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第1章PLC的硬件与工作原理1.1S7-200SMART系列PLC1.1.1PLC的基本结构1．CPU模块CPU模块主要由CPU芯片和存储器组成。2．I/O模块I/O模块是输入（Input）模块和输出（Output）模块的简称。输入模块用来采集输入信号，输出模块用来控制外部的负载和执行器。I/O模块还有电平转换与隔离的作用。3．编程软件STEP7-Micro/WINSMART用来生成和编辑用户程序，和监控PLC的运行。4．电源PLC使用AC220V电源或DC24V电源。小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器提供DC24V电源。1.1.2S7-200SMART的特点1.S7-200SMART的亮点1）品种丰富，配置灵活，10种CPU模块，CPU模块最多60个I/O点，标准型CPU最多可以配置6个扩展模块，经济型CPU价格便宜。2）有4种可安装在CPU内的信号板，使配置更为灵活。3）CPU模块集成了以太网接口和RS-485接口，可扩展一块通信信号板。4）场效应管输出的CPU集成了100kHz的2路或3路高速脉冲输出，集成了S7-200的位置控制模块的功能。5）使用MicroSD（手机存储卡）可以实现程序的更新和PLC固件升级。6）编程软件界面友好，编程高效，融入了更多的人性化设计。7）S7-200SMART、SMARTLINE触摸屏、V20变频器和V80/V60伺服系统完美整合，无缝集成。2．先进的程序结构3．灵活方便的存储器结构，大多数存储区可以按位、字节、字和双字读写。4．简化复杂编程任务的向导功能5．强大的通信功能6．支持文本显示器和三种系列的触摸屏。7．强大的运动控制功能1.1.3CPU模块1．CPU模块的技术规范标准型CPUSR20/SR30/SR40/SR60、CPUST20/ST30/ST40/ST60，可扩展6个扩展模块，SR和ST分别是继电器输出和晶体管输出。经济型的CPUCR40/CR60价格便宜，不能扩展。定时器/计数器各256点。4点输入中断，2个定时中断。CPUSR60/ST60的用户存储器30KB，用户数据区20KB，最大数字量I/O252点。标准型CPU最大模拟量I/O36点，4点200kHz的高速计数器，晶体管输出的CPU有2点或3点100kHz高速输出。2．CPU模块中的存储器PLC的程序分为操作系统和用户程序。RAM（随机存取存储器）的工作速度高、价格便宜、改写方便。断电后储存的信息丢失。ROM（只读存储器）只能读出，不能写入。断电后储存的信息不会丢失。EEPROM（可以电擦除可编程的只读存储器）的数据可以读出和改写，断电后信息不会丢失。写入数据的时间比RAM长，改写的次数有限制。用EEPROM来存储用户程序和需要长期保存的重要数据。1.1.4数字量扩展模块与信号板1．数字量输入电路有8点输入、8点输出模块，16点、32点输入/输出模块。输出模块有DC24V和继电器两种。1M是同一组输入点各内部输入电路的公共点。输入电流为数毫安。外接触点接通时，发光二极管亮，光敏三极管饱和导通；反之发光二极管熄灭，光敏三极管截止，信号经内部电路传送给CPU模块。电流从输入端流入为漏型输入，反之为源型输入。图1-4输入电路2．数字量输出电路继电器输出电路可以驱动直流负载和交流负载，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，动作速度慢，动作次数有限。场效应管输出电路只能驱动直流负载。反应速度快、寿命长，过载能力稍差。3.信号板SBAQ01：1点模拟量输出信号板。SBDT04：2点数字量直流输入/2点数字量场效应管输出。SBCM01：RS485/RS232信号板。SBBA01：电池信号板，使用CR1025纽扣电池，保持时间大约一年。1.1.5模拟量扩展模块1．PLC对模拟量的处理模拟量输入模块将模拟量转换为多位数字量。模拟量输出模块将PLC中的多位数字量转换为模拟量电压或电流。有4AI、2AO、4AI/2AO、2路热电阻、4路热电偶模块。2．模拟量输入模块EMAE04有4种量程（0～20mA、10V、5V和2.5V）。电压模式的分辨率为11位+符号位，电流模式的分辨率为11位。单极性满量程输入范围对应的数字量输出为0～27648。双极性满量程输入范围对应的数字量输出为−27648～+27648。3．将模拟量输入模块的输出值转换为实际的物理量【例1-1】压力变送器（0～10MPa）的输出信号为DC4～20mA，模拟量输入模块将0～20mA转换为0～27648的数字量，设转换后得到的数字为N，试求以kPa为单位的压力值。解：4～20mA的模拟量对应于数字量5530～27648，压力的计算公式为4．模拟量输出模块EMAQ02有10V和0～20mA两种量程，对应的数字量分别为−27648～+27648和0～27648。满量程时电压输出和电流输出的分辨率分别为10位+符号位和10位。5．热电阻扩展模块与热电偶扩展模块温度测量的分辨率为0.1°C/0.1°F，电阻测量的分辨率为15位+符号位。1.1.6I/O的地址分配与外部接线用系统块组态硬件时，编程软件自动地分配各模块和信号板的地址。硬件组态演示1.2PLC的工作原理1.2.1用触点和线圈实现逻辑运算用逻辑代数中的1和0来表示数字量控制系统中变量的两种相反的工作状态。线圈通电、常开触点接通、常闭触点断开为1状态，反之为0状态。在波形图中，用高、低电平分别表示1、0状态。图1-8基本逻辑电路图1-9异步电动机主电路、控制电路与波形图按下起动按钮SB1，电流经SB1和SB2的触点流过KM的线圈。KM的主触点闭合，电动机开始运行。KM的辅助常开触点同时接通。放开起动按钮，SB1的常开触点断开，电流经KM的辅助常开触点和SB2的常闭触点流过KM的线圈。KM常开触点的功能称为“自锁”或“自保持”。图1-9中的继电器电路称为起动-保持-停止电路，简称为起保停电路。逻辑代数式为逻辑代数式中的加号表示逻辑“或”，乘号（或*号）表示逻辑“与”，上划线表示逻辑“非”。逻辑运算的规则为先“与”后“或”，括号优先。1.4.2PLC的工作原理初始化后PLC反复不停地分5个阶段处理各种任务。每次循环的时间称为扫描周期。1.读取输入外部输入电路接通时,对应的过程映像输入寄存器为ON(1状态),梯形图中对应的常开触点闭合，常闭触点断开。反之过程映像输入寄存器为OFF(0状态）。2.执行用户程序如果没有跳转指令，CPU逐条顺序地执行用户程序。执行程序时，对输入/输出的读写通常是通过过程映像输入/输出寄存器，而不是实际的I/O点。3.通信处理4.CPU自诊断测试图1-10扫描过程示意图5.改写输出梯形图中某一输出位的线圈“通电”，对应的过程映像输出寄存器中的二进制数为1，对应的硬件继电器的常开触点闭合，外部负载通电。反之外部负载断电。可用中断程序和立即I/O指令提高PLC的响应速度。8．PLC的工作过程举例在读取输入阶段，SB1和SB2的常开触点的接通/断开状态被读入相应的过程映像输入寄存器。图1-11PLC外部接线图与梯形图LDI0.1OQ0.0ANI0.2=Q0.02.0IQ0.0)(I0.1Q0.0执行第一条指令时，从过程映像输入寄存器I0.1中取出二进制数，存入堆栈的栈顶。执行第二条指令时，从过程映像输出寄存器Q0.0中取出二进制数，与栈顶中的二进制数相“或”，运算结果存入栈顶。执行第三条指令时，因为是常闭触点，取出过程映像输入寄存器I0.2中的二进制数后，将它取反，与前面的运算结果相“与”后，存入栈顶。执行第四条指令时，将栈顶中的二进制数传送到Q0.0的过程映像输出寄存器。在修改输出阶段，CPU将各过程映像输出寄存器中的二进制数传送给输出模块并锁存起来，如果Q0.0中存放的是二进制数1，外接的KM线圈将通电，反之将断电。填空题1)PLC主要由、、和组成。2)继电器的线圈“断电”时，其常开触点，常闭触点。3)外部输入电路断开时，对应的输入过程映像寄存器为状态，梯形图中对应的常开触点，常闭触点____。4)若梯形图中输出Q的线圈“通电”，对应的输出过程映像寄存器为状态，在修改输出阶段后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈，其常开触点，外部负载。