认识可编程序控制器.docx
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认识可编程序控制器
项目二、认识可编程序控制器
一、教学目的
1、掌握可编程控制器的基本知识；
2、熟悉PLC的结构、工作特点及编程基础；
3、了解S7-200编程软件及PLC系统的技术文件编写方法。
二、教学内容
任务一：
了解可编程序控制器；
任务二：
认识S7-200系列PLC；
任务三：
S7-200系列PLC的内部资源及寻址方式；
任务四：
S7-200编程软件使用。
三、教学重点和难点
Ø重点：
PLC的结构及工作方式；
Ø难点：
PLC的工作方式。
四、教学方法
多媒体以及实训相结合的教学方法。
任务一了解可编程序控制器
一、工作任务
可编程控制器即ProgrammableLogicController，简称PLC。
本任务通过一个PLC的实际应用案例介绍，使得学生对PLC控制有一个总体的认识。
（本任务以西门子公司的S7-200PLC为例，介绍PLC控制系统。
）
二、PLC的应用案例
1、电机单向起停的继电-接触控制系统
图2-1-1继电接触控制电气原理图
2、PLC梯形图
图2-1-2转换成PLC梯形图的形状
3、PLC硬件接线原理图
图2-1-3PLC硬件接线图
4、PLC接线示意图
图2-1-4PLC硬件接线示意图
通过上述案例我们可以看出，PLC在继电接触控制系统中用来替代控制柜的主要功能。
由此，继电接触控制的“硬逻辑”将有PLC的软件来实现（“软逻辑”）。
三、相关知识
1、PLC的相关常识
1）PLC的产生
美国通用汽车公司（GM公司）1968年提出了研制新型控制装置的十项指标，其主要内容如下：
（1）编程简单，可在现场修改和调试程序；
（2）价格便宜，性价比高于继电器控制系统；
（3）可靠性高于继电器控制系统；
（4）体积小于有继电器控制柜的体积，能耗少；
（5）能与计算机系统数据通信；
（6）输入量是交流115V电压信号（美国电网电压是110V）；
（7）输出量是交流115V电压信号、输出电流在2A以上，能直接驱动电磁阀等；（8）具有灵活的扩展能力；
（9）硬件维护方便，采用插入式模块结构；
（10）用户存储器容量至少在4KB以上。
1969年，美国数字设备公司（DEC公司）首先研制成功第一台可编程控制器PDP－14。
接着，美国MODICON公司也开发出可编程控制器084。
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DSC－8；1973年，西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器；我国从1974年也开始研制可编程控制器，1977年开始工业应用。
1980年正式将可编程序控制器命名为PC（ProgrammableController），常将可编程序控制器简称为PLC。
2）发展方向
（1）.产品规模向大、小两个方向发展
（2）.PLC向过程控制渗透与发展
（3）.PLC加强了通信功能
（4）.新器件和模块不断推出
（5）.编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化
（6）.发展容错技术
总结以上内容，目前PLC主要发展方向为：
大容量、大型化、高速度；专用化、小型化、低成本；网络化、集成化。
图2-1-4大型PLC应用示意图
3）PLC应用
PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保、娱乐等各行各业。
其主要功能有：
Ø开关逻辑和顺序控制
Ø模拟控制（A/D和D/A控制）
Ø定时/计数控制
Ø步进控制
Ø运动控制
Ø数据处理
Ø通信联网
4）PLC和其它控制技术比较
（1）继电器控制与PLC控制比较
相同点
不同点
1）符号基本类似
2）结构形式基本相同
3）输入、输出逻辑关系基本一致
1）组成器件不同
2）触点情况不同
3）工作电流不同
4）接线方式不同
5）工作方式不同
（2）PLC与单片机控制系统的区别
单片机控制系统具有结构简单、使用方便、价格便宜等优点，一般用于数据采集和工业控制。
但由于单片机不是专门针对工业现场的自动化控制而设计的，因此与PLC相比有一下缺点。
Ø不如PLC容易掌握单片机一般要用机器指令或其助记符编程，这就要求设计人员具有一定的计算机硬件和软件知识，对于只熟悉机电控制的技术人员来说，需要一段时间的学习才能掌握。
PLC本身是微机系统，提供给用户使用的是电控人员熟悉的梯形图语言，使用的术语仍然是“继电器”一类的术语，大部分指令与继电器触头的串联、并联、串并联、并串联等相对应，这就使熟悉机电控制的工程人员一目了然。
对于使用者来说，不必去关心微机的一些技术问题，而只要用较短的时间去熟悉PLC的指令系统及操作方法，才能应用到工业现场。
Ø不如PLC使用简单用单片机来实现自动控制，一般要在输入输出接口上做大量的工作。
例如要考虑现场也单片机的连接、接口的扩展、输入输出信号的处理、接口工作方式等问题，出了要设计控制程序，还要在单片机的外围做很多软件和硬件方面的工作，调试起来也比较麻烦。
而PLC的I/O口已经做好，输入接口可以与输出信号直接连线，非常方便；输出接口具有一定的驱动能力，例如继电器输出，其输出触头容量可达220V、2A。
且I/O均有光耦合环节，抗干扰能力强。
Ø不如PLC可靠用单片机作工作控制，突然问题就是抗干扰能力差。
而PLC是专门应用于工业现场的自动控制装置，在系统硬件和软件上都采取了抗干扰措施。
例如光电耦合、自诊断、多个CPU并行操作、冗余控制技术等。
当然PLC在数据采集、数据处理等方面不如单片机。
总之，PLC用于工业控制，稳定可靠，抗干扰能力强，使用方便，但单片机的统一性和适应性较强。
从以上PLC和微机及单片机的区别比较可以看出：
随着PLC功能的不断增强，越来越多地采用了微机技术，而单片机也为了适应用户需要，向提高可靠性、耐用性和便于维修方向发展，两者相互渗透，使PLC与单片机的差异越来越小，两者的界限也越来越模糊。
今后PLC与单片机将继续共存。
在一个控制系统中，使PLC集中在功能控制上,使MC集中在信息处理上，两者相辅相成，共同发展。
（3）PLC与集散系统的区别
ØPLC是由继电器控制逻辑发展而来的，而集散系统（TDCS）是由回路仪表控制发展来的。
但两者的发展均与计算机控制技术有关。
Ø早期的PLC在开关量控制、顺序控制方面有一定优势，而集散系统在回路调节模拟量控制方面有一定优势。
今天，两者相互渗透、互为补充。
PLC与TDCS的差别已不明显，它们都能构成复杂的分级控制。
从趋势来看，两者的归宿和统一将是全分布式计算机。
5）PLC的结构、分类及其特点
（1）结构
①硬件系统
CPU、存储器、总线、I/O口、通信接口、编程器
②电源
③扩展设备
④软件系统
PLC的系统程序有三种类型：
Ø系统管理程序
Ø用户程序编辑和指令解释程序
Ø标准子程序与调用管理程序
用户程序：
Ø梯形图
Ø语句表
Ø逻辑符号图
Ø功能表图
Ø高级语言
图2-1-5PLC结构示意图
（2）分类
①按其点数和功能分为：
Ø超小型机：
I/O点数为64点以内，内存容量为256～1000字节
Ø小型机：
I/O点数为64～256，内存容量为1～3.6K字节，如S7-200
Ø中型机：
I/O点数为256～1024，内存容量为3.6～13K字节，如S7-300
Ø大型机：
I/O点数为1024以上，内存容量为13K字节以上，如S7-400
②按其结构分为：
整体式和模块式两种。
图2-1-6S7-200整体式PLC的外形图
图2-1-7模块式PLC的外形图
（3）可编程序控制器的特点
Ø可靠性高，抗干扰能力强；
Ø通用性强，使用方便；
Ø采用模块化结构，使系统组合灵活方便；
Ø编程语言简单、易学，便于掌握；
Ø系统设计周期短；
Ø对生产工艺改变适应性强；
Ø安装简单、调试方便、维护工作量小。
2、可编程序控制器的硬件
PLC的硬件电路主要包括以下几个部分：
中央处理器（CPU）、存储器、输入输出接口、电源、外部设备。
（1）中央处理器（CPU）
（2）CPU模块中的存储器
存储器分类与特点：
RAM、ROM、EPROM、EEPROM
（3）基本I/O接口电路
它是CPU与I/O设备之间的联接部件。
I/O接口电路一般采用光电耦合电路，减少电磁干扰，提高PLC可靠性。
（4）输入电路
输入接口接受输入设备（如：
按钮、行程开关、传感器等）的控制信号。
（a）（b）
（c）
图2-1-8PLC输入接口电路
（5）输出电路
输出接口将主机处理过的结果通过输出电路驱动输出设备（如：
指示灯、电磁阀、接触器等）。
①继电器输出电路
图2-1-9PLC继电器输出电路
②晶体管、场效应管输出电路
图2-1-9PLC晶体管输出电路
图2-1-10PLC场效应管输出电路
图2-1-10PLC晶闸管输出电路
3、PLC的工作原理
1）PLC的等效电路
PLC可以分为输入部分、逻辑部分和输出部分组成。
图2-1-11PLC等效电路
（1）输入部分：
它收集并保存被控对象实际运行的数据和信息。
例如，它收集来自被控制对象上的各种开关信息或操作台上的操作命令等。
（2）逻辑部分：
处理输入部分所取得的信息，并按照被控对象实际的动作要求做出反映。
（3）输出部分：
提供正在被控制的许多装置中，哪几个设备需要实时操作处理。
▲PLC的主要逻辑部件
①继电器逻辑
②定时器逻辑
③计数器逻辑
④触发器逻辑
⑤数据寄存器
▲PLC的编程语言
①梯形图编程（Ladder）
②语句表编程（StatementList）
③功能图编程（FunctionBlock）
2）PLC的工作方式
PLC一次扫描的过程，包括读输入、执行程序、处理通讯请求、执行CPU自诊断、写输出共五个阶段，其所需时间称为一个工作周期（或扫描周期）。
图2-1-12PLC工作方式示意图
★PLC的扫描周期与用户程序的长短和该PLC的扫描速度紧密相关。
3）PLC的工作过程
PLC运行时，CPU对存于用户存储器中的程序，按指令步顺序作周期性的循环扫描。
PLC的扫描过程：
图2-1-13PLC扫描过程示意图
（1）输入采样阶段
PLC以扫描方式顺序读入输入端子的通断状态（ON/OFF），并写入相应的输入状态寄存器中，即刷新输入，接着转入程序执行阶段。
（2）程序执行阶段
PLC按先左后右，自上而下的顺序对每条指令进行扫描，并将相应的运算和处理结果写入输出状态寄存器中。
（3）输出刷新阶段
在所有指令执行完毕后，输出状态寄存器的通断状态转写入输出锁成器中，驱动相应的输出设备，产生PLC的实际输出。
经过以上三个阶段，PLC完成一个扫描周期。
并且不断循环下去。
用一句话概括：
“顺序扫描、不断循环”。
4、PLC的主要技术性能
1）I/O点数
这是一项重要技术指标。
它是指PLC的外部输入和输出端子数。
小型机有几十个点，而大型机超过千点。
2）用户程序存储容量
指PLC存储用户程序的多少。
程序指令按“步”存储，一“步”占一个地址单元，一个地址单元占两个字节，如：
一个内存容量为1000步的PLC，其内存为2k字节。
3）扫描速度
指扫描1000步用户程序所需的时间，单位为ms/千步，或μs/步。
4）I/O信号的传递过程
图2-1-14PLCI/O信号的传递过程
5）PLC输入／输出响应的滞后现象
从PLC的输入端有一个输入信号发生变化，到PLC输出端对该变化做出响应，需要一段响应时间
图2-1-15PLCI/O响应的滞后现象
四、PLC控制系统的一般设计步骤
1、PLC系统设备选型
1）确定PLC控制系统的规模
依据工厂生产工艺流程和复杂程度确定系统规模的大小。
可分为大、中、小三种规模。
小规模PLC控制系统:
单机或者小规模生产过程，控制过程主要是条件、顺序控制，以开关量为主，并且I/O点数小于128 点。
一般选用微型PLC,如SIEMENSS7-200等。
中等规模PLC控制系统:
生产过程是复杂逻辑控制和闭环控制，I/O点数在128——512点之间。
应该选用具有模拟量控制、PID控制等功能的PLC，如SIEMENSS7-300等。
大规模PLC控制系统:
生产过程是大规模过程控制、DCS系统和工厂自动化网络控制，I/O点数在512点以上。
应该选用具有通信联网、智能控制、数据库、中断控制、函数运算的高档PLC,如SIEMENSS7-400等,再和工业现场总线结合实现工厂工业网络的通讯和控制。
2）确定PLCI/O点的类型
根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。
适当进行内存容量的估计，确定适当的留有软硬件资源余量而不浪费资源的机型（小、中、大型机器）。
根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是晶体管输出，或品闸管输出。
不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。
电磁阀的开闭、大电感负载、动作频率低的设备，PLC输出端采用继电器输出或者固态继电器输出；各种指示灯、变频器/数字直流调速器的启动/停止应采用晶体管输出。
3）确定PLC编程工具
（1）一般的手持编程器编程。
（2）图形编程器编程
（3）计算机加PLC软件包编程
2、PLC控制系统的设计
1）PLC控制系统的硬件设计注意抗干扰问题：
隔离：
由于电网中的高频干扰主要是原副边绕组之间的分布电容耦合而成，所以建议采用1:
1超隔离变压器，并将中性点经电容接地。
屏蔽：
一般采用金属外壳屏蔽，将PLC系统内置于金属柜之内。
金属柜外壳可靠接地，能起到良好的静电、磁场屏蔽作用，防止空间辐射干扰。
布线：
强电动力线路、弱电信号线分开走线，并且要有一定的间隔;模拟信号传输线采用双绞线屏蔽电缆。
2）PLC控制系统的软件设计
3）PLC控制系统程序的调试
任务二认识S7-200系列PLC
一、工作任务
1、认识SIMATIC-S7家族；
2、了解S7-200的结构及各部分的作用。
二、相关知识
1、SIMATIC-S7家族
2、S7-200
S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。
其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。
1）S7-200基本单元的外形
2）基本单元
S7-200系列PLC中可提供4种不同的基本型号的8种CPU供选择使用，其输入输出点数的分配见表2-2：
表2-2S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元
型号
输入点
输出点
可带扩展模块数
S7-200CPU221
6
4
—
S7-200CPU222
8
6
2个扩展模块
78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点
S7-200CPU224
14
10
7个扩展模块
168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点
S7-200CPU226
24
16
2个扩展模块
248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点
S7-200CPU226XM
24
16
2个扩展模块
248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点
3）扩展单元
S7-200系列PLC主要有6种扩展单元，它本身没有CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展I/O点数，S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数的分配如表2-3所示。
表2-3S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数
类型
型号
输入点
输出点
数字量扩展模块
EM221
8
无
EM222
无
8
EM223
4/8/16
4/8/16
模拟量扩展模块
EM231
3
无
EM232
无
2
EM235
3
1
4）编程器
PLC在正式运行时，不需要编程器。
编程器主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等，并将用户程序送入PLC中，在调试过程中，进行监控和故障检测。
S7-200系列PLC可采用多种编程器，一般可分为简易型和智能型。
简易型编程器是袖珍型的，简单实用，价格低廉，是一种很好的现场编程及监测工具，但显示功能较差，只能用指令表方式输入，使用不够方便。
智能型编程器采用计算机进行编程操作，将专用的编程软件装入计算机内，可直接采用梯形图语言编程，实现在线监测，非常直观，且功能强大，S7-200系列PLC的专用编程软件为STEP7-Micro/WIN。
5）程序存储卡
为了保证程序及重要参数的安全，一般小型PLC设有外接EEPROM卡盒接口，通过该接口可以将卡盒的内容写入PLC，也可将PLC内的程序及重要参数传到外接EEPROM卡盒内作为备份。
程序存储卡EEPROM有6ES7291-8GC00-0XA0和6ES7291-8GD00-0XA0两种，程序容量分别为8K和16K程序步。
6）写入器
写入器的功能是实现PLC和EPROM之间的程序传送，是将PLC中RAM区的程序通过写入器固化到程序存储卡中，或将PLC中程序存储卡中的程序通过写入器传送到RAM区。
7）文本显示器
文本显示器TD200不仅是一个用于显示系统信息的显示设备，还可以作为控制单元对某个量的数值进行修改，或直接设置输入/输出量。
文本信息的显示用选择/确认的方法，最多可显示80条信息，每条信息最多4个变量的状态。
过程参数可在显示器上显示，并可以随时修改。
TD200面板上的8个可编程序的功能键，每个都分配了一个存储器位，这些功能键在启动和测试系统时，可以进行参数设置和诊断。
任务三S7-200系列PLC的内部资源及寻址方式
一、工作任务
1、了解S7-200系列PLC的内部资源及其器件编号
2、了解S7-200存储器的数据类型与寻址方式
二、相关知识
1、S7-200系列PLC的内部资源（注意器件编号的范围）
1）软元件
软元件是PLC内部具有一定功能的器件，这些器件由电子电路和寄存器及存储器单元等组成。
2）软元件介绍
（1）输入继电器（I）
输入继电器一般都有一个PLC的输入端子与之对应，它用于接收外部开关信号。
外部的开关信号闭合，则输入继电器的线圈得电，在程序中其常开触点闭合，常闭触点断开。
（2）输出继电器（Q）
输出继电器一般有一个PLC上的输出端子与之对应。
当通过程序使输出继电器线圈得电时，PLC上的输出端开关闭合，它可以作为控制外部负载的开关信号，同时在程序中其常开触点闭合，常闭触点断开。
（3）通用辅助继电器（M）
通用辅助继电器的作用和继电器控制系统中的中间继电器相同，它在PLC中没有输入/输出端子与之对应，因此它的触点不能驱动外部负载。
（4）特殊继电器（SM）
有些辅助继电器具有特殊功能或用来存储系统的状态变量、控制参数和信息，我们称其为特殊继电器。
特殊存储器位
SM0.0
该位始终为1
SM0.1
首次扫描时为1
SM0.2
保持数据丢失时为1
SM0.3
开机进入RUN时为1一个扫描周期
SM0.4
时钟脉冲:
30s闭合/30s断开
SM0.5
时钟脉冲:
0.5s闭合/0.5s断开
SM0.6
时钟脉冲:
闭合1个扫描周期/断开1个扫描周期
SM0.7
开关放置在RUN位置时为1
SM1.0
操作结果=0
SM1.1
结果溢出或非法值
SM1.2
结果为负数
SM1.3
被0除
SM1.4
超出表范围
SM1.5
空表
SM1.6
BCD到二进制转换出错
SM1.7
ASCⅡ到十六进制转换出错
（5）变量存储器（V）
变量存储器用来存储变量。
它可以存放程序执行过程中控制逻辑操作的中间结果，也可以使用变量存储器来保存与工序或任务相关的其它数据。
（6）局部变量存储器（L）
局部变量存储器用来存放局部变量。
局部变量与变量存储器所存储的全局变量十分相似，主要区别在于全局变量是全局有效的，而局部变量是局部有效的。
（7）顺序控制继电器（S）
有些PLC中也把顺序控制继电器称为状态器。
顺序控制继电器用在顺序控制或步进控制中。
（8）定时器
定时器是PLC中重要的编程元件，是累计时间增量的内部器件。
CPU221/CPU222/CPU224/CPU226
定时器
256个（0～255）
保持型延时接通定时器1ms
T0、T64
保持型延时接通定时器10ms
T1～T4、T65～T68
保持型延时接通定时器100ms
T5～T31、T69～T95
延时接通/断开定时器1ms
T32、T96
延时接通/断开定时器10ms
T33～T36、T97～T100
延时接通/断开定时器100ms
T37～T63、T101～T255
（9）计数器（C）
计数器用来累计输入脉冲的个数，经常用来对产品进行计数或进行特定功能的编程。
（10）模拟量输入映像寄存器（AI）、模拟量输出映像寄存器（AQ）
模拟量输入电路用以实现模拟量/数字量（A/D）之间的转换，而模拟量输出电路用以实现数字量/模拟量（D/A）之间的转换。
（11）高速计数器（HC）
一般计数器的计数频率受扫描周期的影响，不能太高。
而高速计数器可累计比CPU的扫描速度更快的事件。
以用来存放运算数据、中间数据和结果。
（12）累加器（AC）
2、S7-200存储器的数据类型与寻址方式
1）数据类型
布尔型、整型和实型。
2）常用的单位
位、字节、字和双字等。
3）寻址方式
寻址分三种：
立即寻址、直接寻址、间接寻址。
（1）立即寻址
在一条指令中，如果操作码后面的操作数就是操作码所需要的具体数据，这种指令的寻址方式就叫立即寻址。
（2）直接寻址
在一条指令中，如果操作码后面的操作数是以操作数所在地址的形式出现的，这种指令的寻址方式就叫直接寻址。
（3）间接寻址
在一条指令中，如果操作码后面的操作数是以操作数所在地址的地址形式出现的，这种指令的寻址方式就叫间接寻址。
3、S7-200端子接线
CPU224XP（DC/DC/DC）外部电路接线电路图
任务四S7-200编程软件使用
一、工作任务
1、了解S7-200系列编程软件
2、掌握S7-200系列编程软件的使用
二、相关知识
1、编程软件系统概述
STEP7-Micro/WIN32是在Windows平台上运行的SIMATICS7-200PLC编程软件，该软件简单、易学，并且能够很容易的解决复杂的自动化任务。
1）系统要求
Ø操作系统：
Windows95、Windows98、WindowsMe、Windows2000或WindowsXP。
Ø计算机硬件配置：
586以上兼容机，内存64MB以上，VGA显示器，至少500MB以上硬盘空间，Windows支持的鼠标。
Ø通信电缆：
PC/PPI电缆（或使用一个通信处理器卡），用于计算机与PLC连接。
Ø以太网通信：
网卡、TCP/IP协议、Winsock2（可下载）
2）软件安装
STEP7-Micro/WIN32编程软件在一张光盘上，用户可按以下步骤安装：
（1）将光盘插入光盘驱动器；
（2）系统自动进入安装向
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