第2章-PLC的硬件与工作原理

第2章PLC的硬件与工作原理2.1PLC的硬件2.2PLC的工作原理2.3S7-200CN系列PLC2.4I/O地址分配与外部接线学习目标熟悉PLC的硬件、分类，工作原理，IO模块，外部接线等。PLC按结构形式分类整体式模块式按I/O容量分小型机：开关量、I/O256点以下、容量4k字左右中型机：开关量和模拟量、256~2048点之间、容量8k字左右大型机：开关量和模拟量、2048点以上、容量16k字以上，功能强大2.1PLC的硬件按结构形式分整体式PLC将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低等特点。12西门子S7-200PLC日本三菱FX系列PLC2.1.1PLC的物理结构S7-200CPU模块的外形图I/OLED(SF/DIAG)状态LED系统错误/诊断RUN(运行)STOP(停止)可选卡插槽存储器卡时钟卡电池卡通信口前盖下面有模式选择开关(RUN/STOP)模拟电位器扩展端口接线端子排用于在DIN导轨上安装的卡子PLC编程及应用PLC编程及应用模块式PLC：将PLC各组成部分作成单独的模块，各种模块相互独立，安装在固定的机架（导轨）上，构成完整的PLC应用系统。如：西门子S7-300、S7-400系列。PS(电源模块)CPUIM(接口模块)SM:DISM:DOSM:AISM:AOCP:-点-到-点-PROFIBUS-工业以太网PLC硬件系统组成CPU存储器I/O单元电源扩展接口编程设备其他部件外部设备现场用户输出设备微处理器（CPU）运算器控制器输出部件输入部件系统存储器用户存储器I/O扩展接口通讯及编程接口编程设备计算机打印机等传感器按钮、开关现场信号电磁阀中间继电器执行器现场用户输入设备扩展设备扩展单元通讯模块功能模块电源变换器～110V/220V市电PLC基本单元PLC系统结构示意图微处理器（CPU）接收并存储用户程序和数据；诊断电源、PLC工作状态及编程的语法错误；接收输入信号，送入数据寄存器并保存；运行时顺序读取、解释、执行用户程序，完成用户程序的各种操作；将用户程序的执行结果送至输出端。2.1.2CPU模块中的存储器•存储器分类与特点：RAM、ROM、EPROM、EEPROM系统存储器——系统程序存储器+系统数据存储器存放系统工作程序（监控程序）；存放模块化应用功能子程序；存放命令解释程序；存放功能子程序的调用管理程序；存放存储系统参数。用户存储器——RAM/EPROM/EEPROM存放用户工作程序；存放工作数据。2.1.3I/O模块•输入单元——带光电隔离电路•输出单元——带光电隔离器及滤波器输入单元——带光电隔离电路多种辅助电源类型：AC电源120V/230V输入DC电源DC24V输入DC电源DC12V输入接收开关量及数字量信号（数字量输入单元）；接收模拟量信号（模拟量输入单元）；接收按钮或开关命令（数字量输入单元）；接收传感器输出信号。输出单元——带光电隔离器及滤波器多种输出方式：晶体管DC晶闸管AC继电器AC\DC驱动直流负载（晶体管输出单元）；驱动非频繁动作的交/直流负载（继电器输出单元）；驱动频繁动作的交/直流负载（晶闸管输出单元）。通讯及编程接口——采用RS-485或RS-422串行总线连接专用编程器；连接个人电脑（PC），实现编程及在线监控；连接工控机，实现编程及在线监控；连接网络设备（如调制解调器），实现远程通讯；连接打印机等计算机外设。I/O扩展接口——采用并行通讯方式扩展I/O模块；扩展位置控制模块；扩展通讯模块；扩展模拟量控制模块。PLC软件系统组成系统监控程序运行管理生成用户元件系统内部自检管理程序解释程序标准程序模块、系统调用用户程序自动化系统控制程序数据表格软件系统2.2PLC的工作原理2.2.1用触点和线圈实现逻辑运算2.2.2PLC的操作模式2.2.3PLC的工作原理2.2.1用触点和线圈实现逻辑运算图2-6基本逻辑电路•操作模式运行（RUN）状态——运行状态是执行应用程序的状态停止（STOP）状态——停止状态一般用于程序的编制和修改，不执行用户程序•模式开关CPU模块上的模式开关在RUN位置时，上电自动进入RUN模式。PC-PLC之间建立起通信连接后，若模式开关在RUN或TERM位置,可用编程软件中的命令改变CPU的工作模式。2.2.2PLC的操作模式2.2.3PLC的工作原理图2-8扫描过程•工作方式——集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。•工作过程——上电处理、扫描过程、出错处理（自诊断）几个阶段。PLC的扫描过程输入采样阶段程序执行阶段输出刷新阶段可编程控制器对输入/输出的处理原则根据可编程控制器工作原理，可以归纳出PLC在输入/输出处理方面的一般原则：①输入映像寄存器的数据取决于输入单元（或模块）上各输入点在上一刷新阶段的状态；②程序执行结果取决于用户程序和输入/输出映像寄存器以及其它各元件映像寄存器的内容；③输出映像寄存器的数据取决于输出指令的结果；④输出锁存器中的数据由上次刷新期间输出映像寄存器中的内容决定；⑤输出端子的状态有输出锁存器决定。•响应滞后当PLC的输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化做出反应，需要一段时间，这种现象称为PLC输入/输出响应滞后。西门子PLC系列德国西门子公司的PLC在国际国内具有较高的市场占有率，其主要产品有S5、S7、C7、M7及WinAC等几个系列。其中，S7系列PLC于1994年面世，是目前PLC市场的主流产品，分为SIMATICS7-200、SIMATICS7-300和SIMATICS7-400几个子系列。2.3S7-200CN系列PLC1.SIMATICS7-200系列PLC西门子S7-200系列PLC属于小型PLC，采用集成式、紧凑型结构，一般适用于I/O点数为100点左右的单机设备或小型应用系统。2005年12月16日S7-200小型PLC落户中国，产品命名为S7-200CN系列。S7-200系列PLC的编程软件为STEP7-Micro/Win.主机模块扩展模块S7-300系列PLC属于中型PLC，采用模块化、无风扇结构，一般适用于I/O点数为1000点左右的集中或分布式的中小型控制系统。S7-300主系统分布式I/O系统ET200M分布式I/O系统ET200S2.SIMATICS7-300系列PLC2.SIMATICS7-300系列PLC1-负载电源；2-后备电池（CPU313以上）；3-24VDC连接；4-模式开关；5-状态和故障指示灯；6-存储器卡（CPU313以上）；7-MPI多点接口；8-前连接器；9-前门3.SIMATICS7-400系列PLC西门子S7-400系列PLC属于大型PLC，采用模块化、无风扇结构，一般适用于I/O点数为10000点左右的自动化控制系统。ET200M分布式I/O系统S7-400冗余系统S7-300/400系列PLC编程软件STEP7，截止到2008年2月，其中文版本最新为STEP7V5.4SP3，英文版（多语言版）本最新为STEP7V5.4SP4及STEP72006ProfessionalSR4。MPIcable有MPI接口的PG或PC2.3.1S7-200的特点1．功能强，有PID参数自整定、配方、数据归档等功能。2．先进的程序结构3．灵活方便的寻址方法4．功能强大、使用方便的编程软件5．简化复杂编程任务的向导功能6．强大的通信功能7．品种丰富的配套人机界面8．有竞争力的价格9．完善的网上技术支持S7-200PLC硬件组成S7-200系列为小型一体化PLC，即适用于代替传统继电器控制的简单控制场合，又适用于复杂的自动检测、监测及控制系统，无论在独立运行的控制系统中，还是组成网络控制系统，都能实现复杂的控制功能。它具有丰富的指令系统，可以用梯形图、语句表和功能块图三种编程语言，最大可以扩展到248点数字量I/O或者35路模拟量I/O，最多有30多种KB程序和数据存取空间。1.CPU模块S7-200的CPU第一代产品为CPU21X型，包括CPU212、CPU214、CPU215和CPU216，第二代产品为CPU22X型，分别为CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226、CPU226MX。S7-200CN家族CPU概述CPU和扩展模块S7-200CN家族产品共有8种CPU，它们分别是：CPU222CNDC/DC/DC8输入/6输出CPU222CNAC/DC/继电器8输入/6输出CPU224CNDC/DC/DC14输入/10输出CPU224CNAC/DC/继电器14输入/10输出CPU224XPCNDC/DC/DC14输入/10输出CPU224XPSIDC/DC/DC14输入/10输出CPU224XPCNAC/DC/继电器14输入/10输出CPU226CNDC/DC/DC24输入/16输出CPU226CNAC/DC/继电器24输入/16输出S7-200CN丰富的扩展模块数字量I/O模块模拟量I/O模块测温模块EM223CN开关量输入模块，32输入/32输出EM231CN模拟量输入模块，8输入EM232CN模拟量输出模块，4输出CPU和扩展模块当外接触点接通时，光电耦合器中的两个反并联发光二极管中的一个亮，光敏三极管饱和导通；外接触点端开时，光电耦合器中的发光二极管熄灭，光敏三极管截止。2.本机输入/输出单元无论高电平还是低电平信号，均经过光电耦合隔离后才能进入PLC内部全部输入端子可以分成几个隔离组，每个隔离组可以单独施加工作电压。数字量输出具有晶体管输出和继电器输出两种类型，前者用于控制或驱动直流负载，响应速度较快；后者用于控制或驱动交/直流负载，响应速度较慢。3.数字量输入输出扩展模块除CPU221模块外，其它CPU模块都可以配接多个扩展模块。连接时，CPU模块放在最左侧，扩展模块用扁平电缆与左侧的CPU模块相连。4.模拟量输入输出扩展模块模拟量扩展模块有ME231（4路模拟量输入）、ME232（2路模拟量输出）和ME235（4路模拟量输入/1路模拟量输出）三种，模块转换的二进制位数均为12位。转换的二进制位数反映了它们的分辨率，位数越多，分辨率越高。•模拟量模块的作用：A/D转换与D/A转换。•模拟量I/O：12位4AI、2AO、4AI/1AO；15位4路热电偶、2路热电阻模块。•模拟量输入模块有多种量程（与模块型号有关），用模块上的DIP开关设置量程。图2-10模拟量输入数据字的格式将模拟量输入模块的输出值转化为实际的物理量2.4I/O地址分配与外部接线•CPU所提供的本机I/O数量是一定的，地址是固定的。可以用扩展I/O模块来增加I/O点数，在CPU的右侧可以连接多个扩展模块。•CPU分配给数字量I/O模块的地址以字节为单位，一个字节由8个数字量I/O点组成。•模拟量扩展模块以2点（4字节）递增的方式来分配地址。I/O地址分配图2-14交流电源系统的外部接线图2-15直流电源系统的外部接线一个PLC控制系统需要20点数字量输入、24点数字量输出、6点模拟量输入和2点模拟量输出，用S7-200系列PLC完成下列任务：选用CPU的型号。选择扩展模块。画出各模块之间的连接图。写出主机与各模块的地址分配表。习题小结PLC的硬件结构、分类，工作原理，CPU模块、IO模块类型，外部接线等。