第二章 PLC的硬件與編程軟件的使用方法2

第2章PLC的硬件組成與工作原理

PLC是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)裝置，它最初用來(lái)替代繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制，隨著技術(shù)的發(fā)展，PLC的功能大大超過(guò)了邏輯控制的范圍，PLC有硬件和軟件兩部分組成。硬件系統(tǒng)主要有：CPU、存儲(chǔ)器、輸入單元和輸出單元，還有各種外接模塊，如通信接口、擴(kuò)展接口等。軟件系統(tǒng)主要是系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件一、PLC硬件CPU:CPU是PLC的核心，每套PLC至少有一個(gè)CPU，CPU主要是z80、8086、8031、8096和專(zhuān)用微處理器存儲(chǔ)器：只讀存儲(chǔ)器ROM、PROM、EPROM、E2ROM

隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM由3部分組成：

1、I/O映像區(qū)（開(kāi)關(guān)量I/O、模擬量I/O）；

2、編程軟件存儲(chǔ)區(qū)；

3、用戶(hù)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。

圖2-3直流輸入電路

1.

輸入模塊

同一組輸入點(diǎn)各內(nèi)部輸入電路的公共點(diǎn)I/O接口是PLC能夠接受和輸出信號(hào)的個(gè)數(shù)成為I/O點(diǎn)數(shù)，是選用PLC的重要依據(jù)。輸入——進(jìn)入PLC輸出——控制外部設(shè)備作用——電平變換、速度匹配、驅(qū)動(dòng)功率放大、信號(hào)隔離等PLC通常有三種輸入方式：直流、交流、交直流輸入方式

由PLC內(nèi)置24V電源或外部直流電源供電繼電器輸出電路

2.

輸出模塊

輸出電路一般分為若干組，輸出電流的額定值與負(fù)載的性質(zhì)有關(guān)，每一組的總電流也有限制。

可驅(qū)動(dòng)直流或交流負(fù)載。電壓范圍廣，過(guò)載能力強(qiáng)，但速度慢，壽命較短。場(chǎng)效應(yīng)管輸出電路

只能驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載。過(guò)載能力差，但速度快，可靠性高，壽命長(zhǎng)。雙向晶閘管輸出接口電路示意圖輸出LED～OUT

OUTCOMLL內(nèi)部電路只能驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載。過(guò)載能力強(qiáng)，速度快。（1）繼電器輸出：

優(yōu)點(diǎn)是不同公共點(diǎn)之間可帶不同的交、直流負(fù)載，且電壓也可不同，帶負(fù)載電流可達(dá)2A／點(diǎn)；但繼電器輸出方式不適用于高頻動(dòng)作的負(fù)載，這是由繼電器的壽命決

定的。其壽命隨帶負(fù)載電流的增加而減少，一般在幾十萬(wàn)次至幾百萬(wàn)次之間，有的公司產(chǎn)品可達(dá)1000萬(wàn)次以上，響應(yīng)時(shí)間為10ms。

（2）晶閘管輸出：

帶負(fù)載能力為0.2A/點(diǎn)，只能帶交流負(fù)載，可適應(yīng)高頻動(dòng)作，響應(yīng)時(shí)間為1ms。

（3）晶體管輸出：

最大優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)于高頻動(dòng)作，響應(yīng)時(shí)間短，一般為0.2ms左右，但它只能帶

DC

5—30V的負(fù)載，最大輸出負(fù)載電流為0.5A/點(diǎn)，但每4點(diǎn)不得大于0.8A。

當(dāng)你的系統(tǒng)輸出頻率為每分鐘6次以下時(shí)，應(yīng)首選繼電器輸出，因其電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，抗干擾和帶負(fù)載能力強(qiáng)。當(dāng)頻率為10次／min以下時(shí)，既可采用繼電器輸出方式；也可采用PLC輸出驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓三極管（5—10A），再驅(qū)動(dòng)負(fù)載，可大大減小。二、PLC的軟件系統(tǒng)PLC整體上由系統(tǒng)程序、用戶(hù)的應(yīng)用程序和底層的硬件系統(tǒng)三部分構(gòu)成用戶(hù)程序、組態(tài)信息系統(tǒng)程序硬件系統(tǒng)系統(tǒng)程序是PLC的操作系統(tǒng)，一般由廠家出廠前固化在EPROM,用戶(hù)不能修改，PLC在啟動(dòng)時(shí)由系統(tǒng)軟件讀入。用戶(hù)程序是工程設(shè)計(jì)人員根據(jù)控制系統(tǒng)的工藝要求，利用PLC編程語(yǔ)言編寫(xiě)的實(shí)現(xiàn)某個(gè)功能的一組代碼。1、按結(jié)構(gòu)型式分類(lèi)

1）整體式PLC（單元式、箱體式）：將電源、CPU、存儲(chǔ)器、I/O裝在一起

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價(jià)格低

2）模塊式PLC（積木式）：各個(gè)部分按功能做成獨(dú)立模塊，有電源模塊、CPU模塊、I/O模塊等

特點(diǎn)：配置靈活、裝配維護(hù)方便

三、PLC產(chǎn)品分類(lèi)

PS(電源模塊)CPU

IM(接口模塊)SM:DISM:DOSM:AISM:AO

CP:-點(diǎn)-到-點(diǎn)-PROFIBUS-工業(yè)以太網(wǎng)按功能分低檔PLC

具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入／輸出、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能中檔PLC

具有低檔PLC功能外，增加模擬量輸入/輸出、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程I/O、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還增設(shè)中斷、PID控制等功能。高檔PLC

具有中檔機(jī)功能外，增加帶符號(hào)算術(shù)運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、位邏輯運(yùn)算、平方根運(yùn)算及其它特殊功能函數(shù)運(yùn)算、制表及表格傳送等。高檔PLC機(jī)具有更強(qiáng)的通信聯(lián)網(wǎng)功能。2、按I/O點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量分類(lèi)

1）小型PLCI/O點(diǎn)數(shù)<256點(diǎn)，存儲(chǔ)器2kB2）中型PLCI/O點(diǎn)數(shù)在256～2048點(diǎn)，存儲(chǔ)器2～8kB

具有：邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、中斷、數(shù)據(jù)通信、模擬量處理等功能

3）大型PLCI/O點(diǎn)數(shù)在>2048點(diǎn)，存儲(chǔ)器>8kB

具有：數(shù)據(jù)運(yùn)算、模擬調(diào)節(jié)、聯(lián)網(wǎng)通信、監(jiān)視記錄、打印等功能梯形圖語(yǔ)句表功能塊圖四、PLC的工作原理1、PLC如何替代繼電器的？圖2-7電機(jī)控制電路實(shí)現(xiàn)的邏輯運(yùn)算：

KM=(SB1+KM)SB2FRKM線圈KM常開(kāi)觸點(diǎn)KM2SB1SB3FRQFRFUM3

~~~SB2KM1KM2KM1KM2KM1KM2KM1

繼電接觸器電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制線路Q(chēng)FRFUM3

~~~KM1KM2

M+0VM10.00.10.20.30.4…S7-200CPULNCOM00.00.10.20.3…SB1SB2SB3KM1KM2KM1KM2PLC電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制線路I0.0Q0.0I0.1I0.2Q0.1Q0.0I0.1Q0.1I0.0I0.2Q0.0Q0.1PLC電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制程序()()PLC的掃描過(guò)程3、PLC工作原理2、PLC的操作模式

RUN模式：執(zhí)行用戶(hù)程序，“RUN”LED亮。

STOP模式：不執(zhí)行用戶(hù)程序，可將用戶(hù)程序和硬件設(shè)置信息下載到PLC。TERM(終端)模式與通信有關(guān)。

CPU模塊上的模式開(kāi)關(guān)在RUN/STOP位置時(shí)，上電自動(dòng)進(jìn)入RUN/STOP模式。

PC-PLC之間建立起通信連接后，若模式開(kāi)關(guān)在RUN或TERM位置,可用編程軟件中的命令改變CPU的工作模式。1）讀取輸入：將輸入電路的狀態(tài)讀入輸入過(guò)程映像寄存器。外接的輸入電路閉合時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入過(guò)程映像寄存器為1狀態(tài)，梯形圖中對(duì)應(yīng)的輸入點(diǎn)的常開(kāi)觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)。外接的輸入電路斷開(kāi)時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入過(guò)程映像寄存器為0狀態(tài)，梯形圖中對(duì)應(yīng)的輸入點(diǎn)的常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，常閉觸點(diǎn)接通。2）執(zhí)行用戶(hù)程序:執(zhí)行指令，將結(jié)果寫(xiě)入映像寄存器。注：在此過(guò)程中，即使外部輸入狀態(tài)變化也不會(huì)改變輸入映像寄存器。好處：使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，提高運(yùn)行速度。3）通信處理:接收從通信接口和智能模塊接收的信息。5）改寫(xiě)輸出:將輸出過(guò)程映像寄存器的狀態(tài)傳送到輸出模塊并鎖存。梯形圖中線圈通電時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出過(guò)程映像寄存器為1狀態(tài)，使硬件電路中對(duì)應(yīng)的線圈通電，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，外部負(fù)載通電工作。梯形圖中線圈斷電時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出過(guò)程映像寄存器為0狀態(tài)，使硬件電路中對(duì)應(yīng)的線圈斷電，其常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，外部負(fù)載斷電，停止工作。RUN模式STOP模式:輸出被置為系統(tǒng)塊中輸出表定義的狀態(tài)或保持當(dāng)時(shí)的狀態(tài)，默認(rèn)的設(shè)置是將所有的數(shù)字量輸出清零。4）CPU自診斷測(cè)試：系統(tǒng)定期檢查CPU模塊的操作和擴(kuò)展模塊的狀態(tài)是否正常6）掃描周期：PLC在RUN工作狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行一次掃描操作所需時(shí)間。其典型值為1～100ms。7）輸入/輸出滯后時(shí)間：又稱(chēng)為系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。是指PLC的外部輸入變化到輸出在控制下變化的時(shí)間間隔。一般為幾至幾十毫秒。五、S7-200系列PLC德國(guó)西門(mén)子PLC的分類(lèi)：S7、M7、C7等幾大系列。S7系列中S7-200是針對(duì)低性能要求的整體式微型PLC。S7-300是針對(duì)中等性能要求的中小型PLC，最多可擴(kuò)展32個(gè)模塊。S7-400是針對(duì)高性能要求的大型PLC，可擴(kuò)展300多個(gè)模塊。S7-200是屬于整體式結(jié)構(gòu)，其將CPU模塊、I/O模塊和電源裝在一個(gè)箱型機(jī)殼內(nèi)。S7-200還可配備許多專(zhuān)用的特殊功能模塊，例如模擬量輸入/輸出模塊、熱電偶和熱電阻模塊、通信模塊等，從而擴(kuò)展PLC的功能。1、S7-200系列PLC

s7-200有5種CPU模塊，各CPU模塊的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)下表功能型號(hào)數(shù)字I/O模擬I/O可擴(kuò)展模塊數(shù)PID控制器RS-485通信/編程PPI/MPI協(xié)議獨(dú)立的高速計(jì)數(shù)器獨(dú)立高速脈沖輸出CPU2216/4

無(wú)

無(wú)

無(wú)

1個(gè)有

無(wú)CPU2228/6

無(wú)2個(gè)模塊78數(shù)字I/O10路模擬I/O

有

1個(gè)有4～30kHz高速計(jì)數(shù)2～20kHz高速脈沖輸出CPU22414/10無(wú)7個(gè)模塊168數(shù)字I/O35路模擬I/O

有

1個(gè)有6～30kHz高速計(jì)數(shù)2～20kHz高速脈沖輸出CPU224XP14/102輸入1輸出7個(gè)模塊168路數(shù)字I/O38路模擬I/O自整定PID功能

2個(gè)有6～100kHz高速計(jì)數(shù)2～100kHz高速脈沖輸出CPU226(CPU226XM)24/16

無(wú)7個(gè)模塊248路數(shù)字I/O35路模擬I/O

有

2個(gè)有6～30kHz高速計(jì)數(shù)2～20kHz高速脈沖輸出2、輸入/輸出信號(hào)類(lèi)型

4種CPU模塊都有晶體管輸出和繼電器輸出類(lèi)型，具有不同的電源電壓和控制電壓。各種CPU模塊的輸出類(lèi)型見(jiàn)下表。3、數(shù)字量擴(kuò)展模塊輸入有24VDC和230VAC兩種，輸出有24VDC和繼電器等型。S7-200有三種數(shù)字量擴(kuò)展模塊：輸入擴(kuò)展模塊EM221（3種類(lèi)型）、輸出擴(kuò)展模塊EM222（5種類(lèi)型）、輸入/輸出擴(kuò)展模塊EM223（6種類(lèi)型）。4、模擬量擴(kuò)展模塊與熱電偶熱電阻擴(kuò)展模塊模擬量模塊的作用：A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換。S7-200有三種模擬量擴(kuò)展模塊：EM231CN、EM232CN、EM235CNEM231CN：4路12位模擬量輸入、2路熱電阻輸入、4路15位熱電偶輸入。EM232CN：2路12位模擬量輸出。EM235CN：4路12位模擬量輸入/1路12位模擬量輸出。模擬量輸入模塊有多種量程（與模塊型號(hào)有關(guān)），用模塊上的DIP開(kāi)關(guān)設(shè)置量程。模擬量輸入模塊單極性全量程輸入范圍對(duì)應(yīng)的數(shù)字量輸出為0～32000，雙極性全量程輸入范圍對(duì)應(yīng)的數(shù)字量輸出為-32000～32000。12位數(shù)據(jù)最高位為符號(hào)位，0為正數(shù)，1是負(fù)數(shù)。圖2-10模擬量輸入數(shù)據(jù)字的格式

相當(dāng)于轉(zhuǎn)換數(shù)值被乘以8相當(dāng)于轉(zhuǎn)換數(shù)值被乘以16模擬量輸出模塊的量程有10V和0～20mA兩種,對(duì)應(yīng)的數(shù)字量分別為?32000~+32000和0~+32000.滿(mǎn)量程時(shí)電壓輸出分辨率為12位，電流分辨率為11位。最高位為符號(hào)位，0為正數(shù)，1是負(fù)數(shù)。最大驅(qū)動(dòng)能力：電壓輸出時(shí)負(fù)載電阻最小5KΩ，電流輸出時(shí)負(fù)載電阻最大500Ω。熱電偶熱電阻擴(kuò)展模塊EM231熱電偶熱電阻擴(kuò)展模塊可用于J、K、E、N、S、T和R型熱電偶，模塊輸出15位加符號(hào)位的二進(jìn)制數(shù)。5、特殊功能模塊

S7-200系統(tǒng)還提供了一些特殊功能模塊，用于完成特定的任務(wù)。6、通信模塊

EM277：Profibus-DP從站通信模塊；

EM241：調(diào)制解調(diào)器（Modem）通信模塊；

CP243-1:工業(yè)以太網(wǎng)通信模塊；

CP243-2：AS-i主站模塊。六、PLC的I/O地址分配與外部接線1、本機(jī)I/O口和擴(kuò)展模塊的地址分配

S7-200有一定數(shù)量的I/O，并且I/O有固定的地址，可以直接訪問(wèn)，當(dāng)系統(tǒng)增加擴(kuò)展模塊后擴(kuò)展模塊的地址分配如下：

1）同類(lèi)型輸入或輸出點(diǎn)的模塊按順序編址。

2）對(duì)于數(shù)字量，輸入/輸出映像寄存器的單位長(zhǎng)度為8位（1個(gè)字節(jié)），本模塊