第1章 PLC的认知初步

1.1可编程序控制器概述第一章PLC的认知初步1.2S7-200系列PLC介绍1.3STEP-Micr/WIN4.0编程软件的使用1.1可编程序控制器概述1.1.1PLC的由来1968年，美国通用汽车公司(GM公司)为了在每次汽车改型或改变工艺流程时不改动原有继电器柜内的接线，以便降低生产成本，缩短新产品的开发周期，而提出了研制新型逻辑顺序控制装置，并提出了该装置的研制指标要求，即10项招标技术指标，这10指标实际上就是当今可编程序控制器最基本的功能。•将它们归纳一下，其核心为以下四点：•(1)用计算机代替继电器控制盘。•(2)用程序代替硬件接线。•(3)输入/输出电平可与外部装置直接连接。•(4)结构易于扩展1.1.1PLC的由来1969年美国数字设备公司研制出世界上第一台ＰＬＣ编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制成了日本第一台可编程控制器。1973年，西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。1.1.1PLC的由来1.1.2可编程序控制器的定义、分类及特点定义PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的进行数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输的输入和输出。控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体和易于扩展其功能的原则而设计。分类（1）按PLC硬件结构的类型分一体化整体式PLC结构化模块式PLC（2）按照I/O点数分可分为小(微)、小、中、大、超大等五种类型。（3）按功能分类分为低档机、中档机、高档机。特点PLC能如此迅速发展的原因，除了工业自动化的客观需要外，还有许多独特的优点。它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。其主要特点如下：（1）编程方法简单易学（2）功能强，性能价格比高（3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强.（4）可靠性高，抗干扰能力强（5）系统的设计、安装、调试工作量少（6）维修工作量小，维修方便（7）体积小，能耗低1.1.3可编程序控制器的功能和应用1.开关逻辑和顺序控制这是PLC应用最广泛、最基本的场合。它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种简单或十分复杂的控制要求。2.模拟控制在工业生产过程中，许多连续变化的需要进行控制的物理量，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。特别是当系统中模拟量控制点数不多，同时混有较多的开关量时，PLC具有其他控制装置所无法比拟的优势。3.定时控制PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时器与计数器。如果需要对频率较高的信号进行计数，则可以选择高速计数器。4.数据处理新型PLC它不仅具有算术运算、数据传送的能力，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等功能，有的PLC还可以进行浮点运算和函数运算。5.通信联网把PLC作为下位机，与上位机或同级的可编程序控制器进行通信，可完成数据的处理和信息的交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理，因此PLC是实现工厂自动化的理想工业控制器。1.1.4可编程序控制器的发展趋势1．增强网络通信功能2．发展智能模块3．外部诊断功能4．编程语言、编程工具标准化、高级化5．软件、硬件的标准化6．组态软件的迅速发展1.1.5PLC的组成与基本结构一、PLC的组成中央处理器模块存储器模块输入输出模块编程器电源PLC基本组成及结构1．中央处理器（CPU）CPU是PLC的核心部件，主要用来运行用户程序、监控输入/输出接口状态以及进行逻辑判断和数据处理。2．存储器只读存储器ROM：用以存放系统程序，可编程控制器在生产过程中将系统程序固化在ROM中的。随机存储器RAM：存放用户程序和中间运算数据可电擦写的存储器EEPROM3．电源PLC的电源是指为CPU、存储器和I/O接口等内部电子电路工作所配备的直流开关电源。电源的直流输出电压多为直流5V和直流24V。4．输入/输出接口PLC内部输入电路：将PLC外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的符合PLC输入电路要求的电压信号，通过光电耦合电路送至PLC内部电路。输入电路有直流输入电路、交流输入电路和交直流输入电路。PLC内部输出电路：将输出映像寄存器的结果通过输出接口电路驱动外部的负载（如接触器线圈、电磁阀、指示灯等）。输出电路有晶体管输出型、可控硅输出型和继电器输出型三种。•利用光电耦合器提高抗干扰能力和利用滤波电路提高抗干扰能力。（1）输入接口电路可驱动交流、直流负载。驱动负载的能力在2A左右（2）输出接口电路小型继电器输出形式大功率晶体管或场效应管输出形式。只可驱动直流负载。优点：可靠性强，执行速度快，寿命长。缺点：过载能力差。③双向晶闸管输出形式这种输出形式适合驱动交流负载。1.2S7-200系列PLC介绍1.2.1S7-200系列PLC系统德国的西门子公司是欧洲最大的电子和电气设备制造商，生产的SIMATIC可编程序控制器在欧洲处于领先地位。最新的SIMATIC产品为SIMATICS7、M7和C7等几大系列。SIMATICS7系列产品分为通用逻辑模块（LOGO!）、微型PLC（S7-200系列）、中小型PLC（S7-300系列）和大中型PLC（S7-400系列）4个产品系列。１.S7-200系列PLC的外部结构1）CPU的工作方式CPU的前面板即存储卡插槽的上部，有3盏指示灯显示当前工作方式。CPU前面板上用两个发光二极管显示当前工作方式，绿色指示灯亮，表示为RUN运行状态，红色指示灯亮，表示为STOP停止状态，在标有SF指示灯亮时表示系统故障，PLC停止工作。2）改变CPU工作方式的方法用工作方式开关改变工作方式。①把方式开关切到STOP位，可以停止程序的执行；②把方式开关切到RUN位，可以起动程序的执行；用编程软件改变工作方式。把方式开关切换到TERM（暂态），可以使用STEP7-Micro/WIN32编程软件设置工作方式。在程序中用指令改变CPU的工作方式。在程序中插入一个STOP指令，CPU可由RUN方式进入STOP工作方式。（２）存储系统（３）输入/输出端子S7-200系列CPU22X主机的输入类型：CPU22XAC/DC/继电器CPU22XDC/DC/DC（１）CPU224型PLC输入端子接线输入端子的接线（PNP）输入端子的接线（NPN）【例1-1】有一台S7-224CPU，输入端有一只三线PNP接近开关和一只二线PNP接近开关，应如何接线？【解】1.对于S7-224CPU，公共端接电源的负极。2.而对于三线PNP接近开关，将其正、负极分别与电源的正、负极相连，信号线与PLC的“I0.0”相连即可；3.二线PNP接近开关，只要将电源的正极分别与其正极相连，将信号线与PLC的“I0.1”相连即可（１）CPU224型PLC输出端子接线晶体管输出（直流输出）继电器输出【例1-2】有一台S7-224CPU，控制一只24VDC的电磁阀和一只220VAC电磁阀，输出端应如何接线？【解】因为两个电磁阀的线圈电压不同，而且有直流和交流两种电压，所以如果不经过转换，只能用继电器输出的CPU，而且两个电磁阀分别在两个组中。其接线如图1-13所示。例1-2接线图（４）电源模块外部提供给PLC的电源，有24VDC、220VAC两种，根据型号不同有所变化，应根据下面的原则来确定I/O电源的配置。表1-4电源的技术指标当+24V直流电源的容量不满足要求时可以增加一个外部24V直流电源给扩展模块供电。此时外部电源不能与S7-200的传感器电源并联使用，但两个电源的公共端（M）应连接在一起。1）数字量I/O扩展模块S7-200PLC提供了多种类型的数字量扩展模块，用户可选用8点、16点和32点的数字量输入/输出模块。数字量I/O扩展模块规格如表1-5所示。1.用触点和线圈实现逻辑运算在数字量控制系统中，变量仅有两种相反的工作状态，如高电平和低电平、继电器线圈的通电和断电、触点的接通和断开，可用逻辑代数中的1和0来表示它们。在波形图中，用高电平表示1状态，用低电子表示0状态。1.2.2可编程序控制器的工作原理实现的逻辑运算可用逻辑代数式表示为：逻辑运算关系表PLC是一种专用的工业控制计算机，其工作原理是通过执行反映控制要求的用户程序，来处理各项任务的。计算机在每一瞬间只能做一件事，所以，程序的执行是按程序顺序依次完成相应段落上的动作，所以，它属于串行工作方式。2．可编程序控制器的工作原理众所周知，继电器控制系统是一种“硬件逻辑系统”，它所采用的是并行工作方式，也就是条件一旦形成，多条支路可以同时动作。1）PLC控制系统的等效工作电路①输入部分。由外部输入电路、PLC输入接线端子和输入继电器组成。每个输入端子与其相同编号的输入继电器有着唯一的对应关系②内部控制电路。由用户程序形成的用“软继电器”来替代硬继电器的控制逻辑。它的作用是按照用户编写的程序所规定的逻辑关系，处理输入信号和输出信号。③输出部分(以数字量继电器输出型PLC为例)。输出部分是由在PLC内部且与内部控制电路隔离的输出继电器的外部动合触点、输出接线端子和外部驱动电路组成，用来驱动外部负载。2）PLC的工作原理PLC的工作方式有两个显著特点：一个是周期性顺序扫描，一个是信号集中批处理。PLC的工作过程流程图PLC的扫描工作过程这是第一个集中批处理过程，在这个阶段中，PLC首先按顺序扫描所有输入端子，并将各输入状态存人相对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像存储器被刷新，在当前的扫描周期内，用户程序依据的输入信号的状态(ON或OFF)，均从输入映像寄存器中去读取，而不管此时外部输入信号的状态是否变化。①输入采样扫描阶段②执行用户程序的扫描阶段这是第二个集中批处理过程，在此阶段PLC的工作过程是这样的：CPU对用户程序按顺序进行扫描，如果程序用梯形图表示，则总是按先上再下，从左至右的顺序进行扫描，每扫描到一条指令，所需要的输入信息的状态就要从输入映像寄存器中去读取，③输出刷新扫描阶段CPU执行完用户程序后，将输出过程映像寄存器的(ON/OFF)如Q0.0的1状态传送到输出模块并锁存起来，梯形图中某一输出位的线圈“得电”时，对应的输出映像寄存器为1状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器(确实存在的物理器件)的线圈如KM得电，它对应的主电路中的常开触点闭合，使外部负载如工作台通电工作。1.3STEP7-Micro/WIN编程软件的使用1.软件安装双击setup.exe图标，进入安装向导，按照安装向导完成软件的安装。其步骤如下：（1）选择安装程序界面的语言，系统默认使用英语；（2）按照安装向导提示，接受License条款，单击“Next”按钮继续；（3）为STEP7-Micro/WINV4.0选择安装目录文件夹，单击“Next”按钮继续。（4）在STEP7-Micro/WINV4.0安装过程中，必须为STEP7-Micro/WINV4.0配置波特率和站地址，其波特率必须与网络上的其它设备的波特率一致，而且站地址必须唯一。（5）STEP7-Micro/WINV4.0SP3安装完成后，重新启动PC机，单击“Finish”按钮完成软件的安装；（6）汉化。在主菜单中，选择“Tools”中的“Options”选项。在弹出的Options选项对话框中，选择“General”（常规），对话框右半部分会显示“Language”选项，选择“Chinese”，单击“OK”按钮，保存退出，重新启动STEP7-Micro/WINV4.0后即为中文操作界面。2.在线连接顺利完成硬件连接和软件安装后，就可建立PC机与S7-200CPU的在线联系了，步骤如下：（1）在STEP7-Micro/WINV4.0主操作界面下，单击操作栏中的“通信”图标或选择主菜单中的“查看→组件→通信”选项，则会出现一个