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1、PLC原理与应用,机械与汽车工程学院 主 讲：钱 钧 电 邮：地 址：机械楼604室,2013年4月9日,Principles and Applications of PLC,1,第二章 PLC的工作原理,2.1 继电器2.2 PLC的循环扫描方式2.3 常用PLC简介,2,2.1 继电器,继电器的组成(常开、常闭)触点、线圈、衔铁，等,N.O.,N.C.,3,2.1 继电器,继电器的作用功率放大线圈的工作电压：直流、交流控制回路（例如：电机主回路为几十A）可以作为中间继电器，控制交流接触器，从而控制电机通断电气隔离线圈工作电压与触点间电压无关,4,2.1 继电器,继电器的作用逻辑运算例：启保
2、停电路,KM=(SB1+KM)SB2,与 M=AB或 M=A+B非 M=A,5,2.1 继电器,继电器的作用逻辑运算例：启保停电路,6,2.1 继电器,继电器输出的特点驱动电流大，响应慢，有机械寿命。适用于驱动中间继电器、接触器的线圈、指示灯等动作频率不高的场合。很多硬件都是一种继电器例如：定时器、计数器、温控仪,7,2.1 继电器,继电器（Relay）控制 v.s.PLC控制控制方式Relay 采用硬件接线，利用机械触点的串、并联，形成控制逻辑，只能完成逻辑控制。PLC 采用存储逻辑，控制逻辑以程序方式存储在内存中。控制速度Relay 工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。PLC 速度快，
3、微秒级，能够严格同步，无触点抖动。PLC可以等价为软继电器、虚拟继电器。,8,2.2 PLC的循环扫描方式,循环扫描方式周期扫描方式CPU从第一条指令开始执行，遇到结束符（End）后返回第一条，不断循环。抗干扰能力强，但响应速度较慢。定时中断方式输入中断方式通信方式,微机：等待命令方式,顺序扫描，不断循环！,9,2.2 PLC的循环扫描方式,循环扫描过程中五个阶段的任务内部处理阶段通信处理阶段输入(I)刷新阶段程序执行阶段输出(O)刷新阶段由系统程序实现由PLC的制造企业编制，固化在PROM或EPROM中，安装在PLC上。包括：系统管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模块等。,10
4、,2.2 PLC的循环扫描方式,上电初始化进行系统初始化处理清除内部继电器区，复位定时器等检查电源、内部电路、用户程序的语法等,11,2.2 PLC的循环扫描方式,内部处理阶段检查用户程序存储器是否正常扫描周期I/0单元的连接复位监控定时器（WDT）如果出现错误，发出报警信号、停止运行PLC。通信处理阶段进行PLC与微机之间、或PLC与PLC之间的信息交换。,12,2.2 PLC的循环扫描方式,输入刷新阶段以扫描方式把输入信息的状态存入输入映像寄存器。（读入全部输入端子的通断状态，并保存。）在程序执行阶段，即使输入状态发生变化，输入映像寄存器的内容也不会改变，直到下一个扫描周期的相应阶段。输出
5、刷新阶段将输出映像寄存器的通断状态经输出锁存寄存器、输出电路送到输出点，成为PLC的实际输出。,13,2.2 PLC的循环扫描方式,程序执行阶段自上而下，逐条读用户程序并执行。以扫描的方式按顺序逐句扫描处理，扫描一条执行一条，并把运算结果存入输出映像寄存器对应的位中。用户程序用户根据生产过程控制的需要，使用编程语言自行编制的应用程序。包括：开关量逻辑控制、模拟量运算程序、闭环控制程序、操作站系统应用程序等。,14,2.2 PLC的循环扫描方式,执行用户程序的过程,执行用户程序,输入刷新,输出刷新,15,2.2 PLC的循环扫描方式,执行用户程序的过程,读,读,读,写,写,执行用户程序,Q0.1
6、,I1.0,I0.0,I0.1,Q0.0,输入端子,输入电路,用户输入设备,输入映像寄存器,输出电路,输出端子,输出映像寄存器,输出锁存器,用户输出设备,(),(),16,2.2 PLC的循环扫描方式,扫描周期由多个阶段任务所需时间的和。约为0.1100ms。,一个扫描周期,O刷新,I刷新,执行指令,内部处理,通信处理,17,2.2 PLC的循环扫描方式,系统响应时间（输入输出滞后时间）是指PLC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，大约几十毫秒。影响因素输入滤波的时间输出电路的滞后扫描周期,18,2.2 PLC的循环扫描方式,中断程序的处理不是由用
7、户程序调用，而是在中断事件发生时，由系统程序调用。中断的优先级处理和输出由于PLC扫描输入点是按顺序进行的，因此中断源的先后顺序根据其占用的输入点位置而自动排序，当系统接到中断申请后便顺序扫描中断源。在扫描中断源的过程中，就在存储器的一个特定区里建立中断处理表，按顺序存放中断信息，然后系统按照该表顺序先后转至相应的中断子程序去处理。,19,2.2 PLC的循环扫描方式,中断程序的处理中断的优先级处理和输出PLC的中断源有优先顺序，一般无嵌套关系，即在中断程序执行中，如果有新的中断发生，无论它的优先顺序如何，都不能中断正在执行的中断程序。只有在原中断处理程序结束后，才能进行新的中断处理。PLC正
8、常的输入/输出处理是在扫描周期内的某一个阶段进行的，对于中断处理子程序中有关信息的输出必须采取特殊处理，即这部分输出信息不通过周期扫描方式输出，而利用专门的硬件或软件去立即执行。,20,2.2 PLC的循环扫描方式,中断程序的处理,用户程序结构,21,2.2 PLC的循环扫描方式,PLC工作方式小结循环扫描，具有周期性，定时完成在每个扫描周期内，只进行一次输入和输出的操作。对用户程序而言，要处理的输入信号是输入映像寄存器的信号，而不是实际的信号。运算处理后的输出信号被放到输出映像寄存器中，而不是直接输出到现场的信号。以串行方式执行多个阶段的任务,22,2.2 PLC的循环扫描方式,PLC的两种
9、基本工作状态运行（RUN）状态执行用户程序，实现控制功能停止（STOP）状态创建和编辑用户程序，设置PLC的硬件功能下载程序到PLC,23,2.2 PLC的循环扫描方式,在PLC的面板上，通常有状态指示灯，用于显示RUN/STOP状态,西门子S7-200PLC,西门子S7-1200PLC,24,2.3 常用PLC简介,西门子PLC S7-200即将停产？西门子PLC S7-200 SMARTS7-200的升级产品西门子PLC S7-1200面向中低端市场的新一代PLC,25,2.3.1 西门子PLC S7-200,西门子SIMATIC S7家族S7-400 中/大型S7-300 中/小型S7-
10、200 微型CPU221,222,224,226,26,2.3.1 西门子PLC S7-200,西门子S7-200 CPU,CPU 226 8K 字节 5K 字节 24/16 32/32 0.37 us 256 256 256 256 内置 标准 标准 6个 30Khz 2个 20Khz 2 x RS 485,用户程序区 数据存储区 CPU 内置DI/DO点数 AI/AO点数 扫描时间/1 条指令 最大DI/DO点数 位存储区 计数器 计时器 时钟功能 数字量输入滤波 模拟量输入滤波 高速计数器 脉冲输出 通讯口,CPU 222 4 K字节 2 K字节 8/6 16/16 0.37 us 25
11、6 256 256 256 可选 标准 标准 4个 30Khz 2个 20Khz 1 x RS 485,CPU 221 4 K字节 2 K字节 6/4 无 0.37 us 256 256 256 256 可选 标准 N/A 4个 30Khz 2个 20Khz 1 x RS 485,CPU 224 8 K字节 5 K字节 14/10 32/32 0.37 us 256 256 256 256 内置 标准 标准 6个 30Khz 2个 20Khz 1 x RS 485,27,2.3.1 西门子PLC S7-200,西门子S7-200 CPU的扩展功能(使用扁平电缆)CPU221 数字量 10点CP
12、U222数字量 40入/38出=78模拟量 8入或4出 或 8入/2出CPU224数字量 94入/74出=168模拟量 28入或14出 或 28入/7出CPU226数字量 128入/120出=248模拟量 28入或14出 或 28入/7出,最大2个模块,无扩展能力,28,2.3.1 西门子PLC S7-200,西门子S7-200 PLC的功能高速处理能力(每条二进制指令执行速度0.37S)通讯功能(PPI、MPI、自由口、Profibus-DP和As-I)内置最多六路高速计数器（HSC）(30KHz)内置两路高速脉冲输出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200S)8路P
13、ID回路控制,29,2.3.1 西门子PLC S7-200,西门子S7-200 PLC的功能脉冲捕捉功能每个CPU内置的数字量输入点均可独立地设置脉冲捕捉功能，可识别宽度很小的脉冲,30,2.3.1 西门子PLC S7-200,西门子S7-200 PLC的功能高速计数功能不占用CPU扫描时间包括：加计数、减计数、加/减计数,31,2.3.1 西门子PLC S7-200,西门子S7-200 PLC的功能高速脉冲输出功能具有脉宽调制（PWM）和脉冲序列输出（PTO）两种模式。PWM提供可变占空比的脉冲输出。PTO提供的一组脉冲在电机加、减速时频率线性变化。脉冲输出频率为20KHz。不影响CPU扫描
14、速度。,脉冲输出用于控制步进电机,驱动,脉冲输出用于控制加热器,加热器,32,2.3.1 西门子PLC S7-200,西门子S7-200 PLC的功能数字量、模拟量滤波功能CPU内置的数字量输入点设置 0.2ms12.8ms 的滤波时间，降低噪音干扰。对于CPU222,CPU224和226，可为所有的模拟量输入点设置滤波功能。,33,2.3.1 西门子PLC S7-200,西门子S7-200 PLC的编程线缆使用PC/PPI电缆与计算机的串口连接,34,2.3.1 西门子PLC S7-200,西门子S7-200 PLC的编程软件STEP 7-Micro/WIN,35,2.3.1 西门子PLC
15、S7-200,西门子S7-200 PLC的编程软件STEP 7-Micro/WIN中的基本指令,位逻辑指令 比较指令 SlMATIC 计时器指令 计数器指令 高速计数器指令 脉冲输出指令 时钟指令 整数数学运算指令 实数数学运算指令 赋值指令,表格指令 逻辑操作指令 移位循环指令 转换指令 程序控制指令 通讯指令 逻辑堆栈指令 NETR,NETW 指令 PID 指令,36,2.3.1 西门子PLC S7-200,西门子S7-200 PLC的触摸屏615英寸触摸屏,37,2.3.1 西门子PLC S7-200,例：西门子S7-224XP CN PLC基本配置数字量 14输入/10输出，共24个I
16、/O点模拟量 2输入/1输出，共 3个I/O点通讯口 2RS-485,38,2.3.1 西门子PLC S7-200,例：西门子S7-224XP CN PLC应用自动化机械的遥控面板,39,2.3.2 西门子PLC S7-200 SMART,2012年7月30日，南京，西门子发布了新款的小型PLC，命名为S7-200 SMART。参考网文“西门子的刺刀，S7-200 SMART PLC评测报告”,CPU SR6C,扩展模块,40,2.3.2 西门子PLC S7-200 SMART,S7-200 SMART有6款CPUSR20，SR40/ST40，SR60/ST60，CR40。其中，20点一款，4
17、0点3款，60点2款。其中包括一款40点不带扩展功能的经济型。最大的扩展能力目前可以达到188点。,41,2.3.2 西门子PLC S7-200 SMART,42,2.3.2 西门子PLC S7-200 SMART,43,2.3.2 西门子PLC S7-200 SMART,S7-200 SMART的CPU速度提高到了0.15us每个位指令,PLC布尔指令执行时间对比,欧姆龙三菱台达,S7-1200 0.085 s,0.1,44,2.3.2 西门子PLC S7-200 SMART,S7-200 SMART的通讯功能集成一个RS485口支持扩展板功能集成了以太网，用来编程或组网皆可目前不支持Pro
18、fiBus协议,45,2.3.2 西门子PLC S7-200 SMART,S7-200 SMART的编程软件在S7-200的Micro/Win基础上发展起来，指令基本没有变化，界面更加友好，易于掌握。安装包小于100M。,46,2.3.2 西门子PLC S7-200 SMART,S7-200 SMART的运动控制 支持3路伺服控制的能力定位为低端市场，价格会比S7-200低，尤其是不具备扩展能力的经济型CPU。,47,2.3.3 西门子PLC S7-1200,2009年5月18日，西门子自动化系统部西门子北京中心正式发布了全新小型可编程控制器系列SIMATICS7-1200系列PLC。,CPU
19、,CPU扩展模块,48,2.3.3 西门子PLC S7-1200,S7-1200有4款CPU1211C，1212C，1214C，1215C。可以在CPU的前面增加一块信号板（SB），以扩展数字或模拟I/O，而不必改变控制器的体积。信号模块（SM）连接到CPU的右侧，以进一步扩展数字或模拟I/O容量。通讯模块（CM）连接到CPU的左侧。,49,2.3.3 西门子PLC S7-1200,S7-1200的通讯功能配备了集成PROFINET接口，完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如PROFIBUS）技术 集成 SIMATIC STEP 7 工程组态系统（用于编程）SIMATIC HMI 精简系列面板（用于可视化）其它控制器（用于 PLC 间的通讯）第三方设备（用于可选的高级集成）,新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。,以太网接口？,50,2.3.3 西门子PLC S7-1200,S7-1200的编程软件STEP7 TIA PORTAL V11 SP2,组态配置、设置,51,课外阅读,基于PROFINET的工厂自动化TCP/IP标准通讯，用于工厂控制级 实时（RT）通讯，用于传感器和执行器设备之间的数据交换同步实时（IRT）通讯，用于运动控制,谢谢听讲，下次再见！,课件下载请到 Email:Pass:robotics,下一讲：PLC编程语言与 基本逻辑指令,
