第2章燈控制系統(tǒng)設(shè)計

1、 l本章要點本章要點 介紹PLC的結(jié)構(gòu)和工作原理。 強調(diào)PLC循環(huán)掃描的工作方式。 PLC的從外部輸入設(shè)備采集信號、執(zhí)行程序、控制輸出設(shè)備的工作過程。l技能目標技能目標l通過認識S7-200PLC，了解PLC物理結(jié)構(gòu)。l會進行S7200PLC 的端子接線。l初步使用STEP7-Micro/WIN編程軟件。項目導入以S7-200系列的CPU226控制一盞燈的亮滅，要求：1）認識CPU226的各個端子名稱。2）會進行端子接線。3）理解PLC的循環(huán)掃描工作方式。4）根據(jù)教師引導會簡單編程。2.1 燈控制系統(tǒng)設(shè)計 控制要求 用PLC實現(xiàn)圖2.1同樣的控制功能，完成PLC的硬件電路和軟件設(shè)計。圖2.1一

2、盞燈的控制電路圖2.設(shè)計目的認識西門子S7-200系列PLC的結(jié)構(gòu)，熟悉PLC輸入端子的接線方法，輸出端子負載的接線方法和電源的接線。2.2 PLC基礎(chǔ)知識可編程序控制器(Programmable Logic Controller)簡稱 PLC，是一種廣泛應(yīng)用的工業(yè)控制計算機， 把自動化技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，成為現(xiàn)代工業(yè)自動化的一大支柱。2.2.1 認識認識PLC圖2.2 S7-200PLC外部端口名稱 擴展I/O接口RS-232通信接口圖2.3S7-200PLC外形2.2.2S7-200的端子接線S7-200系列PLC有多種型號，CPU221、CPU222、CPU224、CPU

3、226、CPU226CN等，對于每個型號，西門子提供DC（24V）和AC（120220V） 電源電壓和控制電壓，其輸出形式分別為晶體管輸出和繼電器輸出 。如CPU224 DC/DC/DC（直流電源供電、直流數(shù)字量輸入、晶體管數(shù)字量輸出）和CPU224 AC/DC/Relay（交流供電、直流數(shù)字量輸入、繼電器數(shù)字量輸出）， CPU224 DC/DC/DC可以發(fā)出高速脈沖驅(qū)動步進電機，CPU224 AC/DC/Relay不能驅(qū)動步進電機。S7-200系列CPU226DC/DC/DC端子接線圖L+、M是24V直流工作電源端，用于為PLC提供工作電源。 下面一排與外部開關(guān)相連的為I0.0、I0.1I2

4、.7共24個輸入端子，連接控制設(shè)備，如啟動、停止開關(guān)、開關(guān)型的傳感器輸入信號，由24V直流電源供電，1M為公共端，接電源正極、負極均可，其中I0.0I1.4為一組，接同一個電源，I1.5I2.7為一組，接同一個電源；Q0.0Q1.7共16個輸出端子，接負載設(shè)備，如燈、接觸器、電磁閥、繼電器，也為24V直流供電，1L+、2L+為電源正端，1M、2M為電源負端，Q0.0Q0.7所接的負載以1L+和1M為電源正負極，Q1.0Q1.7驅(qū)動的負載以2L+和2M為電源正負極 。圖2.5 CPU226AC/DC/繼電器輸出型接線端子圖2.5為CPU226 AC/DC/Relay（交流供電、直流數(shù)字量輸入、繼

5、電器數(shù)字量輸出）端子接線圖。 其CPU工作電源為交流電，輸出端子連接的負載可以是直流負載也可以是交流負載。S7-200通過通訊接口以PC/PPI電纜和PC機的COM口相連,如圖2.6所示,在PC機上要安裝編程軟件。知識鏈接 PLC的定義、分類和的定義、分類和編程語言編程語言1.PLC的定義的定義國際電工委員會在1987年可編程控制器（Programmable Logic Controller,簡稱PLC）標準草案中的定義是“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計，它采用了可編程序的存儲器用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)操作等面向用戶的指令，

6、并通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都按易于工業(yè)系統(tǒng)連成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計?！?. PLC的應(yīng)用的應(yīng)用 PLC廣泛應(yīng)用于自動化工業(yè)控制。（搜索PLC應(yīng)用圖片）知識鏈接水處理控制柜2021-11-20192021-11-20202021-11-20212021-11-20222021-11-20232021-11-20242021-11-20252021-11-20262021-11-20273. PLC分類分類PLC有不同的分類方式，一般按按輸入/輸出接口總點數(shù)分為 小型機、中型機和大型機。知識鏈接4. PLC編程語言編程

7、語言采用PLC普遍流行的梯形圖。知識鏈接指令表2.2.3 S7-200編程軟件STEP7-Micro/WIN西門子S7-200的編程軟件為STEP7-Micro/WIN。2.3.1 工作計劃1、小組成員研討任務(wù)，明確交通燈控制系統(tǒng)的要求，確定控制系統(tǒng)實現(xiàn)方案。 2、根據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)方案，確定完整詳細的工作計劃。3、根據(jù)小組成員擬定的工作計劃，開展工作。 4、由本組成員進行交通燈控制系統(tǒng)實現(xiàn)的效果檢查。 5、由其他組成員或老師進行評估。 2.3 燈控制系統(tǒng)的設(shè)計過程1 PLC的硬件結(jié)構(gòu)PLC主要由CPU、存儲器、輸入輸出（I/O）接口、通信接口和電源等幾部分組成。知識鏈接 PLC的硬件結(jié)構(gòu)和工的硬件

8、結(jié)構(gòu)和工作原理作原理（1） 中央處理器(CPU)CPU是PLC核心，由控制器、運算器、寄存器等組成，它按照系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲用戶程序和數(shù)據(jù)。用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入設(shè)備送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，存入輸入寄存器中，并能診斷電源和內(nèi)部電路的工作狀態(tài)。（2） 存儲器PLC存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器。前者固化有廠家編寫的系統(tǒng)程序，不可以修改，包括系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序等。后者包括用戶程序存儲器（程序區(qū)）和功能存儲器（工作數(shù)據(jù)區(qū)）兩部分。工作數(shù)據(jù)區(qū)是外界與PLC進行信息交互的主要交互區(qū)，它的每一個二進制位、每一個字節(jié)單位和字單位都有唯一的地址。（3） 電源電源將交流電轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部器

9、件使用的直流電壓，使PLC能正常工作。（4） 通信接口它是PLC與外設(shè)交換信息和寫入程序的通道，通過RS232通信接口使用PC/PPI電纜與計算機通信。（5） 輸入接口輸入接口是連接外部輸入設(shè)備和PLC內(nèi)部的橋梁，輸入/輸出接口電路采用光電隔離，實現(xiàn)PLC內(nèi)部電路和外部電路的電氣隔離。輸入回路電源為外接直流電源。輸入接口接收來自輸入設(shè)備的控制信號，如限位開關(guān)、操作按鈕及一些傳感器的信號。通過接口電路將這些信號轉(zhuǎn)換成CPU能識別的二進制信號，進入內(nèi)部電路，存入輸入映像寄存器。運行時CPU從輸入映像寄存器讀取輸入信息進行處理。 輸入接口的工作原理：當輸入端子連接的外部輸入按鈕未閉合時，光電耦合器中

10、兩個反向并聯(lián)的發(fā)光二極管不導通，光敏三極管截止，CPU內(nèi)部電路在輸入端讀入的數(shù)據(jù)是“0” ；當輸入按鈕閉合時，電流經(jīng)24V電源正極(或負極)，經(jīng)過外部觸點I0.0，經(jīng)過電阻，再經(jīng)過光電耦合器中的發(fā)光二級管，到達公共端COM 最后回到電源負極（或正極），有一個發(fā)光二極管導通，光敏三極管飽和導通，外部信息進入內(nèi)部電路， 使內(nèi)部“軟繼電器”線圈導通，使得CPU在輸入端讀入的是數(shù)據(jù)“1”，從而驅(qū)動同名常開觸點和常閉觸點供程序使用。 （6） 輸出接口輸出接口連接被控對象的可執(zhí)行元件如接觸器、電磁閥、指示燈等。輸出接口電路將主機向外輸出的控制信號0或1轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動外部電路的信號以控制外部負載通電，同時使

11、CPU與外部強電隔離。S7-200的數(shù)字量輸出接口電路有驅(qū)動直流負載的場效應(yīng)晶體管型和能驅(qū)動交、直流負載的繼電器型。圖2.11為場效應(yīng)晶體管輸出電路，外接24伏直流負載。當PLC內(nèi)部輸出鎖存器為0時，光耦合器的光敏三極管截止，使場效應(yīng)晶體管截止，輸出回路斷開，外部負載不動作；當內(nèi)部電路輸出鎖存器為，光敏三極管導通，使場效應(yīng)晶體管導通，相當于開關(guān)閉合，輸出回路通電，負載得電。圖2.11 場效應(yīng)晶體管型輸出電路圖2.12為繼電器型輸出電路，繼電器同時起隔離和功率放大作用，每一端子 提供一常開觸點，可以接交直流負載，受繼電器觸點開關(guān)速度低的限制，只能滿足低速控制要求。圖2.12 繼電器型輸出電路 如

12、圖為S7-200的輸入/輸出端子與接口回路。當輸入開關(guān)閉合形成通路，才會有輸入信號；當內(nèi)部有輸出信號，運行程序使輸出回路通，外部負載才會動作。知識鏈接 PLC的硬件結(jié)構(gòu)和工的硬件結(jié)構(gòu)和工作原理作原理2 PLC的工作原理的工作原理當PLC進入程序運行狀態(tài)，PLC工作于獨特的循環(huán)周期掃描工作方式，每一個掃描周期分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新個階段。（1) 輸入采樣階段在這個階段中，PLC按順序逐個采集所有輸入端子上的信號，而不論輸入端子上是否接線。CPU將順序讀取的全部輸人信號寫入到輸入映像寄存器中，輸入回路通則相應(yīng)端子的映像寄存器就為1，輸入回路不通，寄存器就為0。(2)程序執(zhí)行階段在執(zhí)行用戶

13、程序階段，CPU對用戶程序按順序進行掃描，順序總是從上到下，從左至右。每掃描到一條指令，從輸入映像寄存器中讀取輸入信息，其他信息從元件映像寄存器中讀取。每一次運算的中間結(jié)果都立即寫人元件映像寄存器中，這樣該元件的狀態(tài)立即被后面要掃描到的指令利用。（3） 輸出刷新階段當CPU對全部用戶程序掃描結(jié)束后，將元件映像寄存器中所有輸出 映像繼電器的狀態(tài)同時送到輸出鎖存器中，再由輸出鎖存器經(jīng)輸出端子去驅(qū)動各輸出繼 電器所帶的負載。知識鏈接 PLC的硬件結(jié)構(gòu)和工的硬件結(jié)構(gòu)和工作原理作原理3 PLC掃描周期的時間PLC掃描周期的時間與PLC的類型和用戶程序長短有關(guān)，通常個掃描周期為幾個至幾十個毫秒，最長不超過

14、200毫秒。由于掃描周期很短，感覺不到輸出與輸入的延遲。2.3.2 操作分析我們以燈控制系統(tǒng)的PLC控制實現(xiàn)理解PLC的工作過程。2.3.2.1 準備元器件 選擇CPU226 DC/DC/DC、24伏電源、一個開關(guān)、一盞燈、連接線。2.3.2.2 進行電路連接 開關(guān)要連接到PLC的輸入點，燈要連接至PLC的輸出點，選擇輸入端子I0.0連接SB開關(guān)，輸出端子Q0.0連接負載燈，對外部部件開關(guān)和燈進行電路連接，電氣原理圖如圖，連接上PLC的工作電源、輸入端子電源、輸出端子電源，將PLC工作電源L1、N接入24伏，1L+、M為輸出端子的24伏電源，1M為輸入點的24伏電源公共端 。2.3.2.3 通

15、信1）用西門子提供的專用PC/PPI電纜將裝有編程軟件的PC機和PLC相連。2）打開STEP7-Micro/WIN界面。3）點擊 “指令樹”的“通信”項目的“通信”子項目。出現(xiàn)通信界面。雙擊刷新，出現(xiàn)如圖界面，表示通信成功，可以進行編程設(shè)計。系統(tǒng)默認PC機地址為0，這臺PLC地址為2。2.3.2.4 編程在程序編輯界面輸入梯形圖。程序中I0.0為常開觸點，PLC 的物理輸入端子I0.0接外部開關(guān)。程序中Q0.0為輸出線圈，PLC的物理輸出端子Q0.0接負載燈。梯形圖和電氣接線圖組成一個完整的控制系統(tǒng)。2.3.2.5 下載點擊菜單“PLC”“編譯”，對編輯的程序進行編譯， 編譯成功，系統(tǒng)提示無錯

16、誤。點擊菜單“文件”“下載”，將編譯后的程序下載到PLC的程序存儲器。點擊菜單“PLC”“RUN（運行）”，PLC就可以運行了。此時PLC系統(tǒng)處于掃描工作狀態(tài)，及系統(tǒng)不斷掃描采集外部輸入端子，掃描梯形圖，等待外部開關(guān)按下，在外部開關(guān)未按下時，則梯形圖不執(zhí)行，負載沒有輸出。點擊“調(diào)試開始程序狀態(tài)監(jiān)控“，可以進行運行監(jiān)控。2.3.2.6 運行按下I0.0端子連接的開關(guān)SB，則燈亮，同時計算機屏幕上會出現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測，I0.0和Q0.0變成藍色，表示當前處于接通狀態(tài)。斷開開關(guān)SB，燈滅，I0.0和Q0.0變成白色，表示當前處于斷開狀態(tài)。2.3.2.7 PLC工作過程分析PLC執(zhí)行下載命令后，STEP7將

17、編譯好的程序可執(zhí)行文件下載到PLC程序存儲器，PLC的CPU（中央處理器）就可以根據(jù)開關(guān)狀態(tài)順序執(zhí)行程序，驅(qū)動外部負載。 PLC是以循環(huán)掃描的方式工作的，其等效電路如圖所示。PLC的外部端子（共24個，我們只用到了I0.0）接入PLC內(nèi)部，每個端子占用一個二進制存儲器單元，運用繼電器控制的概念，我們可以將其認為“輸入軟繼電器”線圈，它受外部輸入回路控制，當某個輸入端子的回路通電，其二進制存儲單元為1，“軟繼電器”線圈通電，可以有無數(shù)個同名常開觸點“ ”和常閉觸點“ ”供編程使用 ，常開觸點閉合，常閉觸點斷開。軟繼電軟繼電器線圈器線圈I0.0I0.0常開觸常開觸點點I0.0I0.0，斷開斷開常閉

18、觸點常閉觸點I0.0I0.0，閉合，閉合開關(guān)開關(guān)閉合，閉合，單擊單擊線圈線圈I0.0I0.0接接通通常閉觸點I0.0斷開常開觸點I0.0閉合每一個輸入端子都有同名寄存器（軟繼電器線圈，為1或0），并有常開觸點和常閉觸點隨線圈變化供程序使用。每一個輸出端子都有內(nèi)部同名寄存器驅(qū)動，當程序執(zhí)行時輸出寄存器為1，同樣有常開觸點、常閉觸點變化供程序使用，同時有物理觸點閉合使輸出電路接通，輸出端子連接的負載得電。 PLC運行系統(tǒng)等效圖 2.3.2.8 燈控制系統(tǒng)設(shè)計的檢查與評估燈控制系統(tǒng)設(shè)計的檢查與評估項目要求分數(shù)評分標準 得分系統(tǒng)電氣原理圖設(shè)計原理圖繪制完整規(guī)范10不完整規(guī)范，每處扣2分I/O分配表準確

19、完整，與原理圖一致10不完整，每處扣2分程序設(shè)計簡潔易讀，符合題目要求20不正確，每處扣5分電氣線路安裝和連接線路安全簡潔、正確，符合工藝要求30不規(guī)范每處扣5分系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計達到題目要求，運行成功30第一次調(diào)試不合格扣10分第二次調(diào)試不合格扣10分時間60分鐘，每超時5分鐘扣5分，不得超過10分鐘安全檢查完畢通電，人為短路扣20分表2.1 PLC燈控制系統(tǒng)設(shè)計評估標準2.4 拓展實訓拓展實訓 電動機連續(xù)運電動機連續(xù)運行行PLC控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)1 控制要求控制要求 用PLC控制交流電機，按下藍色按鈕電動機起動運轉(zhuǎn)，按下紅色按鈕電動機停止。2 實訓目的實訓目的 熟悉PLC結(jié)構(gòu)和工作過程，了解軟

20、件使用過程，會簡單編程；會接線3 實訓要點實訓要點 電源端子的正負極不要接錯，確定接線無誤再上電 預(yù)習要求 閱讀S7-200系統(tǒng)收冊，了解西門子PLC的有關(guān)內(nèi)容，瀏覽網(wǎng)站4 實訓過程實訓過程1）在有STEP7 Micro/WIN軟件的計算機上打開軟件，否則先安裝，了解安裝過程2）在程序編輯窗口編輯電機控制系統(tǒng)的梯形圖，編譯無誤3）按照電氣接線圖連接PLC輸入/輸出回路，確認無誤通電4）按動開關(guān)，觀察電機運行。2.4.1電氣原理圖設(shè)計控制功能：按下啟動按鈕Start時，接觸器KM接通，使電動機運轉(zhuǎn)。按下停止按鈕Stop，接觸器KM斷開，電動機停止。電動機繼電器控制過程電動機繼電器控制過程1）I/

21、O點分配。輸入信號輸出信號停止按鈕Stop I0.1接觸器KMQ0.0啟動按鈕Start I0.22）電氣原理圖2.4.2程序編寫進入Step7編程軟件，在程序編輯窗口輸入梯形圖程序 程序說明： 當 輸入軟繼電器I0.2電路通電，其常開觸點“ ”閉合，由于有常閉觸點“ ”保持原始狀態(tài)，使輸出繼電器 Q0.0 線圈 通電，輸出端子Q0.0上連接的外部設(shè)備接通，在此例中是接觸器KM線圈 。為使在I0.2斷開時Q0.0仍能運行，程序中采用輸出繼電器Q0.0的常開觸點“ ”進行自鎖。自鎖。它使Q0.0 線圈 仍保持接通狀態(tài)，和繼電器電路中的KM自鎖觸點的功能是一樣的。當按下輸入繼電器I0.1，輸入電路

22、通電，其常閉觸點“ ”斷開，使輸出繼電器Q0.0斷電，KM主觸點斷開，電機停止轉(zhuǎn)動。 2.4.3 系統(tǒng)運行在硬件連線、軟件編程正確完成之后，對程序進行編譯、下載，進入運行狀態(tài)，這個電動機連續(xù)運行PLC控制系統(tǒng)就設(shè)計完成。CPU進入循環(huán)掃描狀態(tài)，不斷采集輸入端子數(shù)據(jù)，等待執(zhí)行程序。系統(tǒng)運行： 按下Start按鈕，則電機連續(xù)運行； 按下Stop按鈕，電機停止運轉(zhuǎn)。運行過程分析運行過程分析輸入采集輸入采集：啟動時，按下Start按鈕，使輸入端子I0.2所連接的輸入回路接通，相當于輸入軟繼電器I0.2的線圈通電，在某個掃描周期的輸入采樣階段,系統(tǒng)將內(nèi)部I0.2寄存器置為1， I0.1的輸入回路斷開，掃描到此觸點時I0.1寄存器為0；程序執(zhí)行階段程序執(zhí)行階段：I0.2的軟繼電器線圈為1，則其常開觸點 閉合，而I0.1的繼電器線圈為0，其常閉觸點 仍閉合，圖2.30梯形圖中形成的“回路”，有“電流”通過，使輸出繼電器Q0.0通