第2章灯控制系统设计

1、 l本章要点本章要点 介绍PLC的结构和工作原理。 强调PLC循环扫描的工作方式。 PLC的从外部输入设备采集信号、执行程序、控制输出设备的工作过程。l技能目标技能目标l通过认识S7-200PLC，了解PLC物理结构。l会进行S7200PLC 的端子接线。l初步使用STEP7-Micro/WIN编程软件。项目导入以S7-200系列的CPU226控制一盏灯的亮灭，要求：1）认识CPU226的各个端子名称。2）会进行端子接线。3）理解PLC的循环扫描工作方式。4）根据教师引导会简单编程。2.1 灯控制系统设计 控制要求 用PLC实现图2.1同样的控制功能，完成PLC的硬件电路和软件设计。图2.1一

2、盏灯的控制电路图2.设计目的认识西门子S7-200系列PLC的结构，熟悉PLC输入端子的接线方法，输出端子负载的接线方法和电源的接线。2.2 PLC基础知识可编程序控制器(Programmable Logic Controller)简称 PLC，是一种广泛应用的工业控制计算机， 把自动化技术、计算机技术和通信技术融为一体，成为现代工业自动化的一大支柱。2.2.1 认识认识PLC图2.2 S7-200PLC外部端口名称 扩展I/O接口RS-232通信接口图2.3S7-200PLC外形2.2.2S7-200的端子接线S7-200系列PLC有多种型号，CPU221、CPU222、CPU224、CPU

3、226、CPU226CN等，对于每个型号，西门子提供DC（24V）和AC（120220V） 电源电压和控制电压，其输出形式分别为晶体管输出和继电器输出 。如CPU224 DC/DC/DC（直流电源供电、直流数字量输入、晶体管数字量输出）和CPU224 AC/DC/Relay（交流供电、直流数字量输入、继电器数字量输出）， CPU224 DC/DC/DC可以发出高速脉冲驱动步进电机，CPU224 AC/DC/Relay不能驱动步进电机。S7-200系列CPU226DC/DC/DC端子接线图L+、M是24V直流工作电源端，用于为PLC提供工作电源。 下面一排与外部开关相连的为I0.0、I0.1I2

4、.7共24个输入端子，连接控制设备，如启动、停止开关、开关型的传感器输入信号，由24V直流电源供电，1M为公共端，接电源正极、负极均可，其中I0.0I1.4为一组，接同一个电源，I1.5I2.7为一组，接同一个电源；Q0.0Q1.7共16个输出端子，接负载设备，如灯、接触器、电磁阀、继电器，也为24V直流供电，1L+、2L+为电源正端，1M、2M为电源负端，Q0.0Q0.7所接的负载以1L+和1M为电源正负极，Q1.0Q1.7驱动的负载以2L+和2M为电源正负极 。图2.5 CPU226AC/DC/继电器输出型接线端子图2.5为CPU226 AC/DC/Relay（交流供电、直流数字量输入、继

5、电器数字量输出）端子接线图。 其CPU工作电源为交流电，输出端子连接的负载可以是直流负载也可以是交流负载。S7-200通过通讯接口以PC/PPI电缆和PC机的COM口相连,如图2.6所示,在PC机上要安装编程软件。知识链接 PLC的定义、分类和的定义、分类和编程语言编程语言1.PLC的定义的定义国际电工委员会在1987年可编程控制器（Programmable Logic Controller,简称PLC）标准草案中的定义是“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用了可编程序的存储器用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，

6、并通过数字式或模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”2. PLC的应用的应用 PLC广泛应用于自动化工业控制。（搜索PLC应用图片）知识链接水处理控制柜2021-11-20192021-11-20202021-11-20212021-11-20222021-11-20232021-11-20242021-11-20252021-11-20262021-11-20273. PLC分类分类PLC有不同的分类方式，一般按按输入/输出接口总点数分为 小型机、中型机和大型机。知识链接4. PLC编程语言编程

7、语言采用PLC普遍流行的梯形图。知识链接指令表2.2.3 S7-200编程软件STEP7-Micro/WIN西门子S7-200的编程软件为STEP7-Micro/WIN。2.3.1 工作计划1、小组成员研讨任务，明确交通灯控制系统的要求，确定控制系统实现方案。 2、根据系统实现方案，确定完整详细的工作计划。3、根据小组成员拟定的工作计划，开展工作。 4、由本组成员进行交通灯控制系统实现的效果检查。 5、由其他组成员或老师进行评估。 2.3 灯控制系统的设计过程1 PLC的硬件结构PLC主要由CPU、存储器、输入输出（I/O）接口、通信接口和电源等几部分组成。知识链接 PLC的硬件结构和工的硬件

8、结构和工作原理作原理（1） 中央处理器(CPU)CPU是PLC核心，由控制器、运算器、寄存器等组成，它按照系统程序赋予的功能接收并存储用户程序和数据。用扫描的方式采集由现场输入设备送来的状态或数据，存入输入寄存器中，并能诊断电源和内部电路的工作状态。（2） 存储器PLC存储器包括系统存储器和用户存储器。前者固化有厂家编写的系统程序，不可以修改，包括系统管理程序、用户指令解释程序等。后者包括用户程序存储器（程序区）和功能存储器（工作数据区）两部分。工作数据区是外界与PLC进行信息交互的主要交互区，它的每一个二进制位、每一个字节单位和字单位都有唯一的地址。（3） 电源电源将交流电转换成PLC内部器

9、件使用的直流电压，使PLC能正常工作。（4） 通信接口它是PLC与外设交换信息和写入程序的通道，通过RS232通信接口使用PC/PPI电缆与计算机通信。（5） 输入接口输入接口是连接外部输入设备和PLC内部的桥梁，输入/输出接口电路采用光电隔离，实现PLC内部电路和外部电路的电气隔离。输入回路电源为外接直流电源。输入接口接收来自输入设备的控制信号，如限位开关、操作按钮及一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成CPU能识别的二进制信号，进入内部电路，存入输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息进行处理。 输入接口的工作原理：当输入端子连接的外部输入按钮未闭合时，光电耦合器中

10、两个反向并联的发光二极管不导通，光敏三极管截止，CPU内部电路在输入端读入的数据是“0” ；当输入按钮闭合时，电流经24V电源正极(或负极)，经过外部触点I0.0，经过电阻，再经过光电耦合器中的发光二级管，到达公共端COM 最后回到电源负极（或正极），有一个发光二极管导通，光敏三极管饱和导通，外部信息进入内部电路， 使内部“软继电器”线圈导通，使得CPU在输入端读入的是数据“1”，从而驱动同名常开触点和常闭触点供程序使用。 （6） 输出接口输出接口连接被控对象的可执行元件如接触器、电磁阀、指示灯等。输出接口电路将主机向外输出的控制信号0或1转换成可以驱动外部电路的信号以控制外部负载通电，同时使

11、CPU与外部强电隔离。S7-200的数字量输出接口电路有驱动直流负载的场效应晶体管型和能驱动交、直流负载的继电器型。图2.11为场效应晶体管输出电路，外接24伏直流负载。当PLC内部输出锁存器为0时，光耦合器的光敏三极管截止，使场效应晶体管截止，输出回路断开，外部负载不动作；当内部电路输出锁存器为，光敏三极管导通，使场效应晶体管导通，相当于开关闭合，输出回路通电，负载得电。图2.11 场效应晶体管型输出电路图2.12为继电器型输出电路，继电器同时起隔离和功率放大作用，每一端子 提供一常开触点，可以接交直流负载，受继电器触点开关速度低的限制，只能满足低速控制要求。图2.12 继电器型输出电路 如

12、图为S7-200的输入/输出端子与接口回路。当输入开关闭合形成通路，才会有输入信号；当内部有输出信号，运行程序使输出回路通，外部负载才会动作。知识链接 PLC的硬件结构和工的硬件结构和工作原理作原理2 PLC的工作原理的工作原理当PLC进入程序运行状态，PLC工作于独特的循环周期扫描工作方式，每一个扫描周期分为输入采样、程序执行和输出刷新个阶段。（1) 输入采样阶段在这个阶段中，PLC按顺序逐个采集所有输入端子上的信号，而不论输入端子上是否接线。CPU将顺序读取的全部输人信号写入到输入映像寄存器中，输入回路通则相应端子的映像寄存器就为1，输入回路不通，寄存器就为0。(2)程序执行阶段在执行用户

13、程序阶段，CPU对用户程序按顺序进行扫描，顺序总是从上到下，从左至右。每扫描到一条指令，从输入映像寄存器中读取输入信息，其他信息从元件映像寄存器中读取。每一次运算的中间结果都立即写人元件映像寄存器中，这样该元件的状态立即被后面要扫描到的指令利用。（3） 输出刷新阶段当CPU对全部用户程序扫描结束后，将元件映像寄存器中所有输出 映像继电器的状态同时送到输出锁存器中，再由输出锁存器经输出端子去驱动各输出继 电器所带的负载。知识链接 PLC的硬件结构和工的硬件结构和工作原理作原理3 PLC扫描周期的时间PLC扫描周期的时间与PLC的类型和用户程序长短有关，通常个扫描周期为几个至几十个毫秒，最长不超过

14、200毫秒。由于扫描周期很短，感觉不到输出与输入的延迟。2.3.2 操作分析我们以灯控制系统的PLC控制实现理解PLC的工作过程。2.3.2.1 准备元器件 选择CPU226 DC/DC/DC、24伏电源、一个开关、一盏灯、连接线。2.3.2.2 进行电路连接 开关要连接到PLC的输入点，灯要连接至PLC的输出点，选择输入端子I0.0连接SB开关，输出端子Q0.0连接负载灯，对外部部件开关和灯进行电路连接，电气原理图如图，连接上PLC的工作电源、输入端子电源、输出端子电源，将PLC工作电源L1、N接入24伏，1L+、M为输出端子的24伏电源，1M为输入点的24伏电源公共端 。2.3.2.3 通

15、信1）用西门子提供的专用PC/PPI电缆将装有编程软件的PC机和PLC相连。2）打开STEP7-Micro/WIN界面。3）点击 “指令树”的“通信”项目的“通信”子项目。出现通信界面。双击刷新，出现如图界面，表示通信成功，可以进行编程设计。系统默认PC机地址为0，这台PLC地址为2。2.3.2.4 编程在程序编辑界面输入梯形图。程序中I0.0为常开触点，PLC 的物理输入端子I0.0接外部开关。程序中Q0.0为输出线圈，PLC的物理输出端子Q0.0接负载灯。梯形图和电气接线图组成一个完整的控制系统。2.3.2.5 下载点击菜单“PLC”“编译”，对编辑的程序进行编译， 编译成功，系统提示无错

16、误。点击菜单“文件”“下载”，将编译后的程序下载到PLC的程序存储器。点击菜单“PLC”“RUN（运行）”，PLC就可以运行了。此时PLC系统处于扫描工作状态，及系统不断扫描采集外部输入端子，扫描梯形图，等待外部开关按下，在外部开关未按下时，则梯形图不执行，负载没有输出。点击“调试开始程序状态监控“，可以进行运行监控。2.3.2.6 运行按下I0.0端子连接的开关SB，则灯亮，同时计算机屏幕上会出现状态监测，I0.0和Q0.0变成蓝色，表示当前处于接通状态。断开开关SB，灯灭，I0.0和Q0.0变成白色，表示当前处于断开状态。2.3.2.7 PLC工作过程分析PLC执行下载命令后，STEP7将

17、编译好的程序可执行文件下载到PLC程序存储器，PLC的CPU（中央处理器）就可以根据开关状态顺序执行程序，驱动外部负载。 PLC是以循环扫描的方式工作的，其等效电路如图所示。PLC的外部端子（共24个，我们只用到了I0.0）接入PLC内部，每个端子占用一个二进制存储器单元，运用继电器控制的概念，我们可以将其认为“输入软继电器”线圈，它受外部输入回路控制，当某个输入端子的回路通电，其二进制存储单元为1，“软继电器”线圈通电，可以有无数个同名常开触点“ ”和常闭触点“ ”供编程使用 ，常开触点闭合，常闭触点断开。软继电软继电器线圈器线圈I0.0I0.0常开触常开触点点I0.0I0.0，断开断开常闭

18、触点常闭触点I0.0I0.0，闭合，闭合开关开关闭合，闭合，单击单击线圈线圈I0.0I0.0接接通通常闭触点I0.0断开常开触点I0.0闭合每一个输入端子都有同名寄存器（软继电器线圈，为1或0），并有常开触点和常闭触点随线圈变化供程序使用。每一个输出端子都有内部同名寄存器驱动，当程序执行时输出寄存器为1，同样有常开触点、常闭触点变化供程序使用，同时有物理触点闭合使输出电路接通，输出端子连接的负载得电。 PLC运行系统等效图 2.3.2.8 灯控制系统设计的检查与评估灯控制系统设计的检查与评估项目要求分数评分标准 得分系统电气原理图设计原理图绘制完整规范10不完整规范，每处扣2分I/O分配表准确

19、完整，与原理图一致10不完整，每处扣2分程序设计简洁易读，符合题目要求20不正确，每处扣5分电气线路安装和连接线路安全简洁、正确，符合工艺要求30不规范每处扣5分系统调试系统设计达到题目要求，运行成功30第一次调试不合格扣10分第二次调试不合格扣10分时间60分钟，每超时5分钟扣5分，不得超过10分钟安全检查完毕通电，人为短路扣20分表2.1 PLC灯控制系统设计评估标准2.4 拓展实训拓展实训 电动机连续运电动机连续运行行PLC控制系统控制系统1 控制要求控制要求 用PLC控制交流电机，按下蓝色按钮电动机起动运转，按下红色按钮电动机停止。2 实训目的实训目的 熟悉PLC结构和工作过程，了解软

20、件使用过程，会简单编程；会接线3 实训要点实训要点 电源端子的正负极不要接错，确定接线无误再上电 预习要求 阅读S7-200系统收册，了解西门子PLC的有关内容，浏览网站4 实训过程实训过程1）在有STEP7 Micro/WIN软件的计算机上打开软件，否则先安装，了解安装过程2）在程序编辑窗口编辑电机控制系统的梯形图，编译无误3）按照电气接线图连接PLC输入/输出回路，确认无误通电4）按动开关，观察电机运行。2.4.1电气原理图设计控制功能：按下启动按钮Start时，接触器KM接通，使电动机运转。按下停止按钮Stop，接触器KM断开，电动机停止。电动机继电器控制过程电动机继电器控制过程1）I/

21、O点分配。输入信号输出信号停止按钮Stop I0.1接触器KMQ0.0启动按钮Start I0.22）电气原理图2.4.2程序编写进入Step7编程软件，在程序编辑窗口输入梯形图程序 程序说明： 当 输入软继电器I0.2电路通电，其常开触点“ ”闭合，由于有常闭触点“ ”保持原始状态，使输出继电器 Q0.0 线圈 通电，输出端子Q0.0上连接的外部设备接通，在此例中是接触器KM线圈 。为使在I0.2断开时Q0.0仍能运行，程序中采用输出继电器Q0.0的常开触点“ ”进行自锁。自锁。它使Q0.0 线圈 仍保持接通状态，和继电器电路中的KM自锁触点的功能是一样的。当按下输入继电器I0.1，输入电路

22、通电，其常闭触点“ ”断开，使输出继电器Q0.0断电，KM主触点断开，电机停止转动。 2.4.3 系统运行在硬件连线、软件编程正确完成之后，对程序进行编译、下载，进入运行状态，这个电动机连续运行PLC控制系统就设计完成。CPU进入循环扫描状态，不断采集输入端子数据，等待执行程序。系统运行： 按下Start按钮，则电机连续运行； 按下Stop按钮，电机停止运转。运行过程分析运行过程分析输入采集输入采集：启动时，按下Start按钮，使输入端子I0.2所连接的输入回路接通，相当于输入软继电器I0.2的线圈通电，在某个扫描周期的输入采样阶段,系统将内部I0.2寄存器置为1， I0.1的输入回路断开，扫描到此触点时I0.1寄存器为0；程序执行阶段程序执行阶段：I0.2的软继电器线圈为1，则其常开触点 闭合，而I0.1的继电器线圈为0，其常闭触点 仍闭合，图2.30梯形图中形成的“回路”，有“电流”通过，使输出继电器Q0.0通