第二章 PLC的硬件与编程软件的使用方法2

第2章PLC的硬件组成与工作原理

PLC是以计算机技术为基础的新型工业装置，它最初用来替代继电器实现逻辑控制，随着技术的发展，PLC的功能大大超过了逻辑控制的范围，PLC有硬件和软件两部分组成。硬件系统主要有：CPU、存储器、输入单元和输出单元，还有各种外接模块，如通信接口、扩展接口等。软件系统主要是系统软件和应用软件一、PLC硬件CPU:CPU是PLC的核心，每套PLC至少有一个CPU，CPU主要是z80、8086、8031、8096和专用微处理器存储器：只读存储器ROM、PROM、EPROM、E²ROM

随机存储器RAM由3部分组成：

1、I/O映像区（开关量I/O、模拟量I/O）；

2、编程软件存储区；

3、用户与数据存储区。

图2-3直流输入电路

1.

输入模块

同一组输入点各内部输入电路的公共点I/O接口是PLC能够接受和输出信号的个数成为I/O点数，是选用PLC的重要依据。输入——进入PLC输出——控制外部设备作用——电平变换、速度匹配、驱动功率放大、信号隔离等PLC通常有三种输入方式：直流、交流、交直流输入方式

由PLC内置24V电源或外部直流电源供电继电器输出电路

2.

输出模块

输出电路一般分为若干组，输出电流的额定值与负载的性质有关，每一组的总电流也有限制。

可驱动直流或交流负载。电压范围广，过载能力强，但速度慢，寿命较短。场效应管输出电路

只能驱动直流负载。过载能力差，但速度快，可靠性高，寿命长。双向晶闸管输出接口电路示意图输出LED～OUT

OUTCOMLL内部电路只能驱动交流负载。过载能力强，速度快。（1）继电器输出：

优点是不同公共点之间可带不同的交、直流负载，且电压也可不同，带负载电流可达2A／点；但继电器输出方式不适用于高频动作的负载，这是由继电器的寿命决

定的。其寿命随带负载电流的增加而减少，一般在几十万次至几百万次之间，有的公司产品可达1000万次以上，响应时间为10ms。

（2）晶闸管输出：

带负载能力为0.2A/点，只能带交流负载，可适应高频动作，响应时间为1ms。

（3）晶体管输出：

最大优点是适应于高频动作，响应时间短，一般为0.2ms左右，但它只能带

DC

5—30V的负载，最大输出负载电流为0.5A/点，但每4点不得大于0.8A。

当你的系统输出频率为每分钟6次以下时，应首选继电器输出，因其电路设计简单，抗干扰和带负载能力强。当频率为10次／min以下时，既可采用继电器输出方式；也可采用PLC输出驱动达林顿三极管（5—10A），再驱动负载，可大大减小。二、PLC的软件系统PLC整体上由系统程序、用户的应用程序和底层的硬件系统三部分构成用户程序、组态信息系统程序硬件系统系统程序是PLC的操作系统，一般由厂家出厂前固化在EPROM,用户不能修改，PLC在启动时由系统软件读入。用户程序是工程设计人员根据控制系统的工艺要求，利用PLC编程语言编写的实现某个功能的一组代码。1、按结构型式分类

1）整体式PLC（单元式、箱体式）：将电源、CPU、存储器、I/O装在一起

特点：结构紧凑、体积小、价格低

2）模块式PLC（积木式）：各个部分按功能做成独立模块，有电源模块、CPU模块、I/O模块等

特点：配置灵活、装配维护方便

三、PLC产品分类

PS(电源模块)CPU

IM(接口模块)SM:DISM:DOSM:AISM:AO

CP:-点-到-点-PROFIBUS-工业以太网按功能分低档PLC

具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能中档PLC

具有低档PLC功能外，增加模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还增设中断、PID控制等功能。高档PLC

具有中档机功能外，增加带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数运算、制表及表格传送等。高档PLC机具有更强的通信联网功能。2、按I/O点数和存储器容量分类

1）小型PLCI/O点数<256点，存储器2kB2）中型PLCI/O点数在256～2048点，存储器2～8kB

具有：逻辑运算、算术运算、数据传送、中断、数据通信、模拟量处理等功能

3）大型PLCI/O点数在>2048点，存储器>8kB

具有：数据运算、模拟调节、联网通信、监视记录、打印等功能梯形图语句表功能块图四、PLC的工作原理1、PLC如何替代继电器的？图2-7电机控制电路实现的逻辑运算：

KM=(SB1+KM)SB2FRKM线圈KM常开触点KM2SB1SB3FRQFRFUM3

~~~SB2KM1KM2KM1KM2KM1KM2KM1

继电接触器电动机正反转控制线路QFRFUM3

~~~KM1KM2

M+0VM10.00.10.20.30.4…S7-200CPULNCOM00.00.10.20.3…SB1SB2SB3KM1KM2KM1KM2PLC电动机正反转控制线路I0.0Q0.0I0.1I0.2Q0.1Q0.0I0.1Q0.1I0.0I0.2Q0.0Q0.1PLC电动机正反转控制程序()()PLC的扫描过程3、PLC工作原理2、PLC的操作模式

RUN模式：执行用户程序，“RUN”LED亮。

STOP模式：不执行用户程序，可将用户程序和硬件设置信息下载到PLC。TERM(终端)模式与通信有关。

CPU模块上的模式开关在RUN/STOP位置时，上电自动进入RUN/STOP模式。

PC-PLC之间建立起通信连接后，若模式开关在RUN或TERM位置,可用编程软件中的命令改变CPU的工作模式。1）读取输入：将输入电路的状态读入输入过程映像寄存器。外接的输入电路闭合时，对应的输入过程映像寄存器为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，对应的输入过程映像寄存器为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。2）执行用户程序:执行指令，将结果写入映像寄存器。注：在此过程中，即使外部输入状态变化也不会改变输入映像寄存器。好处：使系统稳定运行，提高运行速度。3）通信处理:接收从通信接口和智能模块接收的信息。5）改写输出:将输出过程映像寄存器的状态传送到输出模块并锁存。梯形图中线圈通电时，对应的输出过程映像寄存器为1状态，使硬件电路中对应的线圈通电，其常开触点闭合，外部负载通电工作。梯形图中线圈断电时，对应的输出过程映像寄存器为0状态，使硬件电路中对应的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。RUN模式STOP模式:输出被置为系统块中输出表定义的状态或保持当时的状态，默认的设置是将所有的数字量输出清零。4）CPU自诊断测试：系统定期检查CPU模块的操作和扩展模块的状态是否正常6）扫描周期：PLC在RUN工作状态时，执行一次扫描操作所需时间。其典型值为1～100ms。7）输入/输出滞后时间：又称为系统响应时间。是指PLC的外部输入变化到输出在控制下变化的时间间隔。一般为几至几十毫秒。五、S7-200系列PLC德国西门子PLC的分类：S7、M7、C7等几大系列。S7系列中S7-200是针对低性能要求的整体式微型PLC。S7-300是针对中等性能要求的中小型PLC，最多可扩展32个模块。S7-400是针对高性能要求的大型PLC，可扩展300多个模块。S7-200是属于整体式结构，其将CPU模块、I/O模块和电源装在一个箱型机壳内。S7-200还可配备许多专用的特殊功能模块，例如模拟量输入/输出模块、热电偶和热电阻模块、通信模块等，从而扩展PLC的功能。1、S7-200系列PLC

s7-200有5种CPU模块，各CPU模块的技术指标见下表功能型号数字I/O模拟I/O可扩展模块数PID控制器RS-485通信/编程PPI/MPI协议独立的高速计数器独立高速脉冲输出CPU2216/4

无

无

无

1个有

无CPU2228/6

无2个模块78数字I/O10路模拟I/O

有

1个有4～30kHz高速计数2～20kHz高速脉冲输出CPU22414/10无7个模块168数字I/O35路模拟I/O

有

1个有6～30kHz高速计数2～20kHz高速脉冲输出CPU224XP14/102输入1输出7个模块168路数字I/O38路模拟I/O自整定PID功能

2个有6～100kHz高速计数2～100kHz高速脉冲输出CPU226(CPU226XM)24/16

无7个模块248路数字I/O35路模拟I/O

有

2个有6～30kHz高速计数2～20kHz高速脉冲输出2、输入/输出信号类型

4种CPU模块都有晶体管输出和继电器输出类型，具有不同的电源电压和控制电压。各种CPU模块的输出类型见下表。3、数字量扩展模块输入有24VDC和230VAC两种，输出有24VDC和继电器等型。S7-200有三种数字量扩展模块：输入扩展模块EM221（3种类型）、输出扩展模块EM222（5种类型）、输入/输出扩展模块EM223（6种类型）。4、模拟量扩展模块与热电偶热电阻扩展模块模拟量模块的作用：A/D转换与D/A转换。S7-200有三种模拟量扩展模块：EM231CN、EM232CN、EM235CNEM231CN：4路12位模拟量输入、2路热电阻输入、4路15位热电偶输入。EM232CN：2路12位模拟量输出。EM235CN：4路12位模拟量输入/1路12位模拟量输出。模拟量输入模块有多种量程（与模块型号有关），用模块上的DIP开关设置量程。模拟量输入模块单极性全量程输入范围对应的数字量输出为0～32000，双极性全量程输入范围对应的数字量输出为-32000～32000。12位数据最高位为符号位，0为正数，1是负数。图2-10模拟量输入数据字的格式

相当于转换数值被乘以8相当于转换数值被乘以16模拟量输出模块的量程有10V和0～20mA两种,对应的数字量分别为−32000~+32000和0~+32000.满量程时电压输出分辨率为12位，电流分辨率为11位。最高位为符号位，0为正数，1是负数。最大驱动能力：电压输出时负载电阻最小5KΩ，电流输出时负载电阻最大500Ω。热电偶热电阻扩展模块EM231热电偶热电阻扩展模块可用于J、K、E、N、S、T和R型热电偶，模块输出15位加符号位的二进制数。5、特殊功能模块

S7-200系统还提供了一些特殊功能模块，用于完成特定的任务。6、通信模块

EM277：Profibus-DP从站通信模块；

EM241：调制解调器（Modem）通信模块；

CP243-1:工业以太网通信模块；

CP243-2：AS-i主站模块。六、PLC的I/O地址分配与外部接线1、本机I/O口和扩展模块的地址分配

S7-200有一定数量的I/O，并且I/O有固定的地址，可以直接访问，当系统增加扩展模块后扩展模块的地址分配如下：

1）同类型输入或输出点的模块按顺序编址。

2）对于数字量，输入/输出映像寄存器的单位长度为8位（1个字节），本模块