02 第二章 可编程序控制器的结构和工作原理.pptx

第1页：第二章结构与工作原理封面

第二章可编程序控制器的结构和工作原理

第2页：第二章目录

第2章可编程序控制器的结构和工作原理.可编程序控制器的组成与基本结构2.可编程序控制器的工作过程与工作原理3.可编程序控制器的编程语言和程序结构思考与练习题

第3页：2.1 PLC的组成与基本结构

.1可编程序控制器的组成与基本结构

• PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物
• 是在程序控制器、1位微处理机控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器。
• 从广义上讲，PLC是一种计算机系统，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的输入/输出接口

第4页：PLC是工业控制专用计算机

• 具有更适用于控制要求的编程语言，具有更适应于工业环境的抗干扰性能。
• PLC是一种工业控制用的专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。

第5页：2.1.1 硬件系统组成

2.1.1可编程序控制器的硬件系统：主机系统、输入/输出扩展环节及外部设备图2.1PLC结构示意图主机电源微处理器(CPU)运算器控制器输入单元存储器EPROM(系统程序)RAM(用户程序)外设I/O接口I/O扩展接口用户输入设备输出单元用户输出设备I/O扩展接口图形监控系统PLC或上位计算机EPROM写入器盒式磁带机打印机编程器外部设备

第6页：微处理器单元CPU

(1)微处理器单元(CentralProcessingUnit，CPU)。CPU是PLC的核心部分

• 它包括微处理器和控制接口电路。
• 微处理器是PLC的运算控制中心，由它实现逻辑运算，协调控制系统内部各部分的工作。
• 它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的。

第7页：CPU的具体作用

• （2）CPU的具体作用如下
• ①接受、存储用户程序。
• ②按扫描方式接收来自输入单元的数据和各状态信息，并存入相应的数据存储区。
• ③执行监控程序和用户程序，完成数据和信息的逻辑处理，产生相应的内部控制信号，完成用户指令规定的各种操作。
• ④响应外部设备的请求。

第8页：S7-200 CPU主要性能

□高速处理能力(每条二进制指令执行速度0.22µS)□强大灵活的通讯功能(PPI,MPI,自由口,以太网，Modem,Profibus-DP,和As-I)□CPU内置最多六路高速计数器(30KHz)□CPU224XP高达100KHz□CPU内置两路高速脉冲输出(20KHz)□CPU224XP高达100KHz□CPU内置脉冲捕捉功能□立即输入/输出功能□高速中断响应(中断触发后200µS)□路PID回路控制□配方功能□数据记录功能□自整定的PID回路

第9页：存储器单元

(2)存储器。存储器是PLC存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。可分为ROM、PROM、EPROM和EEPROM等。

• ROM又称掩膜只读存储器，它存储的内容在其制造过程中确定，不允许再改变
• PROM是可编程只读存储器，它的存储内容是由用户用编程器一次性写入的，不能再改变

第10页：EPROM与EEPROM存储器

• EPROM是可擦除可编程只读存储器，存储内容由用户用编程器写入的，可以在紫外线灯的照射下擦除，允许反复使用
• EEPROM是电擦除可编程只读存储器，它的存储内容由用户写入，在写入新的内容时，原来存储的内容会自动清除，它允许反复多次写入。
• 随机存取存储器(RAM)是一种挥发性的器件，即当供电电源关掉后，其存储的内容会丢失，由备用电池为它供电。

第11页：输入/输出模块单元

• (
• 3)输入/输出模块单元。在输入/输出模块单元中，一般均配有电子变换、光耦合器和阻容滤波等电路，以实现外部现场的各种信号与系统内部统一信号的匹配和信号的正确传递，PLC正是通过了这种接口实现了信号电平的转换。
• ①开关量输入单元
• ②开关量输出单元
• ③模拟量输入单元
• ④模拟量输出单元
• ⑤智能输入/输出单元，PID调节智能单元也是一种智能单元输入/输出模块单元

第12页：开关量输入单元

①开关量输入单元：它的作用是把现场各种开关信号变成PLC内部处理的标准信号。开关量输入单元按照输入端的电源类型不同，分为直流输入单元和交流输入单元。光耦合器PLC内部电路LEDCR2R1VD电源

第13页：交流开关量输入单元电路

双向耦合器PLC内部电路LEDCR3R1VD交流电源~R213

第14页：开关量输出单元

②开关量输出单元：它的作用是把PLC的内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。按照现场执行机构使用的电源类型的不同，开关量输出单元可分为直流输出单元(晶体管输出方式或继电器触点输出方式)和交流输出单元(晶闸管输出方式或继电器触点输出方式)。根据负载的需要，负载回路的电源既可选用交流电源，也可选用直流电源。PLC内部电路LEDVD交流电源~KSL

第15页：模拟量输入单元

③模拟量输入单元：模拟量输入在过程控制中的应用很广，如常用的温度、压力、速度、流量、酸碱度、位移的各种工业检测都是对应于电压、电流的模拟量值，再通过一定运算(PID)后，控制生产过程达到一定的目的。模拟量输入电平大多是从传感器通过变换后得到的，模拟量的输入信号为4～20mA的电流信号或1～5V、-10～10V、0～10V的直流电压信号。光耦合器隔离A/D转换器滤波内部回路

第16页：模拟量输出单元

④模拟量输出单元：它的作用是把PLC运算处理后的若干位数字量信号转换成相应的模拟量信号然后输出，以满足生产过程现场连续信号的控制要求。模拟量输出单元一般由光耦合器隔离、D/A转换器和信号转换等部分组成。模拟量输出模块是将中央处理器的二进制数字信号转换成4～20mA的电流输出信号或0～10V、1～5V的电压输出信号，以提供给执行机构。信号转换内部回路光耦合器隔离模拟量输出单元框图D/A转换器

第17页：智能输入/输出单元

⑤智能输入/输出单元：为了满足PLC在复杂工业生产过程中的应用，PLC的制造厂商除了提供上述基本的开关量和模拟量输入/输出单元外，还提供了智能输入/输出单元，以适应生产过程控制的要求。

• 智能输入/输出单元是一个独立的自治系统
• 它具有与PLC主机相似的硬件系统，也是由中央处理单元、存储器、输入/输出单元和外部设备接口单元等部分
• 通过内部系统总线连接组成的。

第18页：智能单元与主机通信

• 智能输入/输出单元在自身的系统程序管理下，对工业生产过程现场的信号进行检测、处理和控制
• 并通过外部设备接口与PLC主机的输入/输出扩展接口的连接来实现与主机的通信。
• PLC主机在其运行的每个扫描周期中与智能输入/输出单元进行一次信息交换，以便能对现场信号进行综合处理。

第19页：

第20页：I/O扩展接口与外设接口

• (
• 4)I/O扩展接口。I/O扩展接口是PLC主机为了扩展输入/输出点数和类型的部件，输入/输出扩展单元、远程输入/输出扩展单元、智能输入/输出单元等都通过它与主机相连。I/O扩展接口有并行接口、串行接口等多种形式。
• (
• 5)外设I/O接口。外设I/O接口是PLC主机实现人机对话、机机对话的通道。通过它，PLC可以和编程器、彩色图形显示器、打印机等外部设备相连，也可以与其他PLC或上位计算机连接。

第21页：电源单元

(6)电源。电源单元是PLC的电源供给部分。

• 它的作用是把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源
• 有的电源单元还向外提供直流电源
• 给与开关量输入单元连接的现场电源开关使用。
• PLC的电源一般采用开关电源
• 其特点是输入电压范围宽，体积小，质量轻，效率高，抗干扰性能好。

第22页：外部设备：编程器与显示器

• 3.外部设备
• (
• 1)编程器。它是编制、调试PLC用户程序的外部设备，是人机交互的窗口。通过编程器可以把新的用户程序输入到PLC的RAM中，或者对RAM中已有程序进行编辑。微机编程软件，并且配有相应的通信连接电缆。
• (
• 2)彩色图形显示器。大中型PLC通常配接彩色图形显示器，显示模拟生产过程的流程图、实时过程参数、趋势参数及报警参数等过程信息，使得现场控制情况一目了然。

第23页：外部设备：打印机

(3)打印机。PLC也可以配接打印机等外部设备，用以打印记录过程参数、系统参数以及报警事故记录表等。

第24页：2.2.1 PLC的工作过程

2.2可编程序控制器的工作过程与工作原理242.2.1可编程序控制器的工作过程PLC上电后，就在系统程序的监控下，周而复始地按固定顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上是一个不断循环的顺序扫描过程。一个循环扫描过程称为扫描周期。

第25页：扫描周期与监视定时器

• 在一个扫描周期内，前面执行的任务结果立即就可被后面将要执行的任务所用
• 可以通过设定一个监视定时器来监视每个扫描周期的时间是否超过规定值，避免某个任务进入死循环而引起的故障。

第26页：PLC工作过程流程图

PLC的工作过程启动初始化运行监控处理中断与编程器交换信息处理中断与数字处理器交换信息处理中断与外部设备交换信息处理中断执行用户程序输入/输出信息处理处理中断

第27页：一个扫描周期的六项任务

PLC在一个扫描周期内基本上要执行以下六个任务

• (
• 1)运行监控任务。为了保证系统可靠工作，PLC内部设置了系统监视定时器WDT，由它来监视扫描周期是否超时。
• (
• 2)与编程器交换信息任务。
• (
• 3)与数字处理器(DPU)交换信息任务。
• (
• 4)与外部设备交换信息任务。
• (
• 5)执行用户程序任务。
• (
• 6)输入/输出信息处理任务。

第28页：2.3.1 PLC的编程语言

2.3可编程序控制器的编程语言和程序结构2.3.1可编程序控制器的编程语言PLC为用户提供了完整的编程语言，以适应编制用户程序的需要。PLC提供的编程语言通常有以下几种：梯形图、指令表、顺序功能流程图和功能块图。

第29页：梯形图LAD编程语言

1.梯形图(LAD)梯形图(LAD)编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。PLC的梯形图与继电器控制系统的梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。左右两条垂直的线称作母线。母线之间是触点的逻辑连接和线圈的输出。母线ABCDEFM()()母线Q

第30页：梯形图中的能流概念

• 梯形图的一个关键概念是“能流”(PowerFlow)，这仅是概念上的“能流”。把左边的母线假想为电源“火线”，而把右边的母线(虚线所示)假想为电源“零线”。
• 如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励；如果没有“能流”，则线圈未被激励。

第31页：能流的流向与接点逻辑

• “能流”可以通过被激励(ON)的常开接点和未被激励(OFF)的常闭接点自左向右流。“能流”在任何时候都不会通过接点自右向左流。
• 当A、B、C接点都接通后，线圈M才能接通(被激励)，只要其中一个接点不接通，线圈就不会接通；而D、E、F接点中任何一个接通，线圈Q就被激励。

第32页：能流概念的说明

• 要强调指出的是，引入“能流”的概念，仅仅是为了和继电接触器控制系统相比较，以对梯形图有一个深入的认识，其实“能流”在梯形图中是不存在的。
• 有的PLC的梯形图有两根母线，但大部分PLC现在只保留左边的母线了。

第33页：触点、线圈与指令盒

• 在梯形图中，触点代表逻辑“输入”条件，如开关、按钮、内部条件等；线圈通常代表逻辑“输出”结果，如灯、电机接触器、中间继电器等。对S7-200系列PLC来说，还有一种输出——“盒”(方块图)，它代表附加的指令，如定时器、计数器和功能指令等。
• 梯形图语言简单明了，易于理解，是所有编程语言的首选。

第34页：指令表STL编程语言

2.指令表(STL)指令表(STL)编程语言类似于计算机中的助记符语言，它是可编程序控制器最基础的编程语言。所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程序控制器的某种操作功能。

第35页：

第36页：指令表与梯形图对照示例

本页以图示为主，文字版仅包含图中可识别的少量文字，建议结合图片阅读。

I0.0I0.1Q0.0()I0.1Q0.0A＝Q0.0I0.5Q0.1LDN＝Q0.1()I0.5I0.3M0.1A＝M0.1()I0.3I0.4LDNQ0.2M0.1I0.4M0.1AN()Q0.2＝(b)(a)LDOI0.0Q0.036

第37页：顺序功能流程图SFC

3.顺序功能流程图(SFC)顺序功能流程图(SFC)编程是一种图形化的编程方法，亦称功能图。使用它可以对具有并发、选择等复杂结构的系统进行编程，许多PLC都提供了用于SFC编程的指令。目前，国际电工协会(IEC)也正在实施并发展这种语言的编程标准。

第38页：功能块图FBD编程语言

4.功能块图(FBD)INTONPTANDAC

• S7-200系列PLC专门提供了FBD编程语言，利用FBD可以查看到像普通逻辑门图形的逻辑盒指令。
• 它没有梯形图编程器中的触点和线圈，但有与之等价的指令，这些指令是作为盒指令出现的，程序逻辑由这些盒指令之间的连接决定。
• FBD编程语言有利于程序流的跟踪，但在目前使用较少。TI1.0V

第39页：2.3.2 PLC的程序结构

2.3.2可编程序控制器的程序结构控制一个任务或过程，是通过在RUN方式下，使主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的，用户程序决定了一个控制系统的功能。程序的编制可以使用编程软件在计算机或其他专用编程设备中进行(如图形输入设备)，也可使用手编器。广义上的PLC程序由三部分构成：用户程序、数据块和参数块。

第40页：用户程序

1.用户程序

• 用户程序是必选项。
• 用户程序在存储器空间中也称为组织块，它处于最高层次，可以管理其他块，是用各种语言(如STL、LAD或FBD等)编写的用户程序。

第41页：主程序、子程序与中断程序

不同机型的CPU，其程序空间容量也不同。用户程序的结构比较简单，一个完整的用户控制程序应当包含一个主程序、若干子程序和若干中断程序三大部分。►不同编程设备，对各程序块的安排方法也不同。

第42页：图2.11 程序结构

图2.11程序结构主程序子程序1子程序2…子程序m中断程序1中断程序2…中断程序n

第43页：数据块

2.数据块数据块为可选部分，它主要存放控制程序运行所需的数据，在数据块中允许以下数据类型：布尔型，表示编程元件的状态；十进制、二进制或十六进制数；字母、数字和字符型。3.参数块参数块也是可选部分，它存放的是CPU组态数据，如果在编程软件或其他编程工具上未进行CPU的组态，则系统以默认值进行自动配置。

第44页：第二章思考与练习题

思考与练习题1.可编程序控制器主要由哪几部分组成?2.可编程序控制器常用的编程语言有哪些?程序由哪几部分组成?3.RAM与EEPROM各有什么特点?使用RAM存储用户程序时应注意什么问题?4.交流数字量输入模块与直流输入模块分别适用于什么场合?5.数字量输出模块有哪几种类型?它们各有什么特点?6.简述可编程序控制器的工作过程。

第45页：PLC硬件系统组成图

可编程序控制器的硬件系统：主机系统、输入/输出扩展环节及外部设备图2.1PLC结构示意图主机电源微处理器(CPU)运算器控制器输入单元存储器EPROM(系统程序)RAM(用户程序)外设I/O接口I/O扩展接口用户输入设备输出单元用户输出设备I/O扩展接口图形监控系统PLC或上位计算机EPROM写入器盒式磁带机打印机编程器外部设备

第46页：PLC程序结构说明

可编程序控制器的程序结构控制一个任务或过程，是通过在RUN方式下，使主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的，用户程序决定了一个控制系统的功能。程序的编制可以使用编程软件在计算机或其他专用编程设备中进行(如图形输入设备)，也可使用手编器。广义上的PLC程序由三部分构成：用户程序、数据块和参数块。

第47页：

第48页：PLC工业设计硬件模式

PPLLCC工业设计硬件模式

第49页：学习目标：SIMATIC S7家族

学习了本课之后，你将......了解SIMATIC®S7系统家族概况...熟悉S7-200™和S7-300/400™自动化系统...了解这些自动化系统的模板应用...了解“全集成自动化”的概念...熟悉SIMATIC®编程装置及STEP7运行时对PC的要求...熟悉STEP7基本编程工具

第50页：SIMATIC综述

本页以图示为主，文字版仅包含图中可识别的少量文字，建议结合图片阅读。

SIMATIC®综述SIMATICHMIAS-接口SIMATICPGSIMATICPCSIMATIC软件SIMATIC控制器I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7CPU212Q0.0Q0.1SFRUNSIEMENSPROFIBUSDP工业以太网PROFIBUSMPI网络SIMATICNETPC-based

第51页：S7-200 CPU与扩展模块

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S7-200™EM221DI8 xDC24VI.0I.1I.2I.3I.4I.5I.6I.7SIEMENSSIMATICS7-200CPU214SFRUNSTOPI1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7Q1.0Q1.1Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7S7-21x(旧版本)S7-22x

第52页：S7-200模块与扩展模块

S7-200™:模块/扩展模块(EM)I/O模块功能模块(FM)通讯处理器(CP)

第53页：S7-22x系列CPU设计

S7-200™:S7-22x系列CPU设计输出PPI连接本机DI状态指示模式选择器电位器I/O扩展存储器卡输入状态指示本机DO状态指示本机DO状态指示

第54页：S7-300概述

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S7-300™

第55页：S7-300模块配置

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S7-300™:模块SM:SM:SM:SM:IMCPUPSAOAIDODI(可选)(可选)FM:-计数-定位-闭环控制CP:-点-到-点-PROFIBUS-工业以太网

第56页：S7-300 CPU设计

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S7-300™:CPU设计2002年10月之前的CPU314562002年10月之后的CPU314

第57页：S7-400概述

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S7-400™

第58页：S7-400模块配置

本页以图示为主，文字版仅包含图中可识别的少量文字，建议结合图片阅读。

S7-400™:模块IMSMFMCPSM:SM:SM:SM:CPUPSAOAIDODI

第59页：S7-400 CPU设计

S7-400™:CPU设计故障指示LED存储器卡插槽模式选择器MPI/DP接口DP接口外部电池

第60页：编程设备Field PG与Power PG

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FieldPGPowerPG编程设备

第61页：安装STEP7的硬件要求

本页以图示为主，文字版仅包含图中可识别的少量文字，建议结合图片阅读。

安装STEP7对PG/PC的要求操作系统:Windows(所有的,Win3.1，3.11和XPHome除外)612000/XPNTME95/98>=P233>=P133>=P150>=P133处理器>=128MB>=96MB>=128MB>=48MBRAM硬盘:根据安装,介于300MB至600MB，加上128to256MB用于Windows交换文件鼠标要接口:CP5611(PCI)或CP5511/CP5512(PCMCIA)或PC适配器存储器卡编程适配器(可选)

第62页：安装STEP7软件

安装STEP7软件

第63页：安装结果与启动方式

安装结果双击图标通过启动菜单激活

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第65页：手册目录页

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ManualCatalog

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