电气控制与plc期末考试总复习资料教案

第1章概述

1.1PLC的基本概念与基本结构

1.1.1PLC的基本概念

可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环

境下应用而设计。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

数字式、模拟式的输入和输出，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设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整

体，易于扩充其功能的原则设计。

1.1.2PLC的基本结构

图1-1PLC控制系统示意图

1.2PLC的特点与应用领域

1.2.1PLC的特点

1.

2.功能强，性能价格比高

3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

4.可靠性高，抗干扰能力强

5.系统的设计、安装、调试工作量少

7.体积小，能耗低

1.2.2PLC的应用领域

1.开关量逻辑控制

2.运动控制

3.闭环过程控制

4.数据处理

5.通信联网

第2章PLC的硬件与工作原理

2.1PLC的硬件

2.1.1PLC的物理结构

PLC的物理结构：整体式、模块式

I/OLED前盖下面有

模式选择开关（RUN/STO

状态LED

系统错误/诊断模拟电位器

（SF/DIAG）扩展端口

RUN熊行）

STOP停止）

可选卡插槽

接线端子排

存储器卡

时钟卡

电池卡

通信口用于在DIN导轨

上安装的卡子

图2-1S7-200CPU模块的外形图

2.1.2CPU模块中的存储器

存储器分类与特点：RAM、ROM、EPROM>EEPROM

2.1.3I/O模块

内

部

电

路

继电罂A

内IT

r负载

部uO

电

路牢斗—

PLCi

图2-4继电器输出电路

1L+

内DC24V

部

电

路负载£

图2-5场效应管输出电路

2.2PLC的工作原理

2.2.1用触点和线圈实现逻辑运算

,10.010.1Q0.0

HHH）

IQ0——_Q0,0

I0.1-j'1:廿

a）与b）或

图2-6基本逻辑电路

表2-1逻辑运算关系表

与或非

Q0.0=I0.0'I0.1Q0.1=10.2+103Q0.2=应

10.010.1Q0.010.210.3Q0.110.4Q0.2

00000001

01001110

100101

111111

~380V

图2-7异步电动机控制电路

2.2.2PLC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位置时，上电自动进入RUN

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。

2.2.3PLC的工作原理

STOP.

图2-8扫描过程

中断程序的处理与立即I/O指令可提高响应速度。

输入过程映像寄存器

Q2Q0.0

/H

停止

102口

QOOI__

图2-9PLC外部接线图与梯形图

LD10.1

OQ0.0

AN10.2

=Q0.0

图2-9中的梯形图完成的逻辑运算为

Q0.0=(10.1+Q0.0)•102

外部输入电路接通时，对应的输入映像寄存器为ON(1状态)，梯

形图中对应的常开触点闭合，常闭触点断开。

梯形图中Q0.0的线圈“通电”，对应的硬件继电器的常开触点闭

合，接在标号为0.0的端子的外部负载工作。

2.3S7-200CN系列PLC

西门子PLC的分类：S7、M7、C7、WinACo

2.3.1S7-200的特点

1.功能强，有PID参数自整定、配方、数据归档等功能。

2.先进的程序结构

3.灵活方便的寻址方法

4.功能强大、使用方便的编程软件

5.简化复杂编程任务的向导功能

6.强大的通信功能

7.品种丰富的配套人机界面

8.有竞争力的价格

9.完善的网上技术支持

2.3.2CPU模块

CPU221/222/224/226

集成I/O点：10/14/24/40点；程序空间4096〜24576B。

最大DI/DO256/256点；最大AI/AO35/32点；最多7个扩展模

块。

定时器/计数器256/256点；高速计数器4/6点30kHz,2点20kHz

高速输出；

模拟电位器1/2个，实时钟，1/2个RS-485接口；

4点输入中断，2个定时中断（1〜255ms）。

CPU224XP：2AL1AO,2通信口，高速输入200kHz、高速输

出WOkHzo

PPLMPL自由通信口协议和PROFIBUS点对点协议；

使用STEP7-Micro/WIN32编程软件。

2.3.3数字量扩展模块

数字量I/O：8Dk16DL4DO、8DO、4/4、8/8、16/16、32/32DI/DO。

输入有24VDC和230VAC两种，输出有24VDC和继电器型。

2.3.4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。

模拟量I/O：12位4AI、2AO、4AI/1AO；15位4路热电偶、2

路热电阻模块。

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。

MSB单极性LSB

AIWXX012位数据值000

MSB双极性LSB

AIWXX12位数据值0000

图2-10模拟量输入数据字的格式

【例2-2】压力变送器（0〜lOMPa）的输出信号为DC4〜20mA,

模拟量输入模块将。〜20mA转换为0〜32000的数字量,即0〜10000

kPa对应于数字量6400〜32000,设转换后得到的数字为M试求以

kPa为单位的压力值。

解：4〜20mA的模拟量对应于数字量6400〜32000,压力的计算

公式为

P=.（1。。0°-。）（N-6400）=@（N-6400）（kPa）

（32000-6400）256

模拟量输出模块的量程有±10V和0~20mA两种:

MSB输出LSB

AQWXX00000

MSB电压输出LSB

AQWXX12位数据值0000

图2-11模拟量输出数据字的格式

2.3.6STEP7-Micro/WIN编程软件与显示面板简介

1.STEP7-Micro/WIN编程软件

2.显示面板

（1）文本显示器TD-200c和TD-400c

⑵S7-200专用的触摸屏：TP070、TP170micro>TP177micro

和K-TP178microo

2.4I/O地址分配与外部接线

2.4.1本机I/O与扩展I/O的地址分配

模块0模块1模块2模块3模块4

4输入4Al4Al

CPU22IXP8输入8输出

4输出1AO1AC)

100Q0.0120Q2.013.0AIW4AQ\V4Q3.0AIW12A

101Q0.1121Q2.113.1AI\V6Q3.1AI\V14

■122Q2.2■AI\V8*■AIW16

123Q23AIW10.AIW18

115Q1.113.7Q3.7

AIW0AQW0

AIW2

图2-13CPU224XP的本地和I/O地址分配举例

2.4.2S7-200的外部接线

图2-14交流电源系统的外部接线图2-15直流电源系

统的外部接线

感性负载的处理，电阻、电感和白炽灯的区别。

PLC

螯

且

瞿

H常

系

出

出

图2-16感性输出电路的处理

2.1填空

(1)PLC主要由、、和组

成。

(2)继电器的线圈“断电”时，其常开触点,常闭触

点O

(3)外部输入电路接通时，对应的输入过程映像寄存器I为

状态，梯形图中对应的常开触点,常闭触点―。

(4)若梯形图中输出Q的线圈“断电”，对应的输出过程映像寄存

器为—状态，在修改输出阶段后，继电器型输出模块中对应的硬件

继电器的线圈,其常开触点,外部负载0

第3章PLC程序设计基础

3.1PLC的编程语言与程序结构

3.1.1PLC编程语言的国际标准

IEC61131-3标准的5种编程语言：

(1)顺序功能图(SequentialFunctionChart)；

(2)梯形图(LadderDiagram)；

(3)功能块图(FunctionBlockDiagram)；

(4)指令表(InstructionList)；

(5)结构文本(StructuredText)。

图3-1PLC的编程语言

菖

匕

流

匕*

ILOD

ITQ02Q1

TH/.10.1-OR

AD3-_____AND

IATI-Ql.l

QU1。2。

图3-2梯形图与语句表图3-3功能块图

“能流”（PowerFlow）只能从左向右流动。

1个网络（Network）中只能放1块独立电路。

功能块图（FBD）类似于数字逻辑门电路，“LOGO!”使用FBD。

STEP7-MicroAVIN的IEC61131-3指令集只提供梯形图、功能块

图。地址前加“%”，其指令不区分数据类型。

3.1.2S7-200的程序结构

S7-200的程序由主程序、子程序和中断程序组成。

1.主程序：每次扫描都要执行主程序。每个项目都必须且只能

有一个主程序（OB1）。

2.子程序：可以多次调用，简化程序代码、减少扫描时间、容

易移植到别的项目。

3.中断程序：在中断事件发生时由PLC的操作系统调用。

3.2存储器的数据类型与寻址方式

3.2.1数据在存储器中存取的方式

1.用1位二进制数表示开关量。

图3-4位数据的存放

13.2：“字节.位”寻址方式。

2.多位二进制数：2#1010=1X23+0X22+1X2I+0X2°=10O

3.十六进制数：用于简化二进制数的表示方法，“逢16进1”，

用0〜9和A-F来表示16个数，16#2F对应的十进制数为2x161+

15xl6°=47o

4.字节、字与双字

高有效字节低有效字节

REBLSBRGBLSB

\B100一\B1000\W100|15\B100\B1010

最高有效字节最低有效字节

R5BLSB

\D10031\B100\B101\B1G2\B1(B0

图3-5字、字节和双字的组成

以起始字节的地址作为字和双字的地址。起始字节为最高位的字

TJo

I、Q、V、M、S、SM、L均可按位、字节、字和双字来存取。

5.负数的表示方法

用二进制补码表示有符号数，最高位为符号位，最大的16位正

数为16#7FFF（32767）0

6.BCD码

BCD码用4位二进制数来表示1位十进制数。十进制数23对应

的BCD码为16#23oBCD码用于输入输出设备。

3.2.2CPU的存储区

1.输入过程映像寄存器（I）

2.输出过程映像寄存器（Q）

3.变量存储区V是全局存储器，可以被所有的POU存取。

4.位存储区（M）

5.定时器存储区（T）

6.计数器存储区（C）

7.高速计数器（HC）

8.32位累加器（ACO〜AC3）可以按字节、字和双字来存取。

按字节、字只能存取累加器的低8位或低16位。

9.特殊存储器（SM）

特殊存储器（SM）标志位：

SM0.0一直为1状态；

SM0.1仅在执行用户程序的第一个扫描周期为1状态。

SM0.4和SM0.5分别提供周期为1分钟和1秒的时钟脉冲。

SM1.0、SM1.1和SM1.2分别为零标志、溢出标志和负数标志。

10.局部存储器L作为暂时存储器，或给子程序传递参数。

11.模拟量输入字（AI）从偶数字节地址开始（例如AIW2）,为只

读数据。

12.模拟量输出字（AQ）从偶数字节地址开始（例如AQW2）,用

户不能读取。

13.顺序控制继电器（S）：顺序控制编程用。

14.常数的表示方法与范围

表3-3常数举例

常数举例

十进制常数20047

十六进制常数16#4E4F

Ascn码常数Text'

实数或浮点数格式+1,175463E-20（正数）

-1.175463E-20（负数）

二进制格式2#1011_0101

15.实数（浮点数）：在编程软件中，用小数表示浮点数。

313023220

S।指数尾数

符号位

图3-6浮点数的格式

16.字符串的格式

|长度|字符1|字符2|字符3|字符4字符254

字节0字节1字节2字节3字节4字节254

图3-7字符串的格式

10.0为绝对地址，％10.0是IEC编辑器中的地址。

#INPUT1：局部变量符号地址；“INPUT1"：全局符号地址。“#"

号和双引号是编程软件自动添加的。

3.2.3直接寻址与间接寻址

直接寻址指定了存储器的区域、长度和位置，例如VB200。

VBI99

MOVD&VB200,AC1

VB200

VB200的地址（VW200的起始地址）作为指针送,

VB201

VB202

MOVW*AC1,AC0

VB203

将指针AC1所指的值传送到ACO

VB204

图3-8使用指针的间接寻址

【例3-1】表格存放在VW0开始的100个字中，表格的偏移量（表

格中字的序号）在VD200中，在10.0的上升沿，用间接寻址将表格

中相对于偏移量的数据值传送到VW210中去。地址相邻的两个字的

地址增量为2（两个字节）。

LD10.0

EU//在10.0的上升沿

MOVD&VBO,VD300//表格的起始地址送

VD300

+DVD200,VD300

+DVD200,VD300//起始地址加偏移量

MOVW*VD300,VW210//读取表格中的数据

3.3位逻辑指令

3.3.1触点指令

50

IQ1

IQ2

A。N

IQ3

AIQ

ON=C5

=QQO0.3

1.44

A=NI3.

Q-2.6

图3-9触点与输出指令

图3-10上升沿检测

并联触点总是并在它前面已经连好的电路的两端。

11.4

10.3

13.2

T16

C24

11.2

Q3.4

Q5.3

图3-11ALD与OLD指令

SAS叶SIS>S2*S3

执行前执行后执行前执行后

OLD（栈顶值或）ALD（栈顶值与）

图3-12ALD与OLD指令的堆栈操作

【例3-3］已知图3-13中的语句表程序，画出对应的梯形图。

rLD100

OQ25

-AN123

-pLDNMI.5

OQ0.3

-AT1

pLDNNJ5.6

LAC5

-OLD

ALD

ONB.2

Q03

图3-13语句表与梯形图

LPS（入栈）LRD（助）LPP（出栈）LDS3（装载堆栈）

图3-14堆栈指令

LDIQ2

LPSAIQO

IQ1Q2.1LPS

ANIQ1

H/H）=Q2.1

IQ5M3.7LED

~\H）AIQ5

IQ4Q0.3=NB.7

LPP

H/H）AN104

=Q03

图3-15堆栈指令的使用

LDIQ11013.3

ONIQO1ALD

LPS|RNB.4,1

AIQ2LRD

ANIQ3A10.5

1

LPSNC.6

A104LPP

=Q2.5AN10.6

LPP=Q3.2

LD14.21

图3-16双重堆栈的使用

LDNI10.5

IoII

T0.1

NJI1.4

I

=

TQO,

IIO.4

LOEDI

TNIItf2

4LNI

ItfO

=1Q3.4

图3-17立即触点与立即输出指令

10.1Q0.3LDIQ1

TI；)

SQ03,l

IQ3Q0.3LDIQ3mi__n___________

TMR)RQ03、lIQ3____________n_

104Q0.5LD104Q0.3」

TIsi)SIQ0.5,l

1

IQ5Q0.5LD10.5

HipRIQ0.5,l

图3-18置位指令与复位指令

3.3.2输出指令与其他指令

IQ

H

HQ

UQ

n

图3-20取反与跳变指令

3.4定时器与计数器指令

3.4.1定时器指令

表3-10定时器号与分辨率

类型分辨率定时范围定时器号

1ms32.767sTO和T64

TONR10ms327.67s71一丁4和T65〜T68

100ms3276.7sT5〜T31和T69〜T95

TON1ms32.767sT32和T96

TOF10ms327.67sT33〜T36和T97〜T100

100ms3276.7sT37〜T63和T101〜T255

i23_r_uL

图3-21接通延时定时器

IOOJ~tiz±_TL_r

)00

T33当吵片1/

_IT33的位I_I

图3-22断开延时定时器

121T2

T|---------|INTONR

1O-|PTIQns

T2QO.O

TI_()

103T2

TI~(R)

i

图3-23保持型接通延时定时器

3.4.2计数器指令

125~I______r

i24nnnnnnnn

LD12.4

LD12.5

CIUCH4

图3-25加计数器

I2o

LCU8

II

21CUCTL©

ILLD120

LD124—CD

2-^LD121

II)125LLD122

—R

CTDC5,3

3CTUDG4S3

PV

图3-26减计数器图3-27加减计数器

装载输入(LD)为ON时，计数器位被复位，并把设定值装入当

前值。减至0时一，停止计数，计数器位被置1。

习题

1.填空

(1)接通延时定时器(TON)的输入(IN)电路时开始定

时，当前值大于等于设定值时其定时器位变为,其常开触

点,常闭触点，

(2)接通延时定时器(TON)的输入(IN)电路时被复位,

复位后其常开触点，常闭触点,当前值等于—o

(3)若加计数器的计数输入电路(CU)、

复位输入电路(R)，计数器的当前值加1。当前值大于等于

设定值(PV)时，其常开触点,常闭触点o

复位输入电路时，计数器被复位，复位后其常开触

点,常闭触点,当前值为。

(4)输出指令(=)不能用于过程映像寄存器。

(5)SM在首次扫描时为ON,SM0.0一直为o

IQOM0.8Q0.310.3

HI/THI-

M0.310.5

+1)

Q0.3

-----------()

T32T32

/|--------|INTON

-PTInis

图3-32梯形图改错

第4章数字量控制系统梯形图程序设计方法

4.1梯形图的经验设计法

4.1.1有记忆功能的电路

IQoSo

IQO10.100.0ntoo_____Ts

l

1HrJW/M)loinIQ1

To.R

-JQOO

图4-1有记忆功能的电路

4.1.2定时器应用电路

IQO_]------------------

Q0.1——

T37的常开触点

9s

------A

INTON

PT100ms

图4-3长延时电路

图4-4闪烁电路

4.1.3经验设计法举例

图4-5小车自动往复运动的继电器控制电路图

CTU22I

右行

右行演__SB2100

工SB3

左行嗣IQ1Q0.0

工SB1

停车102

乙SQ1

左限位IQ3

孑SQ2。」

右限位IQ4Q

十左行

FR

热继电器IQ5

MIL~0AC220V©

2M

DC24V

L十

图4-6PLC的外部接线图

左行右限位停车热继电器左行右行

10.010.1IQ410.2IQ5Q0.1Q0.0

TW/H/H/H/H/H

10.3

TH

Q0.0

TP右行左限位停车热继电器右行左行

10.1IQOIQ310.2IQ5QO.OQ0.1

THH/H/H/H/H/H

10.4

图4-7梯形图

4.1.4常闭触点输入信号的处理

4.2根据继电器电路图设计梯形图的方法

4.2.1基本方法

10.0101M0.1

。AC220V

THUH)

KAMO.O

¥°3卜

KM1Q0.1

MO.O

KT1T37H卜

□N10.2

KM2Q0.2

MD.lQ0.3N1D.0

KT2T38

M0.2HHH/H)

MO.lMO.OT37Q0.20Q00..3

Q0.3H-HI/I/I/l-

MO.lMO.OQ0.3T37

THHT/lINTON

图4-8继电器电路图50-PTlOOins

MO.lQO.lMO.ON1D.2

TH/HE)

T38

KNUKM2KKB

INTON

IQOQO.l

r<-KM2KM1KM360-PTlOOins

ISB2

IUiyu/MO.lQO.lQ0.3T37T38

r=vTI/I/卜

IMKM3KM1KNCTH/F

T38MO.lQO.lQ0.2Q0.3

M33THHI/I/I)

DC24VQ0.3

T4-ITHH

图4-9PLC外部接线图图4-10梯形图

4.2.2注意事项

1.应遵守梯形图语言中的语法规定

2.设置中间单元

3.尽量减少PLC的输入信号和输出信号

4.设立外部联锁电路

5.梯形图的优化设计

6.外部负载的额定电压

4.3顺序控制设计法与顺序功能图

4.3.1顺序控制设计法

4.3.2步与动作

1.步的基本概念

2.初始步

3.与步对应的动作或命令

4.活动步

[Q0领]Q1停机

_n______n__

Qoo-I引风机L

QOi_______I鼓风机I

KD.O-Il-

W.l_||______________

ND.2||

KD.3|(_

图4-11波形图

图4-13顺序功能图

图4-14动作

4.3.3有向连线与转换条件

触点a与b

।abM0.3

同时闭合■­Ill

_|_121

M0.3

a

■■10.^-105

abb一|(103+105)

a)b)

图4-15转换条件

SM0.1的作用。

4.3.4顺序功能图的基本结构

图4-16单序列、选择序列与并行序列

吕IQ3

图4-L7剪板机示意图

国CO已剪完1迎

图4-18剪板机的顺序功能图

4.3.5顺序功能图中转换实现的基本规则

1.转换实现的条件

(1)该转换所有的前级步都是活动步。

(2)相应的转换条件得到满足。

2.转换实现应完成的操作

(1)使所有的后续步变为活动步。

(2)使所有的前级步变为不活动步。

RD.2ND.4

控制输出

--IQ1100梯形图

=>=>电路电路

a)b)

图4-19转换的同步实现图4-20信号关

系图

3.绘制顺序功能图时的注意事项

(1)两个步绝对不能直接相连，必须用一个转换将它们分隔开。

(2)两个转换也不能直接相连，必须用一个步将它们分隔开。

(3)不要漏掉初始步。

(4)在顺序功能图中一般应有由步和有向连线组成的闭环。

4.顺序控制设计法的本质

M梯形图岗)口舞三S当

a)b)

图4-20信号关系图

图4-26改错

第5章顺序控制梯形图的设计方法

图5-2、图5-3鼓风机与引风机的顺序功能图和梯形图

M0.1-QO.O

MO.2-QO.l

■IQ3