PLC硬件系统（可编辑）

PLC硬件系统（可编辑） PLC硬件系统 可编程序控制器 (PLC)是一种专为工业现场环境设计的计算机，目前，PLC不仅控制 功能增强，功耗、体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而 且已经具备了远程 I/O、网络通信、数据处理和图像处理功能，所有这些已经使PLC应用 于连续生产的过程控制系统，并且PLC、工业机器人与CAD/CAM成为今天自动化技术的三 大支柱之一。 工业过程中使用的可编程控制器的种类很多，它们虽然各有特点，但作为工业 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 控 制设备，它们在结构组成、工作原理和编程方法等许多方面是基 本相同的。 本实验使用的PLC是西门子公司的S7-200型，下面就分别介绍该PLC的特点、PLC控 制系统的设计方法、编程软件的使用以及本实验的内容等。 S7-200PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC,其许多功能达到大,中型PLC的水 平,而价格却和小型PLC的一样,因此,它一推出就受到了广泛的关注。特别是S7-200CPU22* 系列PLC 它是CPU21*系列的替代产品 ,由于它具有多种功能模块和人机界面 HMI 可供选 择,所以系统的集成非常方便,并且可以很容易地组成PLC网络。 1.1 硬件系统PLC 1、S7-200硬件系统基本构成 S7-200PLC硬件系统的配置方式采用整体式加积木式,即主机中包含一定数量的输入 输出 I/O 点,同时还可以扩展I/O模块和各种功能模块。 一个完整的系统组成如图1所示。 编程工具 CPU 主机 扩展模块 功能模块 人机界面 通信设备 图1 -200 PLCS7 系统组成 (1)基本单元 基本单元 (Basic Unit)有时又称做CPU模块，也有的称之为主机 或本机。它包括CPU、存储器、基本输入/输出点和电源等，是PLC的主要部分。 (2)扩展单元 主机I/O点数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩 1 展各种I/0模块，所能连接的扩展单元的数量和实际所能使用的I/O点数是由多种因素共 同决定的。 (3)特殊功能模块 当需要完成某些特殊功能的控制任务的时候，需要扩展功能模 块。它们是完成某种特殊控制任务的一些装置。 (4)相关设备 相关设备是为充分和方便地利用系统的硬件和软件资源而开发和 使用的一些设备。 (5)工业软件 工业软件是为更好地管理和使用这些设备而开发的与之配套的程序， 它主要由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口软件等几大类构成。 2、主机结构及性能特点 (1)主机外形 从CPU22模块的功能来看，S7-200系列小型可编程程序控制器发展至今，经历了两代 产品。 顶端端子盖、电源及输出端子 状态LED 存 储 器 前盖，RUN/STOP开关及电位器 底部端子盖 通讯口 图2 -200 PLCS7 主机 第一代产品的CPU模块为CPU21*,主机都可以进行扩展，它具有四种不同结构配置的 CPU单元，即CPU212、CPU214、CPU215、和CPU216，现在已经停止生产。 第二代产品的CPU模块为CPU22*,是在21世纪初投放市场的。其速度快，具有极强的 通信能力。它具有如下五种不同结构配置的CPU单元。 (2)CPU的主要特点和 技术规范 歌舞娱乐场所消防安全技术规范高危儿管理技术规范特种设备安全技术规范低压电线电缆技术规范低压电缆技术规范书 S7-200PLC的电源电压有(20.4-28.8 VDC和 (85-264)VAC两种，主机上还集成了24V 直流电源，可以直接用于连接传感器和执行机构。它的输出类型 有晶体管 (DC)、继电器 (DC/AC)两种输出方式。它可以用普通输入端子捕捉比CPU扫描周期更快的脉冲信号，实 现高速计数。两路最大可达20KHz的高频脉冲输出，可以以驱动步进电机和伺服电机以实 现准确定位任务。可以用模块上的电位器来改变它对应的特殊寄存器中的值，可以实时更 改程序运行中的一些参数，如定时器/计数器的设定值、过程量的控制参数等。实时时钟 可用于对信息加注时间标记，记录机器运行时间或对过程进行时间控制。 (3)存储系统 2 S7-200系列PLC的存储系统由RAM和EEPROM两种类型存储 器构成，CPU模块内部配备一 定容量的RAM和EEPROM，同时，CPU模块支持可选的EEPROM存储器卡。超级电容和电池模块 用于长时间保存数据，用户数据可通过主机的超级电容存储器若干天;电池模块可选，可 使数据的存储时间延长到200天。 3、输入/输出的扩展 当CPU的I/O点数不够用或需要进行特殊的控制时，就要进行I/O的扩展。I/O扩展包括 I/O点数的扩展和功能模块的扩展。不同的CPU有不同的扩展规范，它主要受CPU的功能限 制。大家在使用时可以参考SIEMENS的系统手册。 (1)I/O扩展模块 用户可以使用主机I/O和扩展I/O模块。S7-200系列CPU提供一定数量的主机数字量I/O 点，但在主机I/O点数不够的情况下，就必须使用扩展模块的I/O点。 典型的数字量输入/输出扩展模块有: l 输入扩展模块EM221有两种:8点DC输入、8点AC输入。 l 输出扩展模块EM221有三种:8点DC晶体管输出，8点AC输出、8点继电器输出。 l 输入/输出混合扩展模块EM221有六种:分别为4点 (8点、16点)DC输入/4点 (8 点、16点)DC输出、4点 (8点、16点)DC输入/4点 (8点、16点)继电器输出。 (2)功能扩展模块 当需要完成某些特殊功能的控制任务时，CPU主机可以扩展 特殊功能模块。如要求进 行PROFIBUS-DP现场总线连接时，就需要EM277 PROFIBUS-DP模块。 典型的特殊功能模块有: l 模拟量输入/输出扩展模块 模拟量输入扩展模块EM231有3种:4路模拟量输入、2路热电阻输入和4路热电偶输入。 模拟量输出扩展模块EM232具有2路模拟量输出。 模拟量输入/输出扩展模块EM235具有4路模拟量输入/1路模拟量输出。 l 特殊功能模块 功能模块有EM235位控模块、EM277 PROFIBUS-DP模块、EM241调制解调器模块、CP243-1 以太模块、CP243-2 AS-i接口模块等。 (3)I/O点数扩展和编址 CPU22*系列的每种主机所提供的本机I/O点的I/O地址是固定的，进行扩展时，可以在 CPU右边连接多个扩展模块，每个扩展模块的组态地址编号取决于各模块的类型和该模块 在I/O链中所处的位置。编址方法是同种类型的输入或输出点的模块在链中按与主机的位 置而递增，其他类型模块的有无以及所处的位置不影响本类型模块的编号。 例如，某一控制系统选用CPU224，系统所需的输入输出点数各为:数字量输入24点、 数字量输出20点、模拟量输入6点和模拟量输出2点。 3 本系统可有多种不同模块的选取组合，并且各模块在I/O链 中的位置排列方式也可能 有多种，图3所示的一种模块连接形式。 模块1 模块2 模块3 模块4 模块5 主机 EM221 EM222 EM235 EM223 EM235 CPU224 DI8 DO8 AI4/A01 DI4/D04 AI4/A01 DC24V DC24V 12位 DC24V 12位 图2-2-3 模块连接方式 表1所列为其对应的各模块的编址情况。 表1 各模块编址 模块 模块 主机I/O 模块3I/O 模块4I/O 模块5I/O 1I/O2I/O I0.0 Q0.0 I2.0Q2.0AIW0 AQW0 I3.0 Q3.0 AIW8 AQW2 I0.1 Q0.1 I2.1 Q2.1 AIW2 I3.1 Q3.1 AIW10 I0.2 Q0.2 I2.2Q2.2AIW4 I3.2 Q3.2 AIW12 I0.3 Q0.3 I2.3Q2.3AIW6 I3.3 Q3.3 AIW14 I0.4 Q0.4 I2.4Q2.4 I0.5 Q0.5 I2.5Q2.5 I0.6 Q0.6 I2.6Q2.6 I0.7 Q0.7 I2.7Q2.7 I1.0 Q1.0 I1.1 Q1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 由此可见，S7-200系统扩展对输入/输出的组态规则为: l 同类型输入或输出点的模块进行顺序编址。 l 对于数字量，输入/输出映象寄存器的单位长度为8位 (1个字节)，本模块高位实 际位数未满8位，未用位不能分配给I/O链的后续模块。 l 对于模拟量，输入/输出以2个字节 (1个字)递增方式来分配空间。 4 4(S7-200系列PLC的内部资源及寻址方式 (1)软元件 用户使用的PLC中的每一个输入/输出、内部存储单元、定时器和计数器等都称为软元 件。各元件有其不同的共能，有固定的地址。软元件的数量决定了可编程控制器的规模和 数据处理能力，每一种PLC的软元件是有限的。 软元件是PLC内部的具有一定功能的器件，这些器件实际上是由电子电路和寄存器构 成;输出继电器是由输出电路和输出映像寄存器构成;定时器和计数器也都是由特定功能 的寄存器构成。他们都具有继电器特性，但没有机械性的触点。为了把这种元器件与传统 由电气控制电路中的继电器区别开来，我们把它们称为软元件或 软继电器。这些软继电器 的最大特点是其触点 (包括常开触点和常闭触点)可以无限次使用，并且它们的寿命长。 编程时，用户只需记住软元件的地址即可。每一软元件都有一个地址与之相对应，软 元件的地址编排采用区域内编号的方式。即PLC内部根据软元件的功能不同，分成了许多 区域，如输入/输出继电器区、定时器区、计数器区、特殊继电器区等，分别用I、Q、T、 SM等来表示。 l 输入继电器 (I) 输入继电器一般都有一个PLC的输入端子与之对应，它用于接收外部的开关信号。当 外部的开关信号闭合，则输入继电器的线圈得电，在程序中其常 开触点闭合，常闭触点断 开。这些触点可以在编程时任意使用，使用次数不受限制。 在每个扫描周期的开始，PLC对各输入点进行采样，并把采样值送到输入映像寄存器。PLC 在接下来的本周期各阶段不再改变输入映像寄存器中的值，直到下一个扫描周期的输入采 样阶段。 l 输出继电器 (Q) 输出继电器一般都有一个PLC上的输出端子与之对应。当通过程序使的输出继电器线 圈得电时，PLC上的输出端开关闭合，它可以作为控制外部负载的开关信号。同时在程序 中其常开触点闭合，常闭触点断开。这些触点可以在编程时任意使用，使用次数不受限制。 在每个扫描周期的输入采样、程序执行等阶段，并不把输出结果信号直接送到输出继 电器，而最多送到输出映像寄存器，只有在每个扫描周期的末尾才将映像寄存器中的结果 几乎同时送到输出锁存器，对输出点进行刷新。实际未用的输出映像区可做它用，用法与 输入继电器相同。 l 通用辅助继电器 M 通用辅助继电器的作用和继电接触控制器控制系统中的中间继电器相同,它在PLC中 没有输入/输出端与之对应,因此它的触点不能驱动外部负载。这是与输出继电器的主要区 别。它主要起逻辑控制作用。 5 l 特殊继电器 (SM) 有些辅助继电器具有特殊功能或用来存储系统的状态变量、有关的控制参数和信息， 我们称其为特殊继电器。用户可以通过特殊标志来沟通PLC与被控对象之间的信息，如可 以读取程序运行过程中的设备状态和运算结果信息，利用这些信息实现一定的控制动作。 用户也可以通过直接设置某些特殊继电器位来使设备实现某种功能。 l 变量存储器 (V) 变量存储器用来存储变量。它可以存放程序执行过程中控制逻辑操作的中间结果，也 可以使用变量存储器来保存与工序或任务相关的其他数据。在进 行数据处理时，变量存储 器会被经常使用。 l 局部变量存储器 (L) 局部变量存储器用来存储局部变量。局部变量与变量存储器所存储的全局变十分相 似，主要区别在于全局变量使全局有效的，而局部变量是局部有效的。全局变量是指同一 个变量可以被任何程序 (包括主程序、子程序和中断程序)访问;而局部有效是指变量只 和特定的程序相关联。 l 顺序控制继电器 (S) 有些PLC中也把顺序控制器称为状态器。顺序控制器用在顺序控制或步进控制中。 l 定时器 (T) 定时器是可编程序控制器中的重要元件，是累计时间增量的内器件。电气自动控制的 大部分领域都需要用定时器进行时间控制，灵活的使用定时器可以编制出复杂动作的控制 程序。 l 计数器 (C) 计数器用来累计输入脉冲的个数，经常用来对产品进行计数或进行特定功能的编程。 使用时要提前输入它的设定值 (计数的个数)。当输入触发条件满足时，计数器开始累计 它的输入端脉冲电位上升沿 (正跳变)的次数;当计数器达到预定的设定值时，其常开触 点闭合，常闭触点断开。 l 模拟量输入映像寄存器 (AI)、模拟量输出映象寄存器 (AQ) 模拟量输入电路用以实现模拟量/数字量 (A/D)之间的转换，而模拟量输出电路用以 实现数字量/模拟量 (D/A)之间的转换。 对这两种寄存器的存取方式不同的是 PLC ，模拟量输入寄存器只能进行读取操作，而 对模拟量输出寄存器只能进行写入操作。 l 高速计数器 (HC) 6 高速计数器的工作原理与普通计数器基本相同，它用来累计比主机扫描速率更快的高 速脉冲。高速计数器的当前值是一个双字长 (32位)的整数， 且为只读值。高速计数器的 数量很少，编址时只用名称HC和编号，如:HC2。 l 累加器 (AC) S7-200PLC提供4个32位累加器，分别为AC0,AC1,AC2,AC3。累加器 (AC)是用来暂存 数据的寄存器。它可以用来存放数据如运算数据、中间数据和结果数据，也可用来向子程 序传递参数，或从子程序返回参数。使用时只表示出累加器的地址编号，如AC0。累加器 可进行读、写两种操作。累加器的可用长度为32位，数据长度可以是字节、字或双字，但 实际应用时，数据长度取决于进出累加器的数据类型。 (2) CPU存储区域的直接寻址 l 数据类型及范围 S7-200系列PLC的数据类型分为基本数据类型和复杂数据类型，基本数据类型可以是 字符串、布尔型 (0或1)、整数和实数 (浮点型)，复杂数据类型包括定时器、计数器和触 发器等。具体内容如表2所示。 表2 基本数据类型 内容 数据范围 BOOL(1位) 布尔型 0,1 BYTE(8位) 无符号型 0,255 WORD(16位) 无符号整数 0,65536 INT(16位) 有符号整数 -32768,+32767 32 DWORD(32位) 无符号双整数 0,2-1 31 31 DINT(32位) 有符号双整数 -2,+2-1 38 38 REAL(32位) IEEE32位浮点数 -10,+10 字符串 每个字符以字节形式存 储，最大长度为255个字 节，第一个字节中定义该 字符串的长度 复杂数据类型 内容 地址范围 TON 接通延时定时器 1ms ，T96T32 10ms T33,T36，T97,T100 100ms T37,T63，T101,T255 TOFF 关断延时定时器 1ms ，T96T32 10ms T33,T36，T97,T100 100ms T37,T63，T101,T255 7 TP 脉冲 1ms ， T96T32 10ms T33,T36，T97,T100 100ms T37,T63，T101,T255 CTU 加计数器 0, 255 CTD 减计数器 0, 255 CTUD 加/减计数器 0,255 SR 置位优先触发器 RS 复位优先触发器 此外，在编程中经常会使用常数。常数数据长度可为字节、字和双字。在机器内部的 数据都以二进制存储，但常数的书写可以用二进制、十进制、十六进制、ASCII码或浮点 数 (实数)等多种形式。 l 直接寻址 -200PLCS7 的存储单元按字节进行编址，无论所寻址的是何种数据类型，通常应指出 它所在存储区域内的字节地址。每个单元都有唯一的地址，这种 直接指出元件名称的寻址 方法称为直接寻址。S7-200软元件的直接寻址的符号如表3所 列。 表3 -200PLCS7 元件名称及直接编址格 式 位寻址 其它寻 元件符号 (名称) 所在数据区域 格式 址格式 I (输入继电器) 数字量输入映象区 Ax.y ATx Q(输出继电器) 数字量输出映象区 Ax.y ATx M 通用辅助继电器 内部存储器区 Ax.y ATx SM(特殊继电器) 特殊存储器区 Ax.y ATx S(顺序控制继电器) 顺序控制继电器存 储区 Ax.y ATx V 变量存储器 变量存储器区 Ax.y ATx L 局部变量存储器 局部存储器区 Ax.y ATx T(定时器) 定时器存储器区 Ax Ax(仅字) C 计数器 计数器存储器区 Ax Ax(仅字) AI 模拟量输入映象寄存器 模拟量输入存储器区 无 Ax(仅字) AQ 模拟量输出映象寄存器 模拟量输出存储器区 无 Ax(仅字) AC(累加器) 累加器区 无 Ax(任意) HC(高速计数器) 高速计数器区 无 Ax(仅双字) 8 表3中: A:元件名称，即该数据在数据存储器中的区域地址，可以 是表4,4中的元件符号; T:数据类型，若为位寻址，则无该项;若为字节、字或双 字寻址，则 T的取值应分 别为B、W和D; x:字节地址 y:字节内的位地址，只有位寻址才有该项。 1.2 -200S7PLC的基本指令及程序设计 随着PLC的不断发展，厂家也为用户提供了如梯形图 (LAD)、语句表 (STL)、功能块 图 (FBD)和高级语言等编程语言。但不论从 PLC的产生原因 (主要替代继电器接触式控 制系统)和广大电气工程技术人员的使用习惯来讲，梯形图和语句表一直是它的最基本， 也是最常用的编程语言。 1(PLC的基本逻辑指令及举例 (1)逻辑取及线圈驱动指令 逻辑取及线圈驱动指令为LD、LDN和 。 LD(Load):取指令。用于网络块逻辑运算开始的常开触点 与母线的连接。 LDN(Load Not)取反指令。用于网络块逻辑运算开始的常 闭触点与母线的连接。 (Out):线圈驱动指令。 梯形图 LD I0.0 Q0.0 LDN I0.1 M0.0 M0.1 语句表 使用说明: 9 l LD、LDN指令不止是用于网络块逻辑计算开始时与母线相连的常开和常闭触点， 在分支电路块的开始也要使用LD、LDN指令，与后面要讲的ALD、OLD指令配合 完成块电路的编程。 l 联的 指令可连续使用任意次。 l 在同一程序中不能使用双线圈输出，即同一个元器件在同一个程序中只使用一次 指令。 l LD、LDN、 指令的操作数为:I、Q、M、SM、T、C、V、S和L。 T和C也可作为线 圈，但在S7-200 PLC中输出时不是以使用 指令形式出现。 (2) 串联指令 触点串联指令为A、AN。 A(And):与指令。用于单个常开触点的串联连接。 AN(And Not):与反指令。用于单个常闭触点的串联连接。 梯形图 LD .0I0 A M0.0 Q0.0 LD M0.1 AN I0.2 M0.3 A T5 Q0.3 AN M0.4 Q0.1 语句表 10 使用说明: l AN是单个触点串联连接指令，可连续使用。但在用梯形图编 程时会受到打印宽度 和屏幕显示的限制。S7-200 PLC的编程软件中规定的串联触点使用上限为11个。 l 上图所示的连续输出电路，可以反复使用 指令，但次序必须正确，不让就不能 连续使用 指令编程了。 l AN指令的操作数为:I、Q、M、SM、T、C、V、S和,。 (3) 点并联指令 触点并联指令为,、,,。 ,(,,):或指令。用于单个常开触点的并联连接。 ,,(ORNOT):或反指令。用于单个常闭触点的并联连接。 梯形图 LD M0.0 O M0.1 ON M0.2 A I0.0 O I0.1 Q0.0 语句表 使用说明: l 单个触点的,、,,指令可连续使用。 l ,、,,指令的操作数为:，、,、,、,,、,、,、,、 ,和,。 (4)电路块的并联连接指令,,, 两个以上触点串联形成的支路叫串联电路块。 11 ,,,(,, ,,,,):或块指令。用于串联电路块的并联连接。 使用说明: l 除在网络块逻辑运算的开始使用,,或,,,指令外，在块电路的开始也要使用 ,,和,,,指令。 l 每完成一次块电路的并联时要写上,,,指令。 l ,,,指令无操作数。 (5) 电路块的串联连接指令,,, 两条以上的的并联形成的电路叫并联电路块。 ,,,(,,, ,,,,):与块指令。用于并联电路块的 串联连接。 使用说明: l 在块电路开始时要使用,,和,,,指令。 l 在每次完成一次块电路的串联后要写上,,,指令。 l ,,,指令无操作数。 (6) 位、复位指令 置位 (,,,),复位 (,,,,,)指令的,,,和,,,形式以及功能如表所列。 ,,, ,,, 功能 置位指令 Bit S,bit,N从bit开始的,个元件置,并保持 S N 复位指令 Bit R,bit,N从bit开始的,个元件清零并保持 R N 使用说明: l 对位元件来说一旦被置位，就保持在通电状态，除非对它复位;而一旦被复位就 保持在断电状态，除非再对它复位。 l S/R指令可以互换次序使用，但由于PLC采用扫描工作方式，所以写在后面的指 令具有优先权。 l 如果对计数器和定时器复位，则计数器和定时器的当前值被清零。定时器和计数 器的复位有其特殊性，具体情况可参考定时器和计数器的有关部分。 l N的常数范围为1---255，N也可为:VB、IB、QB、MB、SMB、SB、LB、AC、常数、 *VD、*AC和*LD。一般情况下使用常数。 l S/R指令的操作数为:I、Q、M、SM、T、C、V、S和L。 另外还有 RS触发器指令、立即指令、边沿脉冲指令、逻辑堆栈操作指令、定时器、计数 器、比较指令、NOT及NOP指令等。 2(程序控制指令 程序控制指令使程序结构灵活，合理使用该类指令可以优化程序结构，增强程序功能 12 这类指令主要包括结束、暂停、看门狗、跳转、子程序、循环和顺序控制等指令。因为顺 序控制指令的使用非常多，也非常重要。 (1)结束指令END和MEND指令 结束指令分为有条件结束指令 (END)和无条件结束指令 (MEND)。两条指令在梯形图 中以线圈形式编程。指令不含操作数。执行完结束指令后，系统结束主程序，返回到主程 序起点。 使用说明: l 结束指令只能用在主程序中，不能在子程序和中断程序中使用。而有条件结束指 令可用在无条件结束指令前结束主程序。 l 在调试程序时，在程序的适当位置插入无条件结束指令可实现程序的的分段调 试。 l 可以利用程序执行的结果状态、系统状态或外部设置切换条件来调用有条件结束 指令，使程序结束。 l 使用Micro/Win32编程时，编程人员不需手工输入无条件结束指令，该软件会自 动在内部加上一条无条件结束指令到主程序的结尾。 (2)停止指令 STOP指令有效时，可以使主机CPU的工作方式由RUN切换到STOP，从而立即中止用 户程序的执行。STOP指令在梯形图中以线圈形式编程。指令不含操作数。 STOP指令可以用在主程序、子程序和中断程序中。如果在中断程序中执行STOP指令， 则中断处理立即停止，并忽略所有挂起的中断，继续扫描程序的剩余部分，在本次扫描周 期结束后，完成将主机从RUN到STOP的切换。 STOP和END指令通常在程序中用来对突发紧急事件进行处理，以免实际生产中的重大 损失。 (3)看门狗指令 WDR(Watchdog Reset)称为看门狗复位指令，也称为警戒时钟刷新指令。它可以把 警戒时钟刷新，即延长扫描周期，从而有效地避免看门狗超时错误。WDR指令在梯形图中 以线圈形式编程，无操作数。 使用WDR指令时要特别小心，如果因为使用WDR指令而使扫描时间拖得过长，那么在 中止本次扫描前，下列操作过程将被禁止: l 通信 (自由口除外) l I/O刷新 (直接I/O除外) l 强制刷新 l SM位刷新 (SM0、SM5----SM29的位不能刷新) l 运行时间诊断; l 扫描时间超过25S时，使10 ms和100ms定时器不能正确计时 l 中断程序中的STOP指令。 其他指令这里不一一论述。 13