plc教案12章.docx

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plc教案12章

叶龙

Email:

yelongclass@

O:

67103149

研究方向：

嵌入式系统

参考资料：

1.《可编程控制器及其常用控制电器》，何友华，冶金工业出版社；

2.《电机与电气控制技术》，许翏，机械工业出版社；

3.；

4.；

5.STEP7-Micro/Win编程软件的在线帮助文件。

补充材料（见PPT）

第1章概述

教学要求：

1.了解PLC的概念和组成；

2.了解PLC控制系统和继电器控制系统以及计算机控制系统之间的联系和区别。

1.1PLC的基本概念与基本结构

1.1.1　PLC的基本概念

1985，国际电工委员会IEC：

可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

PLC的发展：

1.1968，美国GM公司提出PLC基本思想汽车生产线中的继电器（？

参考www.wikipedia.org）；

2.1969，美国DEC公司生产出PLC梯形图语言；

3.七十年代中期，大量应用不仅有逻辑判断功能，还有数据处理、PID调节、数据通信功能；

4.1980以来，美、日、德等采用CPU的PLC。

1.1.2　PLC的基本结构

图1-1PLC控制系统示意图

一般中型PLC多为双微处理器系统（主处理器和从处理器）。

电源：

220VAC，为PLC的CPU、存储器等电路工作所需的DC（5V，

，24V）。

1.2　PLC的特点与应用领域

1.2.1　PLC的特点

1.编程方法简单易学

●图形式指令结构

●简化的程序结构

●丰富的调试手段

2.功能强，性能价格比高（和继电器系统相比）

3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

●可编程控制器及其相关设备标准化、系列化、模块化

4.可靠性高，抗干扰能力强

●利用软件代替触点，减少接线

●专为工业生产现场设计，抗干扰措施齐全）

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

1.2.2　PLC的应用领域

1.开关量逻辑控制

●利用指令替代物理触点的串并联，方便实现逻辑控制、定时控制和顺序控制

2.运动控制

●机器人、电梯、机械加工

3.闭环过程控制

●用于对温度、压力和流量等连续变化的模拟量的控制

4.数据处理

5.通信联网

1.2.3与计算机控制系统的区别

相同点：

●基本结构

●程序执行原理

不同点：

●工作方式

⏹计算机工作时循环地取指令、执行指令；

⏹PLC以循环扫描的方式工作，且指令的执行结果并不立即传送到输出点；

⏹PLC专为工业应用设计。

1.2.4与继电器接触器控制系统的区别

相同点：

●图形结构和逻辑关系

不同点：

●实现原理

⏹继电器电磁线圈通电吸合；PLC电子元件（如触发器）

●工作方式

⏹继电器用实际电路实现，按同时执行方式工作【并行】

⏹PLC用程序实现内部线圈和触点的逻辑关系，按循环扫描方式工作（CPU顺序执行程序，任一时刻只能执行一条指令）【串行】

第2章PLC的硬件与工作原理

教学要求：

1.了解PLC的组成模块和扩展模块；

2.掌握PLC的工作原理（重点）；

3.熟练掌握PLC的扩展和编址（重点、难点）。

2.1　PLC的硬件

2.1.1PLC的物理结构

PLC的物理结构：

整体式（S7-200PLC，小型）、模块式（S7-400PLC，大中型）

图2-1S7-200CPU模块的外形图

PLC的分类（按规模）

类型

I/O点数

存储器容量（字节）

微型

64点以下

1——2KB

小型

65——128点

2——4KB

中型

128——512点

4——16KB

大型

512——8192点

16——64KB

超大型

大于8192点

64——128KB

2.1.2CPU模块中的存储器

存储器：

用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量、系统组态和其它一些信息。

按功能分为：

●系统程序存储器：

是存储用于控制和完成PLC各种功能的程序，这些程序由制造商用相应CPU指令系统编写，固化在ROM中。

就像操作系统

●用户程序存储器：

用来存放由编程器或者其他编程设备输入的用户程序。

用户程序由使用者根据工程现场的生产过程和工艺要求而编写，可通过编程器或编程软件修改。

存储器分类与特点（注意速度）：

●RAM：

一般存放用户程序和系统参数

●ROM：

可以用来存放系统程序，也可以用来固化用户程序和一些重要参数

●EEPROM：

存放用户程序和需要长期保存的数据。

2.1.3I/O模块

输入模块：

直流输入模块、交流输入模块。

（其中都有光电耦合、RC滤波电路）

图2-3输入电路

输出模块：

在输出电路中，RC电路和压敏电阻U的组成用来消除触点断开时产生的电弧。

继电器输出型：

有触点输出方式，适用于低频大功率直流或交流负载。

图2-4继电器输出电路

场效应晶体管输出型：

无触点输出方式，使用于高频小功率直流负载。

图2-5场效应管输出电路

双向晶闸管输出：

无触点输出方式，适用于高速大功率交流负载。

2.2PLC的工作原理

2.2.1用触点（描述输入）和线圈（描述输出）实现逻辑运算

用触点有动作描述（常开触点闭合，常闭触点断开）——逻辑1

用触点无动作描述（常开触点断开，常闭触点闭合）——逻辑0

梯形图：

常开触点的串联来描述“与”；常开触点的并联来描述“或”；常闭触点来描述“非”

图2-6基本逻辑电路

单向旋转控制电路逻辑关系分析：

控制对象状态由线圈决定。

图2-7异步电动机控制电路

2.2.2PLC的操作模式

RUN模式执行用户程序，“RUN”LED亮。

STOP模式不执行用户程序，可将用户程序和硬件设置信息创建、编辑、下载到PLC。

TERM（终端）模式与通信有关。

工作方式切换：

●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。

2.2.3PLC的工作原理

PLC采用循环（扫描）工作模式，这个工作一般包括五个阶段：

自诊断检查、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理。

图2-8扫描过程

1.读取输入：

●每个扫描周期的开始，先对各数字量输入点的当前状态进行输入扫描，并将各扫描结果分别写入对应的映像寄存器中。

●外接电路闭合，对应的映像寄存器为1；对应梯形图中的常开触点接通，常闭触点断开。

●外接电路断开，对应的映像寄存器为0；对应梯形图中的常开触点断开，常闭触点接通。

2.执行用户程序

●执行程序时，对输入输出的存取通常是通过映像寄存器实现的。

●在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器状态也不会发生变化。

变化的输入信号状态只有在下一个扫描周期的读取输入阶段才能被读入。

●执行用户程序过程中的特殊处理

✧中断程序的处理：

如果在程序中使用了中断，则与处理中断时间的中断程序与主程序一起被存入存储器。

正常情况下，中断程序并不作为扫描周期的一部分进行扫描，仅仅是在中断事件发生后才进行执行，此时，CPU以异步扫描方式为用户提供中断服务，而且根据中断优先级来处理多个中断。

中断程序使得CPU的扫描周期不是固定的，这一执行特点在编制用户程序时必须考虑到。

✧立即I/O处理：

利用立即I/O指令可以直接存取I/O点；立即读输入点指令，不更新相应的输入映像寄存器；立即写输出点指令，更新相应的输出映像寄存器。

3.通信处理

●在CPU扫描周期的信息处理阶段，CPU自动检测并处理各通信端口接收到的任何信息。

即检查是否有编程器、计算机等的通信请求，若有则进行相应处理，在这一阶段完成数据通信任务。

4.CPU自诊断测试

●CPU检测主机硬件，同时也检查所有的I/O模块的状态。

在Run模式下，还检测用户程序存储器。

5.改写输出

●CPU执行完用户程序后，将输出映像寄存器中的数据传送到输出模块并加以锁存。

●输出信号通过输出不见转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。

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。

扫描周期长短主要取决于程序的长短，它对于一般工业设备通常没有什么影响（一般在微秒级）。

但对控制时间要求较严格，响应速度要求快的系统，为减少扫描周期造成的响应延时等不良影响，一般在编程时应对扫描周期精确计算，并尽量缩短和优化程序代码。

输入/输出滞后时间（也成为系统响应时间）

✓影响的因素：

电路惯性（输入模块滤波时间、输出模块的滞后时间【继电器型输出10ms，晶闸管1ms，晶体管<1ms】）

✓扫描方式：

最长可以达到2个多扫描周期

✓与程序设计安排有关

中断程序的处理与立即I/O指令可提高响应速度。

图2-9PLC外部接线图与梯形图

LDI0.1

OQ0.0

ANI0.2

=Q0.0

图2-9中的梯形图完成的逻辑运算为

外部输入电路接通时,对应的输入映像寄存器为ON（1状态）,梯形图中对应的常开触点闭合，常闭触点断开。

梯形图中Q0.0的线圈“通电”，对应的硬件继电器的常开触点闭合，接在标号为0.0的端子的外部负载工作。

2.3S7-200CN系列PLC

西门子PLC的分类：

S7、M7、C7、WinAC。

2.3.1　S7-200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

2.3.2　CPU模块

CPU221/222/224/226

集成I/O点：

10/14/24/40点；程序空间4096～24576B。

最大DI/DO256/256点；最大AI/AO35/32点；最多7个扩展模块。

定时器/计数器256/256点；高速计数器4/6点30kHz，2点20kHz高速输出；

模拟电位器1/2个，实时钟，1/2个RS-485接口；

4点输入中断，2个定时中断（1～255ms）。

CPU224XP：

2AI、1AO，2通信口，高速输入200kHz、高速输出100kHz。

PPI、MPI、自由通信口协议和PROFIBUS点对点协议；

使用STEP7-Micro/WIN32编程软件。

2.3.3　数字量扩展模块

数字量I/O：

8DI、16DI、4DO、8DO、4/4、8/8、16/16、32/32DI/DO。

输入有24VDC和230VAC两种，输出有24VDC和继电器型。

2.3.4模拟量扩展模块与热电偶热电阻扩展模块

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

【例2-2】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0～32000的数字量，即0～10000kPa对应于数字量6400～32000，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6400～32000，压力的计算公式为

模拟量输出模块的量程有10V和0～20mA两种：

图2-11模拟量输出数据字的格式

2.3.6STEP7-Micro/WIN编程软件与显示面板简介

1．STEP7-Micro/WIN编程软件

2．显示面板

（1）文本显示器TD-200C和TD-400C

（2）S7-200专用的触摸屏：

TP070、TP170micro、TP177micro和K-TP178micro。

2.4I/O地址分配与外部接线

2.4.1本机I/O与扩展I/O的地址分配

图2-13CPU224XP的本地和I/O地址分配举例

2.4.2S7-200的外部接线

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

感性负载的处理，电阻、电感和白炽灯的区别。

图2-16感性输出电路的处理

2.1填空

（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）外部输入电路接通时，对应的输入过程映像寄存器I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“断电”，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。