教育PLC的硬件與工作原理

2024/11/6第二章

PLC的硬件與工作原理電氣控制與PLC

2024/11/6本章主要內(nèi)容2.1PLC的硬件2.2PLC的工作原理2.3S7-200系列PLC2.4I/O的地址分配與外部接線

2024/11/6本章學(xué)習(xí)要求

了解PLC的組成模塊和擴(kuò)展模塊掌握PLC的工作原理（重點(diǎn)）熟練掌握PLC的擴(kuò)展和編址（重點(diǎn)、難點(diǎn)）

2024/11/62.1PLC的硬件一、PLC的物理結(jié)構(gòu)

整體式PLC——把CPU模塊、I/O模塊和電源裝在一個(gè)機(jī)殼內(nèi)。運(yùn)行狀態(tài)LED可選卡插槽通信端口I/O狀態(tài)LED頂部端子蓋電源及輸出端子前蓋：RUN/STOP開關(guān)電位器及擴(kuò)展I/O口低部端子蓋：輸入端子及傳感器電源

2024/11/6一、PLC的物理結(jié)構(gòu)

模塊式PLC——大中型一般采用，由機(jī)架和模塊組成。CPU模塊

智能I/O模塊

通信模塊

編程器PLC/上位計(jì)算機(jī)

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程

輸入模塊

輸出模塊2.1PLC的硬件

2024/11/62.1PLC的硬件二、CPU模塊中的存儲(chǔ)器1.存儲(chǔ)器的類型

ROM、RAM、EEPROM。2.存儲(chǔ)器的劃分(1)系統(tǒng)存儲(chǔ)器

ROM存儲(chǔ)器。(2)用戶程序存儲(chǔ)器有掉電保護(hù)的RAM或EEPROM存儲(chǔ)器。不同型號(hào)的PLC其存儲(chǔ)器的容量差別很大。

2024/11/6(3)工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

有掉電保護(hù)的RAM或EEPROM存儲(chǔ)器。在工作數(shù)據(jù)區(qū)預(yù)先開辟了“元件映像寄存器”和變量數(shù)據(jù)區(qū)。有掉電時(shí)能保持?jǐn)?shù)據(jù)的區(qū)域——數(shù)據(jù)保持區(qū)。2.1PLC的硬件二、CPU模塊中的存儲(chǔ)器

2024/11/61.數(shù)字量（開關(guān)量）輸入接口電路

(1)直流輸入接口電路

2.1PLC的硬件三、I/O模塊

2024/11/62.1PLC的硬件(2)交流輸入接口電路內(nèi)部電路R3＋U

VT濾波SCOMR1R2CLED輸入指示~三、I/O模塊

2024/11/62.1PLC的硬件三、I/O模塊2.數(shù)字量（開關(guān)量）輸出接口電路

根據(jù)輸出電路所用開關(guān)器件的不同分類。(1)繼電器輸出接口電路適用于：低頻大功率直流或交流負(fù)載。

2024/11/62.1PLC的硬件三、I/O模塊2.1PLC的硬件三、I/O模塊(2)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(晶體管)輸出接口電路適用于：高頻小功率直流負(fù)載。

2024/11/6(3)雙向晶閘管輸出單元LED輸出指示R1COMFU負(fù)載－＋內(nèi)部電路R

CVT1

＋－~VT2

R22.1PLC的硬件三、I/O模塊適用于：高頻大功率交流負(fù)載。

2024/11/61.邏輯運(yùn)算2.2PLC的工作原理一、用觸點(diǎn)和線圈實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算?“0”：線圈斷電;觸點(diǎn)不動(dòng)作。?“1”

：線圈通電;觸點(diǎn)動(dòng)作。

?

輸入：觸點(diǎn)狀態(tài)。

?

輸出：線圈狀態(tài)。

2024/11/62.PLC中實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算2.2PLC的工作原理一、用觸點(diǎn)和線圈實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算?PLC中的編程元件沿用了繼電器這一名稱。?采用“軟”繼電器（編程元件）代替“硬”繼電器。

2024/11/61.運(yùn)行模式2.2PLC的工作原理二、PLC的運(yùn)行模式?

STOP（停止）模式?

RUN（運(yùn)行）模式2.運(yùn)行模式的切換?

編程軟件?

模式開關(guān)?

程序中插入指令

2024/11/62.2PLC的工作原理三、PLC的工作原理PLC是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，所以它的工作原理與計(jì)算機(jī)的工作原理基本上是一致的，也就是說(shuō)，PLC是在系統(tǒng)程序的管理下，通過(guò)運(yùn)行應(yīng)用程序完成用戶任務(wù)，實(shí)現(xiàn)控制目的。

2024/11/62.2PLC的工作原理三、PLC的工作原理?

PLC的掃描工作方式PLC采用“順序掃描、不斷循環(huán)”的工作方式。

CPU連續(xù)執(zhí)行用戶程序，任務(wù)的循環(huán)序列稱為掃描。一個(gè)掃描周期包含以下任務(wù):

2024/11/62.2PLC的工作原理三、PLC的工作原理1.讀取輸入

讀(采樣)輸入端子的信號(hào)→存入(刷新)I

中。沒(méi)有使用的I

位被清零。CPUDIAI輸入映像寄存器輸出映像寄存器DOAO............

2024/11/62.2PLC的工作原理三、PLC的工作原理2.程序執(zhí)行階段

?

CPU從第一條指令開始，按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結(jié)束，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描。

?輸入信號(hào)變化了的狀態(tài)只能在下一個(gè)掃描周期的讀取輸入階段被讀入。?執(zhí)行用戶程序中的特殊處理：

中斷程序的處理

立即I/O處理

2024/11/62.2PLC的工作原理三、PLC的工作原理3.處理通信請(qǐng)求

CPU處理從通信端口接收到的任何信息。處理通信請(qǐng)求的時(shí)間是可以調(diào)節(jié)的。4.執(zhí)行CPU的自診斷

CPU檢查其硬件、I/O模塊狀態(tài)、用戶存儲(chǔ)器。發(fā)現(xiàn)故障，報(bào)警或停止程序運(yùn)行。5.改寫輸出將Q中的輸出值→輸出鎖存器→驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象按新的輸出值動(dòng)作。

2024/11/62.2PLC的工作原理三、PLC的工作原理8.PLC的工作過(guò)程舉例LD I0.1O Q0.0AN I0.2=Q0.0

2024/11/62.2PLC的工作原理三、PLC的工作原理PLC的工作過(guò)程

輸入端子輸入映像寄存器輸出鎖存輸出端子元件映像寄存器輸入信號(hào)輸出①刷新輸入刷新階段②讀③寫④讀⑤寫⑥讀⑦寫⑧刷新⑨輸出執(zhí)行程序階段輸出刷新階段

2024/11/69.PLC的輸入/輸出滯后現(xiàn)象

影響輸入/輸出響應(yīng)滯后的主要因素有：

?輸入延遲時(shí)間。?掃描周期。?輸出延遲時(shí)間。?程序語(yǔ)句的安排，影響程序執(zhí)行時(shí)間。

如圖所示程序：

?從I0.0接通到Q0.1接通延遲了一個(gè)多掃描周期（正常）。?而Q0.0被接通卻延遲了兩個(gè)多掃描周期（不正常）。

解決方法：交換網(wǎng)絡(luò)1與網(wǎng)絡(luò)2前后位置。

2.2PLC的工作原理三、PLC的工作原理

2024/11/61.1975年，西門子公司投放市場(chǎng)的第一代PLC是S3系列。2.3S7-200系列PLC一、S系列PLC發(fā)展概述2.1979年，S5系列。?

每個(gè)系列中又發(fā)展了多個(gè)子系列，比如S5系列產(chǎn)生不久

便升級(jí)為U系列和H系列，有的至今仍在使用。?

S5系列PLC的編程使用的是STEP5編程語(yǔ)言。3.上世紀(jì)末，推出了S7系列產(chǎn)品。?小型：S7－200；中型：S7－300；大型：S7－400；?

S7系列PLC的編程使用的是STEP7編程語(yǔ)言。4.2004年，推出了S7-200的升級(jí)產(chǎn)品。

2024/11/62.3S7-200系列PLC二、S7－200小型PLC的基本性能1.CPU基本特點(diǎn)

2024/11/62.3S7-200系列PLC二、S7－200小型PLC的基本性能2.主機(jī)及I/O特性

2024/11/62.3S7-200系列PLC三、數(shù)字量擴(kuò)展模塊型號(hào)描述類型EM221EM222EM223數(shù)字量輸入擴(kuò)展模塊數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊數(shù)字量輸入/輸出擴(kuò)展模塊8點(diǎn)24VDC輸入8點(diǎn)AC120/230V輸入16點(diǎn)24VDC輸入8點(diǎn)24VDC輸出

8點(diǎn)繼電器輸出8點(diǎn)AC120/230V輸出4點(diǎn)24VDC輸出,5A/點(diǎn)4點(diǎn)繼電器輸出,10A/點(diǎn)DI4

/DO4×DC24VDI4

/DO4×DC24V/繼電器DI8

/DO8×DC24VDI8

/DO8×DC24V/繼電器DI16

/DO16×DC24VDI16

/DO16×DC24V/繼電器EM221

2024/11/62.3S7-200系列PLC四、模擬量I/O擴(kuò)展模塊

型號(hào)和描述規(guī)格

功耗/W

電源要求/mA

＋5VDC＋24VDC

EM231模擬量輸入擴(kuò)展模塊

EM232模擬量輸出擴(kuò)展模塊

EM235模擬量混合模塊EM231TC熱電偶輸入模塊EM231RTD熱電阻輸入模塊4輸入通道

2輸出通道4輸入/1

輸出

4輸入通道2輸入通道2

22

1.81.8260

20703060

87608760

2024/11/62.4I/O地址分配與外部接線一、I/O擴(kuò)展?

CPU22X每種主機(jī)所提供的本機(jī)I/O點(diǎn)的I/O地址是固定的，

進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，可在CPU右邊連接多個(gè)擴(kuò)展模塊。?每個(gè)擴(kuò)展模塊的組態(tài)地址編號(hào)取決于各模塊的類型和該模

塊在I/O鏈中所處的位置。CPU222EM253

2024/11/62.4I/O地址分配與外部接線二、編址方法?

CPU22X每同種類型輸入或輸出點(diǎn)的模塊在鏈中按與主機(jī)

的位置而遞增。?其他類型模塊的有無(wú)以及所處位置不影響本類型模塊的編號(hào)。?其對(duì)于數(shù)字量，輸入輸出映像寄存器單位長(zhǎng)度為8位（1個(gè)字

節(jié)），本模塊高位實(shí)際位數(shù)未滿8位的，未用位不能分配給I/O

鏈的后續(xù)模塊。?對(duì)于模擬量，以2個(gè)字節(jié)分配空間，即上一地址和下一地址

要差2個(gè)字節(jié)。而且，模擬量擴(kuò)展模塊以2點(diǎn)（4字節(jié)）遞增的方

式來(lái)分配地址。

2024/11/62.4I/O地址分配與外部接線二、編址方法例題：某一控制系統(tǒng)選用CPU224，系統(tǒng)所需的輸入輸出

點(diǎn)數(shù)各為：數(shù)字量輸入24點(diǎn)，數(shù)字量輸出20點(diǎn)；

模擬量輸入6點(diǎn)，模擬量輸出2點(diǎn)。型號(hào)描述類型EM221EM222EM223數(shù)字量輸入擴(kuò)展模塊數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊數(shù)字量輸入/輸出擴(kuò)展模塊8點(diǎn)24VDC輸入8點(diǎn)AC120/230V輸入16點(diǎn)24VDC輸入8點(diǎn)24VDC輸出

8點(diǎn)繼電器輸出8點(diǎn)AC120/230V輸出4點(diǎn)24VDC輸出,5A/點(diǎn)4點(diǎn)繼電器輸出,10A/點(diǎn)DI4

/DO4×DC24VDI4

/DO4×DC24V/繼電器DI8

/DO8×DC24VDI8

/DO8×DC24V/繼電器DI16

/DO16×DC24VDI16

/DO16×DC24V/繼電器

2024/11/6分析：CPU224的DI：14點(diǎn)DO:10點(diǎn)

(1)需要擴(kuò)展的點(diǎn)數(shù)：DI:24-14=10DO:20-10=10

AI:6-0=6AO:2-0=2(2)硬件組態(tài)方案：

第一種：EM221(8DI)×2EM222(8DO)×2

EM231(4AI)×2EM232(2AO)×1

第二種：EM221(8DI)×1EM222(8DO)×1

EM223(4DI/4DO)×1EM235(4AI/1AO)×2

2.4I/O地址分配與外部接線二、編址方法例題：某一控制系統(tǒng)選用CPU224，系統(tǒng)所需的輸入輸出

點(diǎn)數(shù)各為：數(shù)字量輸入24點(diǎn)，數(shù)字量輸出20點(diǎn)；

模擬量輸入6點(diǎn)，模擬量輸出2點(diǎn)。

2024/11/62.4I/O地址分配與外部接線二、編址方法CPU221CPU222CPU224CPU2261無(wú)擴(kuò)展能力212345677123456CPU的擴(kuò)展能力：1）能擴(kuò)展的最多模塊數(shù)；2）CPU的帶負(fù)載能力。

2024/11/62.4I/O地址分配與外部接線二、編址方法基本I/O擴(kuò)展I/O主機(jī)CPU224EM2234DI/4DOEM2218DIEM2354AI/1AOEM2228DOEM2354AI/1AOI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7Q1.0Q1.1I2.0I2.1I2.2I2.3Q2.0Q2.1Q2.2Q2.3I3.0I3.1I3.2I3.3I3.4I3.5I3.6I3.7AIW0AIW2AIW4AIW6AQW0Q3.0Q3.1Q3.2Q3.3Q3.4Q3.5Q3.6Q3.7AIW8AIW10AIW12AIW14AQW4I0I1..Q0Q1..M0M1..V0V1V2..