S7-300PLC的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

SIMATICS7-300/400PLC原理及應(yīng)用四川機電職業(yè)技術(shù)學院.電子電氣工程系10/9/20231第一章可編程控制器概述學習情境1：PLC在攀鋼的廣泛應(yīng)用10/9/20232知識目標：1、理解PLC的定義，PLC的功能及主要特點。2、了解PLC的分類及發(fā)展趨勢。3、了解PLC在整個工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡(luò)中的重要地位及典型引用。能力目標：1、掌握PLC的結(jié)構(gòu)，PLC的工作原理技術(shù)性能指標。2、理解PLC與其他工業(yè)控制裝置的比較。學習情境1：PLC在攀鋼的廣泛應(yīng)用10/9/202331.6可編程控制器的發(fā)展趨勢第一章可編程控制器概述1.4可編程控制器的編程語言1.5可編程控制器與其他工業(yè)控制裝置的比較1.2可編程控制器的特點、性能指標及分類1.3可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理前言1.1可編程控制器的發(fā)展過程及基本功能10/9/20234隨著電氣控制設(shè)備，尤其是電子計算機的迅猛發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)自動化控制技術(shù)也發(fā)生了深刻的變化?？删幊炭刂破饕呀?jīng)成為自動化控制系統(tǒng)的核心器件?？删幊炭刂破髟谌〈鷤鹘y(tǒng)電氣控制方面有著不可比擬的優(yōu)點，在自動化領(lǐng)域已形成了一種工業(yè)控制趨勢。前言圖1-1PLC在自動生產(chǎn)線上的應(yīng)用1.PLC在現(xiàn)代工業(yè)自動化控制中的重要地位10/9/20235

2.可編程控制器（PLC）的定義可編程控制器是一種專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的計算機控制系統(tǒng)。它采用可編程序的存儲器，能夠執(zhí)行邏輯控制、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作功能，并通過開關(guān)量、模擬量的輸入和輸出完成各種機械或生產(chǎn)過程的控制。它具有豐富的輸入、輸出接口，并且具有較強的驅(qū)動能力，其硬件需根據(jù)實際需要選配，其軟件則需根據(jù)控制要求進行設(shè)計。圖1-2PLC家族10/9/20236

3.可編程控制器（PLC）的名稱的由來早期的可編程控制器只能進行邏輯控制，因此被稱為可編程序邏輯控制器(ProgrammableLogicController)，簡稱PLC。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，開始采用微處理器作為可編程控制器的中央處理單元，從而擴大了其功能，現(xiàn)在的可編程控制器不僅可以進行邏輯控制，還可以實現(xiàn)順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作及通信聯(lián)網(wǎng)的功能。后來美國電氣制造協(xié)會將它命名為可編程控制器(ProgrammableController)，簡稱PC。但PC這個名稱已成為個人計算機(PersonalComputer)的專稱，所以現(xiàn)在仍然把可編程控制器簡稱為PLC。返回目錄10/9/20237

1.PLC的產(chǎn)生世界上公認的第一臺PLC是1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程控制器。隨后日本、德國先后研制出自己的可編程控制器。1.1可編程控制器的發(fā)展過程及基本功能1.1.1可編程控制器的發(fā)展過程10/9/20238

2.PLC的發(fā)展過程

第一階段：初級階段（1969至70年代中期）主要是邏輯運算、定時和計數(shù)功能，沒有形成系列。與繼電器控制相比，可靠性有一定提高。CPU由中小規(guī)模集成電路組成，存儲器為磁芯存儲器。

第二階段：擴展階段（70年代中期至末期）PLC產(chǎn)品的控制功能得到很大擴展，包括數(shù)據(jù)的傳送、數(shù)據(jù)的比較和運算、模擬量的運算等功能。增加了數(shù)字運算功能，能完成模擬量的控制。開始具備自診斷功能，存儲器采用EPROM。10/9/20239

第三階段：通信階段（70年代中末期至80年代中期）PLC隨著計算機通信的發(fā)展，形成了分布式通信網(wǎng)絡(luò)。PLC就已經(jīng)從汽車行業(yè)迅速擴展到其它行業(yè)，作為繼電器的替代品進入了食品、飲料、金屬加工、制造和造紙等多個行業(yè)。代表產(chǎn)品有西門子公司的SIMATICS5系列（見圖1-3），富士的MICRO等，這類PLC部分仍在使用。圖1-3SIMATICS5PLC10/9/202310

第四階段：開放階段（80年代中期至今）通信系統(tǒng)開放，使各制造廠商的產(chǎn)品可以通信，通信協(xié)議開始標準化，使用戶得益。PLC開始采用標準化軟件系統(tǒng)，并完成了編程語言標準化工作。代表產(chǎn)品有西門子公司的S7，AB公司的SLC500等（見圖1-4）。圖1-4S7-200系列、AB-SLC500系列PLC10/9/2023113.PLC的發(fā)展方向（1）低檔PLC向小型化、簡易廉價方向發(fā)展，使之能更加廣泛地取代繼電器控制。（2）中高檔PLC向大型、高速、多功能方向發(fā)展，使之能取代工業(yè)控制機的部分功能，對復(fù)雜系統(tǒng)進行綜合性自動控制。10/9/202312

1.邏輯控制PLC具有“與”、“或”、“非”功能，能夠描述繼電器觸點的串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)等各種連接，因此它可以代替繼電器進行組合邏輯與順序邏輯控制。1.1.2可編程控制器的基本功能

2.定時與計數(shù)控制PLC具有定時、計數(shù)功能，它為用戶提供了若干個定時器、計數(shù)器，并設(shè)置了定時、計數(shù)指令，定時值、計數(shù)值可由用戶在編程時設(shè)定，以滿足生產(chǎn)工藝的要求。10/9/202313

3.步進控制PLC能完成步進控制功能，步進控制是指在完成一道工序以后，再進行下一步工序，也就是順序控制。4.A/D、D/A轉(zhuǎn)換PLC具有“模數(shù)”轉(zhuǎn)換(A/D)和“數(shù)?！鞭D(zhuǎn)換(D/A)功能，能完成對模擬量的控制與調(diào)節(jié)。5.數(shù)據(jù)處理PLC具有數(shù)據(jù)處理能力，能進行數(shù)據(jù)并行傳送、比較和邏輯運算，BCD碼的加、減、乘、除等運算，還能進行字“與”、字“或”、字“異或”、求反、邏輯移位、算術(shù)移位、數(shù)據(jù)檢索、比較及數(shù)制轉(zhuǎn)換等操作。10/9/202314

6.通信與聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)代PLC采用了通信技術(shù)，可以進行遠程I/0控制，多臺PLC之間可以進行連接，還可以與計算機進行通信。由一臺計算機和若干臺PLC可以組成“集中管理、分散控制”的分布式控制網(wǎng)絡(luò)，以完成較大規(guī)模的復(fù)雜控制。圖1-5PLC網(wǎng)絡(luò)10/9/2023157.控制系統(tǒng)監(jiān)控現(xiàn)代PLC配置有較強的監(jiān)控功能，操作人員通過監(jiān)控命令可以監(jiān)視有關(guān)部分的運行狀態(tài)，可以調(diào)整定時或計數(shù)等設(shè)定值，因而調(diào)試、使用和維護方便。返回目錄10/9/2023161.高可靠性高可靠性是PLC最突出的特點之一。PLC采用微電子技術(shù)，大量的開關(guān)動作由無觸點的半導體電路來完成，另外還采取了屏蔽、濾波、隔離等抗干擾措施。它的平均故障間隔時間為3~5萬小時以上。1.2可編程控制器的特點、性能指標及分類1.2.1可編程控制器的特點10/9/2023173.便于改進和修正相對傳統(tǒng)的電氣控制線路，可編程控制器為改進和修訂原設(shè)計提供了極其方便的手段。以前也許要花費幾周的時間，而用可編程控制器也許只用幾分鐘就可以完成。2.靈活性過去，電氣工程師必須為每套設(shè)備配置專用控制裝置。有了可編程控制器，只需編寫不同應(yīng)用軟件即可，而且可以用一臺可編程控制器控制幾臺操作方式完全不同的設(shè)備。10/9/202318

5.豐富的I/0接口PLC除了具有計算機的基本部分如CPU、存儲器等以外，還有豐富的I/0接口模塊。對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號(如交流、直流、電壓、電流、開關(guān)量、模擬量、脈沖等)，都有相應(yīng)的I/0模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件。另外有些PLC還有通信模塊、特殊功能模塊等。

4.節(jié)點利用率提高傳統(tǒng)電路中一個繼電器只能提供幾個節(jié)點用于連鎖，在可編程控制器中，一個輸入中的開關(guān)量或程序中的一個“線圈”可提供用戶所需要的任意個連鎖節(jié)點，節(jié)點在程序中可不受限制地使用。10/9/2023196.模擬調(diào)試可編程控制器能對所控功能在實驗室內(nèi)進行模擬調(diào)試，縮短現(xiàn)場的調(diào)試時間。8.梯形圖及布爾代數(shù)并用

可編程控制器的程序編制可采用電氣技術(shù)人員熟悉的梯形圖方式，也可以采用程序員熟悉的布爾代數(shù)圖形方式。7.快速動作傳統(tǒng)繼電器節(jié)點的響應(yīng)時間一般需要幾百毫秒，而可編程控制器里的節(jié)點反應(yīng)很快，內(nèi)部是微秒級的，外部是毫秒級的。10/9/2023209.對現(xiàn)場進行微觀監(jiān)視操作人員能通過顯示器上的編程軟件可以觀測到所控每一個節(jié)點的運行情況，隨時監(jiān)視事故發(fā)生點。圖1-6現(xiàn)場監(jiān)控10/9/20232110.體積小、質(zhì)量輕、功耗低由于采用半導體集成電路，與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比較，其體積小、質(zhì)量輕、功耗低。

11.編程簡單、使用方便PLC采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”編程，容易掌握。例如目前PLC大多數(shù)采用梯形圖語言編程方式，它繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀感，很容易被技術(shù)人員所接受，易于編程，程序改變時也易于修改。當然，PLC也并非十全十美，其缺點是價格還比較高。一般來說，價格比繼電器控制系統(tǒng)高，比一般單板機系統(tǒng)也高。10/9/2023221.編程語言PLC常用的編程語言有梯形圖、指令表、流程圖及某些高級語言等。目前使用最多的是梯形田和指令表。1.2.2可編程控制器的性能指標2.I/O總點數(shù)PLC的輸入和輸出量有開關(guān)量和模擬量兩種。開關(guān)量I/O用最大I/0點數(shù)表示，模擬量I/O點數(shù)則用最大I/O通道數(shù)表示。

3.內(nèi)部繼電器的種類和數(shù)目包括普通繼電器、保持繼電器、特殊繼電器等。10/9/202323

4.用戶程序存儲量用戶程序存儲器用于存儲通過編程器輸入的用戶程序，其存儲量通常是以字/字節(jié)為單位來計算。16位二進制數(shù)為一個字，8位為一個字節(jié)，每1024個字為1K字。中小型PLC的存儲容量一般在8K字以下，大型PLC的存儲容量有的已達96K字以上。通常一般的邏輯操作指令每條占一個字，數(shù)字操作指令占2個字。5.速度以ms/K字為單位表示。例如：20ms/K字，表示掃描1K字的用戶程序需要的時間為20ms。10/9/2023246.工作環(huán)境一般能在下列條件下工作：溫度0-55oC，濕度小于80％。

7.特種功能有的PLC還具有某些特種功能。例如自診斷功能，通信聯(lián)網(wǎng)功能，監(jiān)控功能，特殊功能模塊，遠程I/0能力等。10/9/202325

1.按結(jié)構(gòu)形式分類（1）整體式:PLC是將電源、中央處理器，輸入、輸出部件等集中配置在一起。整體式PLC結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)量小，價格低，I/0點數(shù)固定，使用不靈活。小型PLC常采用這種結(jié)構(gòu)。（2）模塊式:PLC把PLC的各部分以模塊形式分開，如電源模塊、CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊等，把這些模塊插入機架底板上，組裝在一個機架內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)配置靈活，裝配方便，便于擴展，一般中型和大型PLC常采用這種結(jié)構(gòu)。1.2.3可編程控制器的分類10/9/202326圖1-7整體式PLC圖1-8模塊式PLC10/9/2023272.按輸入、輸出點數(shù)和存儲容量分類（1）小型PLC：輸入、輸出點數(shù)在256點以下，用戶程序存儲容量在2K字以下。（2）中型PLC：輸入、輸出點數(shù)在256-2048點之間，用戶程序存儲容量一般為2-10K字。（3）大型PLC：輸入、輸出點數(shù)在2048點以上，用戶程序存儲容量達10K字以上。10/9/2023283.按功能分類（1）低檔PLC：具有邏輯運算、定時、計數(shù)等功能。有的還增設(shè)模擬量處理、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送等功能。（2）中檔PLC：除具有低檔機的功能外，還具有較強的模擬量輸入、輸出、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送等功能．可完成既有開關(guān)量又有模擬量控制的任務(wù)。（3）高檔PLC：增設(shè)有帶符號算術(shù)運算及矩陣運算等，使運算能力更強。還具有模擬調(diào)節(jié)、聯(lián)網(wǎng)通信、監(jiān)視、記錄和打印等功能，使PLC的功能更多更強。能進行遠程控制，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)，成為整個工廠的自動化網(wǎng)絡(luò)。返回目錄10/9/202329傳統(tǒng)繼電器接觸器控制系統(tǒng)，支配控制系統(tǒng)工作的“程序”是由導線將電氣元器件連接起來實現(xiàn)的，這樣的控制系統(tǒng)稱之為“硬接線”程序控制系統(tǒng)?？删幊绦蚩刂葡到y(tǒng)是通過修改PLC的程序來完成，可編程序控制系統(tǒng)也稱之為“軟接線”程序控制系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)與微型計算機控制系統(tǒng)基本相似，它由硬件和軟件兩大部分組成。PLC實質(zhì)上是一種用于工業(yè)控制的專用計算機，但對硬件各部分的定義及工作過程則與PC有很大差異。1.3可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理前言：10/9/202330以SIMATICS7-300PLC為例，可編程控制器主要包括導軌(RACK)、電源模塊(PS)、CPU模塊、接口模塊(IM)、輸入輸出模塊(SM)。各模塊的功能分別是：1.3.1可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)

1.導軌導軌是安裝可編程控制器各類模塊的機架，可根據(jù)實際需要選擇。2.電源模塊電源模塊用于對PLC內(nèi)部電路供電。10/9/202331

3.CPU模塊CPU模塊有多種型號，它是可編程控制器的神經(jīng)中樞，是系統(tǒng)的運算控制核心。它根據(jù)系統(tǒng)程序的要求完成以下任務(wù)：接收并存儲用戶程序和數(shù)據(jù)，接收現(xiàn)場輸入設(shè)備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，診斷PLC內(nèi)部電路工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤，完成用戶程序規(guī)定的運算任