第4讲 PLC概述与工作原理

1、2021-11-21自动化技术培训教程自动化技术培训教程 实验实训中心 杨 青2配套教材配套教材n 深入浅出西门子S7-200PLC西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团北京航空航天大学出版社n S7-200可编程序控制器系统手册n S7-200应用实例（中文）3PLC学习的要领学习的要领多想，遇到每个控制要求，都应该试想可以用电气控制系统的哪种方法来实现？怎么样实现功能更安全、更方便、更节省成本？多做，实现某个功能可能有多种方法，编程时可以从多种方案来编写程序，可以自己设置控制要求编写程序。多检验，编写的程序要在实验台上检验，如果不能正常动行，要先自己检查程序，学会发现问题，解决问题。PLC

2、多想多检验多做第四讲第四讲 PLC概述与工作原理概述与工作原理lPLC概述概述lPLC的组成的组成lPLC的特点及应用领域的特点及应用领域l西门子西门子S系列系列PLC发展概述发展概述lPLC的工作原理的工作原理第一节第一节PLC基本概述基本概述6PLC定义定义PLC基本概念基本概念什么是PLC？1985年国际电工委员会IEC的定义：PLC是一种运用数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计，采用可编程存储器，用来在内部存储、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式模块的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。定义7PLC的构成的构成PLC由由 CPU模块、

3、输入模块、输出模块、编程模块、输入模块、输出模块、编程装置构成装置构成PLC基本概念基本概念CPU存储器电源部分输入单元输出单元编程器或其他设备按钮接触器电磁阀指示灯行程开关继电器触点8PLC的构成的构成一般一般的中型可编程控制器多为双微的中型可编程控制器多为双微处理器系统。处理器系统。一个是字处理器，它是主处理一个是字处理器，它是主处理器，由它处理字节操作指令，器，由它处理字节操作指令，控制系统总线，内部计数器，控制系统总线，内部计数器，内部定时器，监视扫描时间，内部定时器，监视扫描时间，统一管理编程接口，同时协调统一管理编程接口，同时协调位处理器及输入输出。位处理器及输入输出。一个为位处理

4、器，也称布尔处一个为位处理器，也称布尔处理器，它是从处理器，它的主理器，它是从处理器，它的主要作用是处理位操作指令和在要作用是处理位操作指令和在机器操作系统的管理下实现机器操作系统的管理下实现PLC编程语言向机械语言转换。编程语言向机械语言转换。PLC基本基本概念概念1. CPU模块9PLC的构成的构成联系外部设备和联系外部设备和CPU模块的桥梁模块的桥梁u 输入模块输入模块开关量输入模块：接收来自按钮、位置开关和光电开关等设备提供的开关量输入信号。模拟量输入模块：接收电位器和测速发电机等设备提供的模拟电流、电压信号。u 输出模块输出模块开关量输出模块：用于控制接触器、指示灯和报警装置等输出设

5、备。模拟量输出模块：用于控制调节阀和变频器等执行装置。PLC基本基本概念概念2. I/O模块10PLC的的构成构成手持式手持式编程编程器器PLC基本基本概念概念3. 编程装置用于生成、编辑和修改用户程序编程编程软件软件11PLC的的构成构成uPLC一般使用一般使用220V的交流的交流电源，电源部件将交流电电源，电源部件将交流电转换成供转换成供PLC的中央处理的中央处理器、存储器等电路工作所器、存储器等电路工作所需的直流电（需的直流电（5V，+12v,-12V，24V），使），使PLC能正能正常工作。常工作。uPLC通常可以为外部的输通常可以为外部的输入电路和电子传感器提供入电路和电子传感器提供

6、24V的直流电源。的直流电源。PLC基本基本概念概念4.电源12PLC的特点的特点编程简单u图形式指令结构u简化的程序结构u丰富的调试手段功能强，性价比高硬件配套齐全，适应性强u可编程序控制器及其有关设备，都采用易于与工业控制形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。u通过修改用户程序，可以快速适应工艺条件的变化可靠性高，抗干扰能力强u利用软件替代触点，并减少接线u专业工业生产现场设计，抗干拢措施齐全系统设计安装和调试工作量少u维修方便u体积小，功耗低PLC基本基本概念概念特点编程简单硬件配套齐全调试工作量少可靠适应性强功能强13PLC的应用领域的应用领域PLC基本基本概念概念 利用指令替代物理

7、触点的串并联，方便实现逻辑控制、定时控制和顺序控制。数字量逻辑控制 利用专用的运动控制模块可以实现运动控制和顺序控制功能的有机结合。 例：机器人、电梯和机械加工。运动控制 用于对温度、压力和流量等连续变化的模拟量的控制 可以提供直流的PID控制功能，方便用户使用。闭环过程控制数据处理通信联网第二节第二节西门子西门子S系列系列PLC简介简介15西门子西门子S S系列系列PLCPLC发展概述发展概述S系列系列PLC第一代 1975年投放市场的SIMATIC S3系列的控制系统。此后SIMATIC系列产品迅速发展，不断推陈出新，几乎每一到两年甚至不到一年就推出一个新的品种或型号。1979年 微处理器

8、技术被应用到PLC中，产生了SIMATIC S5系列。 S5系列PLC的编程使用的是STEP5编程语言上世纪末S7系列产品S7系列分为S7-200，S7-300，S7-400等几个子系列，分别为它的小、中、大型系统使用的是STEP7编程语言2004年 西门子公司推出了S7-200的升级产品（226和224xp） 增强了S7-200在运动控制、过程控制、位置控制等方面的应用16西门子西门子S7S7系列家族谱系列家族谱S系列系列PLC17西门子西门子S7S7系列基本性能系列基本性能S系列系列PLC集成的数字量输入集成的数字量输入/ /输出输出可连接的扩展模块数量可连接的扩展模块数量最大数字量输入最

9、大数字量输入/ /输出范围输出范围模拟量范围模拟量范围 输入输入/ /输出输出/ /最大最大用户程序用户程序/ /数据存储区数据存储区程序执行时间程序执行时间标志寄存器标志寄存器/ /计数器计数器/ /定时器定时器高速计数器高速计数器 实时时钟实时时钟脉冲输出脉冲输出通讯接口通讯接口模拟电位器模拟电位器自整定自整定PIDPID调节调节数据记录功能数据记录功能配方功能配方功能CPU 221CPU 2216DI/4DO6DI/4DO- -1010- -4KB/2KB4KB/2KB0.22 s0.22 s256/256/256256/256/2564 x 30 kHz4 x 30 kHz选件选件2

10、x 20 kHz2 x 20 kHz1x RS-4851x RS-4851 1内置内置内置内置内置内置CPU 222CPU 2228DI/6DO8DI/6DO2 278788/4/108/4/104KB/2KB4KB/2KB0.22 s0.22 s256/256/256256/256/2564 x 30 kHz4 x 30 kHz选件选件 2 x 20 kHz2 x 20 kHz1x RS-4851x RS-4851 1内置内置内置内置内置内置18西门子西门子S7S7系列基本性能系列基本性能S系列系列PLC集成的数字量输入集成的数字量输入/ /输出输出集成的模拟量输入集成的模拟量输入/ /输出

11、输出可连接的扩展模块数量（最大）可连接的扩展模块数量（最大）最大数字量输入最大数字量输入/ /输出范围输出范围模拟量范围模拟量范围 输入输入/ /输出输出/ /最大最大用户程序用户程序数据存储区数据存储区程序执行时间程序执行时间标志寄存器标志寄存器/ /计数器计数器/ /定时器定时器高速计数器高速计数器 实时时钟实时时钟脉冲输出脉冲输出通讯接口通讯接口模拟电位器模拟电位器自整定自整定PIDPID调节调节数据记录功能数据记录功能配方功能配方功能CPU 224CPU 22414 DI/10 DO14 DI/10 DO- -7 716816828/14/3528/14/358/12 KB8/12 K

12、B8 KB8 KB0.22 s0.22 s256/256/256256/256/2566 x 30 kHz6 x 30 kHz内置内置2 x 20 kHz2 x 20 kHz1 x RS-4851 x RS-4852 2内置内置内置内置内置内置CPU 224XPCPU 224XP14 DI/10 DO14 DI/10 DO2AI/1A02AI/1A07 716816830/15/3830/15/3812/16 KB12/16 KB 10 KB 10 KB0.22 s0.22 s256/256/256256/256/2564 x 30 kHz4 x 30 kHz2 x 100 kHz2 x 10

13、0 kHz内置内置2 x 100 kHz2 x 100 kHz2 x RS-4852 x RS-4852 2内置内置内置内置内置内置CPU 226CPU 22624 DI/16 DO24 DI/16 DO- -7 724824828/14/3528/14/3516/24 KB16/24 KB10 KB10 KB0.22 s0.22 s256/256/256256/256/2566 x 30 kHz6 x 30 kHz内置内置2 x 20 kHz2 x 20 kHz2 x RS-4852 x RS-4852 2内置内置内置内置内置内置19西门子西门子S7-200S7-200扩展模块扩展模块S系列

14、系列PLC8DI 16DI8 DO (DC, AC or relay)4DO 5A4DO 10A4 AI4 AI / 1AO2 AO 2 AI or 4 AI Thermo couples RTD modules PROFIBUS DP AS-i-Master Modem Ethernet4DI / 4DO8DI / 8DO16DI / 16DOTeleserviceCommuni-cationMessagingPosition module for stepper solution模拟量模拟量I/OI/O模块模块测温测温模块模块通讯通讯扩展模块扩展模块M Modemodem模块模块定位定位模

15、块模块以太网以太网模块模块( (IT)IT)数字量数字量I/OI/O模块模块Ethernetmodule第三节第三节PLC的工作原理的工作原理21一、一、PLCPLC的工作方式的工作方式qRUN(运行)方式执行用户程序实现控制功能qSTOP（停止）方式不执行用户程序创建和编辑用户程序，设置PLC的硬件信息下载用户程序和PLC的硬件信息q工作方式的切换利用方式开关利用编程软件利用程序指令工作原理工作原理RUNSTOP22PLCPLC的工作原理的工作原理 PLC采用循环（扫描）工作模式，包括五个阶段：l自诊断检查l与编程器等的通信处理、l输入扫描l执行用户程序l输出处理。工作原理工作原理与编程器通

16、信读入现场信号执行用户程序输出结果自诊断RUNSTOP23PLCPLC的扫描的扫描过程过程l1 CPU自诊断测试CPU检测主机硬件，同时也检查所有的I/O模块的状态。在RUN模式下，还检测用户程序存储器。自诊断自诊断通信输入扫描执行程序输出处理工作原理工作原理24PLCPLC的扫描的扫描过程过程l2 通信处理在CPU扫描周期的信息处理阶段，CPU自动检测并处理各通信端口接收到的任何信息。即检查是否有编程器、计算机等的通信请求，若有则进行相应处理，在这一阶段完成数据通信任务。自诊断自诊断通信输入扫描执行程序输出处理工作原理工作原理25PLCPLC的扫描的扫描过程过程l3 读取现场信号先对各数字量

17、输入点的当前状态进行输入扫描，并将各扫描结果分别写入对应的映象寄存器中。自诊断自诊断通信输入扫描执行程序输出处理工作原理工作原理26PLCPLC的扫描的扫描过程过程l4 执行用户程序执行程序时，对输入输出的存取通常是通过映像寄存器实现的自诊断自诊断通信输入扫描执行程序输出处理工作原理工作原理27PLCPLC的扫描的扫描过程过程l4 执行用户程序执行程序时，对输入输出的存取通常是通过映像寄存器实现的自诊断自诊断通信输入扫描执行程序输出处理工作原理工作原理28PLCPLC的扫描的扫描过程过程l5 输出结果CPU执行完用户程序后，将输出映像寄存器中的数据传送到输出模块并加以锁存。自诊断自诊断通信输入

18、扫描执行程序输出处理工作原理工作原理29PLCPLC的扫描过程的扫描过程nPLCPLC执行的五个阶段，称为一个扫描周期，执行的五个阶段，称为一个扫描周期，PLCPLC完成一完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。行。n扫描周期长短主要取决于程序的长短，它对于一般工扫描周期长短主要取决于程序的长短，它对于一般工业设备通常没有什么影响，但对控制时间要求较严格，业设备通常没有什么影响，但对控制时间要求较严格，响应速度有要求快的系统，为减少扫描周期造成的响响应速度有要求快的系统，为减少扫描周期造成的响应延时等不良影响，一般在编程时应对扫描周

19、期精确应延时等不良影响，一般在编程时应对扫描周期精确计算，并尽量缩短和优化程序代码。计算，并尽量缩短和优化程序代码。工作工作原理原理30PLCPLC的扫描过程的扫描过程n中断程序的处理u如果在程序中使用了中断，则与处理中断事件的中断程序与主程序一起被存入存储器。正常情况下，中断程序并不作为扫描周期的一部分进行扫描，仅仅是在中断事件发生后才进行执行，此时，CPU以异步扫描方式为用户提供中断服务，而且根据中断优先级来处理多个中断。中断程序使得CPU的扫描周期不是固定的，这一执行特点在编制用户程序时必须考虑到。n立即I/O处理u利用立即I/O点指令可以直接存取I/O点u立即读输入点指令，不更新相应的

20、输入映像寄存器u立即写输出点指令，更新相应的输出映像寄存器工作工作原理原理31输入输入/ /输出滞后时间输出滞后时间第一个扫描周期自诊断通信输入执行用户程序输出自诊断通信输入执行用户程序输出第二个扫描周期I0.0Q0.0I0.0Q0.0最短滞后最长滞后工作原理工作原理32输入输入/ /输出滞后输出滞后时间时间工作工作原理原理电路惯性与程序设计安排有关扫描方式电路惯性输入模块滤波时间输出模块的滞后时间继电器型输出10ms晶闸管1ms晶体管1ms扫描方式最长可达到2个多扫描周期与程序设计安排有关33PLC与计算机控制系统的异同与计算机控制系统的异同相同点：相同点：u基本结构相同基本结构相同PLC和

21、计算机都是主要由CPU、存储器、输入和输出部分构成。有的部件甚至（如存储器）可以通用。u程序执行原理相同程序执行原理相同PLC和计算机都采用存储程序，按地址访问和顺序执行的基本工作思想。在PLC程序执行阶段，与计算机基本相同，都是指令在内存中顺序存放，CPU从内存中顺序取指令并执行，直到最后一条指令。工作工作原理原理34PLC与计算机控制系统的异同与计算机控制系统的异同不同点：不同点：二者的不同点主要体现在工作方式上二者的不同点主要体现在工作方式上u计算机工作时是循环地取指令和执行指令。在执行指令时，计算机工作时是循环地取指令和执行指令。在执行指令时，每执行完一条指令。立即产生结果，这一结果立

22、即影响到每执行完一条指令。立即产生结果，这一结果立即影响到所涉及的部件。这样不断地取指令并执行，直到最后一条所涉及的部件。这样不断地取指令并执行，直到最后一条指令结束。指令结束。uPLC是以循环扫描的方式工作，执行用户程序只是其中的是以循环扫描的方式工作，执行用户程序只是其中的一步，而且指令的执行结果并不立即传送到输出点，只是一步，而且指令的执行结果并不立即传送到输出点，只是用它改变内部的映象寄存器状态，当所有指令执行完成后，用它改变内部的映象寄存器状态，当所有指令执行完成后，同时对各输出点刷新。同时对各输出点刷新。u另外，另外，PLC专业为工业应用而设计，输入输出部件采用电专业为工业应用而设计，输入输出部件采用电