1.3 西門子PLC

1.3.1 PLC的分類

PLC產品種類繁多，其規格和性能也各不相同。PLC可以根據其結構形式的不同、功能的差異、I/O點數的多少和生產廠家的不同進行大致分類。

1.按組成結構形式分類

根據PLC的結構形式，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機箱內，具有結構緊湊、體積小、價格低、安裝方便的特點。小型PLC一般采用這種整體式結構。整體式PLC由不同I/O點數的基本單元（又稱主機）和擴展單元組成。基本單元內有CPU、I/O接口、與I/O擴展單元相連的擴展口，以及與編程器或EPROM存儲器相連的接口等。擴展單元內只有I/O和電源等，沒有CPU。基本單元和擴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，分別做成若干個單獨的模塊，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，其特點是配置靈活，可根據需要其中各模塊功能比較單一，模塊的種類卻日趨豐富。這是當前在工業控制中廣泛應用的PLC類型，可以根據工業生產過程的實際需要靈活配置。

（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、安裝整齊的優點結合起來，構成所謂疊裝式PLC。其CPU、電源、I/O接口等也是各自獨立的模塊，在安裝時不用基板，僅靠電纜進行連接，并且各模塊可以一層一層地疊裝。這樣，系統不但可以靈活配置，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

具有邏輯運算、定時、計數、移位以及自診斷、監控等基本功能，還可有少量模擬量輸入/輸出、算術運算、數據傳送和比較、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控制系統。

（2）中檔PLC

除具有低檔PLC的功能外，還具有較強的模擬量輸入/輸出、算術運算、數據傳送和比較、數制轉換、遠程I/O、子程序、通信聯網等功能。有些還可增設中斷控制、PID控制等功能，適用于復雜控制系統。

（3）高檔PLC

除具有中檔機的功能外，還增加了帶符號算術運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其他特殊功能函數的運算、制表及表格傳送功能等。高檔PLC設備具有更強的通信聯網功能，可用于大規模過程控制或構成分布式網絡控制系統，實現工廠自動化。

3.按I/O點數分類

根據PLC的I/O點數的多少，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點數少于256點，單CPU，8位或16位處理器，用戶存儲器容量4K字以下。它適合于單機控制或小型系統的控制。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有限公司

（2）中型PLC

中型PLC一般I/O點數為256～2048點，雙CPU，用戶存儲器容量2K～8K字節。它可用于對設備進行直接控制，還可以對多個下一級的PLC進行監控，它適合于中型或大型控制系統的控制。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點數多于2048點，多CPU，16位、32位處理器，用戶存儲器容量8K～16K字節。它不僅能完成較復雜的算術運算，還能進行復雜的矩陣運算等。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

不同PLC產品的技術性能不同，其性能指標也有所不同，常用的性能指標包含下列幾個方面。

1.工作速度

工作速度是指CPU執行指令的速度以及對急需處理的輸入信號的響應速度。工作速度是PLC工作的基礎。速度提高，才可能通過運行程序來實現控制，才可能不斷擴大控制規模，才可能更好地發揮PLC的功能。不同的PLC，其指令的條數也不同。少的幾十條，多的幾百條。指令不同，執行的時間也不同。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，常以執行一條基本指令的時間來衡量這個速度。這個時間當然越短越好，目前已達到零點微秒級。而且隨著微處理器技術的發展，這個時間還在縮短。

工作速度不僅關系到PLC對輸入信號的響應速度，而且關系到PLC對系統控制是否及時。特別是在一些需快速響應的實時控制系統中，控制不及時，就不可能準確可靠。

2.輸入/輸出點數

輸入/輸出點數表示PLC組成控制系統時可能的最大規模，輸入/輸出點數代表PLC的控制能力，看其能對多少輸入/輸出點及對多少路模擬進行控制。控制規模與速度有關。因為規模大了，用戶程序也長，執行指令的速度不快，勢必延長PLC循環的時間，也必然會延長PLC對輸入信號的響應。為了避免這個情況，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/輸出點數的多少還與內存區的大小有關。點數多、規模大，用戶程序長，就要求有更大的用戶存儲區。輸入/輸出點數還與輸入、輸出電路數有關。如輸入/輸出點數為1024點，那就得有1024條I/O電路。這些電路集成于I/O模塊中，而每個模塊有多少路的I/O點總是有限的。所以，系統規模大，所使用的模塊也多。

輸入/輸出點數是對PLC其他性能指標起著制約作用的指標，也是劃分為小、中、大和特大型系統的指標。

3.內存容量

PLC內部所使用的存儲器，按其用途一般可以分為系統程序存儲器、用戶程序存儲器、內部數據存儲器。從發展趨勢看，內存容量總是在不斷快速地增大。大型PLC的內存容量可達幾十字節，以至于幾百字節。

4.指令系統

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、數據處理指令、數據運算指令、流程控制指令、狀態監控指令。為了進行通信，PLC還有相應的協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PLC廠家都開發了相關的計算機支持軟件。從本質上講，PLC所能識別的只是機器語言。它之所以能使用一些助記符語言、梯形圖語言、流程圖語言，以至高級語言，全靠為使用這些語言而開發的種種軟件。為了用好PLC，充分發揮PLC產品的性能，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的控制軟件根據生產廠家、型號的不同有所區別，但總體上來說，可以分為系統程序和應用程序兩大部分。

（1）系統程序

系統程序是指控制PLC系統自身運行的控制程序，它是不向用戶開放的。它由PLC產品生產廠家的專業人員編制。

（2）應用程序

應用程序是指PLC用戶根據各種控制要求和控制條件而編寫的用戶控制程序。應用程序的編寫方法和采用的編程語言、用戶程序的結構等與硬件聯系緊密程度，取決于PLC的具體型號、生產廠家及所使用的編程工具。

6.可靠性指標

PLC是專為在工業環境下應用而設計的，所以，其可靠性尤為值得關注。為使PLC能可靠地工作，在硬件與軟件兩個方面PLC廠家都采取了很多措施，對一些有特殊可靠性要求的應用場合，還有相應的特殊措施，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間（MTBF）而進行的。有關提高MTBF的措施如何以及PLC的MTBF數值也成為了PLC性能的重要指標。

7.經濟指標

經濟指標最簡單的就是看價格。一般講，同樣技術性能的PLC，價格低其經濟指標就好。此外，還要看供貨情況、技術服務、配套資料等。總之，對經濟指標要進行綜合分析，要看使用了PLC能否帶來經濟效益，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生產廠家之一，早在1973年，Siemens公司就研制出了歐洲第一臺PLC。Siemens公司的PLC產品進入中國較早，在國內有很高的市場占有率。本書主要介紹Siemens PLC的S7系列。

Siemens自動化產品的注冊商標為SIMATIC，涵蓋了Siemens自動化系統中的全部產品。1975 年，Siemens公司的產品最早投放市場的是SIMATIC S3，它主要是邏輯線路的硬件組合，其實是帶有簡單操作接口的二進制邏輯控制器。1979 年，S3 系統被SIMATIC S5所取代，該系統廣泛地使用了微處理器，產品功能和性能得到了提高。20 世紀80 年代初，S5 系統進一步升級到U系列PLC，較常用機型：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、安裝空間更小、更良好的Windows用戶界面等優勢，其機型為：S7-200,S7-300,S7-400。

SIMATIC涵蓋的產品線范圍很廣泛，主要分為如圖1-5所示的幾個系列。

SIMATIC的產品線主要分為以下的幾個系列：

1.S7系列

S7系列是傳統意義的PLC產品。S7-200是針對低性能要求的小型PLC，S7-300是模塊式中小型PLC，最多可以擴展32 個模塊。S7-400 是大型PLC，可以擴展300 多個模塊。S7-300/400可以組成MPI、PROFIBUS和工業以太網等。

2.M7系列

M7系列采用與S7-300/400相同的結構，它可以作為CPU或功能模塊使用。具有AT兼容計算機的功能，可以用C、C++或CFC等語言來編程。M7系列適用于需要高的計算性能、數據管理和顯示的場合。

3.C7系列

C7系列的完整系統由一個PLC（S7-300）、一個HMI（人機接口）操作面板、I/O、通信和過程監視系統組成。將PLC與操作面板集成在一起，可使整個控制設備體積更小、價格更優。

S7-300是模塊化、通用型的中型PLC系統。它性價比高，電磁兼容性高，抗沖擊性強，具有非常好的工業環境適應能力，廣泛地應用在電力、能源、交通運輸、化工、汽車、通用機械、紡織、包裝等各種行業、各種環境中的監測和控制等，能滿足中等性能要求的各種應用。各單獨的模塊之間可進行廣泛的組合和擴展，構成不同要求的控制系統。需要時，還可以增加模塊，對PLC進行擴展。而且易于實現分布式配置，用戶易于掌握，這使得S7-300在工業應用中成為一種既切合實際又經濟的解決方案。

S7-300優良的工業控制特性，已經得到很多國際標準認證，本書主要介紹使用最為廣泛的S7-300系列，適當兼顧S7-200和S7-400系列。

WinAC基于Windows和標準的接口（ActiveX，OPC），提供軟件PLC或插槽PLC。它適用于各種控制任務（控制、顯示、數據處理）都由計算機實現的場合。

1.3.4 西門子PLC控制系統的三層結構

SIMATIC控制系統的概況如圖1-6所示。

從圖中可以清楚地看出，SIMATIC控制系統包含了三個主要層次（又稱三層結構），通過網絡把這三個層次聯系起來，構成整個控制系統。最下面是現場層，通過遠程I/O、傳感器等，把現場設備接入現場總線。中間是控制層，負責生產過程的控制與優化。上面是管理層，上位機通過網絡與PLC通信，實現遠程監控。