第4講 PLC概述與工作原理

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

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

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PLC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)部計數(shù)器，內(nèi)部定時器，監(jiān)視掃描時間，統(tǒng)一管理編程接口，同時協(xié)調(diào)位處理器及輸入輸出。一個為位處理器，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器操作系統(tǒng)的管理下實現(xiàn)PLC編程語言向機械語言轉(zhuǎn)換。PLC基本概念1. CPU模塊共三十八頁PLC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。模擬量輸入模塊：接收電位器和測速發(fā)電機等設(shè)備提供的模擬電流、電壓信號。 輸出模塊開關(guān)量輸出模塊：用于控制接觸器、指示燈和報警裝置等輸出設(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PLC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PLC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通常可以為外部的輸入電路和電子傳感器提供24V的直流電源。PLC基本概念4.電源共三十八頁PLC的特點(tdin)編程簡單圖形式指令結(jié)構(gòu)簡化的程序結(jié)構(gòu)豐富的調(diào)試手段功能強，性價比高硬件配套齊全，適應(yīng)性強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)控制形成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。通過修改用戶程序，可以快速適應(yīng)工藝條件的變化可靠性高，抗干擾能力強利用軟件替代觸點，并減少接線專業(yè)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)計，抗干攏措施齊全系統(tǒng)設(shè)計安裝和調(diào)試工作量少維修方便體積小，功耗低PLC基本概念特點編程簡單硬件配套齊全調(diào)試工作量少可靠適應(yīng)性強功

6、能強共三十八頁PLC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的串并聯(lián)，方便實現(xiàn)邏輯控制、定時控制和順序控制。運動控制利用專用的運動控制模塊可以實現(xiàn)運動控制和順序控制功能的有機結(jié)合。例：機器人、電梯和機械加工。閉環(huán)過程控制用于對溫度、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)共三十八頁第二節(jié)西門子S系列(xli)PLC簡介共三十八頁西門子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新的品種或型號。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等幾個子系列，分別為它的小、中、大型系統(tǒng)使用的是STEP7編程語言2004年西門子公司推出了S7-200的升級產(chǎn)品（226和224xp）增強了S7-200在運動控制、過程控制、位置控制等方面的應(yīng)用共三十八頁西門子S7系列(xli)家族譜S系列(xli)PLC共三十八頁西門子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)存儲區(qū)程序執(zhí)行時間標(biāo)志寄存器/計數(shù)器/定時器高速計數(shù)器 實時時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)存儲區(qū)程序執(zhí)行時間標(biāo)志寄存器/計數(shù)器/定時器高速計數(shù)器 實時時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)置共三十八頁西門子S7-200擴展(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模塊測溫模塊通訊擴展模塊Modem模塊定位模塊以太網(wǎng)模塊(IT)數(shù)字量I/O模塊Ethernetmodule共三十八頁第三節(jié)PLC的工作(gngzu)原理共三十八頁一、PLC的工作(gngzu)方式RUN(運行)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PLC的工作(gngzu)原理 PLC采用(ciyng)循環(huán)（掃描）工作模式，包括五個階段：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)場信號執(zhí)行用戶程序輸出結(jié)果自診斷RUNSTOP共三十八頁PLC的掃描(somio)過程1 CPU自診斷測試CPU檢測(jin c)主機硬件，同時也檢查所有的I/O模塊的狀態(tài)。在RUN模式下，還檢測用戶程序存儲器。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PLC的掃描(somio)過程2 通信(tng xn)處理在CPU掃描周期的信

13、息處理階段，CPU自動檢測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、計算機等的通信請求，若有則進行相應(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PLC的掃描(somio)過程3 讀取現(xiàn)場信號先對各數(shù)字量輸入點的當(dāng)前(dngqin)狀態(tài)進行輸入掃描，并將各掃描結(jié)果分別寫入對應(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PLC的掃描(somio)過程4 執(zhí)行用戶程序執(zhí)行程序時，對輸入輸出的存取通常是通過映像(yn xin)寄存器實現(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PLC的掃描(somio)過程4

14、執(zhí)行(zhxng)用戶程序執(zhí)行程序時，對輸入輸出的存取通常是通過映像寄存器實現(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PLC的掃描(somio)過程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PLC的掃描(somio)過程PLC執(zhí)行的五個階段，稱為一個掃描周期，PLC完成一個周期后，又重新執(zhí)行上述過程，掃描周而復(fù)始地進行。掃描周期長短主要(zhyo)取決于程序的長短，它對于一般工業(yè)設(shè)備通常沒有什么影響，但對控制時間要求較嚴(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)延時等不良影響，一般在編程時應(yīng)對掃描周期精確計算，并盡量縮短和優(yōu)化程序代碼。工作原理共三十八頁PLC的掃描(somio)過程中斷(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器。正常情況下，中斷程序并不作為掃描周期的一部分進行掃描，僅僅是在中斷事件發(fā)生后才進行執(zhí)行，此時，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)先級來處理多個中斷。中斷程序使得CPU的掃描周期不是固定的，這一執(zhí)行特點在編制用戶程序時必須考慮到。立即I/O處理利用立即I/O點指令可以直接存取I/O點立即讀輸入點指令，不更新相應(yīng)的輸入映像寄存器立即寫輸出點指令，更

16、新相應(yīng)的輸出映像寄存器工作原理共三十八頁輸入/輸出滯后(zh hu)時間第一個掃描(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掃描周期I0.0Q0.0I0.0Q0.0最短滯后最長滯后工作原理共三十八頁輸入/輸出滯后(zh hu)時間工作(gngzu)原理電路慣性與程序設(shè)計安排有關(guān)掃描方式電路慣性輸入模塊濾波時間輸出模塊的滯后時間繼電器型輸出10ms晶閘管1ms晶體管1ms掃描方式最長可達到2個多掃描周期與程序設(shè)計安排有關(guān)共三十八頁PLC與計算機控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的異同相同點：基本結(jié)構(gòu)相同PLC和計算機都是主要由CPU、存儲器、輸入和輸出部分

17、(b fen)構(gòu)成。有的部件甚至（如存儲器）可以通用。程序執(zhí)行原理相同PLC和計算機都采用存儲程序，按地址訪問和順序執(zhí)行的基本工作思想。在PLC程序執(zhí)行階段，與計算機基本相同，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PLC與計算機控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的異同不同點：二者的不同點主要體現(xiàn)在工作方式上計算機工作時是循環(huán)地取指令和執(zhí)行指令。在執(zhí)行指令時，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，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，同時對各輸出點刷新。另外，PLC專業(yè)為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(shj)，輸入輸出部件采用電氣隔離技術(shù)，其元件經(jīng)過精挑細選，從而更好地保證了PLC設(shè)備工作的可靠性。總結(jié)，采用循環(huán)掃描，集中輸出的工作方式是PLC區(qū)別于微機的最大不同點。工作原理共三十八頁PLC與繼電接觸器控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的異同相同點圖形(txng)結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系相同。繼電接觸線圈與所連觸點的邏輯對應(yīng)關(guān)系，與PLC的梯形圖中的內(nèi)部線圈與內(nèi)部觸點的邏輯對應(yīng)關(guān)系相同。工作原理PLC內(nèi)部按鈕共三十八頁PLC與繼電接觸器控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的異同不同點實現(xiàn)原理不同繼電接觸器用實際電磁圈通電吸合，使觸點發(fā)生動作，用以完成控制任務(wù)，這個機械動作有一個延時過程，設(shè)計和分析控制電路時必須考慮到這一特點，而電子元件（如觸發(fā)器），動作的時間極短，使用時認(rèn)為是瞬時動