PLC控制技术实验指导书资料.docx
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PLC控制技术实验指导书资料
第一章
可编程控制器的概述
可编程序控制器，英文称ProgrammableLogicalController，简称PLC。
它是一个以微
处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序
的存储器，用以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指令，
并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是微机技术
与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的复杂接
线、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现
场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知
识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方
便易学；调试与查错也都很方便。
用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序的编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。
一、可编程控制器的基本结构
可编程控制器主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成（如下图所示）。
位位
位位位位
位位位位
位位
1、CPU模块
位位位
位位位
位位位
位位
CPU模块又叫中央处理单元或控制器，它主要由微处理器（CPU）和存储器组成。
它用以
运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、
完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如编程器、电脑、打印
机等）的请求以及进行各种内部判断等。
PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，
主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户
不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。
2、I/O模块
1
I/O模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。
输入模块用来接
收和采集输入信号。
输入信号有两类：
一类是从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、
接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟输入信号。
可编程序控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器，
可编程序控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。
3、电源
可编程序控制器一般使用220V交流电源。
可编程序控制器内部的直流稳压电源为各模块内的元件提供直流电压。
4、编程器
编程器是PLC的外部编程设备，用户可通过编程器输入、检查、修改、调试程序或监示
PLC的工作情况。
也可以通过专用的编程电缆线将PLC与电脑联接起来，并利用编程软件进行电脑编程和监控。
5、输入/输出扩展单元
I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）连接在一起。
6、外部设备接口
此接口可将编程器、打印机、条码扫描仪,变频器等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。
本实验装置选用的主机型号为S7-200系列的主机。
二、可编程控制器的工作原理
可编程控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。
在运行状态，可编程序控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。
为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或切换到STOP工作状态。
除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可编程序控制器还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段（如图所示）
在内部处理阶段，可编程序控制器检查CPU，模块内部
的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内
2
部工作。
在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通
信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。
在输入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入映像寄存器。
在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。
在输出处理阶段，CPU将输出映像寄存器的通/断状态传送到输出锁存器。
三、可编程控制器的内存区域的分布及I/O配置
S7-200CPU224、CPU226部分编程元件的编号范围与功能说明如下表所示
元件名称
代表字母
编号范围
功能说明
输入寄存器
I
I0.0～I1.5共14点
接受外部输入设备的信号
输出寄存器
Q
Q0.0～Q1.1共10点
输出程序执行结果并驱动外部设备
位存储器
M
M0.0～M31.7
在程序内部使用，不能提供外部输出
定时器
256（T0～t2
55）
T0,T64
保持型通电延时1ms
T1～T4,T65～T68
保持型通电延时10ms
T5～T31,T69～T95
保持型通电延时100ms
T32,T96
ON/OFF延时,1ms
T33～T36,T97～T100
ON/OFF延时,10ms
T37～T63,T101～T25
5
ON/OFF延时,100ms
计数器
C
C0～C255
加法计数器，触点在程序内部使用
高速计数器
HC
HC0～HC5
用来累计比CPU扫描速率更快的事件
顺序控制继电器
S
S0.0～S31.7
提供控制程序的逻辑分段
变量存储器
V
VB0.0～VB5119.7
数据处理用的数值存储元件
局部存储器
L
LB0.0～LB63.7
使用临时的寄存器，作为暂时存储器
特殊存储器
SM
SM0.0～SM549.7
CPU与用户之间交换信息
特殊存储器
SM（只读）
SM0.0～SM29.7
接受外部信号
累加寄存器
AC
AC0～AC3
用来存放计算的中间值
四、可编程控制器的编程语言概述
现代的可编程控制器一般备有多种编程语言，供用户使用。
IEC1131-3—可编程序控制器编程语言的国际标准详细的说明了下述可编程控制器编程语言：
3
1）顺序功能图
2）梯形图
3）功能块图
4）指令表
5）结构文本
其中梯形图是使用得最多的可编程控制器图形编程语言。
梯形图与继电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂熟悉继电器控制的电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制，主要特点如下：
1）可编程控制器梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器（即硬件继电器），而是在软件中使用的编程元件。
每一编程元件与可编程序控制器存储器中元件映像寄存器的一个存储单元相对应。
2）梯形图两侧的垂直公共线称为公共母线（BUS
bar）。
在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电
器电路的分析方法，可以想象左右两侧母线之间有
一个左正右负的直流电源电压，当图中的触点接通
时，有一个假想的“概念电流”或“能流（Power
flow）从左到右流动，这一方向与执行用户程序时
的逻辑运算的顺序是一致的。
3）根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出
与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图
的逻辑解算。
逻辑解算是按梯形图中从上到下、从
左到右的顺序进行的。
4）梯形图中的线圈和其他输出指令应放在最右边。
5）梯形图中各编程元件的常开触点和常闭触点均可以无限多次地使用。
五、可编程控制器的编程步骤
（1）确定被控系统必须完成的动作及完成这些动作的顺序。
（2）分配输入输出设备，即确定哪些外围设备是送信号到PLC，哪些是外围设备是接收来自PLC信号的。
并将PLC的输入、输出口与之对应进行分配。
（3）设计PLC程序画出梯形图。
梯形图体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相互关系。
（4）实现用计算机对PLC的梯形图直接编程。
（5）对程序进行调试（模拟和现场）。
（6）保存已完成的程序。
显然，在建立一个PLC控制系统时，必须首先把系统的需要的输入、输出数量确定下来，
然后按需要确定各种控制动作的顺序和各个控制装置彼此之间的相互关系。
确定控制上的相互
关系之后，就可进行编程的第二步──分配输入输出设备，在分配了PLC的输入输出点、内部
辅助继电器、定时器、计数器之后，就可以设计PLC程序画出梯形图。
在画梯形图时要注意每
个从左边母线开始的逻辑行必须终止于一个继电器线圈或定时器、计数器，与实际的电路图不
4
一样。
梯形图画好后，使用编程软件直接把梯形图输入计算机并下载到PLC进行模拟调试，修改→下载直至符合控制要求。
这便是程序设计的整个过程。
第二章
可编程控制器基本指令简介
S7-200的SIMATIC基本指令简表：
LD
LDN
N
N
装载（开始的常开触点）
取反后装载（开始的常闭触点）
A
AN
N
N
与（串联的常开触点）
取反后与（串联的常闭触点）
O
ON
N
N
或（并联的常开触点）
取反后或（并联的常闭触点）
NOT
栈顶值取反
EU
ED
上升沿检测下降沿检测
二
N
赋值
S
R
S_BIT,N
S_BIT,N
置位一个区域复位一个区域
SHRB
DATA,S_BIT,N
移位寄存器
SRB
SLB
OUT,N
OUT,N
字节右移N位字节左移N位
RRB
RLB
OUT,N
OUT,N
字节循环右移N位字节循环左移N位
TON
TOF
Txxx,TP
Txxx,TP
通电延时定时器断电延时定时器
CTU
CTD
Cxxx,PV
Cxxx,PV
加计数器
减计数器
END
程序的条件结束
STOP
切换到STOP模式
WDR
看门狗复位300ms
JMP
N
跳到指定的标号
CALL
N（N1,N2……）
调用子程序，可以优16个可选参数
CRET
从子程序条件返回
5
FOR/NEXT
INDX,INIT,FINA
For/Next循环
ALD
OLD
L
电路块串联
电路块并联
NETR
NETW
TABLE,PORT
TABLE,PORT
网络读
网络写
SLCR
SLCT
SLCE
N
N
顺控继电器段的启动顺控继电器段的转换顺控继电器段的结束
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第三章
STEP7-Micro/WIN软件的使用及编程规则
一、STEP7-Micro/WIN软件的使用方法
STEP7-Micro/WIN编程软件为用户开发、编辑和控制自己的应用程序提供了良好的编程环境。
为了能快捷高效地开发你的应用程序，STEP7-MicroWIN软件提供了三种程序编辑器。
STEP7-Micro/WIN软件提供了在线帮助系统，以便获取所需要的信息。
本实验装置使用的编程软件是STEP7-Micro/WIN4.0版本，在做实验前，首先将该软件根据软件安装的提示安装到计算机上，然后用编程线将计算机和实验装置连接到一起。
（一）系统需求
STEP7-MicroWIN既可以在PC机上运行，也可以在Siemens公司的编程器上运行。
PC机或编程器的最小配置如下：
Windows95、Windows98、Windows2000、WindowsMe或者WindowsNT4.0以上。
（二）软件的使用
1、打开TEP7-Micro/WIN32，在设中
选择PC/PPI协议
2、点击
更改通信端口和通信速率
7
3、在通讯菜单里双击刷新，TEP7-Micro/WIN32开始搜索PPI网络中的S7-200CPU
搜索完成后会出现网络中所有PLC的列表，选择要操作的PLC即可对所选PLC进行操作
了
4、编辑梯形图。
5、点击
将程序下载到PLC中，点击可以将PLC置于运行的状态。
可以对程序运行状态进行监控，点击
二、编程规则
1）外部输入/输出继电器、内部继电器、定时器、计数器等器件的接点可多次重复使用，无需用复杂的程序结构来减少接点的使用次数。
2）梯形图每一行都是从左母线开始，线圈接在右边。
接点不能放在线圈的右边，在继电器控制的原理图中，热继电器的接点可以加在线圈的右边，而PLC的梯形图是不允许的。
3）线圈不能直接与左母线相连。
如果需要，可以通过一个没有使用的内部继电器的常闭接点或者特殊内部继电器的常开接点来连接。
4）同一编号的线圈在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操作，应尽量避免线圈重复使用。
5）梯形图程序必须符合顺序执行的原则，即从左到右，从上到下地执行，如不符合顺序执行的电路就不能直接编程。
6）在梯形图中串联接点使用的次数是没有限制，可无限次地使用。
7）两个或两个以上的线圈可以并联输出。
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第四章
MCGS组态软件的介绍及使用
一、MCGS系统介绍
（一）、MCGS
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，通用监控系统）是一套用于快速构造和
生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，
通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户
提供解决实际工程问题的方案，在工业控制领域有着广泛的应用。
MCGS组态软件功能强大，
操作简单，易学易用，普通工程人员经过短时间的培训就能迅速掌握多数工程项目的设计和运
行操作。
同时使用MCGS组态软件能够避开复杂的计算机软、硬件问题，集中精力去解决工程
问题本身，根据工程作业的需要和特点，组态配置出高性能、高可靠性和高度专业化的工业控制监控系统。
（一）MCGS的主要特性和功能如下：
（1）概念简单，易于理解和使用。
普通工程人员经过短时间的培训就能正确掌握、快速完成多数简单工程项目的监控程序设计和运行操作。
用户可避开复杂的计算机软硬件问题，集中精力解决工程本身的问题，按照系统的规定，组态配置出高性能、高可靠性、高度专业化的上位机监控系统。
（2）实时性与并行处理。
MCGS充分利用了Windows操作平台的多任务、按优先级分时操作的功能，使PC机广泛应用于工程测控领域成为可能。
工程作业中，大量的数据和信息需要及时收集，即时处理，在计算机测控技术领域称其为实时性任务关键任务，如数据采集、设备驱动和异常处理等。
另外许多工作则是非实时性的，或称为非时间关键任务，如画面显示，可在主机运行周期时间内插空进行。
而像打印数据一类的工作，可运行于后台，称为脱机作业。
MCGS是真正的32位系统，可同时运行于MicrosoftWindows95，98和MicrosoftWindowsNT平台，以线程为单位进行分时并行处理。
（3）建立实时数据库，便于用户分步组态，保证系统安全可靠运行。
MCGS组态软件由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成。
其中的“实时数据库”是整个系统的核心。
在生成用户应用系统时，每一部分均可分别进行组态配置，独立建造，互不相干；而在系统运行过程中，各个部分都通过实时数据库交换数据，形成互相关联的整体。
实时数据库是一个数据处理中心，是系统各个部分及其各种功能性构件的公用数据区。
各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据，并完成自己的差错控制。
（4）设立“设备工具箱”，针对外部设备的特征，用户从中选择某种“构件”，设置于设备窗口内，赋予相关的属性，建立系统与外部设备的连接关系，即可实现对该种设备的驱动和控制。
不同的设备对应于不同的构件，所有的设备构件均通过实时数据库建立
9
联系，而建立时又是相互独立的，即对某一构件的操作或改动，不影响其它构件和整个系统的结构，从这一意义上讲，MCGS是一个“设备无关”的系统，用户不必因外部设备局部改动，而影响整个系统。
（5）“面向窗口”的设计方法，增加了可视性和可操作性。
以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS的组态工作既简单直观，又灵活多变。
用户可以使用系统的缺省构架，也可以根据需要自己组态配置，生成各种类型和风格的图形界面，包括DOS风格的图形界面、标准Windows风格的图形界面以及带有动画效果的工具条和状态条。
（6）利用丰富的“动画组态”功能，快速构造各种复杂生动的动态画面。
以图象、图符、数据、曲线等多种形式，为操作员及时提供系统运行中的的状态、品质及异常报警等有关信息。
用变化大小、改变颜色、明暗闪烁、移动翻转等多种手段，增强画面的动态显示效果。
图元、图符对象定义相应的状态属性，即可实现动画效果。
同时，MCGS为用户提供了丰富的动画构件，模拟工程控制与实时监测作业中常用的物理器件的动作和功能。
每个动画构件都对应一个特定的动画功能。
如：
实时曲线构件、历史曲线构件、报警显示构件、自由表格构件等。
（7）引入“运行策略”的概念。
复杂的工程作业，运行流程都是多分支的。
用传统的编程方法实现，既繁琐又容易出错。
MCGS开辟了“策略窗口”，用户可以选用系统提供的各种条件和功能的“策略构件”，用图形化的方法构造多分支的应用程序，实现自由、精确地控制运行流程，按照设定的条件和顺序，操作外部设备，控制窗口的打开或关闭，与实时数据库进行数据交换。
同时，也可以由用户创建新的策略构件，扩展系统的功能。
（8）MCGS系统由五大功能部件组成，主要的功能部件以构件的形式来构造。
不同的构件有着不同的功能，且各自独立。
三种基本类型的构件（设备构件、动画构件、策略构件）完成了MCGS系统三大部分（设备驱动、动画显示和流程控制）的所有工作。
用户也可以根据需要，定制特定类型构件，使MCGS系统的功能得到扩充。
这种充分利用“面向对象”的技术，大大提高了系统的可维护性和可扩充性。
（9）支持OLEAutomation技术。
MCGS允许用户在VisualBasic中操作MCGS中的对象，提供了一套开放的可扩充接口，用户可根据自己的需要用VB编制特定的功能构件来扩充系统的功能。
（10）MCGS中数据的存储不再使用普通的文件，而是用数据库来管理一切。
组态时，系统生成的组态结果是一个数据库；运行时，数据对象、报警信息的存储也是一个数据库。
利用数据库来保存数据和处理数据，提高了系统的可靠性和运行效率，同时，也使其它应用软件系统能直接处理数据库中的存盘数据。
（11）设立“对象元件库”，解决了组态结果的积累和重新利用问题。
所谓对象元件库，实际上是分类存储各种组态对象的图库。
组态时，可把制作完好的对象（包括图形对象，窗口对象，策略对象，以至位图文件等等）以元件的形式存入图库中，也可把元件库中的各种对象取出，直接为当前的工程所用。
随着工作的积累，对象元件库将日益扩大和丰富，组态工作将会变得越来越简单方便。
（12）提供对网络的支持。
考虑到工控系统今后的发展趋势，MCGS充分运用现今发展的DCCW（DistributedComputerCooperatorWork）技术，即分布式计算机协同工作方式，
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来使分散在不同现场之间的采集系统和工作站之间协同工作。
通过MCGS，不同的工作站之间可以实时交换数据，实现对工控系统的分布式控制和管理。
（二）MCGS系统的组态环境和运行环境
用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行，组态环境相当于一套完整的软件工具，它
帮助用户设计和构造自己的应用系统。
用户组态生成的结果是一个数据库文件，称为组态结果数据库。
运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理，
完成用户组态设计的目标和功能。
运行环境本身没有任何意义，必须与组态结果数据库一起作
为一个整体，才能构成用户应用系统。
一旦组态工作完成，运行环境和组态结果数据库就可以离开组态环境而独立运行在监控计算机上。
二、可编程控制器动态模拟仿真实验监控系统V3.0的介绍及使用
此系统适用于THSMS-B实验装置，它是利用PLC与MCGS组态的概念开发的一套软件，具有实验演示的同步监视功能。
主要作用有：
（一）系统管理
用户只能凭密码登录后才能操作软件，拒绝非法登录。
用户可以修改密码，登录用户分管
理员、教师和学生。
管理员具有管理其它用户的权利，能使用软件的全部功能；教师能使用软
件的大部分功能（除了管理用户）；学生能使用软件的部分功能，但无权使用通讯功能。
（二）状态显示
分为设备状态显示，登录用户显示，当前时间显示，累计运行时间显示等。
（三）实验演示
软件内部为每个实验都建立了实验模型，能逼真、客观、动态演示PLC的程序。
如果
PLC程序正确，软件演示的结果就正确；如果PLC程序有错，软件演示的将是错误的结果。
从演示效果可以看出PLC程序的对错。
（四）软件的调用
根据实验的需要，在实验时要用到其他的软件，可在软件调用窗口正确书写所需软件的路径，点击确认，即可方便的调用出来。
（五）输入输出显示
能实时显示输入输出点的状态（实验设备不同，主机型号也不同，输入、输出点数也不同）。
（六）帮助菜单
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针对初次使用的用户有简明的使用帮助。
第五章
实验内容
实验一
可编程控制器的基本指令编程练习
（一）与或非功能的实验
在基本指令的编程练习单元完成本实验。
一、实验目的
1、熟悉PLC实验装置，S7-200系列编程控制器的外部接线方法
2、了解编程软件STEP7的编程环境，软件的使用方法。
3、掌握与、或、非逻辑功能的编程方法。
二、实验说明
首先应根据参考程序，判断Q0.0、Q0.1、Q0.2的输出状态，在拨动输入开关
I0.1、I0.2、I0.3，观察输出指示灯Q0.1、Q0.2、Q0.3是否符合与、或、非逻辑的正确结果。
在本装置中输入公共端要求接主机模块电源的“L+”，此时输入端是低电平有效；输出公共端要求接主机模块电源的“M”，此时输出端输出的是低电平。
三、实验面板图
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图中的接线孔通过防转座插锁紧线与PLC的主机相输入输出插孔相接。
I为输入点，Q为输出点。
上图中下面两排I0.0～I1.5为输入按键和开关，模拟开关量的输入。
上边一排Q0.0～Q1.1是LED指示灯，接PLC主机输出端，用以模拟输出负载的通与断。
四、梯形图参考程序
（二）定时器/计数器功能实验
一、实验目的
掌握定时器、计数器的正确编程方法，并学会定时器和计数器扩展方法,用编程软件对可编程控制器的运行进行监控。
二、实验说明
SIMATIC定时器可分为接通延时定时器（TON），有记忆的接通延时定时器（TONR）和断开延时定时器（TOF）。
SIMATIC计数器可分为递增计数器（
升级会员 