第十一章第十一章 IPCIPC与与PLCPLCn1.IPC1.IPC的结构组成、总线技术和模板结构化的结构组成、总线技术和模板结构化。n2.IPC2.IPC的功能特点与主要模板。的功能特点与主要模板。n3.PLC3.PLC的结构组成、工作过程和功能特点。的结构组成、工作过程和功能特点。n4.S7-2004.S7-200系列系列PLCPLC的系统组成与主要模块。的系统组成与主要模块。返回总目录返回总目录本章要点：本章要点：本章主要内容本章主要内容11.1 IPC结构组成结构组成11.2 IPC总线结构总线结构11.3 IPC功能特点功能特点11.4 IPC产品简介产品简介11.5 PLC结构组成结构组成11.6 PLC编程语言编程语言11.7 PLC工作过程工作过程11.8 PLC功能特点功能特点11.9 PLC产品简介产品简介 思考题思考题11.1 IPC11.1 IPC结构组成结构组成主要知识点 11.1.1 硬件组成硬件组成 11.1.2 软件组成软件组成 11.1.1 11.1.1 硬件组成硬件组成11.1.2 11.1.2 软件组成软件组成 1 1系统软件系统软件用来管理用来管理IPCIPC的资源，并以简便的形式向用户提供服务，包括的资源，并以简便的形式向用户提供服务，包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序等，其中操作实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序等，其中操作系统是系统软件最基本的部分，如系统是系统软件最基本的部分，如MS-DOSMS-DOS和和WindowsWindows系统软件。系统软件。2.2.工具软件工具软件技术人员从事软件开发工作的辅助软件，包括汇编语言、高级技术人员从事软件开发工作的辅助软件，包括汇编语言、高级语言、编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程序等，借以提语言、编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程序等，借以提高软件生产效率，改善软件产品质量高软件生产效率，改善软件产品质量。3 3应用软件应用软件系统设计人员针对某个生产过程现时编制的控制和管理程序，系统设计人员针对某个生产过程现时编制的控制和管理程序，往往涉及应用领域的专业知识。往往涉及应用领域的专业知识。它包括过程输入程序、过程控它包括过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、人一机接口程序、打印显示程序和控制程序、过程输出程序、人一机接口程序、打印显示程序和控制程序等。制程序等。11.2 IPC11.2 IPC总线结构总线结构主要知识点主要知识点n11.2.1 内部总线内部总线n11.2.2 外部总线外部总线 11.2.1 11.2.1 内部总线内部总线 内内部部总总线线指指IPCIPC内内部部各各个个功功能能模模板板之之间间的的信信息息通通路路，它它是是构构成成完整的计算机系统的内部信息枢纽，也称系统总线。完整的计算机系统的内部信息枢纽，也称系统总线。分类分类按功能分数据总线按功能分数据总线DB/DB/地址总线地址总线AB/AB/控制总线控制总线CB/CB/电源总线电源总线PBPB结结构构形形式式一一块块置置于于机机箱箱内内的的无无源源底底板板上上的的多多组组并并列列插插槽槽，各各插插槽槽上上的的同同号号引引脚脚是是电电气气相相连连的的，从从而而完完成成插插入入槽槽内内的的各功能模板之间的信息传送。各功能模板之间的信息传送。常用总线常用总线工控领域应用最广的两种总线是工控领域应用最广的两种总线是STDSTD总线和总线和PCPC总线。总线。发展发展STDSTD总线是美国总线是美国PRO-LOGPRO-LOG公司公司19781978年推出的一种工业控制计算机的标准年推出的一种工业控制计算机的标准系统总线，系统总线，STDSTD是是StandardStandard的缩写。的缩写。19871987年，年，STDSTD总线被国际标准化会议定名为总线被国际标准化会议定名为IEEE961IEEE961。随着。随着3232位微处理位微处理器的出现，通过采用附加金手指或系统总统与局部总线转换等技术，器的出现，通过采用附加金手指或系统总统与局部总线转换等技术，19891989年美国的年美国的EAITECHEAITECH公司又开发出对公司又开发出对3232位微处理器兼容的位微处理器兼容的STD32STD32总线。总线。结构结构全部全部5656根引脚线都有确切的定义。根引脚线都有确切的定义。STDSTD总线定义了一个总线定义了一个8 8位微处理器总线位微处理器总线标准，其中有标准，其中有8 8根数据线、根数据线、1616根地址线、根地址线、2222根控制线和根控制线和1010根电源线，可根电源线，可以兼容各种通用的以兼容各种通用的8 8位微处理器，如位微处理器，如80808080、80858085、68006800、Z80Z80、NSC800NSC800等。通过采用周期窃取和总线复用技术，还可以定义等。通过采用周期窃取和总线复用技术，还可以定义1616根数据线、根数据线、2424根根地址线，使地址线，使STDSTD总线升级为总线升级为8 8位位/16/16位微处理器兼容总线，可以容纳位微处理器兼容总线，可以容纳1616位位微处理器，如微处理器，如80868086、6800068000、8028680286、8038680386等。等。 1. STD1. STD总线总线PCPC总线总线IBM PCIBM PC总线的简称，总线的简称，PCPC总线因总线因IBM PCIBM PC及其兼容机的及其兼容机的 广泛普及而成为全世界用户承认的一种事实上的标广泛普及而成为全世界用户承认的一种事实上的标 准。准。PCPC总线结构总线结构IBM PCIBM PC总线共有总线共有6262根引脚线，其根引脚线，其CPUCPU是是IntelIntel公公 司准司准1616位的位的80888088或或1616位的位的80868086，随着，随着CPUCPU的更新的更新 换代，换代，PCPC总线也随之扩充，诸如支持总线也随之扩充，诸如支持80286CPU 80286CPU 的的ISAISA总线、支持总线、支持8048680486和奔腾系列的和奔腾系列的PCIPCI、VESA VESA 总线等。总线等。PCPC总线优点总线优点兼顾了兼顾了STDSTD总线总线IPCIPC的抗干扰性能，又与的抗干扰性能，又与PCPC机及机及 其不断升级的硬软件资源完全兼容其不断升级的硬软件资源完全兼容2 2PCPC总线总线 11.2.2 11.2.2 外部总线外部总线 外外部部总总线线是是指指计计算算机机与与计计算算机机之之间间、计计算算机机与与远远程程终终端端之之间间、计计算算机机与与外外部部设设备备以以及及测测量量仪仪器器仪仪表表之之间间的的信信息息通通路路，常常称称为为通通信信总总线线。通通信信总总线线的的数数据据传传输输方方式式可可以以是是并并行行的的，也也可可以以是是串串行行的的，可可分分别别称称为为并并行行通通信信总线和串行通信总线。详见第总线和串行通信总线。详见第1010章。章。11.3 IPC11.3 IPC功能特点功能特点1.1.可靠性和可维修性好可靠性和可维修性好2 2通用性和扩展性好通用性和扩展性好3 3软件丰富编程趋向组态软件丰富编程趋向组态 4 4控制实时性强控制实时性强5 5精度和速度适当精度和速度适当11.4 IPC11.4 IPC产品简介产品简介主要知识点主要知识点 n11.4.1 工业计算机机箱工业计算机机箱n11.4.2 工业底版工业底版n11.4.3 工业级工业级CPU卡卡n11.4.4 PCI总线总线I/O卡卡11.4.1 11.4.1 工业计算机机箱工业计算机机箱 研研祥祥的的机机箱箱按按带带不不带带底底板板和和电电源源、安安装装形形式式是是桌桌面面、壁壁挂挂还还是是上上架架以以及及尺尺寸寸长长度度不不一一等等问问题题，又又可可分分为为二二十十几几种种型型号号。图图11-211-2为为IPC-810/811IPC-810/811型号的型号的1414槽上架型计算机机箱。槽上架型计算机机箱。图图11-2 IPC-810/811机箱机箱11.4.2 11.4.2 工业级底板工业级底板 11.4.3 11.4.3 工业级工业级CPUCPU卡卡 11.4.4 PCI11.4.4 PCI总线总线I/OI/O卡卡11.5 PLC11.5 PLC结构组成结构组成主要知识点 前言n11.5.1 CPU模块n11.5.2 I/O模块n11.5.3 编程装置n11.5.4 电源n11.5.5 PLC的物理结构前言前言 PLCPLC构成主要由构成主要由CPUCPU模块、输入模块、输出模块、编程装置和电源模块、输入模块、输出模块、编程装置和电源11.5.1 CPU11.5.1 CPU模块模块CPUCPU模块模块主要由主要由CPUCPU芯片和存储器组成。芯片和存储器组成。 1 1CPUCPU芯芯片片负负责责输输入入/ /输输出出处处理理、程程序序解解算算、通通信信处处理理等等功功 能。一般能。一般PLCPLC使用下列使用下列CPUCPU芯片：芯片：（1 1）通用微处理器，如）通用微处理器，如IntelIntel公司公司80868086、8018680186到到PentiumPentium系列。系列。（2 2）单片微处理器（单片机），如）单片微处理器（单片机），如 IntelIntel公司公司 MCS-96MCS-96系单片机。系单片机。（3 3）位片式微处理器，如）位片式微处理器，如 AMD 2900AMD 2900系列位片式微处理器。系列位片式微处理器。2 2存储器存储器: : （1 1）随机存取存储器）随机存取存储器RAMRAM （2 2）只读存储器）只读存储器ROMROM （3 3）可电擦除可编程的只读存储器）可电擦除可编程的只读存储器EEPROMEEPROM11.5.2 I/O11.5.2 I/O模块模块 I/OI/O模块模块 输入输出模块输入输出模块输入模块输入模块用来接收和采集输入信号用来接收和采集输入信号 数字量输入模块数字量输入模块 模拟量输入模块模拟量输入模块输出模块输出模块数字量输出模块：数字量输出模块： 用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、 指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备；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、变频器等执行装置。模拟量输出模块：用来控制调节阀、变频器等执行装置。其他作用其他作用 电平转换与隔离电平转换与隔离显示状态显示状态 通断状态均用发光二极管显示，外部接线一般接在模通断状态均用发光二极管显示，外部接线一般接在模 块面板的接线端子上块面板的接线端子上。11.5.3 编程装置编程装置 编编程程装装置置用用来来生生成成用用户户程程序序，并并对对它它进进行行编编辑辑、检检查查和和修修改改。手手持持式式编编程程器器不不能能直直接接输输入入和和编编辑辑梯梯形形图图，只只能能输输入入和和编编辑辑指指令令表表程程序序，因因此此又又叫叫做做指指令令编编程程器器。它它的的体体积积小小，价价格格便便宜宜，一一般般用来给小型用来给小型PLCPLC编程，或者用于现场调试和维修。编程，或者用于现场调试和维修。 现在多数情况是使用基于个人计算机现在多数情况是使用基于个人计算机PCPC的编程软件，可以在的编程软件，可以在电脑屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功电脑屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。程序被编译后能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。程序被编译后下载到下载到PLCPLC，也可以将，也可以将PLCPLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。11.5.4 电源电源 PLCPLC使使用用220V220V交交流流电电源源或或24V24V直直流流电电源源。内内部部的的开开关关电电源源为为各各模模块块提提供供DC DC 5V5V、l2Vl2V、24V24V等等直直流流电电源源。小小型型PLCPLC一一般般都都可可以以为为输输入入电电路路和和外外部部的的电电子子传传感感器器（如如接接近近开开关关）提提供供24V24V直直流流电电源源，驱驱动动PLCPLC负负载载的的直直流流电电源源一一般般由用户提供。由用户提供。11.5.5 PLC11.5.5 PLC的物理结构的物理结构 1 1整体式整体式PLCPLC2 2模块式模块式PLCPLC11.6 PLC11.6 PLC编程语言编程语言 国国际际电电工工委委员员会会IECIEC于于19941994年年5 5月月公公布布了了可可编编程程控控制制器器标标准准（IEC113-3).IEC113-3).IEC1131-3IEC1131-3详详细细地地说说明明了了句句法法、语语义义和和下下述述5 5种种编编程语言的表达方式：程语言的表达方式：（1 1）顺序功能图（）顺序功能图（Sequential Function ChartSequential Function Chart）。）。（2 2）梯形图（）梯形图（Ladder DiagramLadder Diagram）。）。（3 3）功能块图（）功能块图（Function Block DiagramFunction Block Diagram）。）。（4 4）指令表（）指令表（Instruction ListInstruction List）。）。（5 5）结构文本（）结构文本（Structured TextStructured Text）。）。1 1顺序功能图（顺序功能图（SFCSFC）2 2梯形图（梯形图（LDLD）3 3功能块图（功能块图（FBDFBD）4 4语句表（语句表（STLSTL） S7S7系列系列PLCPLC将指令表称为语句表将指令表称为语句表. .语句表比较适合熟悉语句表比较适合熟悉PLCPLC和逻辑程序设计的经验丰富的程序员，语句表可以实现和逻辑程序设计的经验丰富的程序员，语句表可以实现某些不能用梯形图或功能块图实现的功能。某些不能用梯形图或功能块图实现的功能。5 5结构文本（结构文本（STST） 结构文本是为结构文本是为IEC1131-3IEC1131-3标准创建的一种专用的高级编标准创建的一种专用的高级编程语言。与梯形图相比，它能实现复杂的数学运算，编写程语言。与梯形图相比，它能实现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。的程序非常简洁和紧凑。11.7 PLC11.7 PLC工作过程工作过程 11.8 PLC11.8 PLC功能特点功能特点 1编程简单，方法易学编程简单，方法易学2 2功能强大，性价比高功能强大，性价比高3 3配套齐全，使用方便配套齐全，使用方便4 4可靠性高，抗干扰强可靠性高，抗干扰强5 5工作量大为减少工作量大为减少6 6体积小，能耗低体积小，能耗低11.9 PLC11.9 PLC产品简介产品简介主要知识点 n11.9.1 CPU模块n11.9.2 数字量扩展模块n11.9.3 模拟量扩展模块n11.9.4 热偶热阻扩展模块n11.9.5 通信模块n11.9.6 通信处理器n11.9.7 中文显示屏n11.9.8 编程软件11.9.1 CPU11.9.1 CPU模块模块S7-200 S7-200 有有5 5种种CPUCPU模块模块CPU221CPU221无扩展功能，适于用做小点数的微型控制器。无扩展功能，适于用做小点数的微型控制器。CPU222CPU222有扩展功能，有扩展功能，CPU224CPU224是具有较强控制功能的控制器是具有较强控制功能的控制器CPU226CPU226和和CPU226 XMCPU226 XM适用于复杂的中小型控制系统。适用于复杂的中小型控制系统。S7-200 CPUS7-200 CPU特点：特点：指令功能强采用主程序、最多指令功能强采用主程序、最多8 8级子程序和中断程序的程序结构，用户可使级子程序和中断程序的程序结构，用户可使用用l l255ms255ms的定时中断。用户程序可设的定时中断。用户程序可设3 3级口令保护，监控定时器（看门狗）级口令保护，监控定时器（看门狗）的定时时间为的定时时间为300ms300ms。数字量输入中有数字量输入中有4 4个用做硬件中断，个用做硬件中断，6 6个用于高速功能个用于高速功能RS-485RS-485串行通信口的外部信号与逻辑电路之间不隔离，支持串行通信口的外部信号与逻辑电路之间不隔离，支持PPIPPI、MPIMPI、自由、自由通信口协议和通信口协议和PROFIBUSPROFIBUS点对点协议（使用点对点协议（使用NETR/NETWNETR/NETW指令）指令）用户数据存储器可永久保存，或用超级电容和电池保持。用户数据存储器可永久保存，或用超级电容和电池保持。DCDC输出型有高速脉冲输出，边沿中断为输出型有高速脉冲输出，边沿中断为4 4个上升沿和个上升沿和/ /或或4 4个下降沿。个下降沿。 11.9.2 11.9.2 数字量扩展模块数字量扩展模块 用户选用具有不同用户选用具有不同I/OI/O点数的数字量扩展模块，点数的数字量扩展模块，可以满足不同的控制需要，节约投资费用。系统可以满足不同的控制需要，节约投资费用。系统规模扩大后，增加规模扩大后，增加 I/OI/O点数也很方便。用户可选点数也很方便。用户可选用用 8 8点、点、1616点或点或3232点的数字量输入点的数字量输入/ /输出模块，除输出模块，除CPU221CPU221外，其他外，其他CPUCPU模块均可配接多个扩展模块，模块均可配接多个扩展模块，连接时连接时CPUCPU模块放在最左侧，扩展模块用扁平电缆模块放在最左侧，扩展模块用扁平电缆与左侧的模块相连。与左侧的模块相连。 模拟量模拟量I/OI/O模块的主要任务实现模块的主要任务实现A/DA/D转换和转换和D/AD/A转换转换。S7-200S7-200有有3 3种模拟量扩展模块。特点：种模拟量扩展模块。特点：S7-200S7-200的模拟量扩展模块中的模拟量扩展模块中A/DA/D、D/AD/A转换器的位数均为转换器的位数均为1212位。位。模拟量输入、输出有多种量程供用户选用，模拟量输入、输出有多种量程供用户选用，A/DA/D转换的时间小于转换的时间小于250us250us，模拟量输入的阶跃响应时间为，模拟量输入的阶跃响应时间为1.5ms1.5ms（达到稳态（达到稳态值的值的9595时）。时）。单极性全量程输入范围对应的数字量输出为单极性全量程输入范围对应的数字量输出为0 03200032000，双极性全量程输人范，双极性全量程输人范围对应的数字量输出为围对应的数字量输出为-32000-32000+32000+32000。输入阻抗大于等于。输入阻抗大于等于10M10M。模拟量输出的量程有模拟量输出的量程有10V10V和和0 020mA20mA两种，对应的数字量为两种，对应的数字量为-32000-32000+32000+32000或或0 03200032000。满量程时电压输出和电流输出的分辨率分别为满量程时电压输出和电流输出的分辨率分别为1212位和位和1111位，位，2525时的精度为时的精度为0.50.5。电压输出和电流输出的稳定时间分别为电压输出和电流输出的稳定时间分别为100us100us和和2ms2ms。最大驱动能力如下：电压输出时负载电阻最小最大驱动能力如下：电压输出时负载电阻最小5K5K，电流输出时负载电阻最，电流输出时负载电阻最大大500500。11.9.3 11.9.3 模拟量扩展模块模拟量扩展模块11.9.4 11.9.4 热偶、热阻扩展摸块热偶、热阻扩展摸块热电偶输出的电压范围为热电偶输出的电压范围为80mV80mV，模块输出，模块输出1515位加符号位的二位加符号位的二进制数。进制数。EM231EM231热电偶模块可用于热电偶模块可用于J J、K K、E E、N N、S S、T T和和R R型热电偶，用户型热电偶，用户用模块下方的用模块下方的 DIPDIP开关来选择热电偶的类型。开关来选择热电偶的类型。热电阻的接线方式有热电阻的接线方式有2 2线、线、3 3线和线和4 4线线3 3种。种。4 4线方式的精度最高，线方式的精度最高，因为受接线误差的影响，因为受接线误差的影响，2 2线方式的精度最低。线方式的精度最低。EM231EM231热电阻模块可通过热电阻模块可通过DIPDIP开关来选择热电阻的类型与接线方开关来选择热电阻的类型与接线方式、测量单位和开路故障的方向。式、测量单位和开路故障的方向。两种模块的采样周期为两种模块的采样周期为405ms405ms（Pt10000Pt10000为为700ms700ms），重复性为），重复性为满量程的满量程的0.05%0.05%。 11.9.5 11.9.5 通信模块通信模块 EM277 PROFIBUS-DPEM277 PROFIBUS-DP通信扩展从站模块用来将通信扩展从站模块用来将S7-200S7-200连接至连接至PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP网络，网络，EM277EM277模块通过串模块通过串行行I/OI/O总线连接到总线连接到S7-200CPUS7-200CPU模块，模块，PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP网网络经过络经过DPDP通信端口连接到通信端口连接到EM277EM277模块，这个端口可模块，这个端口可按按9600bps9600bps12Mbps12Mbps之间的之间的PROFIBUSPROFIBUS波特率运行。波特率运行。模块共有模块共有6 6个连接，其中的两个分别保留给编程器个连接，其中的两个分别保留给编程器（PGPG）和操作员面板（）和操作员面板（OPOP）。）。 S7-200 S7-200可以同时处理两个可以同时处理两个CP243-2CP243-2，每个，每个CP243-2CP243-2的的AS-iAS-i网网络上最多能有络上最多能有124124点开关量输入（点开关量输入（DIDI）和）和124124点开关量输出点开关量输出（DODO），通过），通过AS-iAS-i网络可以增加网络可以增加S7-200S7-200的数字量输入、输出的的数字量输入、输出的点数。点数。在在S7-200S7-200的映像区中模块占用一个数字量输入字节（状态字节）的映像区中模块占用一个数字量输入字节（状态字节）、一个数字量输出字节（控制字节）、一个数字量输出字节（控制字节）、8 8个模拟量输入字和个模拟量输入字和8 8个个模拟量输出字。模拟量输出字。通过用户程序，用状态字节和控制字节设置模块的工作方式，通过用户程序，用状态字节和控制字节设置模块的工作方式，模块可以在模块可以在CPUCPU的模拟地址区存储的模拟地址区存储AS-iAS-i从站的从站的I/OI/O数据或存储诊数据或存储诊断数据。或启动主站的调用，例如改变一个从站地址，通过按断数据。或启动主站的调用，例如改变一个从站地址，通过按钮可以设置连接的所有钮可以设置连接的所有AS-iAS-i从站。从站。11.9.6 11.9.6 通信处理器通信处理器11.9.7 11.9.7 中文显示屏中文显示屏 图图11-13 TD20011-13 TD200中文文本显示器中文文本显示器11.9.8 11.9.8 编程软件编程软件 STEP 7-Micro/WINSTEP 7-Micro/WIN可为用户提供两套指令集，即可为用户提供两套指令集，即SIMATICSIMATIC指令集（指令集（S7-200S7-200方式）和国际标准指令集方式）和国际标准指令集（IEC1131-3IEC1131-3方式）。通过调制解调器可实现远程编程，方式）。通过调制解调器可实现远程编程，可用单次扫描和强制输出等方式来调试程序和进可用单次扫描和强制输出等方式来调试程序和进行故障诊断。行故障诊断。1. . 画图简要说明画图简要说明IPCIPC的硬件组成。的硬件组成。2 2简述总线的概念？何为模板化结构？简述总线的概念？何为模板化结构？ 3 3简要说明简要说明IPCIPC的功能特点。的功能特点。4 4画图说明画图说明PLCPLC的结构组成？的结构组成？5 5相比继电器控制，相比继电器控制，PLCPLC控制系统的优点在哪里？控制系统的优点在哪里？6 6简述简述PLCPLC的工作过程。的工作过程。7 7假设一个控制系统，有开关量输入假设一个控制系统，有开关量输入4040点、开关量点、开关量 输出输出3232点，模拟量输出点，模拟量输出2 2点，请用西门子点，请用西门子S7-200PLCS7-200PLC组成一个组成一个 控制系统，需要选用哪些模块？控制系统，需要选用哪些模块？ 思考题思考题