第4章 可编程控制器概述

第一节可编程控制器的

产生与定义一、可编程控制器的产生公开招标的技术要求：（1）编程简单，可现场修改；（2）硬件易维护，最好是插件式结构；（3）可靠性高于继电器控制装置；（4）体积小于继电器控制装置；（5）可直接向管理计算机传送数据；（6）成本可与继电器控制装置竞争；（7）输入可以是交流115V；（8）输出可以是交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀；（9）扩展时原有系统只需做很小的改动；（10）程序存储器容量至少可扩展到4kB。1969年美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台可编程逻辑控制器（ProgrammableController）简称为PLC。二、可编程控制器的定义可编程控制器是一种用于工业环境的数字式操作的电子系统。这种系统用可编程序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、计数和运算等，通过数字模拟式的输入/输出，控制各种类型机械或过程。可编程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，并能很容易地达到所期望的所有功能。三、可编程控制器的分类1．按I/O点数分类按I/O点数可将PLC分为以下三类：（1）小型机（2）中型机（3）大型机2．按结构形式分类按照PLC的结构特点可：（1）整体式结构（2）模块式结构四、可编程控制器的特点1．可靠性高，抗干扰能力强2．硬件配套齐全，使用方便，适应性强3．编程直观、易学易会4．系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便5．体积小，能耗低五、可编程控制器的结构1．中央处理单元（CPU）2．存储单元3．输入/输出接口(I/O接口)（1）输入接口电路1）数字量输入接口2）模拟量输入接口（2）输出接口电路1）数字（开关）量输出接口（2）输出接口电路1）数字（开关）量输出接口（2）输出接口电路1）数字（开关）量输出接口2）模拟量输出接口（3）智能输入输出接口4．电源单元5．扩展接口单元6．通信接口单元7．编程器五、可编程控制器的工作原理1．可编程控制器工作方式PLC是采用循环扫描的工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。整个过程可分为四部分：上电处理、自诊断处理、通讯服务和扫描过程。2．PLC工作过程的中心内容PLC工作过程的中心分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。第二节PLC的编程语言在IEC61131-3中，规定了控制逻辑编程中的语法、语义和显示，并对以往编程语言进行了部分修改后形成目前通用的5种语言。3种是图形化语言，包括：梯形图（LD-LadderDiagram）功能块图（FBD-FunctionBlockDiagram）顺序功能图（SFC-SequentialFunctionChart）2种是文本化语言，包括：指令表(IL-InstructionList)结构化文本(ST-StruturedText)一、梯形图(LD)梯形图编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。PLC的梯形图与继电器控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。二、功能块图（FBD）功能块图是采用类似于数字逻辑门电路的图形符号，逻辑直观，使用方便，但一些低档的PLC并不支持FBD编程语言。三、顺序功能图（SFC）顺序功能图，又称功能流程图或状态转移图，是一种图形化的功能性编程语言，专用于描述工业顺序控制程序。四、指令表（IL）指令表编程语言类似于计算机中的助记符汇编语言，它是可编程控制器最基础的编程语言。五、结构化文本（ST）结构化文本是一种高级的文本语言，可以用来描述功能，功能块和程序的行为，还可以在顺序功能流程图中描述步、动作和转变的行为。第三节S7-200系列PLC的内部资源与寻址方式一、软元件输入继电器一般都有一个PLC的输入端子与之对应，也就是输入映像寄存器，它用于接收外部的开关信号。1．输入继电器S7-200系列PLC输入继电器用“I”表示，输入映像寄存器区属于位地址空间，范围为I0.0~I15.7。输出继电器一般都有一个PLC的输出端子与之对应，它可以作为控制外部负载的开关信号。2．输出继电器S7-200系列PLC输入继电器用“Q”表示，范围为Q0.0~Q15.7。通用辅助继电器的作用和继电器控制系统中的中间继电器类似，它不直接受输入信号的控制，主要起逻辑控制作用。3．通用辅助继电器S7-200系列PLC输入继电器用“M”表示，范围为M0.0~M31.7。特殊辅助继电器是具有特殊功能或存储系统的状态变量、有关的控制参数和信息的特殊标志位。4．特殊辅助继电器S7-200系列PLC特殊辅助继电器用“SM”表示，范围：SM0.0~SM549.7，特殊标志继电器区根据功能和性质不同具有位、字节、字和双字操作方式。系统状态字中部分常用的标志位说明如下：计数器可以用来累计内部任何编程元件动作的次数，也可以通过输入端子累计外部事件发生的次数。5．计数器S7-200系列PLC计数器用“C”表示，范围：C0~C255，共256个。6．定时器S7-200系列PLC定时器用“T”表示，范围：T0~T255。定时器是是累计时间增量的内部器件。变量存储器用“V”表示，是保存程序执行过程中控制逻辑操作的中间结果。顺序控制继电器在顺序功能图编程中使用，它是特殊的继电器。7．顺序控制继电器S7-200系列PLC顺序控制继电器用“S”表示，范围：S0.0~S31.78．变量存储器和局部变量存储器局部变量存储器用“L”表示，存储局部变量，不是全局有效，只和特定的程序相关联。在S7-200CPU中有4个32位累加器，即AC0~AC3，用它可把参数传给子程序或任何带参数的指令和指令块。高速计数器的工作原理与普通计数器基本相同，它用来累计比主机扫描速率更快的高速脉冲。9．高速计数器高速计数器用“HC”表示，S7-200系列PLC中CPU226的高速计数器范围：HC0~HC5。10．累加器（AC）模拟量输入/输出电路可实现模拟量的A/D和D/A转换。11．模拟量输入映像寄存器/模拟量输出映像寄存器模拟量输入映像寄存器用“AI”表示、模拟量输出映像寄存器用“AQ”表示，模拟量输入寄存器只能作读取操作，而对模拟量输出寄存器只能作写入操作。二、S7-200PLC的寻址方式1.直接寻址直接寻址方式，就是在一条指令中，操作数以其所在地址的形式出现。2.间接寻址间接寻址方式，就是在存储单元中放置一个地址指针，按照这一地址找到的存储单元中的数据操作数，相当于间接取得数据。第四节S7-200PLC主机及扩展模块一、S7-200PLC的主机从CPU主机的功能来看，S7-200系列小型可编程序控制器发展至今，经历了两代产品。第一代产品的CPU模块为CPU21*，现已基本退出市场。第二代产品的CPU模块为CPU22*，是21世纪初投放市场的。（二）主机的技术指标S7-200系列PLC的技术规范见附录B。（一）机型（三）S7-200PLC的输入输出规范PLC主机应用最多的输入形式是直流输入型，CPU输入规范有助于了解PLC性能和进行PLC选择。CPU直流输入规范见附表B-3。CPU输出规范见附表B-4。二、S7-200PLC的扩展模块（一）开关量I/O扩展模块1．典型的开关量输入模块和输出模块种类（1）输入扩展模块EM221有两种：8点DC输入和8点AC输出。（2）输出扩展模块EM222有三种：8点DC晶体管输出、8点AC输出、8点继电器输出。（3）输入/输出混合扩展模块EM223有六种：分别为4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）DC输出、4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）继电器输出。2．开关量输出模块的选择方法（1）输出方式（2）驱动能力（3）同时接通的输出点数量（二）模拟量扩展模块1．模拟量扩展模块的类型（1）模拟量输入扩展模块EM231（2）模拟量输出扩展模块EM232（3）模拟量输入/输出混合模块EM2352．模拟量扩展模块的优点（1）适应性强，多种输入/输出范围，可适用于复杂的控制场合，能够直接与传感器和执行器相连。（2）灵活性大，当实际应用变化时，PLC可以相应地进行扩展，并可非常容易的调整用户程序。（3）标准化程度高，输入和输出信号符合标准信号要求。即0~20mA电流信号，0~5V和0~10V电压信号等。3．模拟量扩展模块的技术参数EM232的模拟量输出点数为2，信号输出范围：电压-10V~+10V，电流0~20mA。EM231模拟量输入点数为4，输入阻抗大于等于10MΩ，最大输入电压30VDC，最大输入电流32mA。模拟量扩展模块的主要技术参数见附表B-5、B-6和B-7。（三）温度测量模块温度测量模块专门为检测温度而设计的。温度测量扩展模块有热电偶温度测量模块EM231TC和热电阻温度测量模块EM231RTD两种。（四）位控制模块EM253位控模块是S7-200的特殊功能模块，它能够产生脉冲串用于步进电机或伺服电机的速度和位置开环控制。（五）通信模块1．PROFIBUS-DP现场总线通信模块EM277是PROFIBUS-DP现场总线通信模块，用来将CPU224连接到PROFIBUS-DP现场总线网络，EM277通过扩展总线接口与CPU224相连，用专用扁平电缆连接。2．AS-i接口模块AS-i接口模块CP243-2是专门用于现场执行器和传感器接口的模块，并具有集成模拟量处理和传送单元。3．工业以太网模块工业以太网根据国际标准IEEE802.3定义。S7-200PLC所应用的工业以太网模块主要有CP243-1和CP243-1IT两种。4．调制解调器模块调制解调器模块EM241，可连接到模拟电话线，应用Modbus主/从协议实现S7-200PLC主机与远程PC机进行通信，即实现PLC-TO-PC通信。第五节CPU226及其扩展模块的应用一、PLC主机接线1．CPU226DC/DC/DC（晶体管）接线图2．CPU226AC/DC