S7-200编程及应用第二章.

2020/1/10CH2PLC的硬件结构与工作原理1S7-200PLC编程及应用安徽理工大学电气工程系2020/1/10CH2PLC的硬件结构与工作原理2后一页返回第2章PLC的硬件结构与工作原理2.1PLC的基本结构2.2可编程序控制器的工作原理2.3S7-200系列可编程序控制器性能简介2.4可编程序控制器的安装2020/1/10CH2PLC的硬件结构与工作原理32.1PLC的基本结构2.1.1基本结构2.1.2可编程序控制器的物理结构2.1.3CPU模块2.1.4I/O模块2.1.5可编程序控制器的外部接线返回各种PLC的具体结构虽然多种多样，但其基本原理相同，都是以微处理器为核心的电子电气系统。PLC各种功能的实现，不仅基于其硬件的作用，而且要靠其软件的支持。PLC内部主要由CPU模块、输入模块、输出模块、编程器等几部分组成。返回后一页前一页2.1.1基本结构2020/1/10CH2PLC的硬件结构与工作原理5模拟量输入行程开关继电器接点各种开关CPUROM、RAM电源部件输出接口输入接口外设接口照明电磁装置执行机构编程器打印机采用光电隔离装置继电器、可控硅、晶体管电路后一页前一页后一页前一页在可编程序控制器控制系统中，CPU模块相当于人的大脑，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。1．CPU模块后一页前一页输入(Input)模块和输出(Output)模块简称为I／O模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。数字量(或称开关量)输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的数字量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。2．I／O模块后一页前一页CPU模块的工作电压一般是DC5V，而可编程序控制器的输入／输出信号电压一般较高，如DC24V和AC220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或影响可编程序控制器的正常工作。在I／O模块中，用光耦合器、小型继电器等器件来隔离外部输入电路和负载。I／O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。后一页前一页编程装置用来生成用户程序，并对它进行编辑、检查和修改。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型可编程序控制器编程，或者用于现场调试和维修。使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。程序被编译后下载到可编程序控制器，也可以将可编程序控制器中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。可以用编程软件设置可编程序控制器的各种参数。通过通信，可以显示梯形图中触点和线圈的通断情况，以及运行时可编程序控制器内部的各种参数，对于查找故障非常有用。给S7-200编程时，应配备一台安装有STEP7-Micro／WIN32编程软件的计算机和一根连接计算机和可编程序控制器的PC／PPI通信电缆。该软件可以在网站．ad．siemens．com．cn／S7-200下载。3．编程装置后一页前一页可编程序控制器使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC5V、±12V、24V等直流电源。小型可编程序控制器一般都可以为输入电路和外部的电子传感器(如接近开关)提供24V直流电源，驱动可编程序控制器负载的直流电源一般由用户提供。4．电源后一页前一页2.1.2可编程序控制器的物理结构根据硬件结构的不同，可以将可编程序控制器分为整体式、模块式和混合式。返回后一页前一页1．整体式可编程序控制器整体式又叫做单元式或箱体式，它的体积小、价格低，小型可编程序控制器一般采用整体式结构。整体式可编程序控制器将CPU模块、I／O模块和电源装在一个箱型机壳内，称为基本单元，S7-200称为CPU模块。“前盖”下面有RUN／STOP开关，模拟量电位器和扩展I／O连接器。S7-200系列可编程序控制器提供多种具有不同I／O点数的CPU模块和数字量、模拟量I／0扩展模块供用户选用。CPU模块和扩展模块用扁平电缆连接，可选用全输入型或全输出型的数字量．I／0扩展单元来改变输入／输出的比例。整体式可编程序控制器还配备有许多专用的特殊功能模块，如模拟量输入／输出模块、热电偶、热电阻模块、通信模块等，使可编程序控制器的功能得到扩展。后一页前一页2020/1/10CH2PLC的硬件结构与工作原理14大、中型可编程序控制器(如S7-300和S7-400系列)一般采用模块式结构，用搭积木的方式组成系统，它由机架和模块组成(见图)。模块插在模块插座上，后者焊在机架中的总线连接板上。可编程序控制器厂家备有不同槽数的机架供用户选用，如果一个机架容纳不下所选用的模块，可以增设一个或数个扩展机架，各机架之间用I／0扩展电缆相连。用户可以选用不同档次的CPU模块、品种繁多的I／O模块和特殊功能模块，对硬件配置的选择余地较大，维修时更换模块也很方便。整体式可编程序控制器每一I／O点的平均价格比模块式的便宜，在小型控制系统中一般采用整体式结构。但是模块式可编程序控制器的硬件组态方便灵活，I／O点数的多少、输入点数与输出点数的比例、I／O模块的种类和块数、特殊I／0模块的使用等方面的选择余地都比整体式可编程序控制器大得多，维修时更换模块、判断故障范围也很方便，因此较复杂的、要求较高的系统一般选用模块式可编程序控制器。2．模块式可编程序控制器后一页前一页S7-300模块式PLCS7-400模块式PLC2．1．3CPU模块CPU是PLC的核心，一切逻辑运算及判断都是由其完成的，并控制所有其它部件的操作。它就是我们常说的电脑芯片。(1)将各种输入信号取入存储器。(2)执行指令。(3)把结果送到输出端。(4)响应各种外部设备的请求。后一页前一页1．CPU芯片返回2020/1/10CH2PLC的硬件结构与工作原理17CPU模块主要由微处理器(CPU芯片)和存储器组成。可编程序控制器使用下列微处理(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MCS-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。2020/1/10CH2PLC的硬件结构与工作原理18存储器ROM：存放系统程序和用户已调好的程序RAM：用户正调试的程序。系统程序：是控制和完成PLC各种功能的程序，如：检查程序、监控程序等。后一页前一页2.存储器EEROM：存放用户程序和需长期保存的重要数据2020/1/10CH2PLC的硬件结构与工作原理19用户程序：用来存放用户编写的程序、各种逻辑数据、计算结果等。PLC的存储器按功能可分为以下几个区：1)用户程序存储器区：是用来存放用户编写的程序，其存储容量的大小是用“步”来表示的，如：2048步的程序存储器就表示可存2048步程序。2)字数据存储器区：用来存放用户各种数学运算结果，字长为8位或16位。后一页前一页2020/1/10CH2PLC的硬件结构与工作原理203)输入/输出继电器区：它是位数据区，可对其进行位操作。每一位是一个接点，对应外部的一个输入/输出端子，接点应为何种状态就由位是0还是1决定，也就是说该区是输入/输出继电器接点的逻辑映像区，只对该区的相应位进行操作，就可对输入/输出继电器进行控制。我们说该区有“物理继电器”与之对应。后一页前一页2020/1/10CH2PLC的硬件结构与工作原理214)辅助继电器区：该区无“物理继电器”与之对应，即无硬接点，它是一个“软继电器”，是“逻辑继电器”，不向外设输出信号，在程序中起逻辑转换作用，正是这种“逻辑继电器”使得可编程控制器与继电接触控制产生了本质的区别。5)保持继电器区：该区与M区功能相同，差别仅在于该区的状态在PLC掉电后其状态仍保持不变。编号与M区相同。后一页前一页2020/1/10CH2PLC的硬件结构与工作原理226)时间继电器T区：该时间继电器也是“软继电器”，可以利用它产生不同的延时。此外，PLC还有计数器C，步控制器S，特殊继电器F等。后一页前一页2020/1/10CH2PLC的硬件结构与工作原理232.1.4I/O模块各I／O点的通断状态用发光二极管显示，外部接线一般接在模块面板的接线端子上。某些模块使用可拆卸的插座型端子板，不需断开端子板上的外部连线，就可以迅速地更换模块。点数多的高密度I／O模块的外部接线一般用插座连接，用户可选用连接插座的电缆和端子板。返回2020/1/10CH2PLC的硬件结构与工作原理24输入电路中设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起错误的输入信号。滤波电路延迟时间的典型值为10—20ms(信号上升沿)和20—50ms(信号下降沿)，输入电流为数毫安。下图是某直流输入模块的内部电路和外部接线图，图中只画出了一路输入电路，1M是同一输入组内各输入信号的公共点。S7-200可以用CPU模块输出的24V直流电源作为输入回路的电源(见图)，它还可以为接近开关、光电开关之类的传感器提供24V直流电源。1．输入模块2020/1/10CH2PLC的硬件结构与工作原理25当图中的外接触点接通时，光耦合器中两个反并联的发光二极管亮，光敏三极管饱和导通；外接触点断开时，光耦合器中的发光二极管熄灭，光敏三极管截止。信号经内部电路传送给CPU模块。显然，可以改变图中输入回路的电源极性。交流输入方式适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用，输入电压有110V、220V两种。直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。2020/1/10CH2PLC的硬件结构与工作原理262．输出模块输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应管、驱动交流负载的双向晶闸管，以及既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载的小型继电器。输出电流的典型值为0．5-2A，负载电源由外部现场提供。输出电流的额定值与负载的性质有关，例如S7-200的继电器输出电路可以驱动2A的电阻性负载，但是只能驱动200W的白炽灯。输出电路一般分为若干组，对每一组的总电流也有限制。额定输出电流还与温度有关，温度升高时额定输出电流减小，有的可编程序控制器提供了有关的曲线。2020/1/10CH2PLC的硬件结构与工作原理27图是继电器输出电路。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。继电器输出模块的使用电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但是动作速度较慢，寿命(动作次数)有一定的限制。如果系统输出量的变化不是很频繁，建议优先选用继电器型的。2020/1/10CH2PLC的硬件结构与工作原理28图是使用场效应管(MOSFET)的输出电路。输出信号送给内部电路中的输出锁存器，再经光耦合器送给场效应管，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。图中的稳压管用来抑制关断过电压和外部的浪涌电压，以保护场效应管。场效应管输出电路的工作频率可达20kHz。晶体管型与双向晶闸管型模块分别用于直流负载和交流负载，它们的可靠性高，反应速度快，寿命长，但是过载能力稍差。2020/1/10CH2PLC的硬件结构与工作原理29除了输入模块和输出模块，还有一种既有输入电路又有输出电路的模块，输入、输出的点数一般相同，这种模块使用户确定可编程序控制器的硬件配置更为方便。2020/1/10CH2PLC的硬件结构与工作原理302．1．5可编程序控制器的外部接线图是CPU222模块的外部接线图，8个输入点I0.0—I0.7分为两组，1M