可编程控制器(硬件结构和工作原理)

1、第一章第一章 概述概述1、硬件结构和工作原理、硬件结构和工作原理 学习内容学习内容 PLC的组成模块的组成模块 PLC的工作原理的工作原理 PLC的扩展模块的扩展模块 S7-200的扩展和编址的扩展和编址 教学要求教学要求 了解了解PLC的组成模块和扩展模块的组成模块和扩展模块 掌握掌握 PLC的工作原理（重点）的工作原理（重点） 熟练掌握熟练掌握PLC的扩展和编址（重点、难点）的扩展和编址（重点、难点） PLC PLC的结构组成及工作原理的结构组成及工作原理硬件硬件软件软件系统程序系统程序用户程序用户程序 PLC由三个基本部分组成：由三个基本部分组成：、。基本结构示意图参见图。基本结构示意图

2、参见图5-1所示。所示。图5-1 PLC的基本组成框图外部设备外部设备现场用户输出设备现场用户输出设备微处理器（微处理器（CPU）运算器运算器控制器控制器输输出出部部件件输输入入部部件件系系统统存存储储器器用用户户存存储储器器I/O扩扩展展接接口口通通讯讯及及编编程程接接口口编程设备编程设备计算机计算机打印机等打印机等传感器传感器按钮、开关按钮、开关现场信号现场信号电磁阀电磁阀中间继电器中间继电器执行器执行器现场用户输入设备现场用户输入设备扩展设备扩展设备扩展单元扩展单元通讯模块通讯模块功能模块功能模块电源变换器电源变换器110V/220V市电市电PLC基本单元基本单元PLC系统结构示意图系统

3、结构示意图输入部分：输入部分：是指各类按钮、行程开关、传感器等接口电路，它收集并保存是指各类按钮、行程开关、传感器等接口电路，它收集并保存来自被控对象的各种开关量、模拟量信息和来自操作台的命令信息等。来自被控对象的各种开关量、模拟量信息和来自操作台的命令信息等。逻辑处理部分：逻辑处理部分：用于处理输入部分取得的信息，按一定的逻辑关系进行运用于处理输入部分取得的信息，按一定的逻辑关系进行运算，并把运算结果以某种形式输出。算，并把运算结果以某种形式输出。输出部分：输出部分：是指驱动各种电磁线圈、交是指驱动各种电磁线圈、交/直流接触器、信号指示灯等执行元直流接触器、信号指示灯等执行元件的接口电路，它

4、向被控对象提供动作信息。件的接口电路，它向被控对象提供动作信息。 不同厂家不同类型的不同厂家不同类型的PLC指令系统的指令符号、指令内容、指令条数也指令系统的指令符号、指令内容、指令条数也是不同是不同；关于；关于软器件和软器件和I/O口的相应规定也不一样口的相应规定也不一样。虽然。虽然PLC方方面面都有方方面面都有很多不同，但是这种装置都称为可编程序控制器，它们在基本内涵上一定很多不同，但是这种装置都称为可编程序控制器，它们在基本内涵上一定同多异少。同多异少。CPU开关量I/O接口RAM 、 ROM 模拟量I/O接口EPROM/ E2ROM通迅接口编程器电源 PLC组成的原理框图 CPU CP

5、U 存储器存储器 I/O I/O部分部分 编程器编程器 电源电源v微处理器（微处理器（CPUCPU）接收并存储用户程序和数据；接收并存储用户程序和数据；诊断电源、诊断电源、PLCPLC工作状态及编程的语法错误；工作状态及编程的语法错误；接收输入信号，送入数据寄存器并保存；接收输入信号，送入数据寄存器并保存；运行时顺序读取、解释、执行用户程序，完成用户运行时顺序读取、解释、执行用户程序，完成用户 程序的各种操作；程序的各种操作；将用户程序的执行结果送至输出端。将用户程序的执行结果送至输出端。 v系统存储器系统存储器系统程序存储器系统程序存储器+系统数据存储器系统数据存储器存放系统工作程序（监控程

6、序）；存放系统工作程序（监控程序）；存放模块化应用功能子程序；存放模块化应用功能子程序；存放命令解释程序；存放命令解释程序；存放功能子程序的调用管理程序；存放功能子程序的调用管理程序；存放存储系统参数。存放存储系统参数。v用户存储器用户存储器RAM/EPROM/E2PROM存放用户工作程序；存放用户工作程序；存放工作数据。存放工作数据。v输入单元输入单元带光电隔离电路带光电隔离电路多种辅助电源类型：多种辅助电源类型：ACAC电源电源DC24VDC24V输入输入 DCDC电源电源DC24VDC24V输入输入 DCDC电源电源DC12VDC12V输入输入接收开关量及数字量信号（数字量输入单元）；接

7、收开关量及数字量信号（数字量输入单元）；接收模拟量信号（模拟量输入单元）；接收模拟量信号（模拟量输入单元）；接收按钮或开关命令（数字量输入单元）；接收按钮或开关命令（数字量输入单元）；接收传感器输出信号。接收传感器输出信号。(1)实现现场与PLC主机的电气隔离，以提高抗干扰性。(2)避免外部强电侵人主机而损坏主机。 (3)电平变换，光电耦合器将现场各种开关信号变换成PLC主机要求的标准逻辑电平。1-2-2、I/O模块模块 输入模块（输入模块（A) 直流输入电路直流输入电路 输入模块输入模块(B) 交流输入电路交流输入电路v输出单元输出单元带光电隔离器及滤波器带光电隔离器及滤波器多种输出方式多种

8、输出方式：晶体管：晶体管 晶闸管晶闸管 继电器继电器驱动直流负载（晶体管输出单元）；驱动直流负载（晶体管输出单元）；驱动非频繁动作的交驱动非频繁动作的交/ /直流负载（继电器输出单元）；直流负载（继电器输出单元）；驱动频繁动作的交驱动频繁动作的交/ /直流负载（晶闸管输出单元）。直流负载（晶闸管输出单元）。1-2-2、I/O模块模块继电器输出电路继电器输出电路晶体管（场效应管）输出电路晶体管（场效应管）输出电路无触点输出方式，用于高频小功无触点输出方式，用于高频小功率直流负载率直流负载双向晶闸管输出电路双向晶闸管输出电路无触点输出方式，用于高频大功无触点输出方式，用于高频大功率交流负载率交流负

9、载v通讯及编程接口通讯及编程接口采用采用或或RS-422RS-422串行总串行总线线连接专用编程器连接专用编程器；连接个人电脑（连接个人电脑（PCPC），实现编程及在线监控；），实现编程及在线监控；连接工控机，实现编程及在线监控；连接工控机，实现编程及在线监控；连接网络设备（如调制解调器），实现远程通讯；连接网络设备（如调制解调器），实现远程通讯；连接打印机等计算机外设。连接打印机等计算机外设。vI/OI/O扩展接口扩展接口采用并行通讯方式采用并行通讯方式扩展扩展I/OI/O模块模块；扩展位置控制模块；扩展位置控制模块；扩展通讯模块；扩展通讯模块；扩展模拟量控制模块。扩展模拟量控制模块。系统监

10、控程序系统监控程序 运行管理运行管理 生成用户元件生成用户元件系统内部自检系统内部自检管理程序管理程序 解释程序解释程序标准程序模块、系统调用标准程序模块、系统调用用户程序用户程序自动化系统控制程序自动化系统控制程序数据表格数据表格软件系统软件系统1-2-3、工作方式、工作方式 RUN（运行）方式（运行）方式 执行用户程序实现控制功能执行用户程序实现控制功能 STOP(停止）方式停止）方式 不执行用户程序不执行用户程序 创建和编辑用户程序，设置创建和编辑用户程序，设置PLC的硬件信息的硬件信息 下载用户程序和下载用户程序和PLC的硬件信息的硬件信息 工作方式的切换工作方式的切换 利用方式开关利

11、用方式开关 利用编辑软件利用编辑软件 利用程序指令利用程序指令 循环扫描方式循环扫描方式; ; 当当PLC处于运行状态时，运行周期可以划分为处于运行状态时，运行周期可以划分为3个基本阶个基本阶段：段：1-2-3、工作原理、工作原理 循环扫描方式循环扫描方式; ; 当当PLC处于运行状态时，运行周期可以划分为处于运行状态时，运行周期可以划分为5个基本阶个基本阶段：段：1-2-3、工作原理、工作原理内部内部处理处理与编程器与编程器等的处理等的处理 输入刷新阶段-CPU从输入电路的输出端读出各路状态，并将其写入输入映像寄存器；X0X1X0Y0Y0Y1读读写写Y0Y1读读写写 注意注意： 对于小型对于

12、小型PLC: I/O点数较少、用户程序点数较少、用户程序较短一般采用较短一般采用的工作的工作方式方式 对于大中型对于大中型PLC: I/O点数较多，控制功能点数较多，控制功能强，用户程序较长，为提高系统响应速度，强，用户程序较长，为提高系统响应速度，采用采用或以及采用智能以及采用智能I/O接口等多种方式接口等多种方式 循环扫描方式循环扫描方式; ; 当当PLC处于停止状态时，运行可以划分为处于停止状态时，运行可以划分为4 4个基本阶段：个基本阶段：1-2-3、工作原理、工作原理改写改写输出输出读取读取输入输入 读取输入读取输入 每个扫描周期的开始，先对各数字量输入点的当前状态进行输入扫描，并每

13、个扫描周期的开始，先对各数字量输入点的当前状态进行输入扫描，并 将各扫描结果分别写入对应的映像寄存器中将各扫描结果分别写入对应的映像寄存器中 外接电源闭合，对应的映像寄存器为外接电源闭合，对应的映像寄存器为1；对应梯形图中的常开触点接通，常；对应梯形图中的常开触点接通，常 闭触点断开闭触点断开 外接电路断开，对应的映像寄存器为外接电路断开，对应的映像寄存器为0；对应梯形图中的常开触点断开，常；对应梯形图中的常开触点断开，常 闭触点接通闭触点接通 执行用户程序执行用户程序 执行程序时，对输入输出的存取通常是通过映像寄存器实现的。执行程序时，对输入输出的存取通常是通过映像寄存器实现的。 在程序执行

14、阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器 转台也不会发生变化。变化的输入信号状态只有在下一个扫描周期的读取输转台也不会发生变化。变化的输入信号状态只有在下一个扫描周期的读取输 入阶段才能被读入入阶段才能被读入1-2-4、扫描过程、扫描过程 中断程序的处理中断程序的处理 如果在程序中使用了中断，则与处理中断事件的中断程序与主程序如果在程序中使用了中断，则与处理中断事件的中断程序与主程序 一起被存入存储器。正常情况下，中断程序并不作为扫描周期的一起被存入存储器。正常情况下，中断程序并不作为扫描周期的 一部分进行扫描，仅仅

15、是在中断事件发生后才进行进行执行，此一部分进行扫描，仅仅是在中断事件发生后才进行进行执行，此 时，时，CPU以异步扫描方式为用户提供中断服务，而且根据中断优先以异步扫描方式为用户提供中断服务，而且根据中断优先 级来处理多个中断。中断程序使得级来处理多个中断。中断程序使得CPU的扫描周期不是固定的，这的扫描周期不是固定的，这 一执行特点在编制用户程序时必须考虑到。一执行特点在编制用户程序时必须考虑到。 立即立即I/0处理处理 利用立即利用立即I/0指令可以直接存取指令可以直接存取I/0点点 立即读输入点指令，不更新相应的输入映像寄存器立即读输入点指令，不更新相应的输入映像寄存器 立即写输出点指令

16、，更新相应的输出映像寄存器立即写输出点指令，更新相应的输出映像寄存器 通讯处理通讯处理 在在CPU扫描周期的信息处理阶段，扫描周期的信息处理阶段，CPU自动检测并处理各通信端口收到的自动检测并处理各通信端口收到的任何信息，即检测是否有编程器，计算机等的通信请求，若有，则进行相应处任何信息，即检测是否有编程器，计算机等的通信请求，若有，则进行相应处理，在这一阶段完成数据通信任务。理，在这一阶段完成数据通信任务。1-2-5、执行用户程序过程中的特殊处理、执行用户程序过程中的特殊处理 CPU自诊断测试自诊断测试 CPU检测主机硬件，同时也检测所有的检测主机硬件，同时也检测所有的I/0模块的状态。在模

17、块的状态。在RUN模式下，模式下， 还检测用户程序存储器。还检测用户程序存储器。 改写输出改写输出 CPU执行完用户程序后，将输出映像寄存器中的数据传送到输出模块并加执行完用户程序后，将输出映像寄存器中的数据传送到输出模块并加 以锁存。以锁存。 输出信号通过输出部件转换程被控设备所能接收的电压或电流信号，以激输出信号通过输出部件转换程被控设备所能接收的电压或电流信号，以激 励被控设备。励被控设备。 PLC执行的五个阶段，称为一个扫描周期，执行的五个阶段，称为一个扫描周期，PLC完成一个周期后，又重新执行完成一个周期后，又重新执行 上述过程，扫描周而复始地进行。上述过程，扫描周而复始地进行。 扫

18、描周期长短主要取决于程序的长短，它对于一般工业设备通常没有什么影响。扫描周期长短主要取决于程序的长短，它对于一般工业设备通常没有什么影响。 但对控制时间也好求较严格，响应时间要求较高的系统，为减少扫描周期造成但对控制时间也好求较严格，响应时间要求较高的系统，为减少扫描周期造成的响应延时等不良影响，一般在编程时对应对扫描周期精度计算，并尽量缩短的响应延时等不良影响，一般在编程时对应对扫描周期精度计算，并尽量缩短和优化程序代码。和优化程序代码。1-2-5、执行用户程序过程中的特殊处理、执行用户程序过程中的特殊处理 （1）输入滤波器有时间常数）输入滤波器有时间常数 （2）输出继电器有机械滞后）输出继

19、电器有机械滞后 （3）PC循环操作时，进行公共处理、循环操作时，进行公共处理、I/O刷刷新和执行用户程序等产生扫描周期新和执行用户程序等产生扫描周期 （4）程序语句的安排，也影响响应时间）程序语句的安排，也影响响应时间 电路惯性电路惯性 输入模块滤波时间按输入模块滤波时间按 输出模块滞后时间输出模块滞后时间 继电器型输出继电器型输出 10ms 晶闸管晶闸管 1ms 晶体管晶体管 小于小于1ms 扫描方式扫描方式 最长可达到最长可达到2个多扫描周期个多扫描周期 与程序设计安排有关与程序设计安排有关 1-2-6、输入、输入/输出滞后时间输出滞后时间 1975年，德国西门子公司投放市场的第一代年，德

20、国西门子公司投放市场的第一代PLC是是SIMATIC S3系列的控系列的控制系统。此后，产品迅速发展，几乎制系统。此后，产品迅速发展，几乎1-2年甚至年甚至1年就推出一个新的型号年就推出一个新的型号或品种或品种 1979年，微处理器技术应用到年，微处理器技术应用到PLC，产生，产生SIMATIC S5系列，取代了系列，取代了S3 在每个系列中，又经历了多个子系列。如S5系列产生后不久，便升级 为U系列和由此形成的H系列，有的至今仍在广泛使用。 S5系列系列PLC的编程使用的的编程使用的STEP5编程语言。编程语言。 在上世纪末推出在上世纪末推出S7系列系列 最新的最新的SIMATIC产品为产品

21、为SIMATIC S7、M7和和C7等几大系列等几大系列 S7系列系列PLC可分为可分为S7-200,S7-300,S7-400等几个子系列等几个子系列 2004年，西门子推出年，西门子推出S7-200的升级产品的升级产品 新产品提高了运算速度，扩大了存储区，增加了模拟输入和模拟输出新产品提高了运算速度，扩大了存储区，增加了模拟输入和模拟输出 增强了增强了S7-200在运动控制、过程在运动控制、过程kongzhi、位置控制等方面的应用、位置控制等方面的应用1-3-1、S系列系列PLC发展简介发展简介1-3-1、S系列系列PLC发展简介发展简介1-3-2、S7-200系列系列PLC基本性能基本性

22、能CPUCPU基本特点基本特点主机及主机及I/OI/O特性特性1-3-3、数字量扩展模块、数字量扩展模块 除无扩展能力的除无扩展能力的CPU221外，其它的外，其它的CPU模块都可以配接多个扩展模块模块都可以配接多个扩展模块 数字输入模块数字输入模块 EM221 (DC,AC),(8点输入，点输入，16点输入）点输入） 数字输出模块数字输出模块 EM222(DC,继电器），（继电器），（4点输出，点输出，8点输出）点输出） 数字输入输出模块数字输入输出模块 EM223（DC/DC,DC/继电器）继电器） 模块的扩展连结模块的扩展连结1-3-4、模拟量输入输出模块、模拟量输入输出模块 作用：将传

23、感器和变送器输出的标准两成的电流或电作用：将传感器和变送器输出的标准两成的电流或电 压信号转换成为数字量压信号转换成为数字量 S7-200中的模拟输入输出模块中的模拟输入输出模块 EM231 4路模拟量输入模块路模拟量输入模块 EM232 2路模拟量输出模块路模拟量输出模块 EM235 4路模拟量输入、路模拟量输入、1路模拟量输出模块路模拟量输出模块 以上模拟量处理模块均采用以上模拟量处理模块均采用12位的位的A/D,D/A转换器转换器1-3-5、模拟量输入输出模块的应用（、模拟量输入输出模块的应用（1）1-3-5、模拟量输入输出模块的应用（、模拟量输入输出模块的应用（2）1-3-6、热电偶模

24、块、热电偶模块1-3-7、热电阻模块、热电阻模块1-3-8、PLC的安装的安装1-3-8、S7-200的的I/0扩展和编址扩展和编址 I/O扩展扩展 CPU 22X每种主机所提供的本机每种主机所提供的本机I/O点的点的I/O地址是固定的，进行扩展地址是固定的，进行扩展 时，可以在时，可以在CPU右边连接多个扩展模块右边连接多个扩展模块 每个扩展模块的组态地址编号取决于各模块的类型和该模块在每个扩展模块的组态地址编号取决于各模块的类型和该模块在I/O链链 中所处的位置中所处的位置 编址方法编址方法 同种类型输入或输出点的模块在链中按与主机的位置而递增同种类型输入或输出点的模块在链中按与主机的位置

25、而递增 其他类型那个模块的有无以及所处的位置不影响本类型模块的编号。其他类型那个模块的有无以及所处的位置不影响本类型模块的编号。 对于数字量、输入输出映像寄存器单位长度为对于数字量、输入输出映像寄存器单位长度为8位（位（1个字节个字节),本模块本模块 高位实际位数未满高位实际位数未满8位的，未用位不能分配给位的，未用位不能分配给I/O链的后续模块。链的后续模块。 对于模拟量，输入输出以对于模拟量，输入输出以2字节（字节（1个字）递增方式来分配空间。个字）递增方式来分配空间。1-3-8、S7-200的的I/0扩展和编址举例扩展和编址举例 某一控制系统选用某一控制系统选用CPU 224，系统所需的

26、输入输出点数各为：，系统所需的输入输出点数各为： 数字量输入数字量输入24点，点， 模拟量输入模拟量输入6点，点， 数字量输出数字量输出20点点 模拟量输出模拟量输出2点点 扩展点计算扩展点计算224需要扩展的数字输入点数：需要扩展的数字输入点数：24-14=10224需要扩展的数字输出点数：需要扩展的数字输出点数：20-10=10224需要扩展的模拟输入点数：需要扩展的模拟输入点数：6-0=6224需要扩展的模拟输出点数：需要扩展的模拟输出点数：2-0=2 硬件组态方案示例硬件组态方案示例EM221(8I) 2 EM222(8O) 2EM231(4AI) 2 EM232(2AO) 1 (方案

27、方案1)EM221(8I) 1 EM222(8O) 1EM223(4I40) 2 EM235(4AI1AO) 2 (方案方案2) 1-3-8、S7-200的的I/0扩展和编址举例扩展和编址举例S7-200CPU扩展能力扩展能力1-3-8、S7-200的的I/0扩展和编址举例扩展和编址举例 限制最大限制最大I/0配置的因素配置的因素 各各CPU的主机的主机I/0和可连接的最多扩展模块数。和可连接的最多扩展模块数。 扩展模块的数量不能超过允许的规定扩展模块的数量不能超过允许的规定 映像寄存器的数量映像寄存器的数量 扩展总点数不能大于输入和输出映像寄存器的总数扩展总点数不能大于输入和输出映像寄存器的总数 CPU为扩展模块所能提供的最大电流和每种扩展模为扩展模块所能提供的最大电流和每种扩展模 块消耗的电流。块消耗的电流。 在一个控制系统中所遇扩展模块消耗的电流不能超。在一个控制系统中所遇扩展模块消耗的电流不能超。 过过CPU所能提供的电流。所能提供的电流。1-3-8、S7-2