教育PLC的硬件与工作原理.pptx

2024/4/7 周日第第二二章章PLCPLC的硬件与工作原理的硬件与工作原理电气控制与PLC 2024/4/7 周日本章主要内容本章主要内容l2.1 PLC的硬件的硬件l2.2 PLC的工作原理的工作原理 l2.3 S7-200系列系列PLCl2.4 I/O的地址分配与外部接线的地址分配与外部接线 2024/4/7 周日本章学习要求本章学习要求&了解了解PLC的组成模块和扩展模块的组成模块和扩展模块&掌握掌握PLC的工作原理（重点）的工作原理（重点）&熟练掌握熟练掌握PLC的扩展和编址（重点、的扩展和编址（重点、难点）难点）2024/4/7 周日2.1 PLC2.1 PLC的硬件的硬件一、一、PLC的物理结构的物理结构 整体式 PLC 把把CPUCPU模块、模块、I/OI/O模块和电源装在一个机壳内。模块和电源装在一个机壳内。运行状态运行状态 LED 可选卡插槽可选卡插槽 通信端口通信端口 I/O 状态状态 LED 顶部端子盖顶部端子盖电源及输出端子电源及输出端子前盖：前盖：RUN/STOP开关开关电位器及扩展电位器及扩展I/O口口 低部端子盖：低部端子盖：输入端子及输入端子及传感器电源传感器电源 2024/4/7 周日一、一、PLC的物理结构的物理结构 模块式 PLC 大中型一般采用，由机架和模块组成。大中型一般采用，由机架和模块组成。CPU 模块模块 智能智能I/O模块模块 通信模块通信模块 编程器编程器 PLC/上位计算机上位计算机 工工 业业 现现 场场 过过 程程 输入模块输入模块 输出模块输出模块 2.1 PLC的硬件的硬件 2024/4/7 周日2.1 PLC的硬件的硬件二、二、CPU模块中的存储器模块中的存储器1.1.存储器的类型存储器的类型存储器的类型存储器的类型 ROM、RAM、EEPROM。2.2.存储器的划分存储器的划分存储器的划分存储器的划分(1)系统存储器系统存储器 ROM 存储器。存储器。(2)用户程序存储器用户程序存储器 有掉电保护的有掉电保护的 RAM 或或 EEPROM 存储器。存储器。不同型号的不同型号的 PLC 其存储器的容量差别很大。其存储器的容量差别很大。2024/4/7 周日(3)工作数据存储器工作数据存储器 有掉电保护的有掉电保护的 RAM 或或 EEPROM 存储器。存储器。在工作数据区预先开辟了在工作数据区预先开辟了“元件映像寄存器元件映像寄存器”和变量数据区。和变量数据区。有掉电时能保持数据的区域有掉电时能保持数据的区域 数据保持区。数据保持区。2.1 PLC的硬件的硬件二、二、CPU模块中的存储器模块中的存储器 2024/4/7 周日1.1.数字量（开关量）输入接口电路数字量（开关量）输入接口电路数字量（开关量）输入接口电路数字量（开关量）输入接口电路 (1)直流输入接口电路直流输入接口电路 2.1 PLC的硬件的硬件三、三、I/O模块模块 2024/4/7 周日2.1 PLC的硬件的硬件(2)交流输入接口电路交流输入接口电路 内内部部电电路路R3 U VT 滤波滤波SCOMR1 R2CLED 输入指示输入指示 三、三、I/O模块模块 2024/4/7 周日2.1 PLC的硬件的硬件三、三、I/O模块模块2.2.数字量（开关量）输出接口电路数字量（开关量）输出接口电路数字量（开关量）输出接口电路数字量（开关量）输出接口电路 根据输出电路所用开关器件的不同分类。根据输出电路所用开关器件的不同分类。(1)继电器输出接口电路继电器输出接口电路 适用于：低适用于：低频大功率直频大功率直流或交流负流或交流负载。载。2024/4/7 周日2.1 PLC的硬件的硬件三、三、I/O模块模块2.1 PLC的硬件的硬件三、三、I/O模块模块(2)场效应晶体管场效应晶体管(晶体管晶体管)输出接口电路输出接口电路 适用于：高频小功率直流负载。适用于：高频小功率直流负载。2024/4/7 周日(3)双向晶闸管输出单元双向晶闸管输出单元 LED 输出输出指示指示R1 COM FU 负载负载 内内部部电电路路R C VT1 VT2 R2 2.1 PLC的硬件的硬件三、三、I/O模块模块适用于：高频大功率交流负载。适用于：高频大功率交流负载。2024/4/7 周日1.逻辑运算逻辑运算 2.2 PLC的工作原理的工作原理一、用触点和线圈实现逻辑运算一、用触点和线圈实现逻辑运算 “0”：线圈断电：线圈断电;触点不动作。触点不动作。“1 1”：线圈通电：线圈通电;触点动作。触点动作。输入输入 ：触点状态。：触点状态。输出输出 ：线圈状态。：线圈状态。2024/4/7 周日2.PLC中实现逻辑运算中实现逻辑运算 2.2 PLC的工作原理的工作原理一、用触点和线圈实现逻辑运算一、用触点和线圈实现逻辑运算 PLC中的编程元件沿用了继电器这一名称。中的编程元件沿用了继电器这一名称。采用采用“软软”继电器（编程元件）代替继电器（编程元件）代替“硬硬”继电器。继电器。2024/4/7 周日1.运行模式运行模式 2.2 PLC的工作原理的工作原理二、二、PLC的运行模式的运行模式 STOP（停止）模式（停止）模式 RUN（运行）模式（运行）模式2.运行模式的切换运行模式的切换 编程软件编程软件 模式开关模式开关 程序中插入指令程序中插入指令 2024/4/7 周日2.2 PLC的工作原理的工作原理三、三、PLC的工作原理的工作原理 PLC是一种工业控制计算机，所以它的工作原理与计算机的工作原理基本上是一致的，也就是说，PLC是在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务，实现控制目的。2024/4/7 周日2.2 PLC的工作原理的工作原理三、三、PLC的工作原理的工作原理 PLC 的扫描工作方式的扫描工作方式 PLC 采用采用“顺序扫描、不断循环顺序扫描、不断循环”的工作方式。的工作方式。CPU 连续执行用户程序，任务的循环序列称为连续执行用户程序，任务的循环序列称为 扫描。扫描。一个扫描周期包含以下任务一个扫描周期包含以下任务:2024/4/7 周日2.2 PLC的工作原理的工作原理三、三、PLC的工作原理的工作原理1.1.读取输入读取输入读取输入读取输入 读读(采样采样)输入端子的信号输入端子的信号 存入存入(刷新刷新)I 中。中。没有使用的没有使用的 I 位被清零。位被清零。CPUDIAI输输入入映映像像寄寄存存器器输输出出映映像像寄寄存存器器DOAO.2024/4/7 周日2.2 PLC的工作原理的工作原理三、三、PLC的工作原理的工作原理2.2.2.2.程序执行阶段程序执行阶段程序执行阶段程序执行阶段 CPUCPUCPUCPU从第一条指令开始，从第一条指令开始，从第一条指令开始，从第一条指令开始，按顺序逐条按顺序逐条按顺序逐条按顺序逐条地执行用地执行用地执行用地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。开始新的一轮扫描。开始新的一轮扫描。开始新的一轮扫描。输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的读取输入阶段被读入。的读取输入阶段被读入。执行用户程序中的特殊处理：执行用户程序中的特殊处理：中断程序的处理中断程序的处理中断程序的处理中断程序的处理 立即立即立即立即I/OI/O处理处理处理处理 2024/4/7 周日2.2 PLC的工作原理的工作原理三、三、PLC的工作原理的工作原理3.3.处理通信请求处理通信请求处理通信请求处理通信请求 CPU 处理从通信端口接收到的任何信息。处理从通信端口接收到的任何信息。处理通信请求的时间是可以调节的。处理通信请求的时间是可以调节的。4.4.执行执行执行执行 CPU CPU 的自诊断的自诊断的自诊断的自诊断 CPU 检查其硬件、检查其硬件、I/O 模块状态、用户存储器。模块状态、用户存储器。发现故障，报警或停止程序运行。发现故障，报警或停止程序运行。5.5.改写输出改写输出改写输出改写输出 将将 Q 中的输出值中的输出值 输出锁存器输出锁存器 驱动被控对象按新的输出值动作。驱动被控对象按新的输出值动作。2024/4/7 周日2.2 PLC的工作原理的工作原理三、三、PLC的工作原理的工作原理8.PLC8.PLC8.PLC8.PLC的工作过程举例的工作过程举例的工作过程举例的工作过程举例LDI0.1OQ0.0ANI0.2 =Q0.0 2024/4/7 周日2.2 PLC的工作原理的工作原理三、三、PLC的工作原理的工作原理 PLC 的工作过程 输输 入入 端端 子子输输入入映映像像寄寄存存器器输输出出锁锁存存输输出出端端子子元元件件映映像像寄寄存存器器输输入入信信号号输输出出刷刷新新输入刷新阶段输入刷新阶段读读写写读读写写读读写写刷刷新新输输出出执行程序阶段执行程序阶段输出刷新阶段输出刷新阶段 2024/4/7 周日9.PLC 9.PLC 的输入的输入/输出滞后现象输出滞后现象 影响输入影响输入/输出响应滞后的主要因素有：输出响应滞后的主要因素有：输入延迟时间。输入延迟时间。扫描周期。扫描周期。输出延迟时间。输出延迟时间。程序语句的安排，程序语句的安排，影响程序执行时间。影响程序执行时间。如图所示程序：如图所示程序：从从 I0.0 接通到接通到 Q0.1 接通延迟了接通延迟了 一个多扫描周期（正常）。一个多扫描周期（正常）。而而 Q0.0 被接通却延迟了两个多被接通却延迟了两个多 扫描周期（不正常）。扫描周期（不正常）。解决方法：解决方法：交换网络交换网络 1 与网络与网络 2 前后位置。前后位置。2.2 PLC的工作原理的工作原理三、三、PLC的工作原理的工作原理 2024/4/7 周日1.19751.1975年，西门子公司投放市场的第一代年，西门子公司投放市场的第一代年，西门子公司投放市场的第一代年，西门子公司投放市场的第一代PLC PLC 是是是是S3S3系列。系列。系列。系列。2.3 S7-200系列系列PLC一、一、S系列系列PLC发展概述发展概述2.19792.1979年，年，S5S5系列。系列。每个系列中又发展了多个子系列，比如每个系列中又发展了多个子系列，比如每个系列中又发展了多个子系列，比如每个系列中又发展了多个子系列，比如S5S5系列产生不久系列产生不久系列产生不久系列产生不久便升级为便升级为便升级为便升级为U U系列和系列和系列和系列和HH系列，有的至今仍在使用。系列，有的至今仍在使用。系列，有的至今仍在使用。系列，有的至今仍在使用。S5S5系列系列系列系列PLCPLC的编程使用的是的编程使用的是的编程使用的是的编程使用的是STEP5STEP5编程语言。编程语言。编程语言。编程语言。3.3.上世纪末，推出了上世纪末，推出了上世纪末，推出了上世纪末，推出了S7S7系列产品。系列产品。系列产品。系列产品。小型：小型：S7S7200200；中型：；中型：S7S7300300；大型：；大型：S7S7400400；S7S7系列系列系列系列PLCPLC的编程使用的是的编程使用的是的编程使用的是的编程使用的是STEP7STEP7编程语言。编程语言。编程语言。编程语言。4.20044.2004年，推出了年，推出了年，推出了年，推出了S7-200S7-200的升级产品。的升级产品。的升级产品。的升级产品。2024/4/7 周日2.3 S7-200系列系列PLC二、二、S7200小型小型PLC的基本性能的基本性能1.CPU1.CPU基本特点基本特点基本特点基本特点 2024/4/7 周日2.3 S7-200系列系列PLC二、二、S7200小型小型PLC的基本性能的基本性能2.2.主机及主机及I/OI/O特性特性 2024/4/7 周日2.3 S7-200系列系列PLC三、数字量扩展模块三、数字量扩展模块型号型号描述描述类类型型 EM 221 EM 222 EM 223数字量输入扩展模块数字量输入扩展模块 数字量输出扩展模块数字量输出扩展模块 数字量输入数字量输入/输出扩展模块输出扩展模块8点点 24V DC 输入输入 8点点AC120/230V输入输入16点点 24V DC 输入输入8点点 24V DC 输出输出 8点继电器输出点继电器输出8点点AC120/230V输出输出4点点24VDC输出输出,5A/点点4点继电器输出点继电器输出,10A/点点DI4/DO4DC24VDI4/DO4DC24V/继电器继电器DI8/DO8DC24VDI8/DO8DC24V/继电器继电器DI16/DO16DC24VDI16/DO16DC24V/继电器继电器EM 221 2024/4/7 周日2.3 S7-200系列系列PLC四、模拟量四、模拟量I/O扩展模块扩展模块 型号和描述型号和描述 规规 格格 功功 耗耗/W 电源要求电源要求/mA 5V DC 24V DC EM 231模拟量输入扩展模块模拟量输入扩展模块 EM 232模拟量输出扩展模块模拟量输出扩展模块 EM 235模拟量混合模块模拟量混合模块EM 231TC热电偶输入模块热电偶输入模块EM 231RTD热电阻输入模块热电阻输入模块4 输入通道输入通道 2 输出通道输出通道4 输入输入/1 输出输出 4 输入通道输入通道2 输入通道输入通道2 2 2 1.8 1.8 2 60 20 70 30 60 87 60 87 60 2024/4/7 周日2.4 I/O地址分配与外部接线地址分配与外部接线一、一、I/O扩展扩展 CPU22XCPU22X每种主机所提供的本机每种主机所提供的本机每种主机所提供的本机每种主机所提供的本机I/OI/O点的点的点的点的I/OI/O地址是固定的，地址是固定的，地址是固定的，地址是固定的，进行扩展时，可在进行扩展时，可在进行扩展时，可在进行扩展时，可在CPUCPU右边右边右边右边连接多个扩展模块。连接多个扩展模块。连接多个扩展模块。连接多个扩展模块。每个扩展模块的组态地址编号取决于每个扩展模块的组态地址编号取决于每个扩展模块的组态地址编号取决于每个扩展模块的组态地址编号取决于各模块的类型各模块的类型各模块的类型各模块的类型和该模和该模和该模和该模块块块块在在在在I/OI/O链中所处的位置链中所处的位置链中所处的位置链中所处的位置。CPU 222 EM 253 2024/4/7 周日2.4 I/O地址分配与外部接线地址分配与外部接线二、编址方法二、编址方法 CPU22XCPU22X每同种类型输入或输出点的模块在链中按与主机每同种类型输入或输出点的模块在链中按与主机每同种类型输入或输出点的模块在链中按与主机每同种类型输入或输出点的模块在链中按与主机的位置而递增。的位置而递增。的位置而递增。的位置而递增。其他类型模块的有无以及所处位置不影响本类型模块的编号。其他类型模块的有无以及所处位置不影响本类型模块的编号。其他类型模块的有无以及所处位置不影响本类型模块的编号。其他类型模块的有无以及所处位置不影响本类型模块的编号。其对于数字量，输入输出映像寄存器单位长度为其对于数字量，输入输出映像寄存器单位长度为其对于数字量，输入输出映像寄存器单位长度为其对于数字量，输入输出映像寄存器单位长度为8 8位（位（位（位（1 1个字个字个字个字节），本模块高位实际位数未满节），本模块高位实际位数未满节），本模块高位实际位数未满节），本模块高位实际位数未满8 8位的，未用位不能分配给位的，未用位不能分配给位的，未用位不能分配给位的，未用位不能分配给I/OI/O链的后续模块。链的后续模块。链的后续模块。链的后续模块。对于模拟量，以对于模拟量，以对于模拟量，以对于模拟量，以2 2个字节个字节个字节个字节分配空间，即上一地址和下一地址分配空间，即上一地址和下一地址分配空间，即上一地址和下一地址分配空间，即上一地址和下一地址要差要差要差要差2 2个字节。而且，模拟量扩展模块以个字节。而且，模拟量扩展模块以个字节。而且，模拟量扩展模块以个字节。而且，模拟量扩展模块以2 2点（点（点（点（4 4字节）递增的方字节）递增的方字节）递增的方字节）递增的方式式式式来分配地址。来分配地址。来分配地址。来分配地址。2024/4/7 周日2.4 I/O地址分配与外部接线地址分配与外部接线二、编址方法二、编址方法例题：某一控制系统选用例题：某一控制系统选用例题：某一控制系统选用例题：某一控制系统选用CPU224CPU224，系统所需的输入输出，系统所需的输入输出，系统所需的输入输出，系统所需的输入输出点数各为：数字量输入点数各为：数字量输入点数各为：数字量输入点数各为：数字量输入2424点，数字量输出点，数字量输出点，数字量输出点，数字量输出2020点；点；点；点；模拟量输入模拟量输入模拟量输入模拟量输入6 6点，模拟量输出点，模拟量输出点，模拟量输出点，模拟量输出2 2点。点。点。点。型号型号描述描述类类型型 EM 221 EM 222 EM 223数字量输入扩展模块数字量输入扩展模块 数字量输出扩展模块数字量输出扩展模块 数字量输入数字量输入/输出扩展模块输出扩展模块8点点 24V DC 输入输入 8点点AC120/230V输入输入16点点 24V DC 输入输入8点点 24V DC 输出输出 8点继电器输出点继电器输出8点点AC120/230V输出输出4点点24VDC输出输出,5A/点点4点继电器输出点继电器输出,10A/点点DI4/DO4DC24VDI4/DO4DC24V/继电器继电器DI8/DO8DC24VDI8/DO8DC24V/继电器继电器DI16/DO16DC24VDI16/DO16DC24V/继电器继电器 2024/4/7 周日分析分析分析分析：CPU224CPU224的的的的DIDI：1414点点点点 DO:10DO:10点点点点(1)(1)需要扩展的点数：需要扩展的点数：需要扩展的点数：需要扩展的点数：DI:24-14=10 DO:20-10=10 DI:24-14=10 DO:20-10=10 AI:6-0=6 AO:2-0=2 AI:6-0=6 AO:2-0=2 (2)(2)硬件组态方案：硬件组态方案：硬件组态方案：硬件组态方案：第一种：第一种：第一种：第一种：EM221(8DI)EM221(8DI)2 2 EM222(8DO)2EM222(8DO)2 EM231(4AI)2 EM232(2AO)1 EM231(4AI)2 EM232(2AO)1第二种：第二种：第二种：第二种：EM221(8DI)1 EM222(8DO)1EM221(8DI)1 EM222(8DO)1 EM223(4DI/4DO)1 EM235(4AI/1AO)2 EM223(4DI/4DO)1 EM235(4AI/1AO)22.4 I/O地址分配与外部接线地址分配与外部接线二、编址方法二、编址方法例题：某一控制系统选用例题：某一控制系统选用例题：某一控制系统选用例题：某一控制系统选用CPU224CPU224，系统所需的输入输出，系统所需的输入输出，系统所需的输入输出，系统所需的输入输出点数各为：数字量输入点数各为：数字量输入点数各为：数字量输入点数各为：数字量输入2424点，数字量输出点，数字量输出点，数字量输出点，数字量输出2020点；点；点；点；模拟量输入模拟量输入模拟量输入模拟量输入6 6点，模拟量输出点，模拟量输出点，模拟量输出点，模拟量输出2 2点。点。点。点。2024/4/7 周日2.4 I/O地址分配与外部接线地址分配与外部接线二、编址方法二、编址方法CPU221CPU222CPU224 CPU2261无扩展无扩展能力能力212345677123456CPUCPU的扩展能力：的扩展能力：的扩展能力：的扩展能力：1 1）能扩展的最多模）能扩展的最多模）能扩展的最多模）能扩展的最多模块数；块数；块数；块数；2 2）CPUCPU的带负载的带负载的带负载的带负载能力。能力。能力。能力。2024/4/7 周日2.4 I/O地址分配与外部接线地址分配与外部接线二、编址方法二、编址方法基本基本I/O扩展扩展I/O主机主机CPU224EM2234DI/4DOEM2218DIEM2354AI/1AOEM2228DOEM2354AI/1AOI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7Q1.0Q1.1I2.0I2.1I2.2I2.3Q2.0Q2.1Q2.2Q2.3I3.0I3.1I3.2I3.3I3.4I3.5I3.6I3.7AIW0AIW2AIW4AIW6AQW0Q3.0Q3.1Q3.2Q3.3Q3.4Q3.5Q3.6Q3.7AIW8AIW10AIW12AIW14AQW4I0I1.Q0Q1.M0M1.V0V1V2.2024/4/7 周日 I/O 地址分配举例（地址分配举例（S7200）CPU224Local I/OI0.0 Q0.0I0.1 Q0.1I0.2 Q0.2I0.3 Q0.3I0.4 Q0.4I0.5 Q0.5I0.6 Q0.6I0.7 Q0.7I1.0 Q1.0I1.1 Q1.1I1.2 Q1.2I1.3 Q1.3I1.4 Q1.4I1.5 Q1.5 I1.6 Q1.6I1.7 Q1.74 DI/4 DOExpansion I/OI2.0 Q2.0I2.1 Q2.1I2.2 Q2.2I2.3 Q2.3I2.4 Q2.4I2.5 Q2.5I2.6 Q2.6I2.7 Q2.78 DI4 AI/1 AO8 DO4 AI/1 AOI3.0I3.1I3.2I3.3I3.4I3.5I3.6I3.7AIW0 AQW0AIW2 AQW2AIW4AIW6Q3.0Q3.1Q3.2Q3.3Q3.4Q3.5Q3.6Q3.7AIW8 AQW4AIW10 AQW6AIW12AIW14模拟量占用输模拟量占用输入入/输出映像寄输出映像寄存器两个字节存器两个字节 数字量地址总是以数字量地址总是以 8 位（一个字节）递增的。位（一个字节）递增的。如果如果 CPU 或模块在为物理或模块在为物理 I/O 点分配地址时点分配地址时 未用完一个字节，该字节中未使用的位作废。未用完一个字节，该字节中未使用的位作废。2024/4/7 周日2.4 I/O地址分配与外部接线地址分配与外部接线三、外部接线三、外部接线2024/4/7 周日第 2 章 结 束