《S7-1500PLC應(yīng)用技術(shù)》 課件 第1、2章 PLC概述、S7-1500 PLC硬件系統(tǒng)

《S7-1500PLC應(yīng)用技術(shù)》Date:

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1第1章PLC概述2Date:

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1PLC的概念及應(yīng)用PLC的分類與產(chǎn)品介紹PLC系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)的比較1.1

PLC的概念及應(yīng)用3Date:

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1PLC的產(chǎn)生1968年，美國最大的汽車制造商-通用汽車公司

(GM公司)，為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，提出要用一種新型的工業(yè)控制器取代繼電接觸器控制裝置。第二年，美國數(shù)字設(shè)備公司

(DEC公司)研制出了第一臺可編程序控制器，并在美國通用汽車公司的自動裝配線上試用成功，取得滿意的效果，可編程序控制器自此誕生。1.1

PLC的概念及應(yīng)用PLC的定義期的可編程序控制器稱為Programmable

Logic

Controller（可編程邏輯控制器），簡稱PLC。國際電工委員會（IEC）對PLC的定義是：可編程序控制器是一種專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字的或模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程，是工業(yè)控制的核心部分?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計。4Date:

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11.1

PLC的概念及應(yīng)用5Date:

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1PLC的發(fā)展上世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持在30%-40%。這一時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力等方面得到大幅度提高，同時PLC逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些方面逐步取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的集散控制系統(tǒng)（DCS）。目前，世界上有200多廠家生產(chǎn)300多個品種的PLC產(chǎn)品，應(yīng)用在汽車、糧食加工、化學(xué)、制藥、金屬、礦山和造紙等許多行業(yè)。1.1

PLC的概念及應(yīng)用6Date:

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1PLC的特點1）抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高硬件方面，PLC采用大規(guī)模和超大規(guī)模的集成電路，采用了隔離、濾波、屏蔽、接地等抗干擾措施，以及隔熱、防潮、防塵、抗振等措施。軟件上，PLC采用周期掃描工作方式，減少了由于外界環(huán)境干擾引起的故障；并在系統(tǒng)程序中設(shè)有故障檢測和自診斷程序，能對系統(tǒng)硬件電路等故障實現(xiàn)檢測和判斷；以及采用數(shù)字濾波等抗干擾措施。1.1

PLC的概念及應(yīng)用7Date:

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1PLC的特點2）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、使用方便在PLC控制系統(tǒng)中，只需在PLC的輸入/輸出端子上接入相應(yīng)的信號線，用于采集輸入信號和驅(qū)動負(fù)載，無需連接時間繼電器、中間繼電器之類的電壓電器和大量復(fù)雜的硬件接線，大大簡化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。PLC體積小、質(zhì)量輕，安裝與維護(hù)也極為方便。另外PLC的編程大多采用類似于繼電接觸器控制線路的梯形圖形式，這種編程語言形象直觀、容易掌握，編程非常方便。1.1

PLC的概念及應(yīng)用8Date:

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1PLC的特點3）功能強(qiáng)大、通用性好PLC內(nèi)部有大量可供用戶使用的編程元件，具有很強(qiáng)的功能，可以實現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。另外

PLC的產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件模塊或裝置供用戶使用，用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的控制系統(tǒng)。1.1

PLC的概念及應(yīng)用9Date:

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1PLC的應(yīng)用1）邏輯控制通過“與”、“或”、“非”等邏輯指令的組合，代替繼電器進(jìn)行組合邏輯控制、定時控制與順序邏輯控制，這是PLC最初能完成的基本功能。例如印刷機(jī)、注塑機(jī)、組合機(jī)床、電鍍流水線和電梯控制等。1.1

PLC的概念及應(yīng)用10Date:

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1PLC的應(yīng)用領(lǐng)域2）運(yùn)動控制PLC可以使用專用的運(yùn)動控制模塊，對步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸的位置進(jìn)行控制。PLC把描述位置的數(shù)據(jù)傳給模塊，使其輸出移動一軸或多軸到目標(biāo)位置。每個軸移動時，位置控制模塊保持適當(dāng)?shù)乃俣群图铀俣龋_保運(yùn)動平滑。例如應(yīng)用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人和電梯等場合。1.1

PLC的概念及應(yīng)用11Date:

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1PLC的應(yīng)用領(lǐng)域3）過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的控制。對于溫度、壓力、流量等模擬量，PLC提供有模數(shù)（A/D）和數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換通道或模塊，使PLC可以很方便的處理這些模擬量；PLC還提供了PID功能指令，可以很方便的進(jìn)行閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)過程控制。1.1

PLC的概念及應(yīng)用12Date:

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1PLC的應(yīng)用領(lǐng)域4）聯(lián)網(wǎng)和通訊功能PLC能與計算機(jī)、PLC及其他智能裝置聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，使設(shè)

備級的控制、生產(chǎn)線的控制、工廠管理層的控制連成一個整體，支持多廠商、多品牌的產(chǎn)品和設(shè)備作為分布式控制系統(tǒng)的一部分，形成控制自動化與管理自動化的有機(jī)集成，從而創(chuàng)造更高的企業(yè)效益。1.2

PLC的分類與產(chǎn)品介紹13Date:

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1PLC的分類1）按PLC的點數(shù)分類根據(jù)PLC及可擴(kuò)展的輸入輸出點數(shù)，可以將PLC分為小型、中型和大型三類，由于PLC種類、系統(tǒng)使用的規(guī)模不同及PLC本身的發(fā)展，各廠家、各行業(yè)對PLC小型、中型

和大型點數(shù)的劃分不盡相同。小型PLC的輸入輸出點數(shù)一般在256點以下；中型PLC的輸入輸出點數(shù)一般在256～2048個點；大型PLC的輸入輸出點數(shù)一般在2048點以上。1.2

PLC的分類與產(chǎn)品介紹14Date:

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1PLC的分類2）按PLC的結(jié)構(gòu)分類按PLC的結(jié)構(gòu)分類，PLC可分為整體式和模塊式。整體式PLC將電源、CPU、存儲器、I/O系統(tǒng)都集中在一個小箱體內(nèi)，小型PLC多為整體式PLC；模塊式PLC是按功能分成若干模塊，如電源模塊、CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊等，再根據(jù)系統(tǒng)要求，組合不同的模塊，形成不同用途的PLC，大中型的PLC多為模塊式PLC。1.2

PLC的分類與產(chǎn)品介紹PLC的分類2）按PLC的結(jié)構(gòu)分類15Date:

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11.2

PLC的分類與產(chǎn)品介紹16Date:

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1PLC的主要產(chǎn)品目前全球PLC生產(chǎn)廠家有200多家，市場占有率較高的有德國的西門子（SIEMENS）、法國的施耐德（SCHNEIDER）、TE（Telemecanique）；美國的羅克韋爾（Rockwell）、通用（GE）；日本的三菱（MITSBISHI）、歐姆龍（OMRON）、松下電器（Panasonic）、富士電機(jī)（FUJI）等品牌。1.2

PLC的分類與產(chǎn)品介紹PLC的主要產(chǎn)品17Date:

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11.2

PLC的分類與產(chǎn)品介紹18Date:

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1西門子S7系列PLC西門子S7系列PLC目前市場上有S7-200

SMART/1200/300/400/1500等系列產(chǎn)品。PLC的老產(chǎn)品組要包括S7-200SMART、S7-300及S7-400

CPU，CPU至少包含一個RS485通信接口，可用于程序上傳、下載和與其他智能設(shè)備的串口通信。S7-1200、S7-1500是西門子公司主推的新一代PLC產(chǎn)品，是SIMATIC

PLC

產(chǎn)品家族中的旗艦產(chǎn)品，CPU模塊采用網(wǎng)絡(luò)接口，可用于程序上傳、

下載和與其他智能設(shè)備的工業(yè)以太網(wǎng)通信，采用TIA

Portal軟件編程。1.3

PLC系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理PLC系統(tǒng)基本構(gòu)成19Date:

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1PLC工作原理1.3

PLC系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理20Date:

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1PLC的工作原理1.3

PLC系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理PLC的本質(zhì)是一種工業(yè)控制計算機(jī)，其功能是從輸入設(shè)備接收信號，根據(jù)用戶程序的邏輯運(yùn)算結(jié)果，輸出信號去控制外圍設(shè)備的整個控制流程。21Date:

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11.3

PLC系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理22Date:

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1PLC的工作原理一般來說，當(dāng)PLC運(yùn)行后，其工作過程可分為輸入采樣階

段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段，完成上述3個階段即稱為一個掃描周期。Date:

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1231.3

PLC系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理PLC的工作原理輸出刷新CPU在啟動或新一個掃描周期開始時，會將初始值或程序執(zhí)行后的結(jié)果，通過過程映像輸出區(qū)（PIQ）輸出到輸出模塊；輸出模塊輸出信號驅(qū)動外部負(fù)載。輸入采樣輸出刷新后，CPU將輸入模塊各端子的狀態(tài)讀入到過程映像輸入?yún)^(qū)（PII）中，此時，過程映像輸入?yún)^(qū)的數(shù)值被更新，接著進(jìn)入程序執(zhí)行階段程序執(zhí)行階段在程序執(zhí)行階段，用戶程序只能訪問過程映像區(qū)的數(shù)據(jù)，并不能訪問IO模塊的端口，因此無論外部輸入、輸出端子信號怎么變化，過程映像區(qū)的內(nèi)容保持不變；直到下一個掃描周期的輸入采樣階段才會將新內(nèi)容重新寫入。1.4

PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)的比較24Date:

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1繼電接觸器控制是采用硬件和接線來實現(xiàn)的，它通過選用合適的分立元件（接觸器、主令電器、各類繼電器等），然后按照控制要求采用導(dǎo)線將觸點相互連接，從而形成并實現(xiàn)既定的邏輯控制；如控制要求改變，硬件構(gòu)成及接線都需相應(yīng)調(diào)整。PLC系統(tǒng)采用程序?qū)崿F(xiàn)控制，其控制邏輯是以程序方式存儲在內(nèi)存中，系統(tǒng)要完成的控制任務(wù)是通過執(zhí)行存放在存儲器中的程序來實現(xiàn)的；如控制要求改變，硬件電路連接可不用調(diào)整或簡單改動，主要通過改變程序即可，也稱“軟接線”。1.4

PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)的比較以電動機(jī)星-三角降壓起動控制為例：1）J-C控制系統(tǒng)25Date:

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11.4

PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)的比較以電動機(jī)星-三角降壓起動控制為例：2）PLC控制系統(tǒng)26Date:

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11.4

PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)的比較27Date:

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11.4

PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)的比較28Date:

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129Date:

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1可編程序控制器是在

控制系統(tǒng)上發(fā)展而來。PLC主要由

、

、

和

組成。輸入映像寄存器的作用是什么？簡述PLC的掃描工作過程。PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)在運(yùn)行方式上有何不同？思考與練習(xí)《S7-1500PLC應(yīng)用技術(shù)》Date:

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1第

2

章

S7-1500

PLC硬件系統(tǒng)31Date:

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1S7-1500PLC系統(tǒng)介紹CPU模塊電源模塊信號模塊通信模塊CPU的操作模式2.1

S7-1500PLC系統(tǒng)介紹SIMATIC產(chǎn)品定位32Date:

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12.1

S7-1500PLC系統(tǒng)介紹33Date:

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1SIMATIC產(chǎn)品定位SIMATIC

S7-1500控制器集成了通信和工藝功能，適用于小型自動化解決方案；SIMATICS7-1500控制器中包含有S7-1500控制器的諸多功能，非常適合具有高復(fù)雜性和高系統(tǒng)性能要求的工廠自動化解決方案，可滿足系統(tǒng)性能、靈活性和網(wǎng)絡(luò)功能等方面的嚴(yán)苛要求。SIMATIC

ET200

CPU是一款兼?zhèn)銼7-1500突出性能與ET

200SP

I/O

（分布式模塊）簡單易用、身形小巧于一身的分布控制器，為對機(jī)柜空間大小有要求或者分布式控制應(yīng)用提供了完美解決方案。SIMATIC

S7-1500軟件控制器采用Hypervisor(又稱虛擬機(jī)監(jiān)視器，virtual

machinemonitor，縮寫為VMM）技術(shù)，在安裝到SIEMENS工控機(jī)后，將工控機(jī)的硬件資源虛擬成兩套硬件，其中一套運(yùn)行Windows系統(tǒng)，另一套運(yùn)行S7-1500

PLC實時系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)并行運(yùn)行，通過SIMATIC通信的方式交換數(shù)據(jù)。如果要提高系統(tǒng)可用性，可使用冗余系統(tǒng)S7-1500R/H，其系統(tǒng)中有兩個CPU（主CPU和備用CPU）會并行處理用戶程序，并永久地同步所有相關(guān)數(shù)據(jù)；如果主CPU發(fā)生故障，則備用CPU將在中斷處接管過程控制。如果在控制柜外使用，可選擇CPU1513pro-2PN和CPU1516pro-2PN控制器，該類控制器采用ET200pro設(shè)計形式且防護(hù)等級高達(dá)IP65/IP67。2.1

S7-1500PLC系統(tǒng)介紹S7-1500PLC系統(tǒng)構(gòu)成34Date:

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12.1

S7-1500PLC系統(tǒng)介紹35Date:

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1S7-1500PLC系統(tǒng)構(gòu)成CPU模塊：分為標(biāo)準(zhǔn)型、緊湊型、故障安全型或工藝型；信號模塊(I/O)：也叫輸入/輸出模塊，包括數(shù)字量I/O模塊和模擬量I/O模塊；通信模塊:包括PROFINET/Ethernet通信、PROFIBUS通信、PtP通信等模塊；工藝模塊：包括計數(shù)、位置檢測、稱重、步進(jìn)驅(qū)動控制等模塊；電源模塊（可選）：包括負(fù)載流電源和系統(tǒng)電源模塊。2.2

CPU模塊CPU分類標(biāo)準(zhǔn)型緊湊型安全型工藝型36Date:

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12.2

CPU模塊CPU結(jié)構(gòu)37Date:

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12.2

CPU模塊CPU結(jié)構(gòu)38Date:

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12.2

CPU模塊CPU結(jié)構(gòu)39Date:

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12.2

CPU模塊CPU結(jié)構(gòu)40Date:

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12.2

CPU模塊模塊安裝及接線41Date:

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12.2

CPU模塊固件更新概念固件（Firmware）相當(dāng)于智能設(shè)備的操作系統(tǒng)，智能設(shè)備功能的更新以及一些錯誤的更正可通過固件版本的升級來實現(xiàn)。S7-1500系

統(tǒng)中CPU、顯示屏、分布式I/O站等模塊都可進(jìn)行固件更新。需要更新的固件可以從西門子公司網(wǎng)站下載，不同的模塊有不同的固件和版本號。42Date:

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12.2

CPU模塊固件更新概念固件更新是將固件更新到相應(yīng)訂貨號可用的最新版本，之前的固件版本可用作備份，方便用戶降級為原始版本，固件的最新版本適用于該訂貨號的所有版本。43Date:

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12.2

CPU模塊44Date:

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1固件更新方法通過STEP7(TIA

Portal)軟件在線進(jìn)行固件更新；通過SIMATIC存儲卡（STEP7，TIA-Portal）進(jìn)行離線固件更新。2.3

電源模塊帶有電源模塊的PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)S7-1500PLC系統(tǒng)電源模塊分為兩種：負(fù)載電源(PM)、系統(tǒng)電源(PS)。45Date:

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12.3

電源模塊負(fù)載電源（PM）PM模塊為S7-1500模塊的輸入輸出電路及傳感器、執(zhí)行器等器件提供電源；此外，在某些情況下還需要使用PM模塊為CPU和PS提供24VDC電源。46Date:

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12.3

電源模塊系統(tǒng)電源（PS）PS模塊連接到背板總線（U型連接器）并專為背板總線提供內(nèi)部所需的系統(tǒng)電壓，系統(tǒng)電源為系統(tǒng)的各個模塊提供電源。如果CPU或接口模塊未連接到24VDC負(fù)載電源時，PS

模塊還可以為其供電。47Date:

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12.4

信號模塊48Date:

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1模塊的類型信號模塊（Signal

Module）是CPU與現(xiàn)場設(shè)備之間的接口，分為輸入模塊和輸出模塊。通過輸入模塊將現(xiàn)場輸入變量采集并傳送到CPU進(jìn)行計算和邏輯處理，然后將CPU邏輯運(yùn)算結(jié)果和控制指令通過輸出模塊輸出并控制外部設(shè)備運(yùn)行的目的。外部信號主要包括數(shù)字量信號和模擬量信號，因此信號模塊按照信號類型可以分為數(shù)字量模塊和模擬量模塊。例如,在電動機(jī)啟停控制電路中，啟動按鈕、停止按鈕等開關(guān)量接入PLC的數(shù)字量輸入通道，為數(shù)字量輸

入信號；接觸器（或繼電器）線圈接入PLC的數(shù)字量輸出通道，為數(shù)字

量輸出信號。2.4

信號模塊模塊的類型，例如：49Date:

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12.4

信號模塊數(shù)字量輸入模塊50Date:

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12.4

信號模塊數(shù)字量輸入模塊模塊技術(shù)特性如下：1）16路數(shù)字量輸入，以4個為一組進(jìn)行電氣隔離；額定輸入電壓120/230V

AC；通道適用于連接開關(guān)以及2、3、4線AC型接近開關(guān)（交流電壓）。51Date:

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12.4

信號模塊數(shù)字量輸出模塊52Date:

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12.4

信號模塊數(shù)字量輸出模塊模塊技術(shù)特性如下：1）16個數(shù)字量輸出，按每組8個進(jìn)行電氣隔離額定輸出電壓24VDC每個通道的額定輸出電流0.5A可組態(tài)替代值（按通道）可組態(tài)診斷（按通道）適用于電磁閥、直流接觸器和指示燈可記錄所連執(zhí)行器的開關(guān)周期，例如電磁閥的開關(guān)周期。53Date:

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12.4

信號模塊模擬量輸入模塊54Date:

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12.4

信號模塊模擬量輸入模塊AI

8xU/I

HS模塊

具有下列技術(shù)特性：1）具有8個模擬量輸入通道；可以按通道設(shè)置為電壓或電流測量類型；2）16位精度（包括符號）；可組態(tài)診斷（每個通道）；可按通道設(shè)置超限時的硬件中斷（每個通道設(shè)置2個下限和2個上限）；高速更新測量值。55Date:

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12.4

信號模塊模擬量輸入模塊電流測量：無論2線制還是4線制測量方式，與模塊的連接都是2根線，區(qū)別在于模塊是否供電56Date:

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12.4

信號模塊模擬量輸入模塊57Date:

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12.4

信號模塊模擬量輸出模塊58Date:

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12.4

信號模塊模擬量輸出模塊AQ

4xU/I

ST模塊技術(shù)特性如下：1）4個模擬量輸出通道；可選擇電壓或電流輸出的通道；2）精度：16位（含符號）；可組態(tài)診斷（每個通道）。59Date:

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12.4

信號模塊模擬量輸出模塊60Date:

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12.4

信號模塊模擬量輸出模塊61Date:

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12.4

信號模塊模擬量輸出模塊信號模塊在DIN導(dǎo)軌上的安裝步驟：①在CPU模塊和信號模塊右側(cè)安裝U型連接器；②信號模塊鉤掛在安裝導(dǎo)軌上，并將其滑動至左側(cè)的CPU模塊；③向后旋動I/O模塊；與CPU模塊的U型連接器相連；④擰緊固定螺釘（扭矩為1.5Nm）62Da