模块式PLC的基本结构六合联盟,CPU常用型号

西门子S7-200系列plc共有4个不同的基本型号、8种CPU供选择。

一、PLC的定义与分类

本文以西门子公司的S7-300/400系列大中型plc为主要讲授对象。西门子的PLC以其极高的性能价格比,在国际国内市场占有很大的份额,在我国的各行各业得到了广泛的应用。S7-300/400属于模块式PLC,主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程计算机组成,各种模块安装在机架上。通过CPU模块或通信模块上的通信接口,PLC被连接到通信网络,可以与计算机、其他PLC或其他设备通信。 1.CPU模块 CPU模块主要由微处理器和存储器组成。在PLC控制系统中,CPU模块相当于人的大脑和心脏,它不断地采集输入信号,执行用户程序,刷新系统的输出;存储器用来储存程序和数据。S7

STEP7-Micro/WIN编程软件是专门为S7-200设计的在个人计算机Windows操作系统下运行的编程软件,它的功能强大,使用方便,简单易学。

S7-200 SMART是西门子公司推出的高性价比小型plc,是国内广泛使用的S7-200的更新换代产品。我通过大量使用S7-200 SMART,感觉与S7-200相比,它有很多亮点。因为刚刚诞生,还有一些不足之处,可以期望今年9月升级后的S7-200 SMART会给我们带来更多的惊喜。 S7-200 SMART吸取了竞争对手三菱FX系列的一些优点。FX分为FX1S、FX1N和FX2N等子系列,它们的性能和价格拉开了差距,给用户更多的选择。S7-200 SMART的CPU模块分为标准型和经济型,经济型的40点CPU CR40在淘宝网上的售价为900多元,与24点的CPU 224还要便宜一点。 三菱的FX1N有60点的基本单元,FX2N有64点、80点和128点的基本单元,大I/O点数的基本单元平均每个I/O点的价格较低。S7-200 SMART有60点的CPU,而S7-200的CPU 最多40点,它们的价格相差不多。 和S7-1200一样,S7-200 SMART的CPU内可安装一块有多种型号的信号板,使配置更为灵活。S7-200 SMART的CPU保留了S7-200的RS-485接口,增加了一个以太网接口,还可以用信号板扩展一个RS-485/RS-232接口。S7-1200没有集成的RS-485接口。 以太网给人的感觉非常好,S7-200用19.2 bps的波特率下载一个30多KB的项目用了8s,同样的项目用以太网下载,给人的感觉是一瞬间下载就结束了。我只有最早的S7-1200,同样要求的项目它用以太网下载的速度比S7-200还慢(因为程序增大了100多倍)。用以太网和交换机实现多台PLC、hmi和计算机的通信非常方便。 S7-1200的24M SIMATIC存储卡可以用来更新操作系统,但是价格高达1000多元,和CPU模块的价格差不多了。V3 版的S7-1200可以直接用以太网更新操作系统。 S7-200 SMART使用手机的Micro SD卡,可以传送程序、更新CPU的固件和恢复CPU的出厂设置,24M的卡只要30多元。 S7-200 SMART的晶体管输出的CPU模块有3路100 kHz的高速脉冲输出,集成了S7-200的位置控制模块EM 253的功能。S7-200的CPU只有两路高速脉冲输出。只有CPU 224XP的高速脉冲输出频率为100 kHz,其他CPU的只有20 kHz。 与S7-200 SMART配套的触摸屏SMART LINE 700 IE在淘宝网上的价格为950元左右,它们之间可以用以太网或RS-485接口通信.S7-200 SMART继承了S7-200的优点,例如先进的程序结构、灵活方便的寻址方法、强大的通信功能、简化复杂任务的向导和库、PID参数自整定功能等。用系统块设置硬件结构和参数方便直观。 S7-200 SMART的编程语言、指令系统和监控方法与S7-200兼容。除了少数几条与硬件有关的指令,其他指令与S7-200相同。熟悉S7-200的用户几乎不需要任何培训就可以使用S7-200 SMART。 S7-200 SMART的软件自带Modbus RTU指令库和USS协议指令库,S7-200需要用户安装这些库。Modbus主站指令和从站指令读写相同字节数的数据的时间、初始化Modbus RTU的CRC表格的时间不到S7-200的二十分之一。 与S7-200一样,S7-200 SMART的编程软件集成了简易快捷的向导设置功能,只需按照向导的提示,设置每一步的参数就可已完成复杂功能的设定。允许用户直接设置某一步的功能。S7-200的编程软件STEP 7- Micro/WIN SMART同时只能显示程序编辑器、符号表、状态表、数据块和交叉引用表中的一个。 S7-200 SMART的变量表、输出窗口、交叉引用表、数据块、符号表、状态图表均可以浮动、隐藏和停靠在程序编辑器或软件界面的四周,浮动时可以调节表格的大小和位置,可以同时打开和显示多个窗口。项目树窗口也可以浮动、隐藏和停靠在其他位置。 S7-200 SMART的帮助增加了搜索功能,指令的帮助不像S7-200有固定的区域,整个窗口区都可以滚动。 光标放到S7-200 SMART的指令树或程序编辑器中的指令上时,将显示出该指令的名称和输入、输出参数的数据类型。 S7-200 SMART的编程软件短小精干,仅有80多MB。S7-200的编程软件300多MB,安装编程软件时非得要搭配安装几乎没有任何人使用的TD 400C的面板设计工具。S7-1200的编程软件STEP 7 Basic V11有3个多GB。 与S7-200相比,S7-200 SMART的堆栈由9层增加到32层,中断程序调用子程序的嵌套层数由层增加到4层。

1.CPU 221

PLC是以微处理器为基础,综合了计算机技术、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,适应工业环境,简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。

  • 300/400将CPU模块简称为CPU。 2.信号模块 输入模块和输出模块简称为I/O模块,开关量输入、开关量输出模块简称为DI模块和DO模块,模拟量输入、模拟量输出模块简称为AI模块和AO模块,它们统称为信号模块。信号模块是系统的眼、耳、手、脚,是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。 输入模块用来接收和采集输入信号,开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号。模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流、电压信号,或者直接接收热电阻、热电偶提供的温度信号。 开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备,模拟量输出模块用来控制电动调节阀、变频器等执行器。 CPU模块内部的工作电压一般是DC 5V,而PLC的外部输入/输出信号电压一般较高,例如DC 24V或AC 220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件,或使PLC不能正常工作。在信号模块中,用光耦合器和小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的输入、输出电路。信号模块除了传递信号外,还有电平转换与隔离的作用。 3.功能模块 为了增强PLC的功能,扩大其应用领域,减轻CPU的负担,PLC厂家开发了各种各样的功能模块。它们主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高的控制任务,例如高速计数、位置控制和闭环控制等。 4.接口模块 CPU模块所在的机架称为中央机架,如果一个机架不能容纳全部模块,可以增设一个或多个扩展机架。接口模块用来实现中央机架与扩展机架之间的通信。 5.通信处理器

    通信处理器用于PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信,可以将S7

    300/400接入各种通信网络,CP也用于实现点对点通信等。CPU模块集成有MPI通信接口,有的CPU模块还集成了其他通信接口。 6.电源模块 电源模块用于将输入的AC 220V电源或DC 24V电压转换为稳定的DC 24V和DC 5V电压,供其他模块和输出模块的负载使用。 7.编程设备 S7 - 300/400一般使用安装了编程软件STEP 7的个人计算机作为编程设备,可以生成和编辑各种文本程序或图形程序。程序被编译后下载到PLC,也可以将PLC中的程序上传到计算机。编程软件还有对网络和硬件组态、参数设置、监控和故障诊断等功能。

CPU通过PC/PPI电缆或插在计算机总的CP5511、CP5611通信卡与计算机通信。

CPU 221集成了6输入/4输出共10个数字量I/O点,无I/O扩展能力;6K字节程序和数据存储空间;4个独立的30kHz高速计数器,2路独立的20kHz高速脉冲输出;1个RS-485通信/编程口,具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力;非常适合于小点数控制的微型控制器。

PLC是在继电器顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用自动控制装置。


2.CPU 222

1.PLC的定义

编程语言:

1)语句表(STL)

2)梯形图(LAD)

3)功能图(FBD)


CPU 222集成了8输入/6输出共14个数字量I/O点,可连接两个扩展模块;6K字节程序和数据存储空间;4个独立的30kHz高速计数器,2路独立的20kHz高速脉冲输出;1个RS-485通信/编程口,具有PPI通信协议、MPI通信协议和白由方式通信能力;非常适合于小点数控制的微型控制器。

可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统,专为在工业环境下应用而设计。

程序结构:

3. CPU 224

它采用了可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令,并通过数字的、模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。

1)主程序:

1、主程序是程序的主体,每一个项目都必须且只能有一个主程序。在主程序中可以调用子程序和中断程序。

2、程序编译器窗口下的标签用来选择不同的程序。

3、每一次CPU扫描都要执行一次至程序。

CPU 224集成了14输入/10输出共24个数字量I/O点,可连接7个扩展模块,最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点;13K字节程序和数据存储空间;6个独立的30kHz高速计数器,2路独立的20kHz高速脉冲输出,具有PID控制器;1个RS-485通信/编程口,具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力;具有较强的控制能力。

可编程序控制器及其有关的外围设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

2)子程序:

子程序是一个可选的指令的集合,仅在被其他程序调用时执行

4.CPU 224XP

2.PLC的分类

3)中断程序:

中断程序是一个可选的指令的集合,不能被主程序调用,它是在中断事件发生时有可CPU的操作系统调用。


CPU 224XP集成了14输入/10输出共24个数字量I/O点,2输入/1输出共3个模拟量I/O点,可连接7个扩展模块,最人扩展至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点;20K字节程序和数据存储空问;6个独立的高速计数器,2个100kHz的高速脉冲输出;2个RS-485通信/编程口,具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力;同时,还新增多种功能,如内置模拟量I/O、位控特性、自整定PID功能、线性斜坡脉冲指令、诊断LED、数据记录及配方功能等,是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。

PLC产品种类繁多,其规格和性能也各不相同。对于PLC,通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。

存储器的数据类型与寻址方式:

5.CPU 226

2.1.按结构形式分类

数据在存储器中存取的发方式:

CPU 226集成了24输入/16输出共40个数字量I/O点,可连接7个扩展模块,最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点;13K字节程序和数据存储空间;6个独立的30kHz高速计数器,2路独立的20kHz高速脉冲输出,具有PID控制器;2个RS-485通信/编程口,具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力;I/O端子排可很容易地整体拆卸;用于较高要求的控制系统,具有更多的输入/输出点、更强的模块扩展能力、更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能;可完全适用于一些复杂的中小型控制系统。

根据PLC的结构形式,可将PLC分为整体式和模块式两类。

1)位、字节和双字:

1、位的数据类型为BOOL(布尔)型。

2、8位组成一个字节,其中第0位为最低位:LSB,第7位为最高位:MSB。

3、两个字组成一个双字。

一般用二进制的补码表示有符号数,最高位为符号位(0:正数;1:负数)。

整体式PLC

2)数据的存取方式:

1)位存储单元的地址由字节地址和位地址组成

I3.2:I表示输入,字节地址为3,位地址为2.

IB3:有I3.0到I3.7组成,其中B表示字节。

整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内,如图所示。具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。

不同存储区的寻址:

整体式PLC由不同I/O点数的基本单元和扩展单元组成,基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等;扩展单元内只有I/O和电源等,而没有CPU。

1)输入映像寄存器(I:I0.0到I15.7)寻址:

1)输入映像区是CPU接受外部开关量信号的窗口,通过光耦合器,将外部信号的开关量读入并存储在输入映像寄存器中。

2)在每个扫描周期的开始,CPU对输入点进行采样,并将采样值存于输入映像寄存器中。

基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元,如模拟量单元、位置控制单元等,使其功能得以扩展。

2)输出映像寄存器(Q:Q0.0到Q15.7)寻址:

在扫描周期的末尾,CPU将输出映像寄存器的数据传送给输出模块,再由后者驱动外部负载。

小编接触比较多的是OMRON 的CP系列、三菱的FX系列

3)变量存储器(V)寻址:

在程序执行的过程中存放中间结果,或用来保存与工序或任务有关的其他数据。

六合联盟 1

4)位存储器(M:M0.0到M31.7)寻址:

内部存储器标志位用来保存控制继电器的中间操作状态或其他控制信息。

OMRON CP1H PLC

5)特殊存储器(SM)标志位寻址:

特殊存储器用于CPU与用户之间进行信息交换。

六合联盟 2

6)局部存储器(L)寻址:

S7-200给主程序和中断程序各分配64字节局部存储器,给每一级子程序嵌套分配64字节局部存储器,各程序不能访问别的程序的局部存储器。

三菱FX3U PLC

7)定时寄存器(T)寻址:

S7-200有三种定时器,它们的时基增量分别为:1ms、10ms、100ms。

定时器的当前值大于或等于设定值时,定时器被置1,常开出点闭合,常闭触点断开。

模块式PLC

8)计数器寄存器(C)寻址:

计数器是用来累计其计数输入端脉冲电平由低到高的次数。

1)加计数器

2)减计数器

3)加减计数器

当计数器的当前值大于等于设定值时,计数器位被置为1。

模块式PLC将PLC的各组成部分分别做成若干个单独的模块,如CPU模块、I/O模块、电源模块(有的含在CPU模块中)以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成,模块装在框架或基板的插座上,如图所示。

9)顺序控制继电器(SCR)寻址:

用于组织机器的顺序操作。

这种模块式PLC的特点是配置灵活,可根据需要选配不同规模的系统,而且装配方便,便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。

10)模拟量输入(AI)寻址:

因为模拟量输入是1个字长,应从偶数字节地址开始存放,模拟量输入值为只读数据。

小编接触比较多的是OMRON 的CJ、NJ系列PLC 、三菱的Q系列PLC

11)模拟量输出(AQ)寻址:

因为模拟量输出是1个字长,应从偶数字节地址开始存放,用户不能呢个读取模拟量输出值。

六合联盟 3

12)累加器(AC)寻址:

CPU提供了4个32位累加器(AC0到AC3),可以按字节、字和双字来存取累加器中的数据。

三菱Q PLC

13)高速计数器(HC)寻址:

高速计数器用来累计比CPU的扫描速率更快的事件,其当前值和设定值为32位有符号整数,当前值为只读数据。


六合联盟 4

直接寻址与间接寻址:

OMRON CJ系列PLC

1)直接寻址

直接给出存储器的区域、长度、位置。例如:VW790指V存储区中的字,地址为790。

取代继电器控制的数字量(开关量)控制系统一般只用直接寻址。

2.2.按功能分类

2)建立简介寻址的指针

可间接寻址的存储区:I、Q、V、M、S、T(仅当前值)和C(仅当前值)。

不能对独立的模拟量进行间接寻址。

根据PLC的功能不同,可将PLC分为低档、中档、高档三类。

低档PLC

低档PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能,还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较及通信等功能,主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。

中档PLC

中档PLC除具有低档PLC的功能外,还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序及通信联网等功能;有些还可增设中断控制、PID控制等功能,适用于复杂的控制系统。

高档PLC

高档PLC除具有中档PLC的功能外,还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其他特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。

高档PLC具有更强的通信联网功能,可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统,进而实现工厂自动化。

2.3.按I/O点数分类

根据PLC的I/O点数多少,可将PLC分为小型、中型和大型三类。

小型PLC

小型PLC的I/O点数小于256,具有单CPU及8位或16位处理器,用户存储器容量为4KB以下。例如:三菱FX0S系列。

中型PLC

中型PLC的I/O点数在256~2048,具有双CPU,用户存储器容量为2~8KB。

大型PLC

大型PLC的I/O点数大于2048,具有多CPU及16位或32位处理器,用户存储器容量为8~16KB。

世界上,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。

美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离情况下独立研究开发的,因此美国和欧洲的PLC产品有明显的差异性。

而日本的PLC技术是由美国引进的,对美国的PLC产品有一定的继承性,但日本的主推产品定位在小型PLC上。美国和欧洲以大中型PLC而闻名,而日本则以小型PLC著称。

二、PLC的功能及应用领域

PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展的,这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点。

1.PLC的功能

PLC是以微处理器为核心,综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置,具有可靠性高、体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用及维护方便等一系列的优点,因而在冶金、能源、化工、交通、电力等领域中有着广泛的应用,成为现代工业控制的三大支柱(PLC、机器人和CAD/CAM)之一。根据PLC的特点,可以将其功能形式归纳为以下几种类型。

开关量逻辑控制

PLC具有强大的逻辑运算能力,可以实现各种简单和复杂的逻辑控制。这是PLC的最基本也最广泛的应用领域,它取代了传统的继电器接触器的控制。

模拟量控制

PLC中配置有A/D和D/A转换模块。A/D模块能将现场的温度、压力、流量、速度等模拟量转换变为数字量,再经PLC中的微处理器进行处理(微处理器处理的只能是是数字量),然后进行控制;

或者经D/A模块转换后变成模拟量,然后控制被控对象,这样就可实现PLC对模拟量的控制。

过程控制

现代大中型的PLC一般都配备了PID控制模块,可进行闭环过程控制。当控制过程中某一个变量出现偏差时,PLC能按照PID算法计算出正确的输出,进而控制调整生产过程,把变量保持在整定值上。目前,许多小型PLC也具有PID控制功能。

定时和计数控制

PLC具有很强的定时和计数功能,它可以为用户提供几十甚至上百、上千个定时器和计数器。

其计时的时间和计数值可以由用户在编写用户程序时任意设定,也可以由操作人员在工业现场通过编程器进行设定,进而实现定时和计数的控制。如果用户需要对频率较高的信号进行计数,可以选择高速计数模块。

顺序控制

在工业控制中,可采用PLC步进指令编程或用移位寄存器编程来实现顺序控制。

数据处理

现代的PLC不仅能进行算术运算、数据传送、排序及查表等操作,而且还能进行数据比较、数据转换、数据通信、数据显示和打印等,它具有很强的数据处理能力。

通信和联网

现代PLC大多数都采用了通信、网络技术,有RS-232或RS-485接口,可进行远程I/O控制。

多台PLC彼此间可以联网、通信,外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间可以实现程序和数据交换,如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。

2.PLC的应用领域

目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况大致可归纳为如下几类。

开关量的逻辑控制

这是PLC最基本,也是最广泛的应用领域,它取代了传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制;

既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线,如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线及电镀流水线等。

模拟量控制

在工业生产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使PLC处理模拟量,必须实现模拟量和数字量之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块,使PLC用于模拟量控制。

运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说,早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块,可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

世界上各主要PLC生产厂家的产品几乎都具有运动控制功能,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制,在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。作为工业控制计算机,PLC能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。

PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法,大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。

数据处理

现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表及位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,进而完成一定的控制操作;也可以利用通信功能传送到别的智能装置,或将它们打印制表。

数据处理一般用于大型控制系统,如无人控制的柔性制造系统;也可用于过程控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其他智能设备间的通信。随着计算机控制的发展,工厂自动化网络发展得很快,各PLC生产厂商都十分重视PLC的通信功能,纷纷推出各自的网络系统。

新近生产的PLC都具有通信接口,通信非常方便。纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口,通信非常方便。

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