1、第一章 PLC的认知初步 1.1 1.1 可编程序控制器概述可编程序控制器概述1.1.1 PLC1.1.1 PLC的由来的由来 在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是以继电器控制占主导地位的。这种由继电器构成的控制系统有着明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差，一旦生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，这造成了时间和资金的严重浪费。 1968年，美国通用汽车公司(GM公司)为了在每次汽车改型或改变工艺流程时不改动原有继电器柜内的接线，以便降低生产成本，缩短新产品的开发周期，而提出了研制新型逻辑顺序控制装置，并提出了
2、该装置的研制指标要求，即10项招标技术指标，这10 指标实际上就是当今可编程序控制器最基本的功能。 将它们归纳一下，其核心为以下四点： (1) 用计算机代替继电器控制盘。 (2) 用程序代替硬件接线。 (3) 输入/输出电平可与外部装置直接连接。 (4) 结构易于扩展 美国数字设备公司（DEC）中标并于1969年研出 了世界上第一台可编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。当时叫可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。紧接着，美国MODICON 公司也开发出同名的控制器，1971
3、年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制成了日本第一台可编程控制器 。1973年，西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。 1.1.2 1.1.2 可编程序控制器的定义、分类及特点可编程序控制器的定义、分类及特点 1. 1. 可编程序控制器的定义可编程序控制器的定义 由于PLC在不断发展，因此，对它进行确切的定 义是比较困难的。1982年，国际电工委员会(International Electrical Committee，IEC)颁布了PLC标准草案，1985年提交了第2版，并在1987年的第3版中对PLC作了如下的定义：PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的进行数字运算操作的电子装置
4、。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输的输入和输出。控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体和易于扩展其功能的原则而设计。 上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，是以微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程的一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。 2.可编程序控制器的分类 （1）PLC硬件结构的类型 可编程序控制器发展很快，目前，全世界有几百家工厂正
5、在生产几千种不同型号的PLC。为了便于 在工业现场安装，便于扩展，方便接线，其结构与普通计算机有很大区别。通常从组成结构形式上将这些PLC分为两类：一类是一体化整体式PLC，另一类是结构化模块式PLC。 整体式结构。从结构上看，早期的可编程序控制器是把CPU、RAM、ROM、I/O接口及与编程器或EPROM写入器相连的接口、输入/输出端子、电源、指示灯等都装配在一起的整体装置。一个箱体就是一个完整的PLC。它的特点是结构紧凑，体积小，成本低，安装方便，缺点是输入/输出点数是固定的，不一定能适合具体的控制现场的需要。这类产品有OMRON公司的C20P、C40P、C60P，三菱公司的FX系列，东芝
6、公司的EX20/40系列等。 模块式结构。模块式结构又叫积木式。这种结构形式的特点是把PLC的每个工作单元都制成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块、通信模块等。另外，机器上有一块带有插槽的母板，实质上就是计算机总线。把这些模块按控制系统需要选取后，都插到母板上，就构成了一个完整的PLC。这种结构的PLC的特点是系统构成非常灵活，安装、扩展、维修都很方便，缺点是体积比较大。常见产品有OMRON公司的C200H、C1000H、C2000H，西门子公司的S5-115U、S7-300、S7-400系列等。 （2）PLC的分类 为了适应不同工业生产过程的应用要求，可编程序控制器能够处
7、理的输入/输出信号数是不一样的。一般 将一路信号叫做一个点，将输入点数和输出点数的总和称为机器的点。按照I/O点数的多少，可将PLC分为超小(微)、小、中、大、超大等五种类型。如表1-1所示。表1-1 按I/O点数分类 按功能分类可分为低档机、中档机、高档机。如表1-2所示表1-2 按功能分类 3. 可编程序控制器的特点 PLC能如此迅速发展的原因，除了工业自动化的客观需要外，还有许多独特的优点。它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。其主要特点如下： （1）编程方法简单易学 梯形图是可编程序控制器使用最多的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似
8、。梯 形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。梯形图语言实际上是一种面向用户的高级语言，可编程序控制器在执行梯形图程序时，应先用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。 （2）功能强，性能价格比高 一台小型可编程序控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，它具有很高的性能价格比。可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制与集中管理。 （3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强可编程序控制器产品已经标准化、系列化、模块化，配 备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用
9、，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。可编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。可编程序控制器有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。 （4）可靠性高，抗干扰能力强 传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。可编程序控制器用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/101/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。可编程序控制器采取了 一系列硬件和软件抗干扰
10、措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。可编程序控制器已被广大用户公认为是最可靠的工业控制设备之一。 （5）系统的设计、安装、调试工作量少 可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。 可编程序控制器的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比继电器系统电路图的设计时间要少得多。 （6）维修工作量小，维修方便 可编程序控制器的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。可编程序控制器或外部的输
11、入装置和执行机构发生故障时，可以根据可编程序控制器上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明产生故障的原因，用更换模块的方法迅速地排除故障。 （7）体积小，能耗低 对于复杂的控制系统，使用可编程序控制器后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型可编程序控制器的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/21/10。 可编程序控制器的配线比继电器控制系统的配线少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，加上开关柜体积的缩小，可以节省大量的费用。 1 . 开关逻辑和顺序控制 这是PLC应用最广泛、最基本的场合。它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控
12、制，从而可以实现各种简单或十分复杂的控制要求。 2. 模拟控制 在工业生产过程中，许多连续变化的需要进行控制的物理量，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。为了实现工业领域对模拟量控制的广泛要求，目前大部分PLC产品都具备处理这类模拟量的功能。特别是当系统中模拟量控制点数不多，同时混有较多的开关量时，PLC具有其他控制装置所无法比拟的优势。另外，某些PLC产品还提供了典型控制策略模块，如PID模块，从而可实现对系统的 PID等反馈或其他模拟量的控制运算。 1.1.3 可编程序控制器的功能和应用3. 定时控制 PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时器与计数器。
13、对于定时器，其定时间隔可以由用户加以设定。对于计数器，如果需要对频率较高的信号进行计数，则可以选择高速计数器。4. 数据处理 新型PLC都具有数据处理的能力，它不仅能进行算术运算、数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等功能，有些PLC还可以进行浮点运算和函数运算。 5. 信号联锁系统 信号联锁是安全生产所必需的。在信号联锁系统中，采用高可靠性的PLC是安全生产的要求。对安全要求高的系统还可采用多重的检出元件和联锁系统，而对其中的逻辑运算等，可采用冗余的PLC实现。6. 通信联网 把PLC作为下位机，与上位机或同级的可编程序控制器进行通信，可完成数据的处理和信息的交换，实现对整
14、个生产过程的信息控制和管理，因此PLC是实现工厂自动化的理想工业控制器。1增强网络通信功能 PLC将具有计算机集散控制系统(DCS)的功能。网络化和增强通信能力是PLC的一个重要发展趋势。 2发展智能模块 智能模块是以微处理器为基础的功能部件，其CPU和PLC的CPU并行工作，占用PLC的机时很少，有利于提高PLC扫描速度和特殊控制要求。这些不断出现的新智能I/O模块，使PLC在实时精度、分辨率、人机对话等方面得到进一步的改善和提高。3外部诊断功能 在PLC控制系统中，80%的故障发生在外围，能快速准确地诊断故障将极大地减少维护时间。因此，研制了智能可编程I/O系统，开发了故障诊断程序并发展了
15、公共回路远距离诊断和网络诊断技术，供用户了解I/O组件状态和监测系统的故障。 4编程语言、编程工具标准化、高级化1.1.4可编程序控制器的发展趋势可编程序控制器的发展趋势 随着PLC功能的增强，梯形图语言的一统局面将被打破，而符合IEC 1131标准的顺序功能图(SFC)标准化语言、高级语言将会更多地得到应用。高级语言更有利于通信、运算、打印和报表等。 手持式编程器也为计算机所取代，并将会出现通用的、功能更强的组态软件，以进一步改善开发环境，提高开发效率。 手持式编程器也为计算机所取代，并将会出现通用的、功能更强的组态软件，以进一步改善开发环境，提高开发效率 5软件、硬件的标准化 PLC的各生
16、产厂商在硬件和软件系统设计中互不兼容，差异很大，这给PLC的进一步发展带来了诸多不便。国际电工委员会(IEC)对PLC未来的发展制定出了一个方向或框架，并先后颁布了IEC 1131-1IEC 1131-5五项包括一般信息、设备特性与测试、编程语言、用户导则、制造信息规范伴随标准等PLC标准。 6组态软件的迅速发展 个人计算机具有很强的数字运算、数据处理、通信和人机交互的功能，使得很多PLC生产厂商推出了在计算机上运行的可实现PLC功能的软件包。这些组态软件使编程更加简单，极大地方便了PLC控制系统的开发和使用。 工业控制计算机，其硬件系统都大体相同，主要由中央处理器模块、存储器模块、输入输出模
17、块、编程器和电源等几部分构成，如图1-1所示。 1.1.5 PLC的组成与基本结构的组成与基本结构图1-1 PLC系统结构1中央处理器（CPU） CPU是PLC的核心部件，主要用来运行用户程序、监控输入/输出接口状态以及进行逻辑判断和数据处理。CPU用扫描的方式读取输入装置的状态或数据，从内存逐条读取用户程序，通过解释后按指令的规定产生控制信号，然后分时、分渠道地执行数据的存取、传送、比较和变换等处理过程，完成用户程序所设计的逻辑或算术运算任务，并根据运算结果控制输出设备响应外部设备的请求以及进行各种内部诊断。 2存储器 可编程控制器的存储器由只读存储器ROM、随机存储器RAM和可电擦写的存储
18、器EEPROM三大部分构成，主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。只读存储器ROM用以存放系统程序，可编程控制器在生产过程中将系统程序固化在ROM中，用户是不可改变的。用户程序和中间运算数据存放的随机存储器RAM中，RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。它存储的内容是易失的，掉电后内容丢失；当系统掉电时，用户程序可以保存在只读存储器EEPROM或由高能电池支持的RAM中。EEPROM兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点，用来存放需要长期保存的重要数据 3电源 PLC的电源是指为CPU、存储器和I/O接口等内部电子电路工作所配备的直流开关电源。
19、电源的交流输入端一般都有脉冲吸收电路，交流输入电压范围一般都比较宽，抗干扰能力比较强。电源的直流输电压多为直流5V和直流24V。直流5V电源供PLC内部使用，直流24V电源除供内部使用外还可以供输入/输出单元和各种传感器使用。 4输入/输出接口 I/O单元（输入/输出接口电路）。PLC内部输入电路作用是将PLC外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的符合PLC输入电路要求的电压信号，通过光电耦合电路送至PLC内部电路。输入电路有直流输入电路、交流输入电路和交直流输入电路。输入电路通常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力，输入响应时间一般在0.115ms之间。根据输入信号形式的不同，可分
20、为模拟量I/O单元、数字量I/O单元两大类。根据输入单元形式的不同，可分为基本I/O单元、扩展I/O单元两大类。PLC内部输出电路作用是将输出映像寄存器的结果通过输出接口电路驱动 外部的负载（如接触器线圈、电磁阀、指示灯等）。输出电路用于把用户程序的逻辑运算结果输出到PLC外部，输出电路具有隔离PLC内部电路和外部执行元件的作用，还具有功率放大的作用。输出电路有晶体管输出型、可控硅输出型和继电器输出型三种。功能模块是一些智能化的输入/输出电路。如温度检测模块、位置检测模块、位置控制模块和PID控制模块等。 （1） 输入接口电路 由于生产过程中使用的各种开关、按钮、传感器等输入器件直接接到PLC
21、输入接口电路上，为防止由于触点抖动或干扰脉冲引起错误的输入信号，输入接口电路必须有很强的抗干扰能力。以直流输入电路为例，如图1-2所示，输入接口电路提高抗干扰能力的方法主要有利用光电耦合器提高抗干扰能力和利用滤 波电路提高抗干扰能力。 图1-2 直流输入电路 （2）输出接口电路 根据驱动负载元件不同可将输出接口电路分为3种： 小型继电器输出形式。如图1-3所示。这种输出形 式既可驱动交流负载，又可驱动直流负载。驱动负载的能力在2A左右。它的优点是适用电压范围比较宽，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力强。缺点是动作速度较慢，动作次数（寿命）有一定的限制。建议在输出量变化不频繁时优先选用，不
22、能用于高速脉冲的输出。图1-3所示电路工作原理是：当内部电路的状态为1时，使继电器K的线圈通电，产生电磁吸力，触点闭合，则负载得电，同时点亮LED，表示该路输出点有输出。当内部电路的状态为0时，使继电器K的线圈无电流，触点断开，则负载断电，同时LED熄灭，表示该路输出点无输出。 态为1时，光电耦合器T1导通，使大功率晶体管VT饱和导通，则负载得电，同时点亮LED，表示该路输出点有输出。当内部电路的状态为0时，光电耦合器T1断开，大功率晶体管VT截止，则负载失电，LED熄灭，表示该路输出点无输出。VD为保护二极管，可防止负载电压极性接反或高电压、交流电压损坏晶体管。FU的作用是：防止负载短路时损
23、坏PLC。当负载为电感性负载，VT关断时会产生较高的反电势所以必须给负载并联续流二极管，为其提供放电回路，避免VT承受过电压。 图1-4 大功率晶体管输出形式电路 双向晶闸管输出形式。如图1-5所示。这种输出形式适合驱动交流负载。由于双向可控硅和大功率晶体管同属于半导体材料元件，所以优缺点与大功率晶体管或场效应管输出形式的相似，适合在交流供电、输出量变化快的场合选用。图1-5所示电路工作原理是：当内部电路的状态为1时，发光二极管导通发光，相当于双向晶闸管施加了触发信号，无论外接电源极性如何，双向晶闸管T均导通，负载得电，同时输出指示灯LED点亮，表示该输出点接通；当对应T的内部继电器的状态为0
24、时，双向晶闸管施加了触发信号，双向晶闸管关断，此时LED不亮，负载失电。这种输出接口电路驱动负载的能力为1A左右。图1-5 双向可控硅输出形式电路 （3）I/O电路的常见问题 用三极管等有源元件作为无触点开关的输出设备，与PLC输入单元的连接时，由于三极管自身有 漏电流存在，或者电路不能保证三极管可靠截止而处于放大状态，使得即使在截止时，仍会有一个小的漏电流流过，当该电流值大于1.3mA时，就可能引起PLC输入电路发生误动作。可在PLC输入端并联一个旁路电阻来分流，使流入PLC的电流小于1.3mA。 应在输出回路串联保险丝，避免负载电流过大，会损坏输出元件或电路板。 由于晶体管、双向晶闸管型输
25、出端子漏电流和残余电压的存在，当驱动不同类型的负载时，需要考虑电平匹配和误动等问题。 （4）感性负载断电时产生很高的反电势，对输出单元电路产生冲击，对于大电感或频繁关断的感性负载应使用外部抑制电路，一般采用阻容吸收电路或二极管吸收电路。 5外部设备接口 外设接口电路用于连接编程器或其他图形编程器、文本显示器、触摸屏、变频器等并能通过外设接口组成PLC的控制网络。PLC通过PC/PPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口与计算机连接，可以实现编程、监控、连网等功能。 6I/O扩展接口 扩展接口用于扩展输入/输出单元，它使PLC的控制规模配置更加灵活，这种扩展接口实际上为总线形式，可以配置开关量
26、的I/O单元，也可配置模拟量和高速计数等特殊I/O单元及通信适配器等。 7. 编程器 编程器是PLC的重要外围设备。利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态。现在手持式编程器已逐渐被笔记本取代。 德国的西门子公司是欧洲最大的电子和电气设备制造商，生产的SIMATIC可编程序控制器在欧洲处于领先地位。最新的SIMATIC产品为SIMATIC S7、M7和C7等几大系列。SIMATIC S7系列产品分为通用逻辑模块（LOGO!）、微型PLC（S7-200系列）、中小型PLC（S7-300系列）和大中型PLC（S7-400系列）4个产品系列。从C
27、PU模块的功能来看，SIMATIC S7-200系列微型PLC发展至今大致经历了两代。第一代产品（21版），其CPU模块为CPU 21X，主机都可进行扩展；第二代产品（22版），其CPU模块为CPU 22X，是在21世纪初投放市场的，速度快，具有较强的通信能力。 1.2 S7-200系列PLC介绍1.2.1S7-200系列PLC系统 S7-200系列PLC的硬件主要包括CPU和扩展模块。扩展模块则包括模拟量I/O扩展模块、数字量I/O扩展模块、温度测量扩展模块、特殊功能模块（如定位模块）和通信模块等。外部结构如图1-6所示。它是整体式PLC，它将输入/输出模块、CPU模块、电源模块均装在一个机
28、壳内，当系统需要扩展时，可选用需要的扩展模块与基本单元（主机）连接。. S7-200系列PLC的外部结构图1-6 S7-200系列PLC外部结构 （）CPU模块 S7-200系列的CPU的中央处理器是16位的，其参数见下表1-3所示。1）CPU的工作方式 CPU的前面板即存储卡插槽的上部，有3盏指示灯显示当前工作方式。CPU前面板上用两个发光二极管显示当前工作方式，绿色指示灯亮，表示为运行状态，红色指示灯亮，表示为停止状态，在标有SF指示灯亮时表示系统故障，PLC停止工作。 STOP（停止）。CPU在停止工作方式时，不执 表1-3 S7-200系列CPU模块主要技术指标 行程序，此时可以通过编
29、程装置向PLC装载程序或进行系统设置，在程序编辑、上下载等处理过程中，必须把CPU置于STOP方式。 RUN（运行）。CPU在RUN工作方式下，PLC按照自己的工作方式运行用户程序。 2）改变CPU工作方式的方法 用工作方式开关改变工作方式。工作方式开关有3个挡位：STOP、TERM（Terminal）、RUN。把方式开关切到STOP位，可以停止程序的执行；把方式开关切到RUN位，可以起动程序的执行；把方式开切到TERM（暂态）或RUN位，允许STEP7- Micro/WIN32软件设置CPU工作状态。 如果工作方式开关设为STOP或TERM，电源上电时，CPU自动进入STOP工作状态。 设置
30、为RUN时，电源上电时，CPU自动进入RUN工作状态。 用编程软件改变工作方式。把方式开关切 换 到 T E R M （ 暂 态 ） ， 可 以 使 用 S T E P 7 -Micro/WIN32编程软件设置工作方式。 在程序中用指令改变CPU的工作方式。在程序中插入一个STOP指令，CPU可由RUN方式进入STOP工作方式。 （）存储系统 S7-200系列PLC的CPU模块内部配备了一定容量的RAM（Random Access Memory) 和EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)，两种类型的存储器构成了PL
31、C 的存储系统，如图1-7所示。主机CPU模块内部配备的EEPROM，上装程序时，可自动装入并永久保存用户程序、数据和CPU的组态数据，用户可以用程序将存储在RAM中的数据备份到EEPROM存储器，主机CPU提供一个超级电容器，可使RAM中的程序和数据在断电后保持几天之久。CPU提供一个可选的电池卡，可在断电后超级电容器中的电量完全耗尽时，继续为内部RAM存储器供电，以延长数据所存的时间，可选的存储器卡可使用户像使用计算机磁盘一样来方便地备份和装载程序和数据。 图1-7 存储系统 （）输入/输出端子 输入/输出模块电路是PLC与被控设备间传递输入/输出信号的接口部件。各输入/输出点的通/断状态
32、用LED显示，外部接线就接在PLC输入/输出接线端子上。S7-200系列CPU 22X主机的输入和输入有两种类型：一种是CPU 22X AC/DC/继电器，AC表示供电为交流输入电源220V ，DC表示输入端的电源电压为直流24V ，提供24V直流电源给外部元件（如传感器、开关）等，“继电器”表示输出为继电器输出(驱动交、直流负载); 另一种是CPU 22X DC/DC/DC，DC表示供电电源电压为直流24V ，第二个DC表示输入端的电源电压为直流24V ，提供24V直流给外部元件（如传感器、开关等），第三个DC表示输出端子的电源为直 流24V，场效应晶体管输出（驱动直流负载），用户可根据需要
33、选用。 ）CPU224型PLC输入端子接线 CPU224的主机共有14个输入点（I0.0I0.7、I1.0I1.5）和10个输出点（Q0.0Q0.7，Q1.0Q1.1），在编写端子代码时采用八进制，没有0.8和0.9。CPU224输入端子的接线如下图1-8和1-9所示，它采用了双向光电耦合器，24V直流极性可任意选择，L+和M端子分别是模块提供24V直流电源的正极和负极，它可以作为输入电路的电源，也可作为外部传感 器 、 开 关 的 电 源 。 系 统 设 置 1 M 为 输 入 端 子（I0.0I0.7）公共端，2M为（I1.0I1.5）输入端子内部电路的公共端。 图1-8 输入端子的接线（
34、PNP）图1-9 输入端子的接线（NPN） 【例例1-1】 有一台S7-224 CPU，输入端有一只三线PNP接近开关和一只二线PNP接近开关，应如何接线？ 【解解】 对于S7-224 CPU，公共端接电源的负极。而对于三线PNP接近开关，只要将其正、负极分别与电源的正、负极相连，将信号线与PLC的“I0.0”相连即可；而对于二线PNP接近开关，只要将电源的正极分别与其正极相连，将信号线与PLC的“I0.1”相连即可，如图1-10为例1-1输入端子的接线示意图。图1-10 例1-1输入端子的接线 ）CPU224CPU224型型PLCPLC输出端子接线输出端子接线 CPU 224的输出电路有场效
35、应晶体管输出电路和继电器输出电路两种供用户选用，其用法前面已叙述，具体接法如图1-11和1-12所示。图1-11 晶体管输出（直流输出）图1-12 继电器输出【例【例1-21-2】 有一台S7-224 CPU，控制一只24V DC的电磁阀和一只220V AC电磁阀，输出端应如何接线？ 【解】【解】 因为两个电磁阀的线圈电压不同，而且有直流和交流两种电压，所以如果不经过转换，只能用继电器输出的CPU，而且两个电磁阀分别在两个组中。其接线如图1-13所示。图1-13 例1-2接线图 （）电源模块（）电源模块 外部提供给PLC的电源，有24VDC、220VAC两种，根据型号不同有所变化，电源的技术指
36、标见表1-4。S7-200的CPU单元有一个内部电源模块，S7-200小型PLC的电源模块与CPU封装在一起，通过连接总线为CPU模块、扩展模块提供5V的直流电源，如果容量许可，还可提供给外部24V直流的电源，供本机输入点和扩展模块继电器线圈使用。应根据下面的原则来确定I/O电源的配置。表1-4 电源的技术指标 1）有扩展模块连接时 如果扩展模块对5VDC电源的需求超过CPU的5V电源模块的容量，则必须减少扩展模块的数量。 2）当+24V直流电源的容量不满足要求时 可以增加一个外部24V直流电源给扩展模块供电。此时外部电源不能与S7-200的传感器电源并联使用，但两个电源的公共端（M）应连接在
37、一起。（）扩（）扩展功能模块展功能模块 扩展单元作为基本单元输入/输出点数的扩充，只能与基本单元连接使用。不能单独使用。S7-200的扩展单元包括数字量扩展单元，模拟量扩展单元，热电偶、热电阻扩展模块，PROFIBUS-DP通信模块。有不同功能的扩展模块，可以满足不同的控制需要，节约投资费用。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，如图1-14所示。CPU222最多连接两个扩展模块，CPU224/CPU226最多连接7个扩展模块。1）数字量I/O扩展模块 S7-200 PLC 提供了多种类型的数字量扩展模块，用户可选用8点、16点和32点的数字量输入/输出模块。数字量I
38、/O扩展模块规格如表1-5所示。表1-5 数字量I/O扩展模块规格 2）模拟量I/O扩展模块 模拟量扩展模块提供了模拟输入量（如压力、温度、流量、转速等）和某些执行机构（如晶闸管调速装置、电动调节阀和变频器等）输出模拟量的功能，模拟量I/O扩展模块规格如表1-6所示。表1-6 模拟量I/O扩展模块规格 使用模拟量模块时，要注意以下问题。 模拟量模块有专用的扁平电缆（与模块打包出售）与CPU通信，并通过此电缆由CPU向模拟量模块提供5V DC的电源。此外，模拟量模块必须外接24V DC电源。 每个模块能同时输入/输出电流或者电压信号，对于模拟量输入的电压或者电流信号选择通过DIP开关设定，量程的
39、选择也是通过DIP开关来设定的。 对于模拟量输入模块，传感器电缆线应尽可能短，而且应使用屏蔽双绞线，导线应避免弯成锐角。靠近信号源屏蔽线的屏蔽层应单端接地。 未使用的通道应短接，如果EM231中的B+和B端子未使用，则要进行短接。 3）热电偶、热电阻扩展模块 EM231热电偶、热电阻扩展模块是为S7-200 CPU222 CPU224和CPU226/226XM设计的模拟量扩展模块，EM231热电偶模块具有特殊的冷端补偿电路，该电路测量模块连接器上的温度，并适当改变测量值，以补偿参考温度与模块温度之间的温度差，如果在EM231热电偶模块安装区域的环境温度迅速地变化，则会产生额外的误差，要想达到最
40、大的精度和重复性，热电阻和热电偶模块应安装在稳定的环境温度中。 4）通信模块PROFIBUS-DP S7-200系列的CPU要接入PROFIBUS-DP网，则必须配置通信模块EM 277模块，EM 277作为DP从站，EM 277模块接收来自主站的多种不同的I/O组态，向主站发送和接收数据。5）定位模块EM 253 S7-200系列CPU（晶体管输出时）的Q0.0和Q0.1可以输出高速脉冲，可以用于控制步进电动机和伺服电动机，但若要求较高时，则应使用定位模块EM 253。EM 253 能产生脉冲串，用于步进电机和伺服电机速度、位置的开环控制, PWM 输出 fmax = 200 kHz。直接从
41、 Micro/WIN 软件进行参数设置和调整。 1. 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1状态，用低电子表示0状态。 “与”、“或”、“非”逻辑运算的输入输出关系如表1-7所示，用继电器电路或类似于继电器接触器电气控制电路的PLC编程软件梯形图可以实现“与”、“或”、“非”逻辑运算(见图1-15)。用多个触点的串、并联电路可以实现复杂的逻辑运算，例如图1-16中的继电器电路。 1.2.2 可编程序控制器的工作原理实现的逻辑运算可用逻辑代数
42、式表示为： 表表1-7 1-7 逻辑运算关系表逻辑运算关系表上式左边的KM与图中的线圈相对应，右边的KM与KM的常开触点相对应， 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Q0.0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。 图1-16是
43、用交流接触器控制异步电动机的主电路、控制电路和有关的波形图。按下起动按钮SBl，它的常开触点接通，电流经过SBl的常开触点和停止按钮SB2的常闭触点，流过交流接触器KM的线圈、接触器的衔铁被吸合，使主电路中KM的3对常开触点闭合，异步电动机M的三相电源接通，电动机开始运行，控制电路中接触器KM的辅助常开触点同时接通。放开起动按钮后，SBl的常开触点断开，电流经KM的辅助常开触点和SB2的常闭触点流过KM的线圈，电动机继续运行。KM的辅助常开触点实现的这种功能称为“自锁”或“自保持”，它使继电器电路具有类似于R-S触发器的记忆功能。 图1-16异步电动机控制电路 在电动机运行时按停止按钮SB2，
44、它的常闭触点断开，使KM的线圈失电，KM的主触点断开、异步电动机的三相电源被切断，电动机停止运行，同时控制电路中KM的辅助常开触点断开。当停止按钮SB2被放开，其常闭触点闭合后，KM的线圈仍然失电，电动机继续保持停止运行状态。图1-9（c）给出了有关信号的波形图，图中用高电平表示1状态（线圈通电、按钮被按下)，用低电平表示0状态(线圈断电、按钮被放开)。 图中的热继电器FR用于过载保护，电动机过载时，经过一段时间后，FR的常闭触点断开，使KM的线圈断电，电动机停转。 2 可编程序控制器的工作原理 众所周知，继电器控制系统是一种“硬件逻辑系统”，它所采用的是并行工作方式，也就是条件一旦 形成，多
45、条支路可以同时动作。PLC是在继电器控制系统逻辑关系基础上发展演变的。而PLC是一种专用的工业控制计算机，其工作原理是建立在计算机工作原理基础上的。为了可靠地应用在工业环境下，便于现场电气技术人员的使用和维护，应有大量的接口器件、特定的监控软件和专用的编程器件。这样一来，不但其外观不像计算机，其操作使用方法、编程语言及工作过程与计算机控制系统也是有区别的。 实现的工作原理是通过执行反映控制要求的用户程序，PLC的CPU是以分时操作方式来处理各项任务的。计算机在每一瞬间只能做一件事，所以，程序的执行是按程序顺序依次完成相应段落上的动作，所以，它属于串行工作方式。 1）PLC控制系统的等效工作电路
46、 PLC控制系统的等效工作电路可以由输入部分、内部控制电路和输出部分组成。输入部分就是采集输入信号，输出部分就是系统的执行部件。这两部分与继电器控制电路相同，内部控制电路就是用户所编写的程序，可以实现控制逻辑，用软件编程代替继电器电路的功能。其等效工作电路如图1-17所示，它是工作台前进、到位后停车并有工作指示灯的控制电路。 图1-17 PLC的等效工作电路 输入部分。输入部分由外部输入电路、PLC输入接线端子和输入继电器组成。外部输入信号经PLC输入接线端子去驱动输入继电器线圈。每个输入端子与其相同编号的输入继电器有着唯一确定的对应关系。如当外部的输入元件（前进按钮SB1）处于接通状态时，对
47、应的输入继电器线圈（I0.0）“得电”。这个输入继电器（I0.0）是PLC内部的软继电器，实际上这里不存在真正的物理上的继电器，它只是存储器(I0)中的某一位(I0.0)，它可以提供任意多个的动合触点或动断触点。这里所说的“触点”实际上也是不存在的，还是为了向早期的继电器线路图靠拢，便于大家理解。“触点”实际上就是存储器位的状态，这样一来就可以任意取用了。 为使输入继电器的线圈“得电”，即让外部输入元件的接通状态写入其对应的存储单元中去，输入回路要有电流，这个电源可以用PLC自己提供的24V直 流电源，也可以由PLC外部的独立的交流或直流电源供电。 内部控制电路。内部控制电路是由用户程序形成的
48、用“软继电器”来替代硬继电器的控制逻辑。它的作用是按照用户编写的程序所规定的逻辑关系，处理输入信号和输出信号。 一般用户程序是用梯形图语言编制的，看上去很像继电器控制线路图，这也是PLC设计者所追求的。在前面已经提到过，即使PLC的梯形图与继电器控制线路图完全相同，最后的输出结果不一定相同，这是因为处理信号的过程是不一样的。继电器控制线路图中的继电器线圈都是并联关系，机会相等，只要条件允许可以，同时动作。而PLC的梯形图程序的工作特点是周期性逐行扫描的。这样一来最后的输出结果就 难免不一样了。 除了输人信号和输出信号，在PLC中还提供了计时器、计数器、辅助继电器(相当于继电器控制线路中的中间继
49、电器)及某些特殊功能的继电器。为了实现控制要求，在编程时可根据需要选用继电器；但这些器件只能在PLC的内部控制电路中使用，在PLC的I/O点处是看不到它们的。 输出部分(以数字量继电器输出型PLC为例)。输出部分是由在PLC内部且与内部控制电路隔离的输出继电器的外部动合触点、输出接线端子和外部驱动电路组成，用来驱动外部负载。 每个输出继电器除了有为内部控制电路提供编程用的任意多个动合、动断触点外，还为外部输出电路提供了一个实际的动合触点与输出接线端子相连。需要特别指出的是 输出继电器是PLC中唯一存在的实际物理器件，打开PLC可发现在输出侧放置的那些微型继电器。 2）PLC的工作原理 PLC虽
50、然具有许多微型计算机的特点，但它的工作方式却与微型计算机有很多不同点，这主要是各自的操作系统和系统软件的不同造成的。 PLC的工作方式有两个显著特点：一个是周期性顺序扫描，一个是信号集中批处理。 PLC通电后，需要对软硬件都做一些初始化的工作。为了使PLC的输出及时地响应各种输入信号，初始化后反复不停地分步处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作方式称为周期性顺序扫描工作方式。 PLC在运行过程中，总是处在不断循环的顺序扫描过程中，每次扫描所用的时间称为扫描时间，又称为扫描周期或工作周期。 由于PLC的I/O点数较多，采用集中批处理的方法，可简化操作过程便于控制，提高系统可靠性。因此，PLC
