PLCS系列理论课教案.docx

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PLCS系列理论课教案

第一讲PLC的发展、分类及应用

教学对象

机电一体化技术专业学生

教学目标

了解PLC的发展、特点、分类、应用、结构和工作原理

教学重点

PLC的结构和工作原理

教学难点

工作原理

教学方法

讲授法、演示法

授课时间

2学时

使用教材

《可编程控制器原理及应用》孙平主编高等教育出版社2003年1月

教学过程

一．PLC的产生

可编程序逻辑控制器PLC产生于1969年，最初只具备逻辑控制、定时、计数等功能，主要是用来取代继电接触器控制。

现在所说的可编程序控制器PC（ProgrammableController）是1980年以来，美、日、德等国由先前的可编程序逻辑控制器PLC进一步发展而来。

1985年，国际电工委员会IEC对可编程序控制器作了如下规定：

可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。

二．PLC的发展

1.发展及现状

2.发展趋势

（1）与计算机联系密切

（2）发展多样化

（3）模块化

（4）网络与通信能力增强

（5）多样化与标准化

（6）工业软件发展迅速

三．PLC的特点

1.可靠性高

2.功能强大

3.简单方便

四．PLC的分类

1.从结构上

可编程序控制器从结构上可分为整体式和模块式。

2.从规模上

按PLC的输入输出点数可分为小型、中型和大型。

五．PLC的应用

1.工业

1）开关量控制，如逻辑、定时、计数、顺序等；

2）模拟量控制，部分PLC或功能模块具有PID控制功能，可实现过程控制；

3）监控，用PLC可构成数据采集和处理的监控系统；

4）建立工业网络，为适应复杂的控制任务且节省资源，可采用单级网络或多级分布式控制系统。

2.其他行业

可编程序控制器在其他行业的应用也日益广泛：

在国防和民用，如建筑，环保，家用电器等。

六．PLC的结构和工作原理

（一）．结构

PLC专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。

图2.1为一典型PLC结构简图。

1．中央处理单元

图2.1　结构简

中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。

CPU的主要功能：

1）从存储器中读取指令　

2）执行指令

3）顺序取指令

4）处理中断

2．存储器

1）只读存储器　

2）随机存储器RAM

3.输入输出单元

（1）输入接口电路

（2）输出接口电路

通常PLC的输入类型可以是直流、交流和交直流。

输入电路的电源可由外部供给，有的也可由PLC内部提供。

图2.2和图2.3分别为一种型号PLC的直流和交流输入接口电路的电路图，采用的是外接电源。

图2.2描述了一个输入点的接口电路。

其输入电路的一次电路与二次电路用光耦合器相连，当行程开关闭合时，输入电路和一次电路接通，上面的发光管用于对外显示，同时光耦合器中的发光管使三极管导通，信号进入内部电路，此输入点对应的位由0变为1。

即输入映像寄存器的对应位由0变为1。

图2.2直流输入电路图

图2.3　交流输入电路图

（二）工作原理

1.循环扫描

PLC采用循环扫描工作方式，这个工作过程一般包括五个阶段：

内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理，其工作过程如图2.4所示。

图2.4工作原理图

图2.4中当PLC方式开关置于RUN（运行）时，执行所有阶段；当方式开关置于STOP（停止）时，不执行后3个阶段，此时可进行通信处理，如对PLC联机或离线编程。

可编程序控制器的输入处理、执行用户程序和输出处理过程的原理如图2.5所示。

PLC执行的五个阶段，称为一个扫描周期，PLC完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。

图2.5　程序执行原理图

2.与计算机的异同

相同点：

（1）基本结构相同

（2）程序执行原理相同

不同点：

两者的不同点主要体现在工作方式上。

3.与继电接触器的异同

相同点：

图形结构和逻辑关系相同。

不同点：

（1）实现原理不同

（2）工作方式不同

七．技术性能指标

1.外形尺寸

2.输入输出点数

3.机器字长

4.速度

5.指令系统

6.存储器容量

7.扩展性

8.通信功能

八．编程语言

1.梯形图

2.语句表

3.逻辑符号图

4.高级语言

思考题（作业）：

P27第3和第4题

课后小记：

第二讲S7-200系列可编程序控制器基本知识

教学对象

机电一体化技术专业学生

教学目标

以西门子公司生产的S7-200系列小型可编程序控制器为例，了解可编程序控制器的系统组成，了解PLC扫描周期及工作方式，了解I/O扩展。

教学重点

S7-200PLC系统组成

教学难点

工作方式

教学方法

讲授法、演示法

授课时间

2学时

使用教材

《可编程控制器原理及应用》孙平主编高等教育出版社2003年1月

教学过程

一．S7-200PLC系统基本构成

SIMATICS7-200系统由硬件和工业软件两大部分构成，如图3.1所示。

图3.1　S7-200PLC系统组成

系统基本构成：

1.硬件

（1）基本单元

（2）扩展单元

（3）特殊功能模块

（4）相关设备

2.工业软件

工业软件是为更好地管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序、文档及其规则的总和，它主要由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口等几大类构成。

二．主机结构

1.各CPU介绍及I/O系统

（1）主机外形

SIMATICS7-200系统CPU22X系列PLC主机（CPU模块）的外形如图3.2所示：

图3.2　S7-200主机外形

（2）基本结构特点

1、输出信号类型

2、电源输出

3、基本I/O

4、存储安全

5、高速反应

6、模拟电位器

7、实时时钟

8、输入输出可扩展性

4种CPU各有晶体管输出和8继电器输出两种类型，具有不同电源电压和控制电压。

各类型的型号如表3.1所示。

表3.1　CPU型号

SIMATICS7-200系统CPU22X系列PLC主机及I/O特性如表3.2所示。

表3.2　主机及I/O特性

2.存储系统

（1）存储系统

图3.3　存储系统

表3.3　存储容量

（2）存储器及使用

上装和下装用户程序

定义存储器保持范围

用程序永久保存数据

存储器卡的使用

（3）存储安全

1）主机CPU模块内部配备的EEPROM，上装程序时，可自动装入并永久保存用户程序、数据和CPU的组态数据。

2）用户可以用程序将存储在RAM中的数据备份到EEPROM存储器。

3）主机CPU提供一个超级电容器，可使RAM中的程序和数据在断电后保持几天之久。

4）CPU提供一个可选的电池卡，可在断电后超级电容器中的电量完全耗尽时，继续为内部RAM存储器供电，以延长数据所存的时间。

5）可选的存储器卡可使用户像使用计算机磁盘一样来方便地备份和装载程序和数据。

三．扫描周期及工作方式

1.扫描周期

（1）输入处理

（2）执行程序

（3）处理通信请求

（4）执行CPU自诊断测试

（5）写数字输出

图3.4　CPU的扫描周期

2.工作方式

（1）STOP方式

（2）RUN方式

3.改变CPU工作方式的方法

1）用PLC上的方式开关来手动切换，方式开关有3个挡位。

2）用STEP7-Micro/Win32编程软件，应首先把主机的方式开关置于TERM或RUN位置，然后在此软件平台用鼠标单击STOP和RUN方式按钮即可。

3）在用户程序中用指令由RUN方式转换到STOP方式，前提是程序逻辑允许中断程序的执行。

四．输入输出扩展

1.设备连接

图3.5　I/O扩展示意图

2.最大I/O配置的预算

（1）映像寄存器数量

（2）电流提供

各CPU所能提供的最大5VDC电流如表3.4所示。

（3）模块电流

CPU22X可连接的各扩展模块消耗5VDC电流如表3.5所

3.输入输出及CPU组态

（1）I/O点数扩展和编址

（2）设置输入滤波

（3）设置脉冲捕捉

（4）输出表配置

（5）定义存储器保持范围

例如，某一控制系统选用CPU224，系统所需的输入输出点数各为：

数字量输入24点、数字量输出20点、模拟量输入6点、模拟量输出2点。

本系统可有多种不同模块的选取组合，表3.6所示为其中的一种可行的系统输入输出组态状况。

若按表3.6的扩展方式，各模块在I/O链中的位置排列方式也可以有多种，图3.6所示为其中的一种模块连接形式。

图3.6　扩展连接图

S7-200CPU为每个主机数字量输入提供了脉冲捕捉功能，它可以使主机能够捕捉小于一个扫描周期的短脉冲，并将其保持到主机读到这个信号，但前提是只有通过滤波器后，脉冲捕捉才有效。

此外，在一个给定的扫描周期内如果有不只一个脉冲，则只有第一个脉冲可以被捕捉到，几种情况下的脉冲捕捉波形如图3.7所示。

图3.7　脉冲捕捉波形图

思考题（作业）：

P27第5和第6题

课后小记：

第三讲STEP7编程软件介绍

教学对象

电气自动化技术专业学生

教学目标

1、编程软件的安装及窗口组件、STEP7编程软件的主要编程功能、程序的调试与监控；

2、项目管理，要求熟悉编程软件的使用

教学重点

STEP7编程软件的主要编程功能、程序的调试与监控

教学难点

编程软件的使用

教学方法

讲授法、演示法

授课时间

2学时

使用教材

《可编程控制器原理及应用》田淑珍机械工业出版社2005年9月

教学过程

一．STEP7概述

S7-200可编程控制器使用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程。

STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，功能强大，主要用于开发程序，也可用于适时监控用户程序的执行状态。

加上汉化后的程序，可在全汉化的界面下进行操作。

二．STEP7-Mirco/WIN主要编程功能

三．通信

四．程序的调试与监控

五．项目管理

思考题（作业）：

P54第1、2、3题

课后小记：

第四讲S7-200系列可编程序控制器基本知识

教学对象

电气自动化技术专业学生

教学目标

练习使用STEP7-Micro/WIN32编程软件

教学重点

程序的输入和编辑方法

教学难点

程序的编辑

教学方法

讲授法、演示法、实验法

授课时间

2学时

使用教材

《可编程控制器原理及应用》田淑珍机械工业出版社2005年9月

教学过程

一．实训目的

（1）认识S7-200系列可编程控制器及其与PC机的通信。

（2）练习使用STEP7-Micro/WIN32编程软件。

（3）学会程序的输入和编辑方法。

（4）初步了解程序调试的方法。

二．内容及指导

（1）PLC认识

（2）开机（打开PC和PLC）并新建一个项目。

（3）检查PLC和运行STEP7-Micro/WIN

（4）选择指令集和编辑器。

（5）输入、编辑如图3-29所示梯形图，并转换成语句表指令。

（6）给梯形图加POU注释、网络标题、网络注释。

（7）编写符号表.

（8）编译程序。

并观察编译结果。

三．结果记录

（1）认真观察PLC基本单元上的输入/输出指示灯的变化，并记录。

（2）总结梯形图输入及修改的操作过程。

（3）写出梯形图添加注释的过程。

四．思考题

1.如何建立项目？

2.如何在LAD中输入程序注解？

3.如何下载程序？

4.如何在程序编辑器中显示程序状态？

5.如何建立状态图表？

6.如何执行有限次数扫描？

7.如何打开交叉引用表？

交叉引用表的作用是什么

课后小记：

第五讲基本位逻辑指令与应用

教学对象

电气自动化技术专业学生

教学目标

1、使学生掌握LD、LDN指令的使用。

2、使学生掌握A、AN指令的使用。

3、使学生掌握O、ON指令的使用。

教学重点

梯形图和指令表之间的互换

教学难点

指令的灵活使用

教学方法

讲授法、演示法、实验法

授课时间

2学时

使用教材

《可编程控制器原理及应用》田淑珍机械工业出版社2005年9月

教学过程

一、逻辑取（装载）及线圈驱动指令

（先介绍基本指令在企业现场中的用途，引起学生的兴趣后引入新课）

利用多媒体教学网络系统教师机对学生的每一台计算机实行广播控制，播放教学软件课件中第四章的第二节内容。

边播放边讲解以下内容：

1、讲解逻辑取（装载）及线圈驱动指令定义

2、通过实例讲解逻辑取（装载）及线圈驱动指令格式。

3、逻辑取（装载）及线圈驱动指令使用说明

二、触点串联指令A（And）,AN（Andnot）

1、讲解触点串联指令定义

2、通过实例讲解触点串联指令格式。

3、触点串联指令使用说明

三、3.触点并联指令：

Ｏ（ＯＲ），ＯＮ（ＯＲ　ＮＯＴ）

1、讲解触点并联指令定义

2、通过实例讲解触点并联指令格式。

3、触点并联指令使用说明

（三）课堂练习

主要是通过实验来完成

1、把教学软件的“实验实训指导”部分导出来，进入到“实验一逻辑指令”

2、按“实验实训指导”输入教师给定的程序，验证逻辑关系

3、根据“实验实训指导”的要求，编制并运行程序。

（四）教师小结

本节课的重点、难点（板书）

（五）布置作业并提出新的问题

1、布置作业：

P100第1、2题

2、提出“如果不是触点与触点的串联（或并联）应该怎么用程序来实现”这么一个新问题，使学生为下一节课作好准备。

课后小记：

第五讲：

基本位逻辑指令与应用

教学目的和要求：

初步掌握S7-200可编程序控制器的基本指令

教学重点：

S7-200PLC的基本逻辑指令

学时分配：

2学时

教学内容：

一．可编程控制器程序设计语言

1.梯形图程序设计语言

2.语句表程序设计语言

3.逻辑功能图

4.高级语言

二．基本位逻辑指令与应用

1. 逻辑取（装载）及线圈驱动指令

2.触点串联指令A（And）,AN（Andnot）

3.触点并联指令：

Ｏ（ＯＲ），ＯＮ（ＯＲ　ＮＯＴ）

4.逻辑环节（电路块）的串联指令ALD

5.逻辑环节（电路块）的并联指令OLD

6.逻辑堆栈指令

7.置位/复位指令S/R

8.脉冲生成指令EU/ED

思考题（作业）：

课后小记：

第六讲逻辑块指令

教学对象

电气自动化技术专业学生

教学目标

1、使学生掌握OLD、ALD指令的使用。

2、使学生掌握OLD、ALD指令的使用。

教学重点

梯形图和指令表之间的互换

教学难点

指令的灵活使用

教学方法

讲授法、演示法、实验法

授课时间

4学时

使用教材

《可编程控制器原理及应用》田淑珍机械工业出版社2005年9月

教学过程

一、ALD指令

功能：

实现多个指令块的“与”运算。

例：

如图3.6所示表示了ALD指令的使用。

图3.6ALD指令的使用

表示Q0.0=（I0.0+I0.1）（I0.2+I0.3）每个指令块以初始加载（LD）指令开始。

ALD指令使用说明：

①分支电路（并联电路块）与前面电路串联连接时，使用ALD指令。

分支的起始点用LD、LDN指令，并联电路块结束后，使用ALD指令与前面电路串联。

②如果有多个并联电路块串联，顺次以ALD指令与前面支路连接，支路数量没有限制。

③ALD指令无操作数。

ALD执行情况见表3.3指令

表3.3指令ALD执行情况

名称

执行前

执行后

说明

STACK0

假设执行前，S0=1，S1=0

本指令对堆栈中的第一层S0和第二层S1的值进行逻辑与运算，结果放回栈顶。

即：

S0=S0*S1=1*0=0执行完本指令后堆栈串行上行1格，深度减1

STACK1

STACK2

STACK3

STACK4

STACK5

STACK6

STACK7

STACK8

二、OLD指令

功能：

实现多个指令块的“或”运算。

程序如图3.7所示

图3.7OLD指令的使用

OLD指令使用说明：

①几个串联想支路并联连接时，其支路的起点以LD、LDN开始，支路终点用OLD指令。

②如需将多个支路并联，从第二条支路开始，在每一支路后面加OLD指令。

用这种方法编程，对并联支路的个数没有限制。

③OLD指令无操作数。

指令OLD的执行情况见表3.4

表3.4指令OLD的执行情况

名称

执行前

执行后

说明

STACK0

假设执行前，S0=1，S1=0

.本指令对堆栈中的第一层S0和第二层S1的值进行逻辑或运算，结果放回栈顶。

即：

S0=S0+S1=1+0=0执行完本指令后堆栈串行上行1格，深度减1

STACK1

STACK2

STACK3

STACK4

STACK5

STACK6

STACK7

STACK8

实验部分

一、实验目的

1、加深对逻辑指令的理解。

2、进一步熟悉V3.2STEP7MicroWINSP2软件的使用方法。

二、实验设备

1、计算机一台；

2、S7-200　PLC一台；

3、适配器一根。

三、实验内容与操作

1、输入练习程序1

将下图1的梯形图程序在计算机中输入并传到PLC中，让PLC运行并观察现象。

图1简单逻辑指令程序及时序图

操作及运行结果：

把方式选择开关拨至“RUN”，则可运行程序，这时可观察到以下现象：

1）当“I0.0”，“I0.1”输入开关都断开时，Q0.0灭，Q0.1亮。

2）将“I0.0”输入开关闭合，“I0.1”输入开关打开，主机上输入显示灯“I0.1”亮，Q0.0，Q0.1均保持原状。

3）将“I0.0”输入开关闭合，“I0.1”输入开关也闭合。

主机上输入显示灯“I0.0”和“I0.1”亮，同时Q0.0亮，Q0.1灭。

4）只要“I0.0”和“I0.1”中任何一个断开，Q0.0灭，Q0.1亮。

2、输入练习程序2

将图2中的程序输入PLC中，观察并描述运行结果。

图2块逻辑指令程序

3、编制并运行程序

按图3所示的时序要求，编制程序并运行程序，将观察的结果记录下来。

图3时序图

课后小结：

课堂小结：

第七讲置位/复位和脉冲微分指令

教学对象

电气自动化技术专业学生

教学目标

1、使学生掌握置位/复位指令的使用。

2、使学生掌握脉冲微分指令的应用。

教学重点

梯形图和指令表之间的互换

教学难点

指令的灵活使用

教学方法

讲授法、演示法、实验法

授课时间

2学时

使用教材

《可编程控制器原理及应用》田淑珍机械工业出版社2005年9月

教学过程

一、S/R（置位/复位）指令

S：

置“1”（置位指令），强制的将位存储区的指定位开始的N个同类存储位置位。

R：

置“0”指令（复位指令），强制的将位存储区的指定位开始的N个同类存储位复位。

程序举例见图3.10和3.11：

图3.10置位复位指令的使用

（1）

图3.11置位复位指令的使用

（2）

注意：

对同一元件可以多次使用S/R指令（与=指令不同）。

但是由于扫描工作方式，故写在后面的指令优先权。

在存储区的一位或多位被置位（复位）后，不能自己恢复，必须用复位（置位）指令由“1”（“0”）跳回到“0”（“1”）。

它们的操作数见表3.8所示。

表3.8置位和复位操作数

操作数

范围

类型

位bit

I，Q，M，SM，TC，V，S，L

BOOL型

数量N

VB.IB，QB，MB，SMB，LB，SB，AC，※VD，※AC，※LD

BYTE型

二、EU/ED指令

这两个指令在梯形图中以触点形式使用。

用于检测脉冲的正跳变（上升沿）或负跳变（下降沿）的指令。

这两条指令都没有操作数。

EU：

正跳变微分指令，正跳变触点检测到脉冲的每一次正跳变后，使指定继电器接通一个扫描周期，然后复位。

ED：

负跳变微分指令，负跳变触点检测到脉冲的每一次负跳变后，使指定继电器接通一个扫描周期，然后复位。

梯形、语句表及程序的时序波形图如下图3.12所示：

图3.12微分指令的应用

当检测到I0.0上升沿时，M0.0仅ON一个扫描周期。

当检测到I0.1的下降沿时，M0.1仅ON一个扫描周期。

课后思考题：

P101第6题

课堂小结：

第八讲定时器指令

教学对象

电气自动化技术专业学生

教学目标

1、使学生掌握定时器指令的使用。

2、使学生掌握定时器指令的应用。

教学重点

定时器指令的应用

教学难点

指令的灵活使用

教学方法

讲授法、演示法、实验法

授课时间

5学时

使用教材

《可编程控制器原理及应用》田淑珍机械工业出版社2005年9月

教学过程

一、S7-200系列PLC按工作方式分有三大类定时器：

通电延时定时器TON、保持型通电延时定时器TONR、断电延时定时器TOF。

指令操作数有3个：

编号、预设值和使能输入。

S7-200定时器的精度（时间增量/时间单位/分辨率）有3个等级：

1ms、10ms、100ms精度等级和定时器号关系如表3.10所示。

表3.10定时器精度与编号

定时器类型

精度等级（ms）

最大当前值（s）

定时器号

TON

TOF

32.767

T32，T96

327.67

T33-T36，T97-T100

100

3276.7

T37-T63，T101-T225

TONR

32.767

T0，T64

327.67

T1-T4，T65-T68

100

3276.7

T5-T31，T69-T95

定时时间的计算：

T=PT×S（T为实际定时时间，PT为预设值，S为精度等级）

例如：

TON指令用定时器T37，预设值为150，则实际定时时间为T=150×100=15000ms=15s。

二、接通延时定时器

TON，接通延时定时器指令。

用于单一间隔的定时。

上电周期或首次扫描，定时器位OFF，当前值为0。

使能输入接通时，定时器位为OFF，当前值从0开始计数时间，当前值达到预设值时，定时器位ON，当前值连续计数到32767。

使能输入断开，定时器自动复位，即定时器位OFF，当前值为0。

指令格式：

TONTxxx，PT

例：

TONT120，8

图3.15为通电延时定时器指令应用示例。

图3.15通电延时定时器的应用

在图3.15所示例子中，当10.0接通时，即驱动T33开始计时（数时基脉冲）；计时到设定值PT时，T33状态bit置1，其常开触点接通，驱动Q0.0有输出；其后当

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