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1、可编程控制器原理与应用可编程控制器原理与应用 可编程控制器结构及工作原理可编程控制器结构及工作原理 可编程控制器的编程语言及编程特点可编程控制器的编程语言及编程特点 S7-200 系列系列 PLC 硬件资源与配置硬件资源与配置 S7-200 系列系列 PLC基本指令系统及其应用基本指令系统及其应用 S7-200系列系列PLC特殊应用指令特殊应用指令 1参考文献参考文献 1 何波编电气控制及何波编电气控制及PLC应用北京：中国电应用北京：中国电力出版社，力出版社，2008 2张万忠等编电器与张万忠等编电器与PLC控制技术控制技术.北京：化学北京：化学工业出版社，工业出版社，第版。第版。3金沙等编
2、轻松看懂金沙等编轻松看懂PLC控制系统梯形图北控制系统梯形图北京：中国电力出版社，京：中国电力出版社，2009 2第一章第一章 可编程控制器结构可编程控制器结构与工作原理与工作原理 概述概述 PLC结构与工作原理结构与工作原理 PLC技术性能技术性能 PLC特点、主要功能及技术发展趋势特点、主要功能及技术发展趋势3第一节第一节 概述概述一、可编程控制器的一般概念一、可编程控制器的一般概念二、二、PLC的产生和发展过程的产生和发展过程三、可编程控制器定义三、可编程控制器定义4 当前用于工业控制的计算机可分为几类，如当前用于工业控制的计算机可分为几类，如可编程序控制器可编程序控制器、基于基于PCP
3、C总线的工业控制计总线的工业控制计算机算机、基于单片机的测控装置基于单片机的测控装置、用于模拟量用于模拟量闭环控制的可编程调节器闭环控制的可编程调节器、集散控制系统集散控制系统(DCS)(DCS)和和现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS)(FCS)等。可编程等。可编程序控制器是应用面最广、功能强大、使用方序控制器是应用面最广、功能强大、使用方便的通用工业控制装置，它已经成为当代工便的通用工业控制装置，它已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。业自动化的主要支柱之一。5 可编程序控制器可编程序控制器的产生和发展与的产生和发展与继电器继电器控制系统有控制系统有很大的关系。继电器控制系统已有上百年
4、的应用历史，很大的关系。继电器控制系统已有上百年的应用历史，它是一种它是一种用弱电信号控制强电用弱电信号控制强电的电力控制系统。在复杂的电力控制系统。在复杂的继电器控制系统中，故障的查找和排除是非常困难的，的继电器控制系统中，故障的查找和排除是非常困难的，可能会花费大量时间，严重地影响生产。如果工艺要求可能会花费大量时间，严重地影响生产。如果工艺要求发生变化，控制柜内的元件和接线需要作相应的变动，发生变化，控制柜内的元件和接线需要作相应的变动，这种改造的工期长、费用高，以至于有的用户宁愿扔掉这种改造的工期长、费用高，以至于有的用户宁愿扔掉旧的控制柜，另外制作一台新的控制柜。旧的控制柜，另外制作
5、一台新的控制柜。6 可可编编程程控控制制器器简简称称PLC（Programmable Logic Controller）被被称称为为现现代代工工业业控控制制的的三三大大支支柱柱之之一一（即即PLC，机机器器人人和和CAD/CAM）。目目前前PLC已已广广泛泛应应用用于于冶冶金金、石石油油、矿矿业业、机机械械、轻轻工工等等领领域域，为为工工业业自自动动化化提提供供了了有有力力的的工工具具，加加速了机电一体化的实现。速了机电一体化的实现。一、可编程控制器的一般概念一、可编程控制器的一般概念7继电器控制部分被被 控控 设设 备备输入部分输入部分 控制部分控制部分 输出部分输出部分被被 控控 设设 备
6、备输入部分输入部分 控制部分控制部分 输出部分输出部分可编程序控制器存储器(用户程序)图图1、继电器逻辑控制、继电器逻辑控制系统框图系统框图图图2、可编程序控制器控制、可编程序控制器控制系统框图系统框图8二、二、PLCPLC的产生和发展过程的产生和发展过程 可编程控制器的起源可以追溯到可编程控制器的起源可以追溯到20世纪世纪60年代末年代末期。美国通用汽车（期。美国通用汽车（GM）公司为了适应汽车型号不）公司为了适应汽车型号不断更新的需要提出希望有这样一种控制设备：断更新的需要提出希望有这样一种控制设备：(1)它的继电控制系统设计周期短，更改容易，接线简它的继电控制系统设计周期短，更改容易，接
7、线简单，成本低。单，成本低。(2)它能把计算机的许多功能和继电控制系统结合起来，它能把计算机的许多功能和继电控制系统结合起来，但编程又比计算机简单易学，操作方便。但编程又比计算机简单易学，操作方便。(3)系统通用性强。系统通用性强。1969年美国数字设备（年美国数字设备（DEC）公司研制出第一台可编）公司研制出第一台可编程控制器，并在程控制器，并在GM公司的汽车生产线上首次应用成公司的汽车生产线上首次应用成功。功。9 “可编程控制器是一种可编程控制器是一种数字运算操作数字运算操作的高级电子的高级电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的
8、序的存储器存储器，用来在其内部存储执行顺序控制、定时、，用来在其内部存储执行顺序控制、定时、计数、逻辑运算和算术运算等操作的计数、逻辑运算和算术运算等操作的指令指令，并通过数，并通过数字的、模拟的字的、模拟的输入和输出输入和输出，控制各种类型的机械或生，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制器系统联成一个整体、易于扩充其功能的与工业控制器系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。原则设计。”（国际电工委员会（国际电工委员会（IEC）颁布）颁布）三、可编程控制器定义：三、可编程控制器定义：10第二节第二节 P
9、LCPLC的基本结构及工作原理的基本结构及工作原理一、一、PLCPLC的的基本结构基本结构二、二、PLCPLC的工作原理的工作原理11中中央央处处理理单单元元存存储储器器数数据据存存储储器器输输出出接接口口地址总线地址总线 控制总线控制总线数据总线数据总线编程编程单元单元照明照明电磁装置电磁装置执行机构执行机构。电源电源地址总线地址总线控制总线控制总线输输入入接接口口模拟量输入模拟量输入行程开关行程开关继电器接点继电器接点各种开关各种开关一、一、PLCPLC基本基本结构结构121中央处理单元中央处理单元CPU（Centre Processing Unit）常用芯片常用芯片8031、8051、Z
10、80A、8085、68000等等 CPU作作为为整整个个PLC的的核核心心，起起着着总总指指挥挥的的作作用用，主要完成以下功能：主要完成以下功能：（1）将输入信号送入将输入信号送入PLCPLC中存贮起来中存贮起来 （2 2）编译用户指令，完成各种操作）编译用户指令，完成各种操作 （3 3）将结果送到输出端）将结果送到输出端 （4）响应外围设备请求（编程器、打印机等）响应外围设备请求（编程器、打印机等）2存贮器存贮器数数据据存存贮贮器器RAM，用用户户程程序序存存贮贮器器RAMRAM（用用鋰鋰电电池池备备份），系统程序存贮器份），系统程序存贮器ROM，EPROMEPROM，EEPROMEEPRO
11、M。133输入、输出接口电路输入、输出接口电路（1 1）输入接口）输入接口输入接口电路（直流输入型，输入采用光电耦合电输入接口电路（直流输入型，输入采用光电耦合电路，可大大减少电磁干扰，输入响应时间一般在路，可大大减少电磁干扰，输入响应时间一般在2ms2ms以下）。以下）。14（2 2）输出接口）输出接口 输出采用光电隔离。输出采用光电隔离。继继电电器器输输出出接接口口电电路路（适适用用于于直直流流或或低低频频交交流流大大功功率负载，响应时间率负载，响应时间ONOFF ONOFF 10ms10ms,OFFON,OFFON 8ms8ms）15晶晶闸闸管管输输出出接接口口电电路路（适适用用高高频频
12、大大功功率率负负载载，交交流流电源输出，响应时间几百电源输出，响应时间几百SS几几msms）16晶体管输出接口电路（适用高频小功率负载，直流晶体管输出接口电路（适用高频小功率负载，直流电源输出，响应时间电源输出，响应时间几十几十SS几百几百ss）174电源：电源：是指将外部交流电经整流、滤波、稳压转换是指将外部交流电经整流、滤波、稳压转换成满足成满足PLC中中CPU、存储器、输入输出接口等内部电、存储器、输入输出接口等内部电路工作所需用的直流电路或电源模块。路工作所需用的直流电路或电源模块。5编程工具：编程工具：是人与是人与PLC联系和对话的工具，是联系和对话的工具，是PLC最重要的外围设备。
13、最重要的外围设备。6I/O扩展接口。扩展接口。18PLCPLC采用采用循环扫描循环扫描工作方式工作方式，CPUCPU从第一条指令开始从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条。如此执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条。如此周而复始不断循环。每一循环称为一个扫描周期。周而复始不断循环。每一循环称为一个扫描周期。1 1 2 2 3 3 10 10 11 END11 END二、二、PLCPLC的工作原理的工作原理19输入端子输入锁存器输入状态寄存器元输件出状态寄存器输出锁存器输出端子程序执行用户输入设备用户输出设备读写读输入刷新输入刷新程序执行程序执行输出刷新输出刷新一个扫描周期PLC
14、的扫描工作过程的扫描工作过程PLC的工作过程可分为的工作过程可分为输入刷新、程序执行和输出刷新输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段三个阶段123GO201.输入刷新阶段输入刷新阶段 PLC在输入刷新阶段，首先以在输入刷新阶段，首先以扫描方式扫描方式按顺序从按顺序从输入锁存器中输入锁存器中读入读入所有输入端子的通断状态或输入数所有输入端子的通断状态或输入数据，并将其存入各对应的输入状态寄存器中，这一过据，并将其存入各对应的输入状态寄存器中，这一过程称为输入采样或输入刷新。随后关闭输入端口，进程称为输入采样或输入刷新。随后关闭输入端口，进入程序执行阶段。在程序执行阶段，即使输入状态有入程序执行阶段
15、。在程序执行阶段，即使输入状态有变化，输入状态寄存器中的内容也不会改变，变化了变化，输入状态寄存器中的内容也不会改变，变化了的输入信号状态只能在下一个扫描周期的输入刷新阶的输入信号状态只能在下一个扫描周期的输入刷新阶段被读入。段被读入。back212.程序执行阶段程序执行阶段 PLC在程序执行阶段，按用户程序顺序扫描在程序执行阶段，按用户程序顺序扫描执行执行每条指令每条指令，所需的执行条件从输入状态寄存器中和当，所需的执行条件从输入状态寄存器中和当前元件状态寄存器（存有辅助继电器、定时器、计数前元件状态寄存器（存有辅助继电器、定时器、计数器、输出继电器等器、输出继电器等PLC各种内部元件的状态
16、）中读入，各种内部元件的状态）中读入，经过相应的处理后，将结果再写入元件状态寄存器。经过相应的处理后，将结果再写入元件状态寄存器。back223.输出刷新阶段输出刷新阶段 当程序所有指令执行完毕，当程序所有指令执行完毕，输出状态寄存器输出状态寄存器（元（元件状态寄存器中对应输出继电器的部分）的件状态寄存器中对应输出继电器的部分）的通断通断状态状态在在CPU的控制下被的控制下被一次集中一次集中地送到输出锁存器中，并地送到输出锁存器中，并通过一定输出方式通过一定输出方式输出输出，推动外部相应执行元件工作，推动外部相应执行元件工作，这就是这就是PLC的输出刷新。的输出刷新。back23 经经过过输输
17、入入刷刷新新、程程序序执执行行和和输输出出刷刷新新这这三三个个阶阶段段，完完成成一一个个扫扫描描周周期期，这这个个过过程程以以同同一一方方式式反反复复重重复复称称为为循循环环扫扫描描工工作作方方式式。在在循循环环扫扫描描工工作作方方式式中中，由由于于输输入入刷刷新新过过程程是是在在输输出出刷刷新新过过程程后后马马上上进进行行的的。有有时时为为简简便便起见，将输入刷新和输出刷新过程统称为起见，将输入刷新和输出刷新过程统称为I/OI/O刷新。刷新。扫描周期：扫描周期：完成一次扫描所需的时间。完成一次扫描所需的时间。一个扫描周期长短取决于以下因素：一个扫描周期长短取决于以下因素：1 1CPUCPU执
18、行指令速度执行指令速度 2.2.每条指令占用时间每条指令占用时间 3.3.程序长短程序长短 PLCPLC这这种种循循环环扫扫描描工工作作方方式式比比微微机机的的等等待待工工作作方方式式具具有更高的可靠性有更高的可靠性,抗干扰能力更强。抗干扰能力更强。241 1输入输入/输出点数（输出点数（I/OI/O点数点数）指指PLCPLC外外部部输输入入、输输出出端端子子数数。I/OI/O总总点点数数是是衡衡量量PLCPLC可可接接收收输输入入信信号号（I I）和和输输出出信信号号（O O）的的数数量量。PLCPLC的的输输入入、输输出出有有开开关关量量和和模模拟拟量量两两种种。其其中中开开关关量量用用最
19、最大大I/OI/O点点数数表表示示，模模拟拟量量用用最最大大I/OI/O通道数表示。通道数表示。根根据据I/OI/O点点数数PLCPLC可可分分为为 小小型型PLCPLC（256256点点以以下下），中中型型PLCPLC（之之间间），大大型型（点以上）。（点以上）。扫描速度扫描速度 执执行行一一步步指指令令的的时时间间s/步步或或执执行行步指令所需时间步指令所需时间ms/k。第三节第三节 PLCPLC的技术性能的技术性能25内存容量内存容量 能能存存放放用用户户程程序序的的多多少少，以以步步为为单单位位，一条指令可能有好多步。一条指令可能有好多步。指令条数指令条数 衡量软件功能的指标衡量软件功
20、能的指标。5 5内部寄存器、继电器内部寄存器、继电器 输入输出寄存器、内部辅助寄存器输入输出寄存器、内部辅助寄存器、数据寄数据寄存器、定时器、计数器、特殊功能寄存器。种类存器、定时器、计数器、特殊功能寄存器。种类和数量是反映和数量是反映PLC硬件功能的一个指标。硬件功能的一个指标。6 6高功能模块高功能模块 高功能模块的多少，功能强弱是衡量高功能模块的多少，功能强弱是衡量PLC产产品水平高低的一个重要标志。常用高功能模块有：品水平高低的一个重要标志。常用高功能模块有：A/D模块，模块，D/A模块，高速计数模块，位置控制模模块，高速计数模块，位置控制模块，智能块，智能PID模块，温度控制模块，速
21、度控制模块，模块，温度控制模块，速度控制模块，远程通讯模块等。远程通讯模块等。26第四节第四节 PLCPLC的特点、主要功能及的特点、主要功能及技术发展趋势技术发展趋势一、一、PLC的特点的特点二、二、PLC的主要功能的主要功能三、三、PLC的分类的分类四、四、PLC技术发展趋势技术发展趋势27 1 1抗干扰能力强，可靠性高抗干扰能力强，可靠性高。a.输入输出均采用光电隔离，提高了抗干扰能力。输入输出均采用光电隔离，提高了抗干扰能力。b.输入输出电源相互独立，减少电源间干扰。输入输出电源相互独立，减少电源间干扰。c.采用循环扫描工作方式，提高抗干扰能力。采用循环扫描工作方式，提高抗干扰能力。d
22、.采用动态滤波措施，减少脉冲干扰。采用动态滤波措施，减少脉冲干扰。e.内内部部采采用用“监监视视器器”电电路路，以以保保证证CPU可可靠靠工工作。作。f.采采用用密密封封、防防尘尘、抗抗震震的的外外壳壳封封装装及及内内部部结结构构，可适应恶劣环境。可适应恶劣环境。采采用用上上述述措措施施，实实验验表表明明一一般般产产品品可可抗抗1KV，1SS的窄脉冲干扰，平均无故障时间的窄脉冲干扰，平均无故障时间5 510 10 万小时。万小时。一、一、PLCPLC的特点的特点28 2采用模块化组合结构，使系统构成十分采用模块化组合结构，使系统构成十分灵活，可根据需要任意组合，易于维修，易灵活，可根据需要任意
23、组合，易于维修，易于实现分散式控制。于实现分散式控制。3接口功能强接口功能强 电源而言有交流电源而言有交流110V、220V，直流，直流5、12V、24V、48V等。等。负载能力以从负载能力以从0.5A2A范围内变化。范围内变化。模拟量输入输出有模拟量输入输出有50mv、5V、10V、010 mA、420mA、等多种规格。、等多种规格。4编程语言简单易学，便于普及。编程语言简单易学，便于普及。5可进行在线修改，柔性好。可进行在线修改，柔性好。6有较高的性能价格比。有较高的性能价格比。29 1开关量控制开关量控制：取代传统继电器，完成开关量控制取代传统继电器，完成开关量控制。2.模拟量控制模拟量
24、控制 对许多连续变化量如温度、压力、流量、液位、速度对许多连续变化量如温度、压力、流量、液位、速度等的控制。等的控制。3.定时、计数控制定时、计数控制 4.步进控制步进控制（顺序控制）5.数据处理数据处理 设置有四则运算指令，对生产过程中的数据进行处理。设置有四则运算指令，对生产过程中的数据进行处理。6自诊断功能自诊断功能 PLC对电源、程序语言、运行状态等做自诊断，用代对电源、程序语言、运行状态等做自诊断，用代码显示诊断结果。码显示诊断结果。二、二、PLCPLC的主要功能的主要功能307.高功能模块高功能模块 对特殊常用量实行模块式专门控制，对特殊常用量实行模块式专门控制，如位置控制，如位置
25、控制，温度控制等温度控制等。8.通讯联网功能通讯联网功能 9.显示、打印功能显示、打印功能三、三、PLCPLC的分类的分类1.按结构形式分为按结构形式分为：整体式；模块式整体式；模块式2.按按I/O点数分为点数分为：小型机（小型机（I/O点数在点数在256点以下）点以下）；中型机（；中型机（I/O点数在点数在2562048点之间）；大型机点之间）；大型机（I/O点数在于点数在于2048点以上）点以上）31（三）按功能分类，可分为高、中、低三档。（三）按功能分类，可分为高、中、低三档。分分类类主要功能主要功能应用场合应用场合低低档档机机具有逻辑运算、定时、计数、及自诊具有逻辑运算、定时、计数、及
26、自诊断、监控等基本功能。有些还有少量断、监控等基本功能。有些还有少量A/D、D/A转换、算术运算、数据传转换、算术运算、数据传送、远程送、远程I/O和通讯等功能和通讯等功能常用于开关量控制、常用于开关量控制、定时、计数控制、顺定时、计数控制、顺序控制及少量模拟量序控制及少量模拟量控制等场合控制等场合。中中档档机机除具有低档机的功能外，还有较强的除具有低档机的功能外，还有较强的模拟量模拟量I/O、算术运算、数据传送与、算术运算、数据传送与比较、数制转换、子程序、远程比较、数制转换、子程序、远程I/O以及通讯联网功能。以及通讯联网功能。适用于既有开关量又适用于既有开关量又有模拟量的较为复杂有模拟量
27、的较为复杂的控制系统。如过程的控制系统。如过程控制。控制。高高档档机机除具有一般中档机的功能外，还具有除具有一般中档机的功能外，还具有较强的数据处理、模拟调节、特殊功较强的数据处理、模拟调节、特殊功能函数运算、以及更强的通讯联网、能函数运算、以及更强的通讯联网、中断控制、过程控制等功能。中断控制、过程控制等功能。可用于更大规模的过可用于更大规模的过程控制，构成分布式程控制，构成分布式控制系统，形成整个控制系统，形成整个工厂的自动化网络。工厂的自动化网络。32 PLC的技术发展总趋势是向两极分化的同时，尽量做的技术发展总趋势是向两极分化的同时，尽量做到系列化、通用化和高性能化，主要表现在：到系列
28、化、通用化和高性能化，主要表现在：1）两极分化是指在系统构成规模上向中，大型和小）两极分化是指在系统构成规模上向中，大型和小型或超小型两个方向发展。前者为现代化大型工矿企型或超小型两个方向发展。前者为现代化大型工矿企业自动化提供条件，后者为取代机械行业继电接触器业自动化提供条件，后者为取代机械行业继电接触器控制提供条件。控制提供条件。2）功能不断增强，各种应用模块不断推出。）功能不断增强，各种应用模块不断推出。3）产品更加规范化、标准化。）产品更加规范化、标准化。PLC技术规格规范化，技术规格规范化，使不同产品间能相互兼容。使不同产品间能相互兼容。4）向网络化发展）向网络化发展,通信联网功能不
29、断增强。通信联网功能不断增强。四、四、PLCPLC技术发展趋势技术发展趋势331、可编程控制器定义、可编程控制器定义：2、PLC的基本结构的基本结构（1）中央处理单元）中央处理单元CPU：将输入信号送入将输入信号送入PLCPLC中存中存贮起来；编译用户指令，完成各种操作；将结果送贮起来；编译用户指令，完成各种操作；将结果送到输出端；响应外围设备请求。到输出端；响应外围设备请求。（2 2）存存贮贮器器：数数据据存存贮贮器器RAMRAM，用用户户程程序序存存贮贮器器RAMRAM（用鋰电池备份），系统程序存贮器（用鋰电池备份），系统程序存贮器ROMROM（3 3）输输入入/输输出出接接口口：继继电电
30、器器输输出出；晶晶闸闸管管输输出出；晶体管输出。晶体管输出。3、PLC的的工工作作原原理理：PLCPLC采采用用循循环环扫扫描描工工作作方方式式。PLC的的工工作作过过程程可可分分为为输输入入刷刷新新、程程序序执执行行和和输输出出刷新三个阶段。刷新三个阶段。本章小结：本章小结：344、PLC技术性能：技术性能：（1 1）输输入入/输输出出点点数数（I/OI/O点点数数）；（2 2）扫扫描描速速度度；（3）内内存存容容量量；（4）指指令令条条数数；（5）内内部部寄寄存存器器；（6）高功能模块。）高功能模块。5、PLC主要功能主要功能：（1）开关量控制开关量控制；（；（2）模拟量控制；（模拟量控制；（3）定时、计）定时、计数控制；（数控制；（4）步进控制（顺序控制）；（）步进控制（顺序控制）；（5）数据处）数据处理；（理；（6）自诊断功能；（）自诊断功能；（7）高功能模块；（高功能模块；（8）通）通讯联网功能；（讯联网功能；（9）显示、打印功能。）显示、打印功能。6、可编程控制器的分类、可编程控制器的分类（1）按结构形式分为：整体式；模块式）按结构形式分为：整体式；模块式（2）按）按I/O点数分为：小型机；中型机；大型机点数分为：小型机；中型机；大型机（3）按功能分类，可分为高、中、低三档。）按功能分类，可分为高、中、低三档。35