模塊4可編程序控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理

模塊4可編程序控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理第1頁/共77頁4/15/20232本章學(xué)習(xí)要求重點內(nèi)容：

S7-200的結(jié)構(gòu)、原理及編程語言了解內(nèi)容：可編程序控制器的性能指標(biāo)難點內(nèi)容：梯形圖的等效電路第2頁/共77頁4/15/202332.1可編程序控制器的組成與基本結(jié)構(gòu)PLC是一種工業(yè)控制用的專用計算機，它的實際組成與一般微型計算機系統(tǒng)基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。

PLC的硬件系統(tǒng)由主機系統(tǒng)、輸入/輸出擴展環(huán)節(jié)及外部設(shè)備組成。

PLC的軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)程序(又稱系統(tǒng)軟件)和用戶程序(又稱應(yīng)用軟件)兩大部分組成。

第3頁/共77頁4/15/20234一、PLC硬件結(jié)構(gòu)示意圖輸入/輸出擴展環(huán)節(jié)第4頁/共77頁4/15/202351.系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序由PLC的制造企業(yè)編制，固化在PROM或EPROM中，安裝在PLC上，隨產(chǎn)品提供給用戶。系統(tǒng)程序包括系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序和供系統(tǒng)調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)程序模塊等。2.用戶程序

用戶程序是根據(jù)生產(chǎn)過程控制的要求由用戶使用制造企業(yè)提供的編程語言自行編制的應(yīng)用程序。用戶程序包括開關(guān)量邏輯控制程序、模擬量運算程序、閉環(huán)控制程序和操作站系統(tǒng)應(yīng)用程序等。二、可編程序控制器的軟件系統(tǒng)第5頁/共77頁4/15/202362.2可編程序控制器的工作原理及主要性能指標(biāo)一、可編程序控制器的原理

PLC是采用周期循環(huán)掃描的工作方式，CPU連續(xù)執(zhí)行用戶程序和任務(wù)的循環(huán)序列稱為掃描。CPU對用戶程序的執(zhí)行過程是CPU的循環(huán)掃描，并用周期性地集中采樣、集中輸出的方式來完成的。一個掃描周期（工作周期）主要分為以下幾個階段：

1.輸入采樣掃描階段

2.執(zhí)行用戶程序掃描階段

3.輸出刷新掃描階段

第6頁/共77頁4/15/20237第7頁/共77頁4/15/20238二、可編程序控制器的等效電路2.2可編程序控制器的工作原理及主要性能指標(biāo)第8頁/共77頁4/15/20239三、可編程序控制器的主要技術(shù)指標(biāo)1.輸入/輸出點數(shù)2.存儲容量3.掃描速度4.指令系統(tǒng)5.通信功能2.2可編程序控制器的工作原理及主要性能指標(biāo)第9頁/共77頁4/15/202310

西門子S7系列可編程控制器分為S7-400、S7-300、S7-200三個系列，分別為S7系列的大、中、小型（超小型）可編程控制器系統(tǒng)。

S7-200系列可編程控制器有CPU21X系列，CPU22X系列，其中CPU22X型可編程控制器提供了4個不同的基本型號，常見的有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四種基本型號。

2.3S7-200系列可編程控制器第10頁/共77頁4/15/202311一、S7-200PLC系統(tǒng)組成

1．CPU模塊

SIMATICS7-200系統(tǒng)CPU22X系列PLC主機（CPU模塊）的外形：

2.3S7-200系列可編程控制器第11頁/共77頁4/15/202312

CPU型號

2.3S7-200系列可編程控制器第12頁/共77頁4/15/202313CPU22X主要技術(shù)性能指標(biāo)7個模塊第13頁/共77頁4/15/202314主機及I/O特性第14頁/共77頁4/15/2023152．輸入輸出擴展模塊當(dāng)主機單元模板上的I/O點數(shù)不夠時,或者涉及到模擬量控制時,除了CPU221以外,都可以通過增加擴展單元模板的方法,對輸入/輸出點數(shù)進(jìn)行擴展.

設(shè)備連接

第15頁/共77頁4/15/202316二、S7-200系列PLC數(shù)據(jù)存儲及內(nèi)部元器件功能數(shù)據(jù)類型字符串、布爾型、整數(shù)型和實數(shù)型（浮點數(shù)）第16頁/共77頁4/15/202317

2.編址方式l

位編址的指定方式為：（區(qū)域標(biāo)志符）字節(jié)號·位號如I0.0；Q0.0；I1.2。l

字節(jié)編址的指定方式為：（區(qū)域標(biāo)志符）B（字節(jié)號）如IB0表示由I0.0～I(xiàn)0.7這8位組成的字節(jié)。l

字編址的指定方式為：（區(qū)域標(biāo)志符）W（起始字節(jié)號）例如VW0表示由VB0和VB1這2字節(jié)組成的字。l

雙字編址的指定方式為:（區(qū)域標(biāo)志符）D（起始字節(jié)號）例如VD0表示由VB0到VB3這4字節(jié)組成的雙字。

第17頁/共77頁4/15/2023183.尋址方式（1）直接尋址直接尋址是在指令中直接使用存儲器或寄存器的元件名稱（區(qū)域標(biāo)志）和地址編號，直接到指定的區(qū)域讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)。有按位、字節(jié)、字、雙字的尋址方式（2）間接尋址間接尋址時操作數(shù)并不提供直接數(shù)據(jù)位置，而是通過使用地址指針來存取存儲器中的數(shù)據(jù)。在S7-200中允許使用指針對I、Q、M、V、S、T、C（僅當(dāng)前值）存儲區(qū)進(jìn)行間接尋址（1）使用間接尋址前，要先創(chuàng)建一個指向該位置的指針。（2）指針建立好后，利用指針存取數(shù)據(jù)。第18頁/共77頁4/15/202319直接尋址第19頁/共77頁4/15/202320

4.元件功能（1）輸入映像寄存器I（輸入繼電器）輸入繼電器是PLC用來接收用戶設(shè)備輸入信號的接口，共16個。

（2）輸出映像寄存器Q（輸出繼電器）

輸出繼電器是用來將輸出信號傳送到負(fù)載的接口，共16個。（3）變量存儲器V

變量存儲器主要用于存儲變量，CPU224/226為V0.0～V5119.7共5KB存儲容量第20頁/共77頁4/15/202321（4）內(nèi)部標(biāo)志位存儲器（中間繼電器）M

內(nèi)部標(biāo)志位存儲器，用來保存控制繼電器的中間操作狀態(tài)，其作用相當(dāng)于繼電器控制中的中間繼電器，共256個。（5）特殊標(biāo)志位存儲器SMPLC中還有若干特殊標(biāo)志位存儲器,特殊標(biāo)志位存儲器位提供大量的狀態(tài)和控制功能，一般為SM0.0---SM299.7。（6）局部變量存儲器L64個（7）定時器TPLC所提供的定時器作用相當(dāng)于繼電器控制系統(tǒng)中的時間繼電器。每個定時器可提供無數(shù)對常開和常閉觸點供編程使用。共256個（T0---T255）第21頁/共77頁4/15/202322（8）計數(shù)器C計數(shù)器用于累計計數(shù)輸入端接收到的由斷開到接通的脈沖個數(shù)。共256個（C0---C255）（9）高速計數(shù)器HC（10）累加器AC（11）順序控制繼電器S（狀態(tài)元件）（12）模擬量輸入/輸出映像寄存器（AI/AQ）第22頁/共77頁4/15/2023232.4可編程序控制器的編程語言一、可編程序控制器的編程語言梯形圖(LAD)

2.指令表(STL)3.功能塊圖(FBD)4.順序功能圖(SFC)位于其他編程語言之上的圖形語言，用來編制順序控制程序。順序功能圖提供了一種組織程序的圖形方法，在順序功能圖中可以用別的語言嵌套編程。步、轉(zhuǎn)換和動作是順序功能圖中的三種主要元件。可以用順序功能圖來描述系統(tǒng)的功能。第23頁/共77頁4/15/202324圖2.7基本指令應(yīng)用舉例(a)梯形圖；(b)指令表I0.0()()I0.1Q0.0Q0.0Q0.1()M0.1I0.5I0.3I0.4()Q0.2M0.1(a)(b)LDOA=LD=A=LDNAN=I0.0Q0.0I0.1Q0.0I0.5Q0.1I0.3M0.1I0.4M0.1Q0.2梯形圖和指令表第24頁/共77頁4/15/202325圖2.8FBD簡單實例功能塊圖第25頁/共77頁4/15/202326二、編程注意事項及編程技巧

（1）程序應(yīng)按自上而下，從左至右的順序編寫。（2）線圈不能直接與左母線相連。如果需要，可以通過特殊內(nèi)部標(biāo)志位存儲器SM0.0（該位始終為1）來連接，如圖2-10所示。（3）適當(dāng)安排編程順序，以減少程序的步數(shù)。串聯(lián)多的支路應(yīng)盡量放在上部，如圖2-9所示。

第26頁/共77頁4/15/202327圖2-9圖2-10第27頁/共77頁4/15/202328并聯(lián)多的支路應(yīng)靠近左母線，如下圖所示：

對復(fù)雜的電路，可重復(fù)使用一些觸點畫出其等效電路，然后再進(jìn)行編程。

I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1第28頁/共77頁4/15/2023292.5S7-200的接口及擴展模塊數(shù)字量輸入EM221（交、直流）數(shù)字量輸出EM222（交、直流）數(shù)字量輸入輸出EM223（交、直流）模擬量輸入EM231模擬量輸出EM232模擬量輸入輸出EM235智能模塊PID、高速脈沖、溫度測量、通信、位置控制。。。。。。第29頁/共77頁4/15/202330一、CPU224外部電路接線電路圖輸入電路采用了雙向光電耦合器，24VDC極性可任意選擇，

1M、2M為輸入端子的公共端。1L、2L為輸出公共端。

CPU224另有24V、280mA電源供PLC輸入點使用。第30頁/共77頁4/15/202331第31頁/共77頁4/15/202332第32頁/共77頁4/15/202333第33頁/共77頁4/15/202334第34頁/共77頁4/15/202335第35頁/共77頁4/15/202336第36頁/共77頁4/15/20233714個數(shù)字量輸入點

分成二組：第一組由輸入端子I0.0~I0.7共8個輸入點組成，每個外部輸入的開關(guān)信號均由各輸入端子接出，經(jīng)一個直流電源終至公共端1M。第37頁/共77頁4/15/2023382.

第二組由輸入端子I1.0~I1.5共6個輸入點組成，各輸入端子的接線與第一組類似，公共端為2M。

第38頁/共77頁4/15/202339由于是直流輸入模塊，所以采用直流電源作為檢測各輸入接點狀態(tài)的電源（用戶提供）。M、L+兩個端子提供24VDC/400mA傳感器電源，可以為傳感器提供電源，也可以作為輸入端的檢測電源使用。第39頁/共77頁4/15/20234010個數(shù)字量輸出點

分成三組：1.由輸出端子Q0.0~Q0.3共四個輸出點與公共端1L組成第40頁/共77頁4/15/202341

2.

第二組由輸出端子Q0.4~Q0.6共3個輸出點與公共端2L組成第41頁/共77頁4/15/202342

3.

第三組由輸出端子Q0.7~Q1.1共3個輸出點與公共端3L組成。每個負(fù)載的一端與輸出點相連，另一端經(jīng)電源與公共端相連。第42頁/共77頁4/15/202343

對于繼電器輸出方式，既可帶直流負(fù)載，也可帶交流負(fù)載。負(fù)載的激勵源由負(fù)載性質(zhì)確定。輸出端子排的右端N、L1端子是供電電源120/240VAC輸入端。該電源電壓允許范圍為85~264VAC。第43頁/共77頁4/15/202344二、S7-200PLC的接口模塊

S7-200PLC的接口模塊有數(shù)字量模塊、模擬量模塊、智能模塊等。（擴展規(guī)模、功能）第44頁/共77頁4/15/202345

一.數(shù)字量模塊

數(shù)字量模塊有：數(shù)字量輸入模塊

數(shù)字量輸出模塊

數(shù)字量輸入、輸出模塊

第45頁/共77頁4/15/202346（一）數(shù)字量輸入模塊

分為直流輸入模塊和交流輸入模塊。每一個輸入點可接收一個來自用戶設(shè)備的離散信號（ON/OFF）。

輸入設(shè)備：按鈕、限位開關(guān)、選擇開關(guān)、繼電器觸點等。

第46頁/共77頁4/15/2023471.直流輸入模塊1）外部接線圖：

直流輸入模塊（EM2218×24VDC）有8個數(shù)字量輸入端子。接線圖中，8個數(shù)字量輸入點分成2組。1M、2M分別是2組輸入點內(nèi)部電路的公共端，每組需用戶提供一個24VDC電源。第47頁/共77頁4/15/2023482）直流輸入電路：第48頁/共77頁4/15/202349現(xiàn)場開關(guān)通/斷狀態(tài)，對應(yīng)輸入映象寄存器的1/0狀態(tài)，即當(dāng)現(xiàn)場開關(guān)閉合時，對應(yīng)的輸入映象寄存器為“1”狀態(tài)；當(dāng)現(xiàn)場開關(guān)斷開時，對應(yīng)的輸入映象寄存器為“0”狀態(tài)。當(dāng)輸入端的發(fā)光二極管VL點亮，即指示現(xiàn)場開關(guān)閉合。，外部直流電源用于檢測輸入點的狀態(tài)，其極性可以任意接入。

第49頁/共77頁4/15/202350

2．交流輸入模塊

1）外部接線圖：有8個分隔式數(shù)字量輸入端子，每個輸入點都占用二個接線端子。它們各自使用1個獨立的交流電源（由用戶提供）。這些交流電源可以不同相。（交流I/O都是分隔式的）第50頁/共77頁4/15/2023512）交流輸入電路：第51頁/共77頁4/15/202352交流輸入模塊的輸入電路中，當(dāng)現(xiàn)場開關(guān)閉合后，交流電源經(jīng)C、R2、雙向光電耦合器的發(fā)光二極管，使發(fā)光二極管發(fā)光，經(jīng)光電耦合，光電三極管接收光信號，并將該信號送至PLC內(nèi)部電路，供CPU處理。雙向發(fā)光二極管VL指示輸入狀態(tài)。第52頁/共77頁4/15/202353(二)數(shù)字量輸出模塊

分為直流輸出模塊、交流輸出模塊、交直流輸出模塊三種（晶體管、晶閘管、繼電器輸出方式）。數(shù)字量輸出模塊的每一個輸出點能控制一個用戶的離散型（ON/OFF）負(fù)載。典型的負(fù)載包括：繼電器線圈，接觸器線圈、電磁閥線圈、指示燈等。每一個輸出點與一個且僅與一個輸出電路相連，輸出電路把CPU運算處理的結(jié)果轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)的各種大功率的開關(guān)信號。PLC的輸出端子是PLC向外部負(fù)載發(fā)出控制命令的窗口。第53頁/共77頁4/15/2023541.直流輸出模塊

1）外部接線圖：

直流輸出模塊（EM2228×24VDC），有8個數(shù)字量輸出點，接線圖中8個數(shù)字量輸出點分成2組。1L+、2L+分別是兩組輸出點內(nèi)部電路的公共端，每組需用戶提供一個DC24V的電流。第54頁/共77頁4/15/2023552）直流輸出電路：O映像區(qū)—O端子輸出映象寄存器為“1”狀態(tài)時

——負(fù)載在外部電源激勵下通電工作輸出映象寄存器為

“0”狀態(tài)時——

外部負(fù)載斷電，停止工作第55頁/共77頁4/15/2023562．交流輸出模塊

1）外部接線圖：

交流輸出模塊（EM2228×120V/230VAC），有8個分隔式數(shù)字量輸出點，接線圖中每個輸出點占用二個接線端子，且它們各自都由用戶提供一個獨立的交流電源，這些交流電源可以不同相。第56頁/共77頁4/15/2023572）交流輸出電路：

交流輸出模塊是可控硅(晶閘管)輸出方式。其特點是輸出啟動電流大。當(dāng)PLC有信號輸出時，光電二極管導(dǎo)通，通過光電耦合使雙向可控硅(晶閘管)導(dǎo)通，交流負(fù)載在外部交流電源的激勵下得電。發(fā)光二極管VL點亮，指示輸出有效。第57頁/共77頁4/15/2023583.交、直流輸出模塊（繼電器輸出方式）

1）外部接線圖：交直流輸出模塊（EM2228×繼電器）有8個輸出點，分成2組，1L、2L是每組輸出點的公共端。每組需用戶提供一個外部電源（可以是直流或交流電源）。第58頁/共77頁4/15/2023592）繼電器輸出電路：1.接有阻容熄弧電路——消除繼電器觸點的火花2.繼電器的觸點兩端接有金屬氧化膜壓敏電阻

——不使繼電器觸點在斷開時出現(xiàn)兩端電壓過高的現(xiàn)象，從而保護了該觸點3.電阻R1和發(fā)光二極管VL——輸出狀態(tài)顯示電路第59頁/共77頁4/15/202360繼電器輸出的特點：輸出電流大（可達(dá)2A～4A），可帶交流、直流負(fù)載，適應(yīng)性強，但響應(yīng)速度慢。第60頁/共77頁4/15/202361(三)數(shù)字量輸入輸出模塊

組合模塊或輸入輸出模塊：在一塊模塊上既有數(shù)字量輸入點又有數(shù)字量輸出點。特點：使系統(tǒng)配置更加靈活例如：若有CPU226：主機I/O24/16；欲擴展至27/19；缺3/3；配I/O4/4。

數(shù)字量輸入輸出模塊的輸入電路及輸出電路的類型與上述介紹的相同。在同一塊模塊上，輸入、輸出電路類型的組合有多種多樣，用戶可根據(jù)控制需求選用。第61頁/共77頁4/15/202362二、模擬量模塊（A/D）

模擬量模塊有模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊。(一)模擬量輸入模塊（A/D）

作用：PLC只能接收數(shù)字量信號，模擬量信號是一種連續(xù)變化的物理量。為實現(xiàn)模擬量控制，必須先對模擬量進(jìn)行模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換成PLC所能接受的數(shù)字信號。模擬量輸入模塊的功能就是實現(xiàn)模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換。第62頁/共77頁4/15/202363組成

由濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D，光電耦合等部分組成。光電耦合器起防止電磁干擾的作用。對多通道的模擬量輸入單元，通常設(shè)置多路轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行通道的切換，且在輸出端設(shè)置信號寄存器。第63頁/共77頁4/15/202364使用及特性

一般先用信號變送器把它們變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號（如4-20mA的直流電流信號，1-5V的直流電壓信號等），然后再送入模擬量輸入模塊。模擬量輸入模塊（EM231）具有4個模擬量輸入通道。

第64頁/共77頁4/15/2023651）外部接線圖：第65頁/共77頁4/15/202366模塊上部共有12個端子，每3個點為一組，共4組。每組可作為一路模擬量的輸入通道（電壓信號或電流信號），電壓信號用兩個端子（A+、A—），電流信號用3個端子（RC，C+，C—），其中RC與C+端子短接。未用的輸入通道應(yīng)短接（B+、B—）。該模塊需要直流24V供電（M、L+端）。可由CPU模塊的傳感器電源24VDC/400mA供電，也可由用戶提供外部電源。右端分別是校準(zhǔn)電位器和配置DIP設(shè)定開關(guān)。第66頁/共77頁4/15/202367

2）模擬量輸入模塊的特性EM231的電壓輸入范圍：單極性0~10V，0~5V；雙極性±5V，±2.5V電流輸入范圍：0～20mA模擬量到數(shù)字量的最大轉(zhuǎn)換時間：250μs

每個通道占用存儲器AI區(qū)域2個字節(jié)。該模塊模擬量的輸入值為只讀數(shù)據(jù)。第67頁/共77頁4/15/202368模擬量輸入模塊（EM231）的輸入信號經(jīng)模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量數(shù)據(jù)值是12位二進(jìn)制數(shù)。數(shù)據(jù)值的12位在CPU中存放格式如圖所示。最高有效位是符號位：0表示正值數(shù)據(jù)，1表示負(fù)值數(shù)據(jù)。第68頁/共77頁4/15/202369①單極性數(shù)據(jù)格式（0~10V、0~5V）

2個字節(jié)的存儲單元的低3位均為0，數(shù)據(jù)值12位（單極性數(shù)據(jù)）是存放在第3~14位區(qū)域。這12位數(shù)據(jù)的最大值應(yīng)為215-8=32760。單極性數(shù)據(jù)格式的全量程范圍設(shè)置為0~32000。差值32760-320