PLC與組態(tài)應(yīng)用技術(shù) 課件 ch01 S7-200系列PLC認(rèn)知

項(xiàng)目一S7-200系列PLC認(rèn)知職業(yè)教育“十三五“規(guī)劃教材PLC與組態(tài)應(yīng)用技術(shù)01項(xiàng)目目標(biāo)PARTONE一、項(xiàng)目目標(biāo)1.了解西門子S7-200系列PLC的生產(chǎn)與發(fā)展;2.理解PLC的性能規(guī)格、結(jié)構(gòu)類型及控制功能，掌握PLC的組成及基本工作原理;3.了解PLC的外部結(jié)構(gòu)、CPU的性能以及輸入/輸出性能;4.了解STEP7-Micro/Win軟件界面及使用方法;5.理解PLC內(nèi)部存儲器種類、作用及指令系統(tǒng)類型;6.掌握S7-200系列PLC的輸入/輸出接線及指令尋址方式。02項(xiàng)目提出PARTONE一、項(xiàng)目提出可編程控制器又稱為可編程序邏輯控制器（ProgrammableLogicController，簡稱PLC）,是以計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。它采用可編程程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式或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。項(xiàng)目首先介紹PLC的產(chǎn)生、定義、特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展趨勢，并以電動機(jī)啟保停控制系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。03相關(guān)知識PARTONE一、PLC的生成與發(fā)展20世紀(jì)60年代，由于小型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和大規(guī)模生產(chǎn)，以及多機(jī)群控技術(shù)的發(fā)展。1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC)）根據(jù)美國通用汽車公司的這些要求，成功研制出了世界上第一臺可編程控制器—PDP-14。1971年，日本從美國引進(jìn)了這項(xiàng)新技術(shù)，并很快研制出日本第一臺可編程控制器--DSC-8。20世紀(jì)80年代后，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，以16位和32位微處理器構(gòu)成的可編程控制器迅速發(fā)展。20世紀(jì)60年代末期，美國的汽車制造工業(yè)競爭十分激烈。1968年美國通用汽車公司(GM）為了適應(yīng)汽車型號的不斷更新、生產(chǎn)工藝不斷變化的需要，實(shí)現(xiàn)小批量、多品種生產(chǎn)，希望能夠獲得一種新型工業(yè)控制器。1PLC的產(chǎn)生一、PLC的生成與發(fā)展PLC的發(fā)展：第一階段：從第一臺PLC誕生到20世紀(jì)70年代中期，是PLC的崛起階段。第二階段：從20世紀(jì)70年代中期到70年代末期，是PLC的成熟階段。第三階段：從20世紀(jì)70年代末期到80年代中期，是PLC的通信階段。第四階段：從20世紀(jì)80年代中期至今，是PLC由單機(jī)控制向系統(tǒng)化控制的加速發(fā)展階段。2發(fā)展?fàn)顩r與趨勢PLC的發(fā)展趨勢：①更快的處理速度，多CPU結(jié)構(gòu)和容錯系統(tǒng)。②PLC具有計(jì)算機(jī)功能，編程語言與工具日趨標(biāo)準(zhǔn)化和高級化。③強(qiáng)化PLC的聯(lián)網(wǎng)通信能力。④存儲容量增大，采用專用的集成電路，適用性增強(qiáng)。⑤向小型化、高性能的方向發(fā)展。⑥向模塊化、智能化方向發(fā)展。二、PLC的組成和基本原理PLC的硬件系統(tǒng)主要由中央處理單元(CPU)、存儲器(ROM/RAM)、輸入/輸出單元(IO單元)、編程器、電源等主要部件組成，如圖1-2所示為典型的整體式PLC基本結(jié)構(gòu)圖。其中，CPU是PLC的核心，輸入/輸出單元是用來連接現(xiàn)場輸入/輸出設(shè)備與CPU的接口電路，通信接口用于與編程器、上位機(jī)等外設(shè)連接。1PLC的硬件系統(tǒng)二、PLC的組成和基本原理對于整體式PLC，所有部件都安裝在同一機(jī)殼內(nèi)。對于模塊式PLC，各部件獨(dú)立封裝成模塊，各模塊通過總線連接，安裝在機(jī)架或?qū)к壣?，其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1-3所示。無論是哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，都可以根據(jù)用戶需要進(jìn)行配置與組合。1PLC的硬件系統(tǒng)二、PLC的組成和基本原理1PLC的硬件系統(tǒng)（1）中央處理器（CPU）：CPU作為整個(gè)PLC的核心起著總指揮的作用，是PLC的運(yùn)算和控制中心。（2）存儲器：PLC的存儲器主要分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器兩類。（3）輸入/輸出接口：輸入/輸出接口（IO）是PLC與外界連接的接口。（4）其他接口：①擴(kuò)展接口；②通信接口。（5）編程器。編程器有簡易型和智能型兩類。（6）電源。PLC一般使用220V單相交流電源。（7）智能單元。各種類型的PLC都有一些智能單元，它們一般都有自己的CPU，具有自己的系統(tǒng)軟件，能獨(dú)立完成一項(xiàng)專門的工作。（8）其他部件。PLC還可配套盒式磁帶機(jī)、EPROM寫入器、存儲器卡等其他外部設(shè)備。二、PLC的組成和基本原理2PLC的軟件系統(tǒng)PLC的軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)程序和用戶程序組成。（1）系統(tǒng)程序：系統(tǒng)程序是用來控制和完成PLC各種功能的程序，由PLC制造廣商設(shè)計(jì)編寫，并固化在ROM中，用戶不能直接讀寫和更改。系統(tǒng)程序一般包括系統(tǒng)診斷程序、輸入處理程序、編譯程序、信息傳送程序、監(jiān)控程序等。（2）用戶程序：PLC的用戶程序是用戶利用PLC的編程語言，根據(jù)控制要求編制的程序。在PLC的應(yīng)用中，最重要的是用PLC的編程語言來編寫用戶程序，以實(shí)現(xiàn)控制目的。二、PLC的組成和基本原理2PLC的軟件系統(tǒng)PLC編程語言：（1）梯形語言：梯形圖語言是在傳統(tǒng)電器控制系統(tǒng)中常用的接觸器、繼電器等圖形表達(dá)符號的基礎(chǔ)上演變而來的。（2）指令語句表語言：指令語句表編程語言是一種與匯編語言類似的助記符編程表達(dá)方式。（3）功能塊圖語言：功能塊圖（FBD）語言是一種類似于數(shù)字邏輯電路結(jié)構(gòu)的編程語言，由與門、或門、非門、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、觸發(fā)器等邏輯符號組成。（4）順序功能圖語言：順序功能圖（SFC）語言是一種較新的編程方法，又稱狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖語言。（5）高級語言：如BASIC語言、C語言、PASCAL語言等進(jìn)行編程。采用高級語言后，用戶可以像使用普通微型計(jì)算機(jī)一樣操作PLC，使PLC的各種功能得到更好的發(fā)揮。二、PLC的組成和基本原理3PLC的工作原理PLC是用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器系統(tǒng)而構(gòu)成的控制裝置。它與繼電接觸器控制的重要區(qū)別就是工作方式的不同。繼電接觸器控制采用的是并行工作方式，也就是只要形成電流通路，就可能有幾個(gè)電器同時(shí)工作。而PLC是采用反復(fù)掃描的方式工作的，它是循環(huán)地連續(xù)逐條執(zhí)行程序，任一時(shí)刻只能執(zhí)行一條指令，這就是說PLC是以串行方式工作的。整個(gè)工作過程可分為5個(gè)階段:自診斷、通信處理、讀取輸入、執(zhí)行程序、改寫輸出。其工作過程如圖1-11所示。三、PLC的性能、特點(diǎn)及分類1PLC的性能指標(biāo)（2）存儲器容置；存儲器容量是衡量可存儲用戶應(yīng)用程序多少的指標(biāo)，通常以字或千字為單位。（3）編程語言；編程語言是PLC廠家為用戶設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)各種控制功能的編程工具。（4）掃描速度；用戶程序所需的時(shí)間來衡量掃描速度，通常以msK字為單位。（5）內(nèi)部寄存器的種類和數(shù)置；內(nèi)部寄存器的種類和數(shù)量是衡量PLC硬件功能的一個(gè)指標(biāo)。（7）智能模塊。智能模塊是指具有自己的CPU和系統(tǒng)的模塊。（1）I/O總點(diǎn)數(shù)；IO總點(diǎn)數(shù)是衡量PLC接入信號和可輸出信號的數(shù)量。（6）通信能力；通信能力是指可編程序控制器與可編程序控制器、可編程序控制器與計(jì)算機(jī)、可編程序控制器與其他智能設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送及交換能力，它是工廠自動化的必備基礎(chǔ)。三、PLC的性能、特點(diǎn)及分類2PLC的特點(diǎn)（1）可靠性搞、抗干擾能力強(qiáng)；（2）編程簡單、使用方便；（3）功能完善、通用性強(qiáng)；（4）設(shè)計(jì)安裝簡單、維護(hù)方便；（5）體積小、質(zhì)量輕、能耗低。三、PLC的性能、特點(diǎn)及分類3PLC的分類1）按照結(jié)構(gòu)分類：分為整體式、模塊式和疊裝式。2）按照I/O點(diǎn)數(shù)分類：分為小型PLC、中型PLC和大型PLC。3）按照功能分類：分為抵擋PLC、中檔PLC和高檔PLC。4）按照流派分類：分為美國產(chǎn)品、歐洲產(chǎn)品和日本產(chǎn)品。四、PLC的應(yīng)用領(lǐng)域1.開關(guān)邏輯控制2.模擬量控制3.運(yùn)動控制4.過程控制5.順序控制6.定時(shí)控制7.計(jì)數(shù)控制8.數(shù)據(jù)處理9.通信聯(lián)網(wǎng)五、PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)思想所謂系統(tǒng)，是由相互制約的各個(gè)部分組成的具有一定功能的整體。PLC控制系統(tǒng)雖然種類多樣，但歸納起來，它們都是由5大部分組成的，即由計(jì)算機(jī)、傳感器、機(jī)械裝置、動力及執(zhí)行器組成，與這5大要素相對應(yīng)的是控制、檢測、結(jié)構(gòu)、驅(qū)動和運(yùn)轉(zhuǎn)五大功能，如圖1-12所示。五、PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)思想PLC控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)法是以優(yōu)化的工藝為主線、控制理論為指導(dǎo)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用為手段、系統(tǒng)整體最佳為目標(biāo)的一種綜合設(shè)計(jì)方法。要求工程技術(shù)人員能夠?qū)⑽㈦娮印㈦娏﹄娮?、?jì)算機(jī)、信息處理、通信、傳感檢測、過程控制、伺服傳動、精密機(jī)械，以及自動控制等多種技術(shù)相互交叉、相互滲透、有機(jī)結(jié)合，做到融會貫通和綜合運(yùn)用。設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)的奧秘就在于“融會貫通”和“綜合運(yùn)用”。五、PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2設(shè)計(jì)原則①充分發(fā)揮PLC的功能，最大限度地滿足被控對象的工藝要求。②保證控制系統(tǒng)的安全可靠。③在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便。④應(yīng)考慮生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)，應(yīng)適當(dāng)留有擴(kuò)充余量。五、PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3一般過程在設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)時(shí),首先要進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析,再提出PLC控制系統(tǒng)的基本規(guī)模和布局，最后確定PLC的機(jī)型和系統(tǒng)的具體配置。PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖1-13所示。04項(xiàng)目分析PARTONE一、S7-200系列PLC的外部結(jié)構(gòu)S7-200系列PLC有CPU21X、CPU22X和SMART等產(chǎn)品。圖1-14所示為CPU22XPLC的外部結(jié)構(gòu)圖，是典型的整體式結(jié)構(gòu)，輸入/輸出模塊、CPU模塊、電源模塊及通信模塊等均組裝在一個(gè)機(jī)殼內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)需要擴(kuò)展時(shí)，可選用需要的擴(kuò)展模塊與基本單元連接。一、S7-200系列PLC的外部結(jié)構(gòu)（1）輸入接線端子：用于連接外部控制信號。（2）輸出接線端子：用于連接被控設(shè)備。（3）CPU狀態(tài)指示：CPU狀態(tài)指示燈有SF/DIAG、RUN、STOP，其作用如下所述。①SF/DIAG：系統(tǒng)故障指示燈。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重的錯誤或硬件故障時(shí)亮。②RUN：運(yùn)行指示燈。執(zhí)行用戶程序時(shí)亮。③STOP：停止?fàn)顟B(tài)指示燈。編輯或修改用戶程序，通過編程器向PLC下載程序或進(jìn)行系統(tǒng)

設(shè)置時(shí)此燈亮。（4）輸入狀態(tài)指示：用于顯示是否有控制信號（如控制按鈕、行程開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)等數(shù)字量信息）輸入PLC。一、S7-200系列PLC的外部結(jié)構(gòu)（5）輸出狀態(tài)指示：用于顯示PLC是否有信號輸出到執(zhí)行設(shè)備（如接觸器、電磁閥、指示燈等)。（6）擴(kuò)展接口：通過扁平電纜線，連接數(shù)字量I/O擴(kuò)展模塊、模擬量TO擴(kuò)展模塊、熱電偶模塊和通信模塊等。（7）通信端口：支持PPI、MPI通信協(xié)議，具有自由口通信功能。用以連接編程器、文本/圖形顯示器以及PLC網(wǎng)絡(luò)等外部設(shè)備。（8）模擬電位器：模擬電位器用來修改特殊寄存器(SMB28、SMB29）中的數(shù)值，以改變程序運(yùn)行時(shí)的參數(shù)。如定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，過程量的控制參數(shù)等。二、S7-200系列PLC的I/O結(jié)構(gòu)1.輸入/輸出接線；輸入/輸出接口電路是PLC與被控對象（外部設(shè)備）間傳遞輸入/輸出信號的接口部件。2．?dāng)?shù)字量輸入接線；CPU224的主機(jī)共有14個(gè)輸入點(diǎn)（10.0～10.7、11.0～11.5）和10個(gè)輸出點(diǎn)(Q0.0Q0.7,Q1.0~Q1.1)。3．?dāng)?shù)字量輸出接線；CPU224的輸出電路有晶體管輸出電路和繼電器輸出電路兩種類型。4．模擬量輸入/輸出接線；CPU224XP模擬量輸入/輸出接口有⒉路模擬量信號輸入端，均可接入各類變送器輸出的士10V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號。三、S7-200系列PLC的內(nèi)存結(jié)構(gòu)及尋址方式1內(nèi)存結(jié)構(gòu)S7-200系列PLC的數(shù)據(jù)存儲區(qū)按存儲器存儲數(shù)據(jù)的長短可劃分為字節(jié)存儲器、字存儲器和雙字存儲器3類。字節(jié)存儲器有7個(gè)，分別是輸入映像寄存器（I）、輸出映像寄存器（Q)、變量存儲器(V)、位存儲器(M)、特殊存儲器（SM)、順序控制繼電器〈S)、局部變量存儲器（L)；字存儲器有4個(gè)，分別是定時(shí)器(T)、計(jì)數(shù)器（C)、模擬量輸入映像寄存器（AI）和模擬量輸出映像寄存器(AQ)；雙字存儲器有2個(gè)，分別是累加器(AC)和高速計(jì)數(shù)器(HC)。三、S7-200系列PLC的內(nèi)存結(jié)構(gòu)及尋址方式1內(nèi)存結(jié)構(gòu)（1）輸入映像寄存器；輸入映像寄存器是PLC用來接收用戶設(shè)備發(fā)出的輸入信號的。（2）輸出映像寄存器；輸出映像寄存器用來存放CPU執(zhí)行程序的數(shù)據(jù)結(jié)果，并在輸出掃描階段，將輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)結(jié)果傳送給輸出模塊，再由輸出模塊驅(qū)動外部的負(fù)載。（3）變量存儲器；變量存儲器用來在程序執(zhí)行過程中存放中間結(jié)果，或者用來保存與工序或任務(wù)有關(guān)的其他數(shù)據(jù)。（4）內(nèi)部位存儲器；用來存放中間操作狀態(tài)或其他控制信息。（5）特殊存儲器；特殊存儲器用于CPU與用戶之間交換信息,其特殊存儲器位提供大量的狀態(tài)和控制功能。（6）順序控制狀態(tài)寄存器；順序控制狀態(tài)寄存器又稱狀態(tài)組件，與順序控制狀態(tài)寄存器指令配合使用，用于組織設(shè)備的順序操作，以實(shí)現(xiàn)順序控制和步進(jìn)控制。三、S7-200系列PLC的內(nèi)存結(jié)構(gòu)及尋址方式1內(nèi)存結(jié)構(gòu)（7）局部變量存儲器；局部