高级PLC硬件和编程：基于Allen-Bradley和Siemens平台的软、硬件基础和高级技术

本书对PLC（可编程逻辑控制器）的硬件和软件进行了全面的论述。全书共分为三部分。
第1部分从通用的角度介绍了PLC，讨论了所有平台共有的功能及差异。第2部分涵盖高级PLC主题，包括计划和组织PLC代码。第3部分介绍Allen-Bradley 品牌的PLC平台及其实践案例。

适读人群 ：自动化行业工程师
本书内容全面，涵盖了西门子和Allen-Bradley的PLC主题，安排合理，阐述简明，实用性强，可供自动化工程师参考阅读。

前　　言　
本书基于我2016年在AuthorHouse自行出版的PLC Hardware and Programming Multi-Platform。这是一本培训手册，供我在定制PLC培训课程时使用。由于各PLC平台有很多共同之处，所以我在讲特定品牌的课程时决定采用通用方式介绍所讲授的内容。
自2013年以来，我为一家加拿大公司工作，在美国和北美其他地区讲授艾伦–布拉德利（Allen-Bradley，AB）和西门子（Siemens）自动化培训课程，该公司名为Automation Training，提供PLC、HMI（人机交互）和SCADA（监控与数据采集系统）产品相关课程。大多数学生希望在特定的平台上接受培训—在北美，主要是Allen-Bradley和Siemens平台。其他平台在美国也很常见，但由于没有足够的培训需求，所以除了制造商的课程以外没有其他培训材料。虽然Automation Training公司也提供欧姆龙（Omron）、三菱（Mitsubishi）和莫迪康（Modicon）产品相关的培训课程，但需求寥寥。为了可以在培训地点使用PLC训练机和笔记本计算机，并支付教员的差旅费和培训费，至少需要3名学生报名才能开课。
因为我的办公地方还有很大空间，所以我在桌面上搭建了一个“迷你工厂”，专门用于高级PLC技术的定制培训。由于缺少硬件，我很难编写出复杂的顺序逻辑和接口例程，所以我花了大量时间寻找培训所需的模拟硬件和软件。然而，我所找到的大多数软硬件都很贵，而且没有反映出我需要强调的技术。
在迷你工厂（见图1）里，我用带有转位索引的花纹传送带、擒纵器、刻度盘以及具有拿放功能的气动装置搭建了一款训练机，通过它讲授一些高级概念，例如自动顺序控制、零件跟踪和配方管理。
除了图1中显示的由Allen-Bradley CompactLogix PLC控制的区域外，在左侧还有一台Siemens S7-300，以及一个带有容器、泵和阀门的过程控制区。PLC可以通过电缆和插头连接到任何一台训练机上。

图1　迷你工厂
建立这个高级培训演示意味着我的书面材料里必须涵盖这些高级技术。除了在Automation Training公司的课程里讲授不同PLC平台的指令集外，我还为Automation NTH（一家位于田纳西州纳什维尔附近的工程和系统集成公司）的实习生、工程师及客户授课。Automation NTH有一个名为“NTH大学”的培训项目，为其内部员工提供培训。其中一个标准的培训课程是利用一个传送带和气动推料器以及几个传感器和一个可移动料仓来讲授如何搭建PLC应用程序。讲授这门课需要撰写和完善文件实验说明，这也增加了在培训中动手操作设备的价值，学生很喜欢这门课。
Automation NTH为我制作了PLC训练机，如图2所示。讲授这些课程需要我编写介绍高新技术的资料，这样学生就可以学习到实际工业生产中使用的技术。一般来说，学生对他们在设施中使用的特定平台感兴趣。因此，培训课程通常针对特定平台的指令系统进行教学，相应的练习也需同步。典型的训练机都配有按钮、指示灯、电位器和仪表，学生编写的程序可以与它们相连接。

图2　PLC训练机
图2显示，Automation NTH的训练机有一个内置的艾伦–布拉德利触摸屏操作员界面（Allen-Bradley PanelView Plus HMI）。训练机上有紧急停止按钮、循环启动按钮和循环停止按钮，以及一根连接训练机与传送带的电缆。此外，训练机上还有多色指示器，可用于模拟堆栈指示灯。
在编写了PLC编程通用方法手册之后，我意识到大多数学生学习时需要了解特定平台的信息。我为Allen-Bradley ControlLogix平台的Automation NTH培训课程创建了一个硬件，当我构建自己的一些训练机时，我把它也扩展到了SLC和MicroLogix。
自搬家以来，已经有几个学生来到我的学校参加定制培训课。其中一个学生用的是之前展示的迷你工厂，还有几个学生用的是我自己做的训练机。虽然我不具有Automation NTH那样的制造能力，但我已经能够在Allen-Bradley MicroLogix 1400平台上搭建自己的多个训练机。
我在设计训练机时考虑到了几个重要的条件。我需要它们比市面上能买到的训练机便宜。除了购买PLC的费用，训练机的成本大部分是按钮和指示器的接线成本与劳动力成本。
我找到了几款便宜的触摸屏，并将其安装在我的训练机上进行了评估。我决定不把按钮连接到主面板上，而是把它们做成一个配件。我编写了一个带有64个按钮和指示器的7in（1in=25.4mm）彩色触摸屏程序，还制作了用于显示和修改64个整数和32个实数或浮点数的屏幕，如图3所示。

图3　带有堆栈指示灯模拟器、HMI、蜂鸣器、紧急停止（E-Stop）按钮和电源按钮的训练机
我的新训练机有紧急停止按钮、带有MCR（Master Control Relay，主控继电器）的电源按钮和堆栈指示灯模拟器。工业机械使用这些装置，它们在与PLC程序连接时非常重要，并为我提供了讲授实际应用的机会。
我还将一根电缆连接到训练机上，以便它与外部设备连接，如按钮或指示灯配件。正如我前面提到的，在建造我的迷你工厂之前，我研究了训练机和模拟器，发现学校和工厂使用的大多数产品都很贵。
最终我找到了一些在欧洲使用的工厂模拟器，这些模拟器具有可编程控制器功能。一家名为Fischertechnik的公司在一个9V直流系统上建造了一个带有控制器的建筑“玩具”，它还建造了一个24V的系

目　　录　
译者序
前言
第一部分　PLC硬件及编程
第1章　计算机和PLC的历史及演变　3
1.1　巴贝奇分析机　3
1.2　继电器逻辑　4
1.3　机电式计算机　4
1.4　第一台电子计算机　5
1.5　早期的计算机内存　6
1.6　个人计算机的发展　7
1.7　PLC的诞生　9
1.8　PLC的改进　11
1.9　PLC发展时间线　13
1.10　PLC与计算机的历史参考书目　13
1.11　PLC的物理布局　17
1.12　I/O　17
　1.12.1　数字/离散设备　17
　1.12.2　模拟设备　18
　1.12.3　数字信号接线　19
　1.12.4　模拟信号接线　22
　1.12.5　电池/内存备份　24
1.13　通信技术　25
　1.13.1　RS232　25
　1.13.2　RS485　26
　1.13.3　RS422　26
　1.13.4　双绞线通信的注意事项　26
　1.13.5　USB　27
　1.13.6　以太网　27
　1.13.7　工业通信与控制　29
第2章　PLC存储器　30
2.1　数值数据类型　31
2.1.1　位如何变成数字　32
2.1.2　数据格式　32
2.1.3　数据结构　36
2.2　数据存储器的组织方式　38
2.2.1　I/O寻址　39
2.2.2　程序存储　40
2.3　硬件配置　40
第3章　PLC处理器　44
3.1　IEC 61131-3编程语言　44
3.1.1　梯形图　45
3.1.2?功能框图　45
3.1.3　指令表　46
3.1.4　结构化文本　47
3.1.5　顺序功能图　48
3.2　程序处理的原理　49
3.2.1　扫描　49
3.2.2　PLC模式　51
3.3　梯形图类型　51
3.4　定时器　56
3.4.1　通电延时　56
3.4.2　断电延时　57
3.4.3　保持通电延时　58
3.4.4　脉冲　58
3.5　计数器　59
3.6　数据和文件移动　61
3.6.1　移动　61
3.6.2　屏蔽移动和移位　62
3.6.3　文件复制　63
3.7　比较　63
3.8　数学指令　65
3.8.1　转换　66
3.8.2　加法与减法　66
3.8.3　乘法与除法　67
3.9　整定　68
3.10　高级运算　71
3.11　其他指令　71
　3.11.1　字符串操作　71
　3.11.2　PID指令　72
　3.11.3　运动控制指令　73
　3.11.4　通信指令　73
　3.11.5　程序控制指令　75
　3.11.6　其他指令　75
3.12　维护和故障排除　77
　3.12.1　强制　77
　3.12.2　搜索和交叉引用　79
第二部分　PLC编程方法
第4章　PLC编程概述　85
4.1　预备知识　85
4.2　常用例程　88
4.2.1　系统例程　88
4.2.2　输入例程　92
4.2.3　输出例程　94
4.2.4　故障和报警例程　95
4.2.5　自动序列例程　98
4.2.6　归位例程　104
4.2.7　配方　105
4.2.8　零件追踪　107
4.2.9　提示和技巧　112
4.2.10　训练机和模拟机　114
第5章　编程实验：具有颜色识别功能的料仓分拣装置　116
5.1　训练机　116
5.2　Allen-Bradley MicroLogix型可编程逻辑控制器　118
5.3　具有颜色识别功能的料仓分拣装置　126
第三部分　PLC平台
第6章　Allen-Bradley PLC　131
6.1　MicroLogix和SLC系列　132
6.1.1　MicroLogix和SLC平台　132
6.1.2　MicroLogix和SLC存储寄存器　136
6.1.3　MicroLogix和SLC指令　137
6.1.4　使用RSLogix 500启动和编辑项目　143
6.2　CompactLogix和ControlLogix系列　147
6.2.1　CompactLogix和ControlLogix平台　147
6.2.2　CompactLogix和ControlLogix指令　152
6.2.3　使用RSLogix 5000启动和编辑项目　158
6.3　CompactLogix和ControlLogix数据　164
6.3.1　数组　165
6.3.2　用户定义数据类型　166
6.3.3　全局标签　167
6.3.4　程序（局部）标签　168
6.3.5　别名　169
6.4　Add-On指令　169
6.5　其他语言　175
6.6　Allen-Bradley的通信软件RSLinx　176
6.6.1　以太网设备　178
6.6.2　以太网/IP驱动　179
第7章　Siemens PLC　180
7.1　术语、平台及指令　181
7.1.1　术语　181
7.1.2　S7-300平台和S7-400平台　182
7.1.3　S7-1200平台和S7-1500平台　192
7.1.4　指令　203
7.2　块、数据和语句表　209
7.2.1　块　209
7.2.2　数据　215
7.2.3　语句表　218
7.3　其他语言　221
7.3.1　功能框图　222
7.3.2　结构化控制语言　222
7.3.3　S7多语言示例：节点故障　224
7.3.4　S7 Graph　228
7.4　设置PG-PC接口　228
附录
附录A　主要的PLC平台　234
附录B　ASCII表　236
附录C　第一部分练习答案　239
附录D　第二部分实验答案　247