PLC编程及应用-基本结构.ppt

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1、2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,1,S7-200 PLC编程及应用,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,2,后一页,返回,第2章 PLC的硬件结构与工作原理,2.1 PLC的基本结构,2.2 可编程序控制器的工作原理,2.3 S7-200系列可编程序控制器性能简介,2.4 可编程序控制器的安装,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,3,2.1 PLC的基本结构,2.1.1 基本结构,2.1.2 可编程序控制器的物理结构,2.1.3 CPU模块,2.1.4 I/O模块,2.1.5 可编程序控制器的外部接线,返回,2023/7/7,CH2 P

2、LC的硬件结构与工作原理,4,各种PLC的具体结构虽然多种多样，但其基本原理相同，都是以微处理器为核心的电子电气系统。PLC各种功能的实现，不仅基于其硬件的作用，而且要靠其软件的支持。,PLC内部主要由CPU模块、输入模块、输出模块、编程器等几部分组成。,返回,后一页,前一页,2.1.1 基本结构,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,5,后一页,前一页,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,6,后一页,前一页,在可编程序控制器控制系统中，CPU模块相当于人的大脑，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。,1 CPU模块,2023/7/7,CH2 P

3、LC的硬件结构与工作原理,7,后一页,前一页,输入(Input)模块和输出(Output)模块简称为IO模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。数字量(或称开关量)输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的数字量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。,2IO模块,2023/7/7,CH2 P

4、LC的硬件结构与工作原理,8,后一页,前一页,CPU模块的工作电压一般是DC 5V，而可编程序控制器的输入输出信号电压一般较高，如DC 24V和AC 220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或影响可编程序控制器的正常工作。在IO模块中，用光耦合器、小型继电器等器件来隔离外部输入电路和负载。IO模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,9,后一页,前一页,编程装置用来生成用户程序，并对它进行编辑、检查和修改。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。它的体积小，价

5、格便宜，一般用来给小型可编程序控制器编程，或者用于现场调试和维修。使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。程序被编译后下载到可编程序控制器，也可以将可编程序控制器中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。可以用编程软件设置可编程序控制器的各种参数。通过通信，可以显示梯形图中触点和线圈的通断情况，以及运行时可编程序控制器内部的各种参数，对于查找故障非常有用。给S7-200编程时，应配备一台安装有STEP7-MicroWIN 32编程软件的计算机和一根连接计算机和可编程序控制器的PCPPI

6、通信电缆。该软件可以在网站WWWadsiemenscomcnS7-200下载。,3编程装置,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,10,后一页,前一页,可编程序控制器使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC 5V、12V、24V等直流电源。小型可编程序控制器一般都可以为输入电路和外部的电子传感器(如接近开关)提供24V直流电源，驱动可编程序控制器负载的直流电源一般由用户提供。,4电源,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,11,后一页,前一页,2.1.2 可编程序控制器的物理结构,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

7、块式和混合式。,返回,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,12,后一页,前一页,1整体式可编程序控制器 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

8、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、通信模块等，使可编程序控制器的功能得到扩展。,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,13,后一页,前一页,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,14,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

9、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。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,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,15,后一页,前一页,S7-300模块式PLC,S7-

10、400模块式PLC,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,16,213 CPU模块,后一页,前一页,1 CPU芯片,返回,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,17,CPU模块主要由微处理器(CPU芯片)和存储器组成。可编程序控制器使用下列微处理(1)通用微处理器。如Intel公司的8086、80186到Pentium系列芯片：(2)单片微处理器(单片机)。如Intel公司的MCS-96系列单片机。(3)位片式微处理器。如AMD 2900系列位片式微处理器。,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,18,ROM：存放系统程序和用户已调好的程序,RA

11、M：用户正调试的程序。,系统程序：是控制和完成PLC各种功能的程序，如：检查程序、监控程序等。,后一页,前一页,2.存储器,EEROM：存放用户程序和需长期保存的 重要数据,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,19,用户程序：用来存放用户编写的程序、各种逻辑数据、计算结果等。,PLC的存储器按功能可分为以下几个区：,1)用户程序存储器区：是用来存放用户编写的程序，其存储容量的大小是用“步”来表示的，如：2048步的程序存储器就表示可存2048步程序。,2)字数据存储器区：用来存放用户各种数学运算结果，字长为8位或16位。,后一页,前一页,2023/7/7,CH2 PLC的硬件

12、结构与工作原理,20,3)输入/输出继电器区：它是位数据区，可对其进行位操作。每一位是一个接点，对应外部的一个输入/输出端子，接点应为何种状态就由位是0还是1决定，也就是说该区是输入/输出继电器接点的逻辑映像区，只对该区的相应位进行操作，就可对输入/输出继电器进行控制。我们说该区有“物理继电器”与之对应。,后一页,前一页,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,21,4)辅助继电器区：该区无“物理继电器”与之对应，即无硬接点，它是一个“软继电器”，是“逻辑继电器”，不向外设输出信号，在程序中起逻辑转换作用，正是这种“逻辑继电器”使得可编程控制器与继电接触控制产生了本质的区别。,5

13、)保持继电器区：该区与M区功能相同，差别仅在于该区的状态在PLC掉电后其状态仍保持不变。编号与M区相同。,后一页,前一页,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,22,6)时间继电器T区：该时间继电器也是“软继电器”，可以利用它产生不同的延时。,此外，PLC还有计数器C，步控制器S，特殊继电器F等。,后一页,前一页,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,23,2.1.4 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

14、部接线一般用插座连接，用户可选用连接插座的电缆和端子板。,返回,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,24,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,2023/7/7,CH2 PLC

15、的硬件结构与工作原理,25,当图中的外接触点接通时，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。,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,26,2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

16、的小型继电器。输出电流的典型值为05-2A，负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。,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,27,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

17、电流的能力较强，但是动作速度较慢，寿命(动作次数)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。,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,28,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。,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构

18、与工作原理,29,除了输入模块和输出模块，还有一种既有输入电路又有输出电路的模块，输入、输出的点数一般相同，这种模块使用户确定可编程序控制器的硬件配置更为方便。,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,30,215 可编程序控制器的外部接线,图是CPU222模块的外部接线图，8个输入点I0.0I0.7分为两组，1M和2M分别是两组输入点内部电路的公共端。L+和M端子分别是模块提供的24V直流电源的正极和负极，可用该电源作为输入电路的电源(见图)。24V直流电源还可以用于外部的电子传感器。1L和2L分别是两组输出点内部电路的公共端。如果是继电器输出，输出回路可使用AC 220V电源

19、电压。可编程序控制器的交流电源接在L1(相线)和N(零线)端，此外还有保护接地(PE)端子。,CPU222模块的外部接线,返回,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,31,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,32,221 用触点和线圈实现逻辑运算,2.2 可编程序控制器的工作原理,222 可编程序控制器的工作方式,223 可编程序控制器的工作原理,224 输入输出滞后时间,返回,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,33,221 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、

20、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表示为：,返回,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,34,逻辑运算关系表,图 基本逻辑运算 a)与 b)或 c)非,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,35,异步电动机控制电路,SB2,M,3,2023/7/7,CH2 PLC的硬

21、件结构与工作原理,36,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。,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工

22、作原理,37,222 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入停止方式。,返回,1 工作方式,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原

23、理,38,2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

24、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。,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,39,223 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,STOP状态,返回,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,40,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

25、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(10)状态读入输入映像寄存器。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。,1读取输入,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,41,2.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

26、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IO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外)的内容随着程序的执行而变化。,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,42,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入。执行程序

27、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IO映像寄存器比读写IO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。,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,43,3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

28、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。,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,44,5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

29、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。,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,45,6中断程序的处理,如果在程序中使用了中断，中断事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IO指令可以直接存取IO点。用立即IO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

30、的值被更新。,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,46,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,下图中的可编程序控制器控制系统与前图中的继电器控制电路的功能相同。起动按钮SB1和停止按钮SB2的常开触点分别接在编号为0.1和0.2的输入端，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。,梯形图中的I0.1与I0.2是输入变量，Q0.0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SB1的常开触点和输入映像寄

31、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。,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,47,异步电动机控制电路,PLC外部接线图与梯形图,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,48,梯形图以指令的形式储存在可编程序控制器的用户程序存储器中，前图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,

32、2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,49,在读取输入阶段，CPU将SB1、SB2的常开触点的ONOFF状态读入相应的输入映像寄存器，外部触点接通时二进制数1存入寄存器，反之存入0。执行第一条指令时，从输入映像寄存器I01中取出二进制数并存入堆栈的栈顶，堆栈是存储器中的一片特殊的区域。执行第二条指令时，从输出映像寄存器QO0中取出二进制数，并与栈顶中的二进制数相“或”(触点的并联对应“或”运算)，运算结果存入栈顶。执行第三条指令时，取出输入映像寄存器I02中的二进制数，因为是常闭触点，取反后与前面的运算结果相“与”(电路的串联对应“与”运算)，然后存入栈顶。执行第四条指令时，将

33、栈顶中的二进制数送入QO0的输出映像寄存器。在修改输出阶段，CPU将各输出映像寄存器中的二进制数传送给输出模块并锁存起来，如果输出映像寄存器QO0中存放的是二进制数1，外接的KM线圈将通电，反之将断电。I01、I02和QO0的波形中的高电平表示按下按钮或KM线圈通电，当tt1时，读入输入映像寄存器I01和I02的均为二进制数0，此时输出映像寄存器Q00中存放的亦为0，在程序执行阶段，经过上述逻辑运算过程之后，运算结果仍为QO0=0，所以KM的线圈处于断电状态。在tt1区间，虽然输入、输出信号的状态没有变化，用户程序仍一直反复不断地执行着。t=t1时按下起动按钮SB1，I01变为1状态，经逻辑运

34、算后Q00也变为1状态，在输出处理阶段，将QO0对应的输出映像寄存器中的1送到输出模块，输出模块中与Q00对应的物理继电器的常开触点接通，接触器KM的线圈通电。,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,50,可编程序控制器在RUN工作状态时，执行一次扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为1100ms。指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,51,224 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

35、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,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,52,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

36、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。,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,53,2.3 S7-200系列可编程序控制器性能简介,231 CPU模块,232 数字量扩展模块,233 模拟量输人输出扩展模块,234 热电偶、热电阻扩展模块,235 PROFIBUS-DP通信模块,236 SIMATICNETCP243-2通信处理器

37、,237 STEP7-MicroWIN编程软件简介,返回,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,54,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

38、248点数字量IO或35路模拟量IO，最多有26KB程序和数据存储空间。S7-200在下列领域已经得到了广泛的应用：机床电气、纺织机械、印刷机械、塑料机械、包装机械、烟草机械、冲压机械、铸造机械、运输带、食品工业、化学工业、陶瓷工业、环保设备、电力自动化设备、实验室设备、电梯、中央空调、真空装置、恒压供水和化工系统中各种泵和电磁阀的控制。,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,55,231 CPU模块,S7-200有5种CPU模块，CPU模块共有的技术指标和各CPU模块特有的技术指标分别见表2-2和表2-3。表2-4、2-5和2-6分别为电源、数字量输出和数字量输入的技术指标。

39、CPU221无扩展功能，适于用做小点数的微型控制器。CPU222有扩展功能，CPU224是具有较强控制功能的控制器，CPU226和CPU226XM适用于复杂的中小型控制系统。S7200 CPU的指令功能强，有传送、比较、移位、循环移位、产生补码、调用子程序、脉冲宽度调制、脉冲序列输出、跳转、数制转换、算术运算、字逻辑运算、浮点数运算、开平方、三角函数和PID控制指令等，采用主程序、最多8级子程序和中断程序的程序结构，用户可使用1255ms的定时中断。用户程序可设3级口令保护，监控定时器(看门狗)的定时时间为300ms。,返回,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,56,数字量输

40、入中有4个用做硬件中断，6个用于高速功能。32位高速加减计数器的最高计数频率为30kHz，可对增量式编码器的两个互差90的脉冲列计数，计数值等于设定值或计数方向改变时产生中断，在中断程序中可及时地对输出进行操作。两个高速输出可输出最高20kHz，频率和宽度可调的脉冲列。RS485串行通讯口的外部信号与逻辑电路不隔离，支持PPI、DP/T、自由通讯口协议和PROFIBUS点对点协议。,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,57,用户数据存储器可永久保存，或用超级电容和电池保持。超级电容充电20min，可充60的电量。可选的存储器卡可永久保存程序、数据和组态信息，可选的电池卡保存数

41、据的时间典型值为200天。DC输出型有高速脉冲输出，边沿中断为4个上升沿和或4个下降沿。高速计数器的单相逻辑1电平为15-30V DC时，时钟输入速率为20kHz；单相逻辑1电平为1526V DC时，时钟输入速率为30kHz。两相逻辑1电平为1530V DC时，时钟输入速率为10kHz；两相逻辑1电平为15-26V DC时，时钟输入速率为20kHz。实时时钟精度在25时为2min月，055时为7min月。S7-200的DC输出型电路用场效应管(MOSFET)作为功率放大元件，继电器输出型用继电器触点控制外部负载。DC输出的最高开关频率为20kHz，继电器输出的最高输出频率为1Hz。,2023/

42、7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,58,S7-200CPU模块共同的技术指标,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,59,S7-200CPU模块的主要技术指标,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,60,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,61,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,62,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,63,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,64,232 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

43、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,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,65,数字量扩展模块,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,66,233 模拟量输入输出扩展模块,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

44、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,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,67,DA转换器将可编程序控制器的数字输出量转换为模拟电压或电流，再去控制执行机构。模拟量IO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

45、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1128=038。模拟量输入输出模块的另一个重要指标是转换时间。,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,68,S7-200有3种模拟量扩展模块(见表)。S7-200的模拟量扩展模块中AD、DA转换器的位数均为12位。模拟量输入、输出有多种量程供用户选用，如010V，05V，020mA，0100

46、mV，10V，5V，100mV等。量程为010V时的分辨率为25mV。,模拟量扩展模块技术数据,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,69,AD转换的时间小于250s，模拟量输入的阶跃响应时间为15ms(达到稳态值的95时)。单极性全量程输入范围对应的数字量输出为032 000，双极性全量程输入范围对应的数字量输出为-32 000+32 000。输入阻抗大于等于10M。模拟量输出的量程有 10V和020mA两种，对应的数字量为-32 000+32 000或032 000。满量程时电压输出和电流输出的分辨率分别为12位和11位，25时的精度为 05。电压输出和电流输出的稳定时间分

47、别为l00s和2ms。最大驱动能力如下：电压输出时负载电阻最小5k，电流输出时负载电阻最大500。,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,70,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,71,234 热电偶、热电阻扩展模块,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 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。热电阻的接线方式有2线、3线和4线

48、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 10000为700ms)，重复性为满量程的0.05。,返回,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,72,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,73,PROFIBUS-DP(过程现场总线）通信模块,EM277 PROFIBUS-DP扩展从站模块用来将S7

49、-200连接到PROFIBUS-DP网络，EM277通过串行IO总线连接到S7-200 CPU模块，PROFIBUS-DP网络经过DP通信端口连接到EM277模块，这个端口可按9600bps12Mbps之间的PROFIBUS波特率运行。作为从站，EM277模块接收从主站来的IO配置，向主站发送数据和接收来自主站的数据。EM277可以读写S7-200CPU中定义的变量存储区中的数据块，使用户能与主站交换各种类型的数据。类似地，从主站传来的数据存储在可编程序控制器的变量存储区后，可以传送到其他数据区。EM277模块的DP端口可以连接到网络中的一个DP主站上，但是仍能作为一个MPI从站与同一网络的S

50、IMATIC编程器、S7-300或S7-400CPU等其他主站通信。模块共有6个连接，其中的两个分别保留给编程器(PC)和操作员面板(OP)。,返回,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,74,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,75,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,76,2023/7/7,CH2 PLC的硬件结构与工作原理,77,236 SIMATIC NET CP243-2通信处理器,CP243-2是S7-200的AS-i主站，它最多可以连接31个AS-i从站。S7-200可以同时处理两个CP243-2，每个CP243-2的AS-i网