西門子S7-1500 PLC技術(shù)及應(yīng)用 課件 第1章 可編程控制器基礎(chǔ)

點擊此處結(jié)束放映電子教案《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》第1章

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可編程控制器概述1.1可編程控制器的工作原理1.2《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》點擊此處結(jié)束放映可編程控制器硬件基礎(chǔ)1.3

可編程控制器概述1.1點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》點擊此處結(jié)束放映

可編程控制器的英文名稱是ProgrammableController，早期簡稱PC，后來為了與個人計算機（PC）區(qū)分，在行業(yè)中多稱之為ProgrammableLogicController，即可編程邏輯控制器，簡稱PLC，而這種稱呼又與可編程控制器的起源和它本身的特點有關(guān)?？删幊炭刂破魇且环N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)計的。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入或輸出，控制各類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制形成一個整體，易于擴充其功能的原則來設(shè)計。

《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》1.1.1可編程控制器的產(chǎn)生與發(fā)展點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》

1968年美國通用汽車公司（GM）為了適應(yīng)汽車型號的不斷更新，提出了著名的“GM十條”，向全球招標(biāo)新生產(chǎn)線。

1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)美國通用汽車公司提出的10項指標(biāo)，研制出第一臺控制器，型號為PDP-14，它的開創(chuàng)性意義在于引入了程序控制功能，為計算機技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了空間。

至上世紀(jì)70年代，PLC技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入成熟期。推動PLC技術(shù)發(fā)展的動力主要來自于兩個方面：其一是企業(yè)對高性能、高可靠性自動控制系統(tǒng)的客觀需要和追求；其次，電子與微處理器技術(shù)的高速發(fā)展，為PLC技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)并開拓了空間。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》PLC對高性能的追求主要體現(xiàn)在：

（1）向高集成、高性能、高速度，大容量發(fā)展。采用多CPU結(jié)構(gòu)、模塊化可擴展結(jié)構(gòu)、模擬量輸入輸出控制等。

（2）向普及化方向發(fā)展。價格便宜，體積小、重量輕、能耗低，很適合于單機自動化。

（3）向模塊化、智能化發(fā)展。獨立測控功能模塊、智能I/O模塊等。

（4）向軟件化發(fā)展。編程軟件可以對可編程序控制器控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)，即設(shè)置硬件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以及運行流程等。（5）向通信網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。通過串行通信接口或網(wǎng)絡(luò)通信模塊，實現(xiàn)上位計算機與可編程序控制器交換數(shù)據(jù)信息。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》1.1.2可編程控制器的特點

可編程控制器的產(chǎn)生是基于工業(yè)控制的需要，是面向工業(yè)控制領(lǐng)域的專用設(shè)備，它具有以下特點：CPU具備可靠性高，抗干擾能力強的特點；靈活性強，控制系統(tǒng)具有良好的柔性；編程方法簡單、語言直觀，使用方便；控制系統(tǒng)易于實現(xiàn)，開發(fā)工作量少，周期短；結(jié)構(gòu)清晰，維修方便；體積小，能耗低；功能強，性能價格比高

。

點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》1.1.3可編程控制器的組成及分類圖1-1PLC的基本組成部件

1.可編程控制器的組成PLC是一種工業(yè)控制用的專用計算機，其基本組成部件如圖1-1所示。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》

（1）中央處理器單元

中央處理單元（CentralProcessingUnit，簡稱CPU）是PLC的控制核心，負(fù)責(zé)完成邏輯運算、數(shù)字運算以及協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)各部分的工作。其主要功能有：

1）接收并存儲用戶程序和數(shù)據(jù)。

2）診斷電源故障、硬件故障以及用戶程序的語法錯誤。

3）通過輸入接口讀取輸入設(shè)備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并存儲到相應(yīng)的存儲區(qū)。

4）讀取用戶程序指令，循環(huán)解釋執(zhí)行用戶程序，完成邏輯運算、數(shù)字運算、數(shù)據(jù)傳遞、存儲等任務(wù)。

5）刷新輸出映像，將輸出映像內(nèi)容送至輸出單元。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》

（2）存儲器單元

按照存儲內(nèi)容的不同，存儲器單元分成系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。

1）系統(tǒng)程序存儲器用于存放PLC生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，系統(tǒng)程序在出廠時已經(jīng)被固化在PROM或EPROM中。這部分存儲區(qū)不對用戶開放，用戶程序不能訪問和修改。

2）用戶程序存儲器

可分為程序存儲區(qū)和數(shù)據(jù)存儲區(qū)，程序存儲器用于存放用戶編寫的控制程序，數(shù)據(jù)存儲區(qū)存放的是程序執(zhí)行過程中所需要的或者所產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》

（3）電源單元

電源單元將外界提供的電源轉(zhuǎn)換成PLC的工作電源后，提供給PLC。有些電源單元也可以作為負(fù)載電源，通過PLC的I/O接口向負(fù)載提供直流24V電源。

電源單元還提供掉電保護(hù)電路和后備電池電源，以維持部分RAM存儲器的內(nèi)容在外界電源斷電后不會丟失。在面板上通常有發(fā)光二極管（LCD）指示電源的工作狀態(tài)，便于判斷電源工作是否正常。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》4）輸入/輸出單元

PLC的輸入、輸出單元也叫I/O單元，對于模塊式的PLC來說，I/O單元以模塊形式出現(xiàn)，所以又稱為I/O模塊。

I/O單元是PLC與工業(yè)現(xiàn)場的接口，現(xiàn)場信號與PLC之間的聯(lián)系通過I/O單元實現(xiàn)。

工業(yè)現(xiàn)場的輸入和輸出信號包括數(shù)字量和模擬量兩類，因此I/O單元也有數(shù)字I/O和模擬I/O兩種，前者又稱為DI/DO，后者又稱為AI/AO。PLC的輸入、輸出單元還應(yīng)包括一些功能模塊，所謂功能模塊就是一些智能化了的輸入和輸出模塊。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》

5）其他接口單元I/O擴展接口。用于擴展輸入輸出點數(shù)。通信接口。通常集成有RS232或RS422口，用于與PLC、上位機、遠(yuǎn)程I/O、監(jiān)視器、編程器等外部設(shè)備相連。編程器接口。PLC本體通常是不帶編程器的，編程器接口是連接編程器的。存儲器接口。存儲器接口是為了擴展存儲區(qū)而設(shè)置的。其它外部設(shè)備接口。包括條碼讀入器的接口、打印機接口等等。PLC的I/O單元也屬于接口單元的范疇，它完成PLC與工業(yè)現(xiàn)場之間電信號的往來聯(lián)系。除此之外，PLC與其它外界設(shè)備和信號的聯(lián)系都需要相應(yīng)的接口單元，還應(yīng)該包括：點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》

2.可編程控制器的分類

（1）按結(jié)構(gòu)分類

PLC在結(jié)構(gòu)上主要有兩種類型：整體式和模塊式。整體式的PLC將CPU單元、存儲器單元、I/O單元、電源單元都集中安裝在一個箱體內(nèi)，是不可分的，稱為主機。主機上通常有編程接口和擴展接口，前者用于聯(lián)結(jié)編程器，后者用于連接擴展單元。整體式PLC又稱一體化的PLC、箱體式PLC等。

模塊式PLC是將各個功能單元制作成獨立的模塊，如CPU模塊、數(shù)字輸入模塊、數(shù)字輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、電源模塊以及其它特殊功能模塊和智能模塊，用戶根據(jù)控制需要選擇相應(yīng)的模塊，將其組裝在一起構(gòu)成完整的PLC。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》

（2）按控制規(guī)模分類

控制規(guī)模是PLC性能指標(biāo)之一，習(xí)慣上總是用數(shù)字量I/O點數(shù)的多少來衡量PLC系統(tǒng)規(guī)模的大小。目前關(guān)于控制規(guī)模的劃分方式并不統(tǒng)一，較為細(xì)致的劃分可以將PLC歸為微型機（數(shù)十點）、小型機（500點以下）、中型機（500點至上千點）、大型機（數(shù)千點）、超大型機（上萬點）等多種級別。也有粗略地劃分為小型機（256點以下）、中型機（256至2048點之間）、大型機（2048點以上）等級別的。

可編程控制器的工作原理1.2《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》可編程控制器是基于電子計算機的工業(yè)控制器，從PLC產(chǎn)生的背景來看，PLC系統(tǒng)與繼電-接觸器控制系統(tǒng)有著極深的淵源，因此可以比照著繼電器系統(tǒng)來學(xué)習(xí)PLC的工作原理。PLC是通過通用邏輯電路（硬件）和控制程序（軟件）的結(jié)合來實現(xiàn)傳統(tǒng)繼電器-接觸控制所謂“邏輯電路”的功能，用戶所編制的控制程序體現(xiàn)了特定的輸入輸出之間的邏輯關(guān)系。如圖1-3所示。圖1-3基于PLC的控制系統(tǒng)組成圖點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》如圖1-4所示為一個典型的傳統(tǒng)繼電-接觸器控制的電動機啟動/停止控制電路，由繼電器等元件組成。電路中有兩個輸入，圖1-4傳統(tǒng)電動機起動/停止控制電路1.2.1可編程控制器的等效電路分別為啟動按鈕（SB1）、停止按鈕（SB2）；接觸器KM作為輸出器件控制被控設(shè)備。圖中的輸入輸出邏輯關(guān)系由硬件連線實現(xiàn)。點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》與圖1-4邏輯電路等效的基于PLC的控制系統(tǒng)邏輯控制環(huán)節(jié)如圖1-5所示，需要注意的是PLC僅僅取代了傳統(tǒng)繼電-接觸器控制中的“邏輯電路”部分，而其它的環(huán)節(jié)任然保留不變，即主回路和必要的保護(hù)電路保持不變。圖1-5PLC等效電路點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》PLC的工作過程以循環(huán)掃描的方式進(jìn)行，當(dāng)PLC處于運行狀態(tài)時，它的運行周期可以劃分為3個基本階段：輸入采樣階段；PLC逐個掃描每個輸入端口，將所有輸入設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)保存到相應(yīng)的存儲區(qū)。程序執(zhí)行階段；在系統(tǒng)程序的指示下，CPU從用戶程序存儲區(qū)逐條讀取用戶指令，經(jīng)解釋后執(zhí)行相應(yīng)動作，產(chǎn)生相應(yīng)結(jié)果，刷新相應(yīng)的輸出映像寄存器，期間需要用到輸入映像寄存器、輸出映像寄存器的相應(yīng)狀態(tài)。輸出刷新階段。系統(tǒng)程序?qū)⑤敵鲇诚窦拇嫫髦械膬?nèi)容傳送到輸出鎖存器中，經(jīng)過輸出接口、輸出端子輸出，驅(qū)動外部負(fù)載。1.2.2可編程控制器的工作過程點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》

PLC工作過程的特點總結(jié)如下：PLC采用集中采樣、集中輸出的工作方式，這種方式減少了外界干擾的影響。PLC的工作過程是循環(huán)掃描的過程，循環(huán)掃描時間的長短取決于指令執(zhí)行速度、用戶程序的長度等因素。輸出對輸入的響應(yīng)有滯后現(xiàn)象。PLC采用集中采樣、集中輸出的工作方式，當(dāng)采樣階段結(jié)束后，輸入狀態(tài)的變化將要等到下一個采樣周期才能被接收，因此這個滯后時間的長短又主要取決于循環(huán)周期的長短。此外，還有硬件電路的滯后時間等。輸出映像寄存器的內(nèi)容取決于用戶程序掃描執(zhí)行的結(jié)果。輸出鎖存器的內(nèi)容，由上一次輸出刷新期間輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)決定。PLC當(dāng)前實際的輸出狀態(tài)，由輸出鎖存器的內(nèi)容決定。

點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》除了上面總結(jié)的6條外，需要補充說明的是，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較大，I/O點數(shù)眾多，用戶程序比較長時，單純采用上面的循環(huán)掃描工作方式會使系統(tǒng)的響應(yīng)速度明顯降低，甚至?xí)G失、錯漏高頻輸入信號，因此大多數(shù)大中型PLC在盡量提高程序指令執(zhí)行速度的同時，也采取了一些其它措施來加快系統(tǒng)響應(yīng)速度。例如采用定周期輸入采樣、輸出刷新，直接輸入采樣、直接輸出刷新，中斷輸入、輸出，或者開發(fā)智能I/O模塊，模塊本身帶有CPU，可以與主機的CPU并行工作，分擔(dān)一部分任務(wù)，從而加快整個系統(tǒng)的執(zhí)行速度。

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可編程控制器硬件基礎(chǔ)1.3點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》

I/O單元是組成PLC系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，本節(jié)以介紹I/O單元的硬件電路為主，在此基礎(chǔ)上簡單介紹PLC系統(tǒng)的硬件配置。應(yīng)當(dāng)說明的是，不同PLC在硬件的具體實現(xiàn)方案上總是有區(qū)別的，本節(jié)的任務(wù)是討論一般性的原理，而非某一具體型號的結(jié)構(gòu)特征。

PLC的輸入輸出部分，可以分為數(shù)字I/O（DI/DO）和模擬I/O（AI/AO）兩大類。1.3.1可編程控制器的I/O單元點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》

1.數(shù)字量I/O（DI/DO）

PLC一般總是將輸入、輸出分成若干組，每組共用一個輸入、輸出端口，下面分別介紹數(shù)字量輸入、輸出電路的具體形式。

（1）數(shù)字量輸入單元

數(shù)字量輸入電路有多種形式，能分別適用于直流和交流的數(shù)字輸入量。而在直流數(shù)字量的輸入電路中，根據(jù)具體的電路形式又有源型和漏型之別。圖1-6是漏型數(shù)字量輸入電路示意圖。圖1-7

帶整流橋的交流輸入電路示意圖圖1-6

漏型數(shù)字量輸入電路示意圖點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》

（2）數(shù)字量輸出單元

PLC的數(shù)字量輸出有三種形式：繼電器模式、晶體管模式、晶閘管模式，分別用于驅(qū)動不同形式的負(fù)載。圖1-8給出了繼電器輸出模式的原理圖，圖中的KA為輸出繼電器，它的線包由光耦驅(qū)動，而光耦的狀態(tài)取決于PLC內(nèi)部電路中的輸出鎖存器，繼電器輸出模式可以帶交流、直流兩種負(fù)載。圖1-8

繼電器輸出電路示意圖點擊此處結(jié)束放映《西門子S7-1500PLC技術(shù)及應(yīng)用》2.模擬量I/O（AI/AO）

PLC的模擬量I/O接口用于處理連續(xù)變化的電壓或電流信號，在過程控制領(lǐng)域以及數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)中用途極廣。

（1）模擬量輸入單元

傳感器將被控對象中連續(xù)變化的物理量送給PLC，PLC的模擬量輸入單元將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，CPU可對其進(jìn)行運算處理。因此，模擬量輸入單元的核心部件是A/D轉(zhuǎn)換器，對于多路輸入的模塊，需要多路開關(guān)配合