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理论课教案第十一讲 PLC 的发展、分类及应用教学对象 电气自动化技术专业学生教学目标 了解 PLC 的发展、特点、分类、应用、结构和工作原理教学重点 PLC 的结构和工作原理教学难点 工作原理教学方法 讲授法、演示法授课时间 2 学时使用教材 可编程控制器原理及应用马小军 东南大学出版社 2007 年 4 月教学过程一PLC 的产生可编程序逻辑控制器 PLC 产生于 1969 年，最初只具备逻辑控制、定时、计数等功能，主要是用来取代继电接触器控制。 现在所说的可编程序控制器 PC（Programmable Controller）是 1980 年以来，美、日、德等国由先前的可编程序逻辑控制器 PLC 进一步发展而来。 1985 年，国际电工委员会IEC 对可编程序控制器作了如下规定：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。 二PLC 的发展 1. 发展及现状 2. 发展趋势 （1）与计算机联系密切 （2）发展多样化（3）模块化 （4）网络与通信能力增强 （5）多样化与标准化 （6）工业软件发展迅速 三PLC 的特点 1. 可靠性高 2. 功能强大 3. 简单方便 四PLC 的分类 1. 从结构上可编程序控制器从结构上可分为整体式和模块式。2. 从规模上按 PLC 的输入输出点数可分为小型、中型和大型。 五PLC 的应用 1. 工业1）开关量控制，如逻辑、定时、计数、顺序等；2）模拟量控制，部分 PLC 或功能模块具有 PID 控制功能，可实现过程控制；3）监控，用 PLC 可构成数据采集和处理的监控系统；4）建立工业网络，为适应复杂的控制任务且节省资源，可采用单级网络或多级分布式控制系统。2. 其他行业可编程序控制器在其他行业的应用也日益广泛：在国防和民用，如建筑，环保，家用电器等。六 PLC 的结构和工作原理 （一） 结构 PLC 专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由 CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。图 2.1 为一典型 PLC 结构简图。1 中央处理单元 CPU´æ¢Æ÷µçÔ´²¿·Ö输入单元 输出单元编 程 器 或 其 他 设 备°´Å¥ 接 触 器电 磁 阀指 示 灯行 程 开 关继 电 器 触 点图 2.1 结构简中央处理单元（ CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。 CPU 的主要功能：1）从存储器中读取指令 2）执行指令 3）顺序取指令 4）处理中断 2存储器 1）只读存储器 2）随机存储器 RAM3. 输入输出单元 （1）输入接口电路 （2）输出接口电路 通常 PLC 的输入类型可以是直流、交流和交直流。输入电路的电源可由外部供给，有的也可由 PLC 内部提供。图 2.2 和图 2.3 分别为一种型号 PLC 的直流和交流输入接口电路的电路图，采用的是外接电源。图 2.2 描述了一个输入点的接口电路。其输入电路的一次电路与二次电路用光耦合器相连，当行程开关闭合时，输入电路和一次电路接通，上面的发光管用于对外显示，同时光耦合器中的发光管使三极管导通，信号进入内部电路，此输入点对应的位由 0 变为 1。即输入映像寄存器的对应位由 0 变为1。内部电路COM输 入 1输 入 n图 2.2 直流输入电路图 内部电路COM输 入 1输 入 n .图 2.3 交流输入电路图（二） 工作原理 1. 循环扫描PLC 采用循环扫描工作方式，这个工作过程一般包括五个阶段：内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理，其工作过程如图 2.4 所示。内 部 处 理通 信 处 理输 入 扫 描执 行 用 户 程 序输 出 处 理RUN方 式 ？否 是开 始图 2.4 工作原理图图 2.4 中当 PLC 方式开关置于 RUN（运行）时，执行所有阶段；当方式开关置于 STOP（停止）时，不执行后 3 个阶段，此时可进行通信处理，如对 PLC 联机或离线编程。可编程序控制器的输入处理、执行用户程序和输出处理过程的原理如图 2.5 所示。PLC 执行的五个阶段，称为一个扫描周期，PLC 完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。 °´Å¥ ½Ó´¥Æ÷°´Å¥输入电路 输入映象寄存器 输出映象寄存器 输出电路（ ）程 序 执 行图 2.5 程序执行原理图2. 与计算机的异同 相同点：（1）基本结构相同 （2）程序执行原理相同 不同点： 两者的不同点主要体现在工作方式上。3. 与继电接触器的异同 相同点：图形结构和逻辑关系相同。 不同点：（1）实现原理不同（2）工作方式不同七技术性能指标 1. 外形尺寸 2. 输入输出点数 3. 机器字长 4. 速度5. 指令系统6. 存储器容量7. 扩展性8. 通信功能 八编程语言 1. 梯形图 2. 语句表 3. 逻辑符号图 4. 高级语言 思考题（作业）：P27 第 3 和第 4 题课后小记：第二讲 S7-200 系列可编程序控制器基本知识教学对象 电气自动化技术专业学生教学目标 以西门子公司生产的 S7-200 系列小型可编程序控制器为例，了解可编程序控制器的系统组成，了解 PLC 扫描周期及工作方式，了解 I/O 扩展。教学重点 S7-200 PLC 系统组成教学难点 工作方式教学方法 讲授法、演示法授课时间 3 学时使用教材 可编程控制器原理及应用马小军 东南大学出版社 2007 年 4 月教学过程一S7-200 PLC系统基本构成 SIMATIC S7-200系统由硬件和工业软件两大部分构成，如图3.1所示。图 3.1 S7-200 PLC 系统组成系统基本构成：1. 硬件（1）基本单元 （2）扩展单元 （3）特殊功能模块 （4）相关设备 2. 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相配套的程序、文档及其规则的总和，它主要由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口等几大类构成。二主机结构 1. 各CPU介绍及I/O系统（1） 主机外形SIMATIC S7-200 系统 CPU 22X 系列 PLC 主机（CPU 模块）的外形如图 3.2 所示：图 3.2 S7-200 主机外形（2）基本结构特点1、输出信号类型2、电源输出 3、基本 I/O 4、存储安全 5、高速反应 6、模拟电位器 7、实时时钟 8、输入输出可扩展性 4 种 CPU 各有晶体管输出和 8 继电器输出两种类型，具有不同电源电压和控制电压。各类型的型号如表 3.1 所示。 表 3.1 CPU 型号SIMATIC S7-200 系统 CPU 22X 系列 PLC 主机及 I/O 特性如表 3.2 所示。表 3.2 主机及 I/O 特性2. 存储系统（1）存储系统¸öÈ˼Æã»ú´æ¢Æ÷¿¨用 户 程 序CPU×é̬V´æ¢Æ÷M´ 用 户 程 序CPU×é̬V ´æ¢Æ÷M´定 时 器 和 计数 器 当 前 值CPURAMEPROM图 3.3 存储系统表 3.3 存储容量（2）存储器及使用上装和下装用户程序 定义存储器保持范围 用程序永久保存数据 存储器卡的使用 （3）存储安全1）主机 CPU 模块内部配备的 EEPROM，上装程序时，可自动装入并永久保存用户程序、数据和 CPU 的组态数据。2）用户可以用程序将存储在 RAM 中的数据备份到 EEPROM 存储器。3）主机 CPU 提供一个超级电容器，可使 RAM 中的程序和数据在断电后保持几天之久。4）CPU 提供一个可选的电池卡，可在断电后超级电容器中的电量完全耗尽时，继续为内部 RAM 存储器供电，以延长数据所存的时间。5）可选的存储器卡可使用户像使用计算机磁盘一样来方便地备份和装载程序和数据。三扫描周期及工作方式 1. 扫描周期 （1）输入处理 （2）执行程序 （3）处理通信请求 （4）执行CPU自诊断测试 （5）写数字输出一 个 扫 描 周 期 读 输 入 执 行 程 序 处 理 通 信 请 求 写 输 出 执 行 CPU自 诊 断 图 3.4 CPU 的扫描周期2. 工作方式 （1）STOP方式 （2）RUN方式 3. 改变CPU工作方式的方法 1）用PLC上的方式开关来手动切换，方式开关有3个挡位 。2）用STEP 7-Micro/Win32编程软件，应首先把主机的方式开关置于TERM或RUN位置，然后在此软件平台用鼠标单击STOP和RUN方式按钮即可。3）在用户程序中用指令由RUN方式转换到STOP方式，前提是程序逻辑允许中断程序的执行。四输入输出扩展 1. 设备连接 (a) 面 板 安 装 (b) 标 准 导 轨 安 装 图 3.5 I/O 扩展示意图2. 最大I/O配置的预算 （1）映像寄存器数量（2）电流提供 各 CPU 所能提供的最大 5VDC 电流如表 3.4 所示。（3）模块电流 CPU 22X 可连接的各扩展模块消耗 5VDC 电流如表 3.5 所3. 输入输出及CPU组态 （1）I/O点数扩展和编址 （2）设置输入滤波 （3）设置脉冲捕捉 （4）输出表配置 （5）定义存储器保持范围 例如，某一控制系统选用 CPU 224，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、模拟量输出 2 点。本系统可有多种不同模块的选取组合，表 3.6 所示为其中的一种可行的系统输入输出组态状况。若按表 3.6 的扩展方式，各模块在 I/O 链中的位置排列方式也可以有多种，图 3.6 所示为其中的一种模块连接形式。