可编程控制器原理及应用第1章-PLC入门课件

1、主编：孙平浙江水利水电学院2019.5第1章 PLC入门 要求掌握常用指令的格式和应用方法，熟练绘制可编程控制器外部电路接线图，掌握可编程控制器应用的基本设计思想和设计方法。 本教材以小型可编程控制器S7-200系列PLC为例，介绍可编程控制器的基本结构，以及工作原理。内容介绍可编程控制器原理及应用PLC入门1.3 SIMATIC指令系统的编程语言1.1 PLC背景知识介绍 1.2 S7-200 PLC第 1 章1.4 STEP 7-Micro/WIN编程软件 1968年由美国通用汽车公司（GE）提出，1969年由美国数字设备公司（DEC）研制成功，有逻辑运算、定时、计算功能称为PLC（pro

2、grammable logic controller）。为了简单识记，仍习惯地简称为PLC。1.1 PLC背景知识介绍 20世纪80年代，由于计算机技术的发展，PLC采用通用微处理器为核心，功能扩展到各种算术运算，PLC运算过程控制并可与上位机通讯、实现远程控制。被称为PC（programmable controller）即可编程控制器。1.PLC的产生1.1.1 PLC的产生与定义 国际电工委员会（IEC）1987年颁布的可编程逻辑控制器的定义如下： “可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。.” 可编程控制器（PLC）是

3、一种以微电子技术、自动化技术、计算机技术、通讯技术为一体，以工业自动化控制为目标的新型控制装置。 2.PLC的定义 小型：I/O点数在256点以下； 中型：I/O点数在2561024点之间； 大型：I/O点数在1024点以上。（1）按I/O点数分类（2）按结构形式分类分为整体式结构和模块式结构两大类。 （3）按用途分类分为通用型和专用型两大类。 PLC入门1.1.2 PLC的分类和特点 1. PLC的分类方法（1）使用于工业环境，抗干扰能力强。（2）可靠性高。无故障工作时间（平均）数十万小时并可构成多机冗余系统。（3）控制能力极强。算术、逻辑运算、定时、计数、PID运算、过程控制、通讯等。（4

4、）使用、编程方便。（LAD）梯形图、语句表（STL）、功能图（FBD）、控制系统流程图等编程语言通俗易懂，使用方便。 （5）组成灵活。小型PLC为整体结构，并可外接I/O扩展机箱构成PLC控制系统。 中大型PLC采用分体模块式结构，设有各种专用功能模块（开关量、模拟量输入输出模块，位控模块，伺服、步进驱动模块、通信模块等）供选用和组合，由各种模块组成大小和要求不同的控制系统。PLC入门2. PLC的特点 可编程控制器在多品种、小批量、高质量的产品生产中得到广泛的应用，PLC控制已成为工业控制的重要手段之一，与CAD/CAM，机器人技术一起成为实现现代自动化生产的三大支柱。 通常可以认为，只要有

5、控制要求的地方，都可以用到可编程控制器。 分小型化和大型化两个发展趋势。 小型PLC有两个发展方向，即微型化和专业化。 大型化指的是大中型PLC向着大容量、智能化和网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。应用领域发展方向 PLC入门3.PLC的应用与发展S7-200 PLCSIMATIC - S7家族 LOGO! S7-300 S7-400 S7-300C中/ 大 型 High-end range/medium rangeS7- 400中/ 小 型Low-end rangeS7- 300通用逻辑模块微 型 PLCS7- 200S7系列PLCS7-20

6、0 PLCCPU 221(10 I/O 点)CPU 222(14 I/O 点)CPU 226(40 I/O 点) CPU 224 (24 I/O 点)CPU 224XP(24 I/O 点)升级版2019新2019升级版2019升级版2019升级版2019CPU模块S7-200 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 / 8DO

7、16DI / 16DOTeleserviceCommuni-cationMessagingPosition module for stepper solution数字量I/O模块模拟量I/O模块测温模块通讯扩展模块Modem模块定位模块以太网模块(IT)Ethernetmodule扩展模块丰富的扩展模块S7-200 PLCSIMATIC S7-300 通用型PLC，面向生产制造领域的最佳系统解决方案S7-200 PLCS7-300户外型 更多领域最佳解决方案交通运输铁路和公路运输车辆交通控制系统起重机，升降平台过程控制供水和污水处理石油化工玻璃工业钢铁工业矿山设备食品与饮料工业 按照可编程控制

8、器的工作原理，PLC分为输入部分、运算控制部分和输出部分三部分。 输入部分：将被控对象各种开关信息和操作台上的操作命令转换成可编程控制器的标准输入信号，然后送到PLC的输入端点。 运算控制部分：CPU按照用户程序的设定，完成对输入信息的处理，并可以实现算术、逻辑运算等操作功能。 输出部分：由PLC输出接口及外围现场设备构成。CPU的运算结果通过PLC的输出电路，提供给被控制装置。1.2 S7-200 PLCPLC入门1. 可编程控制器的工作原理 1.2.1 S7-200PLC的构成 CPU硬件电路的构成： 可编程控制器由CPU，存储器，基本I/O接口电路，外设接口，电源等五大部分组成。图1.1

9、 PLC主机硬件电路(1)中央处理器（CPU）：小型PLC多采用单片机或专用CPU (2)存储器（Memory）： EEPROM和RAM PLC入门2. 可编程控制器的硬件结构 图1.2 输入电路（3） 基本I/O接口电路 可编程控制器输入电路 PLC内部输入电路作用是将PLC外部信号送至PLC内部电路。输入电路分为直流输入式（干接点式）和交流输入式两大类。干接点式直流式交流式PLC入门图1.3 输出电路 可编程控制器输出电路 用来驱动被控负载（电磁铁、继电、接触器线圈等）。输出电路结构形式分为继电器式，双极型和晶闸管式等三种。继电器式双极型式晶闸管式(4) 接口电路：分为I/O扩展和外设通讯

10、接口电路两大类。(5) 电源： 5V和24VDC直流开关式稳压电源。PLC入门 按照可编程控制器的工作原理，PLC分为输入部分、运算控制部分和输出部分三部分。 输入部分：将被控对象各种开关信息和操作台上的操作命令转换成可编程控制器的标准输入信号，然后送到PLC的输入端点。 运算控制部分：CPU按照用户程序的设定，完成对输入信息的处理，并可以实现算术、逻辑运算等操作功能。 输出部分：由PLC输出接口及外围现场设备构成。CPU的运算结果通过PLC的输出电路，提供给被控制装置。PLC入门1. 可编程控制器的工作原理 1.2.2 CPU224模块面板结构：工作方式开关，模拟电位器，I/O扩展接口，工作

11、状态指示和用户程序存储卡，I/O接线端子排及发光指示等。 RS-485通讯接口，用以连接编程器（手持式或PC机）、文本图形显示器、PLC网络等外部设备。PLC入门图3. 1 CPU 224主机的结构1. CPU 224型PLC结构1.2.2 CPU224模块 输入电路采用双向光耦，24V DC极性任意选择。 输出电路采用IGBT器件的双极型电路。PLC入门图1.5 CPU 224I/O电路 （1）集成I/O （CPU） CPU224设有24V、280mA直流电源供输入点使用。2. CPU 224 接线图输入电路： 1M为IB0字节输入端子的公共端。、2M为IB1字节输入端子的公共端。 PLC入

12、门图1.5 CPU 224外部电路接线输出电路： 1L为Q0.0Q0.3输出端子的公共端。 2L为Q0.4Q0.6输出端子的公共端。 3L为Q0.7Q1.1输出端子的公共端。PLC入门 CPU 224 的高速计数脉冲输入端（I0.0I0.5），响应速度为30KHz。 CPU 224 的2个高速脉冲输出端（Q0.0、Q0.1），输出脉冲频率可达20KHz。用于脉冲束和PWM高速脉冲输出。 S7-200 CPU存储器有RAM和EEPROM两种。 系统掉电时，自动将RAM中的有关内容保存到EEPROM存储器。 图1.6 S7-200 CPU 的存储器3. CPU 224的高速反应性 4. CPU 2

13、24 的存储系统PLC入门用来改变特殊寄存器（SM32、SM33）中的数值。 5.模拟电位器6. 扫描周期 S7-200 CPU连续执行用户任务的循环序列称为扫描。图1.7 CPU扫描周期 一个机器扫描周期（用户程序运行一次），分为读输入（输入采样），执行程序，处理通讯请求，执行CPU自诊断，写输出（输出刷新）等五个阶段，CPU周而复始地循环扫描工作。 也可简化为读输入（输入采样）、执行用户程序和写输出（输出刷新）三个阶段。PLC入门S7-200 CPU的两种工作方式 STOP（停止）RUN（运行） 方式开关 软件设置 STOP指令 改变工作方式的方法 使用工作方式开关改变工作状态 面板上的工

14、作方式开关有三个档位：STOP、TERM（Terminal）、RUN （停止终端运行）。7. CPU的工作方式PLC入门1. 数据存储类型及寻址方式1.2.3 S7-200PLC的内部软元件 PLC内部设计了编程使用的各种软元件，在数据存储区为每一种软元件分配一个存储区域。 PLC与继电器控制的根本区别在于PLC采用的是软器件，以程序实现各器件间的连接。 （1） 数据存储器的分配 S7-200按软元件的种类将数据存储器分成若干个存储区域 ，每个区域存储单元按字节编址，可以进行字节、字、双字和位操作 。 PLC入门（2）数值表示方法 数据类型有布尔型（BOOL）、整数型（INT）、双整数（DIN

15、T）和实数型（REAL）。数据大小无符号整数符号整数十进制十六进制十进制十六进制B (字节) 8位值02550FF-128127807FW (字) 16位值0655350FFFF-327683276780007FFFDW(双字) 32位值042949672950FFFFFFFF-21474836482147843647800000007FFFFFFF表1.1 数据大小范围及相关整数范围 输入映像寄存器： 输入映像寄存器区域共16个字节，编址范围（I0.0I15.7）；数据可以按位、字节、字长、双字操作（该区域按位操作又被称作输入继电器）。（1）输入输出映像寄存器外部输入点输入端子图3. 9 输

16、入位操作示意图位操作原理： 输入继电器线圈由外部信号驱动，常开触点和常闭触点供用户编程使用。S7-200 PLC 数据存储区分为：I/Q、V、M、S、SM、L、T、C、AI/AQ、AC和HC，共11类内部元器件区域，供用户编程使用。2. S7-200数据存储区及软元件功能数据寻址方式： 立即数寻址、直接寻址和间接寻址三大类。立即数寻址：#100直接寻址：位寻址如图1.9。 字节、字、双字寻址 （直接寻址） 例：VB100、VW100、VD100图1.9 位寻址间接寻址：例：MOVW AC1，AC0 将AC1作为内存地址指针，把以AC1中内容为起始地址的内存单元的16位数据送到累加器AC0中。图

17、1.11 间接寻址PLC入门（3）S7-200寻址方式 输出映像寄存器： 编址范围（Q0.0-Q15.7），用来将PLC的输出信号传递给负载，数据可以按位、字节、字长、双字操作（该区域按位操作又被称作输出继电器） 。位操作原理： 输出线圈用程序指令驱动，常开触点和常闭触点供用户编程使用。图3. 10 输出位操作示意图 CPU 224主机集成有I0.0I0.7，I1.0I1.5共14个数字量输入端点，Q0.0Q0.7、Q1.0、Q1.1共10个数字量输出端点。集成： CPU每一个I/O点都是一个确定的物理点。PLC入门 用以存储运算的中间结果和其它数据。CPU 224有VB0.0VB5119.7

18、的5K存储字节。可按位、字节、字或双字使用。（2）变量存储器V M作为控制继电器（又称中间继电器），用来存储中间操作数或其它控制信息。 编址范围M0.0M31.7，可以按位、字节、字或双字存取的数据。（3）内部标志位（M）存储区 S又称状态元件，以实现顺序控制和步进控制。 编址范围S0.0S31.7，可以按位、字节、字或双字存取数据。（4）顺序控制继电器（S）存储区PLC入门 CPU 224编址范围SM0.0 SM179.7，共180个字节。其中SM0.0SM29.7的30个字节为只读型区域。 （5）特殊标志位（SM）存储器SMB0为状态位字节，每次扫描循环结尾由S7-200 CPU更新。定义

19、如下：SM0.0-RUN状态监控，PLC在运行RUN状态，该位始终为1。SM0.1-首次扫描时为1，PLC由STOP转为RUN状态时，ON（1态）一个扫描周期，用于程序的初始化。SM0.2-当RAM数据丢失时，ON一个扫描周期，用于出错处理。SM0.3-PLC上电进入RUN方式，ON一个扫描周期。SM0.4-分脉冲，该位输出一个占空比为50的分时钟脉冲。用作时间基准或简易延时。PLC入门SM0.5-秒脉冲，该位输出一个占空比为50的秒时钟脉冲。可用作时间基准。SM0.6-扫描时钟，一个扫描周期为ON（高电平），另一为OFF（低电平）循环交替。SM0.7-工作方式开关位置指示，0为TERM位置，

20、1为RUN位置。为1时，使自由端口通讯方式有效。SMB1为指令状态位字节，常用于表处理及数学运算。PLC入门部分位定义如下： SM1.0-零标志，运算结果为0时，该位置1。 SM1.1-溢出标志，运算结果溢出或查出非法数值，该位置1 。 SM1.2-负数标志，数学运算结果为负时，该位为1。（6）局部存储器（L） 共有64个字节的局部存储器，编址范围LB0.0LB63.7，其中60个字节可以用作暂时存储器或者给子程序传递参数，最后4个字节为系统保留字节。 （7）定（计）时器（相当于时间继电器） S7-200 CPU中的定（计）时器是对内部时钟累计时间增量的设备，用于时间控制。编址范围T0T255

21、（22X）；T0T127(21X)。（8） 计数器 计数器主要用来累计输入脉冲个数。 编址范围C0C255（22X），C0C127（21X）。PLC入门（9）模拟量输入输出映像寄存器（AI/AQ） 模拟量输入电路将外部输入的模拟量（如温度、电压等）转换成1个字长（16位）的数字量，存入模拟量输入映像寄存器区域。PLC入门 AI编址范围AIW0，AIW2，AIW62，起始地址定义为偶数字节地址，共有32个模拟量输入点。 模拟量输出电路用来将输出映像寄存器区域的1个字长（16位）模拟量数字值转换为模拟电流或电压输出。 AQ编址范围AQW0，AQW2，AQW62，起始地址也采用偶数字节地址，共有32

22、个模拟量输出点。（10）累加器（AC） 累加器是用来暂存数据， S7-200 PLC提供了4个32位累加器AC0AC3。累加器支持以字节（B）、字（W）和双字（D）的存取。 CPU 22X提供了6个高速计数器HC0、HC1HC5 （每个计数器最高频率为30KHz）用来累计比CPU扫描速率更快的事件。高速计数器的当前值为双字长的符号整数。（11）高速计数器（HC）PLC入门PLC入门3. S7-200 PLC有效编程范围 描述CPU 221CPU 222CPU 224CPU 226用户程序（W）2K2K4K8K用户数据（W）1K 1K 4K 5K 输入映像寄存器I0.0I15.7I0.0I15.

23、7I0.0I15.7I0.0I15.7输出映像寄存器Q0.0Q15.7Q0.0Q15.7Q0.0Q15.7Q0.0Q15.7模拟量输入(只读)-AIW0AIW30AIW0AIW62AIW0AIW62模拟量输出(只写)-AQW0AQW30AQW0AQW62AQW0AQW62变量存储器(V)V0.0V2047.7V0.0V2047.7V0.0V5119.7V0.0V5119.7局部存储器(L)L0.0L63.7L0.0L63.7L0.0L63.7L0.0L63.7位存储器(M)M0.0M31.7M0.0M31.7M0.0M31.7M0.0M31.7特殊存储器(SM )只读SM0.0SM179.7S

24、M0.0SM29.7SM0.0SM179.7SM0.0SM29.7SM0.0SM179.7SM0.0SM29.7SM0.0SM179.7SM0.0SM29.7定时器范围 T0T255 T0T255 T0T255 T0T255 记忆延迟1ms T0,T64 T0,T64T0,T64T0,T64表1.2 S7-200 CPU编程软元件的有效范围和特性一览表 描述CPU 221CPU 222CPU 224CPU 226记忆延迟10msT1T4,T65T68T1T4,T65T68T1T4,T65T68T1T4,T65T68记忆延迟100msT5T31 T69T95T5T31 T69T95T5T31 T

25、69T95T5T31 T69T95接通延迟1msT32,T96T32,T96T32,T96T32,T96接通延迟10msT33T36T97T100T33T36T97T100T33T36T97T100T33T36T97T100接通延迟100msT37T63T101T255T37T63T101T255T37T63T101T255T37T63T101T255计数器C0C255C0C255C0C255C0C255高速计数器HC0,HC3,HC4,HC5HC0,HC3,HC4,HC5HC0HC5HC0HC5顺序控制继电器S0.0S31.7S0.0S31.7S0.0S31.7S0.0S31.7累加寄存器AC0AC3AC0AC3AC0AC3AC0AC3跳转/标号0255025502550255调用/子程序063063063063中断时间0127012701270127PID回路07070707通讯端口0000,11.3 SIMATIC指令系统的编程语言 1. 梯形图编辑器（LAD）图1.18 梯形图实例安装方法 安装 Micro/WIN V4.0 SP9 升级版将把先前系统中安装的 V4.0 正式版（包括各 SP 版本）升级到 SP9。中文和编程模式的设定方法 工具菜单（Tools），点击选项（Optio