LC编程及应用课件第2章.ppt

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1、2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,1,返回,第2章 PLC的硬件结构与工作原理,2.1 PLC的硬件结构,2.2 PLC的工作原理,2.3 S7-200系列PLC,2.4 PLC的安装,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,2,2.1 PLC的硬件结构,2.1.1 PLC的物理结构,2.1.2 CPU模块中的存储器,2.1.3 I/O模块,返回,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,3,后一页,前一页,2.1.1 PLC的物理结构,根据硬件结构的不同，可以将可编程序控制器分为整体式、模块式和混合式。,返回,2023/7/6,CH2 PLC的硬

2、件结构与工作原理,4,1整体式PLC 整体式又叫做单元式或箱体式，它的体积小、价格低，小型可编程序控制器一般采用整体式结构。整体式可编程序控制器将CPU模块、IO模块和电源装在一个箱型机壳内，称为基本单元，S7-200称为CPU模块。“前盖”下面有RUNSTOP开关，模拟量电位器和扩展IO连接器。S7-200系列可编程序控制器提供多种具有不同IO点数的CPU模块和数字量、模拟量I0扩展模块供用户选用。CPU模块和扩展模块用扁平电缆连接，可选用全输入型或全输出型的数字量I0扩展单元来改变输入输出的比例。整体式可编程序控制器还配备有许多专用的特殊功能模块，如模拟量输入输出模块、热电偶、热电阻模块、

3、通信模块等，使可编程序控制器的功能得到扩展。,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,5,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,6,大、中型可编程序控制器(如S7-300和S7-400系列)一般采用模块式结构，用搭积木的方式组成系统，它由机架和模块组成(见图)。模块插在模块插座上，后者焊在机架中的总线连接板上。可编程序控制器厂家备有不同槽数的机架供用户选用，如果一个机架容纳不下所选用的模块，可以增设一个或数个扩展机架，各机架之间用I0扩展电缆相连。用户可以选用不同档次的CPU模块、品种繁多的IO模块和特殊功能模块，对硬件配置的选择余地较大，维修时更换模块也很方便。

4、整体式可编程序控制器每一IO点的平均价格比模块式的便宜，在小型控制系统中一般采用整体式结构。但是模块式可编程序控制器的硬件组态方便灵活，IO点数的多少、输入点数与输出点数的比例、IO模块的种类和块数、特殊I0模块的使用等方面的选择余地都比整体式可编程序控制器大得多，维修时更换模块、判断故障范围也很方便，因此较复杂的、要求较高的系统一般选用模块式可编程序控制器。,2模块式可编程序控制器,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,7,S7-300模块式PLC,S7-400模块式PLC,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,8,212 CPU模块中的存储器,返回,虽然各种

5、PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括系统程序存储区、系统RAM存储区(包括I/O缓冲区和系统软元件等)和用户程序存储区3个部分。,1)系统程序存储区 系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序，包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等，由制造商将其固化在ROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了PLC的性能。2)系统RAM存储区 系统RAM存储区包括I/O缓冲区以及各类软元件，如工作寄存器、内部继电器、定时器、计数器、数据寄存器、变址寄存器等。,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,9,(1)

6、I/O缓冲区 由于PLC投入到运行状态后，只是在输入采样阶段才依次读入各个输入信号的状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要一定数量的存储单元(RAM)来暂时存放I/O的状态和数据，这些单元称作I/O缓冲区。一个开关量I/O占用存储单元中的一位(bit)。,一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字(16位)。整个I/O缓冲区可以看作是由开关量I/O缓冲区和模拟量I/O缓冲区两个部分组成的。,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,10,(2)系统软元件存储区 除了I/O缓冲区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软元件(内部继电器、定时器、计数

7、器、数据寄存器和工作寄存器等)的存储区。该存储区又分为具有掉电保存的存储区域和掉电不保存的存储区域。前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会丢失；后者在PLC断电时，数据被清零。,内部继电器 与开关输出一样，每个内部继电器占用系统RAM存储区中的一位，但不能直接驱动外部负载，只供用户在编程中使用。其作用类似于电气控制线路中的继电器。另外，不同的PLC还提供数量不等的特殊内部继电器，具有不同的特殊功能。,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,11,数据寄存器 与模拟量I/O一样，每个数据寄存器占用系统RAM存储区中的一个字(16位)，主要用于模拟量处理、数据运算和通信等。

8、另外，PLC还提供数量不等的特殊数据寄存器，用于存储系统中某些特定的数据或信息。,定时器和计数器 PLC提供了许多定时器和计数器，数量从几十个到几千个不等，用于满足工业生产中定时控制和计数控制的要求。,3)用户程序存储区 存放用户根据实际控制要求或生产工艺流程编写的具体控制程序。不同类型的PLC，其存储容量各不相同。,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,12,2.1.3 I/O模块,各IO点的通断状态用发光二极管显示，外部接线一般接在模块面板的接线端子上。某些模块使用可拆卸的插座型端子板，不需断开端子板上的外部连线，就可以迅速地更换模块。点数多的高密度IO模块的外部接线一般用

9、插座连接，用户可选用连接插座的电缆和端子板。,返回,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,13,I/O模块分为开关量输入(Digital Input，DI)、开关量输出(Digital Output，DO)、模拟量输入(Analog Input，AI)和模拟量输出(Analog Output，AO)等模块。,开关量模块按电压水平分有220 VAC、110 VAC、24 VDC等规格；按隔离方式分有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出等类型。模拟量模块按信号类型分有电流型(4mA20mA、0mA20mA)、电压型(0V10V、0V5V、10V10V)等规格；按精度分有12位、14位

10、、16位等规格。,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,14,输入电路中设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起错误的输入信号。滤波电路延迟时间的典型值为1020ms(信号上升沿)和2050ms(信号下降沿)，输入电流为数毫安。下图是某直流输入模块的内部电路和外部接线图，图中只画出了一路输入电路，1M是同一输入组内各输入信号的公共点。S7-200可以用CPU模块输出的 24V直流电源作为输入回路的电源(见图)，它还可以为接近开关、光电开关之类的传感器提供24V直流电源。,1输入模块,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,15,当图中的外接触点接

11、通时，光耦合器中两个反并联的发光二极管亮，光敏三极管饱和导通；外接触点断开时，光耦合器中的发光二极管熄灭，光敏三极管截止。信号经内部电路传送给CPU模块。显然，可以改变图中输入回路的电源极性。交流输入方式适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用，输入电压有110V、220V两种。直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,16,2输出模块,输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应管、驱动交流负载的双向晶闸管，以及既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载的小型继电器。输出电流的典型值为05-2A，负

12、载电源由外部现场提供。输出电流的额定值与负载的性质有关，例如S7-200的继电器输出电路可以驱动2A的电阻性负载，但是只能驱动200W的白炽灯。输出电路一般分为若干组，对每一组的总电流也有限制。额定输出电流还与温度有关，温度升高时额定输出电流减小，有的可编程序控制器提供了有关的曲线。,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,17,图是继电器输出电路。继电器同时起隔离和功率放大作用，每一路只给用户提供一对常开触点。与触点并联的RC电路和压敏电阻用来消除触点断开时产生的电弧。,继电器输出模块的使用电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但是动作速度较慢，寿命(动作次

13、数)有一定的限制。如果系统输出量的变化不是很频繁，建议优先选用继电器型的。,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,18,图是使用场效应管(MOSFET)的输出电路。输出信号送给内部电路中的输出锁存器，再经光耦合器送给场效应管，后者的饱和导通状态和截止状态相当于触点的接通和断开。图中的稳压管用来抑制关断过电压和外部的浪涌电压，以保护场效应管。场效应管输出电路的工作频率可达20kHz。,晶体管型与双向晶闸管型模块分别用于直流负载和交流负载，它们的可靠性高，反应速度快，寿命长，但是过载能力稍差。,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,19,221 用触点和线圈实现逻辑

14、运算,2.2 PLC的工作原理,222 PLC的工作模式,223 PLC的工作原理,返回,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,20,221 用触点和线圈实现逻辑运算,在数字量控制系统中，变量仅有两种相反的工作状态，如高电平和低电平、继电器线圈的通电和断电、触点的接通和断开，可用逻辑代数中的1和0来表示它们。在波形图中，用高电平表示l状态，用低电平表示0状态。“与”、“或”、“非”逻辑运算的输入输出关系如下表所示，用继电器电路或梯形图可以实现“与”、“或”、“非”逻辑运算(见图)。用多个触点的串、并联电路可以实现复杂的逻辑运算，例如下图中的继电器电路实现的逻辑运算可用逻辑代数式

15、表示为：,返回,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,21,逻辑运算关系表,图 基本逻辑运算 a)与 b)或 c)非,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,22,上式左边的KM与图中的线圈相对应，右边的KM与KM的常开触点相对应，/SB2与SB2的常闭触点相对应。在继电器电路图和梯形图中，线圈的状态是输出量或被控量，触点的状态是输入量。继电器的线圈通电时，其常开触点接通，常闭触点断开；线圈断电时，其常开触点断开，常闭触点闭合。梯形图中的位操作元件(如可编程序控制器的输出Q00)的触点和线圈也有类似的关系。接触器的结构和工作原理与继电器的基本相同，区别仅在于继电器

16、触点的额定电流较小(如几十毫安)，而接触器是用来控制大电流负载的，例如它可以控制额定电流为几十安培至上千安培的异步电动机。,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,23,异步电动机控制电路,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,24,222 可编程序控制器的工作方式,可编程序控制器有两种工作方式，即RUN(运行)方式与STOP(停止)方式。在RUN方式，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。在CPU模块的面板上用“RUN”LED显示当前的工作方式。在STOP方式，CPU不执行用户程序，可用编程软件创建和编辑用户程序，设置可编程序控制器的硬件功能，并将用户程

17、序和硬件设置信息下载到可编程序控制器。如果有致命错误，在消除它之前不允许从停止方式进入运行方式。可编程序控制器操作系统储存非致命错误供用户检查，但不会从运行方式自动进人停止方式。,返回,1 工作模式,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,25,2用方式开关改变工作方式 CPU模块上的方式开关在STOP位置时将停止用户程序的运行；在RUN位置时，将启动用户程序的运行。方式开关在STOP或TERM(terminal，终端)位置时，电源通电后CPU自动进入STOP方式；在RUN位置时，电源通电后自动进入RUN方式。,3用STEP7-MicroWIN32编程软件改变工作方式 在用编程软

18、件控制CPU的工作方式之前，首先应在编程软件与可编程序控制器之间建立起通信连接，并将方式开关设置在RUN或TERM位置。允许用编程软件改变CPU的工作方式。在软件中单击工具条上的运行按钮可进入运行方式，单击停止按钮可进入停止方式。选择PLC一运行”菜单命令可进入运行方式，选择PLC一停止”菜单命令可进入停止方式。,4在程序中改变工作方式 在程序中插入STOP指令，可使CPU由RUN方式进入STOP方式。,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,26,223 可编程序控制器的工作原理,可编程序控制器通电后，需要对硬件和软件做一些初始化的工作。为了使可编程序控制器的输出及时地响应各种

19、输入信号，初始化后反复不停地分阶段处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。,RUN状态,返回,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,27,在可编程序控制器的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。CPU以字节(8位)为单位来读写输入输出(IO)映像寄存器。在读取输入阶段，可编程序控制器把所有外部数字量输入电路的ONOFF(I0)状态读人输入映像寄存器。外接的输入电路闭合时，对应的输入映像寄存器为 1状态，梯形图中对应的输入点的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入电路断开时，对应的输入映像寄存器

20、为0状态，梯形图中对应的输入点的常开触点断开，常闭触点接通。图29 扫描过程,1读取输入,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,28,2.执行用户程序,可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按顺序排列。在RUN工作方式的程序执行阶段，在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直至遇到结束(END)指令。遇到结束指令时，CPU检查系统的智能模块是否需要服务。在执行指令时，从I0映像寄存器或别的位元件的映像寄存器读出其01状态，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到相应的映像寄存器中。因此，各映像寄存器(只读的输入映像寄存器除

21、外)的内容随着程序的执行而变化。,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,29,在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的读取输入阶段被读人。执行程序时，对输入输出的存取通常是通过映像寄存器，而不是实际的I0点，这样做有以下好处：(1)程序执行阶段的输入值是固定的，程序执行完后再用输出映像寄存器的值更新输出点，使系统的运行稳定。(2)用户程序读写I0映像寄存器比读写I0点快得多，这样可以提高程序的执行速度。(3)IO点必须按位来存取，而映像寄存器可按位、字节、字或双字来存取，灵活性好。,2023

22、/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,30,3通信处理,在智能模块通信处理阶段，CPU模块检查智能模块是否需要服务，如果需要，读取智能模块的信息并存放在缓冲区中，供下一扫描周期使用。在通信信息处理阶段，CPU处理通信口接收到的信息，在适当的时候将信息传送给通信请求方。,4CPU自诊断测试,自诊断测试包括定期检查EEPROM、用户程序存储器、IO模块状态以及IO扩展总线的一致性，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,31,5修改输出,CPU执行完用户程序后，将输出映像寄存器的01状态传送到输出模块并锁存起来。梯形图中某一输出位

23、的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为1状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出点的线圈“断电”，对应的输出映像寄存器中存放的二进制数为0，将它送到继电器型输出模块，对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。当CPU的工作方式从RUN变为STOP时，数字量输出被置为系统块中的输出表定义的状态，或保持当时的状态。默认的设置是将数字量输出清零，模拟量输出保持最后写的值。,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,32,6中断程序的处理,如果在程序中使用了中断，中断事

24、件发生时立即执行中断程序，中断程序可能在扫描周期的任意点上被执行。,7立即IO处理,在程序执行过程中使用立即I0指令可以直接存取IO点。用立即I0指令读输入点的值时，相应的输入映像寄存器的值未被更新。用立即IO指令来改写输出点时，相应的输出映像寄存器的值被更新。,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,33,下面用一个简单的例子来进一步说明可编程序控制器的扫描工作过程,图2-10中的可编程序控制器控制系统与图2-8中的继电器控制电路的功能相同。起动按钮SBl和停止按钮SB2的常开触点分别接在编号为0.1和0.2的输人端，接触器KM的线圈接在编号为0.0的输出端。如果热继电器FR动

25、作其常闭触点断开后需手动复位，可将FR的常闭触点与接触器KM的线圈串联，这样可以少用一个可编程序控制器的输入点。,图2-10梯形图中的I01与I02是输入变量，QO.0是输出变量，它们都是梯形图中的编程元件。I0.1与接在输入端子0.1的SBl的常开触点和输入映像寄存器，I0.1相对应，Q0.0与接在输出端子0.0的可编程序控制器内的输出电路和输出映像寄存器Q0.0相对应。,8PLC工作过程举例,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,34,PLC外部接线图与梯形图,异步电动机控制电路,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,35,梯形图以指令的形式储存在可编程序控

26、制器的用户程序存储器中，图210中的梯形图与下面的4条指令相对应，“”之后是该指令的注释。,LD I01 接在左侧母线上的I01的常开触点 O Q00 与I01的常开触点并联的Q00的常开触点 AN I02 与并联电路串联的I02的常闭触点=Q00 Q00的线圈,梯形图完成的逻辑运算为,返回,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,36,9输入/输出滞后时间,输入输出滞后时间又称系统响应时间，是指可编程序控制器的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分组成。输入模

27、块的RC滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触点动作时产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，有的可编程序控制器如S7-200的部分输入点的输入延迟时间可以设置。,返回,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,37,输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在10ms左右；双向晶闸管型输出电路在负载接通时的滞后时间约为1ms，负载由导通到断开时的最大滞后时间为10ms；晶体管型输出电路的滞后时间小于1ms。由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达两个多扫描周期。可编程序控制器总的响应延迟时间一般只有几十毫秒，对于

28、一般的系统是无关紧要的。要求输入和输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的可编程序控制器或采取其他措施。,返回,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,38,2.3 S7-200系列PLC,231S7200新一代产品简介,232 CPU模块,233数字量扩展模块,234模拟量扩展模块与热电偶、热电阻扩展模块,235 STEP7-MicroWIN编程软件简介,返回,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,39,西门子公司的SIMATIC S7-200系列属于小型可编程序控制器，可用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它有极强

29、的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作-用。S7-200的可靠性高，可用梯形图、语句表(即指令表)和功能块图3种语言来编程。它的指令丰富，指令功能强，易于掌握、操作方便。内置有高速计数器、高速输出、PID控制器、RS-485通信编程接口、PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信功能，IO端子排可以很容易地拆卸。最大可扩展到248点数字量IO或35路模拟量IO，最多有30KB程序和数据存储空间。,231S7200新一代产品简介,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,40,最新 升级的CPU224和226完全兼容老产品，运算速度提高40%程序存储区扩大了50%，数据存

30、储区扩大了60%。全新的CPU224XP除具备升级CPU以外，还集成了2路模拟量输入（10位）1路模拟量输出，2个485通讯口，高速脉冲输出频率提高到100KHZ，2相高速脉冲输入频率提高到100KHZ，有PID自整定功能。,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,41,232 CPU模块,返回,S7-200系列PLC有CPU21X和CPU22X两代产品，其中CPU22X型PLC有CPU221，CPU 222，CPU 224和CPU 226四种基本型号。,CPU单元 即PLC主机，也可称为基本单元。它内部包括中央处理器CPU，存储单元、输入输出接口、内置5V和24V直流电源、RS

31、-485通信接口等，是PLC的核心部分。其功能足以使它完成基本控制功能，所以CPU单元单独就是一个完整的控制系统。,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,42,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,43,S7-200系列的CPU模块外形结构图,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,44,各CPU模块外形尺寸图,CPU224,CPU222,CPU221,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,45,各CPU模块外形尺寸图,CPU224XP,CPU226,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,46,2023/7/6,CH

32、2 PLC的硬件结构与工作原理,47,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,48,CPU221 主机集成6输入/4输出共10个数字量I/O点。无I/O扩展能力。6KB程序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。1个RS-485通信/编程接口，具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力，是极适合于小点数控制系统的微型控制器。,CPU222 主机集成8输入/6输出共14个数字量I/O点。6KB程序和数据存储空间。比CPU221增加了扩展能力，可连接2个扩展模块，可扩展最多64个I/O点和8路模拟量。,CPU224 在CPU222的

33、基础上，主机数字量I/O点增为14输入/10输出共24个。扩展能力大为加强，可连接7个扩展模块，最大扩展至168个数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。13KB程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。I/O端子排可很容易地整体拆卸，是具有较强控制能力的控制器。,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,49,CPU224XP 除具有CPU224的功能外，另集成 2输入/1输出共3个模拟量I/O点，程序和数据存储空间扩展为20KB，高速计数器与高速脉冲输出频率达100KHz。本机还新增位控特性，自整定PID功能，线性斜

34、坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等，是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。,CPU226 在CPU224的基础上功能进一步强大，主机增加到40个数字量I/O 点。最大扩展至248个数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。增加了通信接口数量，可以分别进行设置，同时与两个设备进行通信而互不干扰，通信功能大大加强。CPU226可用于较高要求的控制系统，更多的I/O点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能使其完全适应于复杂的中小型控制系统。,CPU226XM 在原有的CPU 226的基础上将程序存储空间和数据存储空间扩大了一倍，其他指标未变。,2023/7

35、/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,50,常用CPU模块订货信息,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,51,S7-200系列PLC功能强大，有着鲜明的特点。(1)自带高速计数器，有多个接口可以接受最高达30kHz的高速脉冲输入。可以同时做加减计数，连接两相相位差为90的A/B相增量编码器，可通过编程对高速计数功能相关状态字进行设置，得到多种对高速脉冲的计数模式。(2)具有高速脉冲输出接口，最大脉冲频率可达20kHz，能够直接用于定位控制。(3)存储空间大，并可由超级电容对数据进行长达190分钟的掉电保护，若选用存储卡，则可保存200天。(4)运算指令丰富，并具有实数运算

36、功能，可实现复杂的计算和控制策略。并允许在程序中立即读写I/O接口，在一些需要立即响应的场合应用非常方便。(5)可为模拟量和数字量输入设置滤波器，输入接口可以捕捉比CPU扫描速度更快的窄脉冲信号，便于适应复杂的工业环境。(6)内部配有+5V DC扩展电源，输出电流可达1000mA；+24V DC传感器电源或负载驱动电源，输出电流可达400mA。(7)具有RS-485通信接口，可与计算机、变频器、文本显示器、手持编程器等进行通信，交换数据、完成控制功能。,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,52,S7-200CPU模块共同的技术指标,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与

37、工作原理,53,233 数字量扩展模块,用户选用具有不同IO点数的数字量扩展模块，可以满足不同的控制需要，节约投资费用。系统规模扩大后，增加IO点数也很方便。用户可选用8点、16点和32点的数字量输入输出模块(见下表)，除CPU221外，其他CPU模块均可配接多个扩展模块，连接时CPU模块放在最左侧，扩展模块用扁平电缆与左侧的模块相连。,返回,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,54,1.数字量模块的主要特点(1)数字量扩展模块内部没有中央控制器，所以必须与CPU模块相连，使用CPU模块的寻址功能，对模块上的I/O接口进行控制。(2)数字量扩展模块须由CPU模块通过扩展接口提

38、供正常工作所需的+5VDC电源，其外部不再提供工作电源。(3)数字量扩展模块I/O接口所需+24V DC电源可以由CPU模块的传感器电源提供，但受到最大电流的限制，只能为部分接口提供电源，所以常用外部DC+24V开关电源为I/O接口供电。(4)扩展模块秉承了整体式PLC的结构特点，也吸收了模块式PLC便于扩展的优势，其结构紧凑，与CPU模块同宽同高而长度不同，扩展后与CPU形成一个整齐的长方体结构，十分方便在控制柜内整体安装。,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,55,S7-200系列PLC为方便工程使用，提供了种类丰富的数字量扩展模块，有单独的输入模块EM221(8路扩展输

39、入)；有单独的输出模块EM222(8路扩展输出)；有I/O混合模块EM223(具有8I/O、16I/O、32I/O等多种配置)。,2.数字量模块的型号与性能,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,56,数字量扩展模块输入规范,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,57,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,58,常用数字量输入扩展模块接线图,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,59,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,60,数字量扩展模块输出规范,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,61,数字

40、量扩展模块输出规范,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,62,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,63,常用数字量输出扩展模块接线图,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,64,(1)不同的主机最大可扩展模块数量有限，CPU221不能扩展，CPU222只能扩展两个模块，CPU224、CPU226能够扩展7个模块。(2)扩展模块消耗的总电流不能超过CPU模块能够提供的最大电流。(3)扩展总点数不能大于I/O映像寄存器的总数。因为CPU模块对数字量的寻址都是以8位寄存器为一个单位的，对数字量扩展模块也是相同的。若某一模块的数字量I/O不是8的整倍

41、数，则余下的空地址也不会分配给其他模块。例如对于CPU224模块，本机输入地址为I0.0I0.7和I1.0I1.5，输出地址为Q0.0Q0.7和Q1.0Q1.1。若扩展一个4输入、4输出的EM223数字量扩展模块，则扩展模块输入地址为I2.0I2.3，输出地址为Q2.0Q2.3。地址I1.6I1.7与Q1.2Q1.7都不能与外部接口对应，即它们是未用位。对于输出寄存器中没有使用的位，可以像使用内部存储器标志位一样使用。但对于输入寄存器中没有使用的位，由于每次输入更新时都把未用位清0，所以不能作为内部存储器标志位使用。,3.限制数字量模块扩展数量的几个因素,2023/7/6,CH2 PLC的硬件

42、结构与工作原理,65,234 模拟量扩展模块 热电偶、热电阻扩展模块,在工业控制中，某些输入量(如压力、温度、流量、转速等)是模拟量，某些执行机构(如晶闸管调速装置、电动调节阀和变频器等)要求可编程序控制器输出模拟信号，而可编程序控制器的CPU只能处理数字量。模拟量首先被传感器和变送器转换为标准的电流或电压，如420mA、15V、010V，可编程序控制器用AD转换器将它们转换成数字量。这些数字量可能是二进制的，也可能是十进制的，带正负号的电流或电压在AD转换后用二进制补码表示。,返回,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,66,DA转换器将可编程序控制器的数字输出量转换为模拟电

43、压或电流，再去控制执行机构。模拟量I0模块的主要任务就是实现AD转换(模拟量输入)和DA转换(模拟量输出)。例如，在温度闭环控制系统中，炉温用热电偶或热电阻检测，温度变送器将温度转换为标准电流或标准电压后送给模拟量输入模块，经AD转换后得到与温度成比例的数字量，CPU将它与温度设定值比较，并按某种控制规律对差值进行运算，将运算结果(数字量)送给模拟量输出模块，经DA转换后变为电流信号或电压信号，用来控制电动调节阀的开度，通过它控制加热用的天然气的流量，实现对温度的闭环控制。AD、DA转换器的二进制位数反映了它们的分辨率，位数越多，分辨率越高，例如8位AD转换器的分辨率为128=038。模拟量输

44、入输出模块的另一个重要指标是转换时间。,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,67,在S7-200系列PLC中，除了CPU224XP模块本身自带有模拟量I/O接口，其他CPU模块若要处理模拟量信号，均需扩展模拟量模块。1.模拟量模块种类 模拟量模块主要分为3种，即模拟量输入模块EM231(4路模拟量输入)、模拟量输出模块EM232(2路模拟量输出)和模拟量I/O组合模块EM235(4路模拟量输入、1路模拟量输出)。,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,68,EM231输入原理框图,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,69,EM235输入原理框

45、图,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,70,模拟量扩展模块输入规范,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,71,模拟量输入数据格式,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,72,2.模拟量输入校准工作,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,73,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,74,3.配置模拟量输入模块,EM231配置开关使用说明,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,75,EM235配置开关使用说明,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,76,模拟量扩展模块输出规范,20

46、23/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,77,EM232和EM235输出原理框图,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,78,模拟量输出数据格式,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,79,模拟量输入扩展模块接线图,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,80,模拟量输出扩展模块接线图,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,81,模拟量输入/输出扩展模块接线图,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,82,4将模拟量输入模块的输出值转换为实际的物理量 转换时应考虑变送器的输入输出量程和模拟量输入模块的量程，找

47、出被测物理量与AD转换后的数字之间的比例关系。例21 某发电机的电压互感器的电压比为10kV100V(线电压)，电流互感器的电流比为1000A5A，功率变送器的额定输入电压和额定输入电流分别为ACl00V和5A，额定输出电压为DC10V，模拟量输入模块将DC10 V输入信号转换为数字32 000+32 000。,返回,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,83,设转换后得到的数字为N，求以kW为单位的有功功率值。解：根据互感器额定值计算的原边有功功率额定值为：3X10000X1000=17321000(W)=17321(kW)由以上关系不难推算出互感器原边的有功功率与转换后的数

48、字之间的关系为1732132000=05413kW。转换后的数字为N时，对应的有功功率为05413N(kW)，如果以kW为单位显示功率P，使用定点数运算时的计算公式为：P=NX541310 000(kW),返回,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,84,EM231热电偶、热电阻模块具有冷端补偿电路，如果环境温度迅速变化，则会产生额外的误差，建议将热电偶和热电阻模块安装在环境温度稳定的地方。热电偶输出的电压范围为土80mV，模块输出15位加符号位的二进制数。EM231热电偶模块可用于J、K、E、N、S、T和R型热电偶，用户用模块下方的DIP开关来选择热电偶的类型。热电阻的接线方

49、式有2线、3线和4线3种。4线方式的精度最高，因为受接线误差的影响，2线方式的精度最低。EM231热电阻模块可通过DIP开关来选择热电阻的类型、接线方式、测量单位和开路故障的方向。连接到同一个扩展模块上的热电阻必须是相同类型的。改变DIP开关后必须将可编程序控制器断电后再通电，新的设置才能起作用。两种模块的采样周期为405ms(Pt l0000为700ms)，重复性为满量程的0.05。,返回,2023/7/6,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,85,235 STEP7-MicroWIN编程软件简介,STEP 7-MicroWIN是专门为S7-200设计的在个人计算机Windows操作系统下运

50、行的编程软件，它的功能强大，使用方便，简单易学。CPU通过PCPPI电缆或插在计算机中的CP5511、CP5611通信卡与计算机通信。通过PCPPI电缆，可以在Windows下实现多主站通信方式。STEP 7-MicroWIN的用户程序结构简单清晰，即通过一个主程序调用子程序或中断程序，还可以通过数据块进行变量的初始化设置。用户可以用语句表(STL)、梯形图(LAD)和功能块图编程，不同的编程语言编制的程序可以相互转换，可以用符号表来定义程序中使用的变量地址对应的符号，例如指定符号“起动按钮”对应于地址100，使程序便于设计和理解。PID控制器、可编程序控制器之间的网络数据传输、高速计数器和T