PLCs71200 第二部分第1章+第2章.ppt

陈庆彬E-mail:cqb,福州大学电气工程与自动化学院,1-2概述及S7-1200PLC的硬件与硬件组态,2020/6/8,S7-1200PLC编程及应用,问题的引入,传统电气控制接线多，硬件触点多，易因触点不良造成故障。,引入PLC,PLC的引入大大减少了接线和硬件触点的数量，同时还可带来其它的好处。,1987年2月，国际电工委员会(IEC)对可编程控制器的定义是：,可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的。,它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。,可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计。,PLC的定义,1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司为了适应生产工艺不断更新的需要，期望找到一种新的方法，尽可能减少重新设计继电控制系统和重新接线的工作，以降低成本、缩短周期，设想把计算机通用、灵活、功能完备等优点和继电控制系统的简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。1969年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程序逻辑控制器，在通用汽车公司的自动装配线上试用获得了成功。,PLC的起源-1,可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC，最初只能进行计数、定时及开关量逻辑控制。随着计算机技术的发展，可编程逻辑控制的功能不断扩展和完善，其功能远远超出了逻辑控制的范围，具有了PID、A/D、D/A、算术运算、数字量智能控制、监控、通信联网等多方面的功能，它已变成了实际意义上的一种工业控制计算机。,于是，美国电器制造商协会将其正式命名为可编程序控制器（ProgrammableController），简称PC。,由于它与个人计算机(Personalcomputer)的简称PC相同，所以人们习惯上仍将其称为PLC。,PLC的起源-2,PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。其硬件组成与微型计算机相似。,工业自动控制中使用的可编程控制器的种类很多，不同类型的产品各有特点，但可编程控制器在组成、工作原理及编程方法等许多方面是基本相同的。,PLC的基本结构,目前，世界上一些著名电器生产厂家几乎都在生产PLC，产品功能日趋完善，换代周期越来越短。为了进一步扩大PLC在工业自动化领域的应用范围，适应大、中、小型企业的不同需要，PLC产品大致向两个方向发展：小型PLC向体积缩小，功能增强，速度加快，价格低廉的方向发展，使之能更加广泛地取代继电器控制，更便于实现机电一体化；大、中型PLC向高可靠性、高速度、多功能、网络化的方向发展，将PLC系统的控制功能和信息管理功能融为一体，使之能对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。,PLC的发展方向,PLC的基本组成,PLC控制系统示意图,组合式PLC组成示意图,1.编程方法简单易学2.功能强，性能价格比高3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强4.可靠性高，抗干扰能力强5.系统的设计、安装、调试工作量少6.维修工作量小，维修方便7.体积小，能耗低,PLC的特点,中央处理单元是PLC的主要组成部分，是系统的控制中枢。它的主要功能是：1、接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并诊断用户程序的语法错误。当PLC投入运行时，首先以扫描方式接收现场各输入装置的状态或数据，并分别存入I/O映像区；2、然后从用户程序存储器中逐条取指令，按指令的规定执行逻辑或算术运算任务，并将运算结果存入I/O映像区或数据寄存器内。3、等到所有用户程序扫描执行完毕后，才将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置。如此循环运行，直至停止运行为止。,CPU,1开关量输入按照输入端电源类型的不同，开关量输入可分为直流输入和交流输入。直流输入的电路如图所示，外接的直流电源极性可任意，虚线框内是PLC内部输入电路，虚线框外为外部用户接线。,输入/输出接口,直流输入电路,2开关量输出按输出电路所用开关器件的不同，PLC的开关量输出可分为晶体管输出、双向晶闸管输出和继电器输出。(1)在晶体管输出电路中，负载电源只能是直流，由用户提供。输出电路负载能力小(工作电流仅0.30.5A)，为无触点开关。晶体管输出接口使用寿命长，响应速度快，其延迟一般为0.51ms。,输入/输出接口,开关量输出(a)晶体管输出；,晶体管输出,(2)在双向晶闸管输出电路中，输出电路采用的开关器件是光控双向晶闸管，负载电源由用户提供，它使PLC的负载可以根据需要选用直流或交流电源。输出电路负载能力较大(工作电流约1A左右)，响应速度较快，一般导通延迟为12ms，关断延迟为810ms。,开关量输出,开关量输出(b)双向晶闸管输出,双向晶闸管输出,(3)继电器输出电路中，负载电源由用户提供，可以是交流也可以是直流，视负载情况而定。输出电路抗干扰能力强，负载能力大(工作电流可达25A)，但信号响应速度较慢，其延迟一般为810ms。,开关量输出,开关量输出(c)继电器输出,继电器输出,电源部件将交流电源转换成PLC的中央处理器、存储器等电路工作所需要的直流电源，使PLC能正常工作。PLC内部使用的电源是整机的供电中心，它的优劣直接影响到PLC的功能和可靠性，因此目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电。开关式稳压电源的输入电压范围宽，体积小，效率高，重量轻，抗干扰性能好。有的PLC还能向外部提供24V的直流电源，给输入单元所连接的外部开关或传感器供电。,电源部件,PLC的工作原理,PLC有3种工作模式：RUN(运行)、STOP(停止)和STARTUP(启动)。,STOP(停止)：CPU不执行用户程序，所有输出被禁止或按组态时的设置提供替代值或保持最后的输出值。,STARTUP(启动)：1.复位过程映像输入区(I存储区)；2.用上一次RUN模型最后的值或替化值初如化输出；3.执行OB，首先执行OB100。启动OB中用指令对过程映象输入的读访问均为0，可以用立即读指令读取物理输入点的当前状态；4.将物理输入状态复制点I存储区；5.将中断事个保存到队列，以便在RUN模式进行处理；6.将过程映象输出区（Q区）的值写到物理输出。在启动阶段不进行循环时间监控。,RUN(运行)：将过程映象输出区的值写到物理输出；将物理状态复制到过程映象输入区；执行一个或多个OB，首行执行主程序OB1；处理通信请求和进行自诊断。上述任务是顺序执行的。这种周而复始的循环工作方式称为扫描循环。在扫描循环的任意阶段（阶段5）出现中断事件时，执行中断程序。,PLC的工作原理,扫描过程,PLC的工作原理,PLC在RUN工作状态时，执行一次扫描过程所需的时间称为扫描周期，典型值为1100ms。,扫描周期,26,I/O的存取通过I/O映像寄存器，而不是实际I/O，优点：1、程序执行阶段输入固定，执行完后再用输出映像寄存器的值更新输出点，使系统运行稳定；2、用户程序读写I/O映像寄存器比读写I/O点快得多，可以提高程序的执行速度。,过程映像寄存器,在程序执行的过程中使用立即I/O指令可以直接存取I/O点。用立即I/O指令读输入点时，相应的输入过程映像寄存器的值未被更新。用立即I/O指令写输出点时，相应的输出过程映像寄存器的值被更新。,立即I/O的处理,S7-1200PLC(ProgrammableLogicController)是西门子公司推出的一款PLC，主要面向简单而高精度的自动化任务。S7-1200设计紧凑、组态灵活且具有功能强大的指令集，这些特点的组合使它成为控制各种应用的完美解决方案。CPU将微处理器、集成电源、输入电路和输出电路组合到一个设计紧凑的外壳中以形成功能强大的PLC。CPU根据用户程序逻辑监视输入并更改输出，用户程序可以包含布尔逻辑、计数、定时、复杂数学运算以及与其它智能设备的通信。,S7-1200PLC简介,S7-1200PLC简介,30,S7-1200PLC简介S7-1200PLC在西门子PLC系列产品中的定位,S7-1200的硬件,电源接口,可拆卸用户接线连接器（保护盖下面）,板载I/O的状态LED,PROFINET连接器（CPU的底部）,指示CPU运行状态的LED,CPU模块,CPU模块技术规范,CPU的共性：集成的24V传感器/负载电源可供传感器和编码器使用，也可以用做输入回路的电源。集成的2点模拟量输入(010V)，输入电阻100k，10位分辨率。2点脉冲列输出(PTO)或脉宽调制(PWM)输出，最高频率为100kHz。有16个参数自整定的PID控制器。4个时间延迟与循环中断，分辨率为1ms。可以扩展3块通信模块和一块信号板，CPU可以用信号板扩展一路模拟量输出或高速数字量输入/输出。,CPU模块技术规范,CPU的3种版本：,CPU模块技术规范,CPU1214CAC/DC/Relay的外部接线图,CPU1214CDC/DC/DC的外部接线图,CPU1214CDC/DC/Relay的外部接线图,通过信号板可以给CPU增加I/O。SB连接在CPU的前端。具有4个数字量I/O（2xDC输入和2xDC输出）的SB具有1路模拟量输出的SB,信号板SB(signalboard),信号板SB1221接线图,信号板SB1222接线图,信号板SB1223接线图,信号板SB12321x模拟量输出接线图,可以使用信号模块给CPU增加附加功能。信号模块连接在CPU右侧。,信号模块SM(signalmodule),可以选用8点、16点和32点的数字量输入/输出模块，来满足不同的控制需要。,数字量I/O,(1)在工业控制中，某些输入量(温度、压力、流量、转速等)是模拟量，某些执行机构(例如电动调节阀和变频器等)要求PLC输出模拟量信号，而PLC的CPU只能处理数字量。(2)模拟量I/O模块的任务就是实现A/D和D/A。(3)模拟量首先被传感器和变送器转换为标准量程的电压或电流，例如420mA，15V，010V，PLC用模拟量输入模块的A/D转换器将它们转换成数字量。带正负号的电流或电压在A/D转换后用二进制补码来表示。(4)模拟量输出模块的D/A转换器将PLC中的数字量转换为模拟电压或电流，再去控制执行机构。(5)A/D和D/A的二进制位数反映了它们的分辨率，位数越多，分辨率越高。,模拟量I/O,实时工业以太网是现场总线发展的趋势，PROFINET是基于工业以太网的现场总线，是开放式的工业以太网标准，它使工业以太网的应用扩展到了控制网络最底层的现场设备。,S7-1200与编程计算机的通信,集成的PROFINET接口,S7-1200与精简系列面板的通信,集成的PROFINET接口,利用工业以太网交换机CSM1277进行多设备的连接,集成的PROFINET接口,有两种通信模块：CM1241RS232和CM1241RS485CPU最多支持3个通信模块各CM连接在CPU的左侧（或连接到另一CM的左侧）,简介通信模块(Communicationmodule)1/2,在编程接口模式下利用CM1241进行点对点连接,简介通信模块(Communicationmodule)2/2,Q&A,53,SIMATICSTEP7Basic是西门子公司开发的高集成度工程组态系统，包括面向任务的HMI智能组态软件SIMATICWinccBasic。上述两个软件集成在一起，也称为TIA(TotallyIntegratedAutomation，全集成自动化)Portal，它提供了直观易用的编辑器，用于对S7-1200和精简系列面板进行高效组态。除了支持编程以外，STEP7Basic还为硬件和网络组态、诊断等提供通用的工程组态框架。STEP7Basic提供了两种编程语言(LAD和FBD)。有两种视图：Portal(门户)视图，可以概览自动化项目的所有任务；项目视图，将整个项目(包括PLC和HMI)按多层结构显示在项目树中。,1.3编程工具STEP7Basic特点,54,1.3编程工具STEP7Basic典型的自动化系统1/2,典型的自动化系统包含以下内容：借助程序来控制过程的PLC；用来操作和可视化过程的HMI设备。,55,1.3编程工具STEP7Basic典型的自动化系统2/2,TIAPortal可用来帮助您创建自动化系统，关键的组态步骤为：创建项目配置硬件联网设备对PLC编程组态可视化加载组态数据使用在线和诊断功能,56,1.3编程工具STEP7Basic工程组态系统,可以使用TIAPortal在同一个工程组态系统中组态PLC和可视化。所有数据均存储在一个项目中，STEP7和WinCC不是单独的程序，而是可以访问公共数据库。所有数据均存储在一个公共的项目文件中。,57,1.3编程工具STEP7Basic数据管理,在TIAPortal中，所有数据都存储在一个项目中。修改后的应用程序数据（如变量）会在整个项目内(甚至跨越多台设备)自动更新。,58,1.3编程工具STEP7Basic界面总览,任务卡,详细视图,工作区,巡视区,设备或网络概览区,编辑器栏,59,1.3编程工具STEP7Basic创建新项目,“项目”“新建”，出现“创建新项目”对话框：,60,1.3编程工具STEP7Basic添加新设备,双击项目树中的“添加新设备”：,61,1.3编程工具STEP7Basic参数设置,“选项”“设置”：,62,1.4硬件组态组态的任务,设备组态(configuring)的任务就是在设备和网络编辑器中生成一个与实际的硬件系统对应的模拟系统，包括系统中的设备(PLC和HMI)，PLC各模块的型号、订货号和版本。模块的安装位置和设备之间的通信连接，都应与实际的硬件系统完全相同。此外还应设置模块的参数，即给参数赋值，或称为参数化。自动化系统启动时，CPU比较组态时生成的虚拟系统和实际的硬件系统，如果两个系统不一致，将采取相应的措施。,63,1.4硬件组态添加模块,在硬件组态时，需要将I/O模块或通信模块放置到工作区的机架的插槽内：用“拖放”的方法放置硬件对象；用“双击”的方法放置硬件对象。,64,1.4硬件组态过滤器,如果激活了硬件目录的过滤器功能，则硬件目录只显示与工作区有关的硬件。例如用设备视图打开PLC的组态画面时，则硬件目录不显示HMI，只显示PLC的模块。,65,1.4硬件组态删除硬件组件,可以删除设备视图或网络视图中的硬件组态组件，被删除的组件的地址可供其他组件使用。不能单独删除CPU和机架，只能在网络视图或项目树中删除整个PLC站。删除硬件组件后，可以对硬件组态进行编译。编译时进行一致性检查，如果有错误将会显示错误信息，应改正错误后重新进行编译。,66,1.4硬件组态信号模块和信号板的地址分配1/3,添加了CPU、信号板或信号模块后，他们的I/O地址是自动分配的。选中“设备概览”，可以看到CPU集成的I/O模板、信号板、信号模块的地址。,67,1.4硬件组态信号模块和信号板的地址分配2/3,选中模块，通过巡视窗口的“I/O地址/硬件标识符”，可以修改模块的地址：,也可以直接在设备概览中修改：,68,1.4硬件组态信号模块和信号板的地址分配3/3,DI/DO的地址以字节为单位分配，没有用完一个字节，剩余的位也不能作它用。AI/AO的地址以组为单位分配，每一组有两个输入/输出点，每个点(通道)占一个字或两个字节。建议不要修改自动分配的地址。,69,1.4硬件组态数字量输入点的参数设置1/2,选中设备视图中的CPU、信号模块或信号板，然后选中巡视窗口，设置输入端的滤波器时间常数：,70,1.4硬件组态数字量输入点的参数设置2/2,可以激活输入点的上升沿和下降沿中断功能，以及设置产生中断时调用的硬件中断OB：,激活输入端的脉冲捕捉(PulseCatch)功能，即暂时保持窄脉冲的ON状态，直到下一次刷新输入过程映像,71,1.4硬件组态数字量输出点的参数设置,选择在CPU进入STOP时，数字量输出保持最后的值，或使用替换值。,选择“使用替换值”，可以设置替换值：选中复选框表示替换值为1，反之为0,72,1.4硬件组态模拟量输入点的参数设置,积分时间越长，精度越高，快速性越差，干扰抑制频率越低；为了抑制工频干扰，积分时间一般选择20ms,测量种类和范围,滤波用平均值数字滤波来实现，滤波等级越高，模拟值越稳定，但快速性越差,是否启用超出上限值或低于下限值时的诊断功能,73,1.4硬件组态模拟量输出点的参数设置,激活电压输出的短路诊断功能,激活电流输出的断路诊断功能,超出上限值32511或下限值-32512的诊断功能,CPU进入STOP时输出点的值,模拟量输出类型(电压或电流)和范围,74,1.4硬件组态模拟量如转换后模拟值表示1/2,模拟量输入输出模块中模拟量对应的数字称为模拟值，模拟值用16位二进制补码(整数)表示。最高位(第16位)为符号位，正数的符号位为0，负数的符号位为1。模拟量经A/D转换后得到的数值的位数如果小于16，则自动左移，使其符号位在16位字的最高位，未使用的低位则填入0，称为“左对齐”。设模拟量的精度为12位加符号位，左移3位后，相对于实际的模拟值被乘以8。这种处理方法的优点在于模拟量的量程与移位处理后的数字的关系是固定的，与左对齐之前的转换值无关，便于后续的处理。,75,1.4硬件组态模拟量如转换后模拟值表示2/2,76,1.4硬件组态转换举例1/3,根据模拟量输入模块的输出值计算对应的物理量时，应考虑变送器的输入/输出量程和模拟量输入模块的量程，找出被测物理量与A/D转换后的数字之间的比例关系。例：压力变送器的量程为010MPa，输出信号为010V，模拟量输入模块的量程为010V，转换后的数字量为027648。设转换后得到的数字为N，试求以kPa为单位的压力值。010MPa的模拟量对应于数字量027648，转换公式为：,在运算时一定要先乘后除，否则会损失原始数据的精度。,77,1.4硬件组态转换举例2/3,例：