可編程控制器原理及應用第1章-PLC入門課件

1、主編：孫平浙江水利水電學院2019.5第1章 PLC入門 要求掌握常用指令的格式和應用方法，熟練繪制可編程控制器外部電路接線圖，掌握可編程控制器應用的基本設計思想和設計方法。 本教材以小型可編程控制器S7-200系列PLC為例，介紹可編程控制器的基本結構，以及工作原理。內(nèi)容介紹可編程控制器原理及應用PLC入門1.3 SIMATIC指令系統(tǒng)的編程語言1.1 PLC背景知識介紹 1.2 S7-200 PLC第 1 章1.4 STEP 7-Micro/WIN編程軟件 1968年由美國通用汽車公司（GE）提出，1969年由美國數(shù)字設備公司（DEC）研制成功，有邏輯運算、定時、計算功能稱為PLC（pro

2、grammable logic controller）。為了簡單識記，仍習慣地簡稱為PLC。1.1 PLC背景知識介紹 20世紀80年代，由于計算機技術的發(fā)展，PLC采用通用微處理器為核心，功能擴展到各種算術運算，PLC運算過程控制并可與上位機通訊、實現(xiàn)遠程控制。被稱為PC（programmable controller）即可編程控制器。1.PLC的產(chǎn)生1.1.1 PLC的產(chǎn)生與定義 國際電工委員會（IEC）1987年頒布的可編程邏輯控制器的定義如下： “可編程邏輯控制器是專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的一種數(shù)字運算操作的電子裝置，是帶有存儲器、可以編制程序的控制器。.” 可編程控制器（PLC）是

3、一種以微電子技術、自動化技術、計算機技術、通訊技術為一體，以工業(yè)自動化控制為目標的新型控制裝置。 2.PLC的定義 小型：I/O點數(shù)在256點以下； 中型：I/O點數(shù)在2561024點之間； 大型：I/O點數(shù)在1024點以上。（1）按I/O點數(shù)分類（2）按結構形式分類分為整體式結構和模塊式結構兩大類。 （3）按用途分類分為通用型和專用型兩大類。 PLC入門1.1.2 PLC的分類和特點 1. PLC的分類方法（1）使用于工業(yè)環(huán)境，抗干擾能力強。（2）可靠性高。無故障工作時間（平均）數(shù)十萬小時并可構成多機冗余系統(tǒng)。（3）控制能力極強。算術、邏輯運算、定時、計數(shù)、PID運算、過程控制、通訊等。（4

4、）使用、編程方便。（LAD）梯形圖、語句表（STL）、功能圖（FBD）、控制系統(tǒng)流程圖等編程語言通俗易懂，使用方便。 （5）組成靈活。小型PLC為整體結構，并可外接I/O擴展機箱構成PLC控制系統(tǒng)。 中大型PLC采用分體模塊式結構，設有各種專用功能模塊（開關量、模擬量輸入輸出模塊，位控模塊，伺服、步進驅動模塊、通信模塊等）供選用和組合，由各種模塊組成大小和要求不同的控制系統(tǒng)。PLC入門2. PLC的特點 可編程控制器在多品種、小批量、高質(zhì)量的產(chǎn)品生產(chǎn)中得到廣泛的應用，PLC控制已成為工業(yè)控制的重要手段之一，與CAD/CAM，機器人技術一起成為實現(xiàn)現(xiàn)代自動化生產(chǎn)的三大支柱。 通?？梢哉J為，只要有

5、控制要求的地方，都可以用到可編程控制器。 分小型化和大型化兩個發(fā)展趨勢。 小型PLC有兩個發(fā)展方向，即微型化和專業(yè)化。 大型化指的是大中型PLC向著大容量、智能化和網(wǎng)絡化發(fā)展，使之能與計算機組成集成控制系統(tǒng)，對大規(guī)模、復雜系統(tǒng)進行綜合性的自動控制。應用領域發(fā)展方向 PLC入門3.PLC的應用與發(fā)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通用邏輯模塊微 型 PLCS7- 200S7系列PLCS7-20

6、0 PLCCPU 221(10 I/O 點)CPU 222(14 I/O 點)CPU 226(40 I/O 點) CPU 224 (24 I/O 點)CPU 224XP(24 I/O 點)升級版2019新2019升級版2019升級版2019升級版2019CPU模塊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數(shù)字量I/O模塊模擬量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)Ethernetmodule擴展模塊豐富的擴展模塊S7-200 PLCSIMATIC S7-300 通用型PLC，面向生產(chǎn)制造領域的最佳系統(tǒng)解決方案S7-200 PLCS7-300戶外型 更多領域最佳解決方案交通運輸鐵路和公路運輸車輛交通控制系統(tǒng)起重機，升降平臺過程控制供水和污水處理石油化工玻璃工業(yè)鋼鐵工業(yè)礦山設備食品與飲料工業(yè) 按照可編程控制

8、器的工作原理，PLC分為輸入部分、運算控制部分和輸出部分三部分。 輸入部分：將被控對象各種開關信息和操作臺上的操作命令轉換成可編程控制器的標準輸入信號，然后送到PLC的輸入端點。 運算控制部分：CPU按照用戶程序的設定，完成對輸入信息的處理，并可以實現(xiàn)算術、邏輯運算等操作功能。 輸出部分：由PLC輸出接口及外圍現(xiàn)場設備構成。CPU的運算結果通過PLC的輸出電路，提供給被控制裝置。1.2 S7-200 PLCPLC入門1. 可編程控制器的工作原理 1.2.1 S7-200PLC的構成 CPU硬件電路的構成： 可編程控制器由CPU，存儲器，基本I/O接口電路，外設接口，電源等五大部分組成。圖1.1

9、 PLC主機硬件電路(1)中央處理器（CPU）：小型PLC多采用單片機或專用CPU (2)存儲器（Memory）： EEPROM和RAM PLC入門2. 可編程控制器的硬件結構 圖1.2 輸入電路（3） 基本I/O接口電路 可編程控制器輸入電路 PLC內(nèi)部輸入電路作用是將PLC外部信號送至PLC內(nèi)部電路。輸入電路分為直流輸入式（干接點式）和交流輸入式兩大類。干接點式直流式交流式PLC入門圖1.3 輸出電路 可編程控制器輸出電路 用來驅動被控負載（電磁鐵、繼電、接觸器線圈等）。輸出電路結構形式分為繼電器式，雙極型和晶閘管式等三種。繼電器式雙極型式晶閘管式(4) 接口電路：分為I/O擴展和外設通訊

10、接口電路兩大類。(5) 電源： 5V和24VDC直流開關式穩(wěn)壓電源。PLC入門 按照可編程控制器的工作原理，PLC分為輸入部分、運算控制部分和輸出部分三部分。 輸入部分：將被控對象各種開關信息和操作臺上的操作命令轉換成可編程控制器的標準輸入信號，然后送到PLC的輸入端點。 運算控制部分：CPU按照用戶程序的設定，完成對輸入信息的處理，并可以實現(xiàn)算術、邏輯運算等操作功能。 輸出部分：由PLC輸出接口及外圍現(xiàn)場設備構成。CPU的運算結果通過PLC的輸出電路，提供給被控制裝置。PLC入門1. 可編程控制器的工作原理 1.2.2 CPU224模塊面板結構：工作方式開關，模擬電位器，I/O擴展接口，工作

11、狀態(tài)指示和用戶程序存儲卡，I/O接線端子排及發(fā)光指示等。 RS-485通訊接口，用以連接編程器（手持式或PC機）、文本圖形顯示器、PLC網(wǎng)絡等外部設備。PLC入門圖3. 1 CPU 224主機的結構1. CPU 224型PLC結構1.2.2 CPU224模塊 輸入電路采用雙向光耦，24V DC極性任意選擇。 輸出電路采用IGBT器件的雙極型電路。PLC入門圖1.5 CPU 224I/O電路 （1）集成I/O （CPU） CPU224設有24V、280mA直流電源供輸入點使用。2. CPU 224 接線圖輸入電路： 1M為IB0字節(jié)輸入端子的公共端。、2M為IB1字節(jié)輸入端子的公共端。 PLC入

12、門圖1.5 CPU 224外部電路接線輸出電路： 1L為Q0.0Q0.3輸出端子的公共端。 2L為Q0.4Q0.6輸出端子的公共端。 3L為Q0.7Q1.1輸出端子的公共端。PLC入門 CPU 224 的高速計數(shù)脈沖輸入端（I0.0I0.5），響應速度為30KHz。 CPU 224 的2個高速脈沖輸出端（Q0.0、Q0.1），輸出脈沖頻率可達20KHz。用于脈沖束和PWM高速脈沖輸出。 S7-200 CPU存儲器有RAM和EEPROM兩種。 系統(tǒng)掉電時，自動將RAM中的有關內(nèi)容保存到EEPROM存儲器。 圖1.6 S7-200 CPU 的存儲器3. CPU 224的高速反應性 4. CPU 2

13、24 的存儲系統(tǒng)PLC入門用來改變特殊寄存器（SM32、SM33）中的數(shù)值。 5.模擬電位器6. 掃描周期 S7-200 CPU連續(xù)執(zhí)行用戶任務的循環(huán)序列稱為掃描。圖1.7 CPU掃描周期 一個機器掃描周期（用戶程序運行一次），分為讀輸入（輸入采樣），執(zhí)行程序，處理通訊請求，執(zhí)行CPU自診斷，寫輸出（輸出刷新）等五個階段，CPU周而復始地循環(huán)掃描工作。 也可簡化為讀輸入（輸入采樣）、執(zhí)行用戶程序和寫輸出（輸出刷新）三個階段。PLC入門S7-200 CPU的兩種工作方式 STOP（停止）RUN（運行） 方式開關 軟件設置 STOP指令 改變工作方式的方法 使用工作方式開關改變工作狀態(tài) 面板上的工

14、作方式開關有三個檔位：STOP、TERM（Terminal）、RUN （停止終端運行）。7. CPU的工作方式PLC入門1. 數(shù)據(jù)存儲類型及尋址方式1.2.3 S7-200PLC的內(nèi)部軟元件 PLC內(nèi)部設計了編程使用的各種軟元件，在數(shù)據(jù)存儲區(qū)為每一種軟元件分配一個存儲區(qū)域。 PLC與繼電器控制的根本區(qū)別在于PLC采用的是軟器件，以程序實現(xiàn)各器件間的連接。 （1） 數(shù)據(jù)存儲器的分配 S7-200按軟元件的種類將數(shù)據(jù)存儲器分成若干個存儲區(qū)域 ，每個區(qū)域存儲單元按字節(jié)編址，可以進行字節(jié)、字、雙字和位操作 。 PLC入門（2）數(shù)值表示方法 數(shù)據(jù)類型有布爾型（BOOL）、整數(shù)型（INT）、雙整數(shù)（DIN

15、T）和實數(shù)型（REAL）。數(shù)據(jù)大小無符號整數(shù)符號整數(shù)十進制十六進制十進制十六進制B (字節(jié)) 8位值02550FF-128127807FW (字) 16位值0655350FFFF-327683276780007FFFDW(雙字) 32位值042949672950FFFFFFFF-21474836482147843647800000007FFFFFFF表1.1 數(shù)據(jù)大小范圍及相關整數(shù)范圍 輸入映像寄存器： 輸入映像寄存器區(qū)域共16個字節(jié)，編址范圍（I0.0I15.7）；數(shù)據(jù)可以按位、字節(jié)、字長、雙字操作（該區(qū)域按位操作又被稱作輸入繼電器）。（1）輸入輸出映像寄存器外部輸入點輸入端子圖3. 9 輸

16、入位操作示意圖位操作原理： 輸入繼電器線圈由外部信號驅動，常開觸點和常閉觸點供用戶編程使用。S7-200 PLC 數(shù)據(jù)存儲區(qū)分為：I/Q、V、M、S、SM、L、T、C、AI/AQ、AC和HC，共11類內(nèi)部元器件區(qū)域，供用戶編程使用。2. S7-200數(shù)據(jù)存儲區(qū)及軟元件功能數(shù)據(jù)尋址方式： 立即數(shù)尋址、直接尋址和間接尋址三大類。立即數(shù)尋址：#100直接尋址：位尋址如圖1.9。 字節(jié)、字、雙字尋址 （直接尋址） 例：VB100、VW100、VD100圖1.9 位尋址間接尋址：例：MOVW AC1，AC0 將AC1作為內(nèi)存地址指針，把以AC1中內(nèi)容為起始地址的內(nèi)存單元的16位數(shù)據(jù)送到累加器AC0中。圖

17、1.11 間接尋址PLC入門（3）S7-200尋址方式 輸出映像寄存器： 編址范圍（Q0.0-Q15.7），用來將PLC的輸出信號傳遞給負載，數(shù)據(jù)可以按位、字節(jié)、字長、雙字操作（該區(qū)域按位操作又被稱作輸出繼電器） 。位操作原理： 輸出線圈用程序指令驅動，常開觸點和常閉觸點供用戶編程使用。圖3. 10 輸出位操作示意圖 CPU 224主機集成有I0.0I0.7，I1.0I1.5共14個數(shù)字量輸入端點，Q0.0Q0.7、Q1.0、Q1.1共10個數(shù)字量輸出端點。集成： CPU每一個I/O點都是一個確定的物理點。PLC入門 用以存儲運算的中間結果和其它數(shù)據(jù)。CPU 224有VB0.0VB5119.7

18、的5K存儲字節(jié)?？砂次?、字節(jié)、字或雙字使用。（2）變量存儲器V M作為控制繼電器（又稱中間繼電器），用來存儲中間操作數(shù)或其它控制信息。 編址范圍M0.0M31.7，可以按位、字節(jié)、字或雙字存取的數(shù)據(jù)。（3）內(nèi)部標志位（M）存儲區(qū) S又稱狀態(tài)元件，以實現(xiàn)順序控制和步進控制。 編址范圍S0.0S31.7，可以按位、字節(jié)、字或雙字存取數(shù)據(jù)。（4）順序控制繼電器（S）存儲區(qū)PLC入門 CPU 224編址范圍SM0.0 SM179.7，共180個字節(jié)。其中SM0.0SM29.7的30個字節(jié)為只讀型區(qū)域。 （5）特殊標志位（SM）存儲器SMB0為狀態(tài)位字節(jié)，每次掃描循環(huán)結尾由S7-200 CPU更新。定義

19、如下：SM0.0-RUN狀態(tài)監(jiān)控，PLC在運行RUN狀態(tài)，該位始終為1。SM0.1-首次掃描時為1，PLC由STOP轉為RUN狀態(tài)時，ON（1態(tài)）一個掃描周期，用于程序的初始化。SM0.2-當RAM數(shù)據(jù)丟失時，ON一個掃描周期，用于出錯處理。SM0.3-PLC上電進入RUN方式，ON一個掃描周期。SM0.4-分脈沖，該位輸出一個占空比為50的分時鐘脈沖。用作時間基準或簡易延時。PLC入門SM0.5-秒脈沖，該位輸出一個占空比為50的秒時鐘脈沖?？捎米鲿r間基準。SM0.6-掃描時鐘，一個掃描周期為ON（高電平），另一為OFF（低電平）循環(huán)交替。SM0.7-工作方式開關位置指示，0為TERM位置，

20、1為RUN位置。為1時，使自由端口通訊方式有效。SMB1為指令狀態(tài)位字節(jié)，常用于表處理及數(shù)學運算。PLC入門部分位定義如下： SM1.0-零標志，運算結果為0時，該位置1。 SM1.1-溢出標志，運算結果溢出或查出非法數(shù)值，該位置1 。 SM1.2-負數(shù)標志，數(shù)學運算結果為負時，該位為1。（6）局部存儲器（L） 共有64個字節(jié)的局部存儲器，編址范圍LB0.0LB63.7，其中60個字節(jié)可以用作暫時存儲器或者給子程序傳遞參數(shù)，最后4個字節(jié)為系統(tǒng)保留字節(jié)。 （7）定（計）時器（相當于時間繼電器） S7-200 CPU中的定（計）時器是對內(nèi)部時鐘累計時間增量的設備，用于時間控制。編址范圍T0T255

21、（22X）；T0T127(21X)。（8） 計數(shù)器 計數(shù)器主要用來累計輸入脈沖個數(shù)。 編址范圍C0C255（22X），C0C127（21X）。PLC入門（9）模擬量輸入輸出映像寄存器（AI/AQ） 模擬量輸入電路將外部輸入的模擬量（如溫度、電壓等）轉換成1個字長（16位）的數(shù)字量，存入模擬量輸入映像寄存器區(qū)域。PLC入門 AI編址范圍AIW0，AIW2，AIW62，起始地址定義為偶數(shù)字節(jié)地址，共有32個模擬量輸入點。 模擬量輸出電路用來將輸出映像寄存器區(qū)域的1個字長（16位）模擬量數(shù)字值轉換為模擬電流或電壓輸出。 AQ編址范圍AQW0，AQW2，AQW62，起始地址也采用偶數(shù)字節(jié)地址，共有32

22、個模擬量輸出點。（10）累加器（AC） 累加器是用來暫存數(shù)據(jù)， S7-200 PLC提供了4個32位累加器AC0AC3。累加器支持以字節(jié)（B）、字（W）和雙字（D）的存取。 CPU 22X提供了6個高速計數(shù)器HC0、HC1HC5 （每個計數(shù)器最高頻率為30KHz）用來累計比CPU掃描速率更快的事件。高速計數(shù)器的當前值為雙字長的符號整數(shù)。（11）高速計數(shù)器（HC）PLC入門PLC入門3. S7-200 PLC有效編程范圍 描述CPU 221CPU 222CPU 224CPU 226用戶程序（W）2K2K4K8K用戶數(shù)據(jù)（W）1K 1K 4K 5K 輸入映像寄存器I0.0I15.7I0.0I15.

23、7I0.0I15.7I0.0I15.7輸出映像寄存器Q0.0Q15.7Q0.0Q15.7Q0.0Q15.7Q0.0Q15.7模擬量輸入(只讀)-AIW0AIW30AIW0AIW62AIW0AIW62模擬量輸出(只寫)-AQW0AQW30AQW0AQW62AQW0AQW62變量存儲器(V)V0.0V2047.7V0.0V2047.7V0.0V5119.7V0.0V5119.7局部存儲器(L)L0.0L63.7L0.0L63.7L0.0L63.7L0.0L63.7位存儲器(M)M0.0M31.7M0.0M31.7M0.0M31.7M0.0M31.7特殊存儲器(SM )只讀SM0.0SM179.7S

24、M0.0SM29.7SM0.0SM179.7SM0.0SM29.7SM0.0SM179.7SM0.0SM29.7SM0.0SM179.7SM0.0SM29.7定時器范圍 T0T255 T0T255 T0T255 T0T255 記憶延遲1ms T0,T64 T0,T64T0,T64T0,T64表1.2 S7-200 CPU編程軟元件的有效范圍和特性一覽表 描述CPU 221CPU 222CPU 224CPU 226記憶延遲10msT1T4,T65T68T1T4,T65T68T1T4,T65T68T1T4,T65T68記憶延遲100msT5T31 T69T95T5T31 T69T95T5T31 T

25、69T95T5T31 T69T95接通延遲1msT32,T96T32,T96T32,T96T32,T96接通延遲10msT33T36T97T100T33T36T97T100T33T36T97T100T33T36T97T100接通延遲100msT37T63T101T255T37T63T101T255T37T63T101T255T37T63T101T255計數(shù)器C0C255C0C255C0C255C0C255高速計數(shù)器HC0,HC3,HC4,HC5HC0,HC3,HC4,HC5HC0HC5HC0HC5順序控制繼電器S0.0S31.7S0.0S31.7S0.0S31.7S0.0S31.7累加寄存器AC0AC3AC0AC3AC0AC3AC0AC3跳轉/標號0255025502550255調(diào)用/子程序063063063063中斷時間0127012701270127PID回路07070707通訊端口0000,11.3 SIMATIC指令系統(tǒng)的編程語言 1. 梯形圖編輯器（LAD）圖1.18 梯形圖實例安裝方法 安裝 Micro/WIN V4.0 SP9 升級版將把先前系統(tǒng)中安裝的 V4.0 正式版（包括各 SP 版本）升級到 SP9。中文和編程模式的設定方法 工具菜單（Tools），點擊選項（Optio