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1、模块四 认识西门子,知识目标：熟练掌握西门子PLC的工作原理、结构特点及硬件组成；熟练使用编程软件进行操作能力目标：初步具有PLC的硬件设计能力，对西门子的系统进行正确接线；具有西门子软件的操作能力,学习内容,PLC的产生与发展,PLC的组成及基本工作原理,PLC的性能、特点及分类,PLC的应用领域,学习目标：,了解PLC的产生原因,了解PLC的发展过程,掌握PLC的组成,掌握PLC的基本工作原理,理解PLC的性能,理解PLC的特点,理解PLC的分类,理解PLC的控制功能,什么时间？谁提出要造PLC？,二十世纪六十年代末期，美国汽车制造工业竞争十分激烈，为了适应市场从少品种大批量生产向多品种小
2、批量生产的转变，为了尽可能减少转变过程中控制系统的设计制造时间，减少经济成本，1968年美国通用汽车公司GM（GenerlMotors）公开招标，要求用新的控制装置取代生产线上的继电接触器控制系统。,4.1 PLC的产生和发展,什么时间？谁最先造出世界上的第一台PLC？,1969年美国数字设备公司DEC（DIGTAL）根据上述要求，首先研制出了世界上第一台可编程控制器PDP-14，用于通用汽车公司的生产线，取得了满意的效果。,4.1 PLC的产生和发展,KM2,SB1,SB3,FR,Q,FR,FU,M3,SB2,KM1,KM2,KM1,KM2,KM1,KM2,KM1,继电接触器电动机正反转控制
3、线路,Q,FR,FU,M3,KM1,KM2,M+0V M1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 S7-200CPU L N COM0 0.0 0.1 0.2 0.3,SB1,SB2,SB3,KM1,KM2,KM1,KM2,PLC电动机正反转控制线路,Q0.0,Q0.1,PLC电动机正反转控制程序,(),(),PLC从产生到现在经历了几代的发展过程？,第二代PLC（19731975年）：采用了8位微处理器及半导体存储器，增加了数字运算、传送、比较等功能，能实现模拟量的控制，开始具备自诊断功能，初步形成系列化。,从PLC产生到现在，已发展到第四代产品。其过程基本可分为：,第一代PLC（1969
4、1972年）：大多用一位机开发，用磁芯存储器存储，只具有单一的逻辑控制功能，机种单一，没有形成系列化。,第四代PLC（1983年现在）：不仅全面使用16位、32位高性能微处理器，高性能位片式微处理器，RISC(reduced instruction set computer)精简指令系统CPU等高级CPU，而且在一台PLC中配置多个微处理器，进行多通道处理，同时生产了大量内含微处理器的智能模块，使得第四代PLC产品成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的真正名符其实的多功能控制器。,第三代PLC（19761983年）：随着高性能微处理器及位片式CPU在PL
5、C中大量的使用，PLC的处理速度大大提高，从而促使它向多功能及联网通信方向发展，增加了多种特殊功能，如浮点数的运算、三角函数、表处理、脉宽调制输出等，自诊断功能及容错技术发展迅速。,由于PLC的发展，使其功能已经远远超出了逻辑控制的范围，因而用“PLC”已不能描述其多功能的特点。1980年，美国电气制造商协会(NEMA)给它起了一个新的名称，叫programmable controller”，简称PC。由于PC这一缩写在我国早已成为个人计算机(personal computer)的代名词，为避免造成名词术语混乱，因此在我国仍沿用PLC表示可编程控制器。,正是由于PLC具有多种功能，并集三电（电
6、控装置、电仪装置、电气传动控制装置）于一体，使得PLC在工厂中备受欢迎，用量高居首位，成为现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。,+,4.2 PLC的组成和基本工作原理,4.2.1 PLC的组成,中央处理单元,输入输出接口,编程器接口,I/O扩展接口,电源,编程器,系 统 总 线,通信接口,1.PLC的硬件系统,(一)PLC的硬件系统,中央处理单元,输入输出接口,编程器接口,I/O扩展接口,电源,编程器,系 统 总 线,通信接口,中央处理单元,PLC的中央处理单元主要由微处理器CPU、存储器ROM/RAM和微处理器I/O接口组成。微处理器CPU CPU作为整个PLC的
7、核心起着总指挥的作用，是PLC的运算和控制中心。存储器RAM/ROM 存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其它一些信息。微处理器I/O接口 它一般由数据输入寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路构成，负责微处理器及存储器与外部设备的信息交换。,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。各类型的型号如表所示。,这是PLC与被控设备相连接的接口电路。用户设备需输入PLC的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其它一些传感器输出的开关量或模拟量(要通过模数变换进入机内)等，通过输入接口电路将这些信号转换成中央处理单
8、元能够接收和处理的信号。输出接口电路将中央处理单元送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、电机等被控设备的执行元件。,输入输出接口,直流输入接口电路示意图,内部电路,输入LED,IN IN COM,交流输入接口电路示意图,中小型的PLC输入输出接口都是与中央处理单元CPU制造在一起的，为了满足被控设备输入输出点数较多的要求，常需要扩展数字量输入输出模块；为了满足模拟量控制的需要，常需要扩展模拟量输入输出模块，如A/D、D/A转换模块等；I/O扩展接口就是为连接各种扩展模块而设计的。,I/O扩展接口的连接,S7-200常用I/O扩展单元型号及输入、输出端子分配,例如
9、，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，下表所示为其中的一种可行的系统输入输出组态状况。,若按表的扩展方式，各模块在I/O链中的位置排列方式也可以有多种，如图所示为其中的一种模块连接形式。,扩展连接图,通信接口用于PLC与计算机、PLC、变频器、触摸屏等智能设备之间的连接，以实现PLC与智能设备之间的数据传送。,通信接口的连接,输入输出接口,I/O扩展接口,用于将编程器与PLC进行连接，以实现编程器对PLC的操作。,编程器用作用户程序的编制、编辑、调试和监视，还可以通过其
10、键盘去调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数，它经过编程器接口与中央处理器单元联系，完成人机对话操作。,PLC手持编程器,液晶显示窗,工作方式开关,指令键,数字键,编辑键,通信电缆,PLC的电源,电源部件将交流电源转换成供PLC的中央处理器、存储器等电子电路工作所需要的直流电源，同时还向各种扩展模块提供24V直流电源。,1输入接线,图2-4 CPU224输入电路接线图,4.1.2输入输出接线,2输出接线,晶体管输出电路接线图,图2-5 CPU224晶体管输出电路接线图,2输出接线,继电器输出电路接线图,图2-6 CPU224继电器输出电路的接线图,4.2 STEP7-Micro/WIN编程软
11、件介绍,图4-10 STEP7-Micro/WIN编程软件的主界面,STEP7-Mirco/WIN主要编程功能,1.编程元素及项目组件 STEP7-MircoWIN的一个基本项目包括程序块、数据块、系统块、符号表、状态表、交叉引用表。程序块、数据块、系统块须下载到PLC，而符号表、状态表、交叉引用表不下载到PLC。程序块由可执行代码和注释组成，可执行代码由一个主程序和可选子程序或中断程序组成。程序代码被编译并下载到PLC，程序注释被忽略。在“指令树”中 右击“程序块”图标可以插入子程序和中断程序。,数据块由数据（包括初始内存值和常数值）和注释两部分组成。数据被编译后，下载到PLC，注释被忽略。
12、系统块用来设置系统的参数，包括通信口配置信息、保存范围、模拟和数字输入过滤器、背景时间、密码表、脉冲截取位和输出表等选项。单击“浏览栏”上的“系统块”按钮，或者单击“指令树”内的“系统块”图标，可查看并编辑系统块。系统块的信息须下载到PLC，为PLC提供新的系统配置。,2.梯形图程序的输入（1）建立项目 通过菜单命令“文件”“新建”或单击工具栏中“新建”快捷按钮，可新建一个项目。此时，程序编辑器将自动打开。（2）输入程序 在程序编辑器中使用的梯形图元素主要有触点、线圈和功能块，梯形图的每个网络必须从触点开始，以线圈或没有ENO输出的功能块结束。线圈不允许串联使用。,（3）编辑程序 剪切、复制、
13、粘贴或删除多个网络 通过用SHIFT键+鼠标单击，可以选择多个相邻的网络，进行剪切、复制、粘贴或删除等操作。注意：不能选择网络中的一部分，只能选择整个网络。编辑单元格、指令、地址和网络 用光标选中需要进行编辑的单元，单击右键，弹出快捷菜单，可以进行插入或删除行、列、垂直线或水平线的操作。删除垂直线时把方框放在垂直线左边单元上，删除时选“行”，或按“DEL”键。进行插入编辑时，先将方框移至欲插入的位置，然后选“列”。,（4）程序的编译 程序编译操作用于检查程序块、数据块及系统块是否存在错误。程序经过编译后，方可下载到PLC。单击“编译”按钮或选择菜单命令“PLC”“编译”，编译当前被激活的窗口中
14、的程序块或数据块；单击“全部编译”按钮或选择菜单命令“PLC”“全部编译”，编译全部项目元件（程序块、数据块和系统块）。使用“全部编译”，与哪一个窗口是活动窗口无关。编译的结果显示在主窗口下方的输出窗口中。,3.程序的上传下载（1）下载 如果已经成功地在运行STEP 7-Micro/WIN的个人计算机和PLC之间建立了通讯，就可以将编译好的程序下载至该PLC。如果PLC中已经有内容将被覆盖。单击工具条中的“下载”按钮，或用菜单命令“文件”“下载”。出现“下载”对话框。根据默认值，在初次发出下载命令时，“程序代码块”、“数据块”和“CPU配置”（系统块）复选框都被选中。如果不需要下载某个块，可以
15、清除该复选框。单击“确定”，开始下载程序。如果下载成功，将出现一个确认框会显示以下信息：下载成功。下载成功后，单击工具条中的“运行”按钮，或“PLC”“运行”，PLC进入RUN（运行）工作方式。注意：下载程序时PLC必须处于停止状态，可根据提示进行操作。,(2)上传 可用下面的几种方法从PLC将项目文件上传到STEP 7-MicroWIN程序编辑器：单击“上载”按钮；选择菜单命令“文件”“上载”；按快捷键组合Ctrl+U。执行的步骤与下载基本相同，选择需上传的块（程序块、数据块或系统块），单击“上传”按钮，上传的程序将从PLC复制到当前打开的项目中，随后即可保存上传的程序。,3.程序的上传下载
16、,4 选择工作方式 PLC有运行和停止两种工作方式。单击工具栏中的“运行”按钮或“停止”按钮可以进入相应的工作方式。,5程序的调试与监控 在STEP7-MicroWIN编程设备和PLC之间建立通信并向PLC下载程序后，可使PLC进入运行状态，进行程序的调试和监控。（1）程序状态监控 在程序编辑器窗口，显示希望测试的部分程序和网络，将PLC置于RUN工作方式，单击工具栏中“程序状态”按钮或用菜单命令“调试”“程序状态”，将进入梯形图监控状态。在梯形图监控状态，用高亮显示位操作数的线圈得电或触点通断状态。触点或线圈通电时，该触点或线圈高亮显示。运行中梯形图内的各元件状态将随程序执行过程连续更新变换
17、。,（2）状态表监控 单击浏览条上的“状态表”按钮或使用菜单命令“检视”“元件”“状态表”，可打开状态表编辑器，在状态表地址栏输入要监控的数字量地址或数据量地址，点击工具栏中的“状态表”按钮，可进入“状态表”监控状态。在此状态，可通过工具栏强制I/O点的操作，观察程序的运行情况，也可通过工具栏对内部位及内部存储器进行“写”操作来改变其状态，进而观察程序的运行情况。,5程序的调试与监控,自诊断,通讯处理,扫描输入,执行程序,刷新输出,4.3 PLC的基本工作原理,PLC经过五个阶段的工作过程，称为一个扫描周期，完成一个扫描周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。,每次扫描用户程序之前，都
18、先执行故障自诊断程序。自诊断内容为I0部分、存储器、CPU等，发现异常停机显示出错。若自诊断正常，继续向下扫描。,PLC检查是否有与编程器、计算机等的通信请求，若有则进行相应处理，如接收由编程器送来的程序、命令和各种数据，并把要显示的状态、数据、出错信息等发送给编程器进行显示。如果有与计算机等的通信请求，也在这段时间完成数据的接受和发送任务。,PLC的中央处理器对各个输入端进行扫描，将所有输入端的状态送到输入映象寄存器。,中央处理器CPU将逐条执行用户指令程序，即按程序要求对数据进行逻辑、算术运算，再将正确的结果送到输出映像寄存器中。,当所有的指令执行完毕时，集中把输出映象寄存器的状态通过输出
19、部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。,PLC经过这五个阶段的工作过程，称为一个扫描周期，完成一个扫描周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。在不考虑第二个因素（通讯处理）时，扫描周期T的大小为：T=（读入一点时间输入点数）+（运算速度程序步数）+（输出一点时间输出点数）+故障诊断时间显然扫描周期主要取决于程序的长短，一般每秒钟可扫描数十次以上，这对于工业设备通常没有什么影响。但对控制时间要求较严格，响应速度要求快的系统，就应该精确的计算响应时间，细心编排程序，合理安排指令的顺序，以尽可能减少扫描周期造成的响应延时等不良影响。,输入电路,输出电路,按钮,按钮,输入
20、扫描,执行程序,输出刷新,1.I/O总点数,I/O总点数是衡量PLC接入信号和可输出信号的数量。PLC的输入输出有开关量和模拟量两种。其中开关量用最大I/O点数表示，模拟量用最大I/O通道数表示。,2.存储器容量,存储器容量是衡量可存储用户应用程序多少的指标，通常以字或K字为单位。一般的逻辑操作指令每条占1个字，定时器、计数器移位操作等指令占2个字，而数据操作指令占24个字。,4.4.1 PLC的性能指标,4.4 PLC的性能、特点及分类,3.编程语言,编程语言是可编程控制器厂家为用户设计的用于实现各种控制功能的编程工具，它有多种形式，常见的是梯形图编程语言及语句表编程语言，另还有逻辑图编程语
21、言、布耳代数编程语言等。,4.扫描时间,扫描时间是指执行1000条指令所需要的时间。一般为10ms左右，小型机可能大于40ms。,5.内部寄存器的种类和数量,内部寄存器的种类和数量是衡量PLC硬件功能的一个指标。它主要用于存放变量的状态、中间结果、数据等，还提供大量的辅助寄存器如定时器/计数器、移位寄存器、状态寄存器等，以便用户编程使用。,6.通讯能力,通讯能力是指可编程控制器与可编程控制器、可编程控制器与计算机之间的数据传送及交换能力，它是工厂自动化的必备基础。目前生产的可编程控制器不论是小型机还是中大型机，都配有一至两个、甚至更多个通讯端口。,7.智能模块,智能模块是指具有自己的CPU和系
22、统的模块。它作为PLC中央处理单元的下位机，不参与PLC的循环处理过程，但接受PLC的指挥，可独立完成某些特殊的操作。如常见的位置控制模块、温度控制模块、PID控制模块、模糊控制模块等等。,4.4.2 PLC的特点,可靠性,多功能性,模块结构,易编程性,4.4.3 PLC的分类,按安装结构分,按点数功能分,按生产厂家分类,日本立石（OMRON）公司的C系列可编程序控制器；日本三菱（MITSUBISHI）公司的F、F1、F2、FX2系列可编程序控制器；日本松下（PANASONIC）电工公司的FP1系列可编程序控制器；美国通用电气（GE）公司的GE系列可编程序控制器；美国艾论布拉德利（A-B）公司
23、的PLC-5系列可编程序控制器；德国西门子（SIEMENS）公司的S5、S7系列可编程序控制器。,1.根据其外形和安装结构分,单元式结构的特点是结构非常紧凑。它把可编程控制器的三大组成部分都装在一个金属或塑料外壳之中，即它将所有的电路都装入一个模块内，构成一个整体。这样，体积小，成本低，安装方便。为了达到输入输出点数灵活配置及易于扩展的目的，某一系列的产品通常都由不同点数的基本单元和扩展单元构成。,1）一体式结构(单元式),2）模块式结构 模块式可编程控制器采用搭积木的方式组成系统，在一个机架上插上CPU、电源、IO模块及特殊功能模块，构成一个总IO点数很多的大规模综合控制系统。,3）叠装式
24、以上两种结构各有特色。前者结构紧凑，安装方便，体积小巧，易于与机床、电控柜相联成一体，但由于其点数有搭配关系，加之各单元尺寸大小不一致，因此不易安装整齐。后者点数配置灵活，又易于构成较多点数的大系统，但尺寸较大，难于与小型设备相联。为此，有些公司开发出叠装式结构的PLC，它的结构也是各种单元、CPU自成独立的模块，但安装不用机架，仅用电缆进行单元间联接，且各单元可以一层层地叠装。这样，既达到了配置灵活的目的，又可以做得体积小巧。,2.按点数、功能分,1）小型PLC 小型PLC又称为低档PLC。这类PLC的规模较小，它的输入输出点数一般从20点到128点。其中输入输出点数小于64点的PLC又称为
25、超小型机。用户存储器容量小于2KB，具有逻辑运算、定时、计数、移位及自诊断、监控等基本功能，有些还有少量的模拟量I/O、算术运算、数据传送、远程I/O和通信等功能，可用于开关量控制、定时计数控制、顺序控制及少量模拟量控制等场合，通常用来代替继电器接触器控制，在单机或小规模生产过程中使用。,2）中型PLC 中型PLC的I/O点数通常在120点至512点之间，用户程序存储器的容量为2KB8KB，除具有小型机的功能外，还具有较强的模拟量I/O、数字计算、过程参数调节如比例、积分、微分(PID)调节、数据传送与比较、数制转换、中断控制、远程I/O及通信联网功能。适用于既有开关量又有模拟量的较为复杂的控
26、制系统，如大型注塑机控制、配料和秤重等中小型连续生产过程控制,3）大型PLC 大型PLC又称为高档PLC，I/O点数在512点以上，其中I/O点数大于8192点的又称为超大型PLC，用户程序存储器容量在8KB以上，除具有中型机的功能外，还具有较强的数据处理、模拟调节、特殊功能函数运算、监视、记录、打印等功能，以及强大的通信联网、中断控制、智能控制和远程控制等功能。由于大型PLC具有比中小型PLC更强大的功能，因此一般用于大规模过程控制、分布式控制系统和工厂自动化网络等场合。,4.4 PLC的应用领域,1.逻辑量控制 这是PLC最基本的应用领域，可用PLC取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制和
27、顺序控制。在单机控制、多机群控和自动生产线控制方面都有很多成功的应用实例，如机床电气控制、起重机、皮带运输机和包装机械的控制、注塑机的控制、电梯的控制、饮料灌装生产线、家用电器(电视机、冰箱、洗衣机等)自动装配线的控制、汽车、化工、造纸、轧钢自动生产线的控制等。,2.模拟量控制 PLC都具有模拟量处理功能，通过模拟量IO模块可对温度、压力、速度、流量等连续变化的模拟量进行控制，而且编程和使用都很方便。大、中型的PLC还具有PID闭环控制功能，运用PID子程序或使用专用的智能PID模块，可以实现对模拟量的闭环过程控制。随着PLC规模的扩大，控制的回路己从几个增加到几十个甚至上百个，可以组成较复杂
28、的闭环控制系统。PLC的模拟量控制功能已广泛应用于工业生产各个行业，例如自动焊机控制、锅炉运行控制、连轧机的速度和位置控制等都是典型的闭环过程控制的应用场合。,3.运动控制 运动控制是指PLC对直线运动或圆周运动的控制，也称为位置控制，早期PLC通过开关量I/O模块与位置传感器和执行机构的连接来实现这一功能，现在一般都使用专用的运动控制模块来完成。目前，PLC的运动控制功能广泛应用在金属切削机床、电梯、机器人等各种机械设备上，典型的如PLC和计算机数控装置(CNC)组合成一体，构成先进的数控机床。,4.数据处理 现代PLC都具有不同程度的数据处理功能，能够完成数学运算(函数运算、矩阵运算、逻辑
29、运算)、数据的移位、比较、传递、数值的转换和查表等操作，对数据进行采集、分析和处理。数据处理通常用在大、中型控制系统中，如柔性制造系统、机器人的控制系统等。,5.通信联网 通信联网是指PLC与PLC之间、PLC与上位计算机或其他智能设备间的通信，利用PLC和计算机的RS-232或RS-422接口、PLC的专用通信模块，用双绞线和同轴电缆或光缆将它们联成网络，可实现相互间的信息交换，构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，建立工厂的自动化网络。,传送带生产线控制,灌装及包装机械,木材加工,电梯控制,空调控制,纺织机械,印刷机械,本章小结 本章介绍了PLC的产生及发展情况，介绍了PLC的基
30、本组成及工作原理、性能规格、结构类型及控制功能等。1PLC的发展过程是随着微型计算机的发展而不断发展的。2PLC是以微型计算机为核心辅以输入输出接口电路组成的一种微型计算机工业控制设备，它主要包括中央处理单元CPU、输入/输出接口、I0扩展接口、通讯接口、编程器、电源等几个部分组成。3PLC的工作方式区别于微型计算机的工作方式，它是周期扫描工作方式。在每个扫描周期中，PLC都要按通讯处理、扫描输入、执行程序、输出刷新的顺序依次不断循环工作。也正是由于PLC的这种“串行”工作方式，从而大大提高了PLC的抗扰性能。4PLC的性能主要包括I/O点数、存储容量、编程语言、扫描时间、内部寄存器数量及种类、通讯能力、智能模块几方面，它们是选择使用PLC的依据。5PLC的控制功能基本可涵盖自动控制领域，如逻辑量的控制、模拟量的控制、运动控制、网络通讯控制等等。6PLC的种类可按结构类型、点数多少、功能强弱来分类。,再见！,
