《S7-1500PLC应用技术》 课件 第1、2章 PLC概述、S7-1500 PLC硬件系统

《S7-1500PLC应用技术》Date:

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1第1章PLC概述2Date:

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1PLC的概念及应用PLC的分类与产品介绍PLC系统构成及工作原理PLC控制系统与继电器控制系统的比较1.1

PLC的概念及应用3Date:

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1PLC的产生1968年，美国最大的汽车制造商-通用汽车公司

(GM公司)，为了适应生产工艺不断更新的需要，提出要用一种新型的工业控制器取代继电接触器控制装置。第二年，美国数字设备公司

(DEC公司)研制出了第一台可编程序控制器，并在美国通用汽车公司的自动装配线上试用成功，取得满意的效果，可编程序控制器自此诞生。1.1

PLC的概念及应用PLC的定义期的可编程序控制器称为Programmable

Logic

Controller（可编程逻辑控制器），简称PLC。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程序控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可编程序的存储器，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，并通过数字的或模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程，是工业控制的核心部分。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，易于扩展其功能的原则而设计。4Date:

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11.1

PLC的概念及应用5Date:

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1PLC的发展上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持在30%-40%。这一时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力等方面得到大幅度提高，同时PLC逐渐进入过程控制领域，在某些方面逐步取代了在过程控制领域处于统治地位的集散控制系统（DCS）。目前，世界上有200多厂家生产300多个品种的PLC产品，应用在汽车、粮食加工、化学、制药、金属、矿山和造纸等许多行业。1.1

PLC的概念及应用6Date:

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1PLC的特点1）抗干扰能力强、可靠性高硬件方面，PLC采用大规模和超大规模的集成电路，采用了隔离、滤波、屏蔽、接地等抗干扰措施，以及隔热、防潮、防尘、抗振等措施。软件上，PLC采用周期扫描工作方式，减少了由于外界环境干扰引起的故障；并在系统程序中设有故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；以及采用数字滤波等抗干扰措施。1.1

PLC的概念及应用7Date:

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1PLC的特点2）控制系统结构简单、使用方便在PLC控制系统中，只需在PLC的输入/输出端子上接入相应的信号线，用于采集输入信号和驱动负载，无需连接时间继电器、中间继电器之类的电压电器和大量复杂的硬件接线，大大简化了控制系统的结构。PLC体积小、质量轻，安装与维护也极为方便。另外PLC的编程大多采用类似于继电接触器控制线路的梯形图形式，这种编程语言形象直观、容易掌握，编程非常方便。1.1

PLC的概念及应用8Date:

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1PLC的特点3）功能强大、通用性好PLC内部有大量可供用户使用的编程元件，具有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。另外

PLC的产品已经实现标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件模块或装置供用户使用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的控制系统。1.1

PLC的概念及应用9Date:

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1PLC的应用1）逻辑控制通过“与”、“或”、“非”等逻辑指令的组合，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制，这是PLC最初能完成的基本功能。例如印刷机、注塑机、组合机床、电镀流水线和电梯控制等。1.1

PLC的概念及应用10Date:

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1PLC的应用领域2）运动控制PLC可以使用专用的运动控制模块，对步进电机或伺服电机的单轴或多轴的位置进行控制。PLC把描述位置的数据传给模块，使其输出移动一轴或多轴到目标位置。每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。例如应用于各种机械、机床、机器人和电梯等场合。1.1

PLC的概念及应用11Date:

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1PLC的应用领域3）过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的控制。对于温度、压力、流量等模拟量，PLC提供有模数（A/D）和数模（D/A）转换通道或模块，使PLC可以很方便的处理这些模拟量；PLC还提供了PID功能指令，可以很方便的进行闭环控制，从而实现过程控制。1.1

PLC的概念及应用12Date:

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1PLC的应用领域4）联网和通讯功能PLC能与计算机、PLC及其他智能装置联成网络，使设

备级的控制、生产线的控制、工厂管理层的控制连成一个整体，支持多厂商、多品牌的产品和设备作为分布式控制系统的一部分，形成控制自动化与管理自动化的有机集成，从而创造更高的企业效益。1.2

PLC的分类与产品介绍13Date:

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1PLC的分类1）按PLC的点数分类根据PLC及可扩展的输入输出点数，可以将PLC分为小型、中型和大型三类，由于PLC种类、系统使用的规模不同及PLC本身的发展，各厂家、各行业对PLC小型、中型

和大型点数的划分不尽相同。小型PLC的输入输出点数一般在256点以下；中型PLC的输入输出点数一般在256～2048个点；大型PLC的输入输出点数一般在2048点以上。1.2

PLC的分类与产品介绍14Date:

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1PLC的分类2）按PLC的结构分类按PLC的结构分类，PLC可分为整体式和模块式。整体式PLC将电源、CPU、存储器、I/O系统都集中在一个小箱体内，小型PLC多为整体式PLC；模块式PLC是按功能分成若干模块，如电源模块、CPU模块、输入模块、输出模块等，再根据系统要求，组合不同的模块，形成不同用途的PLC，大中型的PLC多为模块式PLC。1.2

PLC的分类与产品介绍PLC的分类2）按PLC的结构分类15Date:

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11.2

PLC的分类与产品介绍16Date:

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1PLC的主要产品目前全球PLC生产厂家有200多家，市场占有率较高的有德国的西门子（SIEMENS）、法国的施耐德（SCHNEIDER）、TE（Telemecanique）；美国的罗克韦尔（Rockwell）、通用（GE）；日本的三菱（MITSBISHI）、欧姆龙（OMRON）、松下电器（Panasonic）、富士电机（FUJI）等品牌。1.2

PLC的分类与产品介绍PLC的主要产品17Date:

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11.2

PLC的分类与产品介绍18Date:

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1西门子S7系列PLC西门子S7系列PLC目前市场上有S7-200

SMART/1200/300/400/1500等系列产品。PLC的老产品组要包括S7-200SMART、S7-300及S7-400

CPU，CPU至少包含一个RS485通信接口，可用于程序上传、下载和与其他智能设备的串口通信。S7-1200、S7-1500是西门子公司主推的新一代PLC产品，是SIMATIC

PLC

产品家族中的旗舰产品，CPU模块采用网络接口，可用于程序上传、

下载和与其他智能设备的工业以太网通信，采用TIA

Portal软件编程。1.3

PLC系统构成及工作原理PLC系统基本构成19Date:

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1PLC工作原理1.3

PLC系统构成及工作原理20Date:

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1PLC的工作原理1.3

PLC系统构成及工作原理PLC的本质是一种工业控制计算机，其功能是从输入设备接收信号，根据用户程序的逻辑运算结果，输出信号去控制外围设备的整个控制流程。21Date:

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11.3

PLC系统构成及工作原理22Date:

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1PLC的工作原理一般来说，当PLC运行后，其工作过程可分为输入采样阶

段、程序执行阶段和输出刷新阶段，完成上述3个阶段即称为一个扫描周期。Date:

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1231.3

PLC系统构成及工作原理PLC的工作原理输出刷新CPU在启动或新一个扫描周期开始时，会将初始值或程序执行后的结果，通过过程映像输出区（PIQ）输出到输出模块；输出模块输出信号驱动外部负载。输入采样输出刷新后，CPU将输入模块各端子的状态读入到过程映像输入区（PII）中，此时，过程映像输入区的数值被更新，接着进入程序执行阶段程序执行阶段在程序执行阶段，用户程序只能访问过程映像区的数据，并不能访问IO模块的端口，因此无论外部输入、输出端子信号怎么变化，过程映像区的内容保持不变；直到下一个扫描周期的输入采样阶段才会将新内容重新写入。1.4

PLC控制系统与继电器控制系统的比较24Date:

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1继电接触器控制是采用硬件和接线来实现的，它通过选用合适的分立元件（接触器、主令电器、各类继电器等），然后按照控制要求采用导线将触点相互连接，从而形成并实现既定的逻辑控制；如控制要求改变，硬件构成及接线都需相应调整。PLC系统采用程序实现控制，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，系统要完成的控制任务是通过执行存放在存储器中的程序来实现的；如控制要求改变，硬件电路连接可不用调整或简单改动，主要通过改变程序即可，也称“软接线”。1.4

PLC控制系统与继电器控制系统的比较以电动机星-三角降压起动控制为例：1）J-C控制系统25Date:

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11.4

PLC控制系统与继电器控制系统的比较以电动机星-三角降压起动控制为例：2）PLC控制系统26Date:

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11.4

PLC控制系统与继电器控制系统的比较27Date:

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11.4

PLC控制系统与继电器控制系统的比较28Date:

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129Date:

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1可编程序控制器是在

控制系统上发展而来。PLC主要由

、

、

和

组成。输入映像寄存器的作用是什么？简述PLC的扫描工作过程。PLC控制系统与继电器控制系统在运行方式上有何不同？思考与练习《S7-1500PLC应用技术》Date:

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1第

2

章

S7-1500

PLC硬件系统31Date:

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1S7-1500PLC系统介绍CPU模块电源模块信号模块通信模块CPU的操作模式2.1

S7-1500PLC系统介绍SIMATIC产品定位32Date:

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12.1

S7-1500PLC系统介绍33Date:

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1SIMATIC产品定位SIMATIC

S7-1500控制器集成了通信和工艺功能，适用于小型自动化解决方案；SIMATICS7-1500控制器中包含有S7-1500控制器的诸多功能，非常适合具有高复杂性和高系统性能要求的工厂自动化解决方案，可满足系统性能、灵活性和网络功能等方面的严苛要求。SIMATIC

ET200

CPU是一款兼备S7-1500突出性能与ET

200SP

I/O

（分布式模块）简单易用、身形小巧于一身的分布控制器，为对机柜空间大小有要求或者分布式控制应用提供了完美解决方案。SIMATIC

S7-1500软件控制器采用Hypervisor(又称虚拟机监视器，virtual

machinemonitor，缩写为VMM）技术，在安装到SIEMENS工控机后，将工控机的硬件资源虚拟成两套硬件，其中一套运行Windows系统，另一套运行S7-1500

PLC实时系统，两套系统并行运行，通过SIMATIC通信的方式交换数据。如果要提高系统可用性，可使用冗余系统S7-1500R/H，其系统中有两个CPU（主CPU和备用CPU）会并行处理用户程序，并永久地同步所有相关数据；如果主CPU发生故障，则备用CPU将在中断处接管过程控制。如果在控制柜外使用，可选择CPU1513pro-2PN和CPU1516pro-2PN控制器，该类控制器采用ET200pro设计形式且防护等级高达IP65/IP67。2.1

S7-1500PLC系统介绍S7-1500PLC系统构成34Date:

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12.1

S7-1500PLC系统介绍35Date:

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1S7-1500PLC系统构成CPU模块：分为标准型、紧凑型、故障安全型或工艺型；信号模块(I/O)：也叫输入/输出模块，包括数字量I/O模块和模拟量I/O模块；通信模块:包括PROFINET/Ethernet通信、PROFIBUS通信、PtP通信等模块；工艺模块：包括计数、位置检测、称重、步进驱动控制等模块；电源模块（可选）：包括负载流电源和系统电源模块。2.2

CPU模块CPU分类标准型紧凑型安全型工艺型36Date:

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12.2

CPU模块CPU结构37Date:

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12.2

CPU模块CPU结构38Date:

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12.2

CPU模块CPU结构39Date:

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12.2

CPU模块CPU结构40Date:

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12.2

CPU模块模块安装及接线41Date:

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12.2

CPU模块固件更新概念固件（Firmware）相当于智能设备的操作系统，智能设备功能的更新以及一些错误的更正可通过固件版本的升级来实现。S7-1500系

统中CPU、显示屏、分布式I/O站等模块都可进行固件更新。需要更新的固件可以从西门子公司网站下载，不同的模块有不同的固件和版本号。42Date:

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12.2

CPU模块固件更新概念固件更新是将固件更新到相应订货号可用的最新版本，之前的固件版本可用作备份，方便用户降级为原始版本，固件的最新版本适用于该订货号的所有版本。43Date:

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12.2

CPU模块44Date:

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1固件更新方法通过STEP7(TIA

Portal)软件在线进行固件更新；通过SIMATIC存储卡（STEP7，TIA-Portal）进行离线固件更新。2.3

电源模块带有电源模块的PLC系统结构S7-1500PLC系统电源模块分为两种：负载电源(PM)、系统电源(PS)。45Date:

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12.3

电源模块负载电源（PM）PM模块为S7-1500模块的输入输出电路及传感器、执行器等器件提供电源；此外，在某些情况下还需要使用PM模块为CPU和PS提供24VDC电源。46Date:

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12.3

电源模块系统电源（PS）PS模块连接到背板总线（U型连接器）并专为背板总线提供内部所需的系统电压，系统电源为系统的各个模块提供电源。如果CPU或接口模块未连接到24VDC负载电源时，PS

模块还可以为其供电。47Date:

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12.4

信号模块48Date:

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1模块的类型信号模块（Signal

Module）是CPU与现场设备之间的接口，分为输入模块和输出模块。通过输入模块将现场输入变量采集并传送到CPU进行计算和逻辑处理，然后将CPU逻辑运算结果和控制指令通过输出模块输出并控制外部设备运行的目的。外部信号主要包括数字量信号和模拟量信号，因此信号模块按照信号类型可以分为数字量模块和模拟量模块。例如,在电动机启停控制电路中，启动按钮、停止按钮等开关量接入PLC的数字量输入通道，为数字量输

入信号；接触器（或继电器）线圈接入PLC的数字量输出通道，为数字

量输出信号。2.4

信号模块模块的类型，例如：49Date:

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12.4

信号模块数字量输入模块50Date:

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12.4

信号模块数字量输入模块模块技术特性如下：1）16路数字量输入，以4个为一组进行电气隔离；额定输入电压120/230V

AC；通道适用于连接开关以及2、3、4线AC型接近开关（交流电压）。51Date:

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信号模块数字量输出模块52Date:

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12.4

信号模块数字量输出模块模块技术特性如下：1）16个数字量输出，按每组8个进行电气隔离额定输出电压24VDC每个通道的额定输出电流0.5A可组态替代值（按通道）可组态诊断（按通道）适用于电磁阀、直流接触器和指示灯可记录所连执行器的开关周期，例如电磁阀的开关周期。53Date:

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信号模块模拟量输入模块54Date:

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12.4

信号模块模拟量输入模块AI

8xU/I

HS模块

具有下列技术特性：1）具有8个模拟量输入通道；可以按通道设置为电压或电流测量类型；2）16位精度（包括符号）；可组态诊断（每个通道）；可按通道设置超限时的硬件中断（每个通道设置2个下限和2个上限）；高速更新测量值。55Date:

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信号模块模拟量输入模块电流测量：无论2线制还是4线制测量方式，与模块的连接都是2根线，区别在于模块是否供电56Date:

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信号模块模拟量输入模块57Date:

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12.4

信号模块模拟量输出模块58Date:

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12.4

信号模块模拟量输出模块AQ

4xU/I

ST模块技术特性如下：1）4个模拟量输出通道；可选择电压或电流输出的通道；2）精度：16位（含符号）；可组态诊断（每个通道）。59Date:

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信号模块模拟量输出模块60Date:

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12.4

信号模块模拟量输出模块61Date:

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12.4

信号模块模拟量输出模块信号模块在DIN导轨上的安装步骤：①在CPU模块和信号模块右侧安装U型连接器；②信号模块钩挂在安装导轨上，并将其滑动至左侧的CPU模块；③向后旋动I/O模块；与CPU模块的U型连接器相连；④拧紧固定螺钉（扭矩为1.5Nm）62Da