5.可编程控制器及其工作原理

第三篇S7-200系列PLC及其应用,学习目标：了解可编程控制器产生的背景、特点、性能指标以及今后的发展方向掌握可编程控制器的硬件组成形式熟悉可编程控制器的软件及工作过程,第五章可编程控制器及其工作原理,第一节可编程控制器概述,一、可编程控制器的由来及发展,二、可编程控制器的用途,1.开关量逻辑控制2.运动控制3.闭环过程控制4.数据处理5.通信及联网,三、可编程控制器的著名厂商及产品,第三节PLC的硬件构成及编程元件,一、PLC的硬件构成根据结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式。PLC是通用的工业控制计算机，其硬件由微处理器、存储器、输入输出单元、编程器及电源等部分组成。,整体式PLC的组成示意图：,1.微处理器（CPU）,微处理器是PLC的运算控制中心，CPU控制及协调系统内部各部分的工作，执行监控程序及用户程序，进行信息及数据的运算处理，产生相应的内部控制信号，实现对现场各个设备的控制。,主要功能有：1、接收从编程设备及外部单元送入的用户程序和数据；采用扫描的方式通过I/O部件接受现场的状态或数据。2、PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，解释并按指令规定的任务进行数据传递、逻辑或算术运算等；并根据运算结果，更新有关标志位和输出映像寄存器，再经输出部件实现输出控制数据通信等功能。3、诊断电源故障以及用户程序的语法错误；,2.存储器单元,PLC的存储器从用途上分成两个部分：系统存储器：用于存放PLC生产厂家编写的系统程序，系统程序在出厂时已经被固化在ROM中，用户不能直接更改。用户存储器：包括程序存储器（程序区）和功能存储器（数据区），程序存储器用于存放用户针对具体控制任务，用规定的PLC编程语言编写的应用程序；功能存储器存放的是用户程序中使用的ON/OFF状态、数值数据等，它构成PLC的各种内部器件，也称“编程软元件”。,3.输入、输出接口,输入、输出接口是PLC与工业控制现场设备连接的接口。含开关量接口及模拟量接口。开关量输入接口用来连接按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等的开关量输入信号。模拟量输入接口接收电位器、测速发电机和各种变换器等传来的模拟量输入信号。,输出接口是PLC的负载驱动电路。开关量输出接口用来连接接触器、电磁阀、指示灯、数字显示装置、报警装置等执行器件。模拟量输出接口连接使用模拟量控制的调节阀及变频器等。,PLC的输出接口可分为晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出三种形式。,4.电源,电源（为保证plc可靠，大多采用开关型稳压电源）单元将外界提供的电源转换成PLC的工作电源后，提供给PLC。有些电源单元也可以作为负载电源，通过PLC的I/O接口向负载提供直流24V电源。电源单元还提供掉电保护电路和后备电池电源，以维持部分RAM存储器的内容在外界电源断电后不会丢失。在面板上通常有发光二极管（LED）指示电源的工作状态，便于判断电源工作是否正常。,5.接口单元,接口单元包括扩展接口、通信接口、编程器接口和存储器接口及其它外部设备接口等。PLC的I/O单元也属于接口单元的范畴，它完成PLC与工业现场之间电信号的往来联系。除此之外，PLC与其它外界设备和信号的联系都需要相应的接口单元。,6.外部设备,PLC的外部设备种类很多，可以概括为以下四类：编程设备：除了用于编程，还可对系统作一些设定，以确定PLC的工作方式。监控设备：将现场数据动态实时显示出来，以便操作人员随时掌握系统运行的情况。存储设备：用于保存用户数据，避免程序丢失。输入输出设备：用于接受信号和输出信号的专用设备。,二、S7-200系列PLC编程元件及编址,PLC的编程软元件实质上是由系统软件赋予了各种功能的存储器单元，每个单元都有惟一的地址。为了方便不同的编程功能需要，存储器单元作了分区，因此，也就有了不同类型的编程软元件。,1.输入继电器（I）输入继电器和PLC的输入端子相连，是专设的输入过程映像寄存器，用来接收外部传感或开关元件发来的信号，但机器读取这新信号时并不影响这些信号的状态。输入点的状态，在每次扫描周期开始（或结束）时进行采样，并将采样值存于输入映像寄存器，作为程序处理时输入点状态的依据。输入映像寄存器的状态只能由外部输入信号驱动，而不能在内部由程序指令来改变。,2.输出继电器（Q）输出继电器是专设的输出过程映像寄存器，由CPU运算结果驱动其线圈，并通过输出端子控制外部负载。,3.内部标志位存储器（M）内部标志位也称位存储区，在逻辑运算中用作存储中间操作信息的元件，他们并不直接驱动外部负载，类似于继电接触器系统中的中间继电器，多以位为单位使用，也可以字节、字、双字为单位使用。,4.特殊标志位存储器（SM）特殊标志位（SM）即特殊内部线圈。它是用户程序与系统程序之间的界面，为用户提供一些特殊的控制功能及系统信息，用户对操作的一些特殊要求也通过特殊标志位（SM）通知系统。特殊标志位区域分为只读区域（SM0.0SM29.7，头30个字节为只读区）和可读写区域，在只读区特殊标志位，用户只能利用其触点。,5.定时器存储器（T）定时器是模拟继电器控制系统中的时间继电器。S7-200PLC定时器的时基有三种：1ms、10ms、100ms。通常定时器的设定值由程序赋予，需要时也可在外部设定。每个定时器有一个16位的当前值寄存器及一个状态位，称为T-Bit。,6.计数器存储器（C）计数器是累计其计数输入端脉冲（输入端子或元件送来的脉冲）电平由低到高的次数，有三种类型：增计数、减计数、增减计数。通常计数器的设定值由程序赋予，需要时也可在外部设定。每个计数器有一个16位的当前值寄存器及一个状态位，称为C-Bit。,7.高速计数器（HC）高速计数器用来累计机外高速脉冲信号。当高速脉冲信号的频率比CPU扫描速率更高时，必须要用高速计数器计数。高速计数器的当前值寄存器为32位（bit），读取高速计数器当前值应以双字（32位）来寻址。高速计数器的当前值为只读值。,8.变量寄存器（V）变量存储器（V）存放全局变量、存放程序执行过程中控制逻辑操作的中间结果或其他相关的数据。变量存储器是全局有效。全局有效是指同一个存储器可以在任一程序分区（主程序、子程序、中断程序）被访问。,9.累加器（AC）累加器是用来暂时存储计算中间值的存储器，也可向子程序传递参数或返回参数。S7-200CPU提供了4个32位累加器（AC0、AC1、AC2、AC3）。,10.局部存储器（L）局部存储器和变量寄存器很相似，主要区别是局部存储器用来存放局部变量。局部存储器是局部有效的。局部有效是指某一局部存储器只能在某一程序分区（主程序或子程序或中断程序）中使用。不同的程序段不能访问不同程序段中的局部存储器。,11.顺序控制继电器（S）顺控继电器S是使用顺控继电器指令的重要元件，通常与顺序控制指令LSCR、SCRT、SCRE结合使用，实现顺控流程的方法。,12.模拟量输入/输出寄存器（AIW）模拟量输入模块将外部输入的模拟信号的模拟量转换成1个字长的数字量，存放在模拟量输入映像寄存器（AIW）中，供CPU运算处理。模拟量输入（AIW）的值为只读值。注意：从偶数号字节进行编址。模拟量输入映像寄存器（AI）的地址格式为：AIW起始字节地址，如AIW4。,13.模拟量输出映像寄存器（AQW）CPU运算的相关结果存放在模拟量输出映像寄存器（AQW）中，供D/A转换器将1个字长的数字量转换为模拟量，以驱动外部模拟量控制的设备。模拟量输出映像寄存器（AQW）中的数字量为只写值。模拟量输出映像寄存器（AQW）的地址格式为：AQW起始字节地址，如AQW10。模拟量输出映像寄存器（AQ）的地址必须用偶数字节地址（如AQW0，AQW2，AQW4）来表示。,2.S7-200系列PLC数据类型及存储单元编址（1）数据类型、存储器长度及存储范围。（2）存储单元的编址编址即是对存储单元编码，以便程序执行时可以唯一地识别每个编程元件。S7-200系列PLC存储器以8位（字节）为单位排列，为了配合各种类型数据的存储，可实行位、字节、字、双字存取，采用地址标识符、长度标识符结合字节序号编址。,(1)位寻址（BIT）位寻址也叫字节位寻址，一个字节占有8位。数据区存储器区域的某一位的地址格式为：Ax.y。必须指定存储器区域标识符A、字节地址x及位号y。例I4.5表示图5-4中黑色标记的位地址。I是变量存储器的区域标识符，4是字节地址，5是位号，在字节地址4与位号5之间用点号“.”隔开。,位寻址格式,MSB表示最高位,LSB表示最低位,(2)字节、字、双字地址格式数据区存储器区域的字节、字、双字地址格式为：ATx。必须指定区域标识符A、数据长度T以及该字节、字或双字的起始字节地址x。图5-5中，用VB100、VW100、VD100分别表示字节、字、双字的地址。VW100由VB100、VB101两个字节组成；VD100由VB100VB103四个组成。,(3)其他地址格式数据区存储器区域中，还包括定时器存储器（T）、计数器存储器（C）、累加器（AC）、高速计数器（HC）等，它们是模拟相关的电器元件的。它们的地址格式为：Ay。由区域标识符A和元件号y组成，例T24表示某定时器的地址，T是定时器的区域标识符，24是定时器号，同时T24又可表示此定时器的当前值。,第三节PLC的软件及应用程序编程语言,一、可编程控制器的软件PLC的软件含系统软件和用户程序。系统软件由PLC制造商固化在机内，用以控制可编程控制器本身的运作。用户程序由可编程控制器的使用者编制并输入，用于控制外部对象的运行。,1.系统软件系统软件主要包括以下三部分：（1）系统管理程序（2）用户指令解释程序（3）标准程序模块及系统调用,2.用户程序用户程序即应用程序，是可编程控制器的使用者针对具体控制对象编制的程序。根据不同的控制要求编制不同的程序，这相当于改变PLC的用途，相当于设计和改变继电器控制设备的硬接线线路，也就是所谓的“可编程”。参与PLC应用程序编制的是可编程控制器代表编程器的存储器，俗称“软继电器”，或称编程“软元件”。不同厂家的PLC会提供不同的指令集，但基本的编程元件和编程形式有许多共同之处。,二、可编程控制器常用的编程语言国际电工委员会（IEC）编制的PLC国际标准IEC61131中推荐了梯形图（LAD），功能块图（FBD）及顺序功能图（SFC）三种图形化编程语言及指令表（IL）、结构文本（ST）S7-200系列PLC提供的编程语言通常有三种：梯形图、指令表、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）,1.梯形图（LAD：LadderDiagram）,梯形图（LAD）是与电气控制电路相呼应的图形语言。它沿用了继电器、触头、串并联等术语和类似的图形符号，并简化了符号，还增加了一些功能性的指令。梯形图按自上而下，从左到右的顺序排列，最左边的竖线称为起始母线也叫左母线，然后按一定的控制要求和规则连接各个接点，最后以继电器线圈（或再接右母线）结束，称为一逻辑行或叫一“梯级”。通常一个梯形图中有若干逻辑行（梯级），形似梯子。,梯形图编程的基本规则,.按“自上而下，从左到右”的顺序绘制。.在每一个逻辑行上，当几条支路串联时，串联触点多的应安排在上面，几条支路并联时，并联触点多的应安排在左面。,.触点应画在水平支路上，不包含触点的支路应放在垂直方向，不应放在水平方向；如图和.处都是不允许的。,.一个触点上不应有双向电流通过，如图（a）中元件3，应进行适当变化，如图（b）。,.如果两个逻辑行之间互有牵连，逻辑关系又不清晰，应进行变化，以便于编程。如图（a）可变化为图（b）所示的梯形图。,.梯形图中任一支路上的串联触点、并联触点及内部并联线圈的个数一般不受限制。在中小型PLC中，由于堆栈层次一般为8层，因此连续进行并联支路块串联操作、串联支路块并联操作等的次数，一般不应超过8次。,（7）应把串联多的电路尽量放在最上边，把并联多的电路放在最左边，这样一是节省指令，二是美观，如图所示。,2.指令表IL（IntroductionList）指令表（STL）是用助记符来表达PLC的各种控制功能的。它类似于计算机的汇编语言，但比汇编语言更直观易懂，编程简单，因此也是应用很广泛的一种编程语言。这种编程语言可使用简易编程器编程，但比较抽象，一般与梯形图语言配合使用，互为补充。,3.功能块图（FBD：FunctionBlockDiagram）,功能块图（FBD）,对应上图中的I0.1长闭触点,功能块图（FBD）类似于普通逻辑功能图，它沿用了半导体逻辑电路的逻辑框图的表达方式。一般用一种功能方框表示一种特定的功能，框图内的符号表达了该功能块图的功能。功能块图通常有若干个输入端和若干个输出端。输入端是功能块图的条件，输出端是功能块图的运算结果。,4.顺序功能图（SFC：SequentialFunctionChart）顺序功能图也叫状态流程图或步序图，是一种位于其他编程语言之上的图形语言，用来表达一个顺序控制过程。,三、S7-200系列PLC的寻址指令的两个要素：1、指令的功能，即执行哪些操作；2、操作的数据，其中，立即寻址是直接给出立即数，其他的寻址方式操作数据总是指出存储该操作数的存储单元的地址。计算机将这种在指令中标示操作数的方式叫做寻址。S7-200系列LPC指令系统的寻址方式有立即寻址、直接寻址和间接寻址。,1.直接寻址直接寻址方式是，指令直接使用存储器或寄存器的元件名称和地址编号，根据这个地址就可以立即找到该数据。操作数的地址应按规定的格式表示。指令中，数据类型应与指令标识符相匹配。LDI0.0OQ0.1ANI0.1=Q2.1,2.间接寻址存储单元中也可以是一个地址，称为间接寻址。间接寻址用指针来访问存储区数据，指针以双字的形式存储其他存储区的地址。要建立一个指针，必须以双字的形式，将需要间接寻址的存储器地址移动到指针中。可作为地址指针的存储器有：V、L、AC（13）可间接寻址的存储器区域有：I、Q、V、M、S、T（仅当前值）、C（仅当前值）。对独立的位（BIT）值或模拟量值不能进行间接寻址。,(1)建立指针间接寻址前，应先建立指针。指针为双字长，是所要访问的存储单元（最大为双字型32位）的物理地址。只能使用变量存储器（V）、局部存储器（L）或累加器（AC1、AC2、AC3）作为指针，AC0不能用作间接寻址的指针。,将所要访问的存储器单元的地址装入用来作为指针的存储器单元或寄存器，装入的是地址而不是数据本身，格式如下：MOVD&VB200，AC1“&”为地址符号，与单元组合表示所对应单元的32位物理地址，VB200只是一个直接地址编码，并不是它的物理地址。指令中的第二个地址数据长度必须是双字长，如：AC、LD和VD。这里地址“VB200”要用32位表示，因而必须使用双字传送指令（MOVD）。指令中的&VB200如果改为&VW200或&VD200效果完全相同。因为具体的寻址范围取决于随后的间接存取指令类型。,(2)间接存取依据指针中的内容值作为地址存取数据。使用指针可存取字节、字、双字型的数据，下面两条指令是建立指针和间接存取的应用方法：MOVD&VB200，AC1MOVW*AC1，AC0执行指令MOVW*AC1，AC0，把指针中的内容值（VB200）作为地址，由于指令MOVW的标识符是“W”，因而指令操作数的数据长度应是字型，把地址VB200、VB201处2个字节的内容（1234）传送到AC0。指针处的值（即1234），为字型数据，如图5-7所示，操作数（AC1）前面的“*”号表示该操作数（AC1）为指针。,间接寻址,把VB200的地址送入AC1建立指针,把指针处的值送到AC0,本指令是MOVW，为字型长度，则AC0的高16位空闲未用；若是MOVD双字型指令，则将VB200VB203的内容(即12345678)送到AC0,这里给出的是起始字节地址，而并不表示数据长度（由随后间接存取指令类型决定）为字型。所以，如果改为&VB200或&VD200效果完全相同。,(3)修改指针存取连续地址的存储单元中数据时，通过修改指针可以非常方便地存取数据。在S7-200PLC中，指针的内容不会自动改变，可用自增或自减等指令修改指针值。这样就可连续地存取存储单元中的数据。图5-8中，用两次自增指令INCDAC1，将AC1指针中的值（VB200）修改为VB202后，指针即指向新地址VB202。执行指令MOVW*AC1，AC0，这样就可在变量存储器（V）中连续地存取数据，将VB202、VB203二个字节的数据（5678）传送到AC0。,修改指针值时，应根据存取的数据长度来进行调整。若对字节进行存取，指针值加1（或减1）；若对字进行存取、或对定时器、计数器的当前值进行存取，指针值加2（或减2）；若对双字进行存取，则指针值加4（或减4）。图5-8中，存取的数据长度是字型数据，因而指针值加2。,修改指针,把指针增加两次，指向下一个字,把AC1（VW202）所指向的字数值送到AC0,第四节PLC的工业应用模式及工作原理,一、PLC的工业应用的基本模式从结构及功能出发，PLC是一种新型的通用的电器控制器，一种以计算机为内核的电器控制器。电器控制器：电器及电路构成的用于电气控制的装置。可编程控制器工作的根本形式是依程序处理存储器中的各种数据。,可编程控制器工业控制应用的基本模式：为了实现特定的控制任务，第一点，像其他的电器控制器一样，可编程控制器必须要接入控制系统电路。即要与传感器、主令电器、执行电器、通信设备及其他需用的控制设备连接成一体。第二点，将PLC接入系统后，还必须根据控制要求编制应用程序，反映输入事件与输出事件的联系，以使可编程控制器得以据此完成既定的控制任务。,基本模式的意义：1.可编程控制器应用的第一步是规划硬件，安排输入输出口及存储单元。2.基本应用模式涉及对PLC程序的理解。,二、可编程控制器的工作原理及应用程序的循环扫描执行,1.PLC的工作原理可编程控制器是一种基于计算机的运算控制装置。它将工业控制中的各种控制信号存入自己的输入存储单元，也将运算的结果存入自己的输出存储单元，并且将