1.3 西門子PLC

1.3.1 PLC的分類

PLC產(chǎn)品種類繁多，其規(guī)格和性能也各不相同。PLC可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式的不同、功能的差異、I/O點(diǎn)數(shù)的多少和生產(chǎn)廠家的不同進(jìn)行大致分類。

1.按組成結(jié)構(gòu)形式分類

根據(jù)PLC的結(jié)構(gòu)形式，可將PLC分為整體式、模塊式和疊裝式。

（1）整體式PLC

整體式PLC是將電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價(jià)格低、安裝方便的特點(diǎn)。小型PLC一般采用這種整體式結(jié)構(gòu)。整體式PLC由不同I/O點(diǎn)數(shù)的基本單元（又稱主機(jī)）和擴(kuò)展單元組成。基本單元內(nèi)有CPU、I/O接口、與I/O擴(kuò)展單元相連的擴(kuò)展口，以及與編程器或EPROM存儲(chǔ)器相連的接口等。擴(kuò)展單元內(nèi)只有I/O和電源等，沒有CPU。基本單元和擴(kuò)展單元之間一般用扁平電纜連接。整體式PLC一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，使其功能得以擴(kuò)展。

（2）模塊式PLC

模塊式PLC是將PLC各組成部分，分別做成若干個(gè)單獨(dú)的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊（有的含在CPU模塊中）以及各種功能模塊。模塊式PLC由框架（或基板）和各種模塊組成，模塊裝在框架（或基板）的插座上。這種模塊式PLC考慮的是功能集中，其特點(diǎn)是配置靈活，可根據(jù)需要其中各模塊功能比較單一，模塊的種類卻日趨豐富。這是當(dāng)前在工業(yè)控制中廣泛應(yīng)用的PLC類型，可以根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程的實(shí)際需要靈活配置。

（3）疊裝式PLC

還有一些PLC將整體式的緊湊、體積小、安裝方便和模塊式的搭配靈話、安裝整齊的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，構(gòu)成所謂疊裝式PLC。其CPU、電源、I/O接口等也是各自獨(dú)立的模塊，在安裝時(shí)不用基板，僅靠電纜進(jìn)行連接，并且各模塊可以一層一層地疊裝。這樣，系統(tǒng)不但可以靈活配置，還可以做得體積小巧。如圖1-4所示。

2.按功能分類

根據(jù)PLC所具有的功能不同，可將PLC分為低檔、中檔、高檔3類。

（1）低檔PLC

具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入/輸出、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能。主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機(jī)控制系統(tǒng)。

（2）中檔PLC

除具有低檔PLC的功能外，還具有較強(qiáng)的模擬量輸入/輸出、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程I/O、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還可增設(shè)中斷控制、PID控制等功能，適用于復(fù)雜控制系統(tǒng)。

（3）高檔PLC

除具有中檔機(jī)的功能外，還增加了帶符號(hào)算術(shù)運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、位邏輯運(yùn)算、平方根運(yùn)算及其他特殊功能函數(shù)的運(yùn)算、制表及表格傳送功能等。高檔PLC設(shè)備具有更強(qiáng)的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大規(guī)模過程控制或構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化。

3.按I/O點(diǎn)數(shù)分類

根據(jù)PLC的I/O點(diǎn)數(shù)的多少，可將PLC分為小型、中型和大型3類。

（1）小型PLC

小型PLC一般I/O點(diǎn)數(shù)少于256點(diǎn)，單CPU，8位或16位處理器，用戶存儲(chǔ)器容量4K字以下。它適合于單機(jī)控制或小型系統(tǒng)的控制。例如：

GE-I型 美國通用電氣（GE）公司

TI100 美國德州儀器公司

F,F1,F2 日本三菱電氣公司

C20,C40 日本立石公司（歐姆龍）

S7-200 德國Siemens公司

EX20,EX40 日本東芝公司

SR-20/21 中外合資無錫華光電子工業(yè)有限公司

（2）中型PLC

中型PLC一般I/O點(diǎn)數(shù)為256～2048點(diǎn)，雙CPU，用戶存儲(chǔ)器容量2K～8K字節(jié)。它可用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行直接控制，還可以對(duì)多個(gè)下一級(jí)的PLC進(jìn)行監(jiān)控，它適合于中型或大型控制系統(tǒng)的控制。例如：

S7-300 德國Siemens公司

SR-400 中外合資無錫華光電子工業(yè)有限公司

SU-5,SU-6 德國Siemens公司

C-500 日本立石公司

GE-Ⅲ GE公司

（3）大型PLC

大型PLC一般I/O點(diǎn)數(shù)多于2048點(diǎn)，多CPU，16位、32位處理器，用戶存儲(chǔ)器容量8K～16K字節(jié)。它不僅能完成較復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算，還能進(jìn)行復(fù)雜的矩陣運(yùn)算等。例如：

S7-400 德國Siemens公司

GE-Ⅳ GE公司

C-2000 日本立石公司

A500 德國AEG公司

K3 日本三菱公司等

1.3.2 西門子PLC主要性能指標(biāo)

不同PLC產(chǎn)品的技術(shù)性能不同，其性能指標(biāo)也有所不同，常用的性能指標(biāo)包含下列幾個(gè)方面。

1.工作速度

工作速度是指CPU執(zhí)行指令的速度以及對(duì)急需處理的輸入信號(hào)的響應(yīng)速度。工作速度是PLC工作的基礎(chǔ)。速度提高，才可能通過運(yùn)行程序來實(shí)現(xiàn)控制，才可能不斷擴(kuò)大控制規(guī)模，才可能更好地發(fā)揮PLC的功能。不同的PLC，其指令的條數(shù)也不同。少的幾十條，多的幾百條。指令不同，執(zhí)行的時(shí)間也不同。但各種PLC總有一些基本指令，而且各種的PLC都有這些基本指令，所以，常以執(zhí)行一條基本指令的時(shí)間來衡量這個(gè)速度。這個(gè)時(shí)間當(dāng)然越短越好，目前已達(dá)到零點(diǎn)微秒級(jí)。而且隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)時(shí)間還在縮短。

工作速度不僅關(guān)系到PLC對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)速度，而且關(guān)系到PLC對(duì)系統(tǒng)控制是否及時(shí)。特別是在一些需快速響應(yīng)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，控制不及時(shí)，就不可能準(zhǔn)確可靠。

2.輸入/輸出點(diǎn)數(shù)

輸入/輸出點(diǎn)數(shù)表示PLC組成控制系統(tǒng)時(shí)可能的最大規(guī)模，輸入/輸出點(diǎn)數(shù)代表PLC的控制能力，看其能對(duì)多少輸入/輸出點(diǎn)及對(duì)多少路模擬進(jìn)行控制。控制規(guī)模與速度有關(guān)。因?yàn)橐?guī)模大了，用戶程序也長，執(zhí)行指令的速度不快，勢(shì)必延長PLC循環(huán)的時(shí)間，也必然會(huì)延長PLC對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)。為了避免這個(gè)情況，PLC的工作速度就要快。所以，大型PLC的工作速度總是比小的要快。

輸入/輸出點(diǎn)數(shù)的多少還與內(nèi)存區(qū)的大小有關(guān)。點(diǎn)數(shù)多、規(guī)模大，用戶程序長，就要求有更大的用戶存儲(chǔ)區(qū)。輸入/輸出點(diǎn)數(shù)還與輸入、輸出電路數(shù)有關(guān)。如輸入/輸出點(diǎn)數(shù)為1024點(diǎn)，那就得有1024條I/O電路。這些電路集成于I/O模塊中，而每個(gè)模塊有多少路的I/O點(diǎn)總是有限的。所以，系統(tǒng)規(guī)模大，所使用的模塊也多。

輸入/輸出點(diǎn)數(shù)是對(duì)PLC其他性能指標(biāo)起著制約作用的指標(biāo)，也是劃分為小、中、大和特大型系統(tǒng)的指標(biāo)。

3.內(nèi)存容量

PLC內(nèi)部所使用的存儲(chǔ)器，按其用途一般可以分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器、用戶程序存儲(chǔ)器、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。從發(fā)展趨勢(shì)看，內(nèi)存容量總是在不斷快速地增大。大型PLC的內(nèi)存容量可達(dá)幾十字節(jié)，以至于幾百字節(jié)。

4.指令系統(tǒng)

PLC有多少條指令，各條指令又具有什么功能，是了解與使用PLC的重要方面。PLC的指令越來越多，越來越豐富。功能很強(qiáng)的、綜合多種作用的指令日益增多。指令的繁簡、多少及其功能影響著PLC的性能。

PLC的指令繁多，但主要包括幾種類型：基本邏輯指令、數(shù)據(jù)處理指令、數(shù)據(jù)運(yùn)算指令、流程控制指令、狀態(tài)監(jiān)控指令。為了進(jìn)行通信，PLC還有相應(yīng)的協(xié)議與通信指令或命令，這些也反映了PLC的性能。

5.支持軟件

為了便于編制PLC程序，多數(shù)PLC廠家都開發(fā)了相關(guān)的計(jì)算機(jī)支持軟件。從本質(zhì)上講，PLC所能識(shí)別的只是機(jī)器語言。它之所以能使用一些助記符語言、梯形圖語言、流程圖語言，以至高級(jí)語言，全靠為使用這些語言而開發(fā)的種種軟件。為了用好PLC，充分發(fā)揮PLC產(chǎn)品的性能，PLC的支持軟件越來越豐富，性能也越來越好，其界面也越來越友好。

PLC的控制軟件根據(jù)生產(chǎn)廠家、型號(hào)的不同有所區(qū)別，但總體上來說，可以分為系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序兩大部分。

（1）系統(tǒng)程序

系統(tǒng)程序是指控制PLC系統(tǒng)自身運(yùn)行的控制程序，它是不向用戶開放的。它由PLC產(chǎn)品生產(chǎn)廠家的專業(yè)人員編制。

（2）應(yīng)用程序

應(yīng)用程序是指PLC用戶根據(jù)各種控制要求和控制條件而編寫的用戶控制程序。應(yīng)用程序的編寫方法和采用的編程語言、用戶程序的結(jié)構(gòu)等與硬件聯(lián)系緊密程度，取決于PLC的具體型號(hào)、生產(chǎn)廠家及所使用的編程工具。

6.可靠性指標(biāo)

PLC是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，所以，其可靠性尤為值得關(guān)注。為使PLC能可靠地工作，在硬件與軟件兩個(gè)方面PLC廠家都采取了很多措施，對(duì)一些有特殊可靠性要求的應(yīng)用場(chǎng)合，還有相應(yīng)的特殊措施，如熱備、冗余等。PLC的可靠性措施是圍繞著提高平均故障間隔時(shí)間（MTBF）而進(jìn)行的。有關(guān)提高M(jìn)TBF的措施如何以及PLC的MTBF數(shù)值也成為了PLC性能的重要指標(biāo)。

7.經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最簡單的就是看價(jià)格。一般講，同樣技術(shù)性能的PLC，價(jià)格低其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)就好。此外，還要看供貨情況、技術(shù)服務(wù)、配套資料等。總之，對(duì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)要進(jìn)行綜合分析，要看使用了PLC能否帶來經(jīng)濟(jì)效益，合適的就是最好的。

1.3.3 西門子PLC與S7-300

Siemens公司是歐洲最大的PLC生產(chǎn)廠家之一，早在1973年，Siemens公司就研制出了歐洲第一臺(tái)PLC。Siemens公司的PLC產(chǎn)品進(jìn)入中國較早，在國內(nèi)有很高的市場(chǎng)占有率。本書主要介紹Siemens PLC的S7系列。

Siemens自動(dòng)化產(chǎn)品的注冊(cè)商標(biāo)為SIMATIC，涵蓋了Siemens自動(dòng)化系統(tǒng)中的全部產(chǎn)品。1975 年，Siemens公司的產(chǎn)品最早投放市場(chǎng)的是SIMATIC S3，它主要是邏輯線路的硬件組合，其實(shí)是帶有簡單操作接口的二進(jìn)制邏輯控制器。1979 年，S3 系統(tǒng)被SIMATIC S5所取代，該系統(tǒng)廣泛地使用了微處理器，產(chǎn)品功能和性能得到了提高。20 世紀(jì)80 年代初，S5 系統(tǒng)進(jìn)一步升級(jí)到U系列PLC，較常用機(jī)型：S5-90U,95U,100U,115U,135U,155U。1994年4 月，S7 系列誕生，它具有更國際化、更高性能等級(jí)、安裝空間更小、更良好的Windows用戶界面等優(yōu)勢(shì)，其機(jī)型為：S7-200,S7-300,S7-400。

SIMATIC涵蓋的產(chǎn)品線范圍很廣泛，主要分為如圖1-5所示的幾個(gè)系列。

SIMATIC的產(chǎn)品線主要分為以下的幾個(gè)系列：

1.S7系列

S7系列是傳統(tǒng)意義的PLC產(chǎn)品。S7-200是針對(duì)低性能要求的小型PLC，S7-300是模塊式中小型PLC，最多可以擴(kuò)展32 個(gè)模塊。S7-400 是大型PLC，可以擴(kuò)展300 多個(gè)模塊。S7-300/400可以組成MPI、PROFIBUS和工業(yè)以太網(wǎng)等。

2.M7系列

M7系列采用與S7-300/400相同的結(jié)構(gòu)，它可以作為CPU或功能模塊使用。具有AT兼容計(jì)算機(jī)的功能，可以用C、C++或CFC等語言來編程。M7系列適用于需要高的計(jì)算性能、數(shù)據(jù)管理和顯示的場(chǎng)合。

3.C7系列

C7系列的完整系統(tǒng)由一個(gè)PLC（S7-300）、一個(gè)HMI（人機(jī)接口）操作面板、I/O、通信和過程監(jiān)視系統(tǒng)組成。將PLC與操作面板集成在一起，可使整個(gè)控制設(shè)備體積更小、價(jià)格更優(yōu)。

S7-300是模塊化、通用型的中型PLC系統(tǒng)。它性價(jià)比高，電磁兼容性高，抗沖擊性強(qiáng)，具有非常好的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)能力，廣泛地應(yīng)用在電力、能源、交通運(yùn)輸、化工、汽車、通用機(jī)械、紡織、包裝等各種行業(yè)、各種環(huán)境中的監(jiān)測(cè)和控制等，能滿足中等性能要求的各種應(yīng)用。各單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛的組合和擴(kuò)展，構(gòu)成不同要求的控制系統(tǒng)。需要時(shí)，還可以增加模塊，對(duì)PLC進(jìn)行擴(kuò)展。而且易于實(shí)現(xiàn)分布式配置，用戶易于掌握，這使得S7-300在工業(yè)應(yīng)用中成為一種既切合實(shí)際又經(jīng)濟(jì)的解決方案。

S7-300優(yōu)良的工業(yè)控制特性，已經(jīng)得到很多國際標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，本書主要介紹使用最為廣泛的S7-300系列，適當(dāng)兼顧S7-200和S7-400系列。

WinAC基于Windows和標(biāo)準(zhǔn)的接口（ActiveX，OPC），提供軟件PLC或插槽PLC。它適用于各種控制任務(wù)（控制、顯示、數(shù)據(jù)處理）都由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)合。

1.3.4 西門子PLC控制系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)

SIMATIC控制系統(tǒng)的概況如圖1-6所示。

從圖中可以清楚地看出，SIMATIC控制系統(tǒng)包含了三個(gè)主要層次（又稱三層結(jié)構(gòu)），通過網(wǎng)絡(luò)把這三個(gè)層次聯(lián)系起來，構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)。最下面是現(xiàn)場(chǎng)層，通過遠(yuǎn)程I/O、傳感器等，把現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接入現(xiàn)場(chǎng)總線。中間是控制層，負(fù)責(zé)生產(chǎn)過程的控制與優(yōu)化。上面是管理層，上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)與PLC通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。