极管和输入指示灯VL构成通路，输入指示灯VL亮，表示该路输入的开关量状态为ON，输入信号经VLC隔离后，经内部电路与CPU相连，将外部输入开关的状态ON输入PLC内部；当输入开关断开时，R1、VLC的二极管和输入指示灯VL没有构成通路，输入指示灯VL不亮，表示该路输入的开关量状态为OFF，输入信号经VLC隔离后，经内部电路与CPU相连，将外部输入开关的状态OFF输入PLC内部。图1-4中仅绘出直流开关量输入模块两路输入信号，其他各路输入信号的原理图与其相同。

图1-4  直流输入模块原理图
（2）交流输入模块
交流输入模块的电路原理图如图1-5所示。R1为取样电阻，同时具有吸收浪涌的作用；C为电容，具有隔离直流、接通交流的作用；R2和R3对交流电压起到分压作用；VL为输入指示灯，指示灯VL亮，表示该路输入的开关量的状态为ON；VLC为光电偶合器。

图1-5  交流输入模块原理图
交流输入模块的工作原理是：当输入开关闭合时，光电偶合器的二极管导通，使光电偶合器的三极管也导通，输入信号经VLC隔离后，经内部电路与CPU相连，将外部输入开关的状态ON输入至PLC内部；当输入开关断开时，光电偶合器的二极管不发光，这时光电偶合器的三极管截止，输入信号经VLC隔离后，经内部电路与CPU相连，将外部输入开关的状态OFF输入至PLC内部。
（3）直流输出模块
直流输出模块原理图如图1-6所示。直流输出模块的输出电路采用晶体管驱动，所以也叫做晶体管输出模块。其输出方式一般为集电极输出，外加直流电源。其带负载的能力一般为每一个输出点为0.5A左右。晶体管输出模块开关速度比较快，使用寿命比较长。
直流输出模块的工作原理是：当CPU根据用户程序的运算把输出信号送入PLC的输出映像区后，通过内部电路把输出信号送出，输出位为1时，其对应的晶体管V导通，晶体管V导通，DC 24V电源使负载L获得电流，二极管VL发光指示该位的输出为ON状态；输出位为0时，其对应的晶体管V截止，使负载L不会获得电流，二极管VL不发光指示该位的输出为OFF状态，当晶体管由导通变为截止时，如果负载中含有电感，电感中的磁场能量的释放是通过续流二极管VD2完成的。

图1-6  直流输出模块原理图
（4）交流输出模块
交流输出模块的原理图如图1-7所示。交流输出模块的输出电路是采用光控双向硅驱动的，所以又叫做可控硅输出模块。该模块需要外加交流电源，带负载能力一般在1A左右，不同型号的交流输出模块的外加电压和带负载的能力有所不同。

图1-7  交流输出模块原理图
交流输出模块的工作原理是：当CPU根据用户程序的运算把输出信号送入PLC的输出映像区后，通过内部电路把输出信号送出，输出位为1时，对应VLC的双向硅导通，二极管VL发光，表示该位的输出为ON状态，电源通过双向硅向负载L供电；输出位为0时，对应的双向硅阻断，使负载L不会获得电流，二极管VL不发光，表示该位的输出为OFF状态，当可控硅由导通变为阻断时，如果负载中含有电感，电感中的磁场能量的释放是通过阻容吸收电路R3、C和压敏电路RV吸收的。
（5）继电器输出模块
继电器输出模块的电路原理图如图1-8 所示。该输出模块的输出驱动电路是继电器。通过继电器的常开触点的接通和断开可以实现负载和负载电源接通和隔断开，使负载可以得电和失电。外接的负载电源可以是直流，也可以是交流。继电器是有触点的器件，它带负载的能力比较强，一般在2A左右，而开关的寿命相对于无触点的器件要短一些，一般在5万次左右。开关动作的频率也相应地比较低，一般在10Hz以下。

图1-8  继电器输出模块原理图
继电器输出模块的工作原理是：当CPU根据用户程序的运算把输出信号送入PLC的输出映像区后，通过内部电路把输出信号送出，输出位为1时，对应的继电器K1的线圈带电，二极管VL发光，指示该位的输出为ON状态，继电器K1的触点闭合，电源通过K1的触点使负载L获得电流；输出位为0时，其对应的继电器K1的线圈不带电，二极管VL不发光，指示该位的输出为OFF状态，继电器K1的触点断开，使负载L不会获得电流。

2．模拟量模块

（1）模拟量输入模块
模拟量输入模块是把模拟信号转换成可编程序控制器CPU可以接收的数字量。模拟量输入模块又叫做A/D模块。模拟量输入模块接收的数字量的位数越多，表明模块的分辨率越高。模拟量输入模块的原理图如图1-9所示。输入模拟量为电压时，正端接V，负端接M；输入模拟量为电流时，正端接I，负端接M，但是I与V要连接在一起。

图l-9  模拟量输入模块原理图
（2）模拟量输出模块
模拟量输出模块是把可编程序控制器的CPU送往模拟量输出模块的数字量转换成模拟量。模拟量输出模块又叫做D/A模块。D/A模块接收的数字信号的位数越多，表明模块的分辨率越高。模拟量输出模块的原理图如图1-10所示。

图l-10  模拟量输出模块原理图

3．通信模块

通信模块是PLC和微机之间、PLC和PLC之间通信的接口。在一些控制工程中，PLC早已不再是单机作战的局面了。一台微机和一台PLC组成点对点的通信网络是很多小型控制器工程采取的策略，也有很多控制工程将一台微机和多台PLC组成多点通信网络，而大型控制工程往往采取多PLC组成的通信网络。

1.6  PLC的系统配置

PLC的系统配置应该包括PLC的选择、接口模块的选择和I/O地址的确定。不管哪种PLC的配置都需要解决两个问题，一是选取什么样的PLC和什么样的接口模块才能满足控制要求，二是这些模块的存取地址是如何确定的。给这些输入/输出模块确定地址的过程就是通常所说的编址过程。本节主要介绍有关I/O地址的配置和编址问题。

1．PLC的基本配置

这里所说的基本配置对整体式结构PLC来讲，是指PLC主机本身的各个单元的编址；对组合式结构PLC来讲，是指PLC的CPU和电源等模块的选择以及其他I/O模块的选择和编址。
（1）整体式结构PLC的基本配置
具有整体式结构的PLC的基本配置是由主机自身构成的，这类PLC的编址在基本单元上都已给出。
西门子公司的S7-200可编程序控制器的CPU 221的基本单元内含6点输入和4点输出，其配置的原则是：输入单元和输出单元各自按字节（8位）为单位连续。基本单元的编址如   图l-11所示。
以位的形式出现的输入信号的编址：
I0.0～I0.3为第一组，公共端为1M；I0.4和I0.5为第二组，公共端为2M。
以位的形式出现的输出信号的编址：
Q0.0～Q0.3为一组，公共端为M。
（2）模块式结构PLC的基本配置
模块式结构PLC的基本配置有两种编址方法，即固定编址和可变编址。固定编址是指各个单元的首地址是由该单元所在插槽的位置来决定的。例如，西门子公司的S7-300是采用电缆叠装构成的模块式结构PLC，如图1-12所示。其配置的原则是：输入单元和输出单元按字节为单位连续，从左端开始依次是电源模块、CPU模块和接口模块（未接），从第4个槽位开始从左至右到第10个槽位插入I/O模块，如图l-12所示。插入的是数字量I/O模块时，其首地址分别为0～28；插入的是模拟量I/O模块时，其首地址分别为256～368，如表l-1所示。

图l-12  S7-300的基本配置
表1-1  S7-300基本配置编址

可变编址是指各个单元首地址是通过接口模板或由用户送入的。

2．PLC的近程扩展配置

在实际应用中，有时会遇到只用PLC的基本配置不能满足控制要求的情况。例如，有的场合控制规律不太复杂，但信号较多，这时可能出现仅靠PLC主机配置的输入和输出点数不够用的情况，此时，应考虑采用主机带扩展机的方式。扩展机是专为增加PLC的控制规模而设计的，上面不带CPU模块，其工作由主机统一管理和控制。扩展机分为两种，即近程扩展机和远程扩展机。近程扩展机主要用于扩大控制规模，远程扩展机主要用于扩大控制的距离。
（1）整体式PLC的近程扩展配置
具有整体式结构的PLC的近程扩展配置由一个基本单元和多个扩展单元构成。这类PLC基本单元的编址在基本单元上都已给出，其扩展单元编址的通道号（有的PLC是字节号）有时与基本单元连续编址，有时采取固定通道编址。
例如，西门子公司的S7-200属于单元连续编址，最多可连接7个扩展单元。如果CPU 222连接一个16点输入和16点输出EM223扩展单元，如图l-13所示，其编址如      表1-2所示。

图1-13  CPU 222的扩展
表1-2  CPU 222的扩展

（2）模块式PLC的近程扩展配置
具有模块式结构PLC的近程扩展配置可以由主机（基本单元）和一台或多台扩展机组成，主机下面依次为1号扩展机、2号扩展机等。西门子公司的S7-300主机能带3个扩展机，主机和扩展机1的连接是靠主机3号槽位的接口模块IM360和扩展机1的3号槽位的接口模块IM361实现的；扩展机1和扩展机2的连接是靠扩展机1的3号槽位的接口模块IM361和扩展机2的3号槽位的接口模块IM361实现的；扩展机2和扩展机3的连接是靠扩展机2号槽位的接口模块IM361和扩展机3的3号槽位的接口模块IM361实现的，如   图1-14所示。

图1-14  S7-300的近程扩展
各槽插入的数字量I/O的编址方法是：主机的数字量I/O编址为0.0～31.7，扩展机1的数字量I/O编址为32.0～63.7，扩展机2的数字量I/O编址为64.0～95.7，扩展机3的数字量I/O编址为96.0～127.7，如表1-3所示。
表1-3  S7-300近程扩展数字量I/O编址

各槽插入的模拟量I/O的编址方法是：主机的模拟量I/O编址为256～382，扩展机1的模拟量I/O编址为384～510，扩展机2的模拟量I/O编址为512～638，扩展机3的模拟量I/O编址为640～766，如表1-4所示。
表1-4  S7-300近程扩展模拟量I/O编址

3．PLC的远程扩展配置

远程扩展机主要用于扩大控制距离。I/O模块和部分功能模块可在远程扩展机上使用。在远程方式下，远程I/O模块作为远程主站可安装在主机及其近程扩展机上，远程扩展机作为远程从站安装在现场。
远程主站用于主机与远程从站间的信息交换。一个PLC控制系统中可以有多个远程主站，一个远程主站可以有多个从站（远程扩展机），每个从站又可以有多个近程扩展，但远程部分的扩展机数量有一定的限制。
各从站的编号由用户在从站上设定。远程主站和从站之间利用双绞线连接，同一主站下面的不同从站用双绞线并联在一起。从站与从站的近程扩展机之间的连接与主机和主机的近程扩展机之间的连接方式相同。
例如，西门子公司的S7-300 作为PROFIBUS-DP总线的远程主站，可以带多个PROFIBUS-DP总线的远程从站ET 200的分布式I/O。
ET 200是基于PROFIBUS-DP总线的分布式I/O。ET 200需要空间很小，通过总线传递信息所需时间为毫秒级。其中ET 200B是整体式的一体化分布式I/O。图1-15中用CPU 315作为S7-300远程扩展的远程主站，远程从站由4个ET 200B构成。

图1-15  S7-300的远程扩展
DP主站：CPU 315（1）DP地址为2。
DP从站：ET 200B（3）DP地址为3，ET 200B（4）DP地址为4，ET 200B（5）DP地址为5，ET 200B（6）DP地址为6。
远程扩展的编址：
主站CPU 315（1）的I/O地址为IB0、IB1和QB0、QB1。
ET 200B（3）的I/O地址为IB2、IB3和QB2、QB3。
ET 200B（4）的I/O地址为IB4、IB5和QB4、QB5。
ET 200B（5）的I/O地址为IB6、IB7和QB6、QB7。
ET 200B（6）的I/O地址为IB8、IB9和QB8、QB9。

1.7  PLC的通信网络

PLC的扩展配置虽然可以扩大其控制规模，但对有的系统还是不够的，控制规模还是有限的。而由PLC和计算机组成的PLC和PC机通信网络，则可以使其控制规模无限，从而可以满足绝大多数控制系统的要求，而且会使控制和管理十分方便地结合起来。

1．PLC网络的主站和从站

PLC有多种通信模块，利用这些通信模块，配以适当的通信适配器可以构成PLC-PLC网络和微机-PLC网络。在通信网络中，上位机、编程器和各个PLC都是整个网络中的一个成员，都是网络中一个节点，并且每个节点都有各自的节点地址。在网络通信中，可以用节点地址去区分各个节点，但是，这些节点在整个网络中所起的作用并不完全相同。有些设备如上位PC机和PG编程器等可以读取其他节点的数据，也可以向其他节点写入数据，还可以对其他节点进行初始化。这类设备掌握了通信的主动权，叫做主站。还有些PLC，在一些通信网络中，它只能让主站读取数据，让主站写入数据，而不能读取其他设备的数据，也无权向其他设备写入数据，这类设备在这种通信网络中是被动的，叫做从站。根据网络结构的不同，在一个网络中的主站和从站数量也不完全相同。一般情况下，总是把PC机和编程器作为主站。网络也有单主站和多主站之分。单主站就是一个主站连到多个从站构成网络。多主站就是由多个主站和多个从站构成网络。

2．PLC-PLC网络

利用PLC的通信模块可以组成PLC-PLC网络，如图1-16所示。由于PLC的性能不同，通信模块的功能也有差异，所以在配置PLC网络时所用的通信模块数量也不完全相同。有些PLC网络，中间的PLC装两个通信模块，末端的PLC装一个通信模块。每台PLC都有构成PLC网络的信息缓冲区。利用用户程序可以从一台PLC的信息缓冲区中读出其他PLC的信息，把要传递给其他PLC的信息写入缓冲区。各台PLC信息的数据交换是通过通信模块自动完成的。

图1-16  PLC-PLC网络

3．微机-PLC网络

利用PLC的通信模块也很容易实现微机与PLC联网，如图1-17所示。较常见的有两种微机-PLC之间构成的网络，一种是一台微机和一台PLC构成的网络，称为单重通信，一种是微机与多台PLC之间构成的网络，称为多重通信。无论是单重通信还是多重通信，在大多数情况下，PLC都处于被动地位。微机向PLC发出的命令称为命令块，PLC向微机返回的数据及信息称为响应块。

图1-17  微机-PLC网络
（1）命令块的格式
命令块可分为报头（指明向哪个PLC发什么命令）、报文（指明命令的具体内容）、校验码和结束符4部分。
（2）响应块的格式
响应块可分为报头（指明哪个PLC的响应）、响应码（指明接收有无错误）、报文（指明要回答的内容）、校验码和结束符5个部分。
（3）单帧和多帧通信
命令块和响应块大都采用ASCII码的形式发送和接收。微机和PLC之间一次传递的信息称为一帧，一帧中所含有的ASCII字符的数量有相应的规定，如果命令块的报文或响应块的报文长度超出一帧长度，可以按多帧进行传送，在多帧传送中，只有尾帧才可以有结束符，中间各帧要用分隔符取代结束符。
例如，从微机向PLC中写入一批数据时，可以利用微机程序将命令块的报文分成多帧，每发出一帧，待收到PLC的响应报文后再发出下一帧，如果响应报文较长，PLC会自动将其分成多帧，每发出一帧后收到微机的命令报文再发出下一帧，从而完成交换信息或数据的任务。

1.8  PLC的编程环境

PLC的编程环境是由PLC生产厂家设计的，它包含用户环境和能把用户环境与PLC系统联结起来的编程软件。只有熟悉了编程环境，了解了编程环境，才能适应编程环境，才能在编程环境中编写出PLC的用户程序。

1．用户环境

用户环境包括用户数据结构、用户元件区、用户程序存储区、用户参数和文件存储    区等。
1）用户数据结构
用户数据结构分为位数据、字节数据、字数据和混合型数据4类。
第一类为位数据，这是一类逻辑量（1位二进制数），其值为0或1，它表示触点的通或断。触点接通状态为ON，触点断开状态为OFF。例如，I0.0的值表示在输入映像区中的一位二进制数的状态，Q0.0的值则表示在输出映像区中的一位二进制数的状态。
第二类为字节数据，其位长为8位，其数制形式有多种形式。一个字节可以表示8位二进制数、两位十六进制数、两位十进制数。例如，IB0的值表示在输入映像区中的连续8位二进制数的状态，QB0的值则表示在输出映像区中的连续8位二进制数的状态。
第三类为字数据，其数制、位长和形式都有很多。一个字可以表示16位二进制数、4位十六进制数、4位十进制数。十进制数据通常都用BCD码表示，书写时有时在前面加上K字符，例如K789；十六进制数据，书写时会在前面加上H字符，例如H78F。二进制数，书写时会在前面加上B字符，例如B0111_1000_1111。实际处理时还可选用八进制和ASCII码的形式。再如IW0表示在输入映像区中的连续16位二进制数的状态，QW0则表示在输出映像区中的连续16位二进制数的状态。由于对控制精度的要求越来越高，不少PLC开始采用了浮点数，这样极大地提高了数据运算的精度。
第四类为混合型数据，即同一个元件既有位数据又有字数据，例如T（定时器）和C（计数器），它们的触点只有ON和OFF两种状态，是位数据，而它们的设定值和当前值寄存器又为字数据。
2）用户数据存储区
用户使用的每个输入/输出端，以及内部的每一个存储单元都称为元件。各种元件都有其固定的存储区（例如输入/输出映像区），即存储地址。给PLC中的输入/输出元件赋予地址的过程叫做编址。不同的PLC输入/输出的编址方法不完全相同，如CQM1的输入端地址可以为000，001，…通道，输出端地址为100，101，…通道。
PLC的内部资源，如内部继电器、定时器、计数器和数据区等，各个不同的PLC之间也有一些差异。这些内部资源都按一定的数据结构存放在用户数据存储区，正确使用用户数据存储区的资源才能编好用户程序。
3）用户程序结构
用户程序是PLC的使用者编制的针对具体工程的应用程序。用户程序是线性地存储在PLC的存储区间内，它的最大容量也是由具体的PLC限制的。
用户程序结构大致可以分为3种，一是线性程序，这种结构是把一个工程分成多个小的程序块，这些程序块被依次排放在一个主程序中；二是分块程序，这种结构是把一个工程中的各个程序块独立于主程序之外，工作时要由主程序一个个有序地去调用；三是结构化程序，这种结构是把一个工程中的具有相同功能的程序写成通用功能程序块，工程中的各个程序块都可以随时调用这些通用功能程序块。
4）用户程序语言
PLC编程语言有多种，它是用PLC的编程语言或某种PLC指令的助记符编制而成的。编程语言可以是语句表、梯形图或功能块图。各个元件的助记符随PLC型号的不同而略有不同。
（1）语句表（STL）
语句表是由不同的指令所构成的语句组成的，其中的指令则由操作码和操作数组成，其中操作码指出了指令的功能，操作数指出了指令所用的元件或数据。
例如：
        LD                 10000
        AND              10001
        OUT              10100
上面语句表示触点10000和触点10001同时为ON状态时，线圈10100就带电，其常开触点闭合并输出。其中操作码LD表示语句的开始，操作数10000为一个输入触点；操作码AND表示与逻辑，操作数10001为另一个输入触点；操作码OUT表示输出，操作数10100为输出点。程序是从上到下依次执行的。
（2）梯形图（LAD）
梯形图是一种类似于继电器控制线路图的一种语言。其画法是从左母线开始，经过触点和线圈，终止于右母线，如图1-18所示。

图l-18  梯形图
在梯形图中，常开触点10000与10001为串联，只有两个触点闭合才有10100输出。程序是从左至右、从上到下依次执行的。
（3）功能块图（FBD）
功能块图是类似于电子线路的逻辑电路图的一种编程语言，如图l-19所示。

图l-19  功能块图
在功能块图中，常开触点10000和常开触点10001只有同时为ON状态时，线圈10100才带电并有输出。程序依照各个模块的流程顺序执行。
设计一个好的用户程序，就要设计一个合适的用户程序结构，正确地使用用户程序语言才能编写出满足工程需要的程序。

2．编程软件

编程器是PLC重要的编程设备，它不仅可以用来编写程序，还可以用来输入数据，以及检查和监控PLC的运行。一般情况下，编程器只在PLC编程和检查时使用，在PLC正式运行后往往把编程器卸掉。
随着计算机技术的发展，PLC生产厂家越来越倾向于设计一些满足某些PLC的编程、监控和设计要求的编程软件，这类编程软件可以在专用的编程器上运行，也可以在普通的个人计算机上运行。这类编程软件利用了计算机的屏幕大，输入/输出信息量多的优势, 使PLC的编程环境更加完美。在很多情况下，装有编程软件的计算机在PLC正式运行后还可以挂在系统上，作为PLC的监控设备使用。目前，有如下编程软件：
a        OMRON公司设计的CX-P编程软件可以为OMRON C系列PLC提供很好的编程环境。
a        松下电工设计的FPWin_GR编程软件可以为FP系列PLC提供很好的编程环境和仿真。
a        西门子公司设计的STEP 7 Micro/WIN 32编程软件可以为S7-200系列PLC提供编程环境。
a        西门子公司设计的SIMATIC Manager编程软件可以为S7-300/400系列PLC提供编程环境。
编程软件在使用前一定要把其装入满足条件的计算机中，同时要用专用的通信电缆把计算机和PLC连接好，在确认通信无误的情况下才能运行编程软件。
在编程环境中，可以打开编程窗口、监控程序运行窗口、保存程序窗口和设定系统数据窗口，并进行相应的操作。

3．仿真软件

随着计算机技术的发展，PLC的编程环境越来越完善。很多PLC生产厂家不仅设计了方便的编程软件，而且设计了相应的仿真软件。只要把仿真软件嵌入到编程软件当中，就可以在没有具体的PLC的情况下利用仿真软件直接运行和修改PLC程序，使PLC的学习、设计和调试更方便、快捷。西门子公司设计的S7_PLCSIM_V5_0_SP1仿真软件就是专门为S7-300/400 PLC设计的仿真软件，S7_200SIM是专门为S7-200 PLC设计的仿真软件，利用这些仿真软件可以直接运行S7-200和S7-300/400 的PLC程序。

练习题1

1．简述PLC的分类及其各类PLC的应用。
2．简述PLC的组成及其各部分的功能。
3．简述PLC的工作方式，分析周期扫描方式的特点和应用中的注意事项。
4．PLC的输入模块有哪些特点，其功能是什么？
5．PLC的编程语言有几种？简述各种编程语言的特点和注意事项。