S7-200 PLC基础知识ppt课件

第4章S7 200PLC基础知识 S7 200 欧姆龙plc FX 2N 北京和利时PLC 台达PLC 4 1PLC概述 PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置 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 计时 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该按易于与工业控制系统形成一个整体 易于扩展其功能的原则而设计 2 在PLC的发展历程中 有过几个不同的名称 可编程序矩阵控制器PMC ProgrammableMatrixController 可编程序顺序控制器PSC ProgrammableSequenceController 可编程序逻辑控制器PLC ProgrammableLogicController 1968年 美国最大的汽车制造商通用汽车公司 GM 为了适应汽车型号不断更新的需要 提出了十条技术指标在社会上公开招标 制造一种新型的工业控制装置 1969年美国数字设备公司 DEC 根据招标的要求 研制出世界上第一台可编程序控制器 并在GM公司汽车生产线上首次应用成功 1980年美国电气制造商协会 NEMA 正式将其命名为编程序控制器 ProgrammableController 简称PC 70年代中期 PLC进入了实用化阶段 70年代末和80年代初 PLC进入了成熟阶段 PLC的历史演变 目前 世界上有200多家PLC厂商 400多品种的PLC产品 PLC产品可按地域分成三大流派 一个流派是美国产品一个流派是欧洲产品一个流派是日本产品 美国通用电气公司GE 系列PLCGE公司的代表产品是 小型机 GE 1 GE 1 J GE 1 P中型机 GE 大型机 GE 德国西门子 SIEMENS 公司S系列PLC德国西门子 SIEMENS 公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛 在冶金 化工 印刷生产线等领域都有应用 西门子 SIEMENS 公司的PLC产品包括LOGO S7 200 S7 300 S7 400 工业网络 HMI人机界面 工业软件等 西门子PLC及相关产品 超小型 SIMATICS7 200PLC小型 SIMATICS7 300PLC中型 SIMATICS7 400PLC工业通讯网络 SIMATICNET 人机界面 HMI 硬件SIMATICS7工业软件 编程工具 基于PC的控制软件 人机界面软件 国产PLC主要生产厂家及产品性能 中国科学院自动化研究所的PLC 0088北京联想计算机集团公司的GK 40上海机床电器厂的CKY 40上海起重电器厂的CF 40MR ER苏州电子计算机厂的YZ PC 001A原机电部北京机械工业自动化研究所的MPC 00l 20 KB 20 40杭州机床电器厂的DKK02天津中环自动化仪表公司的DJK S 84 86 480上海自立电子设备厂的KKI系列上海香岛机电制造有限公司的ACMY S80 ACMY S256无锡华光电子工业有限公司 合资 的SR 10 SR 20 21等 日本三菱公司PLC小型 F1 F2 FX系列大中型 A系列 QnA系列 Q系列日本立石 OMRON 公司PLCSYSMACC系列PLC整体式结构的微型PLC机是以C20P为代表的机型OMRON中型机以C200H系列最为典型日本松下公司PLC松下公司的PLC产品中 FPO为微型机 FP1为整体式小型机 FP3为中型机 FP5 FP10 FP10S FP10的改进型 FP20为大型机 其中FP20是最新产品 10 4 1 3PLC的应用领域 1 开关量的逻辑控制2 运动控制3 过程控制4 数据处理5 通信联网 11 4 1 4PLC的主要特点 1 可靠性高 抗干扰能力强2 配套齐全 功能完善 适用性强3 编程方便 易学易用4 系统的设计工作量小 维护方便 容易改造5 体积小 重量轻 能耗低 性价比高 12 4 1 5PLC与继电器控制的区别 13 4 1 6PLC的分类 1 按结构形式分类整体式PLC 又称单元式或箱体式 整体式PLC是将电源 CPU I 0部件都集中装在一个机箱内 一般小型PLC采用这种结构 模块式PLC 将PLC各部分分成若干个单独的模块 如CPU模块 I 0模块 电源模块和各种功能模块 模块式PLC由框架和各种模块组成 模块插在插座上 一般大 中型PLC采用模块式结构 有的小型PLC也采用这种结构 有的PLC将整体式和模块式结合起来 称为叠装式PLC 14 2 按I O点数分类小型 I O点数在256点以下 中型 I O点数在256 2048点之间 大型 I O点数在2048点以上 4 1 6PLC的分类 小型PLC 西门子S7 200系列 中型PLC 西门子S7 300系列 大型PLC 西门子S7 400系列 4 1 7PLC的基本结构 16 17 1 中央处理单元 CPU 1 控制用户从编程器输入的用户程序和数据的接收与存储 2 检查编程过程中的语法错误 诊断电源及PLC内部的工作故障 3 用扫描方式工作 接收来自现场输入信号 并输入到输入映象寄存器和数据存储器中 4 在进入运行方式后 从存储器中逐条读取并执行用户程序完成用户程序所规定的逻辑运算 算术运算机数据处理等操作5 根据运算结果 更新有关标志位的状态 刷新输出映象寄存器的内容 再经输出部件实现输出控制 打印制表或数据通信等功能 18 1 中央处理单元 CPU 1 通用处理器 8086 80286 80386 2 单片机芯片 MCS 51 MCS 96 3 位片式微处理器 AMD 2900 2901 2903小型PLC多采用8位微处理器或单片机作为CPU中型PLC多采用16位微处理器或单片机作为CPU大型PLC多采用高速位片式微处理器 19 2 存储器 存储系统 存放系统程序的系统程序存储器和存放用户程序的用户程序存储器系统程序存储器 用来存储可编程控制器内部的各种信息一般系统程序由PLC厂家编写的系统监控程序 不能由用户直接存取 系统程序主要由有关系统管理 解释指令 标准程序及系统调用等程序组成 系统程序存储器一般用PROM或EPROM构成用户程序存储器 主要用来存放用户程序 该存储器的容量不大 主要存储可编程控制器内部的输入输出信息 以及内部继电器 移位寄存器 累加寄存器 数据寄存器 定时器和计数器的动作状态 20 用户程序区分成 程序存储区 数据存储区 系统区程序存储区 用来存储由用户编写的 通过编程器输入的程序 数据存储区 用来存储通过输入端子读取的输入信号状态 输出端子输出信号状态 PLC中的各个内部器件的状态 以及特殊功能要求的有关数据 系统区 用来存放CPU的组态数据 2 存储器 21 3 输入 输出接口 输入接口作用 将按钮 行程开关或传感器等产生的信号 转换成数字信号送入主机 输入单元类型 直流输入单元交流输入单元交直流输入单元 输入信号 1 控制信号 开机 关机 转换 调整 急停 控制台 2 检测信号 传感器 继电器的触点 限位开关 行程开关等这些信号有的是开关 或数字 量 有的是模拟量 有的是直流信号 有的是交流信号 要根据输入信号的类型选择合适的输入接口 采用光电隔离 实现了PLC的内部电路与外部电路的电气隔离 减小了电磁干扰 1 输入接口电路 采用光电耦合器 防止强电干扰 COM 光电三极管 发光二极管 直流电源 输入端子 PLC 发光二极管 23 输出接口作用 将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号 以便控制接触器线圈等电器通断电 另外输出电路也使计算机与外部强电隔离 输出三种形式 继电器 低速大功率可控硅 高速大功率晶体管 高速小功率 输出信号 1 控制信号 如指示灯的亮或灭 电动机的启动 停止或正反转 设备的转动 平移 升降 阀门的开闭等 因为PLC的直接输出带负载的能力有限 所以PLC输出接口所带的负载 通常是接触器的线圈 电磁阀的线圈 信号指示灯 可控硅 晶体管 24 继电器输出 2 输出接口电路 以继电器形式为例 PLC 交流电源或直流电源 把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源 一般使用220V的交流电源或24V直流电源给PLC进行供电 内部的开关电源为PLC的CPU 存储器等电路提供5V 12V 12V 24V等直流电源 整体式的小型PLC还提供一定容量的直流24V电源 供外部有源传感器 如接近开关 使用 PLC所采用的开关电源输入电压范围宽 一般为20 4 28 8VDC或85 264VAC 体积小 效率高 抗干扰性能力强 为了避免电源干扰 接口电路的电源回路彼此相互独立 4 电源单元 5 各种接口 高功能模块 扩展接口主要用于扩展主机单元的IO点数或特殊功能 在主机的后面连接扩展IO模块或功能模块 使PLC的配置更加灵活 以满足不同控制系统的要求 27 编程设备可以是专用的手持式的编程器 也可以是安装了专门的编程通讯软件的个人计算机 6 编程设备 用户可以通过键盘输入和调试程序 另外在运行时 还可以对整个控制过程进行监控 28 4 1 7PLC的工作原理 PLC通电后 需要对系统的硬件和软件进行初始化 然后依次对各种规定的操作项目进行访问和处理 为了使PLC的输出及时响应各种输入信号 初始化后PLC按顺序循环执行各个阶段的任务 这种工作方式就叫做循环扫描的工作方式 29 4 1 7PLC的工作原理 1 输入采样阶段 在每个扫描周期 首先进行的就是从输入接口电路中读取输入信号 PLC依次读入所有输入状态和数据并将它们存入寄存器内 输入采样结束后 如果输入状态和数据发生变化 PLC不再响应 输入寄存器中的数据和状态保持不变 要等到下一个扫描周期才能读入 2 用户程序执行阶段 CPU将指令逐条调出并执行 其过程是从程序的上到下 从左到右的顺序依次扫描用户程序 并根据输入的数据和状态改变各个寄存器的状态 3 输出刷新阶段 CPU将输出映像寄存器的状态和数据传送到输出锁存器 在经过输出电路的隔离和功率放大 转换成合适的电压 电流或脉冲信号 驱动接触器 电磁铁 电磁阀等执行器 这时的输出才是PLC真正的输出 输出的状态才会改变 扫描周期的长短由CPU执行指令的速度 指令本身占有的时间和指令条数决定 由于采用集中输入输出的方式 所以会存在输入输出滞后的现象 即输入输出响应的延迟 30 上面说的输入采样 用户程序执行 输出刷新只是一个PLC上电以后工作方式为RUN时的重要的三个阶段 而PLC上电以后整个工作流程还包括了像对远传IO的读取 处理通讯 更新时钟以及自诊断等过程 详细的工作流程图如图4 6所示 31 4 2硬件系统 S7 200PLC系列产品实物图 32 4 2 1主机单位 主机单元有时又称作CPU模块 它包括了CPU 存储器 基本输入输出点等 是PLC的主要部分 它实际就是一个完整的控制系统 可以单独完成一定的控制任务 如从输入部分读取现场采集来的信号 进行一系列的转换 执行用户程序 把程序执行的结果放到输出部分输出驱动相应的外部负载 33 安装方式面板安装导轨安装 接线端子可自由拆卸给您的设备更新与维护带来极大的方便 扁平电缆连接 外部存储卡 运行 停止开关扩展I O连接口外部电位器 SMB28 SMB290 255 简单而实用的安装方式 S7 200系列的分类是按照IO点数和效能进行的 有以下几种 1 CPU221 6点输入 4点输出 无扩展能力 程序和数据的存储量小 S7 200CN产品中已经没有此种型号的产品 2 CPU222 除具有CPU221功能外 它具有8点输入 6点输出 共计14个I O 可最多扩展2个模块 最多8点模拟量输入输出和最多64个I O 3 CPU224 14点输入 10点输出 可最多扩展7个模块 只能有2个智能模块 有内置时钟 有了比较强的模拟量和高速计数的处理能力 是使用比较多的一款产品 4 CPU224XP 大部分功能与CPU224一样 它只是在程序与数据的存储容量上有所增加 处理高速计数能力增强 并且在主机上增加了2个模拟量输入口和1个模拟量输出口 一个通信口 在有少量模拟量 并且对通讯接口要求比较多的场合使用非常合适 5 CPU226 24点输入 16点输出 2个通信口 用户程序的存储容量比CPU224XP又有所增加 最大可扩展248点数字量和35点模拟量的输入输出 35 西门子S7 200PLC在安装其电气线路时需注意区分电源类型 直流20 4 28 8V 交流85 264V 和数字量输出类型 继电器输出 晶体管输出 电源 CPU22X具有两种不同的电源供电电压直流24V 交流85 264V输出接口电路 输出电路分为继电器输出和晶体管输出两大类 晶体管 输出电压24V直流 输出电流0 75A继电器 输出电压24V直流 24 230V交流 输出电流2A 输入接口电路 输入为直流24V 36 1 电源规范 S7 200CPU的型号规格 1 电源规范 24V直流晶体管输出 允许范围5 30VDC DC DC DC 24V直流电源供电 允许范围20 4 28 8VDC 24V直流开关量输入 允许范围20 4 28 8VDC 1 电源规范 24V直流开关量输入 允许范围20 4 28 8VDC 24V直流输出 允许范围5 30VDC 24 230V的交流输出 允许范围5 250VAC AC DC 继电器 100 230V交流电源供电 允许范围85 264VAC 47 63HZ CPU226AC DC 继电器模块输入 输出单元的接线图 24个数字量输入点 分成二组 第一组由输入端子I0 0 I0 7 I1 0 I1 4共13个输入点组成 每个外部输入的开关信号均由各输入端子接出 经一个直流电源终至公共端1M 2 第二组由输入端子I1 5 I1 7 I2 0 I2 7共11个输入点组成 各输入端子的接线与第一组类似 公共端为2M 由于是直流输入模块 所以采用直流电源作为检测各输入接点状态的电源 用户提供 M L 两个端子提供24VDC 400mA传感器电源 可以为传感器提供电源 也可以作为输入端的检测电源使用 16个数字量输出点 分成三组 1 由输出端子Q0 0 Q0 3共四个输出点与公共端1L组成 2 第二组由输出端子Q0 4 Q0 7 Q1 0共5个输出点与公共端2L组成 3 第三组由输出端子Q1 1 Q1 7共7个输出点与公共端3L组成 每个负载的一端与输出点相连 另一端经电源与公共端相连 对于继电器输出方式 既可带直流负载 也可带交流负载 负载的激励源由负载性质确定 输出端子排的右端N L1端子是供电电源120 240VAC输入端 该电源电压允许范围为85 264VAC 47 其他附件 1 状态指示灯S7 200CN有三个状态指示灯 主要指示目前CPU的工作状态 这三个状态指示灯分别是SF DIAG RUN和STOP 其中SF DIAG是表示系统错误或处于诊断状态 即系统出现错误或处于诊断状态时该灯点亮 在调试程序时 若有强制点该灯也会亮起 2 可选卡插槽在状态指示灯下面是可选卡插槽 拔出盖子 里面有个插口可以用来扩展存储卡 时钟卡和电池 一般用的比较少 3 通讯口S7 200CN的通讯口是标准的RS232 485接口 可用来连接编程器 上位机 触摸屏等 还可以与其他控制器相连组成复杂的控制系统 4 输入输出I O状态指示灯每个输入输出I O端子都有一个对应的状态指示灯 用来指示目前I O口的状态 如果某个I O口的状态为 0 相对应的指示灯不亮 如果I O口的状态为 1 则相应的指示灯点亮 48 其他附件 5 接线端子接线端子是与外部连接的纽带 输入端子和外部输入的状态信号 按钮等相连 输出端子与控制的执行机构或其他功率放大器等输出的相关设备相连 6 模式选择开关模式选择开关主要是用来设定PLC上电后CPU工作的模式 有三种模式 RUN STOP和TERM RUN模式和STOP模式的区别是 PLC上电后 RUN模式下会执行用户的程序 而STOP模式下 不执行用户程序 另外 在程序执行过程中 拨到STOP模式 CPU会立即停止执行程序 TERM模式称为终端模式 切换到此模式时 不改变当前的操作模式 即原来是RUN模式 切换到TERM后 CPU还是RUN模式 原来是STOP模式也一样 这种模式主要用在自由口通信调试的程序上 使通信口在自由口和PPI之间互相切换 49 其他附件 7 模拟电位器可以使用模拟电位器来改变它对应的特殊寄存器 SM28 SM29 中的数值 可以实时更改程序运行中的一些参数 如定时器和计数器的值的设定 过程量的控制参数等 但是一般此功能很少使用 CPU221和CPU222有1个8位分辨率的模拟电位器 CPU224 CPU224XP和CPU226有2个8位分辨率的模拟电位器 8 扩展端口扩展端口通过扁平电缆线来扩展各种I O模块或特殊功能模块 以弥补主机I O点的不足或完成某些特殊功能的控制任务的需要 50 4 2 2扩展模块介绍 1 I O扩展模块 51 4 2 2扩展模块介绍 2 特殊功能模块当需要完成某些特殊功能的控制任务时 可与PLC主机相连 以完成某种特殊的控制任务而特制的一种装置 如运动控制模块 特殊通讯模块等 52 4 2 2扩展模块介绍 2 特殊功能模块 1 EM241调制解调器模块使用该模块可以通过电话线 Modbus或PPI协议进行Teleservice 远程的维护和远程的诊断 Communication 进行CPU和PC或CPU和CPU之间的通信 和Message 发送短消息到手机或其他终端 53 2 EM253定位模块该模块主要用于高精度的运动控制 控制范围从微型步进电动机到智能伺服系统 54 4 2 2扩展模块介绍 3 SIWAREXMS称重模块SIWAREXMS是一个多用途的称重模块 适用于所有简单称重和测力任务 其基本功能就是测量传感器电压 然后将电压值转换成重量值 55 4 2 2扩展模块介绍 4 EM277现场总线PROFIBUS DP的连接模块通讯模块EM277用于连接到PROFIBUS DP现场总线系统中 EM277经过串行I O总线连接到S7 200CPU 此外 还有PID调节模块 高速计数器模块 以太网通讯模块等其他智能模块 56 4 3S7 200系统配置 一套完整的S7 200系统包括主机单元 扩展单元 电源 编程器 通讯电缆 编程软件 此外还可以配置上人机界面等 57 4 3 1基本配置 S7 200系统任何一个型号的主机单元模块都可以单独构成一个基本的配置 组成一个独立的控制系统 S7 200各个型号的CPU输入输出配置都是固定的 58 4 3 2扩展I O模块配置原则 扩展IO模块可以通过面板或标准的导轨和主机模块连接在一起 59 S7 200系统进行IO扩展时编址的规则 1 数字量的IO映像寄存器的单位长度为8位 即以一个字节进行递增 所以如果输入输出点数不是8的倍数的 下一个同类模块在编址时不能使用上一个模块未用的地址 例如CPU224输入点有14个 其中编址时I0 0 I0 7是8位 而I1 0 I1 5是6位 则剩下的I1 6 I1 7就不能使用 下一个模块如果要进行数字量的编址时 只能从I2 0开始往后编 60 S7 200系统进行IO扩展时编址的规则 2 模拟量的IO映像寄存器的单位长度为2个通道 32位 递增的方式来分配空间 本模块中没有使用的地址不能被后面的同类模块继续使用 编址必须从偶数开始 模拟量输入的编址格式为AIW0 AIW2 AIW4 模拟量输出的编址格式为AQW0 AQW4 例如EM235有4的模拟量输入和1个模拟量输出 则它的输入编址为AIW0 AIW2 AIW4 AIW6 它的输出编址为AQW0 如果它后面再接一个EM235模块 则这个模块的编址就要从接着上一个模块的编址继续往下 第二个EM235模块输入编址为AIW8 AIW10 AIW12 AIW14 而输出编址为AQW4 注意 输出虽然是一个 但是在内部存储的时候是占用的两个通道的存储空间 所以AQW2不能用 61 S7 200系统进行IO扩展时编址的规则 3 数字量的输出模块那些没有用到的存储空间可以用来内部标志位存储器 而输入模块那些没有用到的存储空间则不能使用 因为每次更新输入时都会将输入字节中未用的位清零 4 配置时尽量用最少的扩展模块 同时考虑一定的余量 62 4 3 3扩展I O模块配置举例 例 某个控制系统数字量输入为20点 数字量输出为12点 模拟量输入为4点 模拟量输出为1点 试选择合适的主机模块和扩展模块 63 4 3 3扩展I O模块配置举例 解 考虑主机模块可以选用CPU224 CPU224XP和CPU226 选用的主机模块不同 相应的扩展模块就不同 另外 即使是同一个主机模块 扩展模块也可以不同 排列的次序也可以不同 所以可以有多种组合形式 这里分别就CPU224 CPU224XP和CPU226这三种主机模块配置一种比较简单的形式 64 4 3 3扩展I O模块配置举例 1 选用主机模块为CPU224CPU224有14点数字量输入和10点数字量输出 这样还需要配置至少6点的数字量和2点数字量输出 4点模拟量输入和1点模拟量输出 对照I O扩展模块参数表4 3 选用最少的模块 这里选用EM223数字量8输入 8输出和EM235模拟量4输入 1输出 65 4 3 3扩展I O模块配置举例 2 选用主机模块为CPU224XPCPU224XP有14点数字量输入和10点数字量输出 另外还有2点模拟量输入和1点模拟量输出 这样还需要配置至少6点的数字量和2点数字量输出 2点模拟量输入 对照I O扩展模块参数表4 3 选用最少的模块 这里选用EM223数字量8输入 8输出和EM231模拟量4输入 66 4 3 3扩展I O模块配置举例 3 选用主机模块为CPU226CPU226有24点数字量输入和16点数字量输出 这样数字量就满足要求了 只需要配置4点模拟量输入和1点模拟量输出 对照I O扩展模块参数表4 3 这里选用EM235模拟量4输入 1输出 67 4 4PLC编程语言 IEC61131 3提供了5种PLC的标准编程语言 其中有三种图形语言 即梯形图 LadderDiagram LD 功能块图 FunctionBlockDiagram FBD 顺序功能图 SequentialFunctionChart SFC 两种文本语言 即结构化文本 StructuredText ST 指令表 InstructionList IL 68 3 功能块 2 软继电器 触点 线圈 Enable 输入参数 IN1 IN2 N 输出参数 OUT 功能数据类型 地址 条件 长度 EN 1 母线 左母线 右母线 一般省略 1 梯形图 1 梯形图 LD 梯形图与继电器原理图相类似 母线 线圈 触点 线圈 触点 70 2 功能块图 FBD 像数字电子电路中的各种门电路 通过一定的逻辑连接方式来完成控制逻辑 71 3 顺序功能图 SFC 顺序功能图中 最重要的三个元素是状态 步 动作 转移条件 适用用于流程控制 状态 步 动作 转移条件 72 4 结构化文本 ST 像其他高级结构化语言 LDI0 0 开始计数LDI0 1 计数器完成后复位CTUC1 5 5次计数器后计数器输出LDSM0 1 首次扫描为1MOVR16 0 MD0 MD0清零LDC1EU 上升沿 R16 1 MD0 MD0加1LDR MD0 16 03 等于3时候 Q0 0 输出Y1 X0按下5次 让变量a加1 当变量a为3的时候 让Y0输出 73 5 指令表 IL 类似于计算机中的助记符语言 是用一个或几个容易记忆的字符来代替PLC的某种操作功能 按照一定的语法和句法编写出一行一行的程序 来实现所要求的控制任务的逻辑关系或运算 也称之为语句表 STL 74