《PLC及其应用》思考题与习题参考答案.docx

1、PLC及其应用思考题与习题参考答案PLC及其应用思考题与习题(参考答案)1.1简述可编程控制器的产生背景和发展历程。答：20世纪60年代末，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位。当时这种大规模生产线的控制大多是采用继电器控制系统控制，存在体积大、可靠性低、耗电多、查找和排除故障困难、改变生产程序非常困难，特别是其接线复杂、对生产工艺变化的适应性差等缺点。1968年GM公司希望能有一种新型工业控制器，能做到尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。提出了10项招标指标。1969年，美国数字设备公司（DEC）按照这10项指标研制出了世界上第一台可编程序逻辑控制器型号

2、为PDP-14，用它来代替传统的继电器控制系统。在美国通用汽车公司生产线上应用并取得了成功，从此开创了可编程序逻辑控制器的时代。回顾可编程控制器的发展过程，大致可划分为4个阶段。从1969年到20世纪70年代中期。这一阶段可编程控制器主要用于逻辑运算和计时、计数运算，其中央处理器（CPU）由中小规模数字集成电路组成，存储器为磁芯存储器，控制功能比较简单。20世纪70年代中期到80年代初期。CPU采用微处理器，存储器采用半导体存储器，不仅整机的体积减小，而且数据处理能力获得很大提高，增加了数据运算、传送、比较等功能，实现了对模拟量的控制。20世纪80年代初期到90年代初期。由于16位、32位微处

3、理器的出现和应用，PLC向大规模、高速度、高性能和网络化方向发展，形成了多种系列化产品，出现了结构紧凑、功能强大、性能价格比高的新一代产品，并出现多种不同性能的分布式网络系统.20世纪90年代至今。这一阶段PLC继续得到快速发展，系统在网络通信、设备冗余等方面都有了长足的进步，成为一种功能强大的、成熟的控制系统。同时，通信从各厂家的自成系统逐步向开放的、统一的和通用的标准网络结构发展。1.2简述可编程控制器的特点和分类。答： PLC的基本特点软硬件功能强。在硬件方面，选用优质器件，采用合理的系统结构，加固简化安装，使它能抗震动冲击。对于工业生产过程中最常见的瞬间干扰，采取了隔离和滤波技术。软件

4、方面，PLC也采取了很多特殊措施，设置了“看门狗”WDT。还设置了故障检测及诊断程序，用以检测系统硬件是否正常、用户程序是否正确，便于自动地做出相应的处理，如报警、封锁输出、保护数据等。使用维护方便。产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。可编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。运行稳定可靠。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可以减少到继电器控制系统的十分之一到百分之一，大大减少了因触点接触不良造成的故障。设计施工周期短。用可编

5、程控制器完成一项控制工程时，由于其硬、软件齐全，所以设计和施工可同时进行。由于用软件编程取代了继电器硬接线实现的控制功能，使得控制柜的设计及安装接线工作量大为减少，缩短了施工周期。同时，由于用户程序大都可以在实验室里模拟调试，模拟调试好后再将PLC控制系统在生产现场进行联机统调，使得设计方便、快速、安全，因此，大大缩短了设计和施工周期。PLC的分类从结构上看，PLC可分为整体式、模板式及分散式三种形式。根据PLC处理I/O点数规模来分类，PLC可分为4类：微型、小型、中型和大型。按生产厂家分类PLC的生产厂家很多，每个厂家生产的PLC，其点数、容量、功能各有差异，但都自成系列，指令及外设向上兼

6、容。1.3简述可编程控制器的应用领域。答：1、开关逻辑和顺序控制。PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制，可用于单机控制、多机群控制、自动化生产线的控制等。2、模拟量控制。在生产过程中，许多连续变化的物理量需要进行控制，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。目前大部分PLC产品都具备处理模拟量的功能。3、定时控制。PLC为用户提供了一定数量的定时器，并设置了定时器指令，定时精度高，设定方便、灵活。同时PLC还提供了高精度的时钟脉冲，用于准确的实时控制。4、数据采集与监控。由于PLC在控制现场实行控制，所以把控制现场的数据采集下来，做进一步分析

7、研究是很重要的。5、联网、通信及集散控制。PLC通过网络通信模块以及远程I/O控制模块，可实现PLC与PLC之间、PLC与上位机之间的通信、联网；实现PLC分布控制，计算机集中管理的集散控制，增加系统的控制规模，满足工厂自动化（FA）系统发展的需要。1.4与继电器控制系统相比PLC有哪些特点？答：PLC与继电器控制系统功能与特点的比较比较项目继电器控制PLC控制功能的实现对继电器进行硬接线，完成相应的控制功能对PLC进行编程实现所需控制要求对生产工艺变化的适应性需进行重新设计与接线，适应性差只需对程序进行修改，适应性强可靠性元器件多，触点多，容易出现故障采用大规模集成电路，绝大部分是软继电器，

8、可靠系性高灵活性差具有种类齐全的扩展单元，扩展灵活控制的实时性机械动作时间常数大，实时性差微处理器控制，实时性好占用空间与安装控制柜体积大，笨重，安装施工工作量大体积小，重量轻，安装工作量小使用寿命易损，寿命短寿命长复杂控制能力差很高调试、维护复杂，工作量大工作量小硬件成本较低较高2.1可编程控制器由哪几部分组成？各部分的作用及功能是什么？答：可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构。通常由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、电源和编程器等几个部分组成。中央处理单元（CPU）。CPU作为整个PLC的核心，起着总指挥

9、的作用。存储器（RAM、ROM）。存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。输入输出单元（I/O单元）。I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。 电源。PLC电源单元包括系统的电源及备用电池，电源单元的作用是把外部电源转换成内部工作电压。PLC内有一个稳压电源用于对PLC的CPU单元和I/O单元供电。编程器。编程器是PLC的最重要外围设备。利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态。2.2可编程控制器的工作方式是什么？它的工作过程有什么显著特点？答：周期性顺序扫描是PLC特有的工作方式，在运行过程中，总是处在不断

10、循环的顺序扫描过程中。每次扫描所用的时间称为扫描时间，又称为扫描周期或工作周期。PLC的工作过程有两个显著特点：一是周期性顺序扫描，一是集中批处理。2.3简述可编程控制器的工作过程。答：PLC的工作过程分为4个扫描阶段。公共处理扫描阶段。包括PLC自检、执行来自外设命令、对看门狗WDT清零等。输入采样扫描阶段。这是第一个集中批处理过程。在这个阶段中，PLC按顺序逐个采集所有输入端子上的信号，将所有采集到的一批输入信号写到输入映像寄存器中。执行用户程序扫描阶段。这是第二个集中批处理过程。在执行用户程序阶段，CPU对用户程序按顺序进行扫描。该阶段，除了输入映像寄存器外，各个元件映像寄存器的内容是随

11、着程序的执行而不断变化的。输出刷新扫描阶段。当CPU对全部用户程序扫描结束后，将元件映像寄存器中各输出继电器的状态同时送到输出映像寄存器中。在输出刷新阶段结束后，CPU进入下一个扫描周期。2.4可编程控制器对输入/输出的处理规则是什么？答：PLC在输入输出的处理方面必须尊守以下原则：输入映象寄存器的数据，取决于输入端子板上各输入端子在上一个周期间的接通、断开状态。程序如何执行取决于用户所编程序和输入输出映象寄存器的内容。输出映象寄存器的数据取决于输出指令的执行结果。输出锁存器中的数据，由上一次输出刷新期间输出映象寄存器中数据决定。输出端子的接通断开状态，由输出锁存器决定。2.5可编程控制器有哪

12、些基本性能指标。答：PLC种类、型号繁多，技术性能也各不相同，但其中基本的技术性能指标还是基本一致的。CPU，PLC的核心部件和控制中心。CPU的性能，如数据运算处理的能力、运算速度、通信功能等决定了PLC的性能，是PLC重要的性能指标。I/O点数。指PLC能够处理的I/O总数，它决定了控制系统在实际应用中规模的大小。存储容量。PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。扫描速度。PLC厂家通常以扫描1000条基本指令所需的时间，来表示扫描速度。可靠性和使用条件。可靠性高是PLC广泛应用于工业控制领域的主要原因。可靠性指标可用平均故障间隔时间和平均故障修复时间等来评估。易操作性。指安装、程

13、序设计和修改维护以及故障处理等方面是否方便和简易。可以通过标准化机架、模块、状态指示灯、在线诊断等方面来评估。可扩展性。如I/O点数和类型的扩展、特殊信号处理的扩展、控制区域的扩展等，为控制系统的扩展留有适量的余地。编程语言和指令功能。选择编程语言对PLC进行编程时，主要应考虑要便于使用和实现，同时应考虑应用程序的主要功能等。丰富的指令集有利于实现各种复杂的运算和控制、通信功能。2.6简述PLC系统配置的基本原则。答：PLC的系统配置应遵循以下五条原则：完整性原则。通常可把PLC与被控对象看成一个PLC控制系统，而PLC本身则为这个系统中的一个子系统。从系统论的观点看，若要使系统发挥其应有的作

14、用，系统必须完整。可靠性原则。考虑的是配置好的系统能否可靠工作，具体可从PLC本身的质量、供货方的技术服务情况、能否满足重要场合下的可靠性要求，是否进行冗余配置等方面进行考虑。发展性原则。PLC是当今众多高科技集成的结晶，其发展日新月异，各个PLC生产厂家经常有新模块或新机型问世。要以发展的眼光进行PLC控制系统的配置。继承性原则。进行新的PLC系统配置时，要考虑到以前所用的PLC的情况，尽可能选用比较熟悉，最好是使用过的厂家的产品或型号。经济性原则。用PLC控制系统是否合算；用何种配置更合算。3.1 S7-200指令参数所用的基本数据类型有哪些?答：S7-200PLC指令参数所用的基本数据类

15、型有1位布尔型(BOOL)、8位字节型BYTE）、16位无符号整数(WORD)、16位有符号整数(INT)、32位无符号双字整数(DWORD)、32位有符号双字整数(DINT)、32位实数型(REAL)。不同的数据类型具有不同的数据长度和数据范围3.2立即I/O指令有何特点?它应用于什么场合?答：立即触点指令。立即（Immediate）触点指令只能用于输入I，执行立即触点指令时，立即读入物理输入点的值，根据该值决定触点的接通/断开状态，但是并不更新该物理输入点对应的映像寄存器的值。LDI、AI、OI来表示开始、串联和并联的常开立即触点，用LDNI、ANI、ONI来表示开始、串联和并联的常闭立即

16、触点。触点符号中间的“I”和“/I”表示立即常开触点和立即常闭触点。立即输出指令。立即输出指令只能用于输出量（Q），执行该指令时，将栈顶值立即写入指定的物理输出位和对应的输出映像寄存器。线圈符号的“I”用来表示立即输出。立即置位与立即复位指令。执行SI（Set Immediate，立即置位）或RI（Reset Immediate，立即复位）指令时，从指定位地址开始的N个连续的物理输出点将被立即置位或复位，N=1128。线圈中的I表示立即。该指令只能用于输出量（Q），新值被同时写入对应的物理输出点和输出映像寄存器。3.2逻辑堆栈指令有哪些?各用于什么场合?答：逻辑堆栈指令包括：LPS、LPP、L

17、RD和LDS，这些指令中除LDS外，其余指令均无操作数。只用于语句表(STL指令)编程。使用梯形图(LAD)、功能块图(FBD)编程时，梯形图(LAD)、功能图块(FBD)编辑器会自动插入相关的指令处理堆栈操作。3.4定时器/计数器有几种类型?各有何特点?与定时器/计数器相关的变量有哪些?梯形图中如何表示这些变量?答：S7-200定时器按工作方式分有通电延时定时器（TON）、断电延时型定时器（TOF）、记忆型通电延时定时器（TONR）。定时器号决定了定时器的时基,每个定时器均有一个16位的当前值寄存器用以存放当前值（16位符号整数）；一个16位的预置值寄存器用以存放时间的设定值；还有一位状态位

18、，反应其触点的状态。（1）通电延时定时器（TON）通电延时定时器（TON）用于单一间隔的定时。当IN端接通时，定时器开始计时，当前值从0开始递增，计时到设定值PT时，定时器状态位置1，其常开触点接通，其后当前值仍增加，但不影响状态位。当前值的最大值为32767。当IN端分断时，定时器复位，当前值清0，状态位也清0。若IN端接通时间未到设定值就断开，定时器则立即复位。（2）断电延时型定时器（TOF）断电延时定时器（TOF）用来在输入（IN）电路断开后延时一段时间，再使定时器为OFF。它用输入从ON到OFF的负跳变启动定时。接在定时器IN输入端的输入电路接通时，定时器位变为ON，当前值被清零。输入

19、电路断开后，开始定时，当前值从0开始增大，当前值等于设定值时，输出位变为OFF，当前值保持不变，直到输入电路接通。（3）记忆型通电延时定时器（TONR）记忆型通电延时定时器（TONR）的输入电路接通时开始定时。当前值大于等于PT端指定的设定值时，定时器位变为ON。达到设定值后，当前值仍继续计数，直到最大值为32767。输入电路断开时，当前值保持不变。计数器用来累计输入脉冲的个数。主要由一个16位的预置值寄存器、一个16位的当前值寄存器和一位状态位组成。当前值寄存器用以累计脉冲个数，计数器当前值大于或等于预置值时，状态位置1。S7-200系列PLC有三类计数器：CTU-加计数器，CTUD-加/减

20、计数器，CTD-减计数，（1）加计数器指令（CTU）当复位（R）输入电路断开，加计数脉冲输入（CU）电路由断开变为接通（即CU信号的上升沿），计数器的当前值加1，直至计数最大值为32767。当前值大于等于设定值（PV）时，该计数器位被置1。当复位（R）输入为ON时，计数器被复位，计数器位变为OFF，当前值被清零。（2)减计数指令（CTD）在减计数脉冲输入（CD）的上升沿（从OFF到ON），从设定值开始，计数器的当前值减1，减至0时，停止计数，计数器位被置1。装载输入（LD）为ON时，计数器位被复位，并把设定值装入当前值。（3)加/减计数指令（CTUD）在加计数脉冲输入（CU）的上升沿，计数器的

21、当前值加1，在减计数脉冲输入（CD）的上升沿，计数器的当前值减1，当前值大于等于设定值（PV）时，计数器位被置位。复位（R）输入为ON，或对计数器执行复位（R）指令时，计数器被复位，如图10-16所示。当前值为最大值32767时，下一个输入（CU）的上升沿使当前值变为最小值-32768。当前值为-32 768时，下一个输入（CD）的上升沿使当前值变为最大值32767。3.5写出图3-107所示梯形图的语句表。图3-107习题5梯形图答：LD I0.0ON I0.2LD I0.1LD M0.0AN M0.1OLDALDAN T36= Q0.0S Q0.1, 3TON T36, 203.6 写出如

22、图3-108所示梯形图的语句表。图3-108习题6梯形图答：网络1LD I0.0O I0.3LPSAN I0.1LPSA I0.2= Q0.0LPPA I0.4= Q0.1LPPLPSAN M0.1= Q0.2LPPA M0.2= Q0.3网络2LD I0.5EULD M0.3CTU C12, 203.7用置位、复位指令设计一台电动机的启、停控制程序。解：输入输出启动信号I0.0电动机Q0.0停止信号I0.13.8用移位寄存器指令(SHRB)设计一个路灯照明系统的控制程序，8盏路灯按从左到右的顺序依次点亮。各路灯之间点亮的间隔时间为20 s。解：输入输出启动信号I0.0L0L7Q0.0Q0.7

23、停止信号I0.13.9设计一个计数范围为4000的计数器。解：3.10用整数除法指令将VW100中的数据(180)除以6后存放到AC0中。解：4-1 简述S7-300 PLC的基本系统构成。答：S7-300PLC基本系统由CPU模块、数字量模块、模拟量模块和供电模块等构成。4-2 S7-300 PLC的结构特点是什么？答：基于模块化结构设计的S7-300系列PLC，具有以下结构特点。采用集成的背板总线（Back-Plane Bus）采用DIN标准导轨，安装和更换模块方便硬件组态灵活机架扩展方便4-3 数字量输入和输出模块的功能是什么？答：数字量输入模块将现场送来的数字信号电平转换成S7-300

24、内部信号电平。数字量输入模块有直流输入方式和交流输入方式。S7-300模拟量输入模块的输入测量范围很宽，它可以直接输入电压、电流、电阻、热电偶等信号，而S7-300模拟量输出模块可以输出010V、15V、-1010V、020mA、420mA、-2020mA等模拟信号。4-4 S7-300 PLC的脉冲定时器有几种？各有什么特点？答：脉冲定时器SP指令是产生指定时间宽度脉冲的定时器。当逻辑位有正跳沿时，脉冲定时指令启动，开始计时；同时定时器节点立刻输出高电平“1”，直到定时时间到，定时器节点输出将自动变为“0”。脉冲定时器可以将长信号变成指定宽度的脉冲。需要注意是，如果定时时间未到，而逻辑位的状

25、态变为低电平“0”，则定时器停止计时，输出也立刻变为低电平“0”，直到逻辑位下一个正跳沿的发生，脉冲定时器（SP）将重新启动并计时。扩展脉冲定时器（SE）与（SP）指令相似，但（SE）指令具有保持功能。一旦逻辑位有正跳沿发生，程序中相应的定时器启动，同时输出高电平“1”。定时时间到后，输出将自动变成低电平“0”。如果定时时间尚未到达，逻辑位的状态就由“1”变为“0”，这时定时器仍然继续运行，直到计时完成。这一点是（SE）指令与（SP）指令的不同之处。4-5 简述S7-300 PLC计数器线圈指令。答：计数器线圈指令包括计数器置初值指令、加法计数器线圈指令、减法计数器线圈指令3条。计数器置初值指

26、令（SC）。当逻辑位有正跳沿时，计数器置初值线圈将预置值装入指定计数器中；若逻辑位的状态没有正跳沿发生，则计数器的值保持不变。加法计数器线圈指令（CU）。当逻辑位有正跳沿时，加法计数器线圈使指定计数器的值加1；如果逻辑位的状态没有正跳沿发生，或者计数器数值已经达到最大值999，则计数器的值保持不变。减法计数器线圈指令（CD）。当逻辑位有正跳沿时，减法计数器线圈使指定计数器的值减1；如果逻辑位的状态没有正跳沿发生，或者计数器数值已经达到最小值0，则计数器的值保持不变。4-6 简述S7-300 PLC控制网络的四个层次的作用和优点。答：（1）SINEC S1 SINEC S1是用于连接执行器、传感

27、器、驱动器等现场器件的总线规范，符合执行器-传感器接口（IEC TG17B）规范，介质为双绞线电缆，连接长度为100m，单主机时可以有31个从站，最大优点是可以用通信电缆直接供电。 SINEC S1即ASI传感器-执行器接口协议， SINEC S1网是通过直接相连的电缆传输简单的二进制编码的传感器和执行器信号，S1的信息流为4位编码，用于每个从站传递信息到主站，主站可以是PLC或PC，S1的规则允许以简单的方式对现场装置直接相连，西门子公司设计的CP2413用于PC与S1网络的连接，CP2433用于S5系列PLC与S1网的连接。（2）SINEC L2 SINEC L2是面向现场级的通信网，属于

28、现场总线系统，因为它有如下优点：对于各种装置、各个部门行业、特殊应用具有普遍适用性；符合ISO、DIN或相关组织的标准，具有开放性和发展性。SINEC L2遵从DIN19245标准，是西门子的过程现场总线标准（PROFIBUS），它为分布式I/O站或驱动器等现场总线提供了高速通信所需的用户接口，以及在主站间大量数据内部交换的接口。介质为双绞线或光缆，为光缆时表示为L2FO，节点数为127个，光缆长度为23.8km，双绞线长度为9.6km。 （3）SINEC H1 SINEC H1遵从以太网（IEEE802.3）协议，介质为双绞线电缆或光缆，为光缆时表示为HIFO，可以用于构成单元网络或局域网络

29、。网络节点数可以达到1024个，使用光缆时距离可以达到4.6km，使用电缆时距离为1.5km，协议采用H1-TF和H1-MAP。SINEC H1是基于以太网的工业标准总线系统，它将MAP通信所认定的以太网作为通信的基础。 SINEC H1网络可用在大量的总线部件、接口模块的连接上， SINEC H1电缆有附加的屏蔽层，因此有更高的可靠性。SINEC H1的独特的接地技术可以保护接入的各种装置，使用带有两端口的收发器可以节约系统成本。 （4）SINEC H3 SINEC H3是遵从FDDI(ISO9314)规范的主干网，通信介质为光缆，双环拓扑结构，可以扩至500个网络节点，距离可以达到100k

30、m。SINEC H3采用双环冗余设计，数据传输率为100Mbit/s，允许分布区域的最大环周长为100km，并有高的负载承受能力。4-7 简述通信模块CP430实现通信的方法。答：CP430通信处理模块有一个RS-232C串行通信接口，它使S7-300PLC能与其他具有RS-232C接口的设备进行数据交换，一般地将其称为计算机。CP430是PLC与计算机进行数据交换的通道，如图4-13所示。一方面，CP430的RS-232C接口与计算机相连；另一方面，CP430通过背板总线与PLC的CPU相连。CP430模块能根据CPU模块的命令自主管理串行口的收发工作。CP430模块固化有两个标准通信协议：

31、即3964（R）通信协议和ASCII通信协议。用STEP7中的专用工具可选择通信协议并确定协议的参数，该参数存入CPU模块的系统数据中，该内容随PLC的其他组态数据被下载。当PLC启动时，有关的参数传入CP430，然后，CP430按照选定的通信协议传输数据。4-8 简述PROFIBUS-DP网的优点。答：西门子PLC系列S7产品组成的PROFIBUS-DP网的优点如下：（1）集中和分布系统的编程。都用STEP7编程，在编程时不用考虑硬件配置。（2）集中和分布的全系统性能。SIMATIC S7/M7提供了有效的系统支持，包括软件参数化I/O，多功能诊断能力，功能模块易于连接等。（3）通过PROFIBUS-DP编程测试启动。分布式的自动化结构对于系统的安装、使用和维修可以分散进行；使用STEP7进行现场集中控制编程、诊断、测试就像采用集中处理单元的集中编程接口时一样。（4）集成的DP接口。接口已经集成在许多CPU中，为用户节省了槽位，并能对系统性能进行优化。（5）提供了系统