PLC编程及应用课件第2章

1、返回第2章 PLC的硬件结构与工作原理2.1 PLC的硬件结构2.2 PLC的工作原理 2.3 S7-200系列PLC 2.4 PLC的安装 7/18/20221CH2 PLC的硬件结构与工作原理2.1 PLC的硬件结构 2.1.1 PLC的物理结构 2.1.2 CPU模块中的存储器2.1.3 I/O模块返回7/18/20222CH2 PLC的硬件结构与工作原理后一页前一页 2.1.1 PLC的物理结构 根据硬件结构的不同，可以将可编程序控制器分为整体式、模块式和混合式。 返回7/18/20223CH2 PLC的硬件结构与工作原理1整体式PLC 整体式又叫做单元式或箱体式，它的体积小、价格低，

2、小型可编程序控制器一般采用整体式结构。 整体式可编程序控制器将CPU模块、IO模块和电源装在一个箱型机壳内，称为基本单元，S7-200称为CPU模块。“前盖”下面有RUNSTOP开关，模拟量电位器和扩展IO连接器。S7-200系列可编程序控制器提供多种具有不同IO点数的CPU模块和数字量、模拟量I0扩展模块供用户选用。CPU模块和扩展模块用扁平电缆连接，可选用全输入型或全输出型的数字量I0扩展单元来改变输入输出的比例。 整体式可编程序控制器还配备有许多专用的特殊功能模块，如模拟量输入输出模块、热电偶、热电阻模块、通信模块等，使可编程序控制器的功能得到扩展。 7/18/20224CH2 PLC的

3、硬件结构与工作原理 7/18/20225CH2 PLC的硬件结构与工作原理 大、中型可编程序控制器(如S7-300和S7-400系列)一般采用模块式结构，用搭积木的方式组成系统，它由机架和模块组成(见图)。模块插在模块插座上，后者焊在机架中的总线连接板上。可编程序控制器厂家备有不同槽数的机架供用户选用，如果一个机架容纳不下所选用的模块，可以增设一个或数个扩展机架，各机架之间用I0扩展电缆相连。 用户可以选用不同档次的CPU模块、品种繁多的IO模块和特殊功能模块，对硬件配置的选择余地较大，维修时更换模块也很方便。 整体式可编程序控制器每一IO点的平均价格比模块式的便宜，在小型控制系统中一般采用整

4、体式结构。但是模块式可编程序控制器的硬件组态方便灵活，IO点数的多少、输入点数与输出点数的比例、IO模块的种类和块数、特殊I0模块的使用等方面的选择余地都比整体式可编程序控制器大得多，维修时更换模块、判断故障范围也很方便，因此较复杂的、要求较高的系统一般选用模块式可编程序控制器。 2模块式可编程序控制器7/18/20226CH2 PLC的硬件结构与工作原理 S7-300模块式PLC S7-400模块式PLC 7/18/20227CH2 PLC的硬件结构与工作原理212 CPU模块中的存储器返回虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括系统程序存储

5、区、系统RAM存储区(包括I/O缓冲区和系统软元件等)和用户程序存储区3个部分。1) 系统程序存储区 系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序，包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等，由制造商将其固化在ROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了PLC的性能。2) 系统RAM存储区 系统RAM存储区包括I/O缓冲区以及各类软元件，如工作寄存器、内部继电器、定时器、计数器、数据寄存器、变址寄存器等。7/18/20228CH2 PLC的硬件结构与工作原理 (1) I/O缓冲区 由于PLC投入到运行状态后，只是在输入采样阶段才依次读入各个输入信号的状态和数据

6、，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要一定数量的存储单元(RAM)来暂时存放I/O的状态和数据，这些单元称作I/O缓冲区。一个开关量I/O占用存储单元中的一位(bit)。一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字(16位)。整个I/O缓冲区可以看作是由开关量I/O缓冲区和模拟量I/O缓冲区两个部分组成的。7/18/20229CH2 PLC的硬件结构与工作原理(2) 系统软元件存储区 除了I/O缓冲区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软元件(内部继电器、定时器、计数器、数据寄存器和工作寄存器等)的存储区。该存储区又分为具有掉电保存的存储区域和掉电不保存的存储区域。前

7、者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会丢失；后者在PLC断电时，数据被清零。 内部继电器 与开关输出一样，每个内部继电器占用系统RAM存储区中的一位，但不能直接驱动外部负载，只供用户在编程中使用。其作用类似于电气控制线路中的继电器。另外，不同的PLC还提供数量不等的特殊内部继电器，具有不同的特殊功能。7/18/202210CH2 PLC的硬件结构与工作原理 数据寄存器 与模拟量I/O一样，每个数据寄存器占用系统RAM存储区中的一个字(16位)，主要用于模拟量处理、数据运算和通信等。另外，PLC还提供数量不等的特殊数据寄存器，用于存储系统中某些特定的数据或信息。 定时器和计数器 PLC提

8、供了许多定时器和计数器，数量从几十个到几千个不等，用于满足工业生产中定时控制和计数控制的要求。3)用户程序存储区 存放用户根据实际控制要求或生产工艺流程编写的具体控制程序。不同类型的PLC，其存储容量各不相同。7/18/202211CH2 PLC的硬件结构与工作原理2.1.3 I/O模块 各IO点的通断状态用发光二极管显示，外部接线一般接在模块面板的接线端子上。某些模块使用可拆卸的插座型端子板，不需断开端子板上的外部连线，就可以迅速地更换模块。点数多的高密度IO模块的外部接线一般用插座连接，用户可选用连接插座的电缆和端子板。 返回7/18/202212CH2 PLC的硬件结构与工作原理I/O模

9、块分为开关量输入(Digital Input，DI)、开关量输出(Digital Output，DO)、模拟量输入(Analog Input，AI)和模拟量输出(Analog Output，AO)等模块。开关量模块按电压水平分有220 VAC、110 VAC、24 VDC等规格；按隔离方式分有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出等类型。模拟量模块按信号类型分有电流型(4mA20mA、0mA20mA)、电压型(0V10V、0V5V、10V10V)等规格；按精度分有12位、14位、16位等规格。7/18/202213CH2 PLC的硬件结构与工作原理 输入电路中设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖

10、动或外部干扰脉冲引起错误的输入信号。滤波电路延迟时间的典型值为1020ms(信号上升沿)和2050ms(信号下降沿)，输入电流为数毫安。 下图是某直流输入模块的内部电路和外部接线图，图中只画出了一路输入电路，1M是同一输入组内各输入信号的公共点。S7-200可以用CPU模块输出的 24V直流电源作为输入回路的电源(见图)，它还可以为接近开关、光电开关之类的传感器提供24V直流电源。 1输入模块7/18/202214CH2 PLC的硬件结构与工作原理 当图中的外接触点接通时，光耦合器中两个反并联的发光二极管亮，光敏三极管饱和导通；外接触点断开时，光耦合器中的发光二极管熄灭，光敏三极管截止。信号经

11、内部电路传送给CPU模块。显然，可以改变图中输入回路的电源极性。 交流输入方式适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用，输入电压有110V、220V两种。 直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。 7/18/202215CH2 PLC的硬件结构与工作原理2输出模块 输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应管、驱动交流负载的双向晶闸管，以及既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载的小型继电器。输出电流的典型值为05-2A，负载电源由外部现场提供。 输出电流的额定值与负载的性质有关，例如S7-200的继电器输出电路可以驱动2A的电阻性负载，但是只能驱动

12、200W的白炽灯。输出电路一般分为若干组，对每一组的总电流也有限制。额定输出电流还与温度有关，温度升高时额定输出电流减小，有的可编程序控制器提供了有关的曲线。 7/18/202216CH2 PLC的硬件结构与工作原理 图是继电器输出电路。继电器同时起隔离和功率放大作用，每一路只给用户提供一对常开触点。与触点并联的RC电路和压敏电阻用来消除触点断开时产生的电弧。 继电器输出模块的使用电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但是动作速度较慢，寿命(动作次数)有一定的限制。如果系统输出量的变化不是很频繁，建议优先选用继电器型的。 7/18/202217CH2 PLC的硬件结构与工作

13、原理 图是使用场效应管(MOSFET)的输出电路。输出信号送给内部电路中的输出锁存器，再经光耦合器送给场效应管，后者的饱和导通状态和截止状态相当于触点的接通和断开。图中的稳压管用来抑制关断过电压和外部的浪涌电压，以保护场效应管。场效应管输出电路的工作频率可达20kHz。 晶体管型与双向晶闸管型模块分别用于直流负载和交流负载，它们的可靠性高，反应速度快，寿命长，但是过载能力稍差。 7/18/202218CH2 PLC的硬件结构与工作原理221 用触点和线圈实现逻辑运算 2.2 PLC的工作原理 222 PLC的工作模式 223 PLC的工作原理 返回7/18/202219CH2 PLC的硬件结构

14、与工作原理221 用触点和线圈实现逻辑运算 在数字量控制系统中，变量仅有两种相反的工作状态，如高电平和低电平、继电器线圈的通电和断电、触点的接通和断开，可用逻辑代数中的1和0来表示它们。在波形图中，用高电平表示l状态，用低电平表示0状态。 “与”、“或”、“非”逻辑运算的输入输出关系如下表所示，用继电器电路或梯形图可以实现“与”、“或”、“非”逻辑运算(见图)。用多个触点的串、并联电路可以实现复杂的逻辑运算，例如下图中的继电器电路实现的逻辑运算可用逻辑代数式表示为：返回7/18/202220CH2 PLC的硬件结构与工作原理逻辑运算关系表 图 基本逻辑运算 a)与 b)或 c)非7/18/20

15、2221CH2 PLC的硬件结构与工作原理 上式左边的KM与图中的线圈相对应，右边的KM与KM的常开触点相对应，/SB2与SB2的常闭触点相对应。在继电器电路图和梯形图中，线圈的状态是输出量或被控量，触点的状态是输入量。继电器的线圈通电时，其常开触点接通，常闭触点断开；线圈断电时，其常开触点断开，常闭触点闭合。梯形图中的位操作元件(如可编程序控制器的输出Q00)的触点和线圈也有类似的关系。 接触器的结构和工作原理与继电器的基本相同，区别仅在于继电器触点的额定电流较小(如几十毫安)，而接触器是用来控制大电流负载的，例如它可以控制额定电流为几十安培至上千安培的异步电动机。 7/18/202222C

16、H2 PLC的硬件结构与工作原理异步电动机控制电路7/18/202223CH2 PLC的硬件结构与工作原理222 可编程序控制器的工作方式 可编程序控制器有两种工作方式，即RUN(运行)方式与STOP(停止)方式。 在RUN方式，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。在CPU模块的面板上用“RUN”LED显示当前的工作方式。 在STOP方式，CPU不执行用户程序，可用编程软件创建和编辑用户程序，设置可编程序控制器的硬件功能，并将用户程序和硬件设置信息下载到可编程序控制器。 如果有致命错误，在消除它之前不允许从停止方式进入运行方式。可编程序控制器操作系统储存非致命错误供用户检查，但不会从

17、运行方式自动进人停止方式。 返回1 工作模式7/18/202224CH2 PLC的硬件结构与工作原理2用方式开关改变工作方式 CPU模块上的方式开关在STOP位置时将停止用户程序的运行；在RUN位置时，将启动用户程序的运行。方式开关在STOP或TERM(terminal，终端)位置时，电源通电后CPU自动进入STOP方式；在RUN位置时，电源通电后自动进入RUN方式。 3用STEP7-MicroWIN32编程软件改变工作方式 在用编程软件控制CPU的工作方式之前，首先应在编程软件与可编程序控制器之间建立起通信连接，并将方式开关设置在RUN或TERM位置。允许用编程软件改变CPU的工作方式。在软

18、件中单击工具条上的运行按钮可进入运行方式，单击停止按钮可进入停止方式。 选择PLC一运行”菜单命令可进入运行方式，选择PLC一停止”菜单命令可进入停止方式。 4在程序中改变工作方式 在程序中插入STOP指令，可使CPU由RUN方式进入STOP方式。 7/18/202225CH2 PLC的硬件结构与工作原理223 可编程序控制器的工作原理 可编程序控制器通电后，需要对硬件和软件做一些初始化的工作。为了使可编程序控制器的输出及时地响应各种输入信号，初始化后反复不停地分阶段处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。 RUN状态读取输入通信信息处理自诊断检查修改输出STOP状态返

19、回读取输入通信信息处理自诊断检查修改输出执行用户程序7/18/202226CH2 PLC的硬件结构与工作原理 在可编程序控制器的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。CPU以字节(8位)为单位来读写输入输出(IO)映像寄存器。 在读取输入阶段，可编程序控制器把所有外部数字量输入电路的ONOFF(I0)状态读人输入映像寄存器。外接的输入电路闭合时，对应的输入映像寄存器为 1状态，梯形图中对应的输入点的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入电路断开时，对应的输入映像寄存器为0状态，梯形图中对应的输入点的常开触点断开，常闭触点接通。图29

20、 扫描过程 1读取输入7/18/202227CH2 PLC的硬件结构与工作原理2. 执行用户程序 可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按顺序排列。在RUN工作方式的程序执行阶段，在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直至遇到结束(END)指令。遇到结束指令时，CPU检查系统的智能模块是否需要服务。 在执行指令时，从I0映像寄存器或别的位元件的映像寄存器读出其01状态，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到相应的映像寄存器中。因此，各映像寄存器(只读的输入映像寄存器除外)的内容随着程序的执行而变化。 7/18/202228CH2 PL

21、C的硬件结构与工作原理 在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的读取输入阶段被读人。执行程序时，对输入输出的存取通常是通过映像寄存器，而不是实际的I0点，这样做有以下好处： (1) 程序执行阶段的输入值是固定的，程序执行完后再用输出映像寄存器的值更新输出点，使系统的运行稳定。 (2) 用户程序读写I0映像寄存器比读写I0点快得多，这样可以提高程序的执行速度。 (3) IO点必须按位来存取，而映像寄存器可按位、字节、字或双字来存取，灵活性好。7/18/202229CH2 PLC的硬件结构与工作原理3通信处理

22、在智能模块通信处理阶段，CPU模块检查智能模块是否需要服务，如果需要，读取智能模块的信息并存放在缓冲区中，供下一扫描周期使用。在通信信息处理阶段，CPU处理通信口接收到的信息，在适当的时候将信息传送给通信请求方。 4CPU自诊断测试 自诊断测试包括定期检查EEPROM、用户程序存储器、IO模块状态以及IO扩展总线的一致性，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。 7/18/202230CH2 PLC的硬件结构与工作原理5修改输出 CPU执行完用户程序后，将输出映像寄存器的01状态传送到输出模块并锁存起来。梯形图中某一输出位的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为1状态。信号经输出模块隔离和

23、功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出点的线圈“断电”，对应的输出映像寄存器中存放的二进制数为0，将它送到继电器型输出模块，对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。 当CPU的工作方式从RUN变为STOP时，数字量输出被置为系统块中的输出表定义的状态，或保持当时的状态。默认的设置是将数字量输出清零，模拟量输出保持最后写的值。 7/18/202231CH2 PLC的硬件结构与工作原理6中断程序的处理 如果在程序中使用了中断，中断事件发生时立即执行中断程序，中断程序可能在扫描周期的任意点上被执行。 7

24、立即IO处理 在程序执行过程中使用立即I0指令可以直接存取IO点。用立即I0指令读输入点的值时，相应的输入映像寄存器的值未被更新。用立即IO指令来改写输出点时，相应的输出映像寄存器的值被更新。 7/18/202232CH2 PLC的硬件结构与工作原理 下面用一个简单的例子来进一步说明可编程序控制器的扫描工作过程 图2-10中的可编程序控制器控制系统与图2-8中的继电器控制电路的功能相同。起动按钮SBl和停止按钮SB2的常开触点分别接在编号为0.1和0.2的输人端，接触器KM的线圈接在编号为0.0的输出端。如果热继电器FR动作其常闭触点断开后需手动复位，可将FR的常闭触点与接触器KM的线圈串联，

25、这样可以少用一个可编程序控制器的输入点。 图2-10梯形图中的I01与I02是输入变量，QO.0是输出变量，它们都是梯形图中的编程元件。I0.1与接在输入端子0.1的SBl的常开触点和输入映像寄存器，I0.1相对应，Q0.0与接在输出端子0.0的可编程序控制器内的输出电路和输出映像寄存器Q0.0相对应。 8PLC工作过程举例7/18/202233CH2 PLC的硬件结构与工作原理 PLC外部接线图与梯形图 异步电动机控制电路7/18/202234CH2 PLC的硬件结构与工作原理 梯形图以指令的形式储存在可编程序控制器的用户程序存储器中，图210中的梯形图与下面的4条指令相对应，“”之后是该指

26、令的注释。 LD I01 接在左侧母线上的I01的常开触点 O Q00 与I01的常开触点并联的Q00的常开触点 AN I02 与并联电路串联的I02的常闭触点 = Q00 Q00的线圈梯形图完成的逻辑运算为 Q0.0（Q0.0）I0.1I0.2返回7/18/202235CH2 PLC的硬件结构与工作原理9输入/输出滞后时间 输入输出滞后时间又称系统响应时间，是指可编程序控制器的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分组成。 输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声

27、，消除因外接输入触点动作时产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，有的可编程序控制器如S7-200的部分输入点的输入延迟时间可以设置。 返回7/18/202236CH2 PLC的硬件结构与工作原理 输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在10ms左右；双向晶闸管型输出电路在负载接通时的滞后时间约为1ms，负载由导通到断开时的最大滞后时间为10ms；晶体管型输出电路的滞后时间小于1ms。 由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达两个多扫描周期。 可编程序控制器总的响应延迟时间一般只有几十毫秒，对于一般的系统是无关紧要的。要求输入和输出信号之间

28、的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的可编程序控制器或采取其他措施。 返回7/18/202237CH2 PLC的硬件结构与工作原理2.3 S7-200系列PLC 231S7200新一代产品简介232 CPU模块 233数字量扩展模块 234模拟量扩展模块与热电偶、热电阻扩展模块 235 STEP7-MicroWIN编程软件简介 返回7/18/202238CH2 PLC的硬件结构与工作原理 西门子公司的SIMATIC S7-200系列属于小型可编程序控制器，可用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作-用。 S

29、7-200的可靠性高，可用梯形图、语句表(即指令表)和功能块图3种语言来编程。它的指令丰富，指令功能强，易于掌握、操作方便。内置有高速计数器、高速输出、PID控制器、RS-485通信编程接口、PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信功能，IO端子排可以很容易地拆卸。最大可扩展到248点数字量IO或35路模拟量IO，最多有30KB程序和数据存储空间。 231S7200新一代产品简介7/18/202239CH2 PLC的硬件结构与工作原理最新 升级的CPU224和226完全兼容老产品，运算速度提高40%程序存储区扩大了50%，数据存储区扩大了60%。全新的CPU224XP除具备升级CPU以外，

30、还集成了2路模拟量输入（10位）1路模拟量输出，2个485通讯口，高速脉冲输出频率提高到100KHZ，2相高速脉冲输入频率提高到100KHZ，有PID自整定功能。7/18/202240CH2 PLC的硬件结构与工作原理232 CPU模块 返回S7-200系列PLC有CPU21X和CPU22X两代产品，其中CPU22X型PLC有CPU221，CPU 222，CPU 224和CPU 226四种基本型号。 CPU单元 即PLC主机，也可称为基本单元。它内部包括中央处理器CPU，存储单元、输入输出接口、内置5V和24V直流电源、RS-485通信接口等，是PLC的核心部分。其功能足以使它完成基本控制功能

31、，所以CPU单元单独就是一个完整的控制系统。7/18/202241CH2 PLC的硬件结构与工作原理7/18/202242CH2 PLC的硬件结构与工作原理 S7-200系列的CPU模块外形结构图7/18/202243CH2 PLC的硬件结构与工作原理各CPU模块外形尺寸图CPU224CPU222CPU2217/18/202244CH2 PLC的硬件结构与工作原理各CPU模块外形尺寸图CPU224XPCPU2267/18/202245CH2 PLC的硬件结构与工作原理7/18/202246CH2 PLC的硬件结构与工作原理7/18/202247CH2 PLC的硬件结构与工作原理 CPU221

32、主机集成6输入/4输出共10个数字量I/O点。无I/O扩展能力。6KB程序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。1个RS-485通信/编程接口，具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力，是极适合于小点数控制系统的微型控制器。CPU222 主机集成8输入/6输出共14个数字量I/O点。6KB程序和数据存储空间。比CPU221增加了扩展能力，可连接2个扩展模块，可扩展最多64个I/O点和8路模拟量。CPU224 在CPU222的基础上，主机数字量I/O点增为14输入/10输出共24个。扩展能力大为加强，可连接7个扩展模块，最大扩展至168个数

33、字量I/O点或35路模拟量I/O 点。13KB程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。I/O端子排可很容易地整体拆卸，是具有较强控制能力的控制器。7/18/202248CH2 PLC的硬件结构与工作原理 CPU224XP 除具有CPU224的功能外，另集成 2输入/1输出共3个模拟量I/O点，程序和数据存储空间扩展为20KB，高速计数器与高速脉冲输出频率达100KHz。本机还新增位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等，是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。 CPU226 在CPU22

34、4的基础上功能进一步强大，主机增加到40个数字量I/O 点。最大扩展至248个数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。增加了通信接口数量，可以分别进行设置，同时与两个设备进行通信而互不干扰，通信功能大大加强。CPU226可用于较高要求的控制系统，更多的I/O点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能使其完全适应于复杂的中小型控制系统。CPU226XM 在原有的CPU 226的基础上将程序存储空间和数据存储空间扩大了一倍，其他指标未变。7/18/202249CH2 PLC的硬件结构与工作原理常用CPU模块订货信息7/18/202250CH2 PLC的硬件结构与工作原理S

35、7-200系列PLC功能强大，有着鲜明的特点。 (1) 自带高速计数器，有多个接口可以接受最高达30kHz的高速脉冲输入。可以同时做加减计数，连接两相相位差为90的A/B相增量编码器，可通过编程对高速计数功能相关状态字进行设置，得到多种对高速脉冲的计数模式。 (2) 具有高速脉冲输出接口，最大脉冲频率可达20kHz，能够直接用于定位控制。 (3) 存储空间大，并可由超级电容对数据进行长达190分钟的掉电保护，若选用存储卡，则可保存200天。 (4) 运算指令丰富，并具有实数运算功能，可实现复杂的计算和控制策略。并允许在程序中立即读写I/O接口，在一些需要立即响应的场合应用非常方便。 (5) 可

36、为模拟量和数字量输入设置滤波器，输入接口可以捕捉比CPU扫描速度更快的窄脉冲信号，便于适应复杂的工业环境。 (6) 内部配有+5V DC扩展电源，输出电流可达1000mA；+24V DC传感器电源或负载驱动电源，输出电流可达400mA。 (7) 具有RS-485通信接口，可与计算机、变频器、文本显示器、手持编程器等进行通信，交换数据、完成控制功能。7/18/202251CH2 PLC的硬件结构与工作原理S7-200CPU模块共同的技术指标 7/18/202252CH2 PLC的硬件结构与工作原理233 数字量扩展模块 用户选用具有不同IO点数的数字量扩展模块，可以满足不同的控制需要，节约投资费

37、用。系统规模扩大后，增加IO点数也很方便。用户可选用8点、16点和32点的数字量输入输出模块(见下表)，除CPU221外，其他CPU模块均可配接多个扩展模块，连接时CPU模块放在最左侧，扩展模块用扁平电缆与左侧的模块相连。 返回7/18/202253CH2 PLC的硬件结构与工作原理1. 数字量模块的主要特点 (1) 数字量扩展模块内部没有中央控制器，所以必须与CPU模块相连，使用CPU模块的寻址功能，对模块上的I/O接口进行控制。 (2) 数字量扩展模块须由CPU模块通过扩展接口提供正常工作所需的+5VDC电源，其外部不再提供工作电源。 (3) 数字量扩展模块I/O接口所需+24V DC电源

38、可以由CPU模块的传感器电源提供，但受到最大电流的限制，只能为部分接口提供电源，所以常用外部DC+24V开关电源为I/O接口供电。 (4) 扩展模块秉承了整体式PLC的结构特点，也吸收了模块式PLC便于扩展的优势，其结构紧凑，与CPU模块同宽同高而长度不同，扩展后与CPU形成一个整齐的长方体结构，十分方便在控制柜内整体安装。7/18/202254CH2 PLC的硬件结构与工作原理 S7-200系列PLC为方便工程使用，提供了种类丰富的数字量扩展模块，有单独的输入模块EM221(8路扩展输入)；有单独的输出模块EM222(8路扩展输出)；有I/O混合模块EM223(具有8I/O 、16I/O、3

39、2I/O等多种配置)。2. 数字量模块的型号与性能7/18/202255CH2 PLC的硬件结构与工作原理数字量扩展模块输入规范7/18/202256CH2 PLC的硬件结构与工作原理7/18/202257CH2 PLC的硬件结构与工作原理常用数字量输入扩展模块接线图7/18/202258CH2 PLC的硬件结构与工作原理7/18/202259CH2 PLC的硬件结构与工作原理数字量扩展模块输出规范7/18/202260CH2 PLC的硬件结构与工作原理数字量扩展模块输出规范7/18/202261CH2 PLC的硬件结构与工作原理7/18/202262CH2 PLC的硬件结构与工作原理常用数字

40、量输出扩展模块接线图7/18/202263CH2 PLC的硬件结构与工作原理 (1) 不同的主机最大可扩展模块数量有限，CPU221不能扩展，CPU222只能扩展两个模块，CPU224、CPU226能够扩展7个模块。 (2) 扩展模块消耗的总电流不能超过CPU模块能够提供的最大电流。 (3) 扩展总点数不能大于I/O映像寄存器的总数。因为CPU模块对数字量的寻址都是以8位寄存器为一个单位的，对数字量扩展模块也是相同的。若某一模块的数字量I/O不是8的整倍数，则余下的空地址也不会分配给其他模块。例如对于CPU224模块，本机输入地址为I0.0I0.7和I1.0I1.5，输出地址为Q0.0Q0.7

41、和Q1.0Q1.1。若扩展一个4输入、4输出的EM223数字量扩展模块，则扩展模块输入地址为I2.0I2.3，输出地址为Q2.0Q2.3。地址I1.6I1.7与Q1.2Q1.7都不能与外部接口对应，即它们是未用位。对于输出寄存器中没有使用的位，可以像使用内部存储器标志位一样使用。但对于输入寄存器中没有使用的位，由于每次输入更新时都把未用位清0，所以不能作为内部存储器标志位使用。3. 限制数字量模块扩展数量的几个因素7/18/202264CH2 PLC的硬件结构与工作原理234 模拟量扩展模块 热电偶、热电阻扩展模块 在工业控制中，某些输入量(如压力、温度、流量、转速等)是模拟量，某些执行机构(

42、如晶闸管调速装置、电动调节阀和变频器等)要求可编程序控制器输出模拟信号，而可编程序控制器的CPU只能处理数字量。模拟量首先被传感器和变送器转换为标准的电流或电压，如420mA、15V、010V，可编程序控制器用AD转换器将它们转换成数字量。这些数字量可能是二进制的，也可能是十进制的，带正负号的电流或电压在AD转换后用二进制补码表示。 返回7/18/202265CH2 PLC的硬件结构与工作原理 DA转换器将可编程序控制器的数字输出量转换为模拟电压或电流，再去控制执行机构。模拟量I0模块的主要任务就是实现AD转换(模拟量输入)和DA转换(模拟量输出)。 例如，在温度闭环控制系统中，炉温用热电偶或

43、热电阻检测，温度变送器将温度转换为标准电流或标准电压后送给模拟量输入模块，经AD转换后得到与温度成比例的数字量，CPU将它与温度设定值比较，并按某种控制规律对差值进行运算，将运算结果(数字量)送给模拟量输出模块，经DA转换后变为电流信号或电压信号，用来控制电动调节阀的开度，通过它控制加热用的天然气的流量，实现对温度的闭环控制。 AD、DA转换器的二进制位数反映了它们的分辨率，位数越多，分辨率越高，例如8位AD转换器的分辨率为128=038。模拟量输入输出模块的另一个重要指标是转换时间。7/18/202266CH2 PLC的硬件结构与工作原理在S7-200系列PLC中，除了CPU224XP模块本

44、身自带有模拟量I/O接口，其他CPU模块若要处理模拟量信号，均需扩展模拟量模块。 1. 模拟量模块种类 模拟量模块主要分为3种，即模拟量输入模块EM231(4路模拟量输入)、模拟量输出模块EM232(2路模拟量输出)和模拟量I/O组合模块EM235(4路模拟量输入、1路模拟量输出)。7/18/202267CH2 PLC的硬件结构与工作原理EM231输入原理框图7/18/202268CH2 PLC的硬件结构与工作原理EM235输入原理框图7/18/202269CH2 PLC的硬件结构与工作原理模拟量扩展模块输入规范7/18/202270CH2 PLC的硬件结构与工作原理模拟量输入数据格式7/18

45、/202271CH2 PLC的硬件结构与工作原理2.模拟量输入校准工作7/18/202272CH2 PLC的硬件结构与工作原理7/18/202273CH2 PLC的硬件结构与工作原理3.配置模拟量输入模块EM231配置开关使用说明7/18/202274CH2 PLC的硬件结构与工作原理EM235配置开关使用说明7/18/202275CH2 PLC的硬件结构与工作原理模拟量扩展模块输出规范7/18/202276CH2 PLC的硬件结构与工作原理EM232和EM235输出原理框图7/18/202277CH2 PLC的硬件结构与工作原理模拟量输出数据格式7/18/202278CH2 PLC的硬件结构

46、与工作原理模拟量输入扩展模块接线图7/18/202279CH2 PLC的硬件结构与工作原理模拟量输出扩展模块接线图7/18/202280CH2 PLC的硬件结构与工作原理模拟量输入/输出扩展模块接线图7/18/202281CH2 PLC的硬件结构与工作原理4将模拟量输入模块的输出值转换为实际的物理量 转换时应考虑变送器的输入输出量程和模拟量输入模块的量程，找出被测物理量与AD转换后的数字之间的比例关系。例21 某发电机的电压互感器的电压比为10kV100V(线电压)，电流互感器的电流比为1000A5A，功率变送器的额定输入电压和额定输入电流分别为ACl00V和5A，额定输出电压为DC10V，模

47、拟量输入模块将DC10 V输入信号转换为数字32 000+32 000。返回7/18/202282CH2 PLC的硬件结构与工作原理设转换后得到的数字为N，求以kW为单位的有功功率值。 解：根据互感器额定值计算的原边有功功率额定值为： 3X10000X1000=17321000(W)=17321(kW)由以上关系不难推算出互感器原边的有功功率与转换后的数字之间的关系为1732132000=05413kW。转换后的数字为N时，对应的有功功率为05413N(kW)，如果以kW为单位显示功率P，使用定点数运算时的计算公式为： P=NX541310 000(kW)返回7/18/202283CH2 PL

48、C的硬件结构与工作原理EM231热电偶、热电阻模块具有冷端补偿电路，如果环境温度迅速变化，则会产生额外的误差，建议将热电偶和热电阻模块安装在环境温度稳定的地方。热电偶输出的电压范围为土80mV，模块输出15位加符号位的二进制数。 EM231热电偶模块可用于J、K、E、N、S、T和R型热电偶，用户用模块下方的DIP开关来选择热电偶的类型。 热电阻的接线方式有2线、3线和4线3种。4线方式的精度最高，因为受接线误差的影响，2线方式的精度最低。EM231热电阻模块可通过DIP开关来选择热电阻的类型、接线方式、测量单位和开路故障的方向。连接到同一个扩展模块上的热电阻必须是相同类型的。改变DIP开关后必

49、须将可编程序控制器断电后再通电，新的设置才能起作用。 两种模块的采样周期为405ms(Pt l0000为700ms)，重复性为满量程的0.05。 返回7/18/202284CH2 PLC的硬件结构与工作原理235 STEP7-MicroWIN编程软件简介 STEP 7-MicroWIN是专门为S7-200设计的在个人计算机Windows操作系统下运行的编程软件，它的功能强大，使用方便，简单易学。CPU通过PCPPI电缆或插在计算机中的CP5511、CP5611通信卡与计算机通信。通过PCPPI电缆，可以在Windows下实现多主站通信方式。 STEP 7-MicroWIN的用户程序结构简单清晰

50、，即通过一个主程序调用子程序或中断程序，还可以通过数据块进行变量的初始化设置。用户可以用语句表(STL)、梯形图(LAD)和功能块图编程，不同的编程语言编制的程序可以相互转换，可以用符号表来定义程序中使用的变量地址对应的符号，例如指定符号“起动按钮”对应于地址100，使程序便于设计和理解。 PID控制器、可编程序控制器之间的网络数据传输、高速计数器和TD200文本显示器的编程和程序设计是S7-200程序设计中的几个难点，STEP 7MicroWIN为此设计了指令向导和TD200向导，通过对话方式，用户只需要输入一些参数，就可以实现参数设置，自动生成用户程序。用户还可以通过系统块来完成大量的硬件

51、设置。 STEP 7MicroWIN可为用户提供两套指令集，即SIMATIC指令集(S7-200方式)和国际标准指令集（IECl31-3方式)。通过调制解调器可实现远程编程，可用单次扫描和强制输出等方式来调试程序和进行故障诊断。 返回7/18/202285CH2 PLC的硬件结构与工作原理主界面各部分功能1菜单条引导条 指令树 程序编辑器 符号表 状态图表 数据块输出窗口 状态条 程序察看 局部变量表菜单条7/18/202286CH2 PLC的硬件结构与工作原理 编程软件的基本使用一、项目生成 1新建项目 (1) 确定PLC的CPU型号(2) 项目文件更名(3) 添加一个子程序(4) 添加一个

52、中断程序(5) 编辑程序2打开已有项目文件 3上装和下装项目文件 7/18/202287CH2 PLC的硬件结构与工作原理 以梯形图编辑器为例，语句表和功能块图编辑器的操作类似。1输入编程元件 梯形图的编程元件（编程元素）主要有线圈、触点、指令盒、标号及连接线。输入方法：指令树窗口中双击要输入的指令，就可在矩形光标处放置一个编程元件。工具条上的编程按钮。单击触点、线圈或指令盒按钮，从弹出的窗口下拉菜单所列出的指令中选择要输入指令单击即可。 二、程序的编辑与传送7/18/202288CH2 PLC的硬件结构与工作原理 2插入和删除 在编辑区右击要进行操作的位置，弹出图示的下拉菜单，选择“插入”或

53、“删除”选项，弹出子菜单，单击要插入或删除的项，然后进行编辑。也可用菜单“编辑”中相应的“插入”或“编辑”中的“删除”项完成相同的操作。7/18/202289CH2 PLC的硬件结构与工作原理3符号表 将梯形图中的直接地址编号用具有实际含义的符号代替。方法：在编程时使用直接地址（如I0.0），然后打开符号表，编写与直接地址对应的符号（如与I0.0对应的符号为start），编译后由软件自动转换名称。另一种是在编程时直接使用符号名称，然后打开符号表，编写与符号对应的直接地址，编译后得到相同的结果。7/18/202290CH2 PLC的硬件结构与工作原理4局部变量表（1）局部变量与全局变量 程序中的

54、每个POU（Program Organizational Unit，程序组织单元）都有64K字节L存储器组成的局部变量表。局部变量只在他被创建POU中有效。全局变量在各POU中均有效，只能在符号表（全局变量表）做定义。（2）局部变量的设置 将光标移到编辑器的程序编辑区的上边缘，向下拖动上边缘，则自动出现局部变量表，此时可为子程序和中断服务程序设置局部变量。7/18/202291CH2 PLC的硬件结构与工作原理5注释 梯形图编辑器中的Network n表示每个网络或梯级，同时又是标题栏，可在此为每个网络或梯级加标题或必要的注释说明。双击Network n区域，弹出图示的对话框，此时可以在“题目

55、”文本框键入相关标题，在“注释”文本框键入注释。6语言转换 语句表、梯形图和功能块图三种编程语言（编辑器）之间的任意切换。检视 STL（语句表）、LAD（梯形图）或FBD（功能块图）便可进入对应的编程环境。7/18/202292CH2 PLC的硬件结构与工作原理程序编辑完成，可用菜单“PLC”中的“编译”项进行离线编译。编译结束后在输出窗口显示程序中的语法错误的数量、各条错误的原因和错误在程序中的位置。双击输出窗口中的某一条错误，程序编辑器中的矩形光标将会移到程序中该错误所在的位置。必须改正程序中的所有错误，编译成功后才能下载程序。7编译用户程序7/18/202293CH2 PLC的硬件结构与

56、工作原理8程序的下载和清除 下载之前，PLC应处于STOP方式。单击工具栏的“停止”按钮，或选择菜单命令“PLC”中的“停止”项，可以进入STOP状态。如果不在STOP状态，可将CPU模块上的方式开关扳到STOP位置。 为了使下载的程序能正确执行，下载前必须将PLC存储器中的原程序清除。清除的方法是：单击菜单“PLC”中的“清除”项，会出现清除对话框，选择“清除全部”即可。 7/18/202294CH2 PLC的硬件结构与工作原理 程序监控与调试 一、选择扫描次数STEP7可选择单次或多次扫描来监视用户程序，可以指定主机以有限的扫描次数执行用户程序。通过选择主机扫描次数，当过程变量改变时，可监

57、视用户程序的执行。多次扫描时，应使PLC置于STOP模式，使用菜单命令“排错”中的“多次扫描”来指定执行的扫描次数，然后单击“确认”按钮。初次扫描时则将PLC置于STOP模式，然后使用菜单命令“排错”中的“单次扫描”进行。7/18/202295CH2 PLC的硬件结构与工作原理二、用状态表监控程序 使用状态表来监视用户程序，在程序运行时，可以用状态表来读、写监视和强制PLC的内部变量。并可以用强制表操作修改用户程序，如图示。7/18/202296CH2 PLC的硬件结构与工作原理1打开和编辑已有的状态表 单击目录树中的状态表图标，或菜单“检视”中的“状态表”选项均可打开已有的状态表，并对它进行

58、编辑。多个状态表，可用状态表底部的标签切换。2 创建新的状态表 用鼠标右键单击目录树中的状态表图标或单元已经打开的状态表，将弹出一个窗口，在窗口中选择“插入状态表”选项，可创建新的状态表。 7/18/202297CH2 PLC的硬件结构与工作原理3 启动和关闭状态表 STEP7与PLC的通信成功后，打开状态表，用菜单“排错”中的“图状态”选项或单击工具条上的“状态表”图标，可启动状态表，再操作一次可关闭状态表。4 单次读取状态信息 状态表被关闭时，用菜单命令“排错”中的“单次读取”或单击工具条上的“单项读取”按钮，可以获得PLC的当前数据，并在状态表中将当前数值显示出来，执行用户程序时并不进行

59、数据的更新。要连续收集状态表信息，应启动状态表。 7/18/202298CH2 PLC的硬件结构与工作原理在RUN方式且对控制过程影响较小的情况下，可对程序中的某些变量强制性地赋值。S7-200 CPU 允许强制性地给所有的I/O点赋值，此外最多还可改变16个内部存储器数据（V或M）或模拟量I/O（AI或AQ）。V或M可按字节、字或双字来改变，模拟量只能从偶字节开始以字为单位（如AIW6）来改变。强制的数据将永久性地存储在CPU的EEPROM中。5用状态表强制改变数值7/18/202299CH2 PLC的硬件结构与工作原理四、梯形图程序的状态监视利用梯形图编辑器可以监视在线程序运行状态的窗口。

60、梯形图中显示所有操作数的值，所有这些操作数状态都是PLC在扫描周期完成时的结果。直接打开梯形图窗口，在工具条中单击 “程序状态” 按钮。7/18/2022100CH2 PLC的硬件结构与工作原理致命错误 会导致PLC停止执行程序。CPU检测到致命错误时，自动进入STOP（停止）方式，点亮系统错误LED，并关闭输出。在消除致命错误之前，CPU一直保持这种状态。有些错误可能会使PLC无法进行通信，此时在计算机上看不到CPU的错误代码。这表示硬件出错，CPU模块需要修理，修改程序或清除PLC的存储器不能消除这种错误。非致命错误 非致命错误会影响CPU的某些性能，但不会使用户程序无法执行。运行错误 程