PLC的硬件和工作原理

PLC的硬件结构及工作原理第1章PLC主要内容二、PLC的硬件组成三、S7-200PLC的系统配置四、PLC的工作原理一、概述一概述（一）PLC的产生和历史

继电器控制系统缺点：通常是针对某一固定的动作顺序或生产工艺而设计，他的控制功能也局限于逻辑控制、定时、计数等一些简单的控制，一旦动作顺序或生产工艺发生变化，就必须重新进行设计、布线、装配和调试，造成时间和资金的严重浪费。继电器控制系统体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差。

为了改变这一现状，1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号不断更新的需求，并能在竞争激烈的汽车工业中占有优势，提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。为此，拟定了10项公开招标的技术要求

1、编程简单，可在现场修改程序

2、维护方便，最好是插件式

3、可靠性高于继电器控制柜

4、体积小于继电器控制柜

5、可将数据直接送入管理计算机

6、在成本上可与继电器控制柜竞争

7、输入可以是交流115V

8、输出可以是交流115V，2A以上，可直接驱动电磁阀等

9、在扩展时，原有系统只要很小变更

10、用户程序存储器容量至少能扩展到4K

根据招标的技术要求，1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台PLC，并在通用汽车公司自动装配线上试用成功。

设计思想：

吸取继电器和计算机两者的优点☆继电器控制系统体积大、可靠性低、接线复杂、不易更改、查找和排除故障困难，对生产工艺变化的适应性差，但简单易懂、价格便宜；☆计算机功能强大、灵活（可编程）、通用性好，但编程困难；☆采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。（梯形图）

1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了他们的第1台PLC。1973年，西欧国家也研制出他们的第1台PLC。我国从1974年开始研制，到1977年开始应用于工控领域。在这一时期，PLC虽然采用了计算机的设计思想，但实际上PLC只能完成顺序控制，仅有逻辑运算等简单功能，所以人们将它称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称为PLC。◆70年代初期：

仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）◆70年代中期：

微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能◆

80年代以后：随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。PLC不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能。为此，美国电气制造协会将可编程序逻辑控制器，正式命名为可编程序控制器（ProgrammableController），简称PC。但由于PC容易和个人计算机PC（PersonalComputer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的简称。近年来PLC发展迅速

PLC集三电（电控、电仪、电传）为一体、性能价格比高、高可靠性的特点，已成为自动化工程的核心设备。

PLC成为具备计算机功能的一种通用工业控制装置，其使用量高居首位。

PLC成为现代工业自动化的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。 PLC的发展

20世纪70年代末至80年代初期，微处理器日趋成熟，使PLC的处理速度大大提高，增加了许多功能。在软件方面，除了保持原有的逻缉运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理、网络通信、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块，并扩大了存储器的容量，而且还提供一定数量的数据寄存器。为此，美国电气制造协会将可编程序逻辑控制器，正式命名为可编程序控制器（ProgrammableController），简称PC。但由于PC容易和个人计算机PC（PersonalComputer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的简称。

（二）可编程控制器PLC的定义1985年，国际电工委员会(IEC)对PLC作出如下定义：可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的，模拟的输入和输出，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的外围设备，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。

由该定义可知：PLC是一种由“事先存储的程序”来确定控制功能的工控类计算机。

PLC是按照成熟而有效的继电器控制概念和设计思想，利用不断发展的新技术、新电子器件，逐步形成了具有特色的各种系列产品，是一种数字运算操作的专用电子计算机。它是将逻辑运算，顺序控制，时序和计数以及算术运算等控制程序，用一串指令的形式存放到存储器中，然后根据存储的控制内容，经过模拟，数字等输入输出部件，对生产设备和生产过程进行控制的装置。（三）、PLC的现状及发展趋势

1969年美国数据设备公司（DEC）研制了第一台PLC，从此PLC发展迅猛。

我国改革开放后，美国AB、GE、MODICON、TI，日本OMRON、三菱、富士，德国西门子等厂家的产品不断进入我国，并在各行各业的工控系统中占据重要地位。PLC三大流派欧洲：德国的西门子(SIEMENS)、AEG及法国的TE公司美国：A-B（Allen-Bradly）(其产品约占美国PLC市场50％的份额。)、GE（GeneralElectric）、莫迪康(MODICON)公司、德州仪器(TI)公司、歌德(Gould)公司、西屋公司日本：三菱、欧姆龙（OMRON）、富士（FUJI）、日立、东芝、松下等。日本主要发展中小型PLC，在世界小型PLC市场上，日本产品约占有70％的份额。

目前国内市场还有韩国、台湾等PLC产品；现在市场上出现了系列化的国产PLC，其价格相对低廉，性价比较高。国内生产厂家

1974年我国开始仿制美国的第二代PLC产品，但因元器件质量和技术问题等原因未能推广。直到1977年，我国才研制出第一台具有实用价值的PLC，并开始批量生产和应用于工业过程的控制。主要厂家有：北京和利时，科迪纳，张前苏。洛阳易达，无锡信捷，南京嘉华，兰州全志，广州科赛恩，中山智达，恒日等。PLC的发展趋势（1）向高速度、大存储容量方向发展（CPU处理速度nS级；内存2M字节）（2）向多品种方向发展和提高可靠性（超大型和超小型）（3）产品更加规范化、标准化（硬件、软件兼容的PLC）（4）分散型、智能型、与现场总线兼容的I／0（5）加强联网和通信的能力（6）控制的开放和模块化的体系结构OMAC（openModularArchitectureforControl）(四)、PLC的特点通用性强，使用方便功能强，适应面广可靠性高，抗干扰能力强控制程序可变具有很好的柔性编程方法简单，容易掌握PLC控制系统的设计、安装、调试和维修工作少.极为方便。控制程序变化方便.具有很好的柔性。体积小、重量轻、功耗低(五)、PLC的基本功能1逻辑控制功能2定时控制功能3计数控制功能4数据处理功能5监控功能6停电记忆功能7故障诊断功能1逻辑控制功能

逻辑控制功能是PLC最基本功能之一,是PLC最基本的应用领域，可取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。在单机控制、多机群控和自动生产线控制方面都有很多成功的应用实例。

例如：机床电气控制、起重机、皮带运输机和包装机械的控制、注塑机控制、电梯控制、饮料灌装生产线、家用电器(电视机、冰箱、洗衣机等)自动装配线控制、汽车、化工、造纸自动生产线控制等。

2定时控制功能

定时控制功能是PLC的最基本功能之一。

PLC中有许多可供用户使用的定时器，功能类似于继电器线路中的时间继电器。定时器的设定值(定时时间)可以在编程时设定，也可以在运动过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。同时PLC还提供了高精度的时钟脉冲，用于准确实时控制。

3计数控制功能

计数控制功能是PLC的最基本功能之一。

PLC为用户提供许多计数器，计数器计数到某一数值时，产生一个状态信号(计数值到)，利用该状态信号实现对某个操作的计数控制。计数器的设定值可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改。传感器旋转编码器变频器等计数输入输入复位0000000001000024数据处理功能

PLC大部分都具有数据处理功能，可以实现算术运算、数据比较、数据传送、数据移位、数制转换译码编码等操作。中、大型PLC数据处理功能更加齐全，可完成开方、PID运算、浮点运算等操作，还可以和CRT、打印机相联，实现程序、数据的显示和打印。5监控功能PLC设置了较强的监控功能。利用编程器或监视器，操作人员可以对PLC有关部分的运行状态进行监视。利用编程器，可以调整定时器、计数器的设定值和当前值，并可以根据需要改变PLC内部逻辑信号的状态及数据区的数据内容，为调整和维护提供了极大的方便。6停电记忆功能PLC内部的部分存储器所使用的RAM设置了停电保持器件（备用电池等），以保证断电后这部分存储器中的信息能够长期保存。利用某些记忆指令，可以对工作状态进行记忆，以保持PLC断电后的数据内容不变。

PLC电源恢复后，可以在原工作基础上继续工作。7故障诊断功能PLC可以对系统构成、某些硬件状态、指令的合法性等进行自诊断，发现异常情况，发出报警并显示错误类型，如属严重错误则自动中止运行。

PLC的故障自诊断功能，大大提高了PLC控制系统的安全和可维护性。(六)、PLC与其他工业控制系统的比较PLC与继电器控制系统比较继电器控制采用硬接线方式装配而成，只能完成既定的功能。PLC控制只要改变程序并改动少量的接线端子，就可适应生产工艺的改变。从适应性、可靠性及设计、安装、维护等各方面进行比较。传统的继电器控制大多数将被PLC所取代。

与工业计算机比较工业控制机控制要求开发人员具有较高的计算机专业知识和微机软件编程的能力。PLC采用了采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用，便于推广应用。PLC是专为工业现场应用而设计的，具有更高的可靠性。在模型复杂、计算量大且较难、实时性要求较高的环境中，工业控制机则更能发挥其专长。二、PLC的硬件组成PLC中央处理器存储器输入输出口电源外部设备PLC结构框图由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。CPU的主要功能：从存储器中读取指令执行指令处理中断CPU在PLC中，存储器主要用于系统程序、用户程序、数据

随机存取存储器（RAM）---断电易失只读存储器（ROM）---存放系统程序可编程只读存储器（EEPROM）---存放用户程序输入输出接口PLC外接实物图输入接口电路输出接口电路PLC外接实物图按钮传感器行程开关接触器发光管指示灯扬声器电磁阀输入接口电路开关量输入接口直流输入单元交流输入单元作用：把现场的开关量信号变成PLC内部处理的标准信号直流输入电路

现场开关通/断状态，对应输入映象寄存器的1/0状态，即当现场开关闭合时，对应的输入映象寄存器为“1”状态；当现场开关断开时，对应的输入映象寄存器为“0”状态。当输入端的发光二极管VL点亮，即指示现场开关闭合。外部直流电源用于检测输入点的状态，其极性可以任意接入。交流输入电路

交流输入模块的输入电路中，当现场开关闭合后，交流电源经C、R2、双向光电耦合器的发光二极管，使发光二极管发光，经光电耦合，光电三极管接收光信号，并将该信号送至PLC内部电路，供CPU处理。双向发光二极管VL指示输入状态。电流信号模拟量输入接口作用：把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合PLC内部处理的由若干位二进制数字表示的信号电压信号输出接口电路作用：把PLC内部的标准信号转换成现场执行机构所需的开关量信号开关量输出接口类型：继电器型晶体管型可控硅型PLC继电器负载COMＰＬＣ内部电路ＰＬＣ外围电路继电器型PLC继电器输出电路形式允许负载一般是AC250V/50V以下，负载电流可达2A，但PLC的输出一般不宜直接驱动大电流负载（一般通过一个小负载来驱动大负载，如PLC的输出可以接一个电流比较小的中间继电器，再由中间继电器触点驱动大负载，如接触器线圈等）。

PLC继电器输出电路的形式继电器触点的使用寿命也有限制（一般数十万次左右，根据负载而定，如连接感性负载时的寿命要小于阻性负载）。此外，继电器输出的响应时间也比较慢（10ms）左右，因此，在要求快速响应的场合不适合使用此种类型的电路输出形式。PLC负载COM24V晶体管型

晶体管输出型电路的外接电源只能是直流电源。另外，晶体管输出驱动能力要小于继电器输出，允许负载电压一般为DC5V～30V，允许负载电流为0.2A～0.5A。晶体管输出电路的形式主要有两种：NPN和PNP型集电极开路输出。若是NPN负载，L接正，COM接负；若是PNP负载，L接负，COM接正。晶闸管型

双向晶闸管输出的驱动能力要比继电器输出的要小，允许负载电压一般为AC85～242V；单点输出电流为0.2A～0.5A，当多点共用公共端时，每点的输出电流应减小（如单点驱动能力为0.3A的双向晶闸管输出，在4点共用公共端时，最大允许输出为0.8A/4点）。

作用：将PLC运算处理后的数字量信号转换为模拟量输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需求。模拟量输出接口电源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（传感器）提供标准电源。外部设备编程器其他外部设备编程器COM2COM3COM1其他外部设备三、S7-200PLC的系统配置目前，S7-200PLC主要有CPU221（I/O点数不能扩展）、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226（可以连接扩展I/O模块与功能模块）这五种规格。虽然外形略有差别，但基本结构相同或类似。输入/输出（I/O）点数：PLC的I/O点数是指PLC的I/O接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数的总和。I/O点数是选择PLC的重要依据之一。当I/O点数不够时，可通过PLC的I/O扩展接口对系统进行扩展。按PLC输入、输出点数的多少可将PLC分为以下三类。

（1）小型机总点数一般在256点以下，用户程序存储器容量在4K字左右。小型PLC的功能一般以开关量控制为主，适合单机控制和小型控制系统。

（2）中型机

总点数在256~2048点之间，用户程序存储器容量达到8K字左右。中型机适用于组成多机系统和大型控制系统。

(3)

大型机

总点数载2048点以上，用户程序存储器容量达到16K字以上。大型机适用于组成分布式控制系统和整个工厂的集散控制网络。（1）S7-200CPU的外形

状态指示灯：指示CPU的工作方式（RUN、STOP）、系统错误状态(SF/DIAG故障/诊断)、主机I/O的当前状态。

存储器卡接口：可以插入存储器卡。

通信口：连接RS-485总线的通信电缆，是PLC主机实现人-机对话、机-机对话的通道。通过它，PLC可以和编程器、彩色图形显示器、打印机等外部设备相连，也可以和其他PLC或上位机相连。（1）S7-200CPU的外形

顶部端子盖下面是输出端子和PLC供电电源端子。输出端子的运行状态可由指示灯显示，ON状态对应的指示灯亮。底部端子盖下面是输入端子和传感器电源端子。输入端子的运行状态可由指示灯显示，ON状态对应的指示灯亮。前盖下面有运行、停止开关和扩展模块接口。将开关拨向STOP位置时，PLC处于停止状态，此时可以对其编写程序；将开关拨向RUN位置时，PLC处于运行状态，此时不能对其编写程序；将开关拨向TERM位置时，可以运行程序，同时还可以监控程序运行的状态。扩展模块接口用于实现I/O扩展。S7-200CPU外部端子接线图

图中为S7-200CPU226AC/DC/继电器模块的外部端子接线图。AC表示PLC采用交流电源供电；DC表示输入模块为直流输入模块；继电器表示输出采用继电器方式输出。

24个数字量输入点被分为2组。每个外部输入开关信号均由各输入端子接入，经一个直流电源接至公共端1M、2M。由于是直流输入模块，采用直流电源作为检测各输入点状态的电源。M、L+两个端子提供DC24V/400mA传感器电源，可以作为传感器电源，也可以作为输入端的检测电源。S7-200CPU外部端子接线图

16个数字量输出点被分为3组。每个负载的一端与输出端相连，另一端经电源与公共端相连。由于是继电器输出方式，所以既可带直流负载，也可带交流负载，由负载性质决定。输出端子排的右端N、L1端子是供电电源AC120V/240V输入端。电源电压的允许范围是AC85~264V。S7-200CPU226AC/DC/继电器模块的外部端子接线图

数字量模块

模拟量模块

当S7-200PLC主机的I/O点数不能满足控制要求时，可以选配各种输入/输出接口模块来扩展。通常，I/O扩展包括I/O点数扩展和功能扩展两类。S7-200PLC可扩展的接口模块有：1.数字量输入模块

2.数字量输出模块

3.数字量输入输出模块模块名称模块描述DC+5V电流消耗数字量输入模块EM221DI8×24VDC30mAEM221DI8×120/230VAC30mAEM221DI16×24VDC70mA数字量输出模块EM222DO4×24VDC40mAEM222DO4×继电器30mAEM222DO8×24VDC50mAEM222DO8×120/230VAC110mAEM222DO8×继电器40mA数字量输入输出模块EM223DI4/DO4×24VDC40mAEM223DI4/DO4×24VDC/继电器40mAEM223DI8/DO8×24VDC80mAEM223DI8/DO8×24VDC/继电器80mAEM223DI16/DO16×24VDC160mAEM223DI16/DO16×24VDC/继电器150mAEM223DI32/DO32×24VDC240mAEM223DI32/DO32×24VDC/继电器205mAS7-200PLC数字量扩展模块一览表1）外部接线图：

直流输入模块（EM2218×24VDC）有8个数字量输入端子。接线图中，8个数字量输入点分成2组。1M、2M分别是2组输入点内部电路的公共端，每组需用户提供一个24VDC电源。数字量输入模块

1）外部接线图：

直流输出模块（EM2228×24VDC），有8个数字量输出点，接线图中8个数字量输出点分成2组。1L+、2L+分别是两组输出点内部电路的公共端，每组需用户提供一个DC24V的电流。数字量输出模块

主机加扩展模块的最大I/O配置

S7-200PLC主机带扩展模块进行扩展配置时会受到相关因素（主机的技术指标）的限制。每种主机的最大I/O配置必须服从以下限制：1.允许主机所带扩展模块的数量

CPU221模块（整体型PLC）不允许带扩展模块；CPU222模块最多可带2个扩展模块；CPU224模块、CPU224XP模块、CPU226模块最多可带7个扩展模块，且7个扩展模块中最多只能带2个智能扩展模块。

输入输出扩展设备连接(a)面板安装(b)标准导轨安装I/O点数的扩展与编址

编址：对I/O模块上的I/O点进行编码，以便程序执行时可以唯一地识别每个I/O点。

方法是：同种类型输入点或输出点的模块进行顺序编制，其他类型模块的有无及所处的位置都不影响本类型模块的编号。

具体有以下几个原则：

1)S7-200CPU有一定数量的本机I/O，本机I/O有固定的地址。可以用扩展I/O模块来增加I/O点数，扩展模块安装在主机的右边，其I/O点的地址由模块类型和同类I/O模块链中的位置决定，按照由左到右的顺序对地址编码依次排序。

2)数字量I/O点的编址是以字节长(8位)为单位，采用存储器区域标识符(I或Q)、字节号、位号的组成形式，在字节号和位号之间以点分隔。如I0.3、Q1.2等。

3)数字量扩展模块是以一个字节(8位)递增的方式来分配地址的，若本模块实际位数不满8位，未用位不能分配给I/O链的后续模块。

例如：CPU224有10个输出点，但它要占用逻辑输出区16个点的地址。而一个4DI/4DO模块占用逻辑空间8个输入点和8个输出点。

4)模拟量I/O点的编址是以字长(16位)为单位，在读/写模拟量信息时，模拟量I/O以字为单位读/写。模拟量输入只能进行读操作，模拟量输出只能进行写操作。每个模拟量I/O点地址由存储器区域标识符（AI或AO）、数据长度标志位（W）、字节地址（偶数）组成。模拟量端口的地址从0开始，以2递增，不允许奇数编址。

5)模拟量扩展模块是以2个端口(4字节)递增的方式来分配地址的，就是每个模拟量扩展模块至少占用两个端口的地址。例如：EM235模块有4个模拟量输入和1个模拟量输出，但它占用了4个输入端口的地址和2个输出端口的地址。

举例：基本单元采用CPU224，扩展单元由1个EM221模块、1个EM223模块、2个EM235模块构成，模块的链接形式和各模块的编址情况如图所示。各模块的链接形式：主机模块1模块2模块3模块4CPU2248IN4IN/4OUT4AI/1AQ4AI/1AQI0.0

Q0.0

I0.1

Q0.1

I0.2

Q0.2

I0.3

Q0.3

I0.4

Q0.4

I0.5

Q0.5

I0.6

Q0.6

I0.7

Q0.7

I1.0

Q1.0

I1.1

Q1.1

I1.2

I1.3

I1.4

I1.5

I2.0

I2.1

I2.2

I2.3

I2.4

I2.5

I2.6

I2.7I3.0

Q2.0

I3.1

Q2.1

I3.2

Q2.2

I3.3

Q2.3AIW0

AQW0

AIW2

AIW4

AIW6AIW8

AQW4

AIW10

AIW12

AIW14各模块的编址情况四、PLC的工作原理PLC采用循环扫描工作方式，这个工作过程一般包括如下阶段：读取输入、执行用户程序、输出刷新，通信处理等，如图所示。PLC在工作状态时，执行一次上述的扫描操作所需要的时间称为扫描周期。1.循环扫描

启动按钮SB1和停止按钮SB2的常开触点分别接在PLC的I0.0和I0.1上，接触器KM的线圈接在PLC的Q0.0端。梯形图中I0.