1.3 西门子PLC

1.3.1 PLC的分类

PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。PLC可以根据其结构形式的不同、功能的差异、I/O点数的多少和生产厂家的不同进行大致分类。

1.按组成结构形式分类

根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式、模块式和叠装式。

（1）整体式PLC

整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低、安装方便的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM存储器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。

（2）模块式PLC

模块式PLC是将PLC各组成部分，分别做成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式PLC由框架（或基板）和各种模块组成，模块装在框架（或基板）的插座上。这种模块式PLC考虑的是功能集中，其特点是配置灵活，可根据需要其中各模块功能比较单一，模块的种类却日趋丰富。这是当前在工业控制中广泛应用的PLC类型，可以根据工业生产过程的实际需要灵活配置。

（3）叠装式PLC

还有一些PLC将整体式的紧凑、体积小、安装方便和模块式的搭配灵话、安装整齐的优点结合起来，构成所谓叠装式PLC。其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，在安装时不用基板，仅靠电缆进行连接，并且各模块可以一层一层地叠装。这样，系统不但可以灵活配置，还可以做得体积小巧。如图1-4所示。

2.按功能分类

根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档3类。

（1）低档PLC

具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。

（2）中档PLC

除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。

（3）高档PLC

除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其他特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC设备具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。

3.按I/O点数分类

根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型3类。

（1）小型PLC

小型PLC一般I/O点数少于256点，单CPU，8位或16位处理器，用户存储器容量4K字以下。它适合于单机控制或小型系统的控制。例如：

GE-I型 美国通用电气（GE）公司

TI100 美国德州仪器公司

F,F1,F2 日本三菱电气公司

C20,C40 日本立石公司（欧姆龙）

S7-200 德国Siemens公司

EX20,EX40 日本东芝公司

SR-20/21 中外合资无锡华光电子工业有限公司

（2）中型PLC

中型PLC一般I/O点数为256～2048点，双CPU，用户存储器容量2K～8K字节。它可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级的PLC进行监控，它适合于中型或大型控制系统的控制。例如：

S7-300 德国Siemens公司

SR-400 中外合资无锡华光电子工业有限公司

SU-5,SU-6 德国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点数多于2048点，多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8K～16K字节。它不仅能完成较复杂的算术运算，还能进行复杂的矩阵运算等。例如：

S7-400 德国Siemens公司

GE-Ⅳ GE公司

C-2000 日本立石公司

A500 德国AEG公司

K3 日本三菱公司等

1.3.2 西门子PLC主要性能指标

不同PLC产品的技术性能不同，其性能指标也有所不同，常用的性能指标包含下列几个方面。

1.工作速度

工作速度是指CPU执行指令的速度以及对急需处理的输入信号的响应速度。工作速度是PLC工作的基础。速度提高，才可能通过运行程序来实现控制，才可能不断扩大控制规模，才可能更好地发挥PLC的功能。不同的PLC，其指令的条数也不同。少的几十条，多的几百条。指令不同，执行的时间也不同。但各种PLC总有一些基本指令，而且各种的PLC都有这些基本指令，所以，常以执行一条基本指令的时间来衡量这个速度。这个时间当然越短越好，目前已达到零点微秒级。而且随着微处理器技术的发展，这个时间还在缩短。

工作速度不仅关系到PLC对输入信号的响应速度，而且关系到PLC对系统控制是否及时。特别是在一些需快速响应的实时控制系统中，控制不及时，就不可能准确可靠。

2.输入/输出点数

输入/输出点数表示PLC组成控制系统时可能的最大规模，输入/输出点数代表PLC的控制能力，看其能对多少输入/输出点及对多少路模拟进行控制。控制规模与速度有关。因为规模大了，用户程序也长，执行指令的速度不快，势必延长PLC循环的时间，也必然会延长PLC对输入信号的响应。为了避免这个情况，PLC的工作速度就要快。所以，大型PLC的工作速度总是比小的要快。

输入/输出点数的多少还与内存区的大小有关。点数多、规模大，用户程序长，就要求有更大的用户存储区。输入/输出点数还与输入、输出电路数有关。如输入/输出点数为1024点，那就得有1024条I/O电路。这些电路集成于I/O模块中，而每个模块有多少路的I/O点总是有限的。所以，系统规模大，所使用的模块也多。

输入/输出点数是对PLC其他性能指标起着制约作用的指标，也是划分为小、中、大和特大型系统的指标。

3.内存容量

PLC内部所使用的存储器，按其用途一般可以分为系统程序存储器、用户程序存储器、内部数据存储器。从发展趋势看，内存容量总是在不断快速地增大。大型PLC的内存容量可达几十字节，以至于几百字节。

4.指令系统

PLC有多少条指令，各条指令又具有什么功能，是了解与使用PLC的重要方面。PLC的指令越来越多，越来越丰富。功能很强的、综合多种作用的指令日益增多。指令的繁简、多少及其功能影响着PLC的性能。

PLC的指令繁多，但主要包括几种类型：基本逻辑指令、数据处理指令、数据运算指令、流程控制指令、状态监控指令。为了进行通信，PLC还有相应的协议与通信指令或命令，这些也反映了PLC的性能。

5.支持软件

为了便于编制PLC程序，多数PLC厂家都开发了相关的计算机支持软件。从本质上讲，PLC所能识别的只是机器语言。它之所以能使用一些助记符语言、梯形图语言、流程图语言，以至高级语言，全靠为使用这些语言而开发的种种软件。为了用好PLC，充分发挥PLC产品的性能，PLC的支持软件越来越丰富，性能也越来越好，其界面也越来越友好。

PLC的控制软件根据生产厂家、型号的不同有所区别，但总体上来说，可以分为系统程序和应用程序两大部分。

（1）系统程序

系统程序是指控制PLC系统自身运行的控制程序，它是不向用户开放的。它由PLC产品生产厂家的专业人员编制。

（2）应用程序

应用程序是指PLC用户根据各种控制要求和控制条件而编写的用户控制程序。应用程序的编写方法和采用的编程语言、用户程序的结构等与硬件联系紧密程度，取决于PLC的具体型号、生产厂家及所使用的编程工具。

6.可靠性指标

PLC是专为在工业环境下应用而设计的，所以，其可靠性尤为值得关注。为使PLC能可靠地工作，在硬件与软件两个方面PLC厂家都采取了很多措施，对一些有特殊可靠性要求的应用场合，还有相应的特殊措施，如热备、冗余等。PLC的可靠性措施是围绕着提高平均故障间隔时间（MTBF）而进行的。有关提高MTBF的措施如何以及PLC的MTBF数值也成为了PLC性能的重要指标。

7.经济指标

经济指标最简单的就是看价格。一般讲，同样技术性能的PLC，价格低其经济指标就好。此外，还要看供货情况、技术服务、配套资料等。总之，对经济指标要进行综合分析，要看使用了PLC能否带来经济效益，合适的就是最好的。

1.3.3 西门子PLC与S7-300

Siemens公司是欧洲最大的PLC生产厂家之一，早在1973年，Siemens公司就研制出了欧洲第一台PLC。Siemens公司的PLC产品进入中国较早，在国内有很高的市场占有率。本书主要介绍Siemens PLC的S7系列。

Siemens自动化产品的注册商标为SIMATIC，涵盖了Siemens自动化系统中的全部产品。1975 年，Siemens公司的产品最早投放市场的是SIMATIC S3，它主要是逻辑线路的硬件组合，其实是带有简单操作接口的二进制逻辑控制器。1979 年，S3 系统被SIMATIC S5所取代，该系统广泛地使用了微处理器，产品功能和性能得到了提高。20 世纪80 年代初，S5 系统进一步升级到U系列PLC，较常用机型：S5-90U,95U,100U,115U,135U,155U。1994年4 月，S7 系列诞生，它具有更国际化、更高性能等级、安装空间更小、更良好的Windows用户界面等优势，其机型为：S7-200,S7-300,S7-400。

SIMATIC涵盖的产品线范围很广泛，主要分为如图1-5所示的几个系列。

SIMATIC的产品线主要分为以下的几个系列：

1.S7系列

S7系列是传统意义的PLC产品。S7-200是针对低性能要求的小型PLC，S7-300是模块式中小型PLC，最多可以扩展32 个模块。S7-400 是大型PLC，可以扩展300 多个模块。S7-300/400可以组成MPI、PROFIBUS和工业以太网等。

2.M7系列

M7系列采用与S7-300/400相同的结构，它可以作为CPU或功能模块使用。具有AT兼容计算机的功能，可以用C、C++或CFC等语言来编程。M7系列适用于需要高的计算性能、数据管理和显示的场合。

3.C7系列

C7系列的完整系统由一个PLC（S7-300）、一个HMI（人机接口）操作面板、I/O、通信和过程监视系统组成。将PLC与操作面板集成在一起，可使整个控制设备体积更小、价格更优。

S7-300是模块化、通用型的中型PLC系统。它性价比高，电磁兼容性高，抗冲击性强，具有非常好的工业环境适应能力，广泛地应用在电力、能源、交通运输、化工、汽车、通用机械、纺织、包装等各种行业、各种环境中的监测和控制等，能满足中等性能要求的各种应用。各单独的模块之间可进行广泛的组合和扩展，构成不同要求的控制系统。需要时，还可以增加模块，对PLC进行扩展。而且易于实现分布式配置，用户易于掌握，这使得S7-300在工业应用中成为一种既切合实际又经济的解决方案。

S7-300优良的工业控制特性，已经得到很多国际标准认证，本书主要介绍使用最为广泛的S7-300系列，适当兼顾S7-200和S7-400系列。

WinAC基于Windows和标准的接口（ActiveX，OPC），提供软件PLC或插槽PLC。它适用于各种控制任务（控制、显示、数据处理）都由计算机实现的场合。

1.3.4 西门子PLC控制系统的三层结构

SIMATIC控制系统的概况如图1-6所示。

从图中可以清楚地看出，SIMATIC控制系统包含了三个主要层次（又称三层结构），通过网络把这三个层次联系起来，构成整个控制系统。最下面是现场层，通过远程I/O、传感器等，把现场设备接入现场总线。中间是控制层，负责生产过程的控制与优化。上面是管理层，上位机通过网络与PLC通信，实现远程监控。