第二章 PLC的硬件與編程軟件的使用方法2

第2章PLC的硬件組成與工作原理

PLC是以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)裝置，它最初用來替代繼電器實現(xiàn)邏輯控制，隨著技術(shù)的發(fā)展，PLC的功能大大超過了邏輯控制的范圍，PLC有硬件和軟件兩部分組成。硬件系統(tǒng)主要有：CPU、存儲器、輸入單元和輸出單元，還有各種外接模塊，如通信接口、擴展接口等。軟件系統(tǒng)主要是系統(tǒng)軟件和應用軟件一、PLC硬件CPU:CPU是PLC的核心，每套PLC至少有一個CPU，CPU主要是z80、8086、8031、8096和專用微處理器存儲器：只讀存儲器ROM、PROM、EPROM、E2ROM

隨機存儲器RAM由3部分組成：

1、I/O映像區(qū)（開關(guān)量I/O、模擬量I/O）；

2、編程軟件存儲區(qū)；

3、用戶與數(shù)據(jù)存儲區(qū)。

圖2-3直流輸入電路

1.

輸入模塊

同一組輸入點各內(nèi)部輸入電路的公共點I/O接口是PLC能夠接受和輸出信號的個數(shù)成為I/O點數(shù)，是選用PLC的重要依據(jù)。輸入——進入PLC輸出——控制外部設(shè)備作用——電平變換、速度匹配、驅(qū)動功率放大、信號隔離等PLC通常有三種輸入方式：直流、交流、交直流輸入方式

由PLC內(nèi)置24V電源或外部直流電源供電繼電器輸出電路

2.

輸出模塊

輸出電路一般分為若干組，輸出電流的額定值與負載的性質(zhì)有關(guān)，每一組的總電流也有限制。

可驅(qū)動直流或交流負載。電壓范圍廣，過載能力強，但速度慢，壽命較短。場效應管輸出電路

只能驅(qū)動直流負載。過載能力差，但速度快，可靠性高，壽命長。雙向晶閘管輸出接口電路示意圖輸出LED～OUT

OUTCOMLL內(nèi)部電路只能驅(qū)動交流負載。過載能力強，速度快。（1）繼電器輸出：

優(yōu)點是不同公共點之間可帶不同的交、直流負載，且電壓也可不同，帶負載電流可達2A／點；但繼電器輸出方式不適用于高頻動作的負載，這是由繼電器的壽命決

定的。其壽命隨帶負載電流的增加而減少，一般在幾十萬次至幾百萬次之間，有的公司產(chǎn)品可達1000萬次以上，響應時間為10ms。

（2）晶閘管輸出：

帶負載能力為0.2A/點，只能帶交流負載，可適應高頻動作，響應時間為1ms。

（3）晶體管輸出：

最大優(yōu)點是適應于高頻動作，響應時間短，一般為0.2ms左右，但它只能帶

DC

5—30V的負載，最大輸出負載電流為0.5A/點，但每4點不得大于0.8A。

當你的系統(tǒng)輸出頻率為每分鐘6次以下時，應首選繼電器輸出，因其電路設(shè)計簡單，抗干擾和帶負載能力強。當頻率為10次／min以下時，既可采用繼電器輸出方式；也可采用PLC輸出驅(qū)動達林頓三極管（5—10A），再驅(qū)動負載，可大大減小。二、PLC的軟件系統(tǒng)PLC整體上由系統(tǒng)程序、用戶的應用程序和底層的硬件系統(tǒng)三部分構(gòu)成用戶程序、組態(tài)信息系統(tǒng)程序硬件系統(tǒng)系統(tǒng)程序是PLC的操作系統(tǒng)，一般由廠家出廠前固化在EPROM,用戶不能修改，PLC在啟動時由系統(tǒng)軟件讀入。用戶程序是工程設(shè)計人員根據(jù)控制系統(tǒng)的工藝要求，利用PLC編程語言編寫的實現(xiàn)某個功能的一組代碼。1、按結(jié)構(gòu)型式分類

1）整體式PLC（單元式、箱體式）：將電源、CPU、存儲器、I/O裝在一起

特點：結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低

2）模塊式PLC（積木式）：各個部分按功能做成獨立模塊，有電源模塊、CPU模塊、I/O模塊等

特點：配置靈活、裝配維護方便

三、PLC產(chǎn)品分類

PS(電源模塊)CPU

IM(接口模塊)SM:DISM:DOSM:AISM:AO

CP:-點-到-點-PROFIBUS-工業(yè)以太網(wǎng)按功能分低檔PLC

具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入／輸出、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能中檔PLC

具有低檔PLC功能外，增加模擬量輸入/輸出、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、遠程I/O、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還增設(shè)中斷、PID控制等功能。高檔PLC

具有中檔機功能外，增加帶符號算術(shù)運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其它特殊功能函數(shù)運算、制表及表格傳送等。高檔PLC機具有更強的通信聯(lián)網(wǎng)功能。2、按I/O點數(shù)和存儲器容量分類

1）小型PLCI/O點數(shù)<256點，存儲器2kB2）中型PLCI/O點數(shù)在256～2048點，存儲器2～8kB

具有：邏輯運算、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷、數(shù)據(jù)通信、模擬量處理等功能

3）大型PLCI/O點數(shù)在>2048點，存儲器>8kB

具有：數(shù)據(jù)運算、模擬調(diào)節(jié)、聯(lián)網(wǎng)通信、監(jiān)視記錄、打印等功能梯形圖語句表功能塊圖四、PLC的工作原理1、PLC如何替代繼電器的？圖2-7電機控制電路實現(xiàn)的邏輯運算：

KM=(SB1+KM)SB2FRKM線圈KM常開觸點KM2SB1SB3FRQFRFUM3

~~~SB2KM1KM2KM1KM2KM1KM2KM1

繼電接觸器電動機正反轉(zhuǎn)控制線路QFRFUM3

~~~KM1KM2

M+0VM10.00.10.20.30.4…S7-200CPULNCOM00.00.10.20.3…SB1SB2SB3KM1KM2KM1KM2PLC電動機正反轉(zhuǎn)控制線路I0.0Q0.0I0.1I0.2Q0.1Q0.0I0.1Q0.1I0.0I0.2Q0.0Q0.1PLC電動機正反轉(zhuǎn)控制程序()()PLC的掃描過程3、PLC工作原理2、PLC的操作模式

RUN模式：執(zhí)行用戶程序，“RUN”LED亮。

STOP模式：不執(zhí)行用戶程序，可將用戶程序和硬件設(shè)置信息下載到PLC。TERM(終端)模式與通信有關(guān)。

CPU模塊上的模式開關(guān)在RUN/STOP位置時，上電自動進入RUN/STOP模式。

PC-PLC之間建立起通信連接后，若模式開關(guān)在RUN或TERM位置,可用編程軟件中的命令改變CPU的工作模式。1）讀取輸入：將輸入電路的狀態(tài)讀入輸入過程映像寄存器。外接的輸入電路閉合時，對應的輸入過程映像寄存器為1狀態(tài)，梯形圖中對應的輸入點的常開觸點接通，常閉觸點斷開。外接的輸入電路斷開時，對應的輸入過程映像寄存器為0狀態(tài)，梯形圖中對應的輸入點的常開觸點斷開，常閉觸點接通。2）執(zhí)行用戶程序:執(zhí)行指令，將結(jié)果寫入映像寄存器。注：在此過程中，即使外部輸入狀態(tài)變化也不會改變輸入映像寄存器。好處：使系統(tǒng)穩(wěn)定運行，提高運行速度。3）通信處理:接收從通信接口和智能模塊接收的信息。5）改寫輸出:將輸出過程映像寄存器的狀態(tài)傳送到輸出模塊并鎖存。梯形圖中線圈通電時，對應的輸出過程映像寄存器為1狀態(tài)，使硬件電路中對應的線圈通電，其常開觸點閉合，外部負載通電工作。梯形圖中線圈斷電時，對應的輸出過程映像寄存器為0狀態(tài)，使硬件電路中對應的線圈斷電，其常開觸點斷開，外部負載斷電，停止工作。RUN模式STOP模式:輸出被置為系統(tǒng)塊中輸出表定義的狀態(tài)或保持當時的狀態(tài)，默認的設(shè)置是將所有的數(shù)字量輸出清零。4）CPU自診斷測試：系統(tǒng)定期檢查CPU模塊的操作和擴展模塊的狀態(tài)是否正常6）掃描周期：PLC在RUN工作狀態(tài)時，執(zhí)行一次掃描操作所需時間。其典型值為1～100ms。7）輸入/輸出滯后時間：又稱為系統(tǒng)響應時間。是指PLC的外部輸入變化到輸出在控制下變化的時間間隔。一般為幾至幾十毫秒。五、S7-200系列PLC德國西門子PLC的分類：S7、M7、C7等幾大系列。S7系列中S7-200是針對低性能要求的整體式微型PLC。S7-300是針對中等性能要求的中小型PLC，最多可擴展32個模塊。S7-400是針對高性能要求的大型PLC，可擴展300多個模塊。S7-200是屬于整體式結(jié)構(gòu)，其將CPU模塊、I/O模塊和電源裝在一個箱型機殼內(nèi)。S7-200還可配備許多專用的特殊功能模塊，例如模擬量輸入/輸出模塊、熱電偶和熱電阻模塊、通信模塊等，從而擴展PLC的功能。1、S7-200系列PLC

s7-200有5種CPU模塊，各CPU模塊的技術(shù)指標見下表功能型號數(shù)字I/O模擬I/O可擴展模塊數(shù)PID控制器RS-485通信/編程PPI/MPI協(xié)議獨立的高速計數(shù)器獨立高速脈沖輸出CPU2216/4

無

無

無

1個有

無CPU2228/6

無2個模塊78數(shù)字I/O10路模擬I/O

有

1個有4～30kHz高速計數(shù)2～20kHz高速脈沖輸出CPU22414/10無7個模塊168數(shù)字I/O35路模擬I/O

有

1個有6～30kHz高速計數(shù)2～20kHz高速脈沖輸出CPU224XP14/102輸入1輸出7個模塊168路數(shù)字I/O38路模擬I/O自整定PID功能

2個有6～100kHz高速計數(shù)2～100kHz高速脈沖輸出CPU226(CPU226XM)24/16

無7個模塊248路數(shù)字I/O35路模擬I/O

有

2個有6～30kHz高速計數(shù)2～20kHz高速脈沖輸出2、輸入/輸出信號類型

4種CPU模塊都有晶體管輸出和繼電器輸出類型，具有不同的電源電壓和控制電壓。各種CPU模塊的輸出類型見下表。3、數(shù)字量擴展模塊輸入有24VDC和230VAC兩種，輸出有24VDC和繼電器等型。S7-200有三種數(shù)字量擴展模塊：輸入擴展模塊EM221（3種類型）、輸出擴展模塊EM222（5種類型）、輸入/輸出擴展模塊EM223（6種類型）。4、模擬量擴展模塊與熱電偶熱電阻擴展模塊模擬量模塊的作用：A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換。S7-200有三種模擬量擴展模塊：EM231CN、EM232CN、EM235CNEM231CN：4路12位模擬量輸入、2路熱電阻輸入、4路15位熱電偶輸入。EM232CN：2路12位模擬量輸出。EM235CN：4路12位模擬量輸入/1路12位模擬量輸出。模擬量輸入模塊有多種量程（與模塊型號有關(guān)），用模塊上的DIP開關(guān)設(shè)置量程。模擬量輸入模塊單極性全量程輸入范圍對應的數(shù)字量輸出為0～32000，雙極性全量程輸入范圍對應的數(shù)字量輸出為-32000～32000。12位數(shù)據(jù)最高位為符號位，0為正數(shù)，1是負數(shù)。圖2-10模擬量輸入數(shù)據(jù)字的格式

相當于轉(zhuǎn)換數(shù)值被乘以8相當于轉(zhuǎn)換數(shù)值被乘以16模擬量輸出模塊的量程有10V和0～20mA兩種,對應的數(shù)字量分別為?32000~+32000和0~+32000.滿量程時電壓輸出分辨率為12位，電流分辨率為11位。最高位為符號位，0為正數(shù)，1是負數(shù)。最大驅(qū)動能力：電壓輸出時負載電阻最小5KΩ，電流輸出時負載電阻最大500Ω。熱電偶熱電阻擴展模塊EM231熱電偶熱電阻擴展模塊可用于J、K、E、N、S、T和R型熱電偶，模塊輸出15位加符號位的二進制數(shù)。5、特殊功能模塊

S7-200系統(tǒng)還提供了一些特殊功能模塊，用于完成特定的任務(wù)。6、通信模塊

EM277：Profibus-DP從站通信模塊；

EM241：調(diào)制解調(diào)器（Modem）通信模塊；

CP243-1:工業(yè)以太網(wǎng)通信模塊；

CP243-2：AS-i主站模塊。六、PLC的I/O地址分配與外部接線1、本機I/O口和擴展模塊的地址分配

S7-200有一定數(shù)量的I/O，并且I/O有固定的地址，可以直接訪問，當系統(tǒng)增加擴展模塊后擴展模塊的地址分配如下：

1）同類型輸入或輸出點的模塊按順序編址。

2）對于數(shù)字量，輸入/輸出映像寄存器的單位長度為8位（1個字節(jié)），本模塊