电路和电子技术第6章可编程序控制器原理及应用

电工教研室北京理工大学信息科学技术学院第6章可编程序控制器基本原理和应用6.2可编程序控制器的基本结构和工作原理6.3S7-200CPU存储器的数据类型及寻址方式64可编程序控制器的基本指令和编程方法6.5编程实例6.1概述2.功能：逻辑控制；过程控制；位置控制；在线监控；远程控制；模拟量控制；故障诊断；联网通讯等。1.定义：可编程序控制器(PC或PLC)是一种以微处理器CPU为核心，专门用于工业现场的自动控制装置。3.特点：柔性好，程序可修改；功能强；抗干扰能力强；可靠性高，无触点控制；梯形图编程，简单易学；体积小，重量轻。缺点：与计算机相比，存储容量小；运算速度慢；价格高。6.1概述5.分类：小型机—I/O点数和≤128,内存为几KB中型机—128I/O点数和≤512,内存为几十KB大型机—512I/O点数和≤896,内存为几百KB超大型机—I/O点数和896,内存103KB按控制规模按结构整体式—各个功能部件封装在同一机箱内组合式—各个功能部件独立封装4.性能指标：输入输出(I/O)点数；扫描速度；内存容量；指令种类；内部寄存器；高功能模块数量。6.1概述6.2可编程序控制器的基本结构和工作原理6.2.1可编程序控制器的基本结构可编程序控制器实质上是专用于工业控制的计算机，其组成与通用计算机基本相同。PLC由中央处理器(CPU)、存储器(RAM,ROM)、输入接口单元、输出接口单元、电源模块等组成。整体式结构PLC，所有部件均封装在同一机箱内；组合式结构PLC，各功能部件独立封装，安装在机架的插槽内，通过总线相互连接。电源输出接口输入接口I/O扩展接口接受现场信号I/O接口外设I/O扩展模块驱动被控设备运算器中央处理器(CPU)控制器存储器EPROM系统程序用户程序RAM编程器主机外部设备整体式PLC的结构框图组合式PLC的结构框图中央处理器(CPU)存储器输入接口模块输出接口模块电源模块通讯模块高功能模块上位机或其它PLC驱动被控设备…接受现场信号…智能I/O模块…总线1.中央处理器CPU2.存储器随机存储器RAMCPU自诊断与编程器、计算机通讯读入现场信号执行用户程序输出控制信号PLC的巡回扫描工作过程如图。内存：只读存储器ROMPLC各部分的作用CPU以固定周期进行巡回扫描。运算器和控制器是整个系统的核心，完成程序处理和系统控制。外存：EPROM，盒式磁带等功能：存储程序和数据程序：系统程序和用户程序I/O单元是CPU与I/O设备之间的连接部件。输入设备(如按钮、行程开关、传感器等)的开关信息通过输入接口电路送入PLC；PLC通过输出接口电路向执行部件(如交流接触器、继电器、电磁阀等)发出控制信号。4.电源3.输入/输出I/O单元系统电源和后备电池，应有性能良好的稳压措施。5.编程器6.I/O扩展模块7.其它外部设备人-机对话的工具，一般配有键盘、显示器，用作用户程序的输入、编辑、调试和监视，它用电缆与主机相连。用来扩展PLC的输入、输出点数。可配置打印机、大屏幕彩色显示器；或配有通讯接口，以实现通讯联网和远程控制功能。1.S7-224CPUMicroPLC面板图PLC面板图和接口电路Q0.0.1.2.3.4.5.6.7Q1.0.1I0.0.1.2.3.4.5.6.7I1.0.1.2.3.4.5CPU224SIEMENSSFRUNSTOPSIEMENS数字输出状态显示RUN/STOP/TERM开关通讯口状态指示存储器卡数字输入状态显示.0.1.2.3.4.5.6.7EM222.0.1.2.3.4.5.6.7EM221数字量输入扩展模块.0.1.2.3.4.5.6.7EM223.0.1.2.3.4.5.6.72.S7-200PLC扩展模块面板图数字量输出扩展模块数字量输入/输出扩展模块6.2.2可编程序控制器的工作原理输入部分：来自被控对象的各种开关信息或操作命令，用以向系统送入控制信号，如控制按钮、行程开关，传感器信号等。控制部分：按照被控对象和生产工艺流程要求动作的各种继电接触器控制线路。输出部分：用以控制生产机械和生产过程中的各种被控对象，如接触器、电磁阀等执行机构。输入部分（按钮、行程开关等）控制部分（继电器、接触器和连接导线）输出部分（接触器、电磁阀等）继电接触器控制系统的基本结构框图继电接触器控制系统：(1)继电器控制系统的基本结构框图(2)可编程控制系统的基本结构框图输入部分按钮、行程开关等控制部分继电器和连接导线等输出部分接触器、电磁阀等输入部分按钮、行程开关等控制部分微处理器及程序存贮器输出部分接触器、电磁阀等继电接触器控制属于接线程序，控制功能固定不变；为有触点控制，有寿命限制；只能实现开关量控制。程序可修改，控制功能可变；无触点控制，“软”继电器代替“硬”继电器,无限寿命；利用“光耦”传输信号,抗干扰能力强。可编程序控制器根据它的工作原理由三个部分组成输入部分（按钮、行程开关等）控制部分（微处理器及程序存储器）输出部分（接触器、电磁阀等）PLC控制系统的基本结构框图PLC连续执行用户程序、完成控制功能是以扫描工作方式进行的。即CPU从程序段的第一句顺序读取顺序执行，直至最后一句。输入处理阶段每次扫描周期开始时，先读取数字输入点（即输入接口电路）的当前值，然后把这些值写到输入映像寄存器中。继电接触器控制属于接线程序，控制功能固定不变；为有触点控制，有寿命限制；只能实现开关量控制。PLC程序可修改，控制功能可变；无触点控制，“软”继电器代替“硬”继电器,无限寿命；利用“光耦”传输信号,抗干扰能力强。执行程序在扫描周期的执行程序阶段里，CPU执行程序是从第一条指令开始，直到最后一条指令结束。处理通讯请求在扫描周期的信息处理阶段，CPU处理从通讯端口接收到的信息。执行CPU的自诊断测试在扫描周期中，CPU检查其硬件，以及用户存储器（仅在RUN模式下），它也检查所有的I/O模块的状态。输出处理阶段在每个扫描周期的结尾，CPU把存在输出映像寄存器中的数据写到数字输出点（即输出接口电路）。扫描周期中断当中断事件发生时，CPU以异步扫描方式为用户中断服务。当中断发生时根据中断优先级来处理中断。6.3.1存储器有效范围6.3S7-200CPU的数据类型及寻址方式名称CPU224地址点数数字量输入14+8I0.0-I0.7,I1.0-I1.5I2.0-I2.7数字量输出10+8Q0.0-Q0.7,Q1.0-Q1.1Q2.0-Q2.7扩展地址256T0-T255定时器计数器256C0-C2554路12位模拟量输入扩展：偶数地址AIW0-AIW6模拟量输出2路12位扩展：偶数地址AQW0-AQW2输入映像寄存器输出映像寄存器I0.0-I15.7Q0.0-Q15.7128128用户程序大小用户数据大小4096字2560字S7-224CPU操作数范围存储器名称位存取双字存取字存取字节存取定时器计数器T0-255C0-255T0-255C0-255I0.0-15.7Q0.0-15.7数字量输入数字量输出IB0-15QB0-15IW0-14QW0-14ID0-12QD0-12V0.0-5119.7变量存储器VB0-5119VW0-5118VD0-5116位存储器M0.0-31.7MB0-31MW0-30MD0-28特殊存储器SM0.0-179.7SMB0-179SMW0-178SMD0-176顺序控制继电器S0.0-31.7SB0-31SW0-30SD0-28局部存储器L0.0-63.7LB0-63LW0-62LD0-60累加存储器AC0-3AC0-3AC0-3模拟量输入模拟量输出AIW0-30AQW0-306.3.2存储器的直接寻址寻址方式直接寻址—存储单元中的内容即是操作数间接寻址—存储单元中为地址指针，按这一地址找到的存储单元中的内容才是操作数字节的位号(0-7)字节与位地址之间的间隔字节地址(1=第1个字节)区域标识(I=输入)MSBLSBI0I1I2I3I4I5I6I7I8I9I10I11I12I13I14I1576543210I1.4MSB=最高位LSB=最低位存储器区位寻址V10V11V12V13V14V15V16V17V18V19V20V21V22V23V24V2576543210VB12访问一个字节区域标识(V=变量)字节地址存储器区字节寻址存储器区MSBLSBQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q9Q10Q11Q12Q13Q14Q1576543210QW2MSB=最高有效字节LSB=最低有效字节访问一个字区域标识(Q=输出)字节地址字寻址MSBLSB76543210VD12访问一个双字区域标识(V=变量)MSB=最高有效字节LSB=最低有效字节字节地址双字寻址存储器区V10V11V12V13V14V15V16V17V18V19V20V21V22V23V24V25直接寻址位Q[字节地址].[位地址]Q1.1字节,字,双字Q[长度][起始字节地址]QB5,QW4,QD121.输入映象寄存器（I）寻址在每个扫描周期的开始，CPU对输入点进行采样，并将采样值存于输入映象寄存器中。可以按位、字节、字或双字来存取输入映象寄存器。位I[字节地址].[位地址]I0.1字节,字,双字I[长度][起始字节地址]IB4,IW5,ID122.输出映象寄存器（Q）寻址在每次扫描周期的结尾，CPU将输出映象寄存器的数值复制到物理输出点上。可以按位、字节、字或双字来存取输出映象寄存器。格式：格式：格式：格式：3.变量存储器（V）寻址用于存储程序执行过程中控制逻辑操作的中间结果。位V[字节地址].[位地址]V10.2字节,字,双字V[长度][起始字节地址]VB30,VW100,VD154.位存储器（M）寻址可以使用内部存储器标志位（M）作为控制继电器存取中间操作状态或其它的控制信息。位M[字节地址].[位地址]M26.7字节,字,双字M[长度][起始字节地址]MB6,MW16,MD20不仅可以按位，也可以按字节、字或双字来存取位存储器区。格式：5.特殊存储器（SM）标志位SM位提供了CPU和用户程序之间传递信息的方法。可以使用这些位选择和控制S7-200CPU的一些特殊功能。例如：：SM0.1表示首次扫描接通一个扫描周期的位。位SM[字节地址].[位地址]SM0.1字节,字,双字SM[长度][起始字节地址]SMB6,SMW40,SMD206.定时器存储器（T）寻址T3定时器号位地址区域标识定时器定时器位T0T1T2T3定时器当前值T0T1T2T3MSB15LSB0S7-200CPU中，定时器是累计时间增量的设备。S7-200定时器精度（时基增量）有1mS,10mS,100mS三种。有两个相关的变量：当前值：16位符号整数，记录定时器所累计的时间。定时器位：定时器当前值大于预设值时，该位置为“1”。（预设值作为定时器指令的一部分输入）格式：T[定时器号]T39.计数器存储器（C）寻址格式：C[计数器号]C3CPU提供了三种类型的计数器：一种只能增计数；一种只能减计数；另一种既可增计数又可减计数。与计数器相关的变量有两个：当前值：16位符号整数，存储累计脉冲数；计数器位：当计数器的当前值≥预设值时,此位置为“1”。（预设值作为计数器指令的一部分输入）S7-200CPU中,计数器是累计其输入脉冲电平由低到高的次数。9.计数器存储器（C）寻址MSB15LSB0计数器位计数器当前值C0C1C2C3C3计数器号位地址区域标识计数器C0C1C2C3DC24VI0.0I0.1I0.21M2MI2.7SB2D13k760D2T光耦合电路I0.2SB2断开SB2闭合输入接口电路I0.2单元的状态由低电平变为高电平。内外当SB2闭合时，存储器I0.2单元存储器Q1.0单元微型继电器线圈得电,常开触点闭合,接触器KM线圈得电。微型继电器~KM220V内外（1）继电器接点输出输出接口电路AC按照电路器件的不同，分为三种输出方式：输出指令Q1.0，且满足Q1.0导通条件时，继电器接点输出