第一章-PLC硬件结构与软件资源分析

第一章:PLC基础知识与硬件结构学习要点：

了解S7-200PLC硬件结构及基本功能；掌握S7-200PLC的接线；

掌握S7-200PLC的工作原理；

PLC的产生

在可编程控制器问世以前，人们利用电磁继电器来控制顺序型的设备和生产过程。由于它结构简单、价格低廉，在一定范围内能满足控制要求，因而在工业控制领域中获得了广泛的应用。但是继电器控制系统也存在明显的缺点，如设备体积过大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难于实现复杂的控制，并且通用性和灵活性也较差等。

一、PLC诞生

1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司(GM)为了适应生产工艺不断更新的需要，开始寻求一种比继电器更可靠、功能更完善、响应速度更高的新型工业控制器。1968年美国通用汽车公司提出的替代继电器控制系统的新型控制器的十项指标：1）编程简单、现场可修改程序；2）维护方便、采用插件式结构；3）可靠性高于继电器控制系统；4）体积小于继电器控制系统；5）数据可以直接送入计算机；6）成本可与继电器系统竞争；7）输入可为市电；8）输出可为市电，能直接驱动电磁阀、交流接触器等；9）通用性强、易于扩展；10）用户存储器大于4K。1969年，美国数字设备公司研制出了世 界上第一台PLC，型号为PDP-14。第一代：从第一台可编程控制器诞生到70年代初期。其特点是：CPU由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器；第二代：70年代初期到70年代末期。其特点是：CPU采用微处理器，存储器采用EPROM；第三代：70年代末期到80年代中期。其特点是：CPU采用8位和16位微处理器，有些还采用多微处理器结构，存储器采用EPROM、EAROM、CMOSRAM等；第四代：80年代中期到90年代中期。PLC全面使用8位、16位微处理芯片的位片式芯片，处理速度也达到1us/步；第五代：90年代中期至今。PLC使用16位和32位的微处理器芯片，有的已使用RISC芯片。

可编程序控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。早期的可编程序控制器在功能上只能进行逻辑控制。因而称为可编程序逻辑控制器(ProgrammableIogicalController)简称PLC。随着技术的发展其控制功能不断增强，因此美国电气制造协会(NEMA)于1980年将它正式命名为可编程序控制器(ProgrammableController)简称为PC。但是近年来PC又成为个人计算机(PersonalComputer)的简称，为了加以区别，现在常常把可编程序控制器又称为PLC。可编程控制器简称PLC（ProgrammableLogicController）被称为现代工业控制的三大支柱之一（即PLC，机器人和CAD/CAM）。目前PLC已广泛应用于冶金、石油、矿业、机械、轻工等领域，为工业自动化提供了有力的工具，加速了机电一体化的实现。

国际电工委员会定义：可编程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，并通过数字式或模拟式的输入/输出，控制各种类型机械或生产过程。目前主要PLC生产厂家有三菱、欧姆龙、西门子、ABB等公司。本书所讲PLC主要采用西门子公司生产的小型机S7－200。(3)按生产厂家分类1)日本的OMRON公司2)德国西门子SIEMENS公司3)美国罗克韦尔(ROCKWELL)公司4)美国施耐得SCHNEIDER公司5)日本三菱MITSUBISH公司6)美国GE公司与日本法南克(FANAC)合资的GE-FANAC公司7)日本松下电工公司8)日本日立公司9)日本东芝公司10)日本富士公司按生产厂家分类一是朝着小型、简易、价格低廉方向发展。单片机技术的发展，促进了PLC向紧凑型发展，体积减小，价格降低，可靠性不断提高。这种小型的PLC可以广泛取代继电器控制系统，应用于单机控制和小型生产线的控制，如OMRON公司的C20、C20P、C28P、C40P、C60P、C20H、C40H等。二是朝着大型、高速、多功能方向发展。大型的PLC一般为多微处理器系统，有较大的存储能力和功能强劲的输入/输出接口。通过丰富的智能外设接口，可以实现流量、温度、压力、位置等闭环控制；通过网络接口，可级连不同类型的PLC和计算机，从而组成控制范围很大的局域网络，适用于大型的自动化控制系统。

目前大型PLC是几百K字节，最高可达几兆字节

例如: A-B公司PLC-3的程序存储容量为2M字节，西门子公司的S5-155U为2M字节

CPU处理速度进一步加快

==》使用64bitRISC芯片， 多CPU并行、分时、分任务处理， 这样可使速度达到ns级。大中型PLC的扫描速度可达0.2ms/K步左右。例如: GE公司90系列331、771等为0.4ms／K步， 欧姆龙公司C1000H、C2000H为0.4ms／K步， 三菱公司A3N、A3H为0.2ms／K步，A3A高达0.15ms／K步，2．编程语言向标准化靠拢。 分散控制、集中管理的原则。3．输入输出模块智能化和专用化。 例如：智能通信模块，语音处理模块等。4．网络通信功能标准化。5．控制与管理功能一体化

PLC将广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。

工业控制单板机（计算机）继电器控制系统先进控制装置PLC本质项目目标1、了解PLC的性能和分类方法；2、掌握S7－200PLC硬件结构及基本功能；3、掌握S7－200PLC的接线方法；4、掌握PLC的循环扫描的工作方式；5、理解PLC控制与其它控制方式的区别。二、PLC硬件结构分析

PLC的硬件结构主要由中央处理器CPU、存储器、输入接口、输出接口、通信接口、扩展接口、电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，负责完成控制系统逻辑控制、数字运算等；输入接口与输出接口连接现场输入/输出设备，负责外部信息的输入和驱动外部执行元件；通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。

PLC的性能指标与分类PLC的性能指标

1．I/O点数

2．用户程序存储器容量

3．扫描速度

4．指令种类及条数

5．内部器件的种类和数量

6．智能单元

1．输入/输出点数（I/O点数）

指PLC外部输入、输出端子数。根据I/O点数PLC可分为小型PLC（256点以下），中型PLC（２５６～２０４８之间），大型ＰＬＣ（２０４８点以上）。２．扫描速度

执行一步指令的时间μs/步或执行１０００条指令所需时间ms/k。CPU完成一次包括输入处理阶段、程序执行阶段和输出处理阶段的扫描循环所占用的时间称为PLC的一个扫描周期，用T0表示。其中输入和输出时间很短，约为1ms。程序执行时间与指令种类和CPU扫描速度相关。欧姆龙C系列P型机的CPU指令执行的平均时间约为10

s/指令。３．内存容量

ＰＬＣ能存放用户程序的多少，以步为单位，一条指令可能有好多步。４．指令条数

衡量ＰＬＣ软件功能的指标。

5．内部寄存器(继电器)

PLC内部有许多寄存器用来存放变量、中间结果、数据等，还有许多辅助寄存器可供用户使用。因此寄存器的配置也是衡量PLC功能的一项指标。内部寄存器常冠以“继电器”的名称，目的是在概念上与继电接触器控制电路相同，便于理解。例如输入输出继电器是与输入输出点对应的那部分内存单元，它决定了PLC可能配置的最多I/O点数。内部辅助继电器与中间继电器一样，合理使用可实现输入与输出之间的复杂的变换，它的数量也反映了PLC处理能力。

6．高功能模块

高功能模块的多少，功能强弱是衡量PLC产品水平高低的一个重要标志。常用高功能模块有：A/D模块，D/A模块，高速计数模块，位置控制模块，智能PID模块，温度控制模块，速度控制模块，远程通讯模块等。1、按PLC的硬件结构类型分类根据PLC硬件结构形式不同，PLC主要可分为整体式和模块式两类。PLC的分类2、按PLC的I/O点数容量分类

微型机-----控制点数仅几十点小型机，I/O点数在256点以内，用户程序内存在4KB以下，以开关量逻辑处理为主；中型机，I/O点数在256~2048点，用户程序内存在8KB以下，具有很强的数字计算处理功能。大型机，I/O点数在2048点以上，用户程序可达10MB，性能与工业计算机相当。超大型机----控制点数可达上万、甚至于几万点S7-200PLC硬件结构1、S7-200PLC的外形通信口：在S7-200主机模块上都至少有一个或多个通信口。S7-200提供的是RS-485通信口，要与计算机相连需经过专业的PC/PPI电缆。LED指示灯：在主机模块上安装有LED指示灯，用于指示PLC电源（POWER）、运行（RUN）、编程（PROG）、测试（TEST）、断开（BREAK）、出错（ERROR）、电池电量不足（BATT）、警告（ALARM）等工作状态。S7-200PLC的基本组成

S7-200PLC将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O口集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的微型PLC，如图PLC有何独特之处？1、灵活、通用

-----PLC是通过存储在存储器中的程序实现控制功能的，如果控制功能需要改变的话，只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。

2、可靠性高、抗干扰能力强

平均无故障时间一般可达3～5万小时

-----PLC采用的是微电子技术，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，因此不会出现继电器控制系统中的接线老化、脱焊、触点电弧等现象。

-----PLC还采取了以下主要措施来提高其可靠性。

1)硬件措施：

对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，均采用严格措施进行屏蔽，以防外界干扰；

2)软件措施

监控程序定期地监测外界环境；死循环报警；停电时利用后备电池供电。“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”

3、编程简单、使用方便

-----用微机实现控制，使用的是汇编语言，难于掌握，要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。而PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。

4、接线简单

5、功能强

6、体积小,重量轻,易于实现机电一体化开关量的逻辑控制----开关量的逻辑控制使PLC的最基本控制功能。目前，PLC首用的目标，就是用于开关量的控制。取代传统继电器，完成开关量控制。PLC的应用领域。模拟量的闭环控制----PLC具有A/D、D/A转换及算术运算等功能，因此可以实现模拟量控制。对许多连续变化量如温度、压力、流量、液位、速度等的控制。数字量的智能控制----利用PLC能接受和输出高速脉冲的功能，在配备了相应的传感器（如旋转编码器）或脉冲伺服装置（如环型分配器、功放、步进电机）就能实现数字量的智能控制。数据采集与监控----利用PLC自检信号多的特点实现自诊断的式的监控，减少系统的故障，提高累计平均无故障运行时间，同时可减低故障修复时间，提高系统的可靠性。通信、联网及集散控制----利用PLC的强大的通信联网功能，把PLC分布到控制现场，并实现各站间的通信，上、下层间的通信，达到分散控制、集中管理，即构成了现在的PCS系统。应用领域机械食品造纸应用实例·机床·自动生产机械·自动装配机·仓库控制·配料控制·包装机控制·包装纸输送线·瓦楞纸冲装机·自动包装机应用领域货运水处理楼宇应用实例·传送带生产线控制·装载输送机控制·吊车控制·水滤清控制·上下水道控制·废液处理控制·楼房空调控制·楼房防灾警报设备控制·立体停车场控制应用领域公共设施农业娱乐应用实例·隧道排气控制·垃圾处理设备控制过滤、清洗设备控制·喷灌控制·喷水控制·温室控制·照明控制·霓虹灯控制·剧场舞台的自动控制可编程序控制器应用领域分类PLC的基本组成各部分的作用整体式PLC组合式PLCI.PLC的基本组成

按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类外形的样子整体式PLC模块式PLC

1.整体式PLC的组成示意图这种结构的特点是：结构简单，体积小，价格低，输入输出点数固定，实现的功能和控制规模固定，但灵活性较低。PLC的基本结构

2.组合式PLC的组成示意图组合式PLC的特点是：系统构成的灵活性较高，系统构成具有不同规模和功能的PLC，但同时价格也较高。II.各部分的作用1．中央处理单元（CPU）

2．存储器

3.I/O单元

(输入输出接口）4.电源和其它电路5．智能单元

6．扩展口7.编程工具

8．其它外部设备中央处理单元

功能：接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误；用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来；

PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作；将用户程序的执行结果送至输出端。

中央处理单元

现代PLC使用的CPU主要有以下几种：通用微处理器，如8080、6800、Z80A、8086等。通用微处理器的价格便宜，通用性强。单片机，如8031

、8051等。单片机由于集成度高、体积小、价格低和可扩充性好，很适合在小型PLC上使用，也广泛地用于PLC的智能I/O模块。位片式微处理器，如AMD2900系列等。位片式微处理器是独立于微型机的另一分支。它主要追求运算速度快，它以4位为一片。用几个位片级联，可以组成任意字长的微处理器。存储器

根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种:a)系统程序存储器，ROM

b)用户程序存储器，RAM（用锂电池备份）

EPROM，EEROMc)工作数据存储器，RAMI/O单元

常用的I/O单元开关量输入单元

（1）直流输入单元（2）交流输入单元开关量输出单元

（1）晶体管输出单元

（2）双向晶闸管输出单元

（3）继电器输出单元，

PLC是在按钮开关、限位开关和其他传感器等发出的监控输入信号作用下进行工作的。输入信号作用于用户程序便产生输出信号，而这些输出信号可直接控制外部的控制系统，如电动机、接触器、电磁阀、指示灯等。I/O单元（输入／输出设备）（1）输入单元作用：是连接可编程控制器与其它外设之间的桥梁。对输入信号进行滤波、隔离、电平转换等，把输入信号安全、可靠地传送给CPU。

生产设备的控制信号通过输入模块传送给CPU。常用的输入信号：按钮、位置开关、开关或电位器、传感器、变送器原理按SB—发光二极管导通（LED灯亮）—在发光激励下，光电二极管导通—驱动内部电路通断采用了滤波和光电隔离RC滤波一个输入单元—一个输入继电器—一个输入点输入点和输出点（1）直流输入电路输入采用光电耦合电路，可大大减少电磁干扰，输入响应时间一般在2ms以下。3.3K4701000PF输入单元（2）交流输入电路输入单元（2）输出单元。开关量输出单元用于连接继电器、接触器、电磁阀线圈，是PLC的主要输出口，是连接PLC与控制设备的桥梁。CPU运算的结果通过输出单元模块输出。输出单元模块通过将CPU运算的结果进行隔离和功率放大后来驱动外部执行元件。输出单元类型很多，但是它们的基本原理是相似的。PLC有3种输出方式：继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出。图5-8为PLC的3种输出电路图。

（1）晶体管输出电路输出采用光电隔离。晶体管输出适用高频小功率负载（直流电源输出），响应时间几十μS～几百μs。输出单元（2）双向晶闸管输出电路晶闸管输出适用高频大功率负载（交流电源输出），响应时间几百μS～几ms输出单元（3）继电器输出电路继电器输出适用低频大功率负载（交、直流电源输出），响应时间ON→OFF10ms,OFF→ON8ms输出单元----智能单元本身是一个独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器，及与外界过程相连的接口。

智能单元目前已开发的常用的智能单元有：A/D单元、D/A单元、高速计数单元、位置控制单元、PID控制单元、温度控制单元和各种通信单元等。

编程工具-----主要用来编辑程序、调试程序和监控程序的执行，还可以在线测试PLC的内部状态和参数，与PLC进行人机对话。专用编程器

(1)简易编程器

(2)图形编程器计算机辅助编程

三、S7-200PLC的接线方法

PLC的外端子是PLC外电源、输入和输出的连接端子。型号规格中用斜线分割的三部分分别表示CPU电源的类型，输入接口电路的类型及输出接口电路的类型。其中输出接口类型中，RLY为继电器输出，DC为晶体管输出。如CPU224AC/DC/RLY，其中AC代表为CPU由220V交流电源供电，DC代表24V直流输入，RLY代表负载采用了继电器驱动，所以既可以选用直流电为负载供电，也可以采用交流电为负载供电。三、S7-200PLC的接线方法CPU模块供电接线图PLC输入接线示意图PLC输出接线示意图CPU224XPDC/DC/DC为晶体管输出电路，PLC由24V直流供电，负载采用了MOSFET功率驱动器件，所以只能采用直流为负载供电。输出端将数字量输出分为两组，每组有一个公共端，共有1L，2L两个公共端，可接入不同电压等级的负载电源。

CPU224XPAC/DC/RLY为继电器输出电路，数字量输出分为三组，每组的公共端为本组的电源供给端，Q0.0～Q0.3共用1L，Q0.4～Q0.6共用2L，Q0.7～Q1.1共用3L，各组之间可接入不同电压等级、不同电压性质的负载电源。S7-200CPU226AC/DC/继电器模块的外部端子接线图：

四、S7-200PLC的扩展1、扩展模块的连接2、扩展模块编址（1）同类型输入或输出点按顺序进行编址。（2）对于数字量，输入/输出映像寄存器的单位长度为8位，本模块高位实际位数未满８位的，未用位不能分配给后面的模块，后续地址必须从下个字节开始编排。（3）模拟量的数据格式为一个字长，所以地址必须从偶数字节开始。输入/输出以两个通道（两个字）递增方式分配空间，本模块中未使用的通道地址不能被后续的同类继续模块使用，后续地址必须从新的两个字开始。

数字量输入输出模块：

S7-200PLC配有数字量输入输出模块（EM223）。在一块模块上既有数字量输入点又有数字量输出点，这种模块称为组合模块或输入输出模块。数字量输入输出模块的输入电路及输出电路的类型与上述介绍的相同。在同一块模块上，输入、输出电路类型的组合有多种多样，用户可根据控制需求选用。有了数字量组合模块可使系统配置更加灵活。

模拟量I/O模块

工业控制中，除了用数字量信号来控制外，有时还要用模拟量信号来进行控制。模拟量模块有模拟量输入模块、模拟量输出模块、模拟量输入输出模块。

模拟量I/O模块：模拟量输入模块（A/D）；模拟量输出模块（D/A）；模拟量输入输出模块。

模拟量I/O模块模拟量输入模块（A/D）；模拟量输入模块（EM231）具有4个模拟量输入通道。每个通道占有存储器AI区域2个字节(一个模拟信号转换成一个16位的数字量)。该模块模拟量的输入值为只读数据。电压输入范围：单极性0～10V，0～5V；双极性-5～+5V，-2.5～+2.5V，电流输入范围：0～20mA。模拟量到数字量的最大转换时间为250μs。该模块需要直流24V供电。可由CPU模块的传感器电源DC24V/400mA供电，也可由用户提供外部电源。

模拟量I/O模块模拟量输出模块（D/A）：模拟量输出模块（EM232）具有2个模拟量输出通道。每个输出通道占用存储器AQ区域2个字节。该模块输出的模拟量可以是电压信号，也可以是电流信号。输出信号的范围：电压输出为-10～+10V，电流输出为0～20mA。电压输出的设置时间为100μs，电流输出的设置时间为2ms。用户程序无法读取模拟量输出值。该模块需要DC24V供电。可由CPU模块的传感器电源DC24V/400mA供电，也可由用户提供外部电源。

模拟量I/O模块模拟量输入输出模块：

EM235具有4个模拟量输入通道、1个模拟量输出通道。该模块的模拟量输入功能同EM231模拟量输入模块，技术参数基本相同，只是电压输入范围有所不同：单极性为0～10V、0～5V、0～1V、0～500mV、0～100mV、0～50mV；双极性为-10～+10V、-5～+5V、-2.5～+2.5V、-1～+1V、-500～+500mV、-250～+250mV、-100～+100mV、-50～+50mV、-25～+25mV。该模块的模拟量输出功能同EM232模拟量输出模块，技术参数也基本相同。

S7-200CPU22X系列的I/O配置及地址分配见项目CPU221CPU222CPU224CPU226本机数字量输入地址分配6输入I0.0~I0.58输入I0.0~I0.714输入I0.0~I0.7I1.0~I1.524输入I0.0~I0.7I1.0~I1.7I2.0~I2.7本机数字量输出地址分配4输出Q0.0~Q0.36输出Q0.0~Q0.510输出Q0.0~Q0.7Q1.0~Q1.116输出Q0.0~Q0.7Q1.0~Q1.7本机模拟量输入/输出无无无无扩展模块数量无2个模块7个模块7个模块S7-200PLC的扩展配置允许主机所带扩展模块的数量：各类主机可带扩展模块的数量是不同的。数字量I/O映像区的大小：128个输入映像寄存器（I0.0～I15.7）和128个输出映像寄存器（Q0.0～Q15.7），最大I/O配置不能超过此区域。

模拟量I/O映像区的大小：CPU222模块，16入/16出；CPU224模块、CPU226模块、CPU226XM模块，32入/32出，模拟量的最大I/O配置不能超出此区域。模拟量扩展模块总是以2个字节递增的方式来分配空间。类型CPU224EM221EM222EM235EM223EM235I/O点数DI14/DO10DI8DO8AI4/AO1DI4/DO4AI4/AO1地址分配I0.0Q0.0I2.0Q2.0AIW0AQW0I3.0Q3.0AIW8AQW4I0.1Q0.1I2.1Q2.1AIW2I3.1Q3.1AIW10I0.2Q0.2I2.2Q2.2AIW4I3.2Q3.2AIW12I0.3Q0.3I2.3Q2.3AIW6I3.3Q3.3AIW14I0.4Q0.4I2.4Q2.4I0.5Q0.5I2.5Q2.5I0.6Q0.6I2.6Q2.6I0.7Q0.7I2.7Q2.7I1.0Q1.0I1.1Q1.1I1.2I1.3I1.4I1.5例2-1：某一控制系统选用CPU224PLC，系统所需的输入输出点数分别为：数字量输入24点、数字量输出20点、模拟量输入6点、模拟量输出2点，试进行地址分配。

1.PLC对模拟量的处理模拟量模块例如：恒温控制实验2.模拟量输入模块(1)模拟量输入模块的输入数据格式

(2)模拟量输入模块的端子接线图

模拟量模块3.模拟量输出模块(1)模拟量输出模块的输出数据格式(2)模拟量输出模块的端子接线图模拟量模块4.模拟量输入输出模块模拟量模块端子接线图：S7-200PLC的智能模块1.EM231测温模块

EM231热电偶/热电