第02章 PLC基本组成和工作原理

PLC基本组成和工作原理第二章2.1可编程序控制器的硬件系统2.2可编程序控制器的软件系统2.3可编程序控制器的工作原理2.4西门子PLC模块2.5西门子PLC的存储区2.6西门子PLC的数据类型与寻址方式PLC的基本组成编程器或其他编程设备SBSQSAHLYVKM微处理器存储器输入单元输出单元电源1.中央处理单元（CPU）：(1)从程序存储器读取程序指令，编译、执行指令(2)将各种输入信号取入(3)把运算结果送到输出端(4)响应各种外部设备的请求1.中央处理单元（CPU）：（1）通用处理器：8086、80286、80386（2）单片机芯片：8031、8096（3）位片式微处理器：AMD-2900小型PLC多采用8位微处理器或单片机作为CPU中型PLC多采用16位微处理器或单片机作为CPU大型PLC多采用高速位片式微处理器RAM：存储各种暂存数据、中间结果、用户正调试的程序。ROM：存放监控程序和用户已调试好的程序。2.存储器FeatureCPU222CPU224CPU224XPCPU226Userprogramsizewithrunmodeeditwithoutrunmodeedit4096bytes4096bytes8192bytes12288bytes16384bytes24576bytes16384bytes24576bytesUserdata2048bytes8192bytes10240bytes10240bytes采用光电隔离，实现了PLC的内部电路与外部电路的电气隔离，减小了电磁干扰。输出接口作用：将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。输出三种形式：继电器--低速大功率可控硅--高速大功率晶体管--高速小功率输入接口作用：将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。3.输入、输出接口（1）直流输入接口电路：采用光电耦合器，防止强电干扰。COM光电三极管发光二极管直流电源输入端子+–PLCXn+24V–内内内内3.3k1000PF470内内内内3.3k1000PF470发光二极管2．交流输入模块1）外部接线图：ON0N4NNL1NL1.01N1N.12N2N.23N3N.3.45N5N.56N6N.67N7N.7有8个分隔式数字量输入端子，每个输入点都占用二个接线端子。它们各自使用1个独立的交流电源（由用户提供）。这些交流电源可以不同相。（交流I/O都是分隔式的）2）交流输入电路：SB1INR1内部电路CR2R3VLCOM光电耦合继电器输出（2）输出接口电路：以继电器形式为例：PLC内部电路内部电路J+交流电源或直流电源YCOM-2）直流输出电路：内部电路负载DC24VCOMOUTO映像区—O端子输出映象寄存器为“1”状态时——负载在外部电源激励下通电工作输出映象寄存器为“0”状态时——外部负载断电，停止工作2）交流输出电路：交流输出模块是可控硅(晶闸管)输出方式。其特点是输出启动电流大。当PLC有信号输出时，光电二极管导通，通过光电耦合使双向可控硅(晶闸管)导通，交流负载在外部交流电源的激励下得电。发光二极管VL点亮，指示输出有效。内部电路OUTCOMUCR2R1负载压敏电阻VL(ACSSR)4.电源单元把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。有的电源单元还向外提供24v隔离直流电源，可供开关量输入单元连接的现场无源开关等使用。可编程序控制器的电源一般采用开关式电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。5.各种接口、高功能模块：便于扩展小型机：一体机。有接口可扩展。S7-200CPUS7-1200S7300信号模块(SM)•数字量输入模块：24VDC，120/230VAC•数字量输出模块：24VDC，继电器•模拟量输入模块：电压，电流，电阻，热电偶•模拟量输出模块：电压，电流接口模块(IM)IM360/IM361和IM365可以用来进行多层组态，它们把总线从一层传到另一层。中、大型机：模块式。可根据需要在主板上随意组合。S7300占位模块(DM)DM370占位模块为没有设置参数的信号模块保留一个插槽。它也可以用来为以后安装的接口模块保留一个插槽。功能模块(FM)执行“特殊功能”：-计数-定位-闭环控制通讯处理器(CP)提供以下的连网能力：-点到点连接-PROFIBUS-工业以太网附件总线连接器和前连接器S7300模式选择器MRES=模块复位功能STOP=停止模式：程序不执行RUN=程序执行，编程器只读操作RUN-P=程序执行，编程器读写操作MPI连接用MPI接口连接到编程设备或其它设备DP接口分布式I/O直接连接到CPU的接口。S7300SF=组错误：CPU内部错误或带诊断功能模块错误BATF=电池故障：电池不足或不存在DC5V=内部5VDC电压指示FRCE=FORCE：指示至少有一个输入或输出被强制RUN=当CPU启动时闪烁，在运行模式下常亮STOP=在停止模式下常亮有存储器复位请求时慢速闪烁正在执行存储器复位时快速闪烁由于存储器卡插入需要存储器复位时慢速闪烁存储器卡为存储器卡提供一个插槽。当发生断电时利用存储器卡可以不需要电池就可以保存程序。电池盒在前盖下有一个装锂电池的空间，当出现断电时锂电池用来保存RAM中的内容。状态指示器(LED)S7400编程设备可以是专用的手持式的编程器；也可以是安装了专门的编程通讯软件的个人计算机。5.编程设备用户可以通过键盘输入和调试程序；另外在运行时，还可以对整个控制过程进行监控。PCFPPROGRAMMER(HELP)CLRWRTFN/PFLSTKIX/IYNOTDT/LdREADOTLWLORRWRANYWYSTXWXSRC(-)OP(BIN)K/HSCCTCEVTMTSVACLRENTBAFEDC9832107654(DELT)CLR手持式的编程器5.编程设备PG740PC/PPIUSB/PPI5.编程设备-编程电缆PC-MPI5.编程设备-编程电缆2.3S7200PLC编程语言和程序结构PLC编程语言的国际标准IEC61131-35种编程语言顺序功能图SFC梯形图LAD功能块图FBD指令表STL结构文本ST梯形图(LAD)LAD可以建立与电气接线图等价的类似程序。梯形图程序让CPU仿真来自电源的电流通过一系列的输入逻辑条件，根据结果决定逻辑输出的允许条件。逻辑通常被分解成小片：称为“梯级”或“段”。程序一次执行一个段，从左到右，从上到下。用图形符号表示的指令包括三个基本形式：例如：启保停程序①触点──代表逻辑“输入”条件，如开关、按钮、内部条件等。②线圈──通常代表逻辑“输出”结果，如灯、电机启动器、中间继电器、内部输出条件等。③盒──代表附加指令，如定时器、计数器或数学运算指令。PLC梯形图语言的编程原则1、梯形图由多个梯级组成，每个线圈可构成一个梯级，每个梯级有多条支路，每个梯级代表一个逻辑方程；2、梯形图中的继电器继电器、接点、线圈不是物理的，是PLC存储器中的位(1=ON；0=OFF)；编程时常开/常闭接点可无限次引用，线圈输出只能是一次；3、梯形图中流过的不是物理电流而是“概念电流”，只能从左向右流；4、用户程序的运算是根据PLC的输入/输出映象寄存器中的内容，逻辑运算结果可以立即被后面的程序使用；5、PLC的内部继电器不能做控制用，只能存放逻辑控制的中间状态；6、输出线圈不能直接驱动现场的执行元件，通过I/O模块上的功率器件来驱动。功能块图(FBD)编辑器可以查看到象普通逻辑门图形的逻辑盒指令：①图形逻辑门表示格式有利于程序流的跟踪。②FBD编辑器可以使用SIMATIC和IEC1131-3指令集。③可以使用STL显示所有用SIMATICFBD编辑器编写的程序。语句表(STL)①STL是一种类似于助记符表达式的程序，最适合于有经验的程序员。②STL有时能够解决利用LAD和FBD编辑器不容易解决的问题。③虽然可以利用STL编辑器查看或编辑用SIMATICLAD或FBD编程器编写的程序，但是SIMATICLAD或FBD编程器不能显示所有利用STL编辑器编写的程序。Netwok1LDI0.0OQ0.0ANI0.1=Q0.0编程语言的相互转换和选用在S7-200的编程软件STEP7-Micro/Win32中用户可以选择梯形图LAD、语句表STL和功能块图FBD三种语言，使用“检视”菜单选择其一即可。建议无论是选择哪种编程语言，都要用网络分隔成段，这样程序可以转换。PLC的程序结构S7-200的控制程序由主程序、子程序和中断程序组成。1、主程序OB1是程序的主体，在程序的主体中放置控制应用指令，有且只有一个主程序，主程序可以调用子程序和中断程序。主程序中的指令按顺序在CPU的每个扫描周期执行一次。2、子程序它们是程序的可选部分，只有当主程序调用它们时，才能够执行。3、中断程序它们是程序的可选部分，只有当中断事件发生时，才能够执行。PLC的工作原理—建立I/O映像区输入点总有输入映象区的某一位与之相对应I/O映象区的大小与系统控制的规模有关PLC工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映象区对应的位上；将运算的结果存放到输出映象区对应的位上。PLC在执行用户程序时所需“输入继电器”、“输出继电器”的数据取用于I/O映象区，而不直接与外部设备发生关系。PLC工作过程初始化CPU自诊断通信信息处理与外设交换信息执行用户程序输入输出信息处理定期检查用户程序存储器、I/O单元的连接、I/O总线是否正常，定期复位监控定时器WDTPLC之间以及PLC与PC之间；PLC与其他带微处理器的智能装置通信编程器、终端设备、彩色图形显示器、打印机以扫描的方式按顺序逐句扫描处理，运算结果存入输出映象区对应位中扫描的方式输入信号的状态存入输入映象区；结果存入输出映象区，直至传送到外部被控设备。清除内部继电器区，复位定时器等，并进行自诊断，对电源、PLC内部电路、用户程序的语法进行检查。用户程序的循环扫描过程输入映象寄存器（）（）输入端子用户程序执行输出映象寄存器输出锁存器输出端子输入采样阶段程序执行阶段输出刷新阶段（集中输入）（集中输出）输出可编程序控制器对用户程序进行循环扫描可分为三个阶段进行，即输入采样阶段，程序执行阶段和输出刷新阶段。输入、输出延迟响应①输入电路滤波时间，它由RC滤波电路的时间常数决定。改变时间常数可调整输入延迟时间。③PLC循环扫描的工作方式⑤用户程序中语句的安排④PLC对输入采样、输出刷新的集中处理方式②输出电路的滞后时间，它与输出电路的输出方式有关。继电器输出方式的滞后时间为10ms左右；双向晶闸管输出方式，在接通负载时滞后时间约为1ms，切断负载时滞后时间小于10ms；晶体管输出方式的滞后时间小于1ms。高速输入/输出?输入输出延迟时间——最短响应时间一个扫描周期输入端子输入滤波电路输出输出端子最短I/O响应时间执行指令执行指令一个扫描周期输入延迟时间输出延迟时间CPU读输入输入/输出刷新时间最短响应时间=输入延迟时间+一个扫描周期+输出延迟时间输入/输出刷新时间输入输出延迟时间——最长响应时间最长响应时间=输入延迟时间+两个扫描时间+输出延迟时间CPU读输入一个扫描周期输入端子输入滤波电路输出输出端子最长I/O响应时间执行指令执行指令一个扫描周期输入延迟时间输出延迟时间输出刷新Q0.0M2.1输入采样输出刷新程序执行输入采样程序执行输入采样程序执行输出刷新输入采样程序执行输出刷新第3周期第1周期第2周期输入端子I0.2输入映象寄存器I0.2输出映象寄存器Q0.0输出端子Q0.0位存储器M2.0位存储器M2.1I0.2Q0.0M2.0Q0.0S7200存储器的数据类型与寻址方式数据的存储方式位，一位，0或1,Q0.1,I1.2,M2.2,S1.0字节，8位组成一个字节Byte，QB0，IB1，VB10，SMB10字，