2.1初识PLC（课件）-《工厂电气控制设备》同步教学（高教版）

模块二 任务1 初识PLC PLC的组成和博途软件使用 什么是PLC 20世纪60年代末期，美国汽车制造工业竞争十分激烈，为了适应市场从少品种大批量生产向多品种小批量生产的转变，为了尽可能减少转变过程中控制系统的设计制造时间，减少经济成本，1968年美国通用汽车公司（General Motors ,GM）公开招标，要求用新的控制装置取代生产线上的继电接触器控制系统。 1969年美国数字设备公司根据上述要求，首先研制出了世界上第一台可编程序控制器PDP-14，用于通用汽车公司的生产线，取得了满意的效果。由于这种新型工业控制装置可以通过编程改变控制方案，且专门用于逻辑控制，所以人们称这种新的工业控制装置为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称为PLC。 PLC的发展 从PLC产生到现在，已发展到第四代产品。其过程基本可分为： 第一代PLC （1969～1972年） 大多用一位机开发，用磁芯存储器存储，只具有单一的逻辑控制功能，机种单一，没有形成系列化。 第二代PLC （1973～1975年） 采用了8位微处理器及半导体存储器，增加了数字运算、传送、比较等功能，能实现模拟量的控制，开始具备自诊断功能，初步形成系列化。 第三代PLC （1976～1983年） 随着高性能微处理器及位片式CPU在PLC中大量的使用，PLC的处理速度大大提高，从而促使它向多功能及联网通信方向发展，增加了多种特殊功能，如浮点数的运算、三角函数、表处理、脉宽调制输出等，自诊断功能及容错技术发展迅速。 第四代PLC （1983年～现在） 不仅全面使用16位、32位高性能微处理器，高性能位片式微处理器，RISC(reduced instruction set computer)精简指令系统CPU等高级CPU，而且在一台PLC中配置多个微处理器，进行多通道处理，同时生产了大量内含微处理器的智能模块，使得第四代PLC产品成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的真正名符其实的多功能控制器。 PLC的分类 按照大小规模分为大型、中型、小型 按照厂家主要有欧系、日系、美系、国内品牌。 欧系PLC有西门子，AB，GEFANUC，施耐德等；日系有三菱、欧姆龙、松下……， 美系有罗克韦尔（A-B）通用电气（GE）公司、莫迪（MODICON）公司等。 国内的PLC有台达、亿维、信捷、汇川、合信等。 其中德系的西门子市场占有率高，我们本门课程学习的是西门子的PLC。 PLC的组成 硬件 软件 & PLC的硬件系统组成 输入输出接口 编程器接口 I/O扩展接口 系统总线 电源 编程器 通信 接口 中央处 理单元 工厂电气及PLC控制技术 西门子公司提供了满足多种自动化控制需求的PLC产品，新一代的SIMATIC PLC控制器产品系列丰富，包括基础系列（S7-1200 PLC）、高级系列（S7-1500 PLC）、分布式系列（ET200SP PLC  ）和软控制器系列等。 西门子PLC 西门子PLC S7-1500可以在一个机架上扩展多达到31个模块 S7系列可扩展能力 西门子PLC 工厂电气及PLC控制技术 S7-1200 PLC是一款紧凑型、模块化的可编程逻辑控制器，集成 PROFINET 接口，具有功能强大和扩展灵活等特点，为各种控制工艺任务提供了丰富的通信协议和有效的解决方案，能满足各种完全不同的自动化应用需求。 S7-1200系列 电气控制与PLC CPU 1214C / 1215C / 1217C CM/CP CPU CPU 1212C SM CPU 1211C 1 Board S7-1200: 可变的扩展规模和搭建选项，面向不同的需求 S7-1200系列 S7-1200主要由CPU、信号板、信号模块、通信模块和编程软件组成。 S7-1200系列 03 通信模块 通信模块安装在CPU模块的左边，最多可以添加3块通信模块。 02 信号模块 I/O模块是输入(Input)模块和输出(Output)模块的简称。 输入模块用来采集输入信号，输出模块用来控制外部的负载和执行器。 信号模块安装在CPU模块的右边，最多可以扩展8个信号模块。 01 CPU模块 CPU模块主要由CPU芯片和存储器组成。 S7-1200系列 04 精简系列面板 第二代精简系列面板主要与S7-1200配套，用TIA博途中的WinCC组态。 05 编程软件 STEP7-Micro/WIN SMART用来生成和编辑用户程序，和监控PLC的运行。 S7-1200系列 电源接口 板载 I/O 的状态LED PROFINET 连接器（CPU 的底部） 指示CPU运行状态的LED 可拆卸用户接线连接器（保护盖下面） 基本单元 CPU模块 CPU的LED 指 示 灯 说 明 CPU模块 说明 STOP/RUN 黄色/绿色 ERROR 红色 MAINT 黄色 断电 灭 灭 灭 启动、自检或固件更新 闪烁 (黄色和绿色交替) = 灭 停止模式 亮(黄色) 运行模式 亮(绿色) 取出存储卡 亮(黄色) 闪烁 出错 亮(黄色或绿色) 闪烁 请求维护 亮(黄色或绿色) 亮 硬件出现故障 亮(黄色) 亮 灭 LED测试或CPU固件出现故障 闪烁 (黄色和绿色交替) 闪烁 闪烁 ●Profinet通信状态LED: CPU为每个数字量输入和输出提供了VOChannelLED I/OChannel(绿色)通过点亮或熄灭来指示各输入或输出的状态。 ●Link(绿色)点亮指示连接成功 ●Rx/Tx(黄色)点亮指示传输活动 CPU模块 CPU模块 CPU的外部接线图 CPU集成的工艺功能 CPU的技术规范 CPU的共性 S7-1200的PLC支持梯形图（LAD）、功能块图（FBD）（又称函数块图）和结构化控制语言（SCL）这3种语言编程。 01 02 03 S7-1200集成了最大150KB的工作存储器、最大4MB的装载存储器和10KB的保持性存储器。 集成的数字量输入电路的输入类型为漏型/源型，DC 24V，4mA。继电器输出的电压范围为DC 5～30V或AC 5～250V，最大电流2A。场效应管输出的电压范围为DC 24V， 0.5A。最多4路脉冲输出。 CPU的共性 2点集成的模拟量输入（0～10V），10位分辨率。 04 05 06 07 集成的DC 24V电源可供传感器、编码器和输入回路使用。 实时时钟的保存时间通常为20天，40℃时最少为12天。 CPU 1215C和CPU 1217C有两个带隔离的PROFINET以太网端口，其他CPU只有一个，传输速率为10M/100 Mbit/s。 CPU的共性 CPU的技术规范 特性 CPU1211C CPU1212C CPU 1214C CPU 1215C CPU 1217C 本机数字量IO点数 本机模拟量IO点数 6/4出 2入 8入/6出 2入 14入/10出 2入 14入/10出 2 入 2 出 14入/10出 2入2出 工作存储器装载存储器 50K/1MB 75K/2MB 100K/4MB 125K/4MB 150K/4MB 信号模块扩展个数 无 2 8 8 8 最大本地数字量IO点数 14 82 284 284 284 最大本地模拟量IO点数 13 19 67 69 69 高速计数器 最多可以组态6个使用任意内置或信号板输入的高速计数器 脉冲输出(最多4点) 100kHz 100kHz或20kHz 1MHz或100kHz 上升沿下降沿中断点数 6/6 8/8 12/12 脉冲捕获输入点数 6 8 14 14 14 每种CPU都有三种不同的电源电压、输入、输出电压版本型号，如下表所示。 CPU的技术规范 版本 DO输出电流 DO输出电压 DI输入电压 电源电压 DC/DC/DC 0.5A,MOSFET DC24V DC24V DC24V DC/DC/Relay 2A，DC30W/AC200W DC5-30V，AC5-250V DC24V DC24V AC/DC/Relay 2A，DC30W/AC200W DC5-30V，AC5-250V DC24V AC85V-264V CPU 1214C DC/DC/DC的电源电压、输入回路电压和输出回路电压均为DC 24V。 CPU的外部接线图 CPU 1214C AC/DC/Relay的电源电压为DC 24V CPU的外部接线图 CPU 1214C DC/DC/Relay的电源电压为DC 24V CPU的外部接线图 高速计数器 CPU集成了最多6点高速计数器（与型号有关），CPU 1217C有4点最高频率为1MHz的高速计数器。其他CPU有3点最高频率为100kHz（单相）或80kHz（互差90°的正交相位信号）的高速计数器。其余各点的最高频率为30kHz（单相）或20kHz（正交相位信号）。如果使用信号板，还可以测量频率高达200kHz的单相脉冲信号，或最高160kHz的正交相位信号。 01 02 03 04 高速输出 各种型号的CPU最多4点高速脉冲输出（包括信号板的DQ输出）。CPU本体100kHz，信号板200kHz，CPU1217最多支持1MHz的高速脉冲输出。 用于闭环控制的PID功能 运动控制 S7-1200的高速输出可以用于步进电机或伺服电机的速度和位置控制。 S7-1200集成的工艺功能包括高速计数与频率测量、高速脉冲输出、PWM控制、运动控制和PID控制。 PID功能用于对闭环过程进行控制，建议PID控制回路的个数不要超过16个。STEP 7中的PID调试窗口提供用于调节的形象直观的曲线图。还支持PID参数整定功能，可以自动计算PID参数的最佳调节值。 CPU集成的工艺功能 1.信号板 2.数字量I/O模块 3.模拟量I/O模块 CPU信号和信号模块 所有的CPU模块的正面都可以安装一块信号板，而且不会增加安装的空间。 CPU信号板 数字量模块分为数字量输入模块和数字量输出模块。 数字量I/O模块digit CPU信号模块 模拟量I/O模块analog CPU信号模块 实时工业以太网是现场总线发展的趋势，PROFINET 是基于工业以太网的现场总线 集成的 PROFINET 接口 1 有PROFIBUS-DP主站模块CM 1243-5，和DP从站模块CM 1242-5。 PROFIBUS通信与通信模块 2 集成的通信接口与通信模块 01 集成的 PROFINET 接口 实时工业以太网是现场总线发展的趋势，PROFINET 是基于工业以太网的现场总线。 02 PROFIBUS通信与通信模块 有PROFIBUS-DP主站模块CM 1243-5，和DP从站模块CM 1242-5。 集成的通信接口与通信模块 03 点对点（PtP）通信与通信模块 通过点对点串行通信模块可直接与外部设备通信，可执行ASCII、USS协议、Modbus RTU主站协议和从站协议。CM 1241的3种模块分别有RS-232、RS-485和RS-422/485通信接口。 05 远程控制通信与通信模块 使用通信处理器CP 1243-7LTE，可将S7-1200连接到移动无线网络。 04 AS-i 通信与通信模块 AS-i是执行器传感器接口的缩写，CM 1243-2 AS-i主站模块用于将AS-i设备连接到CPU。 集成的通信接口与通信模块 1．操作系统与用户程序 PLC的操作系统使PLC具有基本的智能，能够完成PLC设计者规定的各种工作。用户程序由用户设计，它使PLC能完成用户要求的特定功能。 PLC的工作过程 2．CPU的操作模式：RUN、STOP与STARTUP。 PLC的工作过程 ③ RUN模式 ①STOP模式 PLC处于STOP工作模式时，PLC不执行程序，可以下载程序。 在RUN模式下，PLC执行用户程序，更新输入和输出信号，响应中断请求，对故障信息进行处理等。 ②STARTUP模式 在这个过程中将清除非保持性存储器的内容，清除过程映像输出，执行一次启动OB块，更新过程映像输入等 3．上电后的启动条件 接通PLC电源（上电）后，如果同时满足下述条件： (1）预设的组态与实际的硬件匹配； (2）设置的启动类型为“暖启动，进入RUN模式”；或启动 类型为“暖启动，进入断电之前的操作模式”，并且断电之前 为RUN模式。 将进入启动模式。反之，上电后将进入STOP模式。 暖启动删除非保持性位存储器的内容，非保持型数据块的内容被置为来自装载存储器的起始值。保持性位存储器和保持性DB中的内容被保留。 PLC的工作过程 4．操作模式的切换 CPU模块上没有切换操作模式的模式选择开关，只能用 “软件”CPU操作面板中的按钮或工具栏上的 按钮，来切换STOP、RUN操作模式。也可以用STOP指令使CPU进入STOP模式。 PLC的工作过程 5．启动模式的操作：STARTUP模式 CPU内部的存储器中的过程映像输入区（I存储器）和过程映像输出区（Q存储器）用于存放输入信号和输出信号的状态。 阶段A|：将外设输入的状态复制到 I 存储器； 阶段B：初始化Q存储器，复位分布式I/O的输出； 阶段C：执行启动OB，将非保持性M存储器和数据块初始化为其初始值，并启用组态的循环中断事件和时钟事件； 阶段D：（整个启动阶段）将中断事件保存到中断队列，以便在RUN模式进行处理； 阶段E：将Q存储器的值写到外设输出。 PLC的工作过程 6．RUN模式的操作 PLC在RUN的工作模式下，将按照以下机制进行循环工作： 1 输入模块的信号读到过程映像输入区. 2 执行用户程序，进行逻辑运算，并更新过程映像输出区中的输出值. 3 将过程映像输出区中的输出值写入到输出模块. 只要PLC处于运行状态，就周而复始地执行123。 PLC的工作过程 6．RUN模式的操作 （1）写外设输出 在扫描循环的阶段①，操作系统将过程映像输出中的值写到外设输出并锁存起来。梯形图中某输出位的线圈“通电”时，对应的过程映像输出位中的二进制数为1。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。 可以用指令立即改写外设输出点的值，同时将刷新过程映像输出。 PLC的工作过程 （2）读外设输入 在扫描循环的阶段②，CPU读取输入模块的输入，并将它们写入过程映像输入。外接的输入电路闭合时，对应的过程映像输入位中的二进制数为1，梯形图中对应的输入点的常开触点接通，常闭触点断开。反之写入0。 可以用指令立即读取数字量或模拟量的外设输入的值，但是不会刷新过程映像输入。 PLC的工作过程 （3）执行用户程序 在扫描循环的阶段③，从程序循环OB的第一条指令开始，逐条顺序执行其中的指令，包括调用FC和FB的指令，直到最后一条指令。 程序执行过程中，各输出点的值被保存到过程映像输出，而不是立即写给输出模块。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，过程映像输入的状态也不会随之而变。 PLC的工作过程 （4）自诊断检查 在扫描循环的阶段④，进行自诊断检查，包括定期检查系统和检查I/O模块的状态。 （5）处理中断和通信 在扫描循环的任意阶段（阶段⑤），中断事件发生时，CPU停止扫描循环，调用处理该事件的OB。OB处理完该事件后，CPU从中断点继续执行用户程序。阶段⑤还要处理接收到的通信报文。 PLC的工作过程 电气控制与PLC PLC的工作过程 顺序扫描 不断循环 输入输出 集中批处理 PLC的工作过程 电气控制与PLC PLC的用户程序执行过程 PLC的工作过程 电气控制与PLC PLC控制系统的组成 PLC的工作过程 7．存储器复位 存储器复位将终止PC和CPU之间的在线连接；清除工作存储器的内容，清除保持性和非保持性数据；保留诊断缓冲区、实时时间、IP地址、硬件配置和激活的强制作业；将装载存储器中的代码块和数据块复制到工作存储器。 建立了与PC的在线连接和CPU处于STOP模式时，打开“在线和诊断”视图，单击“CPU操作面板”中的MRES按钮 ，存储器被复位。 PLC的工作过程 1．PLC使用的物理存储器 RAM（随机存取存储器）可读写，其工作速度高、价格便宜、改写方便，断电后储存的信息丢失。 ROM（只读存储器）只能读出，不能写入。断电后储存的信息不会丢失。 快闪存储器（Flash EPROM）简称为FEPROM，可电擦除可编程的只读存储器简称为EEPROM。它们兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点，写入数据的时间比RAM长，用来存放用户程序和断电时需要保存的重要数据。 系统存储区 2．装载存储器与工作存储器 （1）装载存储器 装载存储器是非易失性的存储器，用于保存用户程序、数据和组态信息。项目下载到CPU时，保存在装载存储器中。装载存储器类似于计算机的硬盘，工作存储器类似于计算机的内存条。 （2）工作存储器 工作存储器是集成在CPU中的RAM，为了提高运行速度，CPU将用户程序中与程序执行有关的部分，复制到工作存储器。CPU断电时，工作存储器中的内容将会丢失。 系统存储区 3．保持性存储器 保持性存储器用来防止在PLC电源关闭时丢失数据，暖启动后其中的数据保持不变，存储器复位时其值被清除。CPU提供了10KB的保持性存储器。 在暖启动时，所有非保持的位存储器被删除，非保持的数据块的内容被复位为装载存储器中的初始值。 4．存储卡 除了以上三种存储器，PLC还提供了外设存储卡。存储卡用于在断电时保存用户程序和某些数据，不能用普通读卡器格式化存储卡。可以将存储卡作为程序卡、传送卡或固件更新卡。 系统存储区 S7-1200 PLC提供了以下三种存储区，具体种类如下：用于存储用户程序、数据和组态数据等。 装载存储器是一个非易失性存储器，用于存储代码块、数据块、工艺对象和硬件配置等。 每个S7-1200 PLC均有装载存储器，该装载存储器的大小取决于所使用的PLC型号。 装载存储器可以用外部存储卡来替代，如果未插入存储卡，PLC将使用内部装载存储器；如果插入了存储卡，PLC将使用该存储卡作为装载存储器，即使使用大容量的存储卡，也无法扩展装载存储区的容量。 装载存储器 工作存储器是一个易失性存储器，用于存储与运行相关的用户程序代码和数据，在执行用户程序时，PLC会将程序的一些内容从装载存储器复制到工作存储器中。如果工作存储器断电后，数据将会丢失。 工作存储器 保持性存储器是一个非易失性存储器，在发生电源故障或者掉电时可以保存有限数量的数据。这些数据必须预先定义为保持功能，例如整个DB块、DB块中部分数据、位存储器M区、定时器和计数器等。保持性存储器不需要电池供电。 保持性存储器 系统存储区 $$