工厂电气与LC控制技术概述.ppt

,工厂电气与PLC控制技术,第五版张振国编著机械工业出版社,“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材,不同厂家PLC的语法标准、功能结构和指令系统都是不同的。可以通过具体型号的PLC熟悉一般PLC的程序结构和程序数据、编程思想和使用方法。德国西门子（SIEMENS）公司生产的SIMATIC系列的PLC在世界处于领先地位本章系统地介绍S7-200系列小型PLC的发展、硬件组成、指令系统、相关知识及应用举例。,第六章西门子（SIEMENS）电气S7系列PLC,第一节S7-200型PLC的硬件组成S7-200是属于整体式结构，其将CPU模块、I/O模块和电源装在一个箱型机壳内，S7-200型PLC外形结构如图6-1所示。图中的前盖下面有模式选择开关、模拟量电位器和扩展模块连接器。,图6-1S7-200PLC外形结构,S7-200还可配备许多专用的特殊功能模块，例如模拟量输入/输出模块、热电偶和热电阻模块、通信模块等，从而扩展PLC的功能。S7-200型PLC系统组成如图6-2所示,图6-2S7-200型PLC系统组成,一基本单元的构成称CPU模块，又称主机或本机。包括CPU（中央处理器）、程序/数据存储器、基本输入/输出端子、电源等。本身是一个完整的控制系统。CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226和CPU226XMS7-200型PLC及扩展模块外形如下图所示CPU模块特性功能见表6-1所示,表6-1CPU模块特性功能,1、CPU模块内部输入/输出接口CPU内部输入输出电路是使MPU与CPU模块内部电路及各种控制电路进行连接和控制所必备的电路。如MPU内部数据总线、MPU与EEPROM、RAM及外部三总线连接等。2、电源输出模块CPU模块具有DC24V可接负载的电源，可直接连接到传感器和变送器（执行器）。为系统扩展需要，CPU模块还为扩展模块提供DC5V电源，以提供的最大电流为限。CPU模块可提供的最大电流见表6-2。,表6-2CPU模块可提供的最大电流,3、存储器基本单元内部EEPROM存储模器，RAM存储器。含有用户程序存储器、用户数据存储器。有掉电保持型的和暂存型的。各个CPU单元内部的存储器容量见表6-3。,表5-3各个CPU模块的存储器容量,表6-3各个CPU模块的存储器容量,4、计数器/定时器电路5、中断电路6、高速脉冲输入/输出电路7、输入/输出信号类型4种CPU模块都有晶体管输出和继电器输出类型，具有不同的电源电压和控制电压。各种CPU模块的输出类型见表6-4。,表6-4各种CPU模块的输出类型,8、通信接口电路9、LED指示电路在图6-1中S7-200PLC外形结构中可以看到状态指示灯位置：即系统错误/诊断SF/（DIAG）、运行RUN和停止STOPLED指示灯指示相应的状态。10、扩展接口电路在图6-1中可以看到前盖标示有I/O扩展端子、模拟电位器接口。扩展电路是为扩展系统I/O口和其他模块而设计的接口端子。,二、扩展模块扩展单元（模块）主要有数字量扩展模块、模拟量扩展模块、特殊功能模块和通信模块等。1、数字量扩展模块通常数字量（开关量）模块分为3种类型:1）输入扩展模块EM221，包括3种类型。2）输出扩展模块EM222，包括5种类型。3）输入/输出扩展模块EM223，6种类型。扩展模块的输入/输出点数、输出类型和数字量I/O模块基本性能指标见表6-5。,表6-5数字量I/O模块基本性能指标,2、模拟量扩展模块S7-200有3种模拟量扩展模块即模拟量I/O模块EM231、EM232、EM235。3、特殊功能模块S7-200系统还提供了一些特殊功能模块，用于完成特定的任务。4、通信模块EM277：Profibus-DP从站通信模块；EM241：调制解调器Modem通信模块；CP243-1:工业以太网通信模块；CP243-2：AS-i主站模块。,三、CPU模块与扩展I/O模块地址编排方法按照I/O的类型排列地址，共有4类：I（DI）：数字量输入Q（DO）：数字量输出AI：模拟量输入AQ：模拟量输出每一类I/O分别排列地址。从CPU模块开始算起，I/O点地址从左到右按由大到小的规律排列。扩展模块的类型和位置一旦确定，则它的I/O点地址也随之确定。,例6-1：某一扩展系统采用CPU224模块，系统所需的输入输出点数各为：数字量输入24点，数字量输出20点，模拟量输入6点，模拟量输出2点。系统组合可以由多种方式，组合模块编址见表6-6。,表6-6组合模块编址,注：S7-200系统扩展时，其输入输出的地址组态规则为：1）同类型输入或输出点的模块进行顺序编址2）对于数字量，输入输出映像寄存器单位长度为8位（一个字节），本模块高位实际位数未满8位的，未用位不能分配给I/O链的后续模块。3）对于模拟量，输入输出以16位（2字节，一个字）递增方式来分配空间。,第二节西门子PLC基本编程指令西门子PLC支持梯形图（LAD）、指令表（STL）、顺序功能图（SFC）和功能块图（FBD）四种编程语言。在S7-200中，顺序功能图在形式上是梯形图形式。在S7-300/400中，顺序功能图是以图形化的方式。一、指令系统预备知识1、数据类型及取值范围其数据格式和取值范围见表6-7。,表6-7数据格式和取值范围,2、常数常数数据长度可为字节、字和双字，书写形式可以是二进制、十进制、十六进制、浮点数（实数）或ASC码等。常数表示形式见表6-8。,表6-8常数表示形式,二、系统存储器CPU将信息从编程的角度出发，我们也将系统存储器称之为PLC的编程变量。S7-200将编程变量统一归为存储器单元，存储单元按字节进行编址，编程时无论所寻址的是何种数据类型，都应指出它所在的存储区和在存储区域内的字节地址。每个单元都有惟一的地址，地址用名称和编号两部分组成。S7-200CPU存储器名称（区域地址符号）见表6-9所示。,表6-9S7-200CPU存储器名称,三、西门子PLC的寻址方式在PLC系统中，数据可以从一个地址传送到另一个地址；进行逻辑和数学运算；在编程软件上设置、查看。要进行上述数据处理，需要在使用数据处理的指令时，指定数据地址。指令的“操作数”基本都是以数据地址的形式给出。总之，所有数据，在PLC中都是通过地址访问，访问数据的过程本身就是“寻址”位寻址和字节寻址的格式见如图6-3和6-4所示。,图6-3位寻址的格式,图6-4字节寻址的格式,S7-200系统提供两种寻址方式：直接寻址、简接寻址。1、直接寻址方式直接可寻址指定了存储器的区域、长度和位置，例如VW100是V存储区中地址为100的字。可以用字节（B）、字（W）和双字（D）方式存取V、I、Q、M、S和SM存储器区。,2.间接寻址方式S7-200允许使用指针对I、Q、V、M、S、AI、AQ、T（仅当前值）和C（仅当前值）存储区进行间接寻址。间接寻址不能用于位（bit）地址、HC或L存储区。用间接寻址方式存取数据步骤：建立指针、间接存取和修改指针。,建立指针对存储器的某一地址进行间接寻址时，必须首先为该地址建立指针。指针为双字长，所要访问的存储单元的32位的物理地址。可用来作为指针的存储区有：V、L和AC建立指针必须用双字传送指令MOVD，将存储器所要访问的单元的地址装入用来作为指针的存储区单元或寄存器，格式表达如下：,例如：MOVD&VB205，VD303MOVD&MB10，AC2MOVD&C2，LD14“&”为地址符号，与单元编号组合表示所对应单元的32位物理地址，VB205只是一个直接地址编号，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：VD、LD和AC。指令中的&VB205如果改为&VW205或&VD205效果完全相同。,间接存取指令中在操作数前面加“*”号表示该操作数为一个指针。建立间接存取的方法如下（存储器间接寻址如图6-5所示）：MOVD&VB200，AC1MOVW*AC1，AC0,图5-5存储器间接寻址,图6-5存储器间接寻址,修改指针简单的数学运算指令，若加法、减法、自增和自减等指令可以用来修改指针。在地址指针修改时要注意其位数是32位，所以要使用双字指令。根据所存取数据长度正确调整指针：当存取字节时，指针调整单位为1当存取一个字、定时器或计数器的当前值时，指针调整单位为2当存取双字时，指针调整单位为4建立、修改间接寻址的指针如图6-6所示,图6-6建立、修改间接寻址的指针,四、PLC的基本指令1位操作类指令位操作指令包括：输入/输出指令、位逻辑运算指令、位正/负跳变指令及置位/复位指令等。1）输入/输出（I/O）指令：输入和输出指令如表6-10所示。,bitbit,表6-10输入和输出指令,2）位逻辑运算指令：位逻辑运算指令如表6-11所示。,表6-11位逻辑运算指令,程序应用举例：本程序段以介绍标准接点指令在梯行图、语句表和功能块图等3种语言编程中的应用。梯行图和语句表程序结构如图6-7所示。功能框图如图6-8所示。在功能框图中，常闭接点的装入和串并联用指令盒的对应输入信号端加圆圈来表示。,图6-7梯行图和语句表程序结构图,图6-8标准接点功能（FBD）图,该段程序执行的时序图如图6-9所示。,图6-9执行的时序图,3）位正/负跳变指令位正/负跳变指令如表6-12所示。,表6-12位正/负跳变指令,程序应用举例：利用位正/负跳变指令的程序执行LAD和STL如图6-10所示，时序图如图6-11所示。,图6-10位正/负跳变应用的LAD和STL,图6-11位正/负跳变时序图,4）置位/复位指令置位/复位指令如表6-13所示。,表6-13置位/复位指令,指令说明：1）当执行置位/复位输出时，从bit开始的N个同类点被置位/复位。2）若复位的定时器T或计数器C，那么定时器/计数器当前值被清零。,程序应用举例：置位/复位指令应用的LAD和STL如图6-12所示，时序图如图6-13所示,图6-12置位/复位应用的LAD和STL,图6-13置位/复位时序图,立即刷新指令S7-200有两种立即指令：对输入继电器（点）和输出继电器（点），进行快速的直接存取。立即指令读取输入点的状态时，只把输入端的状态读入到程序中，输入映像寄存器中的值并未发生更新。立即指令访问输出点时，访问的同时，则输出寄存器的内容被刷新，同时输出点更新。立即指令如表6-14所示。,表6-14立即指令,应用举例：图6-14与图6-15所示为立即指令应用程序的LAD和STL及其时序图。,图6-14立即指令程序的LAD和STL,图6-15立即指令程序的时序图,复杂类逻辑指令复杂类逻辑指令：对复杂的梯行图中块与、块或和栈操作的指令。这类指令包括：ALD、OLD、LPS、LRD、LPP和ADS，指令中除LDS外，其余指令均无操作数。复杂类逻辑指令如表6-15所示。,表6-15复杂类逻辑指令,1）ALD块与：表示对含有两个及以上并联电路的串联连接。2）OLD块或：表示对含有两个及以上串联电路的并联连接。3）LPS入栈（分支或主控指令）：在梯行图中的分支结构中，用于生成一条新的母线，如果在已经含有主控逻辑块（左侧已用了LPS）时，第一个完整的从逻辑行从此开始。4）LPP出栈（分支结束或主控复位指令）：在梯行图中的分支结构中，用于降LPS指令生成一条新的母线进行恢复。如果原来是从站，则恢复的母线是左侧的原从分支母线或原主母线。注意：使用LPP指令时，必须出现在LPS的后面，且与LPS成队出现。,5）LRD读栈：在梯行图中的分支结构中，当左侧为主控逻辑块时，开始第二个和后面更多的从逻辑块。6）LDS装入栈指令：把栈中n位的值复制，并把原n位的值复制放入栈顶，其它位依次下移一位。指令格式：LDSn(n为08的整数)例如：LDS4复杂逻辑指令的程序举例如图6-16所示。,图6-16复杂逻辑指令程序的应用,4定时器指令定时器在使用前要先预置时间初始值，当定时器满足条件运行时，从开始0按精度等级单位（1ms、10ms、100ms）增计数，当定时器当前值达到预置值时，定时器动作。定时器类型、精度与编号如表6-16所示。,表6-16定时器类型、精度与编号,定时器操作时要设置3个数据：编号、预设值和使能输入。编号：表示方式Txxx（0255），如：T26T26包含两方面的信息：定时器的位和定时器的当前值定时器的位：定时器的编号也是定时器的位，当当前值达到预设值PT时，该编号定时器被置为“1”。定时器的当前值：当前所累计的时间，用16位符号整数表示，故最大计数单位32767预设值（PT）：所要计时的最大时间单位值，采用INT数据类型,使能输入（IN）：有效则定时器+1计数。定时器的复位：复位指令使定时器的位变为OFF；当前值变为0定时器指令如表6-17所示。接通延时定时器（TON）：单一间隔的定时。使能接通时，定时器从当前值开始计数，当前值达到预置值时，定时器接通（ON），当前值连续计数到32767。当使能输入断开时定时器复位，即定时器位断开（OFF），当前值为0。,Txxx,Txxx,Txxx,表6-17定时器指令,断开延时定时器（TOF）：断开后单一间隔的定时。使能接通时，定时器接通（ON），当前值为0。当使能输入断开时，定时器从0值开始计数，当前值达到预置值时，定时器断开（OFF），当前值等于预置值时，停止计数。,有记忆接通延时定时器（TONR）：对许多间隔的累计定时。使能接通时，定时器从0开始计数。使能输入断开时，定时器位和当前值保持最后状态。使能输入再次接通时，当前值从上次保持值继续计数，当累计当前值达到预置值时，定时器接通（ON），当前值连续计数到32767。TONR定时器只能用复位指令进行复位操作。定时器应用程序举例如图6-17所示，时序图如图6-18所示。,图6-17定时器程序的应用,100ms,图6-18定时器应用的程序时序图,T35T35,例6-2：用定时器控制3台电动机的顺序起动控制要求：3台电动机按顺序起动电动机M1起动20s后M2起动再经过30s后M3起动电动机顺序起动控制图如图6-19所示。其中M1、M2、M3分别由Q0.1、Q0.2和Q0.3控制。,M1,20s,M2,30s,M3,图6-19电动机顺序起动控制图,20000ms=20s,30000ms=30s,5计数器指令计数器用来累计输入脉冲的次数。计数器与定时器的结构和使用基本相同，计数器在使用前要先输入预设值，计数器累计它的脉冲上升沿个数，当计数器当前值达到预设值时，计数器动作。计数器类型、编号如表6-18所示。,表6-18计数器类型、编号,计数器指令操作有4个数据量：编号、预设值、脉冲输入、复位输入1）编号计数器名称和常数编号，表示方式Cxxx（0255）计数器的位：计数器的编号也是计数器的位，表示计数器是否发生动作的状态，当当前值达到预设值时，该编号计数器的位被置为“1”。定时器的当前值：当前所累计的脉冲个数，用16位符号整数表示，故最大计数单位32767。2）预设值（PV）要累计计数的最大值，采用INT数据类型。3）脉冲输入（CU）计录上升沿产生的个数，BOOL型。4）复位输入（R）使计数器复位至初始状态，计数器位为OFF；计数器当前值为0（CTD）除外。计数器指令如表6-19所示。,Cxxx,Cxxx,Cxxx,表6-19计数器指令,5）增计数器（CTU）用于增量数据计数。脉冲输入CU上升沿，计数器计数，当前值加1，当当前值达到预设值时，计数器接通（ON），当前值继续计数到32767停止计数。复位输入有效或执行复位指令，计数器位关闭OFF，当前值为0。增计数器程序及时序如图6-20所示。,图6-20增计数器程序及时序,6）增减计数器（CTUD）两个脉冲输入端：CU递增计数，CD递减计数CU输入的每个上升沿，计数器当前值增加1，CD输入的每个上升沿，计数器当前值减小1，当前值达到预设值时，计数器位接通（ON）。增减计数器计数到32767后，下一个CU输入的上升沿将使当前值跳变为-32767；反之，当前值达到-32767时，下一个CD输入的上升沿将使当前值跳变为32767。复位输入有效或执行复位指令，计数器自动复位，计数器位关闭OFF，当前值为0。增减计数器程序及时序如图6-21所示。,图6-21增减计数器程序及时序,7）减计数器（CTD）用于减量数据计数。脉冲输入CD上升沿，计数器计数，当前值减1，当当前值减到0值时，计数器接通（ON）。复位输入有效或执行复位指令，计数器位关闭OFF，当前值为预设值。减计数器程序及时序如图6-22所示。,图6-22减计数器程序及时序,定时器和计数器组合应用解决长时间延时，如图6-23,图6-23定时器和计数器组合应用,第三节S7-300、S7-400型PLC的硬件组成一、S7-300、S7-400型PLC的概述S7-300系列PLC是针对中小型控制系统而设计的中型PLC，通用性极强，应用极为广泛S7-300具有高速的指令处理和浮点运算功；能方便用户对参数赋值；人机界面服务已集成在S-300操作系统内；智能化的诊断系统连续监控和记录系统的运行状况；多级口令保护壳使用户有效地保护器技术机密S7-400系列适用于对可靠性要求极高的大型复杂控制系统。具有容错系统和多CPU处理；极强的扩展能力和诊断功能,二、S7-300、型PLC的硬件组成S7-300采用紧凑、无槽位限制的模块化结构电源模块（PS）、CPU、信号模块（SM）、功能模块（FM）和通信处理器（CP）都安装在导轨上，通过背板总线连接各模块。一般适用于I/O点数为1000点左右的集中或分布式的中小型控制系统。S7-300系列PLC如图6-24所示。,图6-24典型S7-300系列PLC1