大連理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院可編程控制器輔導(dǎo)資料三

大連理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院第1頁(yè)共7頁(yè)可編程控制器輔導(dǎo)資料三主題：課件第二章第2-3節(jié)——可編程序控制器的工作原理、S7-200系列可編程控制器學(xué)習(xí)時(shí)間：2021年10月11日--10月17日課程內(nèi)容：我們這周主要學(xué)習(xí)課件第二章PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理第2-3節(jié)的相關(guān)內(nèi)容。希望通過(guò)下面的內(nèi)容能使同學(xué)們加深對(duì)可編程序控制器結(jié)構(gòu)相關(guān)知識(shí)的理解。一、學(xué)習(xí)要求1．掌握PLC的工作原理；2．掌握西門子S7系列可編程控制器特點(diǎn)。二、主要內(nèi)容1．可編程序控制器的工作原理PLC有兩種工作狀態(tài)，即運(yùn)行（RUN）狀態(tài)和停止（STOP）狀態(tài)。在運(yùn)行狀態(tài)，PLC通過(guò)執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能。為了使PLC的輸出及時(shí)地響應(yīng)隨時(shí)可能變化的輸入信號(hào)，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直到PLC停機(jī)或切換到STOP工作狀態(tài)。PLC的這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。PLC的掃描工作過(guò)程如圖1所示。圖1PLC的掃描工作過(guò)程（1）輸入采樣階段PLC首先掃描所有輸入端子，并將各輸入狀態(tài)存入內(nèi)存中各對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器中。此時(shí)，輸入映像寄存器被刷新。接著進(jìn)入程序執(zhí)行階段，此時(shí)輸入映像寄存器與外界隔離，無(wú)論輸入信號(hào)如何變化，其內(nèi)容保持不變，直到下一個(gè)掃描周期的輸入采樣階段，才重新寫入輸入端的新內(nèi)容。（2）程序執(zhí)行階段PLC按順序?qū)Τ绦蜻M(jìn)行掃描執(zhí)行，當(dāng)指令中涉及到輸入輸出狀態(tài)時(shí)，PLC從輸入映像寄存器和元件映像寄存器中讀出，根據(jù)程序進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再存入元件映像寄存器。元件映像寄存器的內(nèi)容隨程序的執(zhí)行而變化。（3）輸出刷新階段程序執(zhí)行完畢后，進(jìn)入輸出處理階段，PLC將輸出映像寄存器中與輸出有關(guān)的狀態(tài)轉(zhuǎn)存到輸出寄存器中，對(duì)輸出接口進(jìn)行刷新，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。用戶程序中如果對(duì)輸出結(jié)果多次賦值，只有最后一次有效。（4）通信處理在處理通信請(qǐng)求階段，CPU處理從通信接口和智能模塊接收到的信息，例如讀取智能模塊的信息并存放在緩沖區(qū)中，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)⑿畔魉徒o通信請(qǐng)求方。（5）CPU自診斷測(cè)試自診斷測(cè)試包括定期檢查CPU模塊的操作和擴(kuò)展模塊的狀態(tài)是否正常，將監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)容工作。（6）中斷程序的處理如果在程序中使用了中斷，中斷事件發(fā)生時(shí)，CPU停止正常的掃描工作方式，立即執(zhí)行中斷程序，中斷功能可以提高PLC對(duì)某些事件的響應(yīng)速度。（7）立即I/O處理在程序執(zhí)行過(guò)程中使用立即I/O指令可以直接存取I/O點(diǎn)。用立即I/O指令讀輸入點(diǎn)的值時(shí)，相應(yīng)的輸入過(guò)程映像寄存器的值未被更新。用立即I/O指令來(lái)改寫輸出點(diǎn)時(shí)，相應(yīng)的輸出過(guò)程映像寄存器的值被更新。（8）輸入輸出滯后時(shí)間輸入輸出滯后時(shí)間又稱系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，是指PLC的外部輸入信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)間到它的控制的有關(guān)外部輸出信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)刻之間的時(shí)間間隔，它由輸入電路的濾波時(shí)間、輸出電路的滯后時(shí)間和因掃描工作方式的滯后時(shí)間三部分組成。滯后時(shí)間與模塊的類型有關(guān)。繼電器輸出電路的滯后時(shí)間一般在10ms左右，雙向可控硅型輸出電路在負(fù)載接通時(shí)的滯后時(shí)間為1ms，負(fù)載斷開(kāi)時(shí)的最大滯后時(shí)間為10ms，晶體管型輸出電路的滯后時(shí)間一般在1ms左右。由掃描工作方式引起的滯后時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)2個(gè)掃描周期。2.S7-200系列可編程控制器S7-200是西門子公司的產(chǎn)品之一，其注冊(cè)商標(biāo)為SIMATIC。（1）西門子公司PLC的發(fā)展史西門子公司的產(chǎn)品最早是1975年投放市場(chǎng)的SIMATICS3，它實(shí)際上是帶有簡(jiǎn)單操作接口的二進(jìn)制控制器；1979年，S3系統(tǒng)被SIMATICS5所取代，該系統(tǒng)廣泛地使用了微處理器；20世紀(jì)80年代初，S5系統(tǒng)進(jìn)一步升級(jí)——U系列PLC，較常用機(jī)型：S5-90U、95U、100U、115U、135U、155U1994年4月，S7系列誕生，它具有更國(guó)際化、更高性能等級(jí)、安裝空間更小、更良好的WINDOWS用戶界面等優(yōu)勢(shì)，其機(jī)型為：S7-200、300、400，分別對(duì)應(yīng)小型、中型、大型PLC。1996年，在過(guò)程控制領(lǐng)域，西門子公司又提出PCS7（過(guò)程控制系統(tǒng)7）的概念，將其優(yōu)勢(shì)的WINCC（與WINDOWS兼容的操作界面）、PROFIBUS（工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線）、COROS（監(jiān)控系統(tǒng)）、SINEC（西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)）及控調(diào)技術(shù)溶為一體現(xiàn)在，西門子公司又提出TIA（TotallyIntegratedAutomation）概念，即全集成自動(dòng)化系統(tǒng)，將PLC技術(shù)溶于全部自動(dòng)化領(lǐng)域。此外，西門子PLC還有M7、C7二個(gè)系列。這里主要介紹S7-200PLC。（2）特點(diǎn)S7-200系列PLC是SIEMENS公司推出的一種小型PLC，屬于整體式結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊擴(kuò)展性良好指令功能強(qiáng)大價(jià)格低廉成為當(dāng)代各種小型控制工程的理想控制器。（3）S7-200PLC的系統(tǒng)組成S7-200PLC系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖2：圖2S7-200PLC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖（4）S7-200CPUS7-200CPU將微處理器、集成電源、輸入電路和輸出電路集成在一個(gè)緊湊的外殼中，從而形成了一個(gè)功能強(qiáng)大的MicroPLC。如圖3所示。S7-200的CPU共有兩個(gè)系列：CPU21X（CPU212、214、215、216，為S7-200的第一代產(chǎn)品）及CPU22X（CPU221、222、224、226、226XM）（主要介紹）。圖3S7-200MicroPLC狀態(tài)指示燈（LED）顯示CPU所處的工作狀態(tài)，分別為：RUN（運(yùn)行），STOP（停止），TERM（Terminal終端）。存儲(chǔ)卡接口可以插入存儲(chǔ)卡。通信接口可以連接RS-485總線的通信電纜。頂部端子蓋下面為輸出端子運(yùn)行狀態(tài)顯示和PLC供電電源端子。前蓋下面有運(yùn)行、停止開(kāi)關(guān)和接口模塊插座。將開(kāi)關(guān)撥向停止位置時(shí)，可對(duì)PLC編寫程序，但不能運(yùn)行；將開(kāi)關(guān)撥向運(yùn)行位置時(shí)，PLC處于運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)不能對(duì)其編寫程序；將開(kāi)關(guān)撥向監(jiān)控狀態(tài)，可以運(yùn)行程序，同時(shí)還可以監(jiān)視程序的運(yùn)行狀態(tài)。接口插座用于連接擴(kuò)展模塊，實(shí)現(xiàn)I/O擴(kuò)展。底部端子蓋下面為輸入端子運(yùn)行狀態(tài)顯示和傳感器電源端子。4種CPU各有晶體管輸出和繼電器輸出兩種類型，具有不同電源電壓和控制電壓。各類型的型號(hào)如表1所示，各CPU模塊技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。表1CPU型號(hào)表2S7-200CNCPU技術(shù)規(guī)范CPU221CPU222CPU224CPU226CPU226XM本機(jī)DI/DO6入/4出8入/6出14入/10出24入/16出24入/16出擴(kuò)展后最大輸入/輸出無(wú)I/O擴(kuò)展能力2個(gè)模塊7個(gè)模塊7個(gè)模塊7個(gè)模塊數(shù)字40/38數(shù)字94/74數(shù)字128/120數(shù)字128/120模擬（8入/2出）或4出模擬（28入/7出）或14出模擬（28入/7出）或14出模擬（28入/7出）或14出存儲(chǔ)器6KB6KB13KB13KB26KB30kHz高速計(jì)數(shù)器4個(gè)4個(gè)6個(gè)6個(gè)6個(gè)20kHz高速脈沖輸出2路2路2路2路2路PID控制器無(wú)有有有有RS-485通信/編程口1個(gè)1個(gè)1個(gè)2個(gè)2個(gè)PPI點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議有有有有有MPI多點(diǎn)協(xié)議有有有有有自由方式通信有有有有有其它適用于小型數(shù)字量控制是具有擴(kuò)展能力、適應(yīng)性更廣泛的小型PLC是具有較強(qiáng)控制能力的小型PLC用于有較高要求的中小型控制系統(tǒng)用于較高要求的中小型控制系統(tǒng)SIMATICS7-200系統(tǒng)CPU22X系列PLC主機(jī)及I/O特性如表3所示。表3主機(jī)及I/O特性（5）輸入輸出擴(kuò)展模塊當(dāng)主機(jī)單元模板上的I/O點(diǎn)數(shù)不夠時(shí)，或者涉及到模擬量控制時(shí)，除了CPU221以外，都可以通過(guò)增加擴(kuò)展單元模板的方法，對(duì)輸入/輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。（a）面板安裝（b）標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝圖4（6）數(shù)字量擴(kuò)展模板S7-200系列目前可以提供三大類共9種數(shù)字量輸入輸出擴(kuò)展模板：表4名稱型號(hào)I/O點(diǎn)數(shù)數(shù)字量輸入（DI）擴(kuò)展模板EM2218點(diǎn)DC輸入（光電耦合器隔離）數(shù)字量輸出（DO）擴(kuò)展模板EM2228點(diǎn)24VDC輸出8點(diǎn)繼電器輸出數(shù)字量混合輸入/輸出（DI/DO）擴(kuò)展模板EM22324VDC4入/4出24VDC4入/繼電器4出24VDC8入/8出24VDC8入/繼電器8出24VDC16入/16出24VDC16入/繼電器16出（7）模擬量擴(kuò)展單元模板表5名稱型號(hào)I/O點(diǎn)數(shù)模擬量輸入（AI）擴(kuò)展模板EM2314路12位模擬量輸入模擬量輸出（AO）擴(kuò)展模板EM2322路12位模擬量輸出模擬量混合輸入/輸出（AI/AO）擴(kuò)展模板EM2354路模擬量輸入/1路模擬量輸出（8）智能模板表6名稱型號(hào)功能通信處理器EM277是連接SIMATIC現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-DP從站的通信模板，可將S7-200CPU作為現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-DP從站接到網(wǎng)絡(luò)中。通信處理器CP243-2是S7-200的AS-i主站，通過(guò)連接AS-i可顯著地增加S7-200的數(shù)字量輸入/輸出點(diǎn)數(shù)。每個(gè)主站最多可連接31個(gè)AS-i從站。S7-200最多可同時(shí)處理2個(gè)CP243-2，每個(gè)CP243-2的AS-i上最大有124DI/124DO此外還有一些其它特殊的功能模塊。所有這些模塊可以十分方便地組成不同規(guī)模的控制器。其控制規(guī)?？梢詮膸c(diǎn)到幾百點(diǎn)。S7-200PLC可以方便地組成PLC-PLC網(wǎng)絡(luò)和微機(jī)-PLC網(wǎng)絡(luò)，從而完成規(guī)模更大的工程。（9）其他設(shè)備表7分類名稱備注編程設(shè)備手持編程器PG702圖形編程器PG740Ⅱ、PG760ⅡPC機(jī)使用專用編程軟件，S7-200使用STEP7-Micro/WIN32V3.1通過(guò)一條PC/PPI電纜將用戶程序送入PLC中人-機(jī)操作界面HMI文本顯示器TD200是操作員界面，不需要單獨(dú)電源，只需將其連接電纜接到CPU22X的PPI接口上，用STEP7-Micro/WIN進(jìn)行編程觸摸屏TP070、TP170A、TP170B及TP7、TP27三、習(xí)題（一）單選題1．在輸出掃描階段，將（）寄存器中的內(nèi)容復(fù)制到輸出接線端子上。A．輸入過(guò)程映像C．變量存儲(chǔ)器B．輸出過(guò)程映像D．內(nèi)部存儲(chǔ)器2．在程序執(zhí)行階段，若外部輸入信號(hào)的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入過(guò)程映像寄存器的狀態(tài)（）。A．會(huì)隨之改變C．不確定變化B．不會(huì)隨之改變D．以上均不對(duì)大連理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院第8頁(yè)共8頁(yè)3．S7-200有（）種CPU模塊。A．5B．4C．3D．24．PLC采用AC220V電源或DC（）電源。A．9VB．12VC．15VD．24V5．CPU224CN型PLC本機(jī)I/O點(diǎn)數(shù)為（）。A．14/10B．8/16C．24/16D．14/166．S7-200系列PLC繼電器輸