第3章 PLC 的组成及工作原理

§3.1PLC

的组成

§3.2PLC的工作原理

§3.3PLC

的分类

§3.4S7-200系列性能简介本章内容2/1/202313-1PLC的组成中央处理器：进行数学和逻辑操作的计算中心。存储器：存取数据和信息，存放着系统软件和用户程序。电源供应：将交流电（AC）转化为直流电（DC）。2/1/20232S7-300系列大、中型PLCS7-200系列小型PLC2/1/20233西门子S7-300系列2/1/202342/1/20235（一）中央处理器CPU：是系统运算、控制的中心。完成以下任务：①控制用户程序和数据的接收和存储；②诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编程中的语法错误；③用扫描的方式接收现场输入设备的状态和数据，送入存储器；④逐条读取指令，完成各种运算和操作。⑤将处理结果送至输出端。⑥响应各种外部设备的工作请求。

2/1/20236

微处理器的处理能力有两个因素决定：

位数——指一次能处理的数据的位数。

时钟频率——决定执行指令的快慢。微处理器比特大小时钟速度80858位1MHz808616位4.77MHz8018616位8MHz8028616位12.5MHz8038632位33MHz8048632位50MHzPentium32/64位1.2GHz2/1/20237（二）存储器：系统存储器：用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM中，用户不能更改。系统程序由三部分组成：系统管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块及系统调用。2/1/20238用户存储器：包括用户程序存储器和数据存储器两部分。数据存储器中存放用户程序中所使用器件的状态和数值等。注意：PLC产品手册中给出的“存储器类型”和“程序容量”是针对用户程序存储器而言的。2/1/20239

PLC使用的存储器类型：

①随机存取存储器（RAM）可读可写，易失性，工作速度高，价格便宜，改写方便。存放运行时的用户程序和数据。

②只读存储器（ROM）只读不能写，非易失性的。保存系统程序。

③可电擦除可编程的只读存储器（EEPROM）非易失性的，可读可写。用来保存用户程序和需长期保存的重要数据。2/1/2023102/1/202311功能：通过各类接口模块的外接线，实现对工业设备或生产过程的检测和控制。问题：实际生产中的信号电平多种多样外部执行机构所需的电平也是多种多样

PLC的CPU所处理的只能是标准电平解决：通过I/O接口实现信号电平的转换。数字量、模拟量；交流、直流；晶体管、继电器

（三）输入输出模块：2/1/202312功能：将外部过程的数字量信号转换成PLC的CPU模块所需要的信号电平，并送到系统总线上。类型：直流输入，交流输入（1）开关量输入模块：2/1/202313接收输入信号的状态把输入信号转换成直流电电气隔离产生可被CPU检测到的输出2/1/202314

（2）开关量输出模块功能：将PLC的CPU模块的TTL电平转换成外部过程所需要的信号电平，并以此来驱动外部过程的执行机构、显示灯等负载。类型：晶体管输出方式场效应管输出方式固体继电器输出方式2/1/202315

①继电器输出型：为有触点输出方式，用于接通或断开开关频率较低的直流负载或交流负载回路。继电器输出型2/1/202316②晶闸管输出型：为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的交流电源负载。（b）晶闸管输出型2/1/202317③晶体管输出型：为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的直流电源负载。（c）晶体管输出型（NPN集电极开路）（d）

晶体管输出型（PNP集电极开路）2/1/202318

（3）模拟量输入模块功能：将模拟量信号转换成PLC所能接收的数字信号。类型：电压输入、电流输入主要性能指标：输入通道数：4路、8路、16路输入信号：电压信号、电流信号

A/D转换位数：8位、10位、12位、14位转换精度：0.01%—0.5%

线性度（满量程）：+0.05%

转换时间：小于50ms2/1/202319

（4）模拟量输出模块功能：将PLC内部输出的数字量转换成外部生产过程所需的模拟信号。类型：电压输出、电流输出主要性能指标：输出信号：电压信号、电流信号转换位数：8位、10位、12位、14位输出响应时间：30ms左右分组：2点、4点、8点2/1/202320

（四）电源供应

PLC的电源是指将外部输入的交流电处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输入输出接口等内部电路工作需要的直流电源电路或电源模块。许多PLC的直流电源采用直流开关稳压电源，不仅可提供多路独立的电压供内部电路使用，而且还可为输入设备提供标准电源。

2/1/202321（1）编程器

功能：用来输入和编辑用户程序，并对程序进行编辑检查和修改，还可以用来监视PLC运行时用户软件中各编程元件的工作状态。

类型：手持编程器：使用方便、价格低廉，不直观。用通用计算机作为编程器：比手持编程工具更加直观和方便。

（五）编程器及外部设备2/1/202322（2）外部设备人/机接口装置

外存储器打印机2/1/202323

若主机单元的I／O点数不能满足需要时，可通过此接口用扁平电缆线将I／O扩展单元与主机相连，以增加I／O点数。PLC的最大扩展能力主要受CPU寻址能力和主机驱动能力的限制。

（六）I/O扩展接口2/1/202324

1．PLC的控制机制继电器控制电路的特点：并行

（只要条件满足就执行）计算机：顺序执行+中断PLC

:扫描+串行+中断+立即读+立即写

3-2

PLC

的工作原理2/1/202325

2．PLC的工作原理

PLC采用循环扫描的方式工作。

工作模式：

STOP:CPU不执行用户程序，可以装载程序和配置CPU

RUN：CPU执行用户程序2/1/202326RUN/STOP模式动画演示2/1/202327RUN模式动画演示2/1/202328

（1）输入采样：

PLC以扫描工作方式顺序读入输入端子的状态，并把这些状态存入到输入映像寄存器。这些状态要保持到下一次的读取输入，在执行程序和输出刷新时状态不会发生改变。2/1/202329

（2）执行程序：

按照先左后右，先上后下的顺序对每条指令进行扫描，同时①读入所有的状态②求解控制逻辑③把求解结果存入到输出映像寄存器2/1/202330

（3）输出刷新：

把映像寄存器中所有的输出寄存器状态输出到锁存电路并驱动负载。2/1/202331实例：2/1/2023323．PLC输入/输出滞后问题

定义：从PLC系统的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间称为I/O响应时间。

主要原因：①输入滤波电路②输出继电器触点机械运动③PLC扫描工作方式2/1/202333

A：输入B：执行C：输出实例：2/1/202334

注意：如果第一行与第二行交换可减少一个扫描周期的延迟，这种延迟与程序有关。

说明：PLC延迟一般在几十毫秒之间，对一般的系统无关紧要。对快速系统要给与足够的考虑。

处理方法：①扫描速度快的PLC②高速计数器③中断模块2/1/202335

1．从规模上根据PLC的输入输出点数，可分为：小型：256点以下中型：2048点以下大型：2048点以上3-3

PLC的分类2/1/202336公司机型1K字处理速度/ms储存容量/KBI/O点数美国MODICON984-13X4.254256984-14X4.258256984-38X3-54-16256日本OMRONC60P4-951.19120C1203-832.2256CQM10.5-103.2－7.2256日本三菱FX20.742-8256德国SIEMENS5-100U702128S7-2000.8-1.22256小型机例：2/1/202337公司机型1K字处理速度/ms储存容量/KBI/O点数美国MODICON984-48X34－161024984-68X1-28－161024984-78X1.516－321024日本OMRONC200H0.75-2.256.61024C1000H0.4-2.43.81024CV10000.125-0.375621024日本富士HDC-1002.5421792德国SIEMENS5-115U2.5421024S7-3000.3-0.612-1921024中型机例：2/1/202338公司机型1K字处理速度/ms储存容量/KBI/O点数美国MODICON984A0.7516-322048984B0.7532-642048日本OMRONC2000H0.4-2.430.82048CV20000.125-0.175622048日本三菱F2002.5323200德国SIEMENS5-150U24804096S7-4000.3-0.6512131072大型机例：2/1/202339

2．从结构上（1）整体式结构（一体式、小型）结构紧凑、体积小、功能齐全、性价比较高使用不灵活，维修困难，故障影响面大

2/1/202340（2）模块式结构（中、大型）组成灵活、硬件配置余地大、维修方便；结构复杂，插件较多2/1/202341（3）混合式结构集中了结构式和模块式的优点，扩充性能好，模块丰富。2/1/202342

3．PLC的几种流派及典型PLC产品世界上PLC生产厂家约200多家，生产的产品大约400多种。按地域分为三个流派：美国：AB公司SLC-50系列，SLC-5/3/2GE公司GE系列

MODICON公司84系列

2/1/202343

欧洲：西门子公司S5系列S7系列日本：三菱公司FX系列A系列F系列立石公司（OMRON）

CQM1系列C200HCVM1

松下公司FP系列

2/1/202344

3-4

S7-200系列性能简介LOGO!S7-300S7-400S7-300C中/大型High-endrange/mediumrangeS7-400中/小型Low-endrangeS7-300通用逻辑模块S7-200微型PLCS7-2001．SIMATICS7系列产品2/1/202345

2．S7-200系列PLCCPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU

2262/1/202346

3．S7-200CPU模块的主要性能指标

CPU224XP

12K字节10K字节14/10

32+2/32+10.37us256256256256内置标准标准6个30Khz2个20Khz2xRS485用户程序区数据存储区

CPU内置DI/DO点数

AI/AO点数扫描时间/1条指令最大DI/DO点数位存储区计数器计时器时钟功能数字量输入滤波模拟量输入滤波高速计数器脉冲输出通讯口

CPU2224K字节2K字节8/616/160.37us256256256256

可选标准标准

4个30Khz2个20Khz

1xRS485

CPU2214K字节2K字节6/4无0.37us256256256256可选标准

N/A

4个30Khz2个20Khz

1xRS485

CPU2248K字节8K字节14/1032/320.37us256256256256

内置标准标准6个30Khz2个20Khz

1xRS485

CPU226

16K字节10K字节24/1632/320.37us256256256256内置标准标准6个30Khz2个20Khz2xRS4852/1/202347

4．S7-200扩展模块8DI16DI8DO(DC,ACorrelay)4DO5A4DO10A4AI4AI/1AO2AO

2AIor4AIThermocouplesRTDmodules

PROFIBUSDPAS-i-Master

ModemEthernet4DI/4DO8DI/8DO16DI/16DOTeleservice

Communi-cation

MessagingPositionmoduleforsteppersolution模拟量I/O模块测温模块通讯扩展模块Modem模块定位模块数字量I/O模块以太网模块(IT)Ethernetmodule（1）模块介绍2/1/202348（2）I/O模块的扩展性能CPU221:数字量6入/4出点CPU222:40入/38出=78数字量模拟量8入或4出或8入/2出CPU224:94入/74出=168数字量模拟量28入或14出或28入/7出最大7个模块最大7个模块最大2个模块无扩展能力CPU226:128入/120出=248数字量模拟量28入或14出或28入/7出

2/1/202349

（3）模块扩展方式扁平电缆的连接方式，提高抗震动性能可扩展多种模块，无槽位限制2/1/202350

5．S7-200安装方式安装方式墙面安装导轨安装

接线端子可自由拆卸给系统的设备更新与维护带来方便扁平电缆连接外部存储卡运行/停止开关

扩展I/O连接口外部电位器(SMB28,SMB290-255)2/1/202351

6．S7-200编程接口2/1/202352

7．S7-200扩展功能

(1)数字量、模拟量滤波功能

通过软件设置输入口的滤波常数（0.2ms--12.8ms）每四个输入点为一组；根据不同的噪声，选择不同的滤波常数，有利于噪声的滤除。2/1/202353

(2)脉冲捕捉功能

此功能可以把脉冲宽度小于机器扫描周期的脉冲捕捉到，确保脉冲不丢失，为了使此功能得以实现，调整滤波常数，使得系统不会滤掉被捕捉的脉冲。每个CPU内置的数字量输入点均可独立地设置脉冲捕捉功能2/1/202354

(3)高速计数器

由于PL