PLC编程与应用课件 项目一认知S7-1200PLC任务1：PLC基本认知

任务1PLC基本认知项目一：

认知S7-1200PLC知识目标：1.了解PLC的发展历程。2.理解PLC的定义及性能。3.明确PLC的基本结构。

技能目标：1.掌握输出接口三种输出类型的适用场合。2.能理解PLC的工作原理。知识点1：PLC的产生及发展20世纪60年代后期可编程逻辑控制器（PLC）第一次亮相。美国汽车制造商通用汽车（GM）想用一种新型的工业控制装置取代汽车生产流水线的继电器控制系统繁复的接线，以消除巨大的生产成本，这也是这样一个装置研制产生的主要原因。DEC公司制造的小型计算机PDP－14莫迪康

084控制器20世纪60年代后期可编程逻辑控制器（PLC）第一次亮相（如图1-1-1所示），在汽车生产线上首次取得成功。几乎在同一时间马萨诸塞州迪克．莫利的贝德福德联合公司提出一种称为模块化的数字控制器（后来的莫迪康公司）--莫迪康084控制器（如图1-1-2所示）），开创了工业控制的新时代，成为了世界第一台投入商业生产的PLC。目前，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，PLC已由最初一位机发展到现在的以16位和32位微处理器构成的微机化PC，而且实现了多处理器的多通道处理。如今，PLC技术已非常成熟，不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PLC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。知识点2：PLC的定义20世纪70年代初人们将出现的微处理器引入到PLC，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，实现了真正具有计算机特征的工业控制装置。这时的PLC为PC技术和继电器控制系统相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，并与个人计算机相区别，1980年美国电气制造商协会将这种新型控制装置定名为可编程序控制器ProgrammableLogicController（PLC）。1987年2月国际电工委员会（IEC）对PLC做出了定义：可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。知识点3：PLC的特点1.编程方便，操作简易梯形图因具有与继电器控制电路在电路符号、表达方式等地方相似的特点，成为了PLC使用最多的编程语言。梯形图形象、简单，容易掌握、使用方便，不需要计算机专业知识，只要具有一定电气方面知识的人员就能轻松掌握。2.可靠性高，抗干扰能力强平均无故障时间用来衡量PLC的可靠性，由于PLC大都采用单片微型计算机，因而集成度高，再加上采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，保护电路及自诊断功能，使PLC控制系统的平均无故障时间可达4～5万小时，能适应有各种强烈干扰的工业现场。如一般PLC能抗1000V、1ms脉冲的干扰，其工作环境温度为0～60℃，无需强迫风冷。3.使用灵活、通用性强PLC的产品已系列化、硬件已标准化，功能模块种类多，可以灵活组成各种不同大小和不同功能的控制系统。在PLC控制系统中，只需把输入输出信号接在PLC的接线端子上，当需要变更控制系统的功能时，可以用软件在线或离线修改程序，同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输入输出组件和应用软件的不同。4.接口简单、维护方便按工业控制的要求，PLC设计的接口有较强的带负载能力（输入输出接口可直接与交流220V，直流24V等电压相连），接口电路一般多为模块式，维修更换方便。一些PLC还可以带电插拔输入输出模块，可不脱机停电而直接更换故障模块，大大缩短了故障修复时间。知识点4：PLC的主要功能1．开关逻辑与顺序控制：PLC最基本、最广泛的应用，它取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制，其既可用于一台设备的控制，也可用于多台群控及自动化流水线控制。2．模拟量控制：温度、压力、流量、液位和速度等模拟量在工业生产过程当中经常需要去控制，现在大部分PLC厂家都生产配套A/D和D/A转换模块，使PLC可用于模拟量控制。3．数据处理：大部分PLC具有数据处理能力，除了数据传送、数学运算外，还能进行数据的转换、排序、查表、显示打印、比较等操作，可以完成数据的采集、分析及处理。4．运动控制：PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。5．通信联网：PLC的通信联网实现了PLC与PLC之间、多台PLC之间、PLC与其他设备之间的信息交换，组成了一个能实现分散集中控制的统一整体。知识点5：PLC的类型1．按I/O点数及存储器的容量分类（1）小型机——小型PLC的功能一般以开关量控制为主，其I/O总点数不会超过256点，用户程序存储器容量小于4K。现在一些高性能小型PLC还具有一定的通讯能力和少量的模拟量处理能力。这类PLC的特点是价格低，体积小，适合于控制单台设备，开发机电一体化产品。典型的小型机有西门子公司的S7-200系列和新型的S7-1200系列、Rockwell公司的SLC500系列、OMRON公司的CPM2A系列、三菱公司的FX系列等产品。（2）中型PLC——中型PLC的I/O总点数在256～1024点之间，用户程序存储器的容量在8K以上。中型PLC具有更强的模拟量处理能力、数字计算能力和通讯能力。中型机的指令比小型机更丰富，一般适用于复杂的逻辑控制系统以及连续生产过程的控制场合。典型的中型机有西门子的S7-300系列、Rockwell公司的ControlLogix系列、OMRON公司的C200H系列等产品。（3）大型PLC——大型PLC的I/O总点数在1024点以上，用户程序存储器容量可达8～16M。大型PLC的性能已经与工业控制计算机相当，它具有计算、控制和调节的功能，还具有强大的通讯联网能力。它可以连接HMI作为系统监视或操作界面，能够表示过程的动态流程，记录各种曲线，可配备多种智能模块，构成一个多功能系统。这种系统还可以和其他型号的控制器、上位机相连，组成一个集中分散的生产过程和产品质量控制系统。大型机适用于设备自动化、过程自动化控制和过程监控。典型的大型PLC有西门子的S7-400、OMRON公司的CVMl和CSl系列、Rockwell公司的ControlLogix、PLC5/05系列等产品。2．根据结构形式分（1）整体式（箱体式）——整体式结构的特点是将PLC的基本部件，如CPU板、输入板、输出板、电源板等紧凑地安装在一个标准机壳内，构成一个整体，组成PLC的一个基本单元（主机）或扩展单元。基本单元上设有扩展端口，通过扩展电缆与扩展单元相连。以构成PLC不同的配置。整体式结构的PLC体积小，成本低，安装方便。微型和小型PLC一般为整体式结构。（2）机架模块式——模块式结构的PLC是由一些模块单元构成，这些标准模块如CPU模块、输入输出模块、电源模块和各种功能模块等，将这些模块插在框架上或基板上即可。各模块功能是独立的，外形尺寸是统一的，插入什么模块可根据需要灵活配置。目前，中、大型PLC多采用这种结构形式。知识点6：PLC的基本结构可编程控制器的核心构成和计算机是一样的，都由中央处理器（CPU）、I/O模块、存储器、电源、I/O扩展接口、外部设备等构成。因此，从硬件结构来说，PLC实际上就是计算机，下图1-1-3是其硬件系统的简化框图。从图中可以看出PLC内部主要部件有:图1-1-3PLC硬件系统的简化框图1．中央处理单元（CPU）在PLC系统中，CPU是PLC的核心组成部分，相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出结果。其主要任务是：

（1）接收并存储输入的用户程序和数据。

（2）用扫描方式接收现场输入装置的状态数据，并存入映象寄存器或数据寄存器中。

（3）诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误。

（4）执行用户程序，完成逻辑运算，完成数据的存取、传送、存储、比较等功能，完成用户所设计程序的任务。（5）根据运算结果控制输出设备，实现输出控制、制表、打印式数据通讯等。2．输入/输出（I/O）接口输入（Input）和输出（Output）接口简称为I/O接口，它们是PLC控制系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入接口用于接收和采集输入信号，输入信号一般有两类：一类是按钮、各种开关(数字拔码开关、限位开关)、传感器、压力继电器等开关量作为输入信号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机等提供的连续变化的模拟量。不同PLC的输入电路大致相同，输入接口内部有光耦合器隔离，并设有RC滤波器，可以消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。PLC的输出接口用来对输出设备进行控制，例如对接触器、电磁阀、指示灯等。输出接口有三种输出类型，即继电器输出型、双向晶闸管输出型、晶体管输出型。

（1）继电器输出：

优点是可驱动交、直流负载，带负载电流可达2A／点；但继电器输出动作频率不能太高。（2）双向晶闸管输出：

优点是能适应高频动作，响应时间大约为1ms，但其带负载能力较差，只能带交流负载。（3）晶体管输出：

优点是适应于高频动作，响应时间短，一般为0.2ms左右，但它只能带直流负载（一般DC30V以下），电流比较小。

3．存储器PLC系统中的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和工作状态数据。根据PLC的工作原理其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区、系统RAM存储区、用户程序存储区。（1)系统程序存储区在系统程序存储区中存放着由PLC生产厂家编写的系统程序（相当于计算机操作系统），包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等，并固化在ROM内，用户不能更改，断电不会消失。（2)系统RAM存储区系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器等存储器。用来存放输入/输出状态和运算数据。（3）用户程序存储区用户程序存储器用来存放用户自己所编写的各种程序。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同（可以是RAM、EPROM或EEPROM存储器），其内容可以由用户修改或增删。用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。系统RAM存储区和用户程序存储区的大小关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。4．电源PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源，PLC内部配有一个专用开关型稳压电源，它将交流／直流供电电源变换成系统内部各模块所需的电源，许多PLC都可以向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电。对于整体式结构的PLC，电源封装在机壳内部；对于模块式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与PLC封装到一个模块中。5．I/O扩展接口用于连接I/O扩展单元和特殊功能单元，通过扩展接口可以扩充I/O点数，也可连接一些功能模块完成特定的功能，使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。I/0扩展接口电路采用并行接口和串行接口两种电路形式。6．外部设备

（1）编程设备：一般采用简易编程器和PC，用来编辑、调试用户程序、监控等。（2）监控设备：有数据监视器、图形监视器等，可监视数据或者可通过画面监视数据，但不能改变PLC的用户程序，其他功能与编程器相同。（3）存储设备：用于永久性地存储用户数据而不丢失。如存储卡、只读存储器等。（4）输入输出设备：用来接收信号或输出信号，实现PLC进行人机对话。输入的有条码读入器，输入模拟量的电位器等，输出的有打印机、编程器、监控器等。知识点7：PLC的工作原理PLC有运行(RUN)和停止(STOP)两种基本的工作模式。当处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容，当处于运行工作模式时，PLC执行用户程序。PLC是采用周期扫描的工作方式，CPU连续执行用户程序和任务循环序列成为扫描。在PLC运行时，PLC要进行内部处理、通信服务、输入处理、程序处理、输出处理五个阶段，然后按上述过程循环扫描工作。为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，PLC通过反复执行用户程序来实现控制功能，直至PLC断电或停止。PLC工作原理如图1-1-4所示。（1）内部处理阶段PLC检查CPU内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些其他内部工作。（2）通信服务阶段PLC与其他的设备通信，响应输入的指令。当PLC处于停止模式时，只执行内部处理和通信服务两个阶段的操作；当PLC处于运行模式时，还要完成另外3个阶段的操作。（3）输入处理阶段输入处理又叫输入采样。在PLC的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。在输入处理阶段，PLC顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入到输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着进入程序处理阶段，在程序处理时，输入映像寄存器与外界隔离，此时即使有输入信号发生变化，其映像寄存器的内容也不会发生改变，只有在下一个扫描周期的输入处理