第4講 PLC概述與工作原理

1、2022/7/19自動(dòng)化技術(shù)培訓(xùn)教程(jiochng) 實(shí)驗(yàn)(shyn)實(shí)訓(xùn)中心 楊 青共三十八頁(yè)配套(pi to)教材深入淺出西門子S7-200PLC西門子（中國(guó)）有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)北京航空航天大學(xué)出版社S7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊(cè)S7-200應(yīng)用(yngyng)實(shí)例（中文）共三十八頁(yè)P(yáng)LC學(xué)習(xí)(xux)的要領(lǐng)多想，遇到每個(gè)控制要求，都應(yīng)該試想可以用電氣(dinq)控制系統(tǒng)的哪種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)？怎么樣實(shí)現(xiàn)功能更安全、更方便、更節(jié)省成本？多做，實(shí)現(xiàn)某個(gè)功能可能有多種方法，編程時(shí)可以從多種方案來(lái)編寫程序，可以自己設(shè)置控制要求編寫程序。多檢驗(yàn)，編寫的程序要在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上檢驗(yàn)，如果不能正常動(dòng)行，

2、要先自己檢查程序，學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題。PLC多想多檢驗(yàn)多做共三十八頁(yè)第四講 PLC概述與工作(gngzu)原理PLC概述PLC的組成PLC的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域西門子S系列PLC發(fā)展概述PLC的工作(gngzu)原理共三十八頁(yè)第一節(jié)PLC基本(jbn)概述共三十八頁(yè)P(yáng)LC定義(dngy)PLC基本概念什么(shn me)是PLC？1985年國(guó)際電工委員會(huì)IEC的定義：PLC是一種運(yùn)用數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用可編程存儲(chǔ)器，用來(lái)在內(nèi)部存儲(chǔ)、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式模塊的輸入和輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。定義共三十八頁(yè)P(yáng)

3、LC的構(gòu)成(guchng)PLC由 CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、編程裝置(zhungzh)構(gòu)成PLC基本概念共三十八頁(yè)P(yáng)LC的構(gòu)成(guchng)一般的中型(zhngxng)可編程控制器多為雙微處理器系統(tǒng)。一個(gè)是字處理器，它是主處理器，由它處理字節(jié)操作指令，控制系統(tǒng)總線，內(nèi)部計(jì)數(shù)器，內(nèi)部定時(shí)器，監(jiān)視掃描時(shí)間，統(tǒng)一管理編程接口，同時(shí)協(xié)調(diào)位處理器及輸入輸出。一個(gè)為位處理器，也稱布爾處理器，它是從處理器，它的主要作用是處理位操作指令和在機(jī)器操作系統(tǒng)的管理下實(shí)現(xiàn)PLC編程語(yǔ)言向機(jī)械語(yǔ)言轉(zhuǎn)換。PLC基本概念1. CPU模塊共三十八頁(yè)P(yáng)LC的構(gòu)成(guchng)聯(lián)系外部設(shè)備和CPU模塊的橋梁 輸入模塊

4、開關(guān)量輸入模塊：接收來(lái)自按鈕、位置開關(guān)和光電開關(guān)等設(shè)備提供(tgng)的開關(guān)量輸入信號(hào)。模擬量輸入模塊：接收電位器和測(cè)速發(fā)電機(jī)等設(shè)備提供的模擬電流、電壓信號(hào)。 輸出模塊開關(guān)量輸出模塊：用于控制接觸器、指示燈和報(bào)警裝置等輸出設(shè)備。模擬量輸出模塊：用于控制調(diào)節(jié)閥和變頻器等執(zhí)行裝置。PLC基本概念2. I/O模塊共三十八頁(yè)P(yáng)LC的構(gòu)成(guchng)手持式編程器PLC基本(jbn)概念3. 編程裝置用于生成、編輯和修改用戶程序編程軟件共三十八頁(yè)P(yáng)LC的構(gòu)成(guchng)PLC一般使用(shyng)220V的交流電源，電源部件將交流電轉(zhuǎn)換成供PLC的中央處理器、存儲(chǔ)器等電路工作所需的直流電（5V，+

5、12v,-12V，24V），使PLC能正常工作。PLC通?？梢詾橥獠康妮斎腚娐泛碗娮觽鞲衅魈峁?4V的直流電源。PLC基本概念4.電源共三十八頁(yè)P(yáng)LC的特點(diǎn)(tdin)編程簡(jiǎn)單圖形式指令結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的程序結(jié)構(gòu)豐富的調(diào)試手段功能強(qiáng)，性價(jià)比高硬件配套齊全，適應(yīng)性強(qiáng)可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都采用(ciyng)易于與工業(yè)控制形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。通過(guò)修改用戶程序，可以快速適應(yīng)工藝條件的變化可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)利用軟件替代觸點(diǎn)，并減少接線專業(yè)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)，抗干攏措施齊全系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝和調(diào)試工作量少維修方便體積小，功耗低PLC基本概念特點(diǎn)編程簡(jiǎn)單硬件配套齊全調(diào)試工作量少可靠適應(yīng)性強(qiáng)功

6、能強(qiáng)共三十八頁(yè)P(yáng)LC的應(yīng)用領(lǐng)域PLC基本(jbn)概念數(shù)字量邏輯控制利用指令替代物理觸點(diǎn)的串并聯(lián)，方便實(shí)現(xiàn)邏輯控制、定時(shí)控制和順序控制。運(yùn)動(dòng)控制利用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和順序控制功能的有機(jī)結(jié)合。例：機(jī)器人、電梯和機(jī)械加工。閉環(huán)過(guò)程控制用于對(duì)溫度、壓力和流量等連續(xù)變化的模擬量的控制可以提供直流的PID控制功能，方便用戶使用。數(shù)據(jù)處理通信聯(lián)網(wǎng)共三十八頁(yè)第二節(jié)西門子S系列(xli)PLC簡(jiǎn)介共三十八頁(yè)西門子S系列(xli)PLC發(fā)展概述S系列(xli)PLC第一代1975年投放市場(chǎng)的SIMATIC S3系列的控制系統(tǒng)。此后SIMATIC系列產(chǎn)品迅速發(fā)展，不斷推陳出新，幾乎每一到兩年甚至

7、不到一年就推出一個(gè)新的品種或型號(hào)。1979年微處理器技術(shù)被應(yīng)用到PLC中，產(chǎn)生了SIMATIC S5系列。S5系列PLC的編程使用的是STEP5編程語(yǔ)言上世紀(jì)末S7系列產(chǎn)品S7系列分為S7-200，S7-300，S7-400等幾個(gè)子系列，分別為它的小、中、大型系統(tǒng)使用的是STEP7編程語(yǔ)言2004年西門子公司推出了S7-200的升級(jí)產(chǎn)品（226和224xp）增強(qiáng)了S7-200在運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制、位置控制等方面的應(yīng)用共三十八頁(yè)西門子S7系列(xli)家族譜S系列(xli)PLC共三十八頁(yè)西門子S7系列(xli)基本性能S系列(xli)PLC集成的數(shù)字量輸入/輸出可連接的擴(kuò)展模塊數(shù)量最大數(shù)字量輸

8、入/輸出范圍模擬量范圍 輸入/輸出/最大用戶程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)程序執(zhí)行時(shí)間標(biāo)志寄存器/計(jì)數(shù)器/定時(shí)器高速計(jì)數(shù)器 實(shí)時(shí)時(shí)鐘脈沖輸出通訊接口模擬電位器自整定PID調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)記錄功能配方功能CPU 2216DI/4DO-10-4KB/2KB0.22 s256/256/2564 x 30 kHz選件2 x 20 kHz1x RS-4851內(nèi)置內(nèi)置內(nèi)置CPU 2228DI/6DO2788/4/104KB/2KB0.22 s256/256/2564 x 30 kHz選件 2 x 20 kHz1x RS-4851內(nèi)置內(nèi)置內(nèi)置共三十八頁(yè)西門子S7系列基本(jbn)性能S系列(xli)PLC集成的數(shù)字量輸入/輸出集

9、成的模擬量輸入/輸出可連接的擴(kuò)展模塊數(shù)量（最大）最大數(shù)字量輸入/輸出范圍模擬量范圍 輸入/輸出/最大用戶程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)程序執(zhí)行時(shí)間標(biāo)志寄存器/計(jì)數(shù)器/定時(shí)器高速計(jì)數(shù)器 實(shí)時(shí)時(shí)鐘脈沖輸出通訊接口模擬電位器自整定PID調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)記錄功能配方功能CPU 22414 DI/10 DO-716828/14/358/12 KB8 KB0.22 s256/256/2566 x 30 kHz內(nèi)置2 x 20 kHz1 x RS-4852內(nèi)置內(nèi)置內(nèi)置CPU 224XP14 DI/10 DO2AI/1A0716830/15/3812/16 KB 10 KB0.22 s256/256/2564 x 30 kHz2 x

10、 100 kHz內(nèi)置2 x 100 kHz2 x RS-4852內(nèi)置內(nèi)置內(nèi)置CPU 22624 DI/16 DO-724828/14/3516/24 KB10 KB0.22 s256/256/2566 x 30 kHz內(nèi)置2 x 20 kHz2 x RS-4852內(nèi)置內(nèi)置內(nèi)置共三十八頁(yè)西門子S7-200擴(kuò)展(kuzhn)模塊S系列(xli)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

11、Modem Ethernet4DI / 4DO8DI / 8DO16DI / 16DOTeleserviceCommuni-cationMessagingPosition module for stepper solution模擬量I/O模塊測(cè)溫模塊通訊擴(kuò)展模塊Modem模塊定位模塊以太網(wǎng)模塊(IT)數(shù)字量I/O模塊Ethernetmodule共三十八頁(yè)第三節(jié)PLC的工作(gngzu)原理共三十八頁(yè)一、PLC的工作(gngzu)方式RUN(運(yùn)行)方式執(zhí)行用戶程序?qū)崿F(xiàn)控制功能STOP（停止）方式不執(zhí)行用戶程序創(chuàng)建和編輯用戶程序，設(shè)置PLC的硬件信息下載用戶程序和PLC的硬件信息工作方式的切換利用

12、方式開關(guān)(kigun)利用編程軟件利用程序指令工作原理RUNSTOP共三十八頁(yè)P(yáng)LC的工作(gngzu)原理 PLC采用(ciyng)循環(huán)（掃描）工作模式，包括五個(gè)階段：自診斷檢查與編程器等的通信處理、輸入掃描執(zhí)行用戶程序輸出處理。工作原理與編程器通信讀入現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)執(zhí)行用戶程序輸出結(jié)果自診斷RUNSTOP共三十八頁(yè)P(yáng)LC的掃描(somio)過(guò)程1 CPU自診斷測(cè)試CPU檢測(cè)(jin c)主機(jī)硬件，同時(shí)也檢查所有的I/O模塊的狀態(tài)。在RUN模式下，還檢測(cè)用戶程序存儲(chǔ)器。自診斷通信輸入掃描執(zhí)行程序輸出處理工作原理共三十八頁(yè)P(yáng)LC的掃描(somio)過(guò)程2 通信(tng xn)處理在CPU掃描周期的信

13、息處理階段，CPU自動(dòng)檢測(cè)并處理各通信端口接收到的任何信息。即檢查是否有編程器、計(jì)算機(jī)等的通信請(qǐng)求，若有則進(jìn)行相應(yīng)處理，在這一階段完成數(shù)據(jù)通信任務(wù)。自診斷通信輸入掃描執(zhí)行程序輸出處理工作原理共三十八頁(yè)P(yáng)LC的掃描(somio)過(guò)程3 讀取現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)先對(duì)各數(shù)字量輸入點(diǎn)的當(dāng)前(dngqin)狀態(tài)進(jìn)行輸入掃描，并將各掃描結(jié)果分別寫入對(duì)應(yīng)的映象寄存器中。自診斷通信輸入掃描執(zhí)行程序輸出處理工作原理共三十八頁(yè)P(yáng)LC的掃描(somio)過(guò)程4 執(zhí)行用戶程序執(zhí)行程序時(shí)，對(duì)輸入輸出的存取通常是通過(guò)映像(yn xin)寄存器實(shí)現(xiàn)的自診斷通信輸入掃描執(zhí)行程序輸出處理工作原理共三十八頁(yè)P(yáng)LC的掃描(somio)過(guò)程4

14、執(zhí)行(zhxng)用戶程序執(zhí)行程序時(shí)，對(duì)輸入輸出的存取通常是通過(guò)映像寄存器實(shí)現(xiàn)的自診斷通信輸入掃描執(zhí)行程序輸出處理工作原理共三十八頁(yè)P(yáng)LC的掃描(somio)過(guò)程5 輸出結(jié)果CPU執(zhí)行完用戶程序后，將輸出映像(yn xin)寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到輸出模塊并加以鎖存。自診斷通信輸入掃描執(zhí)行程序輸出處理工作原理共三十八頁(yè)P(yáng)LC的掃描(somio)過(guò)程PLC執(zhí)行的五個(gè)階段，稱為一個(gè)掃描周期，PLC完成一個(gè)周期后，又重新執(zhí)行上述過(guò)程，掃描周而復(fù)始地進(jìn)行。掃描周期長(zhǎng)短主要(zhyo)取決于程序的長(zhǎng)短，它對(duì)于一般工業(yè)設(shè)備通常沒(méi)有什么影響，但對(duì)控制時(shí)間要求較嚴(yán)格，響應(yīng)速度有要求快的系統(tǒng)，為減少掃描周期造成的響

15、應(yīng)延時(shí)等不良影響，一般在編程時(shí)應(yīng)對(duì)掃描周期精確計(jì)算，并盡量縮短和優(yōu)化程序代碼。工作原理共三十八頁(yè)P(yáng)LC的掃描(somio)過(guò)程中斷(zhngdun)程序的處理如果在程序中使用了中斷，則與處理中斷事件的中斷程序與主程序一起被存入存儲(chǔ)器。正常情況下，中斷程序并不作為掃描周期的一部分進(jìn)行掃描，僅僅是在中斷事件發(fā)生后才進(jìn)行執(zhí)行，此時(shí)，CPU以異步掃描方式為用戶提供中斷服務(wù)，而且根據(jù)中斷優(yōu)先級(jí)來(lái)處理多個(gè)中斷。中斷程序使得CPU的掃描周期不是固定的，這一執(zhí)行特點(diǎn)在編制用戶程序時(shí)必須考慮到。立即I/O處理利用立即I/O點(diǎn)指令可以直接存取I/O點(diǎn)立即讀輸入點(diǎn)指令，不更新相應(yīng)的輸入映像寄存器立即寫輸出點(diǎn)指令，更

16、新相應(yīng)的輸出映像寄存器工作原理共三十八頁(yè)輸入/輸出滯后(zh hu)時(shí)間第一個(gè)掃描(somio)周期自診斷通信輸入執(zhí)行用戶程序輸出自診斷通信輸入執(zhí)行用戶程序輸出第二個(gè)掃描周期I0.0Q0.0I0.0Q0.0最短滯后最長(zhǎng)滯后工作原理共三十八頁(yè)輸入/輸出滯后(zh hu)時(shí)間工作(gngzu)原理電路慣性與程序設(shè)計(jì)安排有關(guān)掃描方式電路慣性輸入模塊濾波時(shí)間輸出模塊的滯后時(shí)間繼電器型輸出10ms晶閘管1ms晶體管1ms掃描方式最長(zhǎng)可達(dá)到2個(gè)多掃描周期與程序設(shè)計(jì)安排有關(guān)共三十八頁(yè)P(yáng)LC與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的異同相同點(diǎn)：基本結(jié)構(gòu)相同PLC和計(jì)算機(jī)都是主要由CPU、存儲(chǔ)器、輸入和輸出部分

17、(b fen)構(gòu)成。有的部件甚至（如存儲(chǔ)器）可以通用。程序執(zhí)行原理相同PLC和計(jì)算機(jī)都采用存儲(chǔ)程序，按地址訪問(wèn)和順序執(zhí)行的基本工作思想。在PLC程序執(zhí)行階段，與計(jì)算機(jī)基本相同，都是指令在內(nèi)存中順序存放，CPU從內(nèi)存中順序取指令并執(zhí)行，直到最后一條指令。工作原理共三十八頁(yè)P(yáng)LC與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的異同不同點(diǎn)：二者的不同點(diǎn)主要體現(xiàn)在工作方式上計(jì)算機(jī)工作時(shí)是循環(huán)地取指令和執(zhí)行指令。在執(zhí)行指令時(shí)，每執(zhí)行完一條指令。立即產(chǎn)生結(jié)果，這一結(jié)果立即影響到所涉及的部件。這樣不斷地取指令并執(zhí)行，直到最后一條指令結(jié)束。PLC是以循環(huán)掃描的方式工作，執(zhí)行用戶程序只是其中的一步，而且指令的執(zhí)行結(jié)果

18、并不立即傳送到輸出點(diǎn)，只是用它改變內(nèi)部的映象寄存器狀態(tài)，當(dāng)所有指令執(zhí)行完成后，同時(shí)對(duì)各輸出點(diǎn)刷新。另外，PLC專業(yè)為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)(shj)，輸入輸出部件采用電氣隔離技術(shù)，其元件經(jīng)過(guò)精挑細(xì)選，從而更好地保證了PLC設(shè)備工作的可靠性?？偨Y(jié)，采用循環(huán)掃描，集中輸出的工作方式是PLC區(qū)別于微機(jī)的最大不同點(diǎn)。工作原理共三十八頁(yè)P(yáng)LC與繼電接觸器控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的異同相同點(diǎn)圖形(txng)結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系相同。繼電接觸線圈與所連觸點(diǎn)的邏輯對(duì)應(yīng)關(guān)系，與PLC的梯形圖中的內(nèi)部線圈與內(nèi)部觸點(diǎn)的邏輯對(duì)應(yīng)關(guān)系相同。工作原理PLC內(nèi)部按鈕共三十八頁(yè)P(yáng)LC與繼電接觸器控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的異同不同點(diǎn)實(shí)現(xiàn)原理不同繼電接觸器用實(shí)際電磁圈通電吸合，使觸點(diǎn)發(fā)生動(dòng)作，用以完成控制任務(wù)，這個(gè)機(jī)械動(dòng)作有一個(gè)延時(shí)過(guò)程，設(shè)計(jì)和分析控制電路時(shí)必須考慮到這一特點(diǎn)，而電子元件（如觸發(fā)器），動(dòng)作的時(shí)間極短，使用時(shí)認(rèn)為是瞬時(shí)動(dòng)