第3章 PLC 的組成及工作原理

§3.1PLC

的組成

§3.2PLC的工作原理

§3.3PLC

的分類

§3.4S7-200系列性能簡介本章內(nèi)容2/1/202313-1PLC的組成中央處理器：進行數(shù)學(xué)和邏輯操作的計算中心。存儲器：存取數(shù)據(jù)和信息，存放著系統(tǒng)軟件和用戶程序。電源供應(yīng)：將交流電（AC）轉(zhuǎn)化為直流電（DC）。2/1/20232S7-300系列大、中型PLCS7-200系列小型PLC2/1/20233西門子S7-300系列2/1/202342/1/20235（一）中央處理器CPU：是系統(tǒng)運算、控制的中心。完成以下任務(wù)：①控制用戶程序和數(shù)據(jù)的接收和存儲；②診斷PLC電源、內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編程中的語法錯誤；③用掃描的方式接收現(xiàn)場輸入設(shè)備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，送入存儲器；④逐條讀取指令，完成各種運算和操作。⑤將處理結(jié)果送至輸出端。⑥響應(yīng)各種外部設(shè)備的工作請求。

2/1/20236

微處理器的處理能力有兩個因素決定：

位數(shù)——指一次能處理的數(shù)據(jù)的位數(shù)。

時鐘頻率——決定執(zhí)行指令的快慢。微處理器比特大小時鐘速度80858位1MHz808616位4.77MHz8018616位8MHz8028616位12.5MHz8038632位33MHz8048632位50MHzPentium32/64位1.2GHz2/1/20237（二）存儲器：系統(tǒng)存儲器：用來存放由PLC生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在ROM中，用戶不能更改。系統(tǒng)程序由三部分組成：系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序和標(biāo)準程序模塊及系統(tǒng)調(diào)用。2/1/20238用戶存儲器：包括用戶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩部分。數(shù)據(jù)存儲器中存放用戶程序中所使用器件的狀態(tài)和數(shù)值等。注意：PLC產(chǎn)品手冊中給出的“存儲器類型”和“程序容量”是針對用戶程序存儲器而言的。2/1/20239

PLC使用的存儲器類型：

①隨機存取存儲器（RAM）可讀可寫，易失性，工作速度高，價格便宜，改寫方便。存放運行時的用戶程序和數(shù)據(jù)。

②只讀存儲器（ROM）只讀不能寫，非易失性的。保存系統(tǒng)程序。

③可電擦除可編程的只讀存儲器（EEPROM）非易失性的，可讀可寫。用來保存用戶程序和需長期保存的重要數(shù)據(jù)。2/1/2023102/1/202311功能：通過各類接口模塊的外接線，實現(xiàn)對工業(yè)設(shè)備或生產(chǎn)過程的檢測和控制。問題：實際生產(chǎn)中的信號電平多種多樣外部執(zhí)行機構(gòu)所需的電平也是多種多樣

PLC的CPU所處理的只能是標(biāo)準電平解決：通過I/O接口實現(xiàn)信號電平的轉(zhuǎn)換。數(shù)字量、模擬量；交流、直流；晶體管、繼電器

（三）輸入輸出模塊：2/1/202312功能：將外部過程的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成PLC的CPU模塊所需要的信號電平，并送到系統(tǒng)總線上。類型：直流輸入，交流輸入（1）開關(guān)量輸入模塊：2/1/202313接收輸入信號的狀態(tài)把輸入信號轉(zhuǎn)換成直流電電氣隔離產(chǎn)生可被CPU檢測到的輸出2/1/202314

（2）開關(guān)量輸出模塊功能：將PLC的CPU模塊的TTL電平轉(zhuǎn)換成外部過程所需要的信號電平，并以此來驅(qū)動外部過程的執(zhí)行機構(gòu)、顯示燈等負載。類型：晶體管輸出方式場效應(yīng)管輸出方式固體繼電器輸出方式2/1/202315

①繼電器輸出型：為有觸點輸出方式，用于接通或斷開開關(guān)頻率較低的直流負載或交流負載回路。繼電器輸出型2/1/202316②晶閘管輸出型：為無觸點輸出方式，用于接通或斷開開關(guān)頻率較高的交流電源負載。（b）晶閘管輸出型2/1/202317③晶體管輸出型：為無觸點輸出方式，用于接通或斷開開關(guān)頻率較高的直流電源負載。（c）晶體管輸出型（NPN集電極開路）（d）

晶體管輸出型（PNP集電極開路）2/1/202318

（3）模擬量輸入模塊功能：將模擬量信號轉(zhuǎn)換成PLC所能接收的數(shù)字信號。類型：電壓輸入、電流輸入主要性能指標(biāo)：輸入通道數(shù)：4路、8路、16路輸入信號：電壓信號、電流信號

A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)：8位、10位、12位、14位轉(zhuǎn)換精度：0.01%—0.5%

線性度（滿量程）：+0.05%

轉(zhuǎn)換時間：小于50ms2/1/202319

（4）模擬量輸出模塊功能：將PLC內(nèi)部輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成外部生產(chǎn)過程所需的模擬信號。類型：電壓輸出、電流輸出主要性能指標(biāo)：輸出信號：電壓信號、電流信號轉(zhuǎn)換位數(shù)：8位、10位、12位、14位輸出響應(yīng)時間：30ms左右分組：2點、4點、8點2/1/202320

（四）電源供應(yīng)

PLC的電源是指將外部輸入的交流電處理后轉(zhuǎn)換成滿足PLC的CPU、存儲器、輸入輸出接口等內(nèi)部電路工作需要的直流電源電路或電源模塊。許多PLC的直流電源采用直流開關(guān)穩(wěn)壓電源，不僅可提供多路獨立的電壓供內(nèi)部電路使用，而且還可為輸入設(shè)備提供標(biāo)準電源。

2/1/202321（1）編程器

功能：用來輸入和編輯用戶程序，并對程序進行編輯檢查和修改，還可以用來監(jiān)視PLC運行時用戶軟件中各編程元件的工作狀態(tài)。

類型：手持編程器：使用方便、價格低廉，不直觀。用通用計算機作為編程器：比手持編程工具更加直觀和方便。

（五）編程器及外部設(shè)備2/1/202322（2）外部設(shè)備人/機接口裝置

外存儲器打印機2/1/202323

若主機單元的I／O點數(shù)不能滿足需要時，可通過此接口用扁平電纜線將I／O擴展單元與主機相連，以增加I／O點數(shù)。PLC的最大擴展能力主要受CPU尋址能力和主機驅(qū)動能力的限制。

（六）I/O擴展接口2/1/202324

1．PLC的控制機制繼電器控制電路的特點：并行

（只要條件滿足就執(zhí)行）計算機：順序執(zhí)行+中斷PLC

:掃描+串行+中斷+立即讀+立即寫

3-2

PLC

的工作原理2/1/202325

2．PLC的工作原理

PLC采用循環(huán)掃描的方式工作。

工作模式：

STOP:CPU不執(zhí)行用戶程序，可以裝載程序和配置CPU

RUN：CPU執(zhí)行用戶程序2/1/202326RUN/STOP模式動畫演示2/1/202327RUN模式動畫演示2/1/202328

（1）輸入采樣：

PLC以掃描工作方式順序讀入輸入端子的狀態(tài)，并把這些狀態(tài)存入到輸入映像寄存器。這些狀態(tài)要保持到下一次的讀取輸入，在執(zhí)行程序和輸出刷新時狀態(tài)不會發(fā)生改變。2/1/202329

（2）執(zhí)行程序：

按照先左后右，先上后下的順序?qū)γ織l指令進行掃描，同時①讀入所有的狀態(tài)②求解控制邏輯③把求解結(jié)果存入到輸出映像寄存器2/1/202330

（3）輸出刷新：

把映像寄存器中所有的輸出寄存器狀態(tài)輸出到鎖存電路并驅(qū)動負載。2/1/202331實例：2/1/2023323．PLC輸入/輸出滯后問題

定義：從PLC系統(tǒng)的某一輸入信號變化開始到系統(tǒng)有關(guān)輸出端信號的改變所需的時間稱為I/O響應(yīng)時間。

主要原因：①輸入濾波電路②輸出繼電器觸點機械運動③PLC掃描工作方式2/1/202333

A：輸入B：執(zhí)行C：輸出實例：2/1/202334

注意：如果第一行與第二行交換可減少一個掃描周期的延遲，這種延遲與程序有關(guān)。

說明：PLC延遲一般在幾十毫秒之間，對一般的系統(tǒng)無關(guān)緊要。對快速系統(tǒng)要給與足夠的考慮。

處理方法：①掃描速度快的PLC②高速計數(shù)器③中斷模塊2/1/202335

1．從規(guī)模上根據(jù)PLC的輸入輸出點數(shù)，可分為：小型：256點以下中型：2048點以下大型：2048點以上3-3

PLC的分類2/1/202336公司機型1K字處理速度/ms儲存容量/KBI/O點數(shù)美國MODICON984-13X4.254256984-14X4.258256984-38X3-54-16256日本OMRONC60P4-951.19120C1203-832.2256CQM10.5-103.2－7.2256日本三菱FX20.742-8256德國SIEMENS5-100U702128S7-2000.8-1.22256小型機例：2/1/202337公司機型1K字處理速度/ms儲存容量/KBI/O點數(shù)美國MODICON984-48X34－161024984-68X1-28－161024984-78X1.516－321024日本OMRONC200H0.75-2.256.61024C1000H0.4-2.43.81024CV10000.125-0.375621024日本富士HDC-1002.5421792德國SIEMENS5-115U2.5421024S7-3000.3-0.612-1921024中型機例：2/1/202338公司機型1K字處理速度/ms儲存容量/KBI/O點數(shù)美國MODICON984A0.7516-322048984B0.7532-642048日本OMRONC2000H0.4-2.430.82048CV20000.125-0.175622048日本三菱F2002.5323200德國SIEMENS5-150U24804096S7-4000.3-0.6512131072大型機例：2/1/202339

2．從結(jié)構(gòu)上（1）整體式結(jié)構(gòu)（一體式、小型）結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、功能齊全、性價比較高使用不靈活，維修困難，故障影響面大

2/1/202340（2）模塊式結(jié)構(gòu)（中、大型）組成靈活、硬件配置余地大、維修方便；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，插件較多2/1/202341（3）混合式結(jié)構(gòu)集中了結(jié)構(gòu)式和模塊式的優(yōu)點，擴充性能好，模塊豐富。2/1/202342

3．PLC的幾種流派及典型PLC產(chǎn)品世界上PLC生產(chǎn)廠家約200多家，生產(chǎn)的產(chǎn)品大約400多種。按地域分為三個流派：美國：AB公司SLC-50系列，SLC-5/3/2GE公司GE系列

MODICON公司84系列

2/1/202343

歐洲：西門子公司S5系列S7系列日本：三菱公司FX系列A系列F系列立石公司（OMRON）

CQM1系列C200HCVM1

松下公司FP系列

2/1/202344

3-4

S7-200系列性能簡介LOGO!S7-300S7-400S7-300C中/大型High-endrange/mediumrangeS7-400中/小型Low-endrangeS7-300通用邏輯模塊S7-200微型PLCS7-2001．SIMATICS7系列產(chǎn)品2/1/202345

2．S7-200系列PLCCPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU

2262/1/202346

3．S7-200CPU模塊的主要性能指標(biāo)

CPU224XP

12K字節(jié)10K字節(jié)14/10

32+2/32+10.37us256256256256內(nèi)置標(biāo)準標(biāo)準6個30Khz2個20Khz2xRS485用戶程序區(qū)數(shù)據(jù)存儲區(qū)

CPU內(nèi)置DI/DO點數(shù)

AI/AO點數(shù)掃描時間/1條指令最大DI/DO點數(shù)位存儲區(qū)計數(shù)器計時器時鐘功能數(shù)字量輸入濾波模擬量輸入濾波高速計數(shù)器脈沖輸出通訊口

CPU2224K字節(jié)2K字節(jié)8/616/160.37us256256256256

可選標(biāo)準標(biāo)準

4個30Khz2個20Khz

1xRS485

CPU2214K字節(jié)2K字節(jié)6/4無0.37us256256256256可選標(biāo)準

N/A

4個30Khz2個20Khz

1xRS485

CPU2248K字節(jié)8K字節(jié)14/1032/320.37us256256256256

內(nèi)置標(biāo)準標(biāo)準6個30Khz2個20Khz

1xRS485

CPU226

16K字節(jié)10K字節(jié)24/1632/320.37us256256256256內(nèi)置標(biāo)準標(biāo)準6個30Khz2個20Khz2xRS4852/1/202347

4．S7-200擴展模塊8DI16DI8DO(DC,ACorrelay)4DO5A4DO10A4AI4AI/1AO2AO

2AIor4AIThermocouplesRTDmodules

PROFIBUSDPAS-i-Master

ModemEthernet4DI/4DO8DI/8DO16DI/16DOTeleservice

Communi-cation

MessagingPositionmoduleforsteppersolution模擬量I/O模塊測溫模塊通訊擴展模塊Modem模塊定位模塊數(shù)字量I/O模塊以太網(wǎng)模塊(IT)Ethernetmodule（1）模塊介紹2/1/202348（2）I/O模塊的擴展性能CPU221:數(shù)字量6入/4出點CPU222:40入/38出=78數(shù)字量模擬量8入或4出或8入/2出CPU224:94入/74出=168數(shù)字量模擬量28入或14出或28入/7出最大7個模塊最大7個模塊最大2個模塊無擴展能力CPU226:128入/120出=248數(shù)字量模擬量28入或14出或28入/7出

2/1/202349

（3）模塊擴展方式扁平電纜的連接方式，提高抗震動性能可擴展多種模塊，無槽位限制2/1/202350

5．S7-200安裝方式安裝方式墻面安裝導(dǎo)軌安裝

接線端子可自由拆卸給系統(tǒng)的設(shè)備更新與維護帶來方便扁平電纜連接外部存儲卡運行/停止開關(guān)

擴展I/O連接口外部電位器(SMB28,SMB290-255)2/1/202351

6．S7-200編程接口2/1/202352

7．S7-200擴展功能

(1)數(shù)字量、模擬量濾波功能

通過軟件設(shè)置輸入口的濾波常數(shù)（0.2ms--12.8ms）每四個輸入點為一組；根據(jù)不同的噪聲，選擇不同的濾波常數(shù)，有利于噪聲的濾除。2/1/202353

(2)脈沖捕捉功能

此功能可以把脈沖寬度小于機器掃描周期的脈沖捕捉到，確保脈沖不丟失，為了使此功能得以實現(xiàn)，調(diào)整濾波常數(shù)，使得系統(tǒng)不會濾掉被捕捉的脈沖。每個CPU內(nèi)置的數(shù)字量輸入點均可獨立地設(shè)置脈沖捕捉功能2/1/202354

(3)高速計數(shù)器

由于PL