第二章 PLC的硬件与工作原理 2.1 PLC的硬件2.1.1 PLC的物理结构及分类按硬件结构按I/O点数分整体式PLC模块式PLC超小型PLC：I/O点数64点以内小型PLC：I/O点数在65-128点中型PLC：I/O点数在129-512点大型PLC：I/O点数在513-896点超大型PLC：I/O点数在896点以上11整体式PLC又叫一体化PLC，它的CPU模块和I/O模块、电源模块等装在一个箱体内，结构非常紧凑，它的体积小，价格低，主要用于小型或微型PLC。整体式PLC又分为基本单元和扩展单元两种。基本单元：它有CPU模块和I/O模块、电源模块，是一台完整的PLC，可以单独使用。扩展单元：内部只有I/O模块和电源，主要用于扩展基本单元上的I/O点数，不能单独使用。 基本单元和扩展单元之间用扁平电缆连接。 2整体式PLC提供多种不同I/O点数的基本单元和扩展单元供用户选用。 3扩展单元的使用基本单元和扩展单元之间用扁平电缆连接。有的PLC有全输入型和全输出型的扩展单元。选用不同I/O点数的基本单元和扩展单元，可以组成不同I/O点数的PLC控制系统，满足用户不同要求。42模块式PLC由框架和模块用搭积木的方式组成系统，模块插在模块插座上，后者焊在框架的总线连接板上，主要用于大中型PLC和部分小型PLC。CPU模块、开关量I/O模块、电源模块、模拟量I/O模块和其它特殊的功能模块等在结构上相互独立，用户可根据具体的应用要求，选用合适的模块，安装在固定的机架上或导轨上，构成一个完整的PLC控制系统。PLC厂家备有不同槽数的框架供用户选用，如果一个框架容纳不下所选用的模块，可以增设一个或数个扩展框架，各框架之间用I/O扩展电缆连接。不同档次的CPU模块、品种繁多的I/O模块和特殊功能模块，对硬件配置的选择余地较大，维修时更换模块也很方便。 5模块式PLC结构实图 6按I/O点数分类（一）超小型PLCI/O点数小于64点，内存容量在256Byt-1KB小型PLCI/O点数在65-128点，内存容量在1-3.6KB。小型及超小型PLC在结构上一般是一体化整体式的，主要用于中等容量的开关量控制，具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制、通讯等功能。中型PLCI/O点数在129-512点，内存容量在3.6-13KB除具有超小型和小型PLC的功能外，还增加了数据处理能力，适用于小规模的综合控制系统。7按I/O点数分类（二）大型PLCI/O点数在513-896点，内存在13KB以上超大型PLCI/O点数在896点以上，内存在13KB以上 大型和超大型PLC除具有中小型PLC的功能外，增加了编程终端的处理能力和通讯能力，适用于多级自动控制和大型分散控制系统。82.1.2 CPU模块中的CPU和存储器1.CPU PLC中使用的微处理器主要以下几种：（1）通用微处理器小型PLC一般使用8位微处理器，如早期的8080、8086、8088等。大中型PLC则多使用处理速度更快、功能更强的16位或32位微处理器。通用微处理器通用性强，价格便宜。用微机的通信软件容易构成PLC的通信网络，易于与其它计算机设备进行联网通信。9（2）单片微处理器即单片机，它将存储器芯片、ROM、RAM、接口电路、时钟电路、甚至A/D、D/A电路集成为一体，在一个很小的芯片上自成为一个小的微处理系统。其特点是集成度高，体积小，价格低，可扩充性好。广泛用于小型PLC和PLC的智能I/O模块。（3）位片式微处理器多为双极型电路，一般以4位为一片，数片级联组成任意字长的微处理器，可构成并行处理系统，运算速度快，多用于大中型PLC（如西门子的S5-150型PLC）。 102.存储器: 用于存放系统程序、用户程序及工作数据 按器件类型分类：RAM：随机存储器，存储用户程序和临时数据，易失性，断电信息丢失。存储用户程序时，需后备电池ROM：只读存储器，非易失性，断电保持，存储系统程序E2PROM：可电擦除可编程只读存储器，非易失性，断电保持，写入时间比RAM慢，多用来存储用户程序和需长时间保存的重要数据EPROM：可擦除可编程只读存储器，非易失性，断电保持，需用专用设备写入，比RAM速度慢。信号擦除需用紫外灯照射数小时，使用不方便，趋于淘汰 PLC用户程序存储器一般有固定容量，若需要，可以使用存储器扩展模块添加。11 RAM供电锂电池122.1.3 IO模块I/O模块是联系外部现场和CPU模块的桥梁，PLC通过I/O模块与工业生产过程现场相联系开关量I/O模块的通断状态用发光二极管显示13I/O模块的外部接线方式汇点式：各I/O电路共用一个公共接地端，各输入点或输出点共用一个电源。该接线方式适用于输入端或输出端供电完全相同的场合。分组式：将I/O点分为若干组，每组的I/O电路有一个公共点，它们共用一个电源。各组之间是分隔开来的，可以分别使用不同的电源。常用于输出模块多种供电的场合。分隔式：各I/O点之间相互隔离，每个I/O点都可以使用单独的电源。常见于I/O点数极少的输出模块的多种供电负载的输出接口接线。14PLC I/O模块的外部接线方式 15输入模块PLC输入模块用来接收和采集生产现场的各种输入信号输入电路中有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起错误的输入信号PLC开关量输入模块按工作电压分为直流输入模块和交流输入模块 S7-200 PLC的输入滤波电路的延迟时间可以用编程软件中的系统块设定16PLC开关量输入模块电路开关量输入模块电路 PLC开关量交流输入方式工作电压较高，抗干扰能力和工作稳定性较强，适合于在有油雾、粉尘等恶劣环境下使用。S7-200有AC 120V/230V的输入模块。PLC开关量直流输入模块电路开关量直流输入模块电路17输出模块 输出模块将PLC处理结果送给被控对象，以实现控制。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备。模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行机构。 PLC开关量输出模块输出电路的功率放大器件有：大功率场效应管可驱动直流负载双向可控硅可驱动交流负载小型继电器可驱动直流和交流负载输出模块的输出电流典型值为0.5-2A，负载电源均由外部现场提供。18继电器输出模块 继电器同时起传递信号、电平转换和噪声隔离的作用特点：使用电压范围广，通用性强，可同时驱动直流负载和交流负载，导通压降小，承受瞬时过压和过流能力较强，但动作速度较慢。由于有机械触点，开关动作次数的限制，寿命有一定限制。如系统输出量变化不是很频繁，建议优先选用继电器型输出模块。19晶体管或场效应管输出模块 CPU模块输出信号送给内部电路中的输出锁存器，再经光电耦合器送给场效应晶体管，后者饱和导通状态和截止状态相当于触点的接通和断开。稳压管用来抑制关断过电压和外部的浪涌电压，以保护场效应晶体管，电路工作频率可达20-100KHz。等效开关是电子开关，模块的反应速度较快，可靠性较高，使用寿命较长，但过载能力稍差。只能驱动直流负载20双向可控硅输出模块使用光电可控硅实现输出信号的传输和噪声隔离并联在双向可控硅两端的RC吸收电路和压敏电阻，用来抑制可控硅关断过电压和外部的浪涌电压双向交流电子开关，反应速度较快，可靠性较高只能驱动交流负载 212.2 PLC的工作原理电磁继电器工作状态电磁继电器工作状态u线圈得电状态 产生磁场，衔铁受力，常开产生磁场，衔铁受力，常开触点闭合，常闭触点断开触点闭合，常闭触点断开u线圈失电状态 磁场消失，衔铁在拉力弹簧磁场消失，衔铁在拉力弹簧作用下复位，常开触点断开，常作用下复位，常开触点断开，常闭触点接通。闭触点接通。传统的工业自动控制系统 电磁继电器控制电磁继电器基本结构及工作原理222.2.1 用触点和线圈实现逻辑运算例：交流接触器控制异步电动机 起动-保持-停止电路KM 接触器（大功率继电器或电磁阀） SB1启动按钮SB2停止按钮M 三相电动机逻辑表达式逻辑表达式：KM=(SB1+KM) SB2232.2.2 PLC的操作模式1.操作模式2.PLC有两种基本的工作状态: RUN / STOP3.通过模式开关进行选择4.运行状态通过面板上的LED指示灯显示。盖内盖内24RUN模式： CPU通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。“RUN” LED亮。STOP模式：CPU不执行用户程序，可以用编程软件创建和编辑用户程序，设置PLC的硬件功能，并将用户程序和硬件信息下载到PLC。252.用模式开关改变操作模式CPU模块上的模式开关在STOP位置时，将停止用户程序的运行在RUN位置时，将启动用户程序的运行模式开关在STOP或TERM（Terminal，终端）位置时，电源通电后CPU自动进入STOP模式在RUN位置时，电源通电后自动进入RUN模式。263.用STEP7-Micro/WIN编程软件改变操作模式PLC - PLC之间建立起通信连接后，若模式开关在RUN或TERM位置, 可用编程软件中的命令改变CPU的工作模式。4.在程序中改变操作模式在程序中插入STOP指令，可以使CPU由RUN模式进入STOP模式。272.2.3 PLC的工作原理PLC通电后，需要对硬件和软件进行初始化为使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不只是执行一次，而是反复不断地重复执行，直到PLC停机或切换到STOP状态。这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。PLC在RUN工作模式下，采用周期性循环扫描、分时操作的工作方式，不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，PLC还要完成内部处理、通信服务等工作。28PLC 扫描工作过程 RUN工作模式:PLC的一个扫描工作周期分为5个阶段STOP工作模式:PLC的一个扫描工作周期分为4个阶段291.读取输入（输入采样）PLC把所有输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入映像寄存器中寄存起来，作为下一阶段程序执行时的条件。进入程序执行阶段后，输入采样过程即已结束，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不会改变。输入状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读入。302.执行用户程序 PLC的用户程序由若干条指令组成，在用户程序存储器中顺序排列。在RUN模式下，若无跳转指令，PLC将逐条顺序扫描执行用户程序。执行程序指令时，所需要的输入状态或其它编程元件的状态分别由输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出，并根据指令要求执行相应的逻辑运算。程序执行结果写入到元件映像寄存器中，这就是说，对于每个编程元件来说，元件映像寄存器中寄存的内容，会随程序执行的进程而变化。执行程序时对输入/输出的存取对象为元件映像寄存器，而非实际的I/O点，一方面可加快读写速度，另一方面可保证各I/O点状态固定不变，程序执行完后再通过输出过程映像寄存器的值更新输出点，使系统的运行稳定。31 3.通信处理在通信处理请求阶段，PLC处理从通信接口和智能模块接收到的信息，与计算机和智能设备交换数据，协调工作。4.CPU自诊断测试在自诊断测试处理阶段，PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。32 5.改写输出（输出刷新）程序执行完后进入输出刷新阶段。此时将元件映像寄存器中所有的输出继电器的状态转存到输出锁存电路，再通过输出模块去驱动输出设备（负载），这就是PLC的实际输出。6.中断程序的处理如果程序中使用了中断，中断事件发生时，CPU停止执行正常的扫描工作方式，立即执行中断程序。中断功能可以提高PLC对某些事件的响应速度。7.立即I/O处理在程序执行过程中使用立即I/O指令可以直接存取I/O点。用立即I/O指令读入输入点的值时，相应的输入映像寄存器的值未被更新。用立即I/O指令来改写输出点时，相应的输出映像寄存器的值被更新。33PLC循环扫描过程34例：PLC实现电机起保停控制外部输入电路接通时, 对应的输入映像寄存器为ON(1状态), 梯形图中对应的常开触点闭合，常闭触点断开。梯形图中Q0.0的线圈“通电”，对应的硬件继电器的常开触点闭合，接在标号为0.0的端子的外部负载工作。LD I0.1LD I0.1O Q0.0O Q0.0AN I0.2AN I0.2= Q0.0= Q0.0358.扫描周期PLC在RUN工作模式下，执行一次完整的扫描工作操作所需的时间称为扫描工作周期。扫描时间取决于扫描速度和用户程序的长短，其典型值为1-100ms。它由扫描工作过程中的五个工作阶段分时操作过程组成。当PLC的CPU模块确定后，扫描速度就确定下来了。除用户程序执行时间外，其它四个工作过程所花时间即基本确定了。用户程序执行时间则与用户程序的指令数量有关，用户程序越长，指令数量越多，PLC的扫描工作周期越长。36西门子S7-200系列PLC使用的CPU扫描速度较快，其指令的平均执行时间为0.22us日本三菱F1系列小型PLC,指令的平均执行时间为12us日本欧姆龙公司的C系列P型PLC：内部处理时间为1.26ms执行编程器等外部通信时间为1-2ms，没有外部设备与PLC相连时该段时间为零；输入/输出处理时间1ms；每条指令平均执行时间为30us.379.输入/输出滞后时间输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指PLC的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分组成。数字量输入模块的RC滤波器用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触点动作时产生的抖动引起的不良影响。滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10ms左右。输出模块的滞后时间与模块的类型有关：继电器输出电路的滞后时间一般在10ms左右场效应晶体管输出电路的滞后时间为数us至100多us双向可控硅输出负载接通时滞后约1ms，导通到断开的最大滞后时间为10ms由于PLC在一个扫描工作周期的各个阶段采用分时操作的工作方式，引起的滞后时间最长可达两三个扫描周期38PLC输入/输出滞后延迟举例（一） 39PLC输入/输出滞后延迟举例（二）40PLC输入/输出滞后延迟举例（三）PLC总的响应延迟时间一般只有几毫秒至几十毫秒，对于一般的被控系统来说是无关紧要的。要求输入/输出滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度块的PLC或采取其它措施。412.3 S7-200系列系列PLC简介简介SIEMENS公司具有丰富的PLC产品S7-200整体式小型PLC可扩展7个扩展模块、扩展到248个数字量I/O或38路模拟量I/O，最多有32KB的程序存储空间和数据存储空间。42S7-300模块式中型PLCI/O点数256-1024之间，最多可扩展到32个模块43S7-400大型PLC I/O点数在1024点以上，可以扩展300多个模块 44SIEMENS公司丰富的PLC产品S7-400H：冗余设计的容错自动化系统S7-400F：安全型自动化系统，出现故障时将系统切换到安全状态S7-HF：安全及容错自动化系统，出现故障时生产过程能继续进行M7-300/400：具有AT兼容计算机功能的PLCC7系列：由S7-300和操作员面板组合而成WinAC：在PC上实现PLC功能的“软PLC”452.3.1 S7-200的特点1功能强5种CPU模块（10-40点），可挂7个扩展模块，扩展到248点数字量I/O和38路模拟量I/O，最多有32KB的程序存储空间和数据存储空间，有PID参数自整定、配方、数据归档等功能。2先进的程序结构程序结构简单清晰，在编程软件中主程序、子程序和中断程序分页存放，便于实现结构化编程；程序易于移植。3灵活方便的寻址方法CPU中的存储器均可以根据需要按位（bit）、字节、字和双字读写。464.功能强大、使用方便的编程软件 STEP 7-MicroWIN4.0编程软件支持梯形图、指令表和功能块图多种编程语言，指令功能强，易于掌握；监控功能形象直观；强大的中文帮助功能，使用方便，支持文件加密。475.简化复杂编程任务的向导功能S7-200编程软件对难度较大的特定应用编程提供了大量的编程向导，只需输入一些参数就可以自动生成用户程序。6.强大的通信功能S7-200的CPU模块带有标准的RS-485通信接口，可用于编程或通讯；通过不同的通讯模块，可以连接到以太网和工业现场总线，组成工业自动控制网络。487.品种丰富的配套人机界面 （HMI） S7-200有配套的用编程软件组态的人机界面，完美监控生产进程。492.3.2 S7-200系列CPU模块 5种CPU模块（10-40点），可挂7个扩展模块，扩展到248点数字量I/O和38路模拟量I/O，最多有32KB的程序和数据存储空间，PID参数自整定、配方、数据归档等功能。502.3.3 S7-200数字量扩展模块用于扩展基本单元上的I/O点数组态灵活，节约投资输入有24V DC和230V AC输出有24V DC和继电器型 512.3.4 S7-200模拟量扩展模块 工业自动控制中的某些输入量，如压力、温度、流量、转速等，是模拟量信号，某些执行机构（如电动调节阀、变频器等）要求PLC输出模拟量控制信号，而PLC的CPU模块只能处理数字量信号。模拟量输入信号首先通过传感器或变送器转换为标准变量的电压或电流（如420mA、15V、010V等），PLC用A/D转换模块将它们转换为数字量。D/A转换模块将PLC中的数字量转换为模拟量电压或电流，再去控制执行机构。52实例：锅炉恒温闭环控制系统模拟量I/O模块的主要任务是实现A/D转换（模拟量输入）和D/A转换（模拟量输出），其转换精度由转换后的二进制位数表示，位数越多，分辨率越高。53模拟量输入模块 模拟量输入模块有多种量程，可以用模块上的DIP开关设置（DC010V、05V、020mA、2.5V和5V）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032000双极全量程输入范围的数字量输出为-32000+32000数据格式：54例：将模拟量输入模块的输出值转换为实际的物理量 压力变送器(010MPa)的输出信号为DC420mA，模拟量输入模块将020mA转换为032000的数字量，即010000 kPa对应于数字量640032000，设转换后得到的数字为N，求以kPa为单位的压力值。解：模拟量输入模块将020mA模拟量转换为032000数字量；设4mA对应于x数字量，则有： 可计算得：x=6400故420mA的模拟量对应于数字量640032000即010000 kPa对应于数字量640032000，计算通式为： 有:55计算通式：设某压力值转换后得到的数字为N，以kPa为单位的压力值得压力（模拟量）的计算公式为： 本例中得：当压力P5000KPa时，A/D转换后的数字量值为：56模拟量输出模块 模拟量输出模块EM232的量程有020mA和 10V 两种 对应数字量分别为032000和-32000+32000满量程时电压输出和电流输出分辨率分别为12位和11位数据格式为:572.3.6 STEP 7-Micro/WIN编程软件与显示面板简介1. STEP7-Micro/WIN编程软件STEP7-MicroWIN是专门为S7-200设计的、在计算机上WINDOWS操作系统下运行的编程软件，它功能强大、使用方便、简单易学。PLC的CPU模块通过PC/PPI、USB/PPI电缆或插在PLC中的CP5511、CP5611等通信板卡通信。STEP7-MicroWIN的用户程序结构简单清晰，即通过一个主程序调用子程序，在中断事件发生时调用中断程序，可以用数据块进行变量的初始化设置。可以使用梯形图、指令表、功能块图等语言进行编程，同时相互间可以进行转换。可以用符号表来定义程序中使用的变量地址对应的符号，如指定符号“启动按钮”对应于地址I0.0，在程序中将用“启动按钮”替代I0.0的显示，加强程序的可读性。58STEP 7-MicroWIN 4.0编程软件592. 显示面板 PLC人机接口功能较差，S7-200有多种配套的显示面板，以增强系统的软件交互功能。（1）文本显示器TD-200C和TD-400C价格低廉，通过它们可以查看、监控和修改应用程序中的过程变量，实现文本信息和其它应用程序数据的显示和输入。TD-200C显示两行，每行20个字符；TD-400C显示四行，每行24个字符；每两个字符位置可以显示一个汉字。60（2）S7-200专用触摸屏5.7in单色、多色或彩色液晶触摸屏，320240像素支持多种文字、图像、图形、图标或背景图片支持部分动态图形显示，实现现场监控功能RS-485通信接口，专用组态软件组态61I/O地址分配I/O点数分为数字量输入、数字量输出、模拟量输入和模拟量输出四类。CPU分配给数字量I/O模块的地址以字节为单位，一个字节由8个数字量I/O点组成。扩展模块I/O点的字节地址由I/O模块的类型和模块在同类I/O模块链种的位置来决定模拟量I/O模块的以2点（4字节）递增方式分配地址622.4 I/O地址分配与外部接线 2.4.1 本机I/O与扩展I/O的地址分配S7-200有一定数量的本机I/O，本机I/O有固定的地址可以用扩展模块I/O来增加I/O点数，扩展模块安装在CPU模块的右边。632.4.2 S7-200的外部接线交流电源系统的外部接线 直流电源系统的外部接线AC64