西门子S7-1500 PLC技术及应用 课件 第1章 可编程控制器基础

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可编程控制器基础点击此处结束放映《西门子S7-1500PLC技术及应用》

可编程控制器概述1.1可编程控制器的工作原理1.2《西门子S7-1500PLC技术及应用》点击此处结束放映可编程控制器硬件基础1.3

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可编程控制器的英文名称是ProgrammableController，早期简称PC，后来为了与个人计算机（PC）区分，在行业中多称之为ProgrammableLogicController，即可编程逻辑控制器，简称PLC，而这种称呼又与可编程控制器的起源和它本身的特点有关。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的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入或输出，控制各类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按照易于与工业控制形成一个整体，易于扩充其功能的原则来设计。

《西门子S7-1500PLC技术及应用》1.1.1可编程控制器的产生与发展点击此处结束放映《西门子S7-1500PLC技术及应用》

1968年美国通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号的不断更新，提出了著名的“GM十条”，向全球招标新生产线。

1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司提出的10项指标，研制出第一台控制器，型号为PDP-14，它的开创性意义在于引入了程序控制功能，为计算机技术在工业控制领域的应用开辟了空间。

至上世纪70年代，PLC技术已经进入成熟期。推动PLC技术发展的动力主要来自于两个方面：其一是企业对高性能、高可靠性自动控制系统的客观需要和追求；其次，电子与微处理器技术的高速发展，为PLC技术的发展奠定了基础并开拓了空间。点击此处结束放映《西门子S7-1500PLC技术及应用》PLC对高性能的追求主要体现在：

（1）向高集成、高性能、高速度，大容量发展。采用多CPU结构、模块化可扩展结构、模拟量输入输出控制等。

（2）向普及化方向发展。价格便宜，体积小、重量轻、能耗低，很适合于单机自动化。

（3）向模块化、智能化发展。独立测控功能模块、智能I/O模块等。

（4）向软件化发展。编程软件可以对可编程序控制器控制系统的硬件组态，即设置硬件的结构和参数，以及运行流程等。（5）向通信网络化发展。通过串行通信接口或网络通信模块，实现上位计算机与可编程序控制器交换数据信息。点击此处结束放映《西门子S7-1500PLC技术及应用》1.1.2可编程控制器的特点

可编程控制器的产生是基于工业控制的需要，是面向工业控制领域的专用设备，它具有以下特点：CPU具备可靠性高，抗干扰能力强的特点；灵活性强，控制系统具有良好的柔性；编程方法简单、语言直观，使用方便；控制系统易于实现，开发工作量少，周期短；结构清晰，维修方便；体积小，能耗低；功能强，性能价格比高

。

点击此处结束放映《西门子S7-1500PLC技术及应用》1.1.3可编程控制器的组成及分类图1-1PLC的基本组成部件

1.可编程控制器的组成PLC是一种工业控制用的专用计算机，其基本组成部件如图1-1所示。点击此处结束放映《西门子S7-1500PLC技术及应用》

（1）中央处理器单元

中央处理单元（CentralProcessingUnit，简称CPU）是PLC的控制核心，负责完成逻辑运算、数字运算以及协调系统内各部分的工作。其主要功能有：

1）接收并存储用户程序和数据。

2）诊断电源故障、硬件故障以及用户程序的语法错误。

3）通过输入接口读取输入设备的状态和数据，并存储到相应的存储区。

4）读取用户程序指令，循环解释执行用户程序，完成逻辑运算、数字运算、数据传递、存储等任务。

5）刷新输出映像，将输出映像内容送至输出单元。点击此处结束放映《西门子S7-1500PLC技术及应用》

（2）存储器单元

按照存储内容的不同，存储器单元分成系统程序存储器和用户程序存储器。

1）系统程序存储器用于存放PLC生产厂家编写的系统程序，系统程序在出厂时已经被固化在PROM或EPROM中。这部分存储区不对用户开放，用户程序不能访问和修改。

2）用户程序存储器

可分为程序存储区和数据存储区，程序存储器用于存放用户编写的控制程序，数据存储区存放的是程序执行过程中所需要的或者所产生的中间数据。点击此处结束放映《西门子S7-1500PLC技术及应用》

（3）电源单元

电源单元将外界提供的电源转换成PLC的工作电源后，提供给PLC。有些电源单元也可以作为负载电源，通过PLC的I/O接口向负载提供直流24V电源。

电源单元还提供掉电保护电路和后备电池电源，以维持部分RAM存储器的内容在外界电源断电后不会丢失。在面板上通常有发光二极管（LCD）指示电源的工作状态，便于判断电源工作是否正常。点击此处结束放映《西门子S7-1500PLC技术及应用》4）输入/输出单元

PLC的输入、输出单元也叫I/O单元，对于模块式的PLC来说，I/O单元以模块形式出现，所以又称为I/O模块。

I/O单元是PLC与工业现场的接口，现场信号与PLC之间的联系通过I/O单元实现。

工业现场的输入和输出信号包括数字量和模拟量两类，因此I/O单元也有数字I/O和模拟I/O两种，前者又称为DI/DO，后者又称为AI/AO。PLC的输入、输出单元还应包括一些功能模块，所谓功能模块就是一些智能化了的输入和输出模块。点击此处结束放映《西门子S7-1500PLC技术及应用》

5）其他接口单元I/O扩展接口。用于扩展输入输出点数。通信接口。通常集成有RS232或RS422口，用于与PLC、上位机、远程I/O、监视器、编程器等外部设备相连。编程器接口。PLC本体通常是不带编程器的，编程器接口是连接编程器的。存储器接口。存储器接口是为了扩展存储区而设置的。其它外部设备接口。包括条码读入器的接口、打印机接口等等。PLC的I/O单元也属于接口单元的范畴，它完成PLC与工业现场之间电信号的往来联系。除此之外，PLC与其它外界设备和信号的联系都需要相应的接口单元，还应该包括：点击此处结束放映《西门子S7-1500PLC技术及应用》

2.可编程控制器的分类

（1）按结构分类

PLC在结构上主要有两种类型：整体式和模块式。整体式的PLC将CPU单元、存储器单元、I/O单元、电源单元都集中安装在一个箱体内，是不可分的，称为主机。主机上通常有编程接口和扩展接口，前者用于联结编程器，后者用于连接扩展单元。整体式PLC又称一体化的PLC、箱体式PLC等。

模块式PLC是将各个功能单元制作成独立的模块，如CPU模块、数字输入模块、数字输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、电源模块以及其它特殊功能模块和智能模块，用户根据控制需要选择相应的模块，将其组装在一起构成完整的PLC。点击此处结束放映《西门子S7-1500PLC技术及应用》

（2）按控制规模分类

控制规模是PLC性能指标之一，习惯上总是用数字量I/O点数的多少来衡量PLC系统规模的大小。目前关于控制规模的划分方式并不统一，较为细致的划分可以将PLC归为微型机（数十点）、小型机（500点以下）、中型机（500点至上千点）、大型机（数千点）、超大型机（上万点）等多种级别。也有粗略地划分为小型机（256点以下）、中型机（256至2048点之间）、大型机（2048点以上）等级别的。

可编程控制器的工作原理1.2《西门子S7-1500PLC技术及应用》点击此处结束放映点击此处结束放映《西门子S7-1500PLC技术及应用》可编程控制器是基于电子计算机的工业控制器，从PLC产生的背景来看，PLC系统与继电-接触器控制系统有着极深的渊源，因此可以比照着继电器系统来学习PLC的工作原理。PLC是通过通用逻辑电路（硬件）和控制程序（软件）的结合来实现传统继电器-接触控制所谓“逻辑电路”的功能，用户所编制的控制程序体现了特定的输入输出之间的逻辑关系。如图1-3所示。图1-3基于PLC的控制系统组成图点击此处结束放映《西门子S7-1500PLC技术及应用》如图1-4所示为一个典型的传统继电-接触器控制的电动机启动/停止控制电路，由继电器等元件组成。电路中有两个输入，图1-4传统电动机起动/停止控制电路1.2.1可编程控制器的等效电路分别为启动按钮（SB1）、停止按钮（SB2）；接触器KM作为输出器件控制被控设备。图中的输入输出逻辑关系由硬件连线实现。点击此处结束放映《西门子S7-1500PLC技术及应用》与图1-4逻辑电路等效的基于PLC的控制系统逻辑控制环节如图1-5所示，需要注意的是PLC仅仅取代了传统继电-接触器控制中的“逻辑电路”部分，而其它的环节任然保留不变，即主回路和必要的保护电路保持不变。图1-5PLC等效电路点击此处结束放映《西门子S7-1500PLC技术及应用》PLC的工作过程以循环扫描的方式进行，当PLC处于运行状态时，它的运行周期可以划分为3个基本阶段：输入采样阶段；PLC逐个扫描每个输入端口，将所有输入设备的当前状态保存到相应的存储区。程序执行阶段；在系统程序的指示下，CPU从用户程序存储区逐条读取用户指令，经解释后执行相应动作，产生相应结果，刷新相应的输出映像寄存器，期间需要用到输入映像寄存器、输出映像寄存器的相应状态。输出刷新阶段。系统程序将输出映像寄存器中的内容传送到输出锁存器中，经过输出接口、输出端子输出，驱动外部负载。1.2.2可编程控制器的工作过程点击此处结束放映《西门子S7-1500PLC技术及应用》

PLC工作过程的特点总结如下：PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，这种方式减少了外界干扰的影响。PLC的工作过程是循环扫描的过程，循环扫描时间的长短取决于指令执行速度、用户程序的长度等因素。输出对输入的响应有滞后现象。PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，当采样阶段结束后，输入状态的变化将要等到下一个采样周期才能被接收，因此这个滞后时间的长短又主要取决于循环周期的长短。此外，还有硬件电路的滞后时间等。输出映像寄存器的内容取决于用户程序扫描执行的结果。输出锁存器的内容，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定。PLC当前实际的输出状态，由输出锁存器的内容决定。

点击此处结束放映《西门子S7-1500PLC技术及应用》除了上面总结的6条外，需要补充说明的是，当系统规模较大，I/O点数众多，用户程序比较长时，单纯采用上面的循环扫描工作方式会使系统的响应速度明显降低，甚至会丢失、错漏高频输入信号，因此大多数大中型PLC在尽量提高程序指令执行速度的同时，也采取了一些其它措施来加快系统响应速度。例如采用定周期输入采样、输出刷新，直接输入采样、直接输出刷新，中断输入、输出，或者开发智能I/O模块，模块本身带有CPU，可以与主机的CPU并行工作，分担一部分任务，从而加快整个系统的执行速度。

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可编程控制器硬件基础1.3点击此处结束放映《西门子S7-1500PLC技术及应用》

I/O单元是组成PLC系统的重要环节，本节以介绍I/O单元的硬件电路为主，在此基础上简单介绍PLC系统的硬件配置。应当说明的是，不同PLC在硬件的具体实现方案上总是有区别的，本节的任务是讨论一般性的原理，而非某一具体型号的结构特征。

PLC的输入输出部分，可以分为数字I/O（DI/DO）和模拟I/O（AI/AO）两大类。1.3.1可编程控制器的I/O单元点击此处结束放映《西门子S7-1500PLC技术及应用》

1.数字量I/O（DI/DO）

PLC一般总是将输入、输出分成若干组，每组共用一个输入、输出端口，下面分别介绍数字量输入、输出电路的具体形式。

（1）数字量输入单元

数字量输入电路有多种形式，能分别适用于直流和交流的数字输入量。而在直流数字量的输入电路中，根据具体的电路形式又有源型和漏型之别。图1-6是漏型数字量输入电路示意图。图1-7

带整流桥的交流输入电路示意图图1-6

漏型数字量输入电路示意图点击此处结束放映《西门子S7-1500PLC技术及应用》

（2）数字量输出单元

PLC的数字量输出有三种形式：继电器模式、晶体管模式、晶闸管模式，分别用于驱动不同形式的负载。图1-8给出了继电器输出模式的原理图，图中的KA为输出继电器，它的线包由光耦驱动，而光耦的状态取决于PLC内部电路中的输出锁存器，继电器输出模式可以带交流、直流两种负载。图1-8

继电器输出电路示意图点击此处结束放映《西门子S7-1500PLC技术及应用》2.模拟量I/O（AI/AO）

PLC的模拟量I/O接口用于处理连续变化的电压或电流信号，在过程控制领域以及数据采集及监控系统中用途极广。

（1）模拟量输入单元

传感器将被控对象中连续变化的物理量送给PLC，PLC的模拟量输入单元将其转换成数字量后，CPU可对其进行运算处理。因此，模拟量输入单元的核心部件是A/D转换器，对于多路输入的模块，需要多路开关配合