第3章_可编程控制器基础_详细

1、8:19:391本章教学内容3.1 可编程控制器概述可编程控制器概述3.2 可编程控制器的组成可编程控制器的组成3.3 可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理3.4 可编程控制器的硬件基础可编程控制器的硬件基础（自学，课堂上放在（自学，课堂上放在第第4章结合章结合S7-200讲解）讲解）3.5 可编程控制器的软件基础可编程控制器的软件基础（自学，课堂上放在（自学，课堂上放在第第5章结合章结合S7-200讲解）讲解）3.6 可编程控制器的性能指标及分类可编程控制器的性能指标及分类（自学）（自学）8:19:402本章学习要求、重点、难点学习要求学习要求了解可编程控制器产生的背景、特点、性能指

2、标以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及今后的发展方向掌握可编程控制器的基本工作过程（工作原理）掌握可编程控制器的基本工作过程（工作原理）掌握可编程控制器的硬件组成形式掌握可编程控制器的硬件组成形式 掌握掌握可编程控制器的软件组成形式可编程控制器的软件组成形式本章重点本章重点可编程控制器的软、硬件组成及工作过程（工作原可编程控制器的软、硬件组成及工作过程（工作原理）理）8:19:4033.1.1 可编程控制器的产生与发展可编程控制器的产生与发展3.1.2 可编程控制器的特点可编程控制器的特点8:19:4043.1 可编程控制器概述可编程控制器可编程控制器全称全称可编程

3、序控制器（可编程序控制器（Programmable Controller）。原来曾简称。原来曾简称PC，后来为了与个人计算机，后来为了与个人计算机（PCPersonal Computer）相区别，在自动化行业中多）相区别，在自动化行业中多用用可编程序逻辑控制器可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）代表代表Programmable Controller，简称，简称PLC。而。而PLC这种这种称称呼又与可编程控制器的起源和它本身的特点有关。呼又与可编程控制器的起源和它本身的特点有关。可编程序控制器的定义可编程序控制器的定义：一种：一种用于工业环境用于工业环

4、境的的数字式操作数字式操作的的电子系统电子系统。这种系统用可编程的存储器作面向用户指令。这种系统用可编程的存储器作面向用户指令的内部寄存器，完成规定的功能，如逻辑、顺序、定时、的内部寄存器，完成规定的功能，如逻辑、顺序、定时、计数、运算等，通过数字或模拟的输入计数、运算等，通过数字或模拟的输入/输出，控制各种类输出，控制各种类型的机械或过程。可编程序控制器及其相关外围设备的设型的机械或过程。可编程序控制器及其相关外围设备的设计，使它能够非常方便地集成到工业控制系统中，并能很计，使它能够非常方便地集成到工业控制系统中，并能很容易地达到所期望的所有功能。容易地达到所期望的所有功能。GB/T 159

5、69.1-2007/IEC 61131-1：2003 可编程序控制器可编程序控制器 第一部分：通用信息第一部分：通用信息8:19:415PLC3.1 可编程控制器概述可编程序控制器系统可编程序控制器系统或或PLC系统系统：用户根据所要完成的自：用户根据所要完成的自动化系统要求而建立的由可编程序控制器及其相关外围设动化系统要求而建立的由可编程序控制器及其相关外围设备组成的配置。其组成是一些由连接永久设施的电缆或插备组成的配置。其组成是一些由连接永久设施的电缆或插入部件，以及由连接便携式或可搬运外围设备的电缆或其入部件，以及由连接便携式或可搬运外围设备的电缆或其它连接方式互连的单元。它连接方式互连

6、的单元。GB/T 15969.1-2007/IEC61131-1：2003 可编程序控制器可编程序控制器 第一部分：通用信息第一部分：通用信息8:19:416工控机工控机变频器变频器电动机电动机工业显示器工业显示器断路器断路器位置位置开关开关断路器断路器电动机电动机机械联锁可机械联锁可逆接触器逆接触器中间继中间继电器电器电磁阀电磁阀液压缸液压缸位置位置开关开关编码器编码器3.1.1 可编程控制器的产生与发展PLC是应工业生产的需要而发展起来的，用于克服传是应工业生产的需要而发展起来的，用于克服传统继电统继电-接触器控制系统的缺陷（如体积大、耗电多、接触器控制系统的缺陷（如体积大、耗电多、接线复

7、杂、可靠性低、响应慢、不便于计算机管理等，接线复杂、可靠性低、响应慢、不便于计算机管理等，尤其是对生产工艺多变的系统适应性差）。尤其是对生产工艺多变的系统适应性差）。早期的早期的PLC主要用于替代传统的继电器控制装置，其主要用于替代传统的继电器控制装置，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等功能；需要的运算也主要是逻辑运算（这正是时等功能；需要的运算也主要是逻辑运算（这正是PLC这一术语的由来）；编程语言采用梯形图（采用这一术语的由来）；编程语言采用梯形图（采用线圈、触头等符号编程）。这些都反映了最初线圈、触头等符号编程）。这些都反映

8、了最初PLC的的初衷。初衷。PLC发展到现在其功能已经得到了极大的扩展，除了发展到现在其功能已经得到了极大的扩展，除了逻辑运算，还能进行浮点运算，并且能通信连网等。逻辑运算，还能进行浮点运算，并且能通信连网等。8:19:4173.1.1 可编程控制器的产生与发展PLC发展的五个阶段发展的五个阶段 l初级阶段初级阶段 从第一台从第一台PLC问世问世（1969年）年）到到20世纪世纪70年代中期。（简单功能、梯形图编程）年代中期。（简单功能、梯形图编程） l崛起阶段崛起阶段 从从20世纪世纪70年代中期到年代中期到80年代初期。（功年代初期。（功能增强、推广应用）能增强、推广应用） l成熟阶段成熟

9、阶段 从从20世纪世纪80年代初期到年代初期到90年代初期。（大年代初期。（大规模应用、通信联网）规模应用、通信联网） l飞速发展阶段飞速发展阶段 从从20世纪世纪90年代初期到年代初期到90年代末期。年代末期。（过程控制、复杂控制系统）（过程控制、复杂控制系统） l开放性、标准化阶段开放性、标准化阶段 从从20世纪世纪90年代中期以后。年代中期以后。（IEC 61131）8:19:4183.1.1 可编程控制器的产生与发展PLC的发展趋势的发展趋势 l增强增强联网联网通信功能通信功能（现场总线）（现场总线）和易和易用用化化 l发展发展智能化模块智能化模块（模块自带（模块自带CPU）l提高提高

10、可靠性（自诊断，冗余技术，容错技术等）可靠性（自诊断，冗余技术，容错技术等）l编程软件标准化（遵循编程软件标准化（遵循IEC 61131标准，如标准，如STEP 7）l编程编程软件和语言向高层次软件和语言向高层次发展（发展（PC平台）平台）l向向小型化、专用化、低成本方向发展小型化、专用化、低成本方向发展 l向大容量、高速度、信息化方向发展向大容量、高速度、信息化方向发展 l人机界面（人机界面（HMI ）的发展的发展 l开放性开放性和标准化和标准化 （遵循（遵循IEC 61131标准）标准）8:19:4293.1.1 可编程控制器的产生与发展国外国外PLC的主要生产厂家的主要生产厂家:l德 国

11、 ： 西 门 子 公 司德 国 ： 西 门 子 公 司（Siemens）。）。l美国：罗克韦尔自动化有限公美国：罗克韦尔自动化有限公司（司（Rockwell Automation），），GE Fanuc公司（美国通用电气公司（美国通用电气(GE)公司与日本公司与日本Fanuc公司合公司合资组建）。资组建）。l日本：三菱（日本：三菱（Mitsubishi Electric）、欧姆龙（）、欧姆龙（Omron）。）。l法 国 ： 施 耐 德 电 气 公 司法 国 ： 施 耐 德 电 气 公 司（Schneider electric）l奥地利：贝加莱工业自动化公奥地利：贝加莱工业自动化公司 （司 （

12、B & R I n d u s t r i a l Automation）。）。l瑞士：瑞士：ABB公司等。公司等。8:19:4210资料来自资料来自SANDIA REPORTControl System Devices: Architecturesand Supply Channels Overview. Moses D. Schwartz, John Mulder, Jason Trent, William D. Atkins. Printed August 20102007年全球年全球PLC卖方市场份额卖方市场份额3.1.1 可编程控制器的产生与发展天津中环自动化仪表公司DJK-

13、84无锡华光电子工业有限公司KCK系列上海东屋电器有限公司CF系列苏州机床电器厂CYK系列杭州机床电器厂DKK、D系列上海电力电子设备厂KKI-IC大连组合机床研究所S系列机械部北京自动化所MPC、KB系列上海国际程控公司E、EM、H系列上海工业自动化研究所TCMS-300/D杭州通灵控制电脑公司HZK 系列苏州电子计算机厂YZ系列8:19:4211国内（大陆）国内（大陆）PLC的主要生产厂家：的主要生产厂家：我国我国PLC的生产厂家主要是的生产厂家主要是80年代以后涌现出来的，靠年代以后涌现出来的，靠技术引进、转让、合资等方式进行生产，目前约有十几技术引进、转让、合资等方式进行生产，目前约有

14、十几家。家。传送带生产线控制灌装及包装机械木材加工电梯控制空调控制纺织机械印刷机械可编程控制器的应用8:19:42123.1.1 可编程控制器的产生与发展8:19:4213SIEMENS PLC外形图S7-200系列PLCS7-300系列PLCS7-400系列PLCS7-1200系列PLC3.1.1 可编程控制器的产生与发展8:19:4214三菱MITSUBISHI系列PLCQ系列PLCFX2N系列FX3U系列主机FX3G系列小型PLC3.1.1 可编程控制器的产生与发展8:19:4315OMRON PLC外形图C200系列CVM1系列3.1.2 可编程控制器的特点可编程控制器的产生是基于工业

15、控制的需要，是面可编程控制器的产生是基于工业控制的需要，是面向工业控制领域的专用设备向工业控制领域的专用设备，具有，具有以下特点以下特点：抗干扰能力强、可靠性高抗干扰能力强、可靠性高l硬件方面：如屏蔽、滤波、光电隔离等。硬件方面：如屏蔽、滤波、光电隔离等。l软件方面：如掉电软件方面：如掉电保护、保护、故障检测、循环故障检测、循环扫描时间的超时警戒等扫描时间的超时警戒等。灵活性强，控制系统具有良好的柔性灵活性强，控制系统具有良好的柔性编程语言编程语言简单简单易学，特别是梯形图语言易学，特别是梯形图语言控制系统控制系统易于实现，设计与调试周期易于实现，设计与调试周期短（模块化、标准化、短（模块化、

16、标准化、扩展性）扩展性）维修方便（完善的故障诊断功能，模块上的指示灯等）维修方便（完善的故障诊断功能，模块上的指示灯等）体积体积小、重量小、重量轻、功耗低，易于轻、功耗低，易于实现机电一体化实现机电一体化功能强，性能功能强，性能价格价格比高（软逻辑替代传统的硬逻辑）比高（软逻辑替代传统的硬逻辑）8:19:43163.2.1 中央处理单元中央处理单元(CPU)3.2.2 存储器单元存储器单元3.2.3 电源单元电源单元3.2.4 输入输入/输出单元输出单元3.2.5 接口单元接口单元3.2.6 外部设备外部设备8:19:43173.2 可编程控制器的组成与通用计算机类似：硬件与通用计算机类似：硬

17、件+软件，但接口丰富，功软件，但接口丰富，功能专一。能专一。8:19:4418硬件硬件软件软件系统程序系统程序用户程序用户程序3.2 可编程控制器的组成PLC的的硬件硬件基本组成示意图基本组成示意图8:19:4419中央处理器中央处理器CPU外部设备接口外部设备接口存储器（存储器（ROM/RAM）系统程序系统程序+用户程序用户程序+数据数据扩展接口扩展接口I/O扩扩展展单单元元输入接口输入接口输出接口输出接口电源电源输入设备输入设备（按钮、传感器等）（按钮、传感器等）输出设备输出设备（继电器、接触器、（继电器、接触器、电磁阀等驱动器件）电磁阀等驱动器件）PLC编程器编程器HMI(人机交互人机交

18、互)外存储器外存储器打印机打印机条码读入器条码读入器3.2.1 中央处理单元(CPU)CPU是是PLC的核心部件的核心部件，其功能相当于，其功能相当于人的大脑。人的大脑。PLC的的各部分都是在各部分都是在CPU的协调控制下的协调控制下工作的。工作的。PLC在系统程序在系统程序的管理下运行，主要功能有：的管理下运行，主要功能有：l接受并转储由编程器输入的用户程序和数据；接受并转储由编程器输入的用户程序和数据；l诊断电源故障以及用户程序的语法错误；诊断电源故障以及用户程序的语法错误；l读取输入接口的状态和数据并存储到相应的存储区；读取输入接口的状态和数据并存储到相应的存储区；l读取用户程序指令，解

19、释执行用户程序，完成逻辑运算、读取用户程序指令，解释执行用户程序，完成逻辑运算、数值运算、数据传递等任务，刷新输出映像寄存器，将数值运算、数据传递等任务，刷新输出映像寄存器，将输出映像寄存器的内容送至输出单元。输出映像寄存器的内容送至输出单元。目前目前PLC多采用多采用16位或位或32位的微处理器作为位的微处理器作为CPU，有些厂，有些厂家的高档家的高档PLC还采用微处理器冗余技术，由多个还采用微处理器冗余技术，由多个CPU并行并行工作，当主工作，当主CPU正常工作时，其他正常工作时，其他CPU处于热备用状态，处于热备用状态，随时可接替发生故障的随时可接替发生故障的CPU的工作，大大提高了系统

20、的可的工作，大大提高了系统的可靠性。靠性。8:19:45203.2.2 存储器单元PLC的存储器单元分成两个部分：的存储器单元分成两个部分：l系统程序（操作系统）存储器系统程序（操作系统）存储器：用于存放用于存放PLC生产厂家编写的系统程序。系统程序目前多生产厂家编写的系统程序。系统程序目前多采用采用Flash ROM存储存储(FEROM)，因此用户可以从厂家升级，因此用户可以从厂家升级系统程序。系统程序。l用户存储器用户存储器：用户程序存储区用户程序存储区：用于存放用户编写的控制程序。目：用于存放用户编写的控制程序。目前多采用前多采用Flash ROM。数据存储区数据存储区：存放程序执行过程

21、中所需要的数据或者：存放程序执行过程中所需要的数据或者所产生的中间数据以及硬件组态数据等。包括输入所产生的中间数据以及硬件组态数据等。包括输入/输输出过程映像、定时器、计数器的预置值和当前值等。出过程映像、定时器、计数器的预置值和当前值等。采用采用RAM和和Flash ROM。大多数大多数PLC提供了存储器扩展功能提供了存储器扩展功能(如如Flash ROM卡卡)。8:19:45213.2 可编程控制器的组成PLC基本组成基本组成实物图片实物图片8:19:4522S7-200-CPU224-CPU板板CPUTexa512KBFlash ROMAMD128KB RAMSAMAUNG扩展接口扩展接

22、口可选件可选件(存储卡、存储卡、实时时钟卡、后备实时时钟卡、后备电池卡电池卡)插口插口模式选模式选择开关择开关超级电容超级电容5.5V/0.22F3.2.3 电源单元电源单元的作用是把外部电源（交流或直流）转电源单元的作用是把外部电源（交流或直流）转换成换成PLC的内部工作电压。大部分电源单元也可的内部工作电压。大部分电源单元也可以作为负载电源，通过以作为负载电源，通过PLC的的I/O接口向信号源接口向信号源或或负载提供直流负载提供直流24V电源。电源。PLC的电源一般采用开关电源，输入电压范围宽的电源一般采用开关电源，输入电压范围宽（如前述（如前述S7-CPU 224 PLC电源输入电压范围

23、电源输入电压范围AC 85264V），抗干扰能力强。电源单元的输入与输），抗干扰能力强。电源单元的输入与输出之间有可靠的隔离，以确保外界的扰动不会影出之间有可靠的隔离，以确保外界的扰动不会影响到响到PLC的正常工作。的正常工作。电源单元还提供掉电保护电路和后备电源（电池电源单元还提供掉电保护电路和后备电源（电池或电容），以维持部分或电容），以维持部分RAM存储器的内容在外界存储器的内容在外界电源断电后不会丢失。电源断电后不会丢失。8:19:45233.2.3 电源单元PLC基本组成基本组成电源单元实物图片电源单元实物图片8:19:4524S7-200-CPU224-电源板电源板3.2.3 电源

24、单元PLC基本组成基本组成电源单元实物图片电源单元实物图片8:19:4525S7-300系列系列PLC电源模块电源模块3.2.4 输入/输出单元PLC的的输入输入/输出单元输出单元简称简称I/O单元单元，对于模块式的，对于模块式的PLC来来说，说，I/O单元以模块形式出现，所以又称为单元以模块形式出现，所以又称为I/O模块模块。I/O单单元是元是PLC与工业现场的接口，现场信号与与工业现场的接口，现场信号与PLC之间的联系之间的联系通过通过I/O单元来实现。单元来实现。 工业现场的输入和输出信号包括工业现场的输入和输出信号包括数字量数字量和和模拟量模拟量两类，因两类，因此此I/O单元也有单元也

25、有数字数字I/O和和模拟模拟I/O两种，前者又称为两种，前者又称为DI/DO，后者又称为后者又称为AI/AO。输入单元用于将来自被控设备的电信号输入单元用于将来自被控设备的电信号（数字量或模拟（数字量或模拟量，量，如按钮、传感器信号）转换为如按钮、传感器信号）转换为CPU能够接收的数字信号。能够接收的数字信号。例如，模拟输入信号需要通过例如，模拟输入信号需要通过A/D转换器变成数字量后送转换器变成数字量后送给给CPU进行处理。进行处理。输出单元则将用户程序的执行结果转换为控制信号（数字输出单元则将用户程序的执行结果转换为控制信号（数字量或模拟量），输出至被控对象（如电磁阀、继电器、接量或模拟量

26、），输出至被控对象（如电磁阀、继电器、接触器等的驱动器件或电动机调速器等）。触器等的驱动器件或电动机调速器等）。8:19:45263.2.4 输入/输出单元8:19:4627S7-200-CPU224-AC/DC/RLY-I/O板板输入输入接口接口输出输出接口接口通信接口通信接口RS485板间板间连接器连接器继电器继电器光电隔光电隔离器离器输入接输入接线端子线端子输出接输出接线端子线端子3.2.4 输入/输出单元模块式模块式I/O单元实物图片（单元实物图片（S7-300系列系列PLC）8:19:4628SM321DI 32DC24VSM322 DO 32DC24V/0.5ASM331 AI 8

27、12BitSM332 AO 412Bit3.2.5 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。（包括前述的储器接口及其它外部设备接口等。（包括前述的I/O接口）接口）lI/O扩展接口扩展接口：用于扩展输入输出点数（接：用于扩展输入输出点数（接I/O模模块）。块）。图图。l通信接口通信接口：用于与：用于与PLC、上位机、远程、上位机、远程I/O、监视、监视器、编程器等外部设备相连，实现信息的交换和器、编程器等外部设备相连，实现信息的交换和管管理理，通常采用通常采用RS232或或RS422或或RS485接口。接

28、口。图图。 l编程器接口编程器接口(属于属于通信接口通信接口)：PLC本体通常是不带本体通常是不带编程器的，编程器接口用于连接外部编程设备编程器的，编程器接口用于连接外部编程设备图图。l存储器接口存储器接口。用于用于扩展用户存储器扩展用户存储器图图。 l其它外部设备接口。如条码读入器的接口、打印机其它外部设备接口。如条码读入器的接口、打印机接口等等。接口等等。8:19:46293.2.6 外部设备PLC的外部设备种类很多，可以概括为以下四类：的外部设备种类很多，可以概括为以下四类：l编程设备（编程设备（PG）：用于编制、上下载、调试程序，：用于编制、上下载、调试程序，对对PLC的硬件进行设置等

29、。的硬件进行设置等。 有专用有专用PG和通用和通用PC。l监控设备监控设备：将现场数据动态实时显示出来，以便操：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，并且可实现人机作人员随时掌握系统运行的情况，并且可实现人机交互功能。交互功能。l存储设备存储设备：用于保存用户程序、配方和数据，避免：用于保存用户程序、配方和数据，避免程序和数据丢失。如程序和数据丢失。如MMC（微存储卡）等。（微存储卡）等。 l输入输入/输出设备输出设备：用于接受信号和输出信号的专用设：用于接受信号和输出信号的专用设备，例如条码读入器、打印机等。备，例如条码读入器、打印机等。8:19:46303.2.6

30、 外部设备PLC的外部设备实物图片的外部设备实物图片8:19:4731TP 2773.2.6 外部设备PLC的外部设备实物图片的外部设备实物图片8:19:4732S7-200 PLC存储卡S7-300 PLC微存储卡8:19:4733S7-200-CPU224-外观图外观图通讯接通讯接口口状态指状态指示灯示灯DO接接线端子线端子DI接线接线端子端子可选件可选件插口插口扩展扩展接口接口模式选模式选择开关择开关输出状态输出状态指示灯指示灯输入状态输入状态指示灯指示灯交流电源交流电源输输入入接线端子接线端子直流电源直流电源输输出出接线端子接线端子2个电个电位计位计3.2 可编程控制器的组成8:19:

31、4734S7-200-CPU224-外观图外观图接线孔接线孔从从PLC产生的背景来看，产生的背景来看，PLC系统与继电器控制系系统与继电器控制系统有着极深的渊源，因此可以比照着继电器系统来统有着极深的渊源，因此可以比照着继电器系统来学习学习PLC的工作原理（处理开关或数字信号时）。的工作原理（处理开关或数字信号时）。3.3.1 可编程控制器的可编程控制器的等效电路等效电路3.3.2 可编程控制器的工作过程可编程控制器的工作过程8:19:47353.3.1 PLC的等效电路一个继电一个继电-接触器控制系统必然包含接触器控制系统必然包含3个部分个部分:输入输入部分、逻辑电路部分、输出部分。部分、逻

32、辑电路部分、输出部分。l输入部分：如按钮开关、传感器等；输入部分：如按钮开关、传感器等；l输出部分：如电磁阀、继电器、接触器等的驱动器输出部分：如电磁阀、继电器、接触器等的驱动器件（线圈）、信号指示灯等。件（线圈）、信号指示灯等。l逻辑电路部分：将输入与输出联系起来，一般由继逻辑电路部分：将输入与输出联系起来，一般由继电器、接触器、计数器、定时器等元件的触点、线电器、接触器、计数器、定时器等元件的触点、线圈按照要求的逻辑关系连接而成，能够根据一定的圈按照要求的逻辑关系连接而成，能够根据一定的输入状态输出所要求的控制动作。输入状态输出所要求的控制动作。PLC系统也同样包含这系统也同样包含这3部分

33、，区别是：部分，区别是：PLC的逻的逻辑电路部分用软件（辑电路部分用软件（软开关软开关）来实现，即输入）来实现，即输入-输输出逻辑关系由用户所编制的控制程序来实现。出逻辑关系由用户所编制的控制程序来实现。8:19:48363.3.1 PLC的等效电路下图所示左为一个典型的启动下图所示左为一个典型的启动/停止控制电路。电路中有两停止控制电路。电路中有两个输入，分别为启动按钮个输入，分别为启动按钮SF1、停止按钮、停止按钮SF2；一个输出为；一个输出为接触器接触器QA1线圈。输入线圈。输入/输出逻辑关系由硬件连线实现。输出逻辑关系由硬件连线实现。当用当用PLC来完成这个控制任务时，可来完成这个控制

34、任务时，可将启动按钮将启动按钮SF1、停、停止按钮止按钮SF2接入接入PLC的输入端，而用的输入端，而用PLC的输出单元驱动的输出单元驱动接触器接触器QA1，它们之间要满足的逻辑关系由程序实现。，它们之间要满足的逻辑关系由程序实现。8:19:4837输入接口输入接口输入映像输入映像I0.2Q0.0I0.5Q0.0用户程序（梯形图）用户程序（梯形图）-QA1AC220V输出设备输出设备-SF1-SF2-QA1-QA1NL220V起动起动停止停止电动机起停控电动机起停控制电路制电路电动机起停控制电动机起停控制PLC等效电路等效电路-SF1-SF2DC24VL+M输入设备输入设备停止停止起动起动【注

35、注】这里停止按钮这里停止按钮换成了常开触头换成了常开触头输出接口输出接口PLCI0.2I0.5I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7MQ0.0Q0.1Q0.2Q0.3L3.3.2 可编程控制器的工作过程 采用采用周期循环扫描周期循环扫描的工作方式：的工作方式：l即即CPU连续执行用户程序和其它任务，每执行完一连续执行用户程序和其它任务，每执行完一次，再从头开始，往复循环。次，再从头开始，往复循环。l任务循环执行一次所花的时间称为一个任务循环执行一次所花的时间称为一个扫描周期扫描周期。扫描周期取决于用户程序的长短和指令周期。扫描周期取决于用户程序的长短和指令周期。l整个

36、循环都是在整个循环都是在PLC系统程序（操作系统）控制下系统程序（操作系统）控制下进行。进行。l循环过程可以被某些事件中断。循环过程可以被某些事件中断。l对对I/O信号的处理采用集中采样、集中输出的方式信号的处理采用集中采样、集中输出的方式来完成。来完成。l循环过程中执行任务的先后顺序及循环方式取决于循环过程中执行任务的先后顺序及循环方式取决于具体具体PLC的系统程序。的系统程序。8:19:48383.3.2 可编程控制器的工作过程 西门子西门子S7-200系列系列PLC循环扫描过程循环扫描过程8:19:4839读输入信号读输入信号上上电初始化电初始化执行用户程序执行用户程序处理通讯请求处理通

37、讯请求写数字输出信号写数字输出信号自诊断自诊断读输入信号的过程读输入信号的过程：数字量输入数字量输入：在每个扫描周期的开始，：在每个扫描周期的开始，CPU会集中读取会集中读取数字量输入的当前值，并将这些值写入数字量输入的当前值，并将这些值写入输入映象寄存器输入映象寄存器。用户程序读取的是输入映象寄存器中的值（直接用户程序读取的是输入映象寄存器中的值（直接I/O指指令除外）。令除外）。模拟量输入模拟量输入：l 当使能了模拟量输入滤波功能后，当使能了模拟量输入滤波功能后，S7-200会在每一个会在每一个扫描周期刷新模拟量、执行滤波功能并且在内部存储扫描周期刷新模拟量、执行滤波功能并且在内部存储滤波

38、值。当用户程序中访问模拟量输入时使用的是这滤波值。当用户程序中访问模拟量输入时使用的是这些滤波值。些滤波值。l 如果没有使能模拟量输入滤波，则当用户程序访问模如果没有使能模拟量输入滤波，则当用户程序访问模拟量输入时，拟量输入时，S7-200直接从扩展模块读取模拟值。直接从扩展模块读取模拟值。输入映像寄存器的状态被刷新后，将一直保存，直至下输入映像寄存器的状态被刷新后，将一直保存，直至下一个循环才会被重新刷新，所以当输入采样阶段结束后，一个循环才会被重新刷新，所以当输入采样阶段结束后，如果输入设备的状态发生变化，也只能在下一个周期才如果输入设备的状态发生变化，也只能在下一个周期才能被能被PLC接

39、收到。因此，接收到。因此，输入存在滞后现象输入存在滞后现象。利用直接。利用直接I/O指令可减少滞后时间。指令可减少滞后时间。3.3.2 可编程控制器的工作过程 西门子西门子S7-200系列系列PLC循环扫描过程循环扫描过程8:19:4840读输入信号读输入信号上电初始化上电初始化执行用户程序执行用户程序处理通讯请求处理通讯请求写数字输出信号写数字输出信号自诊断自诊断执行用户程序的过程：执行用户程序的过程：l 在扫描周期的执行程序阶段，在扫描周期的执行程序阶段，CPU从头至尾执从头至尾执行应用（用户）程序（按照自上而下、先左后行应用（用户）程序（按照自上而下、先左后右的右的顺序）。顺序）。在程序

40、或中断服务程序中，直接在程序或中断服务程序中，直接I/O指令可对指令可对I/O点直接进行存取，而非直接点直接进行存取，而非直接I/O指令则访问的是指令则访问的是I/O映像寄存器。映像寄存器。l 如果在程序中使用了中断，与中断事件相关的如果在程序中使用了中断，与中断事件相关的中断服务程序作为程序的一部分被存储。中断中断服务程序作为程序的一部分被存储。中断程序并不作为正常扫描周期的一部分来执行，程序并不作为正常扫描周期的一部分来执行，而是当中断事件发生时才执行（可能在扫描周而是当中断事件发生时才执行（可能在扫描周期的任意点）。期的任意点）。l 当用户程序被完全扫描执行一遍后，所有的输当用户程序被完

41、全扫描执行一遍后，所有的输出出映像映像寄存器寄存器都都被依次刷新，系统进入下一个被依次刷新，系统进入下一个阶段。阶段。3.3.2 可编程控制器的工作过程 西门子西门子S7-200系列系列PLC循环扫描过程循环扫描过程8:19:4941读输入信号读输入信号上电初始化上电初始化执行用户程序执行用户程序处理通讯请求处理通讯请求写数字输出信号写数字输出信号自诊断自诊断处理通讯请求的过程：处理通讯请求的过程：l 在扫描周期的通讯请求处理阶段，在扫描周期的通讯请求处理阶段，CPU处理从通讯处理从通讯端口或者智能端口或者智能I/O模块接收到的任何信息。模块接收到的任何信息。执行自诊断测试的过程：执行自诊断测

42、试的过程：l 在扫描周期的在扫描周期的CPU自自诊断阶段诊断阶段，S7-200 CPU对操作对操作系统系统EEPROM 、用户、用户程序存储区以及程序存储区以及 I/O 模块模块状态状态是否正常是否正常进行检查。进行检查。写数字输出的过程：写数字输出的过程：l 在每个扫描周期的结尾，在每个扫描周期的结尾，CPU把存储在输出映象寄把存储在输出映象寄存器中的数据（输出信号）写到存器中的数据（输出信号）写到输出锁存器输出锁存器，并通，并通过数字输出端驱动外部负载。输出锁存器一直将输过数字输出端驱动外部负载。输出锁存器一直将输出状态保持到下一个循环周期出状态保持到下一个循环周期。l 模拟模拟量输出直接

43、刷新，与扫描周期量输出直接刷新，与扫描周期无关。无关。3.3.1 PLC的等效电路西门子西门子S7-200系列系列PLC循环扫描过程示意图循环扫描过程示意图42I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7MSF1-SF2DC24VQ0.0Q0.1Q0.2Q0.3I0.2Q0.0I0.5Q0.0-QA1LMAC220V输入设备输入设备输入接口输入接口 输入映输入映像寄存像寄存器器用户用户程序程序(梯形图程序梯形图程序)输出接口输出接口输出设备输出设备停止停止起动起动I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5读输入阶段读输入阶段Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3输出映像输出

44、映像寄存器寄存器Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3输出锁输出锁存器存器执行用户程序阶段执行用户程序阶段写数字输出阶段写数字输出阶段读输入读输入执行用户程序执行用户程序写数字输出阶段写数字输出阶段处理通讯请求处理通讯请求自诊断自诊断1010 11101I0.6I0.700(I0.2+Q0.0)I0.5Q0.0M3M311000L3.4.1 可编程控制器的可编程控制器的I/O模块模块3.4.2 可编程控制器的配置（自学）可编程控制器的配置（自学）8:19:49433.4 可编程控制器的硬件基础整体式整体式PLC的各部分集成在一个壳体里。的各部分集成在一个壳体里。模块式模块式PLC各部分做成模块式（积

45、木式），除了各部分做成模块式（积木式），除了电源模块、电源模块、CPU模块是必需的，其它模块可根据模块是必需的，其它模块可根据需要选取并通过总线等组合在一起。模块式需要选取并通过总线等组合在一起。模块式PLC包括：包括：l电源模块电源模块lCPU模块模块lI/O模块模块l特殊功能模块（如位置检测模块、称重模块、计数特殊功能模块（如位置检测模块、称重模块、计数模块，测温模块、以太网通信模块等）模块，测温模块、以太网通信模块等）l接口模块（用于扩展机架）等接口模块（用于扩展机架）等8:19:50443.4 可编程控制器的硬件基础模块式模块式PLC的一般结构的一般结构8:19:5045CPUFlas

46、hRAM通信端口通信端口和芯片和芯片CPUFlashRAM逻辑电路逻辑电路寄存器寄存器继电器继电器背板总线背板总线硬硬件件CPU模块模块通信模块通信模块I/O模块模块操作系统操作系统背板总线驱动程序背板总线驱动程序用户程序用户程序操作系统操作系统背板总线驱动程序背板总线驱动程序通信驱动程序通信驱动程序软软件件3.4 可编程控制器的硬件基础PLC硬件组成实例硬件组成实例8:19:5146西门子西门子S7-315-2 DP PLC电源模块CPU模块DI模块DO模块3.4.1 可编程控制器的I/O模块I/O模块：用于输入模块：用于输入/输出信号并能与输出信号并能与CPU模块通模块通信，需要时可对信号

47、进行各种调理（如信号电平信，需要时可对信号进行各种调理（如信号电平转换、转换、A/D转换、转换、D/A转换、滤波、电气隔离等转换、滤波、电气隔离等等）。等）。l输入模块输入模块数字量输入（数字量输入（DI）模块：输入数字信号或开关信号）模块：输入数字信号或开关信号模拟量输入（模拟量输入（AI）模块：输入模拟信号）模块：输入模拟信号l输出模块输出模块数字量输出数字量输出（DO）模块：输出模块：输出数字信号或开关信号数字信号或开关信号模拟量输出（模拟量输出（AI）模块：输出模拟信号模块：输出模拟信号l输入输出模块输入输出模块数字量输入输出（数字量输入输出（DIO）模块）模块模拟量输入输出（模拟量输

48、入输出（AIO）模块）模块8:19:51473.4.1 可编程控制器的I/O模块模块式模块式I/O单元实物图片单元实物图片8:19:5148SM321DI 32DC24VSM322 DO 32DC24V/0.5ASM331 AI 812BitSM332 AO 412Bit3.4.2 可编程控制器的配置PLC的品种繁多，其结构型式、性能、容量、指令系的品种繁多，其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各有自已的特点，适用场合也统、编程方法、价格等各有自已的特点，适用场合也各有侧重。站在硬件选型的角度，首先需要考虑的是各有侧重。站在硬件选型的角度，首先需要考虑的是设备容量与性能是否与任务

49、相适应；其次要看设备容量与性能是否与任务相适应；其次要看PLC运运行速度是否能够满足实时控制的要求。行速度是否能够满足实时控制的要求。所谓设备容量，主要是指系统所谓设备容量，主要是指系统I/O点数的多少以及扩点数的多少以及扩充的能力。对于纯开关量控制的应用系统，如果对控充的能力。对于纯开关量控制的应用系统，如果对控制速度的要求不高，比如单台机械的自动控制，可选制速度的要求不高，比如单台机械的自动控制，可选用小型用小型PLC（如（如S7-200/1200系列）。系列）。对于比较复杂，控制功能要求较高的系统（如需要对于比较复杂，控制功能要求较高的系统（如需要PID调节、位置控制、高速计数、通信连网

50、等功能时，调节、位置控制、高速计数、通信连网等功能时，应当选用中、大型应当选用中、大型PLC（如（如S7-300/400系列系列 ）。）。8:19:51493.5.1 系统监控程序系统监控程序3.5.2 用户应用程序用户应用程序8:19:51503.5 可编程控制器的软件基础 PLC是一种通用的、商业化的工业控制计算机，是一种通用的、商业化的工业控制计算机，与个人计算机相仿与个人计算机相仿，其软件分为，其软件分为系统系统程序（或称程序（或称系统监控程序）系统监控程序）和和用户用户程序程序。系统程序类似于。系统程序类似于PC机中的操作系统，用户程序必须在系统程序的管机中的操作系统，用户程序必须在

51、系统程序的管理下才能运行。理下才能运行。8:19:5251返回3.5.1 系统监控程序 系统监控程序执行过程分为以下几部分：系统监控程序执行过程分为以下几部分：l初始化；初始化；lCPU自诊断；自诊断； l通信信息处理；通信信息处理；l输入刷新；输入刷新；l执行用户程序；执行用户程序；l输出刷新；输出刷新；l外部设备服务等。外部设备服务等。 上述任务的执行步骤取决于具体的上述任务的执行步骤取决于具体的PLC。参见前。参见前述述S7-200的工作过程。的工作过程。8:19:52523.5.1 系统监控程序初始化初始化：作用是清零各个标志寄存器，清零输入、输：作用是清零各个标志寄存器，清零输入、输

52、出映像寄存器，清零各计数器，复位定时器等，为出映像寄存器，清零各计数器，复位定时器等，为PLC开始正常工作开始正常工作“清理现场清理现场”。CPU自诊断自诊断：自诊断主要包括检查电源电压是否正常，：自诊断主要包括检查电源电压是否正常，I/O单元的连接是否正常，用户程序是否存在语法错单元的连接是否正常，用户程序是否存在语法错误，对监控定时器定期复位等。误，对监控定时器定期复位等。 通信信息处理通信信息处理：这个阶段：这个阶段PLC要完成与网络及总线上要完成与网络及总线上其它设备的通信任务，包括与其它设备的通信任务，包括与PLC、计算机、智能、计算机、智能I/O模块、数字处理器（模块、数字处理器（

53、DPU）等设备之间的信息交）等设备之间的信息交换。换。 外部设备服务外部设备服务：PLC在这个阶段与外部设备交换信息，在这个阶段与外部设备交换信息，包括编程器、图形监视器（监控设备）、打印机等。包括编程器、图形监视器（监控设备）、打印机等。 8:19:52533.5.2 用户应用程序 用户程序用户程序是由用户编写的，能够完成系统控制任务的是由用户编写的，能够完成系统控制任务的指令序列。不同厂家的指令序列。不同厂家的PLC会提供不同的指令集，会提供不同的指令集，但但基本的编程元素和编程形式有许多共同基本的编程元素和编程形式有许多共同之之处，目前基处，目前基本符合本符合IEC 61131.3 可编

54、程控制器可编程控制器 第第3部分：编程语部分：编程语言言。1. PLC的编程元素的编程元素lPLC的的编程元素编程元素是构成是构成PLC程序的元素，因所采用的编程序的元素，因所采用的编程语言不同而异。如梯形图语言中的电源轨线、链接元程语言不同而异。如梯形图语言中的电源轨线、链接元素、触点、线圈等。详细第素、触点、线圈等。详细第5章介绍。章介绍。8:19:52543.5.2 用户应用程序2. PLC的编程语言的编程语言PLC的编程语言的编程语言有多种有多种，不同的，不同的PLC厂家支持的编程语言厂家支持的编程语言有所不同。分为有所不同。分为两大类：一是用文字符号来表达两大类：一是用文字符号来表达

55、程序，称程序，称为为文本语言文本语言；二；二是用图形符号来表达是用图形符号来表达程序，称为程序，称为图形语言图形语言。GB/T 15969.3-2005/IEC 61131-3:2002定义了五定义了五种种编程语言编程语言l文本文本语言语言结构文本（结构文本（Structured Text，ST）语言）语言指令表（指令表（Instruction List，IL）语言）语言l图形语言图形语言梯形图梯形图（Ladder Diagram，LD）语言）语言功能功能块图（块图（Function Block Diagram，FBD）语言）语言顺序顺序功能图（功能图（Sequential Function

56、Chart，SFC） 8:19:52553.5.2 用户应用程序IEC 61131-3:2002定义定义的五的五种种PLC编程语言编程语言梯形图（梯形图（LD）语言）语言：用梯形图表示：用梯形图表示PLC系统应用程序系统应用程序的图形编程语言。图形符号（图形指令）采用触点、的图形编程语言。图形符号（图形指令）采用触点、线圈和方框，类似于继电线圈和方框，类似于继电-接触器控制电路的梯形逻辑接触器控制电路的梯形逻辑图。特别适合于二进制逻辑运算编程。西门子称图。特别适合于二进制逻辑运算编程。西门子称之为之为梯形梯形逻辑（逻辑（LADLadder logic）语言）语言。功能块图（功能块图（FBD）语

57、言）语言：用功能块图表示：用功能块图表示PLC系统应系统应用程序的图形编程语言。用程序的图形编程语言。采用数字电路的逻辑运算图采用数字电路的逻辑运算图形符号形符号编程编程。特别适合于。特别适合于二进制逻辑运算编程。二进制逻辑运算编程。指令表指令表（IL）语言）语言：用文本指令表示：用文本指令表示PLC系统应用程系统应用程序的文本编程语言。指令采用助记符，类似于汇编语序的文本编程语言。指令采用助记符，类似于汇编语言。西门子称言。西门子称之之为为语句表（语句表（STLStatement List）语）语言言。适合于机器级编程。适合于机器级编程。8:19:52563.5.2 用户应用程序IEC 61131-3:2002定义的五种定义的五种PLC编程语言编程语言结构结构文本（文本（ST）语言）语言：用赋值、子程序控制、选择和：用赋值、子程序控制、选择和迭代语句表示迭代语句表示PLC系统应用程序的文本编程语言系统应用程序的文本编程语言。是。是一一种高级编程语言，编程结构种高级编程语言，编程结构类似于类似于Pascal语言。语言。适适合于复杂算法合于复杂算法的编程的编程。西门子西门子称称之之为为结构化控制语言结构化控制语言（SCLStructured Control Language）。顺序功能图（顺序功能图（SFC）：用步和转换表示：用步和转换表示PLC系统系统应用应用程序结构的程序结构的