1s7200plc認(rèn)識及應(yīng)用

1、項(xiàng)目3 S7-200 PLC認(rèn)識及應(yīng)用本章要點(diǎn) 可編程控制器的產(chǎn)生、特點(diǎn)、分類與發(fā)展 可編程控制器的定義和基本含義 可編程控制器的基本組成及各部分的作用 可編程控制器的工作原理 可編程控制器的技術(shù)指標(biāo)11.1 可編程控制器的產(chǎn)生1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出了世界上第一臺可編程序控制器，并應(yīng)用于通用汽車公司的生產(chǎn)線上。當(dāng)時(shí)叫可編程邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用來取代繼電器，以執(zhí)行邏輯判斷、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能。緊接著，美國MODICON公司也開發(fā)出同名的控制器，1971年，日本從美國引進(jìn)了這項(xiàng)新技術(shù)，很快研制成了日本第

2、一臺可編程控制器。1973年，西歐國家也研制出他們的第一臺可編程控制器。我國從1974年也開始研制可編程序控制器，1977年開始工業(yè)應(yīng)用。 23.2 可編程控制器的定義1987年2月頒發(fā)了第三稿。該草案中對可編程控制器的定義是：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲和執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作命令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)?！倍x強(qiáng)調(diào)了可編程控制器是“數(shù)字運(yùn)算操作的電子系

3、統(tǒng)”，是一種計(jì)算機(jī)。這種工業(yè)計(jì)算機(jī)采用“面向用戶的指令”，因此編程方便。它能完成邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)計(jì)數(shù)和算術(shù)操作，它還具有“數(shù)字量和模擬量輸入輸出控制”的能力，并且非常容易與“工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一體”，易于“擴(kuò)充”。定義還強(qiáng)調(diào)了可編程控制器應(yīng)直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境，它須具有很強(qiáng)的抗干擾能力、廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍。這也是區(qū)別于一般微機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。33.3 可編程控制器的基本組成1.3.1 控制組件可編程控制器主要由CPU、存儲器、基本I/O接口電路、外設(shè)接口、編程裝置、電源等組成。41. CPU單元CPU是可編程控制器的控制中樞。CPU一般由控制電路、運(yùn)算器和寄存器組成。CPU的

4、功能有：它在系統(tǒng)監(jiān)控程序的控制下工作，通過掃描方式，將外部輸入信號的狀態(tài)寫入輸入映象寄存區(qū)域，PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲器逐條讀取用戶指令，按指令規(guī)定的任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送、邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算等，然后將結(jié)果送到輸出映像寄存區(qū)域。簡單地說，CPU的功能就是讀輸入、執(zhí)行程序、寫輸出。CPU常用的微處理器有通用型微處理器、單片機(jī)和位片式計(jì)算機(jī)等。通用型微處理器常見的如Intel公司的8086、80186、到Pentium系列芯片，單片機(jī)型的微處理器如Intel公司的MCS-96系列單片機(jī)，位片式微處理器如AMD 2900系列的微處理器。小型PLC 的CPU多采用單片機(jī)或?qū)Ｓ肅PU，中型PLC的CPU

5、大多采用16位微處理器或單片機(jī)，大型PLC的CPU多用高速位片式處理器，具有高速處理能力。52. 存儲器可編程控制器的存儲器由只讀存儲器ROM、隨機(jī)存儲器RAM和可電擦寫的存儲器EEPROM三大部分構(gòu)成，主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)。只讀存儲器ROM用以存放系統(tǒng)程序，可編程控制器在生產(chǎn)過程中將系統(tǒng)程序固化在ROM中，用戶是不可改變的。用戶程序和中間運(yùn)算數(shù)據(jù)存放的隨機(jī)存儲器RAM中，RAM存儲器是一種高密度、低功耗、價(jià)格便宜的半導(dǎo)體存儲器，可用鋰電池做備用電源。它存儲的內(nèi)容是易失的，掉電后內(nèi)容丟失；當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，用戶程序可以保存在只讀存儲器EEPROM或由高能電池支持的RAM中。EE

6、PROM兼有ROM的非易失性和RAM的隨機(jī)存取優(yōu)點(diǎn)，用來存放需要長期保存的重要數(shù)據(jù)。63. I/O單元及I/O擴(kuò)展接口（1）I/O單元（輸入/輸出接口電路）。PLC內(nèi)部輸入電路作用是將PLC外部電路（如行程開關(guān)、按鈕、傳感器等）提供的符合PLC輸入電路要求的電壓信號，通過光電耦合電路送至PLC內(nèi)部電路。輸入電路通常以光電隔離和阻容濾波的方式提高抗干擾能力，輸入響應(yīng)時(shí)間一般在0.115ms之間。根據(jù)輸入信號形式的不同，可分為模擬量I/O單元、數(shù)字量I/O單元兩大類。根據(jù)輸入單元形式的不同，可分為基本I/O單元、擴(kuò)展I/O單元兩大類。PLC內(nèi)部輸出電路作用是將輸出映像寄存器的結(jié)果通過輸出接口電路驅(qū)

7、動(dòng)外部的負(fù)載（如接觸器線圈、電磁閥、指示燈等）。（2）I/O擴(kuò)展接口?？删幊炭刂破骼肐/O擴(kuò)展接口使I/O擴(kuò)展單元與PLC的基本單元實(shí)現(xiàn)連接，當(dāng)基本I/O單元的輸入或輸出點(diǎn)數(shù)不夠使用時(shí)，可以用I/O擴(kuò)展單元來擴(kuò)充開關(guān)量I/O點(diǎn)數(shù)和增加模擬量的I/O端子。74. 外設(shè)接口外設(shè)接口電路用于連接編程器或其他圖形編程器、文本顯示器、觸摸屏、變頻器等并能通過外設(shè)接口組成PLC的控制網(wǎng)絡(luò)。PLC通過PC/PPI電纜或使用MPI卡通過RS-485接口與計(jì)算機(jī)連接，可以實(shí)現(xiàn)編程、監(jiān)控、連網(wǎng)等功能。5. 電源電源單元的作用是把外部電源（220V的交流電源）轉(zhuǎn)換成內(nèi)部工作電壓。外部連接的電源，通過PLC內(nèi)部配有

8、的一個(gè)專用開關(guān)式穩(wěn)壓電源，將交流/直流供電電源轉(zhuǎn)化為PLC內(nèi)部電路需要的工作電源（直流5伏、12伏、24伏），并為外部輸入元件（如接近開關(guān)、）提供24V直流電源（僅供輸入端點(diǎn)使用），而驅(qū)動(dòng)PLC負(fù)載的電源由用戶提供。83.3.2 輸入輸出接口電路1. 輸入接口電路由于生產(chǎn)過程中使用的各種開關(guān)、按鈕、傳感器等輸入器件直接接到PLC輸入接口電路上，為防止由于觸點(diǎn)抖動(dòng)或干擾脈沖引起錯(cuò)誤的輸入信號，輸入接口電路必須有很強(qiáng)的抗干擾能力。如圖1-2所示，輸入接口電路提高抗干擾能力的方法主要有：（1）利用光電耦合器提高抗干擾能力。 （2）利用濾波電路提高抗干擾能力。圖1-2 可編程控制器輸入電路92. 輸出

9、接口電路根據(jù)驅(qū)動(dòng)負(fù)載元件不同可將輸出接口電路分為3種：（1）小型繼電器輸出形式，如圖1-3所示。這種輸出形式既可驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載，又可驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載。驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力在2A左右。它的優(yōu)點(diǎn)是適用電壓范圍比較寬，導(dǎo)通壓降小，承受瞬時(shí)過電壓和過電流的能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是動(dòng)作速度較慢，動(dòng)作次數(shù)（壽命）有一定的限制。建議在輸出量變化不頻繁時(shí)優(yōu)先選用，不能用于高速脈沖的輸出。圖1-3所示電路工作原理是：當(dāng)內(nèi)部電路的狀態(tài)為1時(shí)，使繼電器K的線圈通電，產(chǎn)生電磁吸力，觸點(diǎn)閉合，則負(fù)載得電，同時(shí)點(diǎn)亮LED，表示該路輸出點(diǎn)有輸出。當(dāng)內(nèi)部電路的狀態(tài)為0時(shí)，使繼電器K的線圈無電流，觸點(diǎn)斷開，則負(fù)載斷電，同時(shí)LED熄滅，表示該路輸出點(diǎn)

10、無輸出。圖1-3 小型繼電器輸出形式電路10（2）大功率晶體管或場效應(yīng)管輸出形式，如圖1-4所示。這種輸出形式只可驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載。驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力：每一個(gè)輸出點(diǎn)為零點(diǎn)幾安培左右。它的優(yōu)點(diǎn)是可靠性強(qiáng)，執(zhí)行速度快，壽命長。缺點(diǎn)是過載能力差。適合在直流供電、輸出量變化快的場合選用。圖1-4所示電路工作原理是：當(dāng)內(nèi)部電路的狀態(tài)為1時(shí)，光電耦合器T1導(dǎo)通，使大功率晶體管VT飽和導(dǎo)通，則負(fù)載得電，同時(shí)點(diǎn)亮LED，表示該路輸出點(diǎn)有輸出。當(dāng)內(nèi)部電路的狀態(tài)為0時(shí)，光電耦合器T1斷開，大功率晶體管VT截止，則負(fù)載失電，LED熄滅，表示該路輸出點(diǎn)無輸出。VD為保護(hù)二極管，可防止負(fù)載電壓極性接反或高電壓、交流電壓損壞晶體

11、管。FU的作用是：防止負(fù)載短路時(shí)損壞PLC。當(dāng)負(fù)載為電感性負(fù)載，VT關(guān)斷時(shí)會產(chǎn)生較高的反電勢所以必須給負(fù)載并聯(lián)續(xù)流二極管，為其提供放電回路，避免VT承受過電壓 圖1-4 大功率晶體管輸出形式電路11（3）雙向晶閘管輸出形式，如圖1-5所示。這種輸出形式適合驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載。由于雙向可控硅和大功率晶體管同屬于半導(dǎo)體材料元件，所以優(yōu)缺點(diǎn)與大功率晶體管或場效應(yīng)管輸出形式的相似，適合在交流供電、輸出量變化快的場合選用。圖1-5 雙向可控硅輸出形式電路圖1-4 大功率晶體管輸出形式電路圖1-5所示電路工作原理是：當(dāng)內(nèi)部電路的狀態(tài)為1時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，相當(dāng)于雙向晶閘管施加了觸發(fā)信號，無論外接電源極性如何

12、，雙向晶閘管T均導(dǎo)通，負(fù)載得電，同時(shí)輸出指示燈LED點(diǎn)亮，表示該輸出點(diǎn)接通；當(dāng)對應(yīng)T的內(nèi)部繼電器的狀態(tài)為0時(shí)，雙向晶閘管施加了觸發(fā)信號，雙向晶閘管關(guān)斷，此時(shí)LED不亮，負(fù)載失電。這種輸出接口電路驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力為1A左右。圖1-5 雙向可控硅輸出形式電路123. I/O電路的常見問題（1）用三極管等有源元件作為無觸點(diǎn)開關(guān)的輸出設(shè)備，與PLC輸入單元的連接時(shí)，由于三極管自身有漏電流存在，或者電路不能保證三極管可靠截止而處于放大狀態(tài)，使得即使在截止時(shí)，仍會有一個(gè)小的漏電流流過，當(dāng)該電流值大于1.3mA時(shí)，就可能引起PLC輸入電路發(fā)生誤動(dòng)作?？稍赑LC輸入端并聯(lián)一個(gè)旁路電阻來分流，使流入PLC的電流小

13、于1.3mA。（2）應(yīng)在輸出回路串聯(lián)保險(xiǎn)絲，避免負(fù)載電流過大，會損壞輸出元件或電路板。（3）由于晶體管、雙向晶閘管型輸出端子漏電流和殘余電壓的存在，當(dāng)驅(qū)動(dòng)不同類型的負(fù)載時(shí)，需要考慮電平匹配和誤動(dòng)等問題。（4）感性負(fù)載斷電時(shí)產(chǎn)生很高的反電勢，對輸出單元電路產(chǎn)生沖擊，對于大電感或頻繁關(guān)斷的感性負(fù)載應(yīng)使用外部抑制電路，一般采用阻容吸收電路或二極管吸收電路。133.3.3 編程器編程器是PLC的重要外圍設(shè)備。利用編程器將用戶程序送入PLC的存儲器，還可以用編程器檢查程序，修改程序，監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)。常見的給PLC編程的裝置有手持式編程器和計(jì)算機(jī)編程方式。 143.4 可編程控制器的工作原理及主要技

14、術(shù)指標(biāo)1.4.1 可編程控制器的工作原理PLC是采用周期循環(huán)掃描的工作方式，CPU連續(xù)執(zhí)行用戶程序和任務(wù)的循環(huán)序列稱為掃描。CPU對用戶程序的執(zhí)行過程是CPU的循環(huán)掃描，并用周期性地集中采樣、集中輸出的方式來完成的。一個(gè)掃描周期主要可分為：（1）讀輸入階段。 （2）執(zhí)行程序階段。 （3）處理通信請求階段。 （4）執(zhí)行CPU自診斷測試階段。（5）寫輸出階段。153.4.2 可編程控制器主要技術(shù)指標(biāo)1. 輸入/輸出點(diǎn)數(shù)可編程控制器的I/O點(diǎn)數(shù)指外部輸入、輸出端子數(shù)量的總和。它是描述的PLC大小的一個(gè)重要的參數(shù)。2. 存儲容量PLC的存儲器由系統(tǒng)程序存儲器，用戶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器三部分組成。PL

15、C存儲容量通常指用戶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器容量之和，表征系統(tǒng)提供給用戶的可用資源，是系統(tǒng)性能的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。3. 掃描速度可編程控制器采用循環(huán)掃描方式工作，完成1次掃描所需的時(shí)間叫做掃描周期。影響掃描速度的主要因素有用戶程序的長度和PLC產(chǎn)品的類型。PLC中CPU的類型、機(jī)器字長等直接影響PLC運(yùn)算精度和運(yùn)行速度。4. 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)是指PLC所有指令的總和。5. 通信功能通信有PLC之間的通信和PLC與其他設(shè)備之間的通信。通信主要涉及通信模塊，通信接口，通信協(xié)議和通信指令等內(nèi)容。PLC的組網(wǎng)和通信能力也已成為PLC產(chǎn)品水平的重要衡量指標(biāo)之一。163.5 可編程控制器的分類、特點(diǎn)、應(yīng)用及發(fā)展1.5.1 可編程控制器的分類1. 按I/O點(diǎn)數(shù)和功能分類:由I/O點(diǎn)數(shù)的多少可將PLC的I/O