电气基础与S7-1200PLC控制技术 课件 第3章 可编程控制器基础与S7-1200 PLC

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可编程控制器基础与S7-1200PLC点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》

可编程控制器概述3.1可编程控制器的基本组成3.2可编程控制器的工作原理3.3S7-1200PLC系统及其基本组成3.4《电气基础与S7-1200PLC控制技术》点击此处结束放映S7-1200PLC开发环境简介3.5

可编程控制器概述3.1点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》点击此处结束放映

可编程控制器的英文名称是ProgrammableController，早期简称PC，后来为了与个人计算机（PC）区分，在行业中多称之为ProgrammableLogicController，即可编程逻辑控制器，简称PLC，而这种称呼又与可编程控制器的起源和它本身的特点有关。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的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入或输出，控制各类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按照易于与工业控制形成一个整体，易于扩充其功能的原则来设计。

《电气基础与S7-1200PLC控制技术》3.1.1可编程控制器的产生与发展点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》

1968年美国通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号的不断更新，提出了著名的“GM十条”，向全球招标新生产线。

1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司提出的10项指标，研制出第一台控制器，型号为PDP-14，它的开创性意义在于引入了程序控制功能，为计算机技术在工业控制领域的应用开辟了空间。

至上世纪70年代，PLC技术已经进入成熟期。推动PLC技术发展的动力主要来自于两个方面：其一是企业对高性能、高可靠性自动控制系统的客观需要和追求；其次，电子与微处理器技术的高速发展，为PLC技术的发展奠定了基础并开拓了空间。点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》PLC对高性能的追求主要体现在：

（1）向高集成、高性能、高速度，大容量发展。采用多CPU结构、模块化可扩展结构、模拟量输入输出控制等。

（2）向普及化方向发展。价格便宜，体积小、重量轻、能耗低，很适合于单机自动化。

（3）向模块化、智能化发展。独立测控功能模块、智能I/O模块等。

（4）向软件化发展。编程软件可以对可编程序控制器控制系统的硬件组态，即设置硬件的结构和参数，以及运行流程等。（5）向通信网络化发展。通过串行通信接口或网络通信模块，实现上位计算机与可编程序控制器交换数据信息。点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》3.1.2可编程控制器的特点

可编程控制器的产生是基于工业控制的需要，是面向工业控制领域的专用设备，它具有以下特点：CPU具备可靠性高，抗干扰能力强的特点；灵活性强，控制系统具有良好的柔性；编程方法简单、语言直观，使用方便；控制系统易于实现，开发工作量少，周期短；结构清晰，维修方便；体积小，能耗低；功能强，性能价格比高

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可编程控制器的基本组成3.2《电气基础与S7-1200PLC控制技术》点击此处结束放映

点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》图3-1PLC的基本组成PLC是一种工业控制用的专用计算机，其基本组成部件如图3-1所示。点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》3.2.1中央处理器单元

中央处理单元（CentralProcessingUnit，简称CPU）是PLC的控制核心，负责完成逻辑运算、数字运算以及协调系统内各部分的工作。其主要功能有：（1）接收并存储用户程序和数据。（2）诊断电源故障、硬件故障以及用户程序的语法错误。（3）通过输入接口读取输入设备的状态和数据，并存储到相应的存储区。（4）读取用户程序指令，循环解释执行用户程序，完成逻辑运算、数字运算、数据传递、存储等任务。（5）刷新输出映像，将输出映像内容送至输出单元。点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》3.2.2存储器单元

按照存储内容的不同，存储器单元分成系统程序存储器和用户程序存储器。1.系统程序存储器用于存放PLC生产厂家编写的系统程序，系统程序在出厂时已经被固化在PROM或EPROM中。这部分存储区不对用户开放，用户程序不能访问和修改。2.用户程序存储器

可分为程序存储区和数据存储区，程序存储器用于存放用户编写的控制程序，数据存储区存放的是程序执行过程中所需要的或者所产生的中间数据。点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》3.2.3电源单元

电源单元将外界提供的电源转换成PLC的工作电源后，提供给PLC。有些电源单元也可以作为负载电源，通过PLC的I/O接口向负载提供直流24V电源。

电源单元还提供掉电保护电路和后备电池电源，以维持部分RAM存储器的内容在外界电源断电后不会丢失。在面板上通常有发光二极管（LCD）指示电源的工作状态，便于判断电源工作是否正常。点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》3.2.4输入/输出单元

PLC的输入、输出单元也叫I/O单元，对于模块式的PLC来说，I/O单元以模块形式出现，所以又称为I/O模块。

I/O单元是PLC与工业现场的接口，现场信号与PLC之间的联系通过I/O单元实现。

工业现场的输入和输出信号包括数字量和模拟量两类，因此I/O单元也有数字I/O和模拟I/O两种，前者又称为DI/DO，后者又称为AI/AO。PLC的输入、输出单元还应包括一些功能模块，所谓功能模块就是一些智能化了的输入和输出模块。点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》3.2.5其他接口单元I/O扩展接口。用于扩展输入输出点数。通信接口。通常集成有RS232或RS422口，用于与PLC、上位机、远程I/O、监视器、编程器等外部设备相连。编程器接口。PLC本体通常是不带编程器的，编程器接口是连接编程器的。存储器接口。存储器接口是为了扩展存储区而设置的。其它外部设备接口。包括条码读入器的接口、打印机接口等等。PLC的I/O单元也属于接口单元的范畴，它完成PLC与工业现场之间电信号的往来联系。除此之外，PLC与其它外界设备和信号的联系都需要相应的接口单元，还应该包括：

可编程控制器的工作原理3.3《电气基础与S7-1200PLC控制技术》点击此处结束放映

点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》可编程控制器是基于电子计算机的工业控制器，从PLC产生的背景来看，PLC系统与继电-接触器控制系统有着极深的渊源，因此可以比照着继电器系统来学习PLC的工作原理。PLC是通过通用逻辑电路（硬件）和控制程序（软件）的结合来实现传统继电器-接触控制所谓“逻辑电路”的功能，用户所编制的控制程序体现了特定的输入输出之间的逻辑关系。如图3-3所示。图3-3PLC控制系统组成图点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》3.3.1可编程控制器的等效电路

PLC的等效电路如下图所示：图3-5PLC等效电路点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》PLC的工作过程以循环扫描的方式进行，当PLC处于运行状态时，它的运行周期可以划分为3个基本阶段：输入采样阶段；PLC逐个扫描每个输入端口，将所有输入设备的当前状态保存到相应的存储区。程序执行阶段；在系统程序的指示下，CPU从用户程序存储区逐条读取用户指令，经解释后执行相应动作，产生相应结果，刷新相应的输出映像寄存器，期间需要用到输入映像寄存器、输出映像寄存器的相应状态。输出刷新阶段。系统程序将输出映像寄存器中的内容传送到输出锁存器中，经过输出接口、输出端子输出，驱动外部负载。3.3.2可编程控制器的工作过程点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》

PLC工作过程的特点总结如下：PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，这种方式减少了外界干扰的影响。PLC的工作过程是循环扫描的过程，循环扫描时间的长短取决于指令执行速度、用户程序的长度等因素。输出对输入的响应有滞后现象。PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，当采样阶段结束后，输入状态的变化将要等到下一个采样周期才能被接收，因此这个滞后时间的长短又主要取决于循环周期的长短。此外，还有硬件电路的滞后时间等。输出映像寄存器的内容取决于用户程序扫描执行的结果。输出锁存器的内容，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定。PLC当前实际的输出状态，由输出锁存器的内容决定。

点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》除了上面总结的6条外，需要补充说明的是，当系统规模较大，I/O点数众多，用户程序比较长时，单纯采用上面的循环扫描工作方式会使系统的响应速度明显降低，甚至会丢失、错漏高频输入信号，因此大多数大中型PLC在尽量提高程序指令执行速度的同时，也采取了一些其它措施来加快系统响应速度。例如采用定周期输入采样、输出刷新，直接输入采样、直接输出刷新，中断输入、输出，或者开发智能I/O模块，模块本身带有CPU，可以与主机的CPU并行工作，分担一部分任务，从而加快整个系统的执行速度。

S7-1200PLC系统及其基本组成3.4《电气基础与S7-1200PLC控制技术》点击此处结束放映

点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》

西门子PLCS7-1200系列是一种中小型的控制系统，它有自身的特点和优势。SIMATICS7-1200控制器实现了模块化和紧凑型设计，功能强大、可扩展性强、灵活度高的设计，可实现最高标准工业通信的通信接口以及一整套强大的集成技术功能，使该控制器成为完整、全面的自动化解决方案的重要组成部分。S7-1200系列PLC使用完全集成的工程组态SIMATICSTEP7Basic，并借助SIMATICWinCCBasic对SIMATICS7-1200进行编程。SIMATICSTEP7Basic的设计理念是直观、易学和易用。这种设计理念可以使您在工程组态中实现最高效率。一些智能功能，例如直观编辑器、拖放功能和“IntelliSense”（智能感知）工具，能让工程进行的更加迅速。点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》3.4.1S7-1200PLC系统的基本组成图3-6S7-1200PLC系统组成

S7-1200PLC硬件系统的组成采用整体式加积木式，即主机中包括一定数量的I/O端口，同时还可以扩展各种接口模块。S7-1200PLC开发系统的基本组成为基本单元（S7-1200CPU模块）、个人计算机（PC）或编程器（HMI）、RJ‐45接口网线等组成，如图3-6所示。点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》图3-7S7-1200CPU基本结构

S7-1200CPU模块提供一个PROFINET端口（RJ‐45接口），通过RJ‐45接口网线以PROFINET通信协议与计算机等编程设备进行通信。还可使用附加模块通过PROFIBUS、GPRS、RS485或RS232网络进行通信，如图3-7所示。点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》3.4.2基本单元（CPU模块）

S7-1200PLC是一个系列，其中包括多种型号的CPU，以适应不同需求的控制场合。不同的CPU型号提供了各种各样的特征和功能，这些特征和功能可帮助用户针对不同的应用创建有效的解决方案，有关特定CPU的详细信息，参考表3-1。任何CPU的前方均可加入一个信号板，轻松扩展数字或模拟量I/O，同时不影响控制器的实际大小。主机可以通过在其右侧扩展连接信号模块，进一步扩展数字量或模拟量I/O。CPU1211C不能扩展连接信号模块，CPU1212C可连接2个信号模块，其他CPU模块均可连接8个信号模块。所有的SIMATICS7-1200CPU控制器的左侧均可连接多达3个通讯模块，便于实现端到端的串行通讯。点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》图3-8CPU模块及扩展示意图点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》表3-1S7-1200CPU12XX系列产品的主要性能表点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》S7-1200系列各CPU模块的主要区别在于本机数字量I/O数不同，其共性如下：（1）CPU上面集成以太网接口；（2）CPU供电范围广，AC或DC电源形式集成的电源(85-264VAC或24VDC)；（3）集成数字量输出24VDC或继电器，集成24VDC数字量输入，集成模拟量输入0-10V；（4）具有频率高达100kHz的脉冲序列输出，频率高达100kHz的脉宽调制输出，频率高达100kHz的高速计数器；（5）通过扩展附加的通信模块，例如:RS485模块，实现了模块化特点，通过信号板直接在CPU上扩展模拟量或数字量信号实现了模块化特点，同时保持CPU原有空间，为用户在装配过程中节省了空间；（6）通过信号模块的大量模拟量和数字量输入和输出信号实现模块化特点；（7）用户可选择多种不同容量的存储卡，来实现程序下载，数据存储等功能；（8）具有运动控制功能，可以用于简单的运动控制;具有带自整定功能的PID控制器；（9）该系列PLC具有实时时钟，密码保护，时间中断，硬件中断，库功能，在线/离线诊断功能，并且所有模块上的端子都可拆卸，方便用户进行安装和接线。点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》3.4.3信号板和信号模块1.信号板（SB）信号板是可以内插在CPU模块中、用于扩展少量I/O点的一块小集成电路板。S7-1200的所有CPU模块都可以安装一块信号板，采用内嵌式安装，信号板直接插到S7-1200CPU前面的插座中，实现电气、机械的连接，安装前后不会增加控制器所需的空间，安装尺寸不变，这也是S7-1200的一大亮点。S7-1200共有5种信号板，分别是：数字量输入/输出信号板SB1221、SB1222、SB1223，模拟量输入/输出信号板SB1231、SB1232，这五种信号板适用于所有的CPU模块，概要如表3-2、表3-3。其中常用的是SB1223和SB1231。点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》2.信号模块（SM）除了通过信号板进行少量点数的扩展外，S7-1200也提供了各种信号模块（SM）进行较多点数的I/O扩展。信号模块连接在CPU的右侧。数字量输入模块（DI）、数字量输出模块（DO），模拟量输入模块（AI）、模拟量输出模块（AO），它们统称为信号模块。大量不同的数字量和模拟量模块可精确提供各种任务所需的输入/输出。数字量和模拟量模块在通道数目、电压和电流范围、隔离、诊断和报警功能等方面有所不同。在信号模块中，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的输入、输出电路。因此，信号模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》2.信号模块（SM）除了通过信号板进行少量点数的扩展外，S7-1200也提供了各种信号模块（SM）进行较多点数的I/O扩展。信号模块连接在CPU的右侧。数字量输入模块（DI）、数字量输出模块（DO），模拟量输入模块（AI）、模拟量输出模块（AO），它们统称为信号模块。信号板与信号模块的不同之处可分以下三个方面：第一，尺寸方面：安装信号板不影响CPU的安装尺寸，信号模块装在CPU的外侧，则影响CPU的尺寸。第二，适用性：信号板适用于所有的CPU模块，信号模块不适用于CPU1211C。第三，扩展点数：信号板用于少数I/O点的扩展，信号模块用于较多点数、更灵活的I/O扩展。点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》3.4.4通信板和通信模块1.通信板（CB）S7-1200的所有CPU模块都可以安装一块通信板（CB），采用内嵌式安装，与信号板的连接类似，通信板（CB）内插在CPU模块中，用于提供串行通信口，是一种简单经济的串口解决方案。S7-1200配套使用的通信板只有一种，型号为CB1241-RS485，该模块使用时接线如图3-9所示。图3-9CB1241RS485模块使用接线图

CB1241-RS485允许S71200 CPU通过该通信板与西门子传动设备进行USS通讯连接，实现S71200 PLC与传动设备USS通讯。一个CB1241-RS485接口最多同时连接16台驱动器。CB1241-RS485模块还支持Modbus RTU、点对点PtP等通讯连接。点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》2.通信模块（CM）S7-1200的可扩展性强、灵活性高也体现在它的通信模块（CM）设计上。S7-1200最多可以增加3个通信模块，安装在CPU模块的左边。CM只能安装在CPU的左侧或者另外一个CM的左侧。西门子PLCS7-1200系列的通信模块主要有CM1241、CM1242、CM1243、CM1245、CM1278等几种。表3-5通信模块型号、用途表型号用途备份CM12784×I/OLinkMASTER

CM1241RS485/RS422/RS232

CM1243-2AS-Interface主站

CM1243-5PROFIBUSDP主站模块

CM1242-5PROFIBUSDP从站模块

CM1242-7GPRS模块

TSAdapterIEBasic连接到CPU

TSModuleModem调制解调器

TSModuleISDNISDN

TSModuleRS232RS232

TSModule

《电气基础与S7-1200PLC控制技术》点击此处结束放映S7-1200PLC开发环境简介3.5

点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》3.5.1开发环境简介1.简介S7-1200PLC用户程序的编写，可以在Step7Basic中进行。它提供了标准编程语言，供用户开发、编辑用户程序和监视用户程序。Step7BasicV10.5是第一个投入中国市场的版本，后来被合并到TIAportal软件中。全集成自动化软件TIAportal，简称“博途”，是西门子发布的一款全新的全集成自动化软件。它是业内首个采用统一的工程组态和软件项目环境的自动化软件，几乎适用于所有自动化任务。借助该全新的工程技术软件平台，用户能够快速、直观地开发和调试自动化系统，可对西门子全集成自动化中所涉及的所有自动化和驱动产品进行组态、编程和调试。点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》2.软件组成专业版的博途软件由四部分组成：用于硬件组态和编写PLC程序的SIMATICStep7，用于仿真调试的SIMATICStep7PLCSIM，用于组态可视化监控系统、支持触摸屏和PC工作站的SIMATICWinCC，用于设置和调试变频器的SINAMICSStartdrive和用于安全性S7系统的Step7Safety。3.软件安装要求要求个人计算机（PC）的配置为：微处理器为Intel®Core™i5-3320M3.3GHz或更高版本，8GB内存（不少于4GB）；屏幕分辨率1920×1080（建议）；20Mbit/s以太网。4.软件功能编程语言有：LAD、FBD、SCL、STL*、S7-GRAPH*。点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》3.5.2开发软件基本使用方法博途有两种视图：博途视图和项目视图。如图3-10，3-11所示。图3-10博途视图图3-11项目视图

在博途视图中，项目——启动——创建新项目，在右边栏目中输入项目名称、保存路径、作者、注释信息等，单击“创建”，可以启动一个新项目。在项目视图中，打开“项目”菜单，选择“新建”，在右边栏目中输入项目名称、保存路径、作者、注释信息等，单击“创建”，可以创建一个新的项目；或者，启动——打开现有项目，来启动一个现有项目。点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》3.5.3S7-1200与编程PC机的连接

S7-1200CPU与PC机通信时，第一需要进行硬件配置，如果是一对一通信，不需要以太网交换机；第二需要为CPU或网络设备分配IP地址。在PROFINET网络中，每个设备必须具有一个MAC地址和Internet协议（IP）地址。设备与组态的大致步骤如下：①添加设备；②设备组态；③组态网络：组态网络之前，不能分配I/O设备的I/O地址；④设置网络参数。1.硬件连接在编程设备和S7-1200CPU之间创建硬件连接时，首先安装S7-1200CPU，将以太网电缆插入PROFINET端口中，再将以太网电缆连接到编程设备上，如上述的图3-6所示。点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》2.组态打开软件TIAportalV14，创建一个新项目，命名为“S7-1200与编程设备间的通信”，如图3-13所示。

点击“组态设备”→“添加新设备”，根据实际PLC型号选择添加新设备，如图3-14所示。图3-13创建新项目图3-14添加网络设备点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》3.为编程设备和网络设备分配IP地址用户可以使用桌面上的“网上邻居”分配或检查编程设备的IP地址：右键单击“网上邻居”→“属性”→“本地”→“属性”选项。在“本地连接属性”对话框中，在“此连接使用下列项目：”区域向下滚动到“Internet协议（TCP/IP）”，单击“Internet协议（TCP/IP）”，然后单击“属性”按钮。选择“自动获得IP地址（DHCP）”或在“使用下面的IP地址”下输入静态IP地址。为S7-1200CPU分配IP地址时，采用的是在项目中组态IP地址的方法。使用S7-1200CPU配置机架之后，可组态PROFINET接口的参数。为此，单击CPU上的绿色PROFINET框以选择PROFINET端口。巡视窗口中的“属性”选项卡会显示PROFINET端口，如图3-15所示。点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》图3-15

设置IP地址点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》4.测试运行

在完成组态后，使用“扩展的下载到设备”对话框测试所连接的网络设备S7-1200CPU“下载到设备”功能及其“扩展的下载到设备”对话框可以显示所有可访问的网络设备，以及是否为所有设备都分配了唯一的IP地址（PG/PC接口的类型：PN/IE；PG/PC接口：RealtekPCIeGBEFamilyController）。选中“显示所有可访问设备”复选框能够显示全部可访问和可用设备以及为其分配的MAC和IP地址。如图3-16所示。图3-16

“扩展的下载到设备”对话框点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》3.5.4PLC用户程序编程1.程序块项目中默认的只有一个用户程序块。要添加程序块，需要在项目树的程序块中，双击“添加新块”，然后选择块的名称、类型、编号和编程语言。可供选择的块类型有四种：组织块（OB）、函数快（FB）、函数（FC）、数据块（DB）。（块的定义见第五章）OB、FC块可供选择的编程语言有4种：LAD、FBD、STL和SCL。FB块可供选择的编程语言有5种：LAD、FBD、STL、SCL和GRAPH。点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》2.指令系统提供的指令可以在指令目录和库目录窗口中选择。双击项目树中要编辑的程序块，就可以打开程序编辑器。双击项目树窗口中的PLC变量的“显示所有变量”项目，就进入符号编辑器。编写PLC程序之前先创建变量有利于程序的阅读、分析和修改。PLC变量的名称在CPU范围内具有唯一性，即使变量位于CPU的不同变量表中。块已经使用的名称、CPU内其他PLC变量或常量的名称，不能用于新的PLC变量的命名。变量名的唯一性检查不区分大小写字母。如果输入了一个已经存在的变量名，系统会自动为第二次输入的名称后加上序号（1）。点击此处结束放映《电气基础与S7-1200PLC控制技术》3.用