北京科技大学可编程控制器PLC——西门子S第一章

1、课程名称:可编程控制器及应用课程性质:选修学时:36，包括实验6学时（3次实验）参考书目：可编程控制器原理及应用李希胜，孙昌国，舒雄鹰编S7-300/400PLC应用技术廖常初主编 S7-300PLC 和MM440变频器的原理与应用 马宁、孔红著深入浅出(shn r qin ch)西门子S7-300西门子自动化与驱动集团编等共八十四页课程考核(koh)方式：理论：考察可编程控制器的基本概念，占50%实验：考察实际的动手能力，对于给出的基本功能能否设计出一个较完整的控制系统。占50%。平时实验课要认真做，实验考试均是曾经做过的类似的实验。答疑时间：周二下午2：00-3：00 地点：信息楼1021

2、联系方式：手email: QQ：877055941共八十四页共八十四页共八十四页共八十四页共八十四页共八十四页共八十四页共八十四页共八十四页共八十四页第1章 可编程序控制器概述(i sh)共八十四页1.1 可编程序控制器产生与发展 1.2 可编程序控制器的特点与分类1.3 网络型PLC与DCS的关系1.4 可编程控制器的基本(jbn)组成1.5 梯形图1.6 可编程控制器的工作原理1.7 可编程控制器的性能指标1.8 可编程控制器的发展趋势共八十四页1.1 可编程序控制器产生与发展 1.接线程序控制系统 按钮、开关、时间继电器、压力(yl)继电器、 温度继电器、过流过

3、压继电器 接触器、继电器、电磁阀 压力传感器、温度传感器、湿度传感器 伺服电机、电动阀、距离、速度等控制信号。共八十四页1.接线程序(chngx)控制系统共八十四页以往的电气控制装置主要采用继电器、接触器或电子元件来实现，由连接导线将这些器件按照一定的工作程序组合在一起，以完成一定的控制功能，这种控制叫做接线程序控制。 接线程序控制的电气装置体积(tj)大，生产周期长，接线复杂，故障率高，可靠性差。控制功能略加变动，就需重新组合、改变接线。共八十四页继电器控制系统(kn zh x tn)先进自动(zdng)控制系统共八十四页 2 .可编程序控制器产生编程简单方便，可在现场修改程序；硬件维护方便

4、，最好是插件式结构(jigu)； 可靠性要明显高于继电器控制系统； 体积要明显小于继电器控制柜；价格便宜，其性能价格比要高于继电器控制系统；共八十四页输入可以是AC 115 V；输出为AC 115 V，2 A以上，能直接驱动(q dn)电磁阀；具有数据通信功能；扩展时，原有系统只需做很小改动；用户程序存储器容量至少可以扩展到4 KB。共八十四页对先进(xinjn)自动控制装置提出设想： 工业控制(kngzh)单板机（计算机） 继电器控制(kngzh)系统 先进控制(kngzh)装置 共八十四页美国数字设备公司（DEC）1969年研制成功了第一台可编程序控制器PDP14，由于当时(dngsh)主

5、要用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）。 共八十四页3.存贮程序控制系统例如，有两个开关K1、K2。控制要求(yoqi)，只有两个开关都接通时小灯D1才亮。当D1亮秒钟后小灯D2开始亮。当开关K3切断时两个小灯就同时熄灭。1) 接线程序控制2）存贮程序控制（PLC控制）共八十四页共八十四页进入80年代，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，也使得可编程序控制器逐步形成了具有特色的多种系列产品。系统中不仅使用(shyng)了大量的开关量，也使用(shyng)了模拟量，其功能已经远远超出逻辑控制、顺序控制

6、的应用范围。故称为可编程序控制器（Programmable Controller，简称PC）。但由于PC容易和个人计算机（Personal Computer）混淆，所以人们还沿用PLC作为可编程控制器的英文缩写名字。共八十四页4 .可编程序控制器发展(fzhn)简史 阶段时期主要特点硬件软件应用初创期19691972CPU采用中、小规模的集成电路，只是逻辑控制器采用汇编语言等初级语言编程，只具备逻辑、计时、计数和顺序控制功能大型设备或自动化生产线共八十四页4 .可编程序控制器发展(fzhn)简史 阶段时期主要特点硬件软件应用成熟期1973年1978年CPU采用微处理器，除完善原有逻辑、计时、计

7、数功能外，具有了数值（字）运算、数据处理和传送、模拟量接口等硬件功能开发出面向用户的梯形图编程方法进入实用化阶段共八十四页大发展期1978年1984年CPU采用8位、16位微处理器，运算速度提高，接口功能增强编程方法进一步完善，形成PLC的特有编程方法广泛应用于各个工业领域4 .可编程序控制器发展(fzhn)简史 共八十四页继续发展期1985年 至今CPU采用32位乃至专用高速微处理器，接口更加丰富，网络功能大大增强编程语言除传统的梯形图、流程图、语句表外，还能采用高级语言及数控语言编程，面向对象编程功能日趋完善成为与工业控制计算机（IPC）、集散控制系统（DCS）相并列的重要控制装置，广泛应

8、用于各种自动化系统4 .可编程序控制器发展(fzhn)简史 共八十四页2 可编程序控制器的特点与分类国际电工委员会（IEC）对可编程控制器的定义：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用(yngyng)而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备、都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”共八十四页1. 可编程序控制器的特点(tdin)归纳起来，可编程序控制器主要具有以下特点(tdin)。 可靠性

9、高 例如三菱和可编程序控制器平均无故障时间可以达到30万小时（约34年）。 环境适应性强 在环境温度-2065、相对湿度为3585情况下可正常工作。 灵活通用 使用方便、维护简单 整个连接过程仅需要一把螺丝刀即可完成。共八十四页2. 可编程序控制器的分类 (1) 按控制规模分类 可编程序控制器可以分为大型机、中型机和小型机。 小型机 : 小型机的控制点一般在256点之内,适合于单机控制(kngzh)或小型系统的控制(kngzh)。 日本OMRON公司CQM1 德国SIEMENS S7-200 共八十四页 中型机: 中型机的控制点一般不大于2048点,可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级

10、的可编程序控制器进行监控，它适合中型或大型(dxng)控制系统的控制。 日本OMRON公司 C200HG 数字量1184点德国SIEMENS S7-300 数字量1024点，模拟量128路 网络: PROFIBUS/工业以太网/ MPI共八十四页 大型机大型机的控制点一般大于2048点,不仅能完成较复杂的算术运算还能进行(jnxng)复杂的矩阵运算。它不仅可用于对设备进行(jnxng)直接控制，还可以对多个下一级的可编程序控制器进行(jnxng)监控。 德国SIEMENS S7-400 存贮器512k I/O点12672共八十四页（2）按控制性能分类 低档机工作速度比较低，能带的输入和输出模块

11、的数量比较少。 中档机具有较强的控制功能和较强的运算能力。工作速度比较快，能带的输入输出模块的数量也比较多，输入和输出模块的种类也比较多。 高档机 具有强大的控制功能和强大的运算能力。工作速度很快，能带的输入输出模块的数量很多，输入和输出模块的种类也很全面。在联网(lin wn)中一般做主站使用。 共八十四页（3）按结构去划分 整体式 整体式结构的可编程序控制器把电源、CPU、存储器、I/O系统都集成在一个单元内，该单元叫做作基本单元。一个基本单元就是一台完整的PLC。控制点数不符合需要时，可再接扩展单元。整体式结构的特点是非常紧凑(jncu)、体积小、成本低、安装方便。共八十四页 组合式 组

12、合式结构的可编程序控制器是把PLC系统的各个组成部分按功能分成若干个模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等等。其中各模块功能比较单一，模块的种类却日趋丰富(fngf)。比如，一些可编程序控制器，共八十四页 分布式 特点是CPU自成独立的基本单元（由CPU和一定的I/O点组成），其它I/O模块为扩展单元。在安装时不用基板，仅用电缆进行单元间的联接，各个单元可以一个个地叠装。使系统达到(d do)配置灵活、体积小巧。共八十四页例：SIEMENS S7系列(xli)PLC分类小型机 :中型机:大型机SIMATIC S7 - 200模块化模块化SIMATIC S7 - 300模块化SIMA

13、TIC M7 - 300一体化SIMATIC C7 - 620模块化SIMATIC S7 - 400模块化SIMATIC M7 - 400共八十四页1.3 网络(wnglu)型PLC与DCS的关系DCS（DistributedContorlSystem）,集散控制系统(kn zh x tn)，又称分布式控制系统(kn zh x tn)。PLC（ProgramLogicControl）,可编程逻辑控制器。FCS（FieldBusContorlSystem），现场总线控制系统 共八十四页1.3 网络(wnglu)型PLC与DCS的关系DCS从传统的仪表盘监控(jin kn)系统发展而来，强调的是在

14、运算放大器的基础上用计算机代替原来的模拟运算能力 。PLC从传统的继电器回路发展而来，强调的是逻辑运算能力 二者相互渗透、取长补短，功能上日趋接近，使数字世界、模拟世界更加模糊决定DCS与PLC应用面大小的是其性能/价格比共八十四页1.4 可编程序控制器的组成(z chn)共八十四页1.4 可编程序控制器的组成(z chn)中央处理单元（CPU）存贮器单元电源单元输入输出单元功能模块：温度检测模块、位置(wi zhi)检测模块、位置(wi zhi)控制模块、PID控制模块等。接口单元：扩展接口、编程器接口、存贮器接口和通讯接口外部设备：编程器、文本显示器、操作面板、打印机共八十四页1、存贮器单

15、元存贮器单元:系统程序存储器和用户程序存储器 用户程序存储器可分为三部分：用户程序区、数据(shj)区、系统区所谓PLC的内存大小，一般是指用户程序存储器的容量 当用户程序很长或需存储的数据较多时，可考虑进行存储器扩展。 共八十四页PLC的内部电源系统一般有三类：第一类是供PLC中的TTL芯片和集成运算放大器使用的基本电源(如+5 V和15 V DC电源)；第二类电源是供输出接口使用的高压(goy)大电流的功率电源；第三类电源是锂电池及其充电电源。 2、电源(dinyun)单元共八十四页3、 输入输出接口(ji ku)电路 输入输出接口电路实际上是PLC与被控对象(duxing)间传递输入输出

16、信号的接口部件。输入输出接口电路要有良好的电隔离和滤波作用。共八十四页1) 输入(shr)接口电路输入接口电路提高抗干扰能力的方法(fngf)主要有： （1）利用光电耦合器提高抗干扰能力。 （2）利用滤波电路提高抗干扰能力。共八十四页2)输出(shch)接口电路(1)小型继电器输出形式(2)大功率晶体管或场效应管输出形式(3)双向晶闸管输出形式作用:转换电平(din pn),隔离,抗干扰和滤波共八十四页（1）数字(shz)量输入/输出模块 共八十四页交流(jioli)输入模块共八十四页直流输出(shch)模块 直流输出(shch)模块的输出(shch)电路共八十四页交流输出模块 交流输出(sh

17、ch)模块的输出(shch)电路共八十四页继电器输出(shch)模块 继电器输出(shch)模块的输出(shch)电路共八十四页(2) 模拟量输入/输出模块模拟量输入模块： 模拟量输入模块又叫A/D模块。 A/D模块把模拟信号转换成数字信号。转换速度和分辨率是A/D模块的重要(zhngyo)指标。共八十四页(2) 模拟量输入/输出模块模拟量输出模块： 模拟量输出模块又叫D/A模块。D/A模块把数字信号转换(zhunhun)成模拟信号。数字量的位数和转换(zhunhun)速度是D/A模块的重要指标。共八十四页4、功能模块高速计数器模块： 高速计数器可以对CPU 扫描速度无法控制的高速 事件进行计

18、数，可设置多种不同操作(cozu)模式。 （单向计数器 ，双向计数器 ，正交计数器 等多种工作模式。） CT001-V1高速计数器有六种工作模式。 线性计数方式，循环计数方式，予置方式，门式，锁式，采样方。 输入的控制和8路输出通过I/O接口连接。 门式:控制门IN1=ON时计数。 锁式：控制门IN1脉冲到计数，控制门IN2脉冲到锁定当前计数值。 采样方式：控制门IN1脉冲到计数，采样时间到停止计数。共八十四页PID模块： PID控制器管理输出(shch)数值，以便将偏差(e)为零，使系统达到稳定状态。 PID01可以有两路输入（电压电流均可），可以通过程序也可以通过参数设定器设定参数。两路输

19、出量通过输出口输出。共八十四页扩展接口模块 扩展接口模块的作用是扩大可编程序控制器规模 的接口。一般来说扩展接口模块可以分为两种，一种 是近程扩展接口，一种是远程扩展接口。近程扩展接 口是为了扩大可编程序控制器的控制规模，远程扩展 接口是为了增大可编程序控制器的控制距离。通讯(tngxn)接口模块 通讯接口模块是微机和可编程序控器之间、可编 程序控制器和可编程序控制器之间的通讯接口。共八十四页5、 编程器 编程器是PLC的重要外围设备。利用(lyng)编程器将用户程序送入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态 。常见的给PLC编程的装置有手持式编程器和计算机编程

20、方式 。共八十四页共八十四页1.5 梯形图1）常见(chn jin)的PLC的梯形图符号共八十四页2）梯形图与继电器的区别(qbi)继接控制：并行工作方式,PLC控制：循环(xnhun)扫描的串行方式共八十四页1.6可编程控制器的工作(gngzu)原理1可编程序控制器的工作(gngzu)过程PLC最主要的方式是周期扫描方式。共八十四页PLC的工作(gngzu)过程共八十四页 上电处理过程 PLC上电后，要进行(jnxng)上电的初始化处理。占用的时间为T0 。 共同处理过程 共同处理的主要任务是复位监视计时器、检查I/O总线、检查扫描周期、检查程序存储器。该过程占用的时间为T1 。 通讯服务过

21、程 当PLC和微机构成通讯网络或由PLC构成网络时，需要有通讯服务过程。该过程占用的时间为T2 。 外设服务过程 当PLC接有外部设备如编程器、打印机等，则需要进行外设服务过程。该过程占用的时间为T3 。共八十四页 程序执行过程 该过程用于执行用户程序。从输入映像区读入输入信息，根据用户程序进行运算操作，并向输出映像区送出控制信息。该过程占用的时间为T4。显然T4和PLC的速度、用户程序长短及指令种类有关。 I/O刷新过程 这个过程可分为输入信号刷新和输出信号刷新。输入信号刷新为输入处理过程，输出信号刷新为输出处理过程。该过程占用时间为T5。显然T5和可编程序控制器所带的输入输出模块的种类和点

22、数多少(dusho)有关。 可编程序控制器的扫描周期T和上述各个过程的关系录为：T=T1+T2+T3+T4+T5共八十四页PLC的扫描(somio)过程共八十四页2、PLC对输入/输出的处理(chl)规则 输入映像寄存器中的数据，是在输入采样阶段扫描到的输入信号的状态集中写进去的，在本扫描周期(zhuq)中，它不随外部输入信号的变化而变化。 输出映像寄存器(它包含在元件映像寄存器中)的状态，是由用户程序中输出指令的执行结果来决定。 输出锁存器中的数据是在输出刷新阶段，从输出映像寄存器中集中写进去的。 输出端子的输出状态，是由输出锁存器中的数据确定的。 执行用户程序时所需的输入、输出状态，是从输

23、入映像寄存器和输出映像寄存器中读出的。共八十四页3 PLC的扫描(somio)周期及滞后响应 响应时间或滞后时间：从PLC的输入端有一个输入信号(xnho)发生变化到PLC的输出端对该输入变化做出反应，需要一段时间，这段时间称为响应时间或滞后时间。 共八十四页响应时间的快慢与以下(yxi)因素有关：(1) 输入滤波器的时间常数(输入延迟) (2) 输出继电器的机械滞后(输出延迟) (3) PLC的循环扫描工作方式(fngsh) (4) PLC对输入采样、输出刷新的集中批处理方式 (5) 用户程序中语句顺序安排不当共八十四页共八十四页最短响应(xingyng)时间=输入延迟时间+1个扫描周期+输

24、出延迟时间。共八十四页最长响应时间=输入延迟时间+两个(lin )扫描周期+输出延迟时间共八十四页为了确保PLC在任何情况下都能正常无误地工作，一般情况下，输入信号的脉冲宽度必须大于一个扫描周期T。还应该注意一个问题是输出信号的状态是在输出刷新时才送出的。因此，在一个程序(chngx)中若给一个输出端多次赋值时，中间状态只改变输出映像区。只有最后一次赋的值才能送到输出端。共八十四页4、PLC的中断处理过程响应问题： 一般微机系统的CPU，在每一条指令执行(zhxng)结束时都要查询有无中断申请。而PLC对中断的响应则是在相关的程序块结束后查询有无中断申请，或者在执行用户程序时查询有无中断申请，

25、如有中断申请，则转入执行中断服务程序。如果用户程序以块式结构组成，则在每块结束或执行块调用时处理中断。共八十四页中断源先后顺序及中断嵌套问题： 在PLC中，中断源的信息是通过输入点而进入系统的，PLC扫描输入点是按输入点编号的先后顺序进行的，因此中断源的先后顺序只要按输入点编号的顺序排列即可。多中断源可以(ky)有优先顺序，但无嵌套关系。 共八十四页PLC的中断处理过程中断服务程序执行结果的信息输出问题： PLC按巡回扫描方式工作，正常的输入/输出在扫描周期的一定阶段进行，这给外设希望及时响应带来了困难。采用中断输入可解决对输入信号的高速响应问题。当中断申请被响应且中断子程序被执行后，有关信息

26、应当尽早送到相关外设，而不希望等到扫描周期的输出传送(chun sn)阶段，就是说对部分信息的输入或输出要与系统CPU的扫描周期脱离。共八十四页1. 输入(shr)/输出点数 可编程控制器的I/O点数指外部输入、输出端子数量的总和。它是描述的PLC大小(dxio)的一个重要的参数。17可编程控制器的性能指标共八十四页2. 存储容量(cn ch rn lin) PLC的存储器由系统程序存储器，用户程序存储器和数据存储器三部分组成。PLC存储容量(rngling)通常指用户程序存储器和数据存储器容量(rngling)之和，表征系统提供给用户的可用资源，是系统性能的一项重要技术指标。 共八十四页3. 扫描(somio)速度 可编程控制器采用循环(xnhun)扫描方式工作，完成1次扫描所需的时间叫做扫描周期。影响扫描速度的主要因素有用户程序的长度和PLC产品的类型。PLC中CPU的类型、机器字长等直接影响PLC运算精度和运行速度。 共八十四页4. 指令系统(zh ln x tn) 指令系统是指PLC所有指令的总