可编程控制器原理及应用 李超.

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1 可编程控制器原理及应用 李超

2 第1章 PLC的硬件与工作原理 1.1 概述 PLC=Programmable Logic Controller ：可编程逻辑控制器。
1.1 概述 PLC=Programmable Logic Controller ：可编程逻辑控制器。 PLC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，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。 PLC是一种用程序来实现控制功能的工业控制装置。

3 PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块、编程装置及电源组成。
各类传感器 变频器 电动调节阀 计算机、编程软件、连接电缆 图1-1 PLC控制系统示意图

4 电源部分 PLC一般使用AC 220V或DC 24V电源。 内部开关电源为各模块提供不同电压等级的直流电源（5V，±12V， ±24V ）。
PLC通常可以为外部的输入电路和电子传感器提供24V的直流电源。但驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。

5 1.2 S7-200系列PLC 1.2.1 S7-200的特点 1. 功能强 2. 先进的程序结构
主程序、子程序、中断程序划分清晰；结构化编程。 3. 灵活方便的存储器结构 按功能划分存储器区域：I，Q，V，L等 4.功能强大、使用方便的编程软件 STEP7-Micro/WIN 5. 简化复杂编程任务的向导功能 6. 强大的通信功能

6 9. 完善的网上技术支持 7. 品种丰富的配套人机界面 8. 有竞争力的价格
在西门子公司的网站可以下载S7-200的软件和手册，S7-200有专门的子网站，且有相关视频可供学习。

7 1.2.2　CPU模块 S7-200有6中CPU模块：CPU221/222/224/224XP/224XPsi/226

8 S7-200有6中CPU模块：221/222/224/224XP/224XPsi/226

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10 S7-200CPU最多扩展7个模块、256点数字量I/O或45路模拟量I/O，最多24KB程序存储空间和10KB用户数据存储空间(P3 1
S7-200CPU最多扩展7个模块、256点数字量I/O或45路模拟量I/O，最多24KB程序存储空间和10KB用户数据存储空间(P3 1.功能强1）)。CPU 221无扩展功能。 256个定时器、256个计数器； 2个1～255ms的定时中断， 4点外部硬件输入中断。 其他具体技术规范参见P5表1-1.

11 各数字量IO点的通断用发光二极管显示，PLC与外部接线的连接采用接线端子。
数字量输入和数字量输出 1.数字量输入电路 各数字量IO点的通断用发光二极管显示，PLC与外部接线的连接采用接线端子。 电源可反向接 一组输入点的公共端 图1-3 输入电路

12 S7-200数字量输入端接线图 漏型输入的输入电流流入接线端子，源型输入的输入电流流出接线端子。 每一组输入端接线方式要相同。

13 特点：可以驱动直流负载和交流负载，承受瞬时过压过流的能力较强，动作速度慢，动作次数有限制。
2.数字量输出电路 A。继电器输出 交流负载； 直流负载。 隔离；功率放大。 用于消除触点断开时产生的电弧。 图1-4 继电器输出电路 特点：可以驱动直流负载和交流负载，承受瞬时过压过流的能力较强，动作速度慢，动作次数有限制。

14 特点：只能驱动直流负载。反应速度快、寿命长，过载能力稍差。
B。场效应管输出 图1-5 场效应管输出电路 特点：只能驱动直流负载。反应速度快、寿命长，过载能力稍差。

15 1.2.4 扩展模块 1.数字量扩展模块 数字量I/O扩展模块的型号有： EM221：数字量输入扩展模块 8/16
1.2.4　扩展模块 1.数字量扩展模块 用于扩展基本单元上的I/O点数 输入有24V DC和120/230V AC 输出有24V DC和继电器型 数字量I/O扩展模块的型号有： EM221：数字量输入扩展模块 /16 EM222： 数字量输出扩展模块 /8 EM223：数字量输入/输出混合模块 4/8/16/32

16 2. PLC对模拟量的处理 标准电压/电流：4-20mA 1-5V 0-10V等 数字量 PLC （CPU） 传感器 模拟量输入模块（A/D） 模拟量 变送器 数字量 驱动外部设备 PLC （CPU） 模拟量输出模块（D/A） 标准电压/电流 模拟量模块主要是用来实现A-D和D-A转换的。 EM231：模拟输入量模块 2/4/8 EM232：模拟输出量模块 2/4 EM235：模拟混合量模块 4/1

17 表1-5 模拟量扩展模块 EM231：4/8通道电流/电压输入模块 EM232：2/4通道电流/电压输出模块 EM235：4通道电压/电流输入，1通道电压/电流输出模块 EM231 RTD：2/4通道热电阻温度输入模块 EM231 TC：4/8通道热电偶温度输入模块

18 3. 模拟量输入模块 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。 模拟量输入模块分辨率为12位： 单极全量程输入范围的数字量输出为0~32000 双极全量程输入范围的数字量输出为 -32000~+32000

19 4. 将模拟量输入模块的输出值转换为实际的物理量
转换时与变送器的输入输出量程和模拟输入模块的量程有关，找出被测物理量和数字量间的比例关系。 【例1-2】压力变送器（0～10MPa）的输出信号为DC4～20mA，模拟量输入模块将0～20mA转换为0～32 000的数字量，设转换后得到的数字为N，试求以kPa为单位的压力值。 设实际模拟量范围为：Amin~Amax，对应数字量范围：Dmin~Dmax 计算通式为： 数字量变化比率=模拟量变化比率

20 解：4～20mA的模拟量对应于数字量6 400～32 000，故实际压力的计算公式为

21 5. 模拟量输出模块 模拟量输出模块EM232的量程有10V和0～20mA两种,对应的数字量分别是-32000~+32000和0~32000.

22 1.3 I/O地址分配与外部接线 1. I/O地址分配 本机I/O有固定的地址； 扩展IO的地址由扩展模块的类型和位置决定。
图2-12 CPU 224XP的I/O地址分配举例 数字量地址以字节为单位分配； 模拟量地址以2点（双字）为单位分配。

23 2. 交流电源系统的外部接线 3. 直流电源系统的外部接线

24 连线小结 电源的一端与公共端相连，电源的另一端通过负 载和接线端子相连。 电源的负极与公共端相连的，为漏型接法，通常 用于输入端。
电源的正极与公共端相连的，为源型接法，通常 用于输出端。

25 触点有动作（常开触点闭合，常闭触点断开）：‘1’； 触点无动作（常开触点断开，常闭触点闭合）：‘0’。
1.4 逻辑运算与PLC的工作原理 用触点和线圈实现逻辑运算 线圈通电：1 线圈断电：0 触点：输入；线圈：输出。 常开触点用原变量表示； 常闭触点用反变量表示。 图1-11 基本逻辑运算 触点有动作（常开触点闭合，常闭触点断开）：‘1’； 触点无动作（常开触点断开，常闭触点闭合）：‘0’。

26 起动按钮 停止按钮 自锁或 自保持 图1-12 异步电动机主电路与控制电路 电机的启保停控制电路

27 PLC的工作原理 PLC的操作模式 PLC有两种基本的工作状态: RUN / STOP 通过模式开关/编程软件进行选择 运行状态通过面板上的LED指示灯显示。 Term模式： Stop>>term仍为stop； Run>>term后仍为run。 盖内

28 2. PLC的扫描工作方式 PLC采用循环扫描工作模式，这个工作过程包括5个阶段： 每次循环时间称为一个扫描周期。

29 1.读取输入 将外接输入电路的状态写入输入映像寄存器（I）。 外接电路闭合，对应映像寄存器为1；反之，为0.
在其他四个阶段，外接电路状态的变化并不影响输入映像寄存器。

30 2.执行用户程序 3.通信处理 4.CPU自诊断测试 5.改写输出 对CPU模块及各扩展模块的硬件自检测。
将输入输出映像寄存器中的信息代入用户指令，并将执行结果存至输出映像寄存器（Q）。 3.通信处理 读取通信端口信息，并完成与编程器、计算机或其他PLC的数据通信任务。 4.CPU自诊断测试 对CPU模块及各扩展模块的硬件自检测。 5.改写输出 将输出映像寄存器（Q）中的信息传至输出模块。 输出映像寄存器为1，输出模块外接电路导通，负载工作。反之，断开。 一般，模拟量的输入输出与扫描周期无关，在CPU由run进入stop状态时，数字量输出被清零，但也可自定义。

31 两种特殊情况： 3.中断程序的处理 4.立即I/O处理 中断发生时停止正常扫描立即响应中断，这使得中断迅速，但扫描周期不固定。
立即输入指令能立即读取输入并用于程序执行过程，但并不改写输入映像寄存器。 立即输出指令改写输出映像寄存器。

32 下图为电动机起保停电路的PLC控制接线图与梯形图。
① ② ④ ③ ⑥ ⑤ LD I0.1 O Q0.0 AN I0.2 = Q0.0 图1-14 PLC外部接线图与梯形图

33 1.5 PLC控制系统的可靠性措施 1．电源的抗干扰措施
2．布线的抗干扰措施 长距离数字量信号、模拟量信号、高速脉冲信号和通信应使用屏蔽电缆。 PLC不能与高压电器安装在同一个开关柜内，在开关柜内PLC应远离动力线，二者之间的距离应大于20cm。 不同类型的导线应分别装入不同的电缆管或电缆槽中。I/O线与电源线应分开走线，交流信号与直流信号、数字量与模拟量I/O线应分开敷设。 一般情况下屏蔽电缆的屏蔽层应两端接金属机壳。

34 模拟量信号的传输线应使用双屏蔽的双绞线。不同的模拟量信号线应独立走线，它们有各自的屏蔽层。以减少线间耦合。
应确保需要用通信电缆连接的所有设备共享一个共同的参考点，或者进行隔离，以防止不必要的电流造成通信故障或损坏设备。 3．模拟量信号的处理 模拟量信号的传输线应使用双屏蔽的双绞线。不同的模拟量信号线应独立走线，它们有各自的屏蔽层。以减少线间耦合。 远程传送的模拟量信号应采用4～20mA的电流传输方式。干扰较强的环境应选用有光隔离的模拟量I/O模块。应短接未使用的A-D通道的输入端，以防止干扰信号进入PLC。 4．PLC的接地 控制设备有两种地： 1）安全保护地又叫做电磁兼容性地，车间里一般有保护接地网络。应将电动机的外壳和控制屏的金属屏体连接到安全保护地。CPU模块上的PE（保护接地）端子必须连接到大地或者柜体上。

35 2）信号地（或称控制地、仪表地）是电子设备的电位参考点，例如PLC输入回路电源的M端子应接到信号地。
控制系统中所有的控制设备需要接信号地的端子应保证一点接地。 5．防止变频器干扰的措施 变频器已经成为PLC最常见的干扰源。变频器的输入、输出电流含有丰富的高次谐波，可通过电力线干扰其他设备。可以在变频器输入侧与输出侧串接电抗器，或安装谐波滤波器（见图1-15），以吸收谐波，抑制高频谐波电流。 PLC的信号线和变频器的输出线应分别穿管敷设，变频器的输出线一定要使用屏蔽电缆或穿钢管敷设。变频器应使用专用接地线，与临近的其他设备的地线分开。

36 6．强烈干扰环境中的隔离措施 强烈的干扰可能使PLC输入端的光耦合器中的发光二极管发光，使PLC产生误动作。可以用小型继电器来隔离用长线引入PLC的开关量信号。 长距离的串行通信信号可以用光纤来传输和隔离，或使用带光耦合器的通信接口。 7．PLC输出的可靠性措施 负载要求的输出功率超过PLC的允许值或负载电压为DC 220V时，应设置外部继电器。

37 8．对感性负载的处理 PLC内控制感性负载的触点或电子元件断开时，电路中会产生高于电源电压数倍甚至数十倍的反电势，对系统产生干扰。 PLC的输出端接有感性元件时，直流电路可以在负载两端并联型号为IN4001的续流二极管，若要求提高关断速度，可再串接一个稳压管。交流电路应在负载两端并联阻容电路，要求较高时，可以在负载两端并联压敏电阻。

38 习题 1.填空题 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 。
2) 继电器的线圈“断电”时，其常开触点 ，常闭触点 。 3) 外部输入电路接通时，对应的输入过程映像寄存器为 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 。 CPU模块 输入模块 输出模块 编程模块 断开 接通 ON/1 接通 断开 OFF/0 失电 断开 失电

39 小结 主要内容 PLC的组成模块 CPU模块 输入/出模块（输入/出电路、扩展的IO模块） 扩展的IO模块编址