[工业自动化-6]：西门子S7-15xxx编程 - PLC系统硬件组成与架构

目录

一、PLC系统组成

1.1 PLC 单机系统组成

1.2 PLC 分布式系统

二、PLC各个组件

2.1 PLC上位机

2.2 PLC主站：PLC CPU控制中心

（1）主要功能

（2）主站组成

2.3 PLC分布式从站: IO模块的拉远

（1）PLC分布式从站具有以下主要特点和功能：

（2）从站由以下组成部分构成：

2.4 人机交互界面HMI

2.5 工业控制软件

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一、PLC系统组成

1.1 PLC 单机系统组成

PLC（可编程逻辑控制器）系统通常由以下四部分组成：

1. PLC主体：PLC主体通常由中央处理器、存储器、输入输出模块等组成。中央处理器负责运行控制程序，存储器用于存放控制程序和数据，输入输出模块用于连接外部传感器和执行器，控制外围设备的信号输入和输出。

2. 编程软件：PLC的编程软件通常使用专门的可编程逻辑控制语言（如梯形图、功能块图等）进行编程。编程软件通常与PLC厂家提供的编程口（通常为USB或串口）连接，通过编程软件将程序下载到PLC主体中。

3. 输入输出设备：输入输出设备是通过输入信号从外部采集信号并将处理结果输出到外围设备的模块。输入信号通常由传感器、监控设备等提供，输出设备通常包括执行器、报警器等。

4. 电源和信号传输线路：PLC系统需要接入稳定的电源供电，并且需要使用正确的电缆或信号传输线路连接外围设备，以确保数据信号能够正确传输。

上述各部分的配置会因应用需求而有所不同。例如，一些PLC系统除了上述四个组成部分之外，还可能包括通信模块、PID调节器和触控面板等部分。选择PLC设备和组成方式，需要充分考虑生产工艺可靠性和故障维修的可操作性。

1.2 PLC 分布式系统

二、PLC各个组件

2.1 PLC上位机

PLC上位机（PLC SCADA）是指与PLC（可编程逻辑控制器）配合使用的上级监控和控制设备。它扮演着与PLC进行数据交互、监控和控制的桥梁作用。

PLC上位机通常具有以下主要功能：

1. 监控和数据采集：PLC上位机能够连接多个PLC设备，并实时监控和采集各个PLC的运行状态、传感器数据、设备参数等。通过图表、曲线、仪表盘等形式，直观地展示生产过程的各项指标和参数。

2. 数据存储与分析：PLC上位机可以将PLC采集到的数据进行存储和归档，并为后续的数据分析和报表生成提供支持。通过对数据进行统计、对比和趋势分析，帮助用户发现潜在问题、优化生产过程和做出决策。

3. 远程控制和操作：PLC上位机允许操作人员通过界面进行人机交互，对PLC系统进行远程控制和操作。操作人员可以通过上位机发送控制指令，调整设备参数、修改逻辑程序等，实现远程的监控和控制。

4. 报警和事件处理：PLC上位机可根据预设的条件和规则，实时监测各个PLC的状态和传感器信号，并进行报警处理。通过发出声音、弹窗、短信、邮件等方式，及时通知操作人员系统中出现的异常情况。

5. 可视化界面与操作：PLC上位机能够提供友好的图形化界面，通过可视化的方式展示数据和操作界面，操作人员可以直观地了解系统运行状况、进行参数设置和操作控制。

PLC上位机与PLC之间通过通信协议进行数据交换，常见的通信协议有OPC（OLE for Process Control）、Modbus、Profibus、Ethernet/IP等。通过PLC上位机，用户可以监控和控制工业自动化系统中的各个设备和工艺过程，提高生产效率、质量和安全性。

2.2 PLC主站：PLC CPU控制中心

（1）主要功能

PLC主站（PLC Master）是指在一个PLC网络或分布式控制系统中，控制和管理其他从站（PLC Slave）的PLC设备。PLC主站具有以下主要功能和特点：

1. 数据通信与传输：PLC主站通过不同的通信协议与从站进行数据通信和传输。通常采用的通信方式有以太网、串口、Profibus、Modbus等。主站负责向从站发送控制指令和数据，并接收从站返回的状态和反馈信息。

2. 控制命令分发：PLC主站接收上位机或操作人员发送的控制命令，并按照设定的逻辑进行解析和分发。它负责将控制命令传递给相应的从站以实现控制操作。

3. 数据处理和逻辑控制：PLC主站通过编程实现逻辑控制功能，对传感器、执行器和外围设备进行数据处理和逻辑运算。它可以监测输入信号的状态变化，根据预设的逻辑规则进行判断和控制，然后向输出模块发送控制信号。

4. 分布式控制：在分布式控制系统中，PLC主站可以连接多个从站，每个从站负责不同的控制任务。PLC主站负责协调和管理各个从站之间的通信、数据传输和协同工作，实现集中控制和联锁操作。

5. 监控与诊断：PLC主站可以实时监控和记录系统运行状态、设备故障和报警信息。它能够进行实时诊断和故障排查，并向操作人员或上位机发送报警通知。

PLC主站在工业自动化系统中扮演核心角色，它负责整体控制和管理，实现生产线的自动化、节约能源、提高生产效率和质量。不同厂家的PLC主站可能具有不同的功能和特性，具体选择适合的PLC主站需要根据实际应用需求和系统架构进行评估与选择。

（2）主站组成

PLC主站是PLC系统中负责控制和管理整个系统的核心组成部分，它由以下组成部分构成：

1. 电源模块（Power Supply Module）：电源模块为PLC主站提供稳定的电源供应。它将输入的电源信号转换为适合PLC主站内部使用的电源信号，并为其他模块提供所需的电源供应。

2. CPU模块（Central Processing Unit Module）：CPU模块是PLC主站的数据处理和运算核心。它接收从PLC从站和其他外部设备传回的数据，根据预设的逻辑程序进行数据处理和控制运算，生成对PLC从站和外部设备的控制信号。

3. 存储器/内存模块（Memory Module）：存储器模块用于存储PLC主站的程序和数据。它包括ROM（只读存储器）和RAM（随机访问存储器）等存储单元，用于存放PLC主站的逻辑程序、配置参数和临时数据。

4. 扩展模块（Expansion Modules）：扩展模块允许PLC主站与其他设备进行扩展连接，如扩展I/O模块、通信扩展模块、专用功能模块等。通过扩展模块，可以提供更多的I/O接口、支持更多的通信协议和功能，以满足复杂系统的需求。

5. 操作面板/HMI（Human-Machine Interface）：HMI是PLC主站的人机界面，用于实现与操作人员的交互。通过HMI，操作人员可以监控和操作整个PLC系统，包括显示实时数据、报警信息、设定参数、修改逻辑等。

6. 通信接口模块（Communication Interface Module）：通信接口模块是PLC主站与PLC从站、HMI（Human-Machine Interface）等外部设备进行数据通信的接口。它支持不同的通信协议和接口标准，实现与外部设备的数据交换和控制指令传递。

以上是PLC主站的基本组成部分。PLC主站通过与PLC从站和其他外部设备的连接，实现对分布式从站的控制和监控，以及与人机界面的交互。它通过运算处理和数据交换，实现对整个PLC系统的集中控制和管理，确保系统的稳定性和高效性。

2.3 PLC分布式从站: IO模块的拉远

PLC分布式从站（Distributed I/O）是指将PLC系统中的输入输出模块（I/O模块）分布在远离PLC主体（主站）的位置，用于连接外部传感器和执行器。与传统的集中式PLC系统相比，分布式从站可以提供更多的灵活性和可扩展性。

• 接口模块：负责与主站通信。
• 信号模块：负责信号模块处理，包括数字输入输出、模拟输入输出

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（1）PLC分布式从站具有以下主要特点和功能：

1. 分布式布局：分布式从站通常位于远离PLC主体的位置，可以根据需求灵活地布置在生产现场的各个区域。这种布局可以减少长距离的信号传输和电缆安装成本，同时也可以更好地适应复杂的生产环境。

2. 多种通信方式：分布式从站可以通过不同的通信方式与PLC主体进行数据交换，如以太网、Profibus、Modbus等。这些通信方式可以支持大范围的数据传输和实时监控，为系统提供更高的可靠性和灵活性。

3. 高速数据传输：分布式从站通常具备较高的数据传输速率和处理能力，能够实时采集和传输大量的输入信号和输出控制信号。这样可以确保系统的实时性和高效性，满足复杂工业自动化系统对于实时控制和监测的需求。

4. 模块化设计和易扩展性：分布式从站的设计通常以模块化为主，每个从站可以提供多个I/O插槽，用于插入不同类型的输入输出模块。这种设计使得系统的扩展和升级变得更加容易，可根据实际需求进行灵活配置和添加新的I/O模块。

5. 自主工作能力：分布式从站通常具备自主工作能力，即使与PLC主体通信中断，从站仍然可以独立地执行预设的控制逻辑和故障处理策略。这种设计增加了系统的可靠性和冗余备份性，提高了整体生产线的稳定性。

通过使用PLC分布式从站，可以简化布线、减少控制柜的数量和尺寸、增强系统的鲁棒性，同时提供更好的适应性和可扩展性。这使得PLC系统能够更好地适应复杂的工业控制需求和现场环境要求。

（2）从站由以下组成部分构成：

1. 电源模块（Power Supply Module）：电源模块为PLC从站提供稳定的电源供应。它将输入的电源信号转换为适合PLC从站内部使用的电源信号，并为其他模块提供所需的电源供应。

2. CPU模块（Central Processing Unit Module）：CPU模块是PLC从站的数据处理和运算核心。它接收输入模块的数据，根据预设的逻辑程序进行数据处理和控制运算，生成对输出模块的控制信号，并将处理结果传递给通信接口模块进行通信。

3. I/O模块（Input/Output Module）：I/O模块是PLC从站的核心组成部分，它负责与外部传感器和执行器进行数据交换。I/O模块分为输入模块和输出模块两类。输入模块接收外部信号，如开关、传感器信号等，并将其转换为数字信号传递给PLC系统。输出模块接收PLC系统的控制信号，经过转换后驱动外部执行器，如电机、阀门等。

4. 通信接口模块（Communication Interface Module）：通信接口模块是PLC从站与PLC主站或其他设备进行数据通信的接口。它根据所采用的通信协议和接口标准，将数据交换的要求转换为相应的信号和协议。通信接口模块可以支持不同的通信方式，如以太网、串口、Profibus、Modbus等。

以上是PLC从站的基本组成部分。不同厂家和型号的PLC从站可能会有一些其他的辅助模块，如时钟模块、存储模块、通信扩展模块等，以满足不同应用场景和功能需求。综合以上模块的协同工作，PLC从站能够实现数据采集、逻辑控制和数据通信等功能，为工业自动化系统提供可靠的控制和监控能力。

2.4 人机交互界面HMI

HMI（Human-Machine Interface）是人机交互界面，是用户与PLC（Programmable Logic Controller）系统进行交互和控制的接口。

HMI允许操作人员通过触摸屏、键盘、鼠标或其他输入设备来监视运行状态、操纵控制参数、查看报警信息等。

HMI通常具有以下功能特点：

1. 图形化界面：HMI界面以图形的形式展现系统状态、装置、设备，包括显示过程变量、操作按钮、图表、趋势数据等。通过直观可视化的界面，操作人员可以更直观地了解系统的运行情况和各个设备的状态。

2. 实时监控与操作：HMI可以与PLC系统进行实时的数据交换，以实时监控和获取系统的各种参数、状态和故障信息。操作人员可以利用HMI进行设备的启停、参数设定、报警处理等操作。

3. 报警和事件处理：HMI能够实时监测系统的异常情况，并及时向操作人员发出报警提示。操作人员可以通过HMI界面查看报警信息，在产生报警时进行处理，包括确认报警、重置报警、查看报警历史等。

4. 数据记录与分析：HMI可以记录和存储系统运行过程中的关键数据，如温度、压力、流量等。同时，HMI还可以对这些数据进行实时分析，生成趋势图、报表等，帮助操作人员分析和优化系统运行。

5. 远程监控和操作：一些高级HMI系统支持远程监控和操作功能，通过网络连接，操作人员可以远程访问和控制PLC系统。这种功能使得操作人员可以在远离现场的位置进行系统监控和操作，增加了便利性和灵活性。

总之，HMI作为PLC系统的人机交互界面，通过直观的图形化显示与操作方式，使得操作人员可以方便地监控和控制整个系统。HMI的功能和易用性对于提高系统的可视化、故障诊断和操作效率起到重要的作用。

2.5 工业控制软件

LC（Programmable Logic Controller）是一种针对工业控制自动化应用而设计的计算机控制系统，与其他计算机系统一样，需要一套软件来进行编程和控制。

以下是常见的PLC工业控制软件：

1. 三菱PLC编程软件：三菱PLC编程软件系列包括GX Works3、GX Works2和MELSOFT系列软件，可用于开发和编程三菱品牌的PLC系统。

2. 西门子PLC编程软件：西门子PLC编程软件系列包括STEP 7 Professional、STEP 7 Basic、TIA Portal、WinCC等，可用于开发和编程西门子品牌的PLC系统。

3. AB（AB Rockwell Automation）PLC编程软件：AB PLC编程软件系列包括RSLogix 500、RSLogix 5000、FactoryTalk View等，可用于开发和编程AB Rockwell Automation品牌的PLC系统。

4. 欧姆龙PLC编程软件：欧姆龙PLC编程软件系列包括CX-One、SYSMAC Studio和CX-Programmer等，可用于开发和编程欧姆龙品牌的PLC系统。

5. 埃默森PLC编程软件：埃默森PLC编程软件系列包括DeltaV和AMS Suite等，可用于开发和编程埃默森DeltaV品牌的PLC系统。

这些PLC编程软件具有类似的基本功能，如逻辑编程、数据输入和调试、在线监测和远程操作等。同时，在不同的品牌和模块系列中还具有一些特定的功能和工具，比如三菱PLC编程软件可以对GX Works3进行故障仿真、西门子PLC编程软件可以通过TIA Portal进行工厂自动化等。总之，PLC工业控制软件是PLC系统实现整个自动化控制的核心，决定了PLC系统的可编程性、稳定性、可靠性、灵活性和安全性。