《PLC控制》-项目1 可编程控制器系统认知

任务1初识可编程控制器1.1.1可编程控制器的组成1.1.2可编程控制器的工作原理及工作过程1.1.3可编程控制器的分类及主要技术指标1.1.4可编程控制器的特点、应用及发展1.1.1

可编程控制器的组成

CPU224CPU226一、可编程控制器的产生1、名称早期69-80：PLC（ProgramableLogicController）后期80以后：PC（ProgramableController）2、产生背景：由继电器控制系统演变而来，最早用于自动生产线控制

继电器控制系统缺点：设备体积大、可靠性低、故障查找困难、接线复杂、通用性灵活性差。

返回本节亨利福特于1903年创立了福特汽车公司。1908年生产出世界上第一辆T型车。1913年,该公司又开发出了世界上第一条生产流水线。

1968年，GM针对继电器控制系统的缺点，对新型逻辑顺序控制装置进行招标，主要指标要求如下（通用10条）：

编程方便，可现场修改

维修方便，插件结构

可靠性高于继电器控制装置

体积小于继电器控制装置

数据可直接送入管理计算机

成本可与继电器控制系统竞争

输入可为市电

输出可为市电，2A以上，能直接驱动接触器

通用性好，易扩展

用户程序存储器大于4KB

实质：将继电器控制系统的简单易懂、使用方便、价格低的优点和计算机的功能完善、灵活性高、通用性好的优点结合，用软件代替硬件逻辑连线。

DEC69年PDP-14PLC，主要进行可编程逻辑控制（初期）PC，1980年以来，由先前的可编程序逻辑控制器PLC进一步发展而来。可编程逻辑控制、数学运算、网络通信、数字控制算法等。为避免混淆，仍然叫PLC。PLC定义（1984:美国电器制造商协会NEMA）：可编程序控制器是一种数字式的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序控制、计数、定时和算术运算功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。PLC定义（1987:国际电工委员会IEC）：PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境设计。采用可编程序存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、算术运算等操作的指令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，都按易于与工业系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计。二、可编程控制器的定义三、可编程控制器组成PLC专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、电源、存储器、专门设计的输入输出接口电路、通信接口、智能模块、编程装置、软件等组成。下图为一典型PLC结构简图。PLC系统结构示意图外部设备现场用户输出设备微处理器（CPU）运算器控制器输出部件输入部件系统存储器用户存储器I/O扩展接口通讯及编程接口编程设备计算机打印机等传感器按钮、开关现场信号电磁阀中间继电器执行器现场用户输入设备扩展设备扩展单元通讯模块功能模块电源变换器～110V/220V市电PLC基本单元PLC系统结构示意图1.中央处理单元

中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。

小型PLC采用8位微处理器或单片机作为CPU，如Z80、8031等大中型PLC多采用16或32位微处理器作为CPU大型PLC:采取双CPU或三CPU表决CPU功能接收并存储用户程序和数据；监控、诊断电源、PLC工作状态及编程的语法错误；接收输入信号，送入数据寄存器并保存；运行时顺序读取、解释、执行用户程序，完成用户程序的各种操作；将用户程序的执行结果送至输出端。网络通信……

2.存储器

结构分：只读存储器（EPROM/EEPROM/FLASH）随机存储器RAM

用途分：系统存储器用户存储器系统存储器（一般为EPROM/EEPROM）

存放系统工作程序（监控、管理程序）；存放模块化应用功能子程序；存放命令解释程序；存放功能子程序的调用管理程序；存放系统参数；用户存储器——RAM/EEPROM用户程序区：存放用户工作程序；系统区：存放CPU组态数据，如输入/输出组态、设置输入滤波、脉冲捕捉、定义存储区保持范围、高速计数器配置、通信组态等；数据区：I/O映像区及软设备，如累加器、输入输出映像寄存器、逻辑线圈、计数器、定时器、数据存储器等。3.输入输出单元

PLC与现场输入/输出装置或其它外部设备之间的连接接口。

输入单元将现场输入信号经过输入接口电路的转换，变换为中央处理器能接受和识别的低电压信号。

输出单元将CPU输出的低电压信号变换为控制器件所能接受的电压、电流信号，以驱动信号灯、电磁阀、电磁开关等执行机构和显示装置。（1）输入接口

（2）输出接口数字量输入（开关量）模拟量输入数字量输出（开关量）模拟量输出输入单元：将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成PLC可以接收的数字信号送入主机。输入单元——带光电隔离电路多种辅助电源类型：通常PLC的输入类型既可以是直流也可以是交流。输入电路的电源一般由外部供给。数字量输入单元——接收按钮或开关等开关量信号。模拟量输入单元——接收传感器输出的模拟量信号。输入单元图1.2和图1.3分别为一种型号PLC的直流和交流输入接口电路的电路图，采用的是外接电源。图1.2描述了一个输入点的接口电路。其输入电路的一次电路与二次电路用光耦合器相连，当行程开关闭合时，输入电路和一次电路接通，上面的发光管用于对外显示，同时光耦合器中的发光管使三极管导通，信号进入内部电路，此输入点对应的位由0变为1。即输入映像寄存器的对应位由0变为1。图1.2直流输入电路图图1.3交流输入电路图返回本节输出单元（带光电隔离及滤波器）：将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使PLC与外部强电隔离。分为模拟量输出单元和数字量输出单元两种。数字量输出单元分类：继电器输出：低速、大功率直流、交流负载（隔离、功率放大）晶体管集电极输出：高速、小功率直流负载双向可控硅输出：高速、大功率交流负载继电器输出输出接口电路以继电器形式为例PLC内部电路内部电路J+交流电源或直流电源YCOM-4、通讯及外设接口通讯及外设接口——采用RS-485或RS-422串行总线连接专用编程器（例如S7-200的TD200和TD200C）；连接工控机或个人电脑（PC），实现编程及在线监控；连接网络，实现远程通讯；5、扩展接口扩展接口扩展I/O模块（如S7-200的EM221/222EM231/232/235）；扩展功能模块：通讯模块（如S7-200的PROFIBUS-DP模块EM277等）、位置控制模块等6、电源电源作用：把外部供应的电源变换成系统内部各单元需要的电源。有的还向外提供24VDC电源以供开关量输入单元连接现场无源开关使用。还包括掉电保护电路和后备电池电源，保护RAM内容。一般采用开关电源技术。输入电压范围宽、效率高、重量轻、体积小根据配置不同有不同规格的电源供选择PLC软件系统组成系统监控程序

运行管理

生成用户元件系统内部自检管理程序

解释程序标准程序模块、系统调用用户程序自动化系统控制程序数据表格软件系统网络通信

一、PLC的工作原理及工作过程

PLC采用循环扫描的工作方式，这个工作过程一般包括五个阶段：内部处理（如自诊断、监控、定时器复位等）、与编程器等的通信处理、输入扫描、执行用户程序、输出处理，其工作过程如下图所示。图中当PLC方式开关置于RUN（运行）时，执行所有阶段；当方式开关置于STOP（停止）时，不执行后3个阶段。1.1.2可编程控制器的工作原理及工作过程两种工作状态运行（RUN）停止（STOP）内部处理：内部诊断、监控、定时器复位等；通信服务：与其它装置通信、响应编程器命令（输入、显示）。输入处理：外部输入端口状态读入输入映像寄存器。程序执行：执行用户程序。输出处理：将输出映像寄存器状态送到输出端口,驱动输出设备。PLC的扫描过程原理图二、PLC的输入/输出滞后分析I/O响应时间一、可编程控制器分类1.从结构上可编程序控制器从结构上可分为整体式和模块式。2.从规模上按PLC的输入输出点数可分为小型、中型和大型。

小型PLC:<256点

中型PLC:<2048点

大型PLC:>2048点返回本节1.1.3

可编程控制器的分类及主要技术指标二、可编程控制器主要技术指标1．输入/输出(I/O)点数可编程控制器的I/O点数指外部输入、输出端子数量的总和。它是描述的PLC大小的一个重要参数。2．用户程序存储器容量

PLC的存储器主要由程序存储器和数据存储器组成。其中，用户程序存储器的容量越大，可以编制出更为复杂的程序。一般来说，小型PLC的用户程序存储器容量通常为几千个字，而大型PLC的用户程序存储器容量通常为几万个字以上。3、内部元件的种类与数量在编制PLC程序时，需要用到大量的内部元件来存放中间变量、运算结果、模块设置和各种标志位等信息及用于保持数据、定时计数等，这些元件的种类与数量越多，表示PLC存储和处理各种信息的能力越强。4．扫描速度扫描速度是指PLC执行用户程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标。一般以扫描1K字用户程序所需的时间来衡量扫描速度，通常以ms/K字为单位。5．指令系统指令功能的强弱、数量的多少也是衡量PLC性能的重要指标。编程指令的功能越强、数量越多，PLC的处理能力和控制能力也越强，用户编程也越简单和方便，越容易完成复杂的控制任务，但掌握应用也相对较复杂。6．通信功能通信有PLC之间的通信和PLC与其他设备之间的通信。PLC的组网和通信能力也已成为PLC产品水平的重要衡量指标之一。

二、可编程控制器主要技术指标7．特殊功能单元特殊功能单元种类的多少与功能的强弱是衡量PLC产品的一个重要指标。近年来各PLC厂商非常重视特殊功能单元的开发，特殊功能单元种类日益增多，功能越来越强，使PLC的控制功能日益扩大。8．可扩展能力

PLC的可扩展能力包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展、各种功能模块的扩展等。在选择PLC时，经常需要考虑PLC的可扩展能力。9．其他：如负载能力、外形尺寸、重量、保护等级、适用的安装和使用环境如温度、湿度等性能指标。二、可编程控制器主要技术指标1.1.4可编程控制器特点、应用及发展

返回本节一、可编程控制器特点1、编程简单，使用方便2、控制灵活，具有很好的柔性和灵活性3、功能强，扩展方便，性价比高4、控制系统设计及施工的工作量少，维修方便5、丰富的I/O接口6、可靠性高，抗干扰能力强7、体积小、重量轻、能耗低二、可编程控制器应用

1、逻辑控制可编程控制器具有“与”、“或”、“非”等各种逻辑运算能力，能进行组合逻辑控制、定时控制与顺序控制等，是PLC最为普及的应用领域。2、运动控制通过专用的运动控制模块或灵活运用相关指令，可编程控制器可以使运动控制与顺序控制有机地结合在一起，并广泛地用于各种运动控制领域，如金属切削机床、装配机械、机器人、电梯等等。随着变频器、伺服驱动器、电动机软起动器等的普遍使用，可编程控制器可以与变频器、伺服驱动器、软启动器等有机结合，使运动控制功能更为强大。返回本节二、可编程控制器应用

3、过程控制可编程控制器可以接收温度、压力、流量等连续变化的模拟量，通过模拟量I/O模块，实现模拟量和数字量之间的A/D转换和D/A转换，并对被控模拟量实现闭环PID控制。现代大中型可编程控制器一般都有PID闭环控制功能，此功能已经广泛地应用于轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。4、数据处理可编程控制器具有数学运算、数据传送、数据转换、数据排序和查表及位操作等功能，可以完成大量数据的采集、分析和处理。数据处理一般用于大型控制系统，如柔性制造系统，也可以用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品等的控制系统。5、构建网络控制可编程控制器的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台可编程控制器之间的通信、可编程控制器和其他设备(如计算机、变频器等)之间的通信等。可编序控制器与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。返回本节可编程序控制器－当代工业自动化支柱之一可编程序控制器－当代工业自动化支柱之一传送带生产线控制灌装及包装机械电梯控制空调控制纺织机械印刷机械可编程序控制器－当代工业自动化支柱之一（1）向高集成、高性能、高速度、大容量发展

（2）向普及化方向发展（3）向模块化、智能化发展

（4）向软件化发展（5）向网络化发展三、可编程控制器发展方向发展任务2认识S7-200可编程控制器结构1.2.1

S7-200PLC系统结构1.2.2S7-200PLC的系统扩展S7-200PLC系统组成1.2.1S7-200PLC系统结构

个人计算机（PC）或编程器需装上STEP7-Micro/WIN32编程软件后，才可供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视等。

STEP7-Micro/WIN32编程软件的基本功能是创建、编辑、调试用户程序、组态系统等。通讯电缆是PLC用来与个人计算机（PC）实现通讯的。可以用PC/PPI（或USB-PPI）电缆（RS232—RS485），也可用一个通讯处理器（CP）和多点接口（MPI）电缆，或者用一块MPI卡及随MPI卡提供的一根通讯电缆。一、CPU模块

从CPU模块的功能来看，SIMATICS7-200系列小型可编程序控制器为模块式，发展至今，大致经历了两代：第一代产品其CPU模块为CPU21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同结构配置的CPU单元：CPU212，CPU214，CPU215和CPU216，对第一代PLC产品不再作具体介绍。第二代产品其CPU模块为CPU22X，是在21世纪初投放市场的，速度快，具有较强的通信能力。它主要有五种不同结构和配置的CPU单元：CPU221/222/224/224XP/224XPsi/226，除CPU221之外，其他都可加扩展模块。（除221外都有对应的CN类型）S7—200CPU将一个微处理器、存储器、一个集成电源和数字量I/O点紧凑地集成在一个单元内，从而形成了一个功能强大的微型PLC。

特殊标志寄存器SMB28中的数值代表模拟电位器0的位置，SMB29中的数值代表模拟电位器1的位置。模拟电位器的标定范围为0到255。在使用SM28、SM29的时候,可以在PLC的外部调节它们的值的大小。可以插入EEPROM存储卡、后背电池、时钟等模块。灵活存储卡模块

电池模块时钟和电池模块

实时时钟和日历

(for221,222CPU)

可选电池—200天/典型值

内部数据的备份(数据块)

可选电池—200天/典型值

用于常规程序的传送和备份

数据记录文件,配方文件和

常规文件存储CPU221CPU222CPU224CPU226CPU224CN尺寸图CPU221(10I/O点)CPU222(14I/O点)CPU226(40I/O点))CPU224(24I/O点)CPU224XP(24I/O点)升级版

2004新

2004升级版

2004升级版

2004升级版

2004CPU型号性能比较CPU224XPCN2个模拟量输入通道1个模拟量输出通道数字量输入都是24VDC输入主机使用电源有24VDC和100～230VAC两种西门子表示CPU型号的方式订货号：6ES7216-2AD23-0XB8

6ES7216-2BD23-0XB8

CPU标识：CPU224CNDC/DC/DCCPU224CNAC/DC/继电器CPU对扩展模块提供5V电源的容量CPU型号性能比较

输入电路采用了双向光电耦合器，24VDC极性可任意选择，输入分两组（1组8个，1组6个），1M、2M为输入端子的公共端。由于是直流输入模块，所以采用直流电源作为检测各输入接点状态的电源（用户提供）。CPU接线-----数字量输入点（CPU224为例）DC24V输出分两组，继电器输出分3组。1L、2L、3L为输出端子的公共端。每个负载的一端与输出点相连，另一端经电源与公共端相连。对于继电器输出方式，既可带直流负载，也可带交流负载，负载的激励源由负载性质确定。输出端子排的右端N、L1端子是供电电源120/240VAC输入端，该电源电压允许范围为85～264VAC。

数字量输出点（CPU224）CPU224XP(si)的模拟量输入/输出点电流输出电压输出2路输入两路模拟量输入（缺省±10V电压信号），一路模拟量输出（10V电压或4-20mA电流）。通过外接500欧姆电阻可以接4-20mA电流输入输出接线用户给CPU提供的电源输入接线可供输入点或扩展模块的继电器输出的线圈或可传感器提供电源（一般每输入点接通需要4mA，每继电器线圈接通需要9mA）。CPU224为280mACPU电源输出接线输入接线4、扩展卡在CPU22X上还可以选择安装扩展卡。扩展卡EEPROM存储卡、后备电池和实时时钟卡。EEPROM存储卡用于用户程序、配方和数据记录的拷贝和保存，有64KB和256KB两种。后备电池用于PLC掉电后长时间保存用户数据。。实时时钟卡。S7-200的实时时钟卡本身带有电池，可以为PLC提供年、月、时、分、秒的日期/时间数据。CPU前面板上有三个发光二极管显示当前PLC状态和工作方式。绿色RUN指示灯亮，表示PLC处于运行状态；红色STOP指示灯亮，表示PLC处于停止状态；SF/DIAG指示灯，如果亮红灯，表示系统故障，存在致命错误，此时PLC会停止工作，如果亮黄灯，可能是编程定义/处于强制状态或其它原因。5、CPU的工作方式个人计算机或编程器装上STEP7-Micro/Win编程软件后，即可供用户进行程序的编辑、调试和监视等，其基本功能是创建、编辑、调试用户程序以及组态系统等。STEP7-Micro/Win编程软件是基于Windows的应用软件，目前最常用的是STEP7-Micro/WinV4.0。STEP7-Micro/WinV4.0SP6可以安装在MicrosoftWindowsXP/2000(SP3以上版本)/Vista基本版或专业版，STEP7-Micro/WinV4.0SP9可以安装在32位或64位的MicrosoftWindows7上。二、个人计算机及编程器通信电缆是用来连接S7-200PLC与个人计算机或编程器通信的。通常，S7-200PLC和编程器的通信是使用RS-232/PPI电缆连接CPU模块上的RS-485接口和计算机的RS-232串口进行；当计算机只有USB接口没有RS-232串口时，可使USB/PPI电缆；当使用通信处理器时，可使用多点接口（MPI）电缆。三、通信电缆四、电源1.2.2S7-200系列PLC的系统扩展一、S7-200PLC的扩展模块种类及扩展能力数字量扩展模块模拟量扩展模块测温模块：热电偶和热电阻扩展模块EM231通信扩展模块位置控制扩展模块EM253MODEM扩展模块EM241PROFIBUS-DP扩展模块EM277以太网扩展模块CP243-1因特网扩展模块CP243-ITAs-i扩展模块CP243-2S7-200的扩展模块包括数字量扩展模块，模拟量扩展模块，热电偶、热电阻扩展模块，通信模块、PID调节器模块等。1、扩展模块的种类EM2218DIDC/AC4mA/6-9mA16DIDC4mAEM2228DODC/relay/AC0.75A/2A/0.5A4DODC/relay5A/10AEM2234DI/4DODC/relay8DI/8DODC/relay16DI/16DODC/readyEM2314AI标准信号2AI热电阻4AI热电偶EM2322AOEM2354AI/1AO

2AIor4AIThermocouplesRTDmodules

PROFIBUSDPAS-i-Master

ModemEthernetTeleservice

Communi-cation

MessagingPositionmoduleforsteppersolution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)EthernetmoduleNEWNEWNEW一、S7-200PLC的扩展模块种类及扩展能力2、扩展能力在S7-200所有型号的CPU中，CPU221不能带扩展模块，CPU222最多可以带2个扩展模块，CPU224、CPU224XP、CPU224XPsi和CPU226最多可以带7个扩展模块。具体进行系统配置时，一个CPU模块到底能带多少个扩展模块，还要受CPU给扩展模块提供5V电源的能力以及每种扩展模块消耗5V电源的容量限制。如CPU224对扩展模块提供5V电源的容量是660mA，如果扩展EM2228×AC120/230V数字量输出模块，则因为每块EM2228×AC120/230V需要消耗110mA的5V电流，所以最多能扩展6块，而不是7块。一、S7-200PLC的扩展模块种类及扩展能力3、扩展模块与CPU模块的连接S7-200的扩展模块由CPU供给5V工作电源，不能单独使用，必须与CPU模块连接才能使用。连接时，CPU模块放在最左侧，扩展模块用扁平电缆与左侧的模块依次相连，其安装方式有面板安装和导轨安装两种。面板安装DIN导轨安装二、S7-200的数字量扩展模块

数字量输入模块数字量输出模块数字量输入、输出模块直流输入模块1）外部接线图：

直流输入模块（EM2218×24VDC）有8个数字量输入端子。接线图中，8个数字量输入点分成2组。1M、2M分别是2组输入点内部电路的公共端，每组需用户提供一个24VDC电源。1、数字量输入模块2）直流输入电路：

现场开关通/断状态，对应输入映象寄存器的1/0状态，即当现场开关闭合时，对应的输入映象寄存器为“1”状态；当现场开关断开时，对应的输入映象寄存器为“0”状态。当输入端的发光二极管VL点亮，即指示现场开关闭合。，外部直流电源用于检测输入点的状态，其极性可以任意接入。

交流输入模块1）外部接线图：

有8个分隔式数字量输入端子，每个输入点都占用二个接线端子。它们各自使用1个独立的交流电源（由用户提供）。这些交流电源可以不同相。（交流I/O都是分隔式的）2）交流输入电路：

交流输入模块的输入电路中，当现场开关闭合后，交流电源经C、R2、双向光电耦合器的发光