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，常用指令的格式和应用方法，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 第1章 概论n1.可编程控制器的产生及定义n1.1、PLC的产生n 1968年由美国通用汽车公司（GE）提出，1969年有美国数字设备公司（D E C）研 制 成 功，有 逻 辑
2、运 算、定 时、计 算 功 能 称 为 P L C（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。n1.2、PLC的定义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，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术
3、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，使用方便。o5、组成灵活。小型PLC为整体结构，并可
4、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控制已成为工业控制的重要手段之一，与CAD/CAM，机器
5、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，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
6、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
7、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S7-200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
8、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。CPU 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
9、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根据型号不同，可扩展的数量不同，具体可参考说明书。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
10、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
11、将PLC的输出信号传递给负载，线圈用程序指令驱动。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。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M0.0M31.7o4.顺序控制继电器（S）存储区 S又称状态元件，以实现
12、顺序控制和步进控制。S7-200 PLC编址范围S0.0S31.73.2.2 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，计数器当前值大于或等于预置值时，状态
13、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
14、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。累加器支持以字节（B）、字（W）和双字（D）的存取。o 11.高速计数器（HC）CPU 22X提供了6个高速计数器HC0、HC1HC5（每个计数器最高频率为30KHz）用来累计比CPU扫描速率更快的事件。高速计数器的当前值为双字长的符号整数。oS7-200 PLC各编程元器件及操作数的有效编程范围如表3.5和表3.6所示。3.3 I/O扩展 o 基本单元的基础上，S7-200系统最多可扩展7个模块。S7-200系统的扩展模块有数字量、模拟量、通讯、现场设备
15、接口等模块。3.4 S7-200系列PLC程序概念o3.4.1 梯形图编辑器（LAD）o3.4.2 语句表编辑器（STL）o3.4.3 功能块图编辑器（FBD）第4章 STEP7-Micro/WIN32编程软件的使用与安装 o 4.1 SIMATIC S7-200编程软件o SIMATIC S7-200编程软件是指西门子公司为S7-200系列可编程控制器编制的工业编程软件的集合，其中STEP7-Micro/WIN32软件是基于Windows的应用软件。o 本章以2001年版本的S7-200 PLC编程软件为例，介绍编程软件的安装、功能和使用方法，并结合应用实例讲解用户程序的输入、编辑、调试及监
16、控运行的方法。4.1.1 STEP7-Micro/WIN32软件 o STEP7-Micro/WIN32软件包括有Microwin3.1(新版本编程软件STEP7-Micro/WIN32 Version 3.1)软件；Microwin3.1的升级版本软件Microwin3.1 SP1；Toolbox（Toolbox包括Uss协议指令（变频通讯用）和TP070（触摸屏）的组态软件Tp Designer V1.0设计师）工具箱；以及Microwin3.11 Chinese（Microwin3.11 SP1和Tp Designer的专用汉化工具）等编程软件。o4.1.2 编程软件的安装(安装方法)o
17、 按Microwin3.1 Microwin3.1 SP1 Toolbox Microwin3.11 Chinese的顺序进行安装，必要时可查看光盘软件的Readme文件，按照提示步骤安装。4.1.3 建立S7-200 CPU的通讯o1.PC/PPI电缆通讯 PLC用PC/PPI电缆与个人计算机连接。o2.MPI通讯 多点接口（MPI）卡提供了一个RS485端口，可以用直通电缆和网络相连 4.2 STEP7-Micro/WIN32软件介绍o4.2.1 STEP7软件的基本功能 编程软件在离线条件下，可以实现程序的输入、编辑、编译等功能。编程软件在联机工作方式可实现程序的上、下载、通讯测试及实时
18、监控等功能。o4.2.2 STEP7-Micro/WIN32窗口组件及功能 窗口组件参见P36，图4.4。（连接装载的软件）1.主菜单及子目录的状态信息 2.工具条及浏览条和指令树 3.程序编辑器窗口 4.3 程序编制及运行 o4.3.1 建立项目（用户程序）o1、程序的输入、编辑o 通常利用LAD进行程序的输入，程序的编辑包括程序的剪切、拷贝、粘贴、插入和删除，字符串替换、查找等。还可以利用符号表对POU中的符号赋值。o2、程序的编译及上、下载o（1）编译 程序的编译，能明确指出错误的网络段，编程者可以根据错误提示对程序进行修改，然后再次编译，直至编译无误。o（2）下载 用户程序编译成功后，
19、将下载块中选中下载内容下载到PLC的存储器中。o（3）载入（上载）载入可以将PLC中未加密的程序或数据向上送入编程器（PC机）。将选择的程序块、数据块、系统块等内容上载后，可以在程序窗口显示上载的PLC内部程序和数据信息。4.4.2 梯形图编辑器 o1.梯形图元素的工作原理 触点代表电流（能量流）的控制开关，线圈代表由电流充电的中继或输出；框盒（指令盒）代表能量流到达此框时执行指令盒的功能。o2.梯形图排布规则 网络必须从触点开始，以线圈或框盒（没有ENO端）结束。注：每个用户程序，一个线圈或指令盒只能使用一次，并且不允许多个线圈串联使用。o3.在梯形图中输入指令（编程元件）光标、阶梯的开始、
20、继续输入元件等标志的识别。o4.程序的编辑及参数设定 o5.程序注释 o6.程序的编译及上、下载 4.4.3 程序的监视、运行、调试 o1.程序运行方式的设置o 将CPU的工作方式开关置在RUN位置。或将开关置在TERM（暂态）位置时，操作STEP7-Micro/WIN32菜单命令或快捷按钮对CPU工作方式进行软件设置。o2.程序运行状态的监视 运用监视功能，在程序状态打开下，观察PLC运行时，程序执行的过程中各元件的工作状态及运行参数的变化。第5章 S7-200 PLC基本指令 5.1 基本逻辑指令 o5.1.1 基本位操作指令o1、指令格式o LAD o STL 功能oLD BIT LDN
21、 BIT；用于网络段起始的常开常闭触点oA BIT AN BIT ；常开常闭触点串联，逻辑与与非指令oO BIT ON BIT ；常开常闭触点并联，逻辑或或非指令o BIT ；线圈输出，逻辑置位指令o基本位操作指令操作数寻址范围：I，Q，M，SM，T，C，V，S，L等。o指令助记符：LD（Load）、LDN（Load Not）、A（And）、AN（And Not）、O（Or）、ON（Or Not）、（Out）置位指令，线圈输出。例5.1 位操作指令程序应用 o工作原理分析：o网络段1 M0.0（I0.0M0.0）*I0.1 o网络段2 Q0.1（I0.2I0.3）*I0.4 NETWORK 1
22、LD I0.0 装入常开触点O M0.0 或常开触点AN I0.1 与常闭触点=M0.0 输出线圈 NETWORK 2LD I0.2 装入常开触点O I0.3 或常开触点AN I0.4 与常闭触点=Q0.1 输出线圈2.编程相关问题 o（1）PLC I/O端点的分配方法 每一个开关输入对应一个确定的输入点，每一个负载对应一个确定的输出点。外部按钮（包括起动和停车）一般用常开触点。o（2）输出继电器的使用方法 输出端不带负载时，控制线圈应使用内部继电器M或其他，不要使用输出继电器Q的线圈。o（3）梯形图程序绘制方法 梯形图程序触点的并联网络多连在左侧母线，线圈位于最右侧。o（4）梯形图网络段结构
23、：梯形图网络段的结构不增加程序长度，软件编译结果可以明确指出错误语句所在的网络段，清晰的网络结构有利于程序的调试，正确的使用网络段，有利于程序的结构化设计，使程序简明易懂。置位复位指令 o S S-BIT，N：从起始位（S-BIT）开始的N个元件置1。R S-BIT，N；从起始位（S-BIT）开始的N个元件清0。oNETWORK 1oLD I0.0oS Q0.0,1o oNETWORK 5oLD I0.1oR Q0.0,1 Q0.0I0.0I0.1定时器 o1.工作方式分类o 通电延时型（TON）、有记忆的通电延时型（保持型）（TONR）、断电延时型（TOF）等三类。o2.时基标准分类o 1m
24、s、10ms、100ms三种类型，不同的时基标准，定时精度、定时范围和定时器的刷新方式不同。o（1）定时精度：o（2）定时范围：定时时间T时基*预置值 时基越大，定时时间越长，但精度越差。表5.5 定时器工作方式及类型 工作方式 分辨率 最大定时范围 定时器号 TONR 1ms 32.767s T0,T64 10ms 327.67s T1T4,T65T68 100ms 3276.7s T5T31,T69T95 TON/TOF 1ms 32.767s T32，T96 10ms 327.67s T33T36,T97T100 100ms 3276.7s T37T63,T101T255定时器指令格式
25、o TON 通电延时型 o TONR 有记忆通电延时型 o TOF 断电延时型 o IN使能输入端；编程范围T0T255；PT是预置值输入端，最大预置值32767；工作原理分析 o（1）通电延时型（TON）使能端（IN）输入有效时，定时器开始计时，当前值从0开始递增，大于或等于预置值（PT）时，定时器输出状态位置1（输出触点有效），当前值的最大值为32767。使能端无效（断开）时，定时器复位（当前值清零，输出状态位置0）。例5.8通电延时型定时器应用程序 oNETWORK 1oLD I0.2oTON T33,+300o oNETWORK 2oLD T33o=Q0.0 PT T33Q0.0当前值
26、3SI0.23SPT预置值最大值32767（2）有记忆通电延时型（TONR）o 使能端IN输入有效时，定时器开始计时，当前值递增，当前值大于或等于预置值PT时，输出状态位置1。使能端输入无效时，当前值保持，使能端IN再次接通有效时，在原记忆值的基础上递增计时。有记忆通电延时型(TONR)定时器采用线圈的复位指令（R）进行复位操作，当复位线圈有效时，定时器当前值清零，输出状态位置0。o例5.9有记忆通电延时型定时器应用程序。oNETWORK 1oLD I0.0 oTONR T65,+500 o oNETWORK 2oLD I0.1oR T65,1o oNETWORK 3oLD T65o=Q0.0
27、 Q0.0I0.1T65当前值I0.0(5S)PT Q0.0I0.1T65当前值I0.0(5S)PT（3）断电延时型(TOF)o 使能端（IN）输入有效时，定时器输出状态位置1，当前值复位为0。使能端（IN）断开时，开始计时，当前值从0递增，当前值达到预置值时，定时器状态位复位置0，并停止计时，当前值保持。o例5.10断电延时型定时器应用程序，程序运行结果见时序分析。oNETWORK 1oLD I0.0oTOF T37,+30o oNETWORK 2oLD T37o=Q0.0 I0.03SPTQ0.0（T37 ）T37当前值通电延时定时器应用分析示例 o结论：用本身触点激励输入的定时器，时基为
28、1ms和10ms时不能可靠工作，一般不宜使用本身触点作为激励输入。若将图5.13改成图5.14，无论何种时基都能正常工作。o 图5.13 自身激励输入 图5.14 非自身激励输入 计数器指令 o 计数器利用输入脉冲上升沿累计脉冲个数。o S7-200系列PLC有递增计数（CTU）、增减计数（CTUD）、递减计数（CTD）等三类计数指令。o 计数器的使用方法和基本结构与定时器基本相同，主要由预置值寄存器、当前值寄存器、状态位等组成。CTU（Counter Up）增计数器CTD（Counter Down）减计数器CTUD（Counter UpDown）增减计数器o 图中CU增1计数脉冲输入端；CD
29、减1计数脉冲输入端；R复位脉冲输入端；LD减计数器的复位输入端。PV预置值（INT）最大范围32767。定时器分析要点o（1）通电延时型（TON）o使能端（IN）输入有效时，当前值从0开始递增，大于或等于预置值（PT）时，输出状态位置1。使能端无效（断开）时，定时器复位（当前值清零，输出状态位置0）。o（2）有记忆通电延时型（TONR）使能端（IN）输入有效时（接通），当前值从0递增，当前值大于或等于预置值（PT）时，输出状态位置1。使能端输入无效（断开）时，当前值保持（记忆），使能端（IN）再次接通有效时，在原记忆值的基础上递增计时。(TONR)定时器采用线圈的复位指令（R）进行复位操作，当
30、复位线圈有效时，定时器当前值清零，输出状态位置0。o（3）断电延时型(TOF)使能端（IN）输入有效时，定时器输出状态位立即置1，当前值复位（为0）。使能端（IN）断开时，开始计时，当前值从0递增，当前值达到预置值时，定时器状态位复位置0，并停止计时，当前值保持。计数器分析要点o（1）增计数指令（CTU）o 增计数指令在CU端输入脉冲上升沿，当前值增1计数。当前值大于或等于预置值（PV）时，计数器状态位置1。复位输入（R）有效时，计数器状态位复位（置0），当前计数值清零。o（2）增减计数指令（CTUD）o 增减计数器有两个脉冲输入端，CU/CD端的计数脉冲上升沿增1减1计数。当前值大于或等于预置值（PV）时，计数器状态位置1。复位输入（R）有效或执行复位指令时，计数器状态位置0，当前值清零。o（3）减计数指令（CTD）o 复位输入（LD）有效时，计数器把预置值（PV）装入当前值存储器，计数器状态位置0。CD端输入脉冲上升沿，减计数器当前值从预置值开始递减计数，当前值等于0时，计数器状态位置1，停止计数。程序示例程序示例程序示例程序示例程序示例程序示例
