可编程控制器原理及应用

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1、可编程控制器原理及应用 介绍o 教材以小型可编程控制器S7-200系 列PLC为例，介绍可编程控制器的基本 结构，以及工作原理，要求掌握常用指 令的格式和应用方法，熟练画出可编程 控制器外部电路接线图，掌握可编程控 制器应用的基本设计思想和设计方法。可编程控制器原理及应用o第1章 概论o第2章 可编程控制器构成原理 o第3章 S7-200可编程控制器 o第4章 SIMATIC S7-200编程软件 o第5章 S7-200 PLC基本指令 5.2 算术、逻辑运算指令第1章 概论n1.1 可编程控制器的产生及定义n1、PLC的产生及定义n 1968年由美国通用汽车公司（GE）提出，1969年有美国

2、数字设备公 司（DEC）研制成功，有逻辑运算、定时、计算功能称为PLC（ programmable logic controller）。n 80年代，由于计算机技术的发展，PLC采用通用微处理器为核心，功 能扩展到各种算术运算，PLC运算过程控制并可与上位机通讯、实现远 程控制。被称为PC（programmable controller）即可编程控制器。n2、PLC的产生及定义n国际电工委员会（IEC）1987年颁布的可编程逻辑控制器的定义如下：n “可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算 操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。它能够存储 和执行命令，进行逻辑

3、运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作 ，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程 。可编程控制器及其有关的外围设备，都应按易于工业控制系统形成一 个整体、易于扩展其功能的原则设计”。本章叙述可编程控制器产生、定义及特点，分类和 发展方向1.3 可编程控制器的工作特点 o1、使用于工业环境，抗干扰能力强。o2、可靠性高。无故障工作时间（平均）数十万小时并可 构成多机冗余系统。o3、控制能力极强。算术、逻辑运算、定时、计数、PID 运算、过程控制、通讯等。o4、使用、编程方便。（LAD）梯形图、语句表（STL）、 功能图（FBD）、控制系统流程图等编程语言通俗易懂， 使用

4、方便。o5、组成灵活。小型PLC为整体结构，并可外接I/O扩展机 箱构成PLC控制系统。中大型PLC采用分体模块式结构， 设有各种专用功能模块（开关量、模拟量输入输出模块 ，位控模块，伺服、步进驱动模块等）供选用和组合， 由各种模块组成大小和要求不同的控制系统。o所以可编程控制器可以称为全功能工业控制计算机。1.4 可编程控制器的分类和发展 o1、 分类o 按I/O点数可分为大、中、小型三大类，通常可以定义为：小型：I/O点数在256点以下；中型：I/O点数在2561024点之间；大型：I/O点数在1024点以上。o2、应用可编程控制器在多品种、小批量、高质量的产品生产中得到广泛的应用，PLC

5、控 制已成为工业控制的重要手段之一，与CAD/CAM，机器人技术一起成为实现现代自 动化生产的三大支柱。o 通常可以认为，只要有控制要求的地方，都可以用到可编程控制器。o3、发展方向发展方向分小型化和大型化两个发展趋势。小型PLC有两个发展方向，即小（微 ）型化和专业化。大型化指的是大中型PLC向着大容量、智能化和网络化发展，使之 能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。第2章 可编程控制器构成原理 可编程控制器硬件系统：可编程控制器系统由输入部分、运算控制部 分和输出部分组成。输入部分：将被控对象各种开关信息和操作台上的操作命令转换成可 编程控制器的标准输入信号，

6、然后送到PLC的输入端点。运算控制部分（CPU）：由可编程控制器内部CPU按照用户程序的设定， 完成对输入信息的处理，并可以实现算术、逻辑运算等操作功能。输出部分：由PLC输出接口及外围现场设备构成。CPU的运算结果通过PLC 的输出电路，提供给被控制装置。2.1 可编程控制器的基本组成o可编程控制器主机的硬件电路：由CPU，存储器，基本I/O接口电路，外设接 口，电源等五大部分组成。2.1 可编程控制器的基本组成o基本I/O接口电路o可编程控制器输入电路原理图 PLC内部输入电路作用是将PLC外部信号送至PLC内部电 路。输入接点分为干接点式，直流输入式和交流输入式三大 类。2.1 可编程控

7、制器的基本组成可编程控制器输出电路原理图 PLC输出电路用来驱动被控负载（电磁铁、继电、接触器线圈等 ）。PLC输出电路结构形式分为继电器式，双极型和晶闸管式等三种 。2.2 可编程控制器的工作原理o 可编程控制器通过循环扫描输入端口的状态，执行用户程序，实 现控制任务。PLC采用循环顺序扫描方式工作，CPU在每个扫描周期的开始扫描 输入模块的信号状态，并将其状态送入到输入映像寄存器区域；然后根 据用户程序中的程序指令来处理传感器信号，并将处理结果送到输出映 像寄存器区域，在每个扫描周期结束时，送入输出模块。第3章 S7-200可编程控制器 o S7系列PLC分为S7-400、S7-300和S

8、7-200等大、中、 小（微）三个子系列。本章以S7-200系列PLC为例，叙述小型PLC系统的构 成，编程用的元器件，寻址方式，I/O扩展，编程语言等 PLC应用的基础知识。 o3.1 S7-200 系列PLC的构成S7-200小型可编程控制系统由主机（基本单元）、 I/O扩展单元、功能单元（模块）和外部设备（文本图 形显示器、编程器）等组成。 CPU 224主机的结构外形 o工作方式开关，模拟电位器，I/O扩展接口，工作状态指示和用户 程序存储卡，I/O接线端子排及发光指示等。o主机箱体外部的RS-485通讯接口，用以连接编程器（手持式或PC机）、文本图形显示器、PLC网络等外部设备。CP

9、U 224外部电路接线电路图o 输入电路采用了双向光电耦合器，24V DC极性可任意 选择， 1M、2M为输入端子的公共端。1L、2L为输出公共 端。o CPU224另有24V、280mA电源供PLC输入点使用。（2）主机I/O及扩展 oCPU 22X系列PLC主机的I/O点数及可扩展的模 块数目见表3.2。 S7-200 CPU存储器系统oS7-200 CPU存储器系统由RAM和EEPROM两种存储 器构成。o系统掉电时，自动将RAM中M存储器的有关内容保存 到EEPROM存储器。 3.1.2 扫描周期及工作方式 o1、 扫描周期S7-200 CPU连续执行用户任务的循环序列称为扫描。一个机

10、器扫描周期（用户程序运行一次），分为读输入（输入采样 ），执行程序，处理通讯请求，执行CPU自诊断，写输出（输出刷 新）等五个阶段，CPU周而复始地循环扫描工作。也可以把扫描周 期简化为读输入、执行用户程序和写输出三个阶段。执行CPU自诊断写输出处理通讯请求执行程 序一个扫描周 期读输入3.2.1 数据存储类型及寻址方式oS7-200数据寻址方式有立即数寻址、直接寻址和间接寻址 三大类。o立即数寻址：#100o直接寻址：位寻址如上图。字节、字、双字寻址 （直接寻址）例：VB100、VW100、VD100存储器位地址 字节地址 元件名称3.2.1 数据存储类型及寻址方式o间接寻址：例：MOVW

11、AC1，AC0 时表示该操作数 为地址指针。指令功能：将AC1作为内存地址指针，把以AC1中内 容为起始地址的内存单元的16位数据送到累加器AC0中 。3.2.2 S7-200数据存储区及元件( 内部资源)的功能o1. 输入输出映像寄存器：S7-200 PLC编址范围（I0.0I15.7 ）输入映像寄存器（该区域可以按位操作又称输入继电器）输入继电器线圈由外部信号驱动，常开触点和常闭触点供 用户编程使用。外部输入点输入端子3.2.2 数据存储区及元件功能 o输出映像寄存器：S7-200 PLC编址范围（Q0.0Q15.7）输出映像寄存器（又称输出继电器）是用来将PLC的输出 信号传递给负载，线

12、圈用程序指令驱动。oPLC的每一个I/O点都是一个确定的物理点。CPU 224主机有I0.0I0.7，I1.0I1.5共14个数字量输 入端点，Q0.0Q0.7、Q1.0、Q1.1共10个数字量输出端点 。Q0.0L负载电源3.2.2 数据存储区及元件功能 o2. 变量存储器V用以存储运算的中间结果和其它数据。 CPU 224有VB0.0VB5119.7的5K存储字节。可按位、字 节、字或双字使用。o3. 内部标志位（M）存储区M作为控制继电器（又称中间继电器），用来存储中间操 作数或其它控制信息。S7-200 PLC编址范围M0.0M31.7，可以按位、字节、字或 双字来存取存储区的数据。o

13、4. 顺序控制继电器（S）存储区S又称状态元件，以实现顺序控制和步进控制。S7-200 PLC编址范围S0.0S31.7，可以按位、字节、字或 双字来存取数据。5. 特殊标志位（SM）存储器CPU 224编址范围SM0.0 SM179.7，共180个字节。其中SM0.0SM29.7的30个字节为只读型区域。 o SMB0为状态位字节，在每次扫描循环结尾由S7-200 CPU更新，定义如下：oSM0.0 RUN状态监控，PLC在运行RUN状态，该位始终为1。oSM0.1 首次扫描时为1，PLC由STOP转为RUN状态时，ON（1态）一个扫描周期， 用于程序的初始化。oSM0.2 当RAM中数据丢

14、失时，ON一个扫描周期，用于出错处理。oSM0.3 PLC上电进入RUN方式，ON一个扫描周期。oSM0.4 分脉冲，该位输出一个占空比为50的分时钟脉冲。用作时间基准或简易延 时。oSM0.5 秒脉冲，该位输出一个占空比为50的秒时钟脉冲。可用作时间基准。oSM0.6 扫描时钟，一个扫描周期为ON（高电平），另一为OFF（低电平）循环交替 。oSM0.7 工作方式开关位置指示，0为TERM位置，1为RUN位置。为1时，使自由端口 通讯方式有效。o SMB1为指令状态位字节，常用于表及数学操作，部分位定义如下：oSM1.0 零标志，运算结果为0时，该位置1。oSM1.1 溢出标志，运算结果溢出

15、或查出非法数值时，该位置1 。oSM1.2 负数标志，数学运算结果为负时，该位为1。3.2.2 数据存储区及元件功能o6. 局部存储器（L）S7-200有64个字节的局部存储器，编址范围LB0.0LB63.7，其中60 个字节可以用作暂时存储器或者给子程序传递参数，最后4个字节为 系统保留字节。 o7. 定时器（相当于时间继电器）S7-200 CPU中的定时器是对内部时钟累计时间增量的设备，用于时 间控制。编址范围T0T255（22X）；T0T127(21X)。o8. 计数器计数器主要用来累计输入脉冲个数。有16位预置值和当前值寄存器 各一个，以及1位状态位，当前值寄存器用以累计脉冲个数，计数

16、器 当前值大于或等于预置值时，状态位置1。S7-200 CPU提供有三种类型的计数器，增计数、减计数、增减计 数。编址范围C0C255（22X），C0C127（21X）。3.2.2 数据存储区及元件功能o9. 模拟量输入输出映像寄存器（AI/AQ）S7-200的模拟量输入电路将外部输入的模拟量（如温度、电压）等转换成1 个字长（16位）的数字量，存入模拟量输入映像寄存器区域。AI编址范围AIW0，AIW2，AIW62，起始地址定义为偶数字节地址， 共有32个模拟量输入点。S7-200模拟量输出电路用来将模拟量输出映像寄存器区域的1个字长（16位 ）数字值转换为模拟电流或电压输输出。AQ编址范围AQW0，AQW2，AQW62，起始地址也采用偶数字节地址 ，共有32个模拟量输出点o 10. 累加器（AC）累加器是用来暂存数据， S7-200 PLC提供了4个32位累加器AC0AC3