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高等学校自动化专业教材 可编程控制器教程可编程控制器教程（基（基 础础 篇）篇）胡学林 主编 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 本书从工程应用的角度出发，以我国目前广泛应用的德国西门子（SIEMENS）公司的 SIMATIC 系列的S7-200 型 PLC 为样机，突出应用性和实践性，重点讲述了小型PLC 的结构、工作原理和编程规则，详细介绍了系统的指令系统、组态配置、网络通信及性能指标，并通过大量的、有针对性的工程实例，对工程上常用的PLC 控制系统的设计思想、设计步骤、设计方法，进行了详尽的介绍。每章后附有习题。本书可作为大专院校工业电气及自动化、机电一体化、计算机应用等相关专业的教学用书，亦可作为电大、职大相近专业的教材。对于广大的电气工程技术人员，则是一本非常有价值的参考书和技术手册。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目(CIP)数据 可编程控制器教程.基础篇/胡学林主编.北京：电子工业出版社，2003.11 高等学校自动化专业教材 ISBN 7-5053-9174-7.可 .胡 .可编程序控制器高等学校教材 .TP332.3 中国版本图书馆CIP 数据核字（2003）第084238 号 责任编辑：王传臣 特约编辑：王东宝 印 刷：出版发行：电子工业出版社 http:/ 北京市海淀区万寿路173 信箱 邮编 100036 经 销：各地新华书店 开 本：787980 1/16 印张：20.25 字数：440 千字 版 次：2003 年11 月第1 版 2003 年 11 月第1 次印刷 印 数：5 000 册 定价：26.00 元 凡购买电子工业出版社的图书，如有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系。联系电话：（010）68279077。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至。前 言 可编程控制器（简称 PLC 或 PC）是一种新型的具有极高可靠性的通用工业自动化控制装置。它以微处理器为核心，有机地将微型计算机技术、自动化控制技术及通信技术融为一体。它具有控制能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单、使用方便、易于扩展等优点，是当今及今后工业控制的主要手段和重要的自动化控制设备。可以这样说，到目前为止，无论从可靠性上，还是从应用领域的广度和深度上，还没有任何一种控制设备能够与 PLC 相媲美。因此专家认为，PLC 技术、数控技术、计算机辅助设计计算机辅助生产（CAD/CAM），以及机器人技术，并列为当代工业生产自动化的四大支柱。近年来，德国西门子（SIEMENS）公司的 SIMATIC-S7 系列的 PLC，在我国已广泛应用于各行各业的生产过程的自动控制中。为大力普及 S7 系列 PLC 的应用，我们编写了这本 S7系列的可编程控制器教程，旨在为已经使用或将要使用 S7 系列 PLC 的在校大学生和在职的电气技术人员，进行较为系统的介绍。可编程控制器教程（基础篇）作为 PLC 应用的基础，从工程应用的角度出发，突出应用性和实践性，重点讲述小型 PLC 的结构、工作原理和编程规则，以目前国内很多院校大量配置的 S7-200 为样机，详细介绍其指令系统、网络及通信，并通过有针对性的工程实例，对工程上常用的 PLC 控制系统的设计思想、设计步骤、设计及调试方法等，都进行了详尽的介绍。本书适用于大专院校工业电气自动化专业，也可作为电气技术、机电一体化、计算机应用等相关专业的教学用书，亦可作为电大、职大相近专业的教材。对于广大的电气工程技术人员，则是一本有价值的参考书和技术手册。本书的第六章由刘松编写，第七章由胡学林、王燕共同编写，其余均为胡学林编写。书中部分内容的编写参照了有关文献，恕不一一列举，谨对书后所有参考文献的作者表示感谢。由于编者水平所限，错误和不妥之处在所难免，敬请专家、同仁、读者批评指正。编 者 2003 年 5 月 目 录 第一章 可编程控制器概述1 第一节 PLC 的产生、定义、分类及应用1 第二节 可编程控制器的特点及主要功能9 第三节 PLC 的编程语言17 第四节 可编程控制器的性能指标21 第五节 可编程控制器的发展趋势22 小结24 习题一25 第二章 可编程控制器的结构和工作原理26 第一节 可编程控制器的硬件组成26 第二节 PLC 的基本工作原理43 小结51 习题二52 第三章 可编程控制器 S7-200 概述53 第一节 S7-200 的系统组成53 第二节 S7-200 的基本功能及特点59 第三节 S7-200 的编程元件的寻址及CPU 组态65 第四节 S7-200 编程语言及工业软件78 小结83 习题三84 第四章 S7-200 的基本指令系统及编程86 第一节 位操作指令86 第二节 运算指令108 第三节 数据处理指令127 第四节 表功能指令136 第五节 转换指令140 小结147 习题四147 第五章 S7-200 的应用指令 151 可编程控制器教程（基础篇）II 第一节 程序控制类指令151 第二节 特殊指令167 小结203 习题五203 第六章 可编程控制器控制系统应用设计207 第一节 PLC 控制系统的总体设计207 第二节 PLC 控制系统的可靠性设计214 第三节 程序设计举例225 小结241 习题六241 第七章 可编程控制器的网络及通信基础245 第一节 PLC 的通信及网络基本知识245 第二节 S7-200 的通信实现252 第三节 S7-200 的网络通信261 第四节 S7-200 的自由口通信模式267 小结281 习题七281 附录 A S7-200 的特殊继电器SM283 附录B S7-200 的编程软件STEP 7-Micro/WIN32293 附录 C S7-200 的错误代码314 参考文献317 第一章 可编程控制器概述 可编程控制器（Programmable Controller 简称 PLC 或 PC），是随着现代社会生产的发展和技术进步，现代工业生产自动化水平的日益提高及微电子技术的飞速发展，在继电器控制的基础上产生的一种新型的工业控制装置，是将 3C（Computer,Control,Communication）技术，即微型计算机技术、控制技术及通信技术融为一体，应用到工业控制领域的一种高可靠性控制器，是当代工业生产自动化的重要支柱。在本章中，主要介绍以下内容：PLC 的产生、定义、分类及应用现状。PLC 的一般特点。PLC 与继电器控制系统的比较。PLC 与其他通用控制器（DCS，PID、工业 PC）的比较。PLC 的主要功能。PLC 的编程语言。PLC 的性能指标。PLC 的发展趋势。本章的重点是掌握 PLC 的特点和主要功能，梯形图与继电器控制线路图的联系和差别，PLC 与其他通用控制器的异同及适用范围，理解评价 PLC 性能的主要指标，了解 PLC 的发展趋势。第一节 PLC的产生、定义、分类及应用 一、PLC的产生 一种新型的控制装置，一项先进的应用技术，总是根据工业生产的实际需要而产生的。在可编程控制器产生以前，以各种继电器为主要元件的电气控制线路，承担着生产过程自动控制的艰巨任务，可能由成百上千只各种继电器构成复杂的控制系统，需要用成千上万根导线连接起来，安装这些继电器需要大量的继电器控制柜，且占据大量的空间。当这些继电器运行时，又产生大量的噪声，消耗大量的电能。为保证控制系统的正常运行，需安排大量的电气技术人员进行维护，有时某个继电器的损坏，甚至某个继电器的触点接触不良，都会影响整个系统的正常运行。如果系统出现故障，要进行检查和排除故障又是非常困难的，全靠现场电气可编程控制器教程（基础篇）2 技术人员长期积累的经验。尤其是在生产工艺发生变化时，可能需要增加很多的继电器或继电器控制柜，重新接线或改线的工作量极大，甚至可能需要重新设计控制系统。尽管如此，这种控制系统的功能也仅仅局限在能实现具有粗略定时、计数功能的顺序逻辑控制。因此，人们迫切需要一种新的工业控制装置来取代传统的继电器控制系统，使电气控制系统工作更可靠、更容易维修、更能适应经常变化的生产工艺要求。1968 年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM）为满足市场需求，适应汽车生产工艺不断更新的需要，将汽车的生产方式由大批量、少品种转变为小批量、多品种。为此要解决因汽车不断改型而重新设计汽车装配线上各种继电器的控制线路问题，要寻求一种比继电器更可靠，响应速度更快、功能更强大的通用工业控制器。GM 公司提出了著名的十条技术指标在社会上招标，要求控制设备制造商为其装配线提供一种新型的通用工业控制器，它应具有以下特点：编程简单，可在现场方便地编辑及修改程序。价格便宜，其性能价格比要高于继电器控制系统。体积要明显小于继电器控制柜。可靠性要明显高于继电器控制系统。具有数据通信功能。输入可以是 AC115V。输出为 AC115V，2A 以上。硬件维护方便，最好是插件式结构。扩展时，原有系统只需做很小改动。用户程序存储器容量至少可以扩展到 4K。于是可编程控制器应运而生：1969 年，美国数字设备公司（DEC）根据上述要求研制出世界上第一台可编程控制器，型号为 PDP-14，并在 GM 公司的汽车生产线上首次应用成功，取得了显著的经济效益。当时人们把它称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称 PLC）。可编程控制器这一新技术的出现，受到国内外工程技术界的极大关注，纷纷投入力量研制。第一个把 PLC 商品化的是美国的哥德公司（GOULD），时间也是 1969 年。1971 年，日本从美国引进了这项新技术，研制出日本第一台可编程控制器。19731974 年，德国和法国也都相继研制出自己的可编程控制器，德国西门子公司（SIEMENS）于1973 年研制出欧洲第一台PLC。我国从 1974 年开始研制，1977 年开始工业应用。早期的PLC 主要由分立式电子元件和小规模集成电路组成，它采用了一些计算机的技术，指令系统简单，一般只具有逻辑运算的功能，但它简化了计算机的内部结构，使之能够很好地适应恶劣的工业现场环境。随着微电子技术的发展，20 世纪70 年代中期以来，由于大规模集成电路（LSI）和微处理器在 PLC 中的应用，使 PLC 的功能不断增强，它不仅能执行逻辑控制、第一章 可编程控制器概述 3 顺序控制、计时及计数控制，还增加了算术运算、数据处理、通信等功能，具有处理分支、中断、自诊断的能力，使PLC 更多地具有了计算机的功能。目前世界上著名的电气设备制造厂商几乎都生产PLC 系列产品，并且使PLC 作为一个独立的工业设备成为主导的通用工业控制器。可编程控制器从产生到现在，尽管只有四十几年的时间，由于其编程简单、可靠性高、使用方便、维护容易、价格适中等优点，使其得到了迅猛的发展，在冶金、机械、石油、化工、纺织、轻工、建筑、运输、电力等部门得到了广泛的应用。二、PLC的定义 1980 年，美国电气制造商协会（National Electronic Manufacture Association 简称 NEMA）将可编程控制器正式命名为 Programmable Controller，简称为 PLC 或 PC。关于可编程控制器的定义，1980 年，NEMA 将可编程控制器定义为：“可编程控制器是一种带有指令存储器，数字的或模拟的输入输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运算等功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置。”1985 年1 月，国际电工委员会（International Electro-technical Commission 简称 IEC）在颁布可编程控制器标准草案第二稿时，又对 PLC 作了明确定义：“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储器，用来在其内部存储