二第2章PLC的硬件与工作原理

第2章PLC的硬件、原理、系统选型与接线规范2.1S7-200的系统构成2.2PLC的工作原理2.3模块间I/O地址的分配2.4S7-200系统选型2.5PLC接线规范LOGO!S7-300S7-400S7-300C中/大型High-endrange/mediumrangeS7-400中/小型Low-endrangeS7-300通用逻辑模块S7-200微型PLCS7-2002.1.1S7家族：2.1S7-200的系统构成CPU221(10I/O点)CPU222(14I/O点)CPU226(40I/O点))CPU224(24I/O点)CPU224XP(24I/O点)2.1.2S7－200有5个型号：尺寸不同：等高、等深、不等宽。等高（80mm）、等深（62mm）－－便于电气控制柜的设计；不等宽－－由其不同的I/O点数决定。CPU221—宽90mm－－6DI/4DO;CPU222－90mm－－8DI/6DO;CPU224---120.5mm---14DI/10DO;CPU224XP—140mm---14DI/10DO+2AI/1AO;CPU226---196mm---24DI/16DO;电气控制柜CPU2268K字节5K字节24/1632/320.37us256256256256内置标准标准6路30Khz2路20Khz2个RS485用户程序区数据存储区CPU内置DI/DO点数可扩展AI/AO点数扫描时间/1条指令最大DI/DO点数位存储区计数器计时器时钟功能数字量输入滤波模拟量输入滤波高速计数器脉冲输出通讯口CPU2224K字节2K字节8/616/160.37us256256256256可选标准标准4路30Khz2路20Khz1个RS485CPU2214K字节2K字节6/4无0.37us256256256256可选标准N/A4路30Khz2路20Khz1个RS485CPU2248K字节5K字节14/1032/320.37us256256256256内置标准标准6路30Khz2路20Khz1个RS485CPU226XM16K字节10K字节24/1632/320.37us256256256256内置标准标准6路30Khz2路20Khz2个RS485全系列CPU--性能参数可插拔DI接线端子(224,226)通讯口24V传感器电源输出Panel安装固定孔安装于标准DIN导轨上的夹子可选卡插槽内部:-电源-超级电容-时钟(224(XP),226)I/O点状态LED可插拔模拟量终端CPU状态LEDCPU及扩展模块CPU电源（入）可插拔DO接线端子(224,226)2.1.3S7－200CPU结构（以CPU224XP为例）运行/停止开关扩展I/O连接口外部电位器(SMB28,SMB290-255)RUNTERMSTOP接线端子可自由拆卸给您的设备更新与维护带来极大的方便集成功能可插拔接线端子(224(XP),226)通讯口24V传感器电源输出平面安装固定孔安装于标准DIN导轨上的夹子可选卡插槽CPU状态LED内部:-电源-超级电容-时钟(224(XP),226)I/O点状态LEDCPU及扩展模块安装方式墙面安装导轨安装2.1.4简单而实用的安装方式CPU和扩展模块2.1.5S7-200系统构成及扩展方式要实现一定控制功能，需要一个S7-200系统，这个系统至少需要一个CPU基本单元。但很多情况下，功能不够或I/O点数不够，需要扩展模块，即：一个S7-200系统包括两部分：CPU基本单元、扩展模块。扩展方式：扁平电缆插入扩展槽。扩展方式的优点：1电缆为软线，提高抗震动性能2扩展简单可靠；3扩展模块无槽位限制；4提供总线可延长电缆0.8m。如果电气控制柜不够宽，而扩展模块较多，可用双机架安装。但是，S7-200的扩展能力不是无限的1、CPU221－－无扩展能力；2、CPU222－－最大可扩展2个模块；3、CPU224及以上－－最大可扩展7个模块，S7-200的最大系统。扩展模块再多，就需要选择S7-300、或S7-400.2.1.6CPU基本单元CPU模块主要由CPU芯片和存储器组成。相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。1．CPU芯片PLC使用以下几类CPU芯片：(1)通用微处理器，如Intel公司的8086，80186到Pentium系列芯片；(2)单片微处理器(单片机)，如Intel公司的MCS51／96系列单片机；(3)位片式微处理器，如AMD2900系列位片式微处理器2、CPU模块中的存储器：存储器分类与特点：RAM、ROM、EPROM、EEPROMPLC的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序相当于PC机的操作系统，它使PLC具有基本的智能，能够完成PLC设计者规定的各种工作。系统程序由PLC生产厂家设计并固化在ROM内，用户不能直接读取。PLC的用户程序由用户设计，它决定了PLC的输入信号与输出信号之间的具体关系。用户程序存储器的容量一般以字(每个字由16位二进制数组成)为单位，小型PLC的用户程序存储器容量在lK字左右，大型PLC的用户程序存储器容量可达数M(兆)字。(1)随机存取存储器：(RAM)用户可以用编程器读出RAM中的内容，也可以将用户程序写入RAM，因此RAM又叫读／写存储器。它是易失性的存储器，将它的电源断开后，储存的信息将会丢失。RAM的工作速度高，价格低，改写方便。为了在关断PLC外部电源后，保存RAM中的用户程序和某些数据(如计数器的计数值)，为RAM配备了一个锂电池。现在有的PLC仍用RAM来储存用户程序。锂电池可用2~5年，需要更换锂电池时，PLC面板上的“电池电压过低”发光二极管亮，同时有一个内部标志位变为l状态，可以用它的常开触点来接通控制屏面板上的指示灯或声光报警器，通知用户及时更换锂电池。(2)只读存储器(ROM)ROM的内容只能读出，不能写入。它是非易失的，它的电源消失后，仍能保存储存的内容。ROM—般用来存放PLC的系统程序。(3)可电擦除的(EEPROM或E2PROM)它是非易失性的，但是可以用编程器对它编程，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点。但是写入信息所需的时间比RAM长得多，EEPROM用来存放用户程序。有的PLC将EEPROM作为基本配置，有的作为可选件。开机后，S7-200从EEPROM中恢复程序块和系统块,同时，CPU检查RAM存储器，确认超级电容器是否成功保存了RAM存储器中的数据。如果成功保存，则RAM存储器的保持区域将保持不变，V存储器中的保持区和非保持区，从EEPROM中的相应区域恢复回来。如果RAM存储器的内容没有保持下来（例如较长时间的断电）。CPU会清除RAM存储器（包括保持区和非保持区），并在上电后的第一个扫描周期置保持数据丢失标志位（SM0.2）为“1”。然后，将EEPROM中的数据恢复到RAM中。MB0~MB13共14个字节可以掉电后永久保持(可选)数据保持和恢复的过程:CPU及扩展模块3、I/O模块图2-3输入电路PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的机架槽数限制。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。PLC输入模块用来接收生产过程的各个参数。（启动、停止、保护、检测等信号）1）输入模块2）输出模块输出电流的典型值为0.3～2A，负载电源由外部现场提供。输出类型大致分为三种，继电器输出，晶体管输出和可控硅输出。1)继电器输出型：可以驱动交流、直流都负载；2)晶体管输出型：可驱动直流负载，常见有5VDC和24VDC输出；3)可控硅输出型：可交流负载，比较少，只有特殊输出型号才有。特点：通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、导通压降小，承受瞬时电压和过电流的能力较强，但寿命短、响应时间较长、动作速度较慢等。晶体管输出模块适用于直流负载，开关频繁，反应速度快，寿命长，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。3、I/O模块图2-4是继电器输出电路。内部电路使继电器的线圈通电，它的常开触点闭合，使外部负载得电工作。继电器同时起隔离和功率放大作用，每一路只给用户提供一对常开触点。与触点并联的RC电路和压敏电阻用来消除触点断开时产生的电弧，以减轻它对CPU的干扰。图2.5是晶体管集电极输出电路。输出信号送给内部电路中的输出锁存器，再经光电耦合器送给输出晶体管，后者的饱和导通状态和截止状态相当于触点的接通和断开。稳压管用来抑制关断过电压和外部的浪涌电压，以保护晶体管。晶体管输出电路的延迟时间1ms。场效应管输出电路的结构与晶体管输出电路基本上相同。图2-4继电器输出电路图2-5场效应管输出电路高速处理能力(每条二进制指令执行速度0.37µS)强大灵活的通讯功能(PPI,MPI,自由口,以太网，Modem,Profibus-DP,和As-I)CPU内置最多六路高速计数器(30KHz)CPU内置两路高速脉冲输出(20KHz)CPU内置脉冲捕捉功能立即输入/输出功能高速中断响应(中断触发后200µS)8路PID回路控制总：强大CPU功能强大的CPU功能灵活存储卡模块电池模块时钟和电池模块实时时钟和日历(for221,222CPU内部无时钟，可以用该模块扩展时钟，应用：报警的时间信息)可选电池—200天/典型值内部数据的备份(数据块)可选电池—200天/典型值用于常规程序的传送和备份数据记录文件,配方文件和常规文件存储可选择容量：32KB,64KB,256KB,可根据需要选择。CPU及扩展模块2.1.7S7-200的扩展模块1、扩展卡时钟精度:2分种/月25摄氏度7分钟/月55摄氏度外插电池内部的EEPROM可以永久保存用户程序和系统信息、程序数据及组态数据不丢失.超级电容可以掉电保护RAM数据50~190小时.外插电池卡在内部保持电容耗尽时可保持您的数据和内置时钟长达200天。外插日期/时钟作为CPU221和CPU222的可选部件，同时集成备份电池可保护您的数据长达200天S7-200外部插件－时钟电池模块CPU和扩展模块外插存储器全面备份您的程序、用户数据和组态信息1、应用程序复制到存储卡中：安装好存储卡将S7-200CPU置于停止模式如果程序尚未下载到S7-200CPU中，先下载程序，然后使用菜单命令PLC＞ProgramMemoryCartridge向存储卡中复制程序。S7-200外部插件－存储卡CPU和扩展模块2、从存储卡中恢复程序：先插入存储卡，然后给CPU上电。如果存储卡中的内容与EEPROM中不同，S7-200会清除RAM区。然后将存储卡中的内容复制到RAM中。S7-200将程序块、系统块和数据块复制到EEPROM中。虽然S7-200是小型系统，但是其功能、网络、模块都很全。常用扩展模块：数字量I/O模块模拟量I/O模块工艺模块（定位模块）通讯模块2、扩展模块EM2314AI标准信号2AI热电阻4AI热电偶EM2322AOEM2354AI/1AO2AIor4AIThermocouplesRTDmodulesPROFIBUSDPAS-i-MasterModemEthernetTeleserviceCommuni-cationMessagingPositionmoduleforsteppersolution丰富的扩展模块模拟量I/O模块测温模块通讯扩展模块Modem模块定位模块以太网模块(IT)EthernetmoduleEM2218DIDC/AC4mA/6-9mA16DIDC4mAEM2228DODC/relay/AC0.75A/2A/0.5A4DODC/relay5A/10AEM2234DI/4DODC/relay8DI/8DODC/relay16DI/16DODC/ready数字量I/O模块1)数