教育PLC的硬件与工作原理

2024/11/6第二章

PLC的硬件与工作原理电气控制与PLC

2024/11/6本章主要内容2.1PLC的硬件2.2PLC的工作原理2.3S7-200系列PLC2.4I/O的地址分配与外部接线

2024/11/6本章学习要求

了解PLC的组成模块和扩展模块掌握PLC的工作原理（重点）熟练掌握PLC的扩展和编址（重点、难点）

2024/11/62.1PLC的硬件一、PLC的物理结构

整体式PLC——把CPU模块、I/O模块和电源装在一个机壳内。运行状态LED可选卡插槽通信端口I/O状态LED顶部端子盖电源及输出端子前盖：RUN/STOP开关电位器及扩展I/O口低部端子盖：输入端子及传感器电源

2024/11/6一、PLC的物理结构

模块式PLC——大中型一般采用，由机架和模块组成。CPU模块

智能I/O模块

通信模块

编程器PLC/上位计算机

工业现场过程

输入模块

输出模块2.1PLC的硬件

2024/11/62.1PLC的硬件二、CPU模块中的存储器1.存储器的类型

ROM、RAM、EEPROM。2.存储器的划分(1)系统存储器

ROM存储器。(2)用户程序存储器有掉电保护的RAM或EEPROM存储器。不同型号的PLC其存储器的容量差别很大。

2024/11/6(3)工作数据存储器

有掉电保护的RAM或EEPROM存储器。在工作数据区预先开辟了“元件映像寄存器”和变量数据区。有掉电时能保持数据的区域——数据保持区。2.1PLC的硬件二、CPU模块中的存储器

2024/11/61.数字量（开关量）输入接口电路

(1)直流输入接口电路

2.1PLC的硬件三、I/O模块

2024/11/62.1PLC的硬件(2)交流输入接口电路内部电路R3＋U

VT滤波SCOMR1R2CLED输入指示~三、I/O模块

2024/11/62.1PLC的硬件三、I/O模块2.数字量（开关量）输出接口电路

根据输出电路所用开关器件的不同分类。(1)继电器输出接口电路适用于：低频大功率直流或交流负载。

2024/11/62.1PLC的硬件三、I/O模块2.1PLC的硬件三、I/O模块(2)场效应晶体管(晶体管)输出接口电路适用于：高频小功率直流负载。

2024/11/6(3)双向晶闸管输出单元LED输出指示R1COMFU负载－＋内部电路R

CVT1

＋－~VT2

R22.1PLC的硬件三、I/O模块适用于：高频大功率交流负载。

2024/11/61.逻辑运算2.2PLC的工作原理一、用触点和线圈实现逻辑运算☞“0”：线圈断电;触点不动作。☞“1”

：线圈通电;触点动作。

☞

输入：触点状态。

☞

输出：线圈状态。

2024/11/62.PLC中实现逻辑运算2.2PLC的工作原理一、用触点和线圈实现逻辑运算☞PLC中的编程元件沿用了继电器这一名称。☞采用“软”继电器（编程元件）代替“硬”继电器。

2024/11/61.运行模式2.2PLC的工作原理二、PLC的运行模式☞

STOP（停止）模式☞

RUN（运行）模式2.运行模式的切换☞

编程软件☞

模式开关☞

程序中插入指令

2024/11/62.2PLC的工作原理三、PLC的工作原理PLC是一种工业控制计算机，所以它的工作原理与计算机的工作原理基本上是一致的，也就是说，PLC是在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务，实现控制目的。

2024/11/62.2PLC的工作原理三、PLC的工作原理☞

PLC的扫描工作方式PLC采用“顺序扫描、不断循环”的工作方式。

CPU连续执行用户程序，任务的循环序列称为扫描。一个扫描周期包含以下任务:

2024/11/62.2PLC的工作原理三、PLC的工作原理1.读取输入

读(采样)输入端子的信号→存入(刷新)I

中。没有使用的I

位被清零。CPUDIAI输入映像寄存器输出映像寄存器DOAO............

2024/11/62.2PLC的工作原理三、PLC的工作原理2.程序执行阶段

☞

CPU从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。

☞输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的读取输入阶段被读入。☞执行用户程序中的特殊处理：

中断程序的处理

立即I/O处理

2024/11/62.2PLC的工作原理三、PLC的工作原理3.处理通信请求

CPU处理从通信端口接收到的任何信息。处理通信请求的时间是可以调节的。4.执行CPU的自诊断

CPU检查其硬件、I/O模块状态、用户存储器。发现故障，报警或停止程序运行。5.改写输出将Q中的输出值→输出锁存器→驱动被控对象按新的输出值动作。

2024/11/62.2PLC的工作原理三、PLC的工作原理8.PLC的工作过程举例LD I0.1O Q0.0AN I0.2=Q0.0

2024/11/62.2PLC的工作原理三、PLC的工作原理PLC的工作过程

输入端子输入映像寄存器输出锁存输出端子元件映像寄存器输入信号输出①刷新输入刷新阶段②读③写④读⑤写⑥读⑦写⑧刷新⑨输出执行程序阶段输出刷新阶段

2024/11/69.PLC的输入/输出滞后现象

影响输入/输出响应滞后的主要因素有：

•输入延迟时间。•扫描周期。•输出延迟时间。•程序语句的安排，影响程序执行时间。

如图所示程序：

•从I0.0接通到Q0.1接通延迟了一个多扫描周期（正常）。•而Q0.0被接通却延迟了两个多扫描周期（不正常）。

解决方法：交换网络1与网络2前后位置。

2.2PLC的工作原理三、PLC的工作原理

2024/11/61.1975年，西门子公司投放市场的第一代PLC是S3系列。2.3S7-200系列PLC一、S系列PLC发展概述2.1979年，S5系列。☞

每个系列中又发展了多个子系列，比如S5系列产生不久

便升级为U系列和H系列，有的至今仍在使用。☞

S5系列PLC的编程使用的是STEP5编程语言。3.上世纪末，推出了S7系列产品。☞小型：S7－200；中型：S7－300；大型：S7－400；☞

S7系列PLC的编程使用的是STEP7编程语言。4.2004年，推出了S7-200的升级产品。

2024/11/62.3S7-200系列PLC二、S7－200小型PLC的基本性能1.CPU基本特点

2024/11/62.3S7-200系列PLC二、S7－200小型PLC的基本性能2.主机及I/O特性

2024/11/62.3S7-200系列PLC三、数字量扩展模块型号描述类型EM221EM222EM223数字量输入扩展模块数字量输出扩展模块数字量输入/输出扩展模块8点24VDC输入8点AC120/230V输入16点24VDC输入8点24VDC输出

8点继电器输出8点AC120/230V输出4点24VDC输出,5A/点4点继电器输出,10A/点DI4

/DO4×DC24VDI4

/DO4×DC24V/继电器DI8

/DO8×DC24VDI8

/DO8×DC24V/继电器DI16

/DO16×DC24VDI16

/DO16×DC24V/继电器EM221

2024/11/62.3S7-200系列PLC四、模拟量I/O扩展模块

型号和描述规格

功耗/W

电源要求/mA

＋5VDC＋24VDC

EM231模拟量输入扩展模块

EM232模拟量输出扩展模块

EM235模拟量混合模块EM231TC热电偶输入模块EM231RTD热电阻输入模块4输入通道

2输出通道4输入/1

输出

4输入通道2输入通道2

22

1.81.8260

20703060

87608760

2024/11/62.4I/O地址分配与外部接线一、I/O扩展☞

CPU22X每种主机所提供的本机I/O点的I/O地址是固定的，

进行扩展时，可在CPU右边连接多个扩展模块。☞每个扩展模块的组态地址编号取决于各模块的类型和该模

块在I/O链中所处的位置。CPU222EM253

2024/11/62.4I/O地址分配与外部接线二、编址方法☞

CPU22X每同种类型输入或输出点的模块在链中按与主机

的位置而递增。☞其他类型模块的有无以及所处位置不影响本类型模块的编号。☞其对于数字量，输入输出映像寄存器单位长度为8位（1个字

节），本模块高位实际位数未满8位的，未用位不能分配给I/O

链的后续模块。☞对于模拟量，以2个字节分配空间，即上一地址和下一地址

要差2个字节。而且，模拟量扩展模块以2点（4字节）递增的方

式来分配地址。

2024/11/62.4I/O地址分配与外部接线二、编址方法例题：某一控制系统选用CPU224，系统所需的输入输出

点数各为：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。型号描述类型EM221EM222EM223数字量输入扩展模块数字量输出扩展模块数字量输入/输出扩展模块8点24VDC输入8点AC120/230V输入16点24VDC输入8点24VDC输出

8点继电器输出8点AC120/230V输出4点24VDC输出,5A/点4点继电器输出,10A/点DI4

/DO4×DC24VDI4

/DO4×DC24V/继电器DI8

/DO8×DC24VDI8

/DO8×DC24V/继电器DI16

/DO16×DC24VDI16

/DO16×DC24V/继电器

2024/11/6分析：CPU224的DI：14点DO:10点

(1)需要扩展的点数：DI:24-14=10DO:20-10=10

AI:6-0=6AO:2-0=2(2)硬件组态方案：

第一种：EM221(8DI)×2EM222(8DO)×2

EM231(4AI)×2EM232(2AO)×1

第二种：EM221(8DI)×1EM222(8DO)×1

EM223(4DI/4DO)×1EM235(4AI/1AO)×2

2.4I/O地址分配与外部接线二、编址方法例题：某一控制系统选用CPU224，系统所需的输入输出

点数各为：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。

2024/11/62.4I/O地址分配与外部接线二、编址方法CPU221CPU222CPU224CPU2261无扩展能力212345677123456CPU的扩展能力：1）能扩展的最多模块数；2）CPU的带负载能力。

2024/11/62.4I/O地址分配与外部接线二、编址方法基本I/O扩展I/O主机CPU224EM2234DI/4DOEM2218DIEM2354AI/1AOEM2228DOEM2354AI/1AOI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7Q1.0Q1.1I2.0I2.1I2.2I2.3Q2.0Q2.1Q2.2Q2.3I3.0I3.1I3.2I3.3I3.4I3.5I3.6I3.7AIW0AIW2AIW4AIW6AQW0Q3.0Q3.1Q3.2Q3.3Q3.4Q3.5Q3.6Q3.7AIW8AIW10AIW12AIW14AQW4I0I1..Q0Q1..M0M1..V0V1V2..