认识可编程序控制器.docx

1、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 重点：PLC的结构及工作方式； 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Programmable Logic Controller，简称PLC。本任

2、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2-1-3 PLC硬件接线图4、PLC接线示意图图2-1-4 PLC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

3、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115 V电压信号（美国电网电压是110V）；(7) 输出量是交流115 V电压信号、输出电流在2 A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4 KB以上。1969年，美国数字设备公司（DEC公司）首先研制成功第一

4、台可编程控制器 PDP14。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 DSC8；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(Programmable Controller)，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

5、，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： 开关逻辑和顺序控制 模拟控制 （A/D和D/A控制） 定时/计数控制 步进控制 运动控制 数据处理 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

6、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。 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

7、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。 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。 不如PLC可靠 用单片

8、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

9、，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 PLC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。 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）结构硬件系统CPU、存储器、总线、I/O口、通信接口、编程器电源扩展设备软件系统PLC的系统程序有三

10、种类型： 系统管理程序 用户程序编辑和指令解释程序 标准子程序与调用管理程序用户程序： 梯形图 语句表 逻辑符号图 功能表图 高级语言 图2-1-5 PLC结构示意图（2）分类按其点数和功能分为： 超小型机：I/O点数为64点以内，内存容量为2561000字节 小型机：I/O点数为64256，内存容量为13.6K字节，如S7-200 中型机：I/O点数为2561024，内存容量为3.613K字节，如S7-300 大型机：I/O点数为1024以上，内存容量为13K字节以上，如S7-400按其结构分为：整体式和模块式两种。图2-1-6 S7-200整体式PLC的外形图图2-1-7 模块式PLC的外

11、形图（3）可编程序控制器的特点 可靠性高，抗干扰能力强； 通用性强，使用方便； 采用模块化结构，使系统组合灵活方便； 编程语言简单、易学，便于掌握； 系统设计周期短； 对生产工艺改变适应性强； 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

12、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2-1-8 PLC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）。继电器输出电路图2-1-9 PLC继电器输出电路晶体管、场效应管输出电路图2-1-9 PLC晶体管输出电路图2-1-10 PLC场效应管输出电路图2-1-10 PLC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

13、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的主要逻辑部件继电器逻辑定时器逻辑计数器逻辑触发器逻辑数据寄存器PLC的编程语言梯形图编程（Ladder）语句表编程（Statement List）功能图编程（Function Block）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2-1-12 PLC工作方式示意图PLC的扫描周期与用

14、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2-1-13 PLC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，PL

15、C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s/步。4）I/O信号的传递过程图2-1-14 PLC I/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

16、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2-1-15 PLC I/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SIEMENS S7-200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128512点之间。应该选用具有模拟量控制、PID控制等功能的PLC，如SIEMENS S7-3

17、00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SIEMENS S7-400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PLC I/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

18、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

19、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、S7-200S7-200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

20、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2-2 S7-200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S7-200CPU22164S7-200CPU222862个扩展模块78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点S7-200CPU22414107个扩展模块168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点S7-200CPU22624162个扩展模块248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点S7-200CPU226XM24162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-

21、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2-3 S7-200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EM2218无EM222无8EM2234/8/164/8/16模拟量扩展模块EM2313无EM232无2EM235314）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

22、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6ES 7291-8GC00-0XA0和6ES 7291-8

23、GD00-0XA0两种，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

24、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。

25、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1SM0.1首次扫描时为1SM0.2保持数据丢失时为1SM0.3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

26、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1SM1.0操作结果=0SM1.1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SM1.6BCD到二进制转换出错SM1.7ASC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

27、。（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（0255）保持型延时接通定时器1msT0、T64保持型延时接通定时器10msT1T4、T65T68保持型延时接通定时器100msT5T31、T69T95延时接通/断开定时器1msT32、T96延时接通/断开定时器10msT33T36、T97T100延时接通/断开定时器100msT37T63、T101T255（9）计数器（C）计数器用来累计输入脉冲的

28、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

29、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CPU 224XP(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STEP 7-Micro/WIN 32是在Wind

30、ows平台上运行的SIMATIC S7-200 PLC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 操作系统：Windows 95、Windows 98、Windows Me、Windows 2000或Windows XP。 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。 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。 以太网通信：网卡、TCP/IP协议、Winsock2（可下载）2）软件安装STEP 7-Micro/WIN 32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