任務1PLC基本認知項目一：

認知S7-1200PLC知識目標：1.了解PLC的發展歷程。2.理解PLC的定義及性能。3.明確PLC的基本結構。

技能目標：1.掌握輸出接口三種輸出類型的適用場合。2.能理解PLC的工作原理。知識點1：PLC的產生及發展20世紀60年代后期可編程邏輯控制器（PLC）第一次亮相。美國汽車制造商通用汽車（GM）想用一種新型的工業控制裝置取代汽車生產流水線的繼電器控制系統繁復的接線，以消除巨大的生產成本，這也是這樣一個裝置研制產生的主要原因。DEC公司制造的小型計算機PDP－14莫迪康

084控制器20世紀60年代后期可編程邏輯控制器（PLC）第一次亮相（如圖1-1-1所示），在汽車生產線上首次取得成功。幾乎在同一時間馬薩諸塞州迪克．莫利的貝德福德聯合公司提出一種稱為模塊化的數字控制器（后來的莫迪康公司）--莫迪康084控制器（如圖1-1-2所示）），開創了工業控制的新時代，成為了世界第一臺投入商業生產的PLC。目前，隨著大規模和超大規模集成電路等微電子技術的發展，PLC已由最初一位機發展到現在的以16位和32位微處理器構成的微機化PC，而且實現了多處理器的多通道處理。如今，PLC技術已非常成熟，不僅控制功能增強，功耗和體積減小，成本下降，可靠性提高，編程和故障檢測更為靈活方便，而且隨著遠程I/O和通信網絡、數據處理以及圖象顯示的發展，使PLC向用于連續生產過程控制的方向發展，成為實現工業生產自動化的一大支柱。知識點2：PLC的定義20世紀70年代初人們將出現的微處理器引入到PLC，使PLC增加了運算、數據傳送及處理等功能，實現了真正具有計算機特征的工業控制裝置。這時的PLC為PC技術和繼電器控制系統相結合的產物。個人計算機發展起來后，為了方便和反映可編程控制器的功能特點，并與個人計算機相區別，1980年美國電氣制造商協會將這種新型控制裝置定名為可編程序控制器ProgrammableLogicController（PLC）。1987年2月國際電工委員會（IEC）對PLC做出了定義：可編程序控制器是一種數字運算操作電子系統，專為在工業環境下應用而設計。知識點3：PLC的特點1.編程方便，操作簡易梯形圖因具有與繼電器控制電路在電路符號、表達方式等地方相似的特點，成為了PLC使用最多的編程語言。梯形圖形象、簡單，容易掌握、使用方便，不需要計算機專業知識，只要具有一定電氣方面知識的人員就能輕松掌握。2.可靠性高，抗干擾能力強平均無故障時間用來衡量PLC的可靠性，由于PLC大都采用單片微型計算機，因而集成度高，再加上采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，保護電路及自診斷功能，使PLC控制系統的平均無故障時間可達4～5萬小時，能適應有各種強烈干擾的工業現場。如一般PLC能抗1000V、1ms脈沖的干擾，其工作環境溫度為0～60℃，無需強迫風冷。3.使用靈活、通用性強PLC的產品已系列化、硬件已標準化，功能模塊種類多，可以靈活組成各種不同大小和不同功能的控制系統。在PLC控制系統中，只需把輸入輸出信號接在PLC的接線端子上，當需要變更控制系統的功能時，可以用軟件在線或離線修改程序，同一個PLC裝置用于不同的控制對象，只是輸入輸出組件和應用軟件的不同。4.接口簡單、維護方便按工業控制的要求，PLC設計的接口有較強的帶負載能力（輸入輸出接口可直接與交流220V，直流24V等電壓相連），接口電路一般多為模塊式，維修更換方便。一些PLC還可以帶電插拔輸入輸出模塊，可不脫機停電而直接更換故障模塊，大大縮短了故障修復時間。知識點4：PLC的主要功能1．開關邏輯與順序控制：PLC最基本、最廣泛的應用，它取代傳統的繼電器控制系統，實現邏輯控制、順序控制，其既可用于一臺設備的控制，也可用于多臺群控及自動化流水線控制。2．模擬量控制：溫度、壓力、流量、液位和速度等模擬量在工業生產過程當中經常需要去控制，現在大部分PLC廠家都生產配套A/D和D/A轉換模塊，使PLC可用于模擬量控制。3．數據處理：大部分PLC具有數據處理能力，除了數據傳送、數學運算外，還能進行數據的轉換、排序、查表、顯示打印、比較等操作，可以完成數據的采集、分析及處理。4．運動控制：PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。5．通信聯網：PLC的通信聯網實現了PLC與PLC之間、多臺PLC之間、PLC與其他設備之間的信息交換，組成了一個能實現分散集中控制的統一整體。知識點5：PLC的類型1．按I/O點數及存儲器的容量分類（1）小型機——小型PLC的功能一般以開關量控制為主，其I/O總點數不會超過256點，用戶程序存儲器容量小于4K。現在一些高性能小型PLC還具有一定的通訊能力和少量的模擬量處理能力。這類PLC的特點是價格低，體積小，適合于控制單臺設備，開發機電一體化產品。典型的小型機有西門子公司的S7-200系列和新型的S7-1200系列、Rockwell公司的SLC500系列、OMRON公司的CPM2A系列、三菱公司的FX系列等產品。（2）中型PLC——中型PLC的I/O總點數在256～1024點之間，用戶程序存儲器的容量在8K以上。中型PLC具有更強的模擬量處理能力、數字計算能力和通訊能力。中型機的指令比小型機更豐富，一般適用于復雜的邏輯控制系統以及連續生產過程的控制場合。典型的中型機有西門子的S7-300系列、Rockwell公司的ControlLogix系列、OMRON公司的C200H系列等產品。（3）大型PLC——大型PLC的I/O總點數在1024點以上，用戶程序存儲器容量可達8～16M。大型PLC的性能已經與工業控制計算機相當，它具有計算、控制和調節的功能，還具有強大的通訊聯網能力。它可以連接HMI作為系統監視或操作界面，能夠表示過程的動態流程，記錄各種曲線，可配備多種智能模塊，構成一個多功能系統。這種系統還可以和其他型號的控制器、上位機相連，組成一個集中分散的生產過程和產品質量控制系統。大型機適用于設備自動化、過程自動化控制和過程監控。典型的大型PLC有西門子的S7-400、OMRON公司的CVMl和CSl系列、Rockwell公司的ControlLogix、PLC5/05系列等產品。2．根據結構形式分（1）整體式（箱體式）——整體式結構的特點是將PLC的基本部件，如CPU板、輸入板、輸出板、電源板等緊湊地安裝在一個標準機殼內，構成一個整體，組成PLC的一個基本單元（主機）或擴展單元。基本單元上設有擴展端口，通過擴展電纜與擴展單元相連。以構成PLC不同的配置。整體式結構的PLC體積小，成本低，安裝方便。微型和小型PLC一般為整體式結構。（2）機架模塊式——模塊式結構的PLC是由一些模塊單元構成，這些標準模塊如CPU模塊、輸入輸出模塊、電源模塊和各種功能模塊等，將這些模塊插在框架上或基板上即可。各模塊功能是獨立的，外形尺寸是統一的，插入什么模塊可根據需要靈活配置。目前，中、大型PLC多采用這種結構形式。知識點6：PLC的基本結構可編程控制器的核心構成和計算機是一樣的，都由中央處理器（CPU）、I/O模塊、存儲器、電源、I/O擴展接口、外部設備等構成。因此，從硬件結構來說，PLC實際上就是計算機，下圖1-1-3是其硬件系統的簡化框圖。從圖中可以看出PLC內部主要部件有:圖1-1-3PLC硬件系統的簡化框圖1．中央處理單元（CPU）在PLC系統中，CPU是PLC的核心組成部分，相當于人的大腦和心臟，它不斷地采集輸入信號，執行用戶程序，刷新系統的輸出結果。其主要任務是：

（1）接收并存儲輸入的用戶程序和數據。

（2）用掃描方式接收現場輸入裝置的狀態數據，并存入映象寄存器或數據寄存器中。

（3）診斷電源、PLC內部電路的工作狀態和編程過程中的語法錯誤。

（4）執行用戶程序，完成邏輯運算，完成數據的存取、傳送、存儲、比較等功能，完成用戶所設計程序的任務。（5）根據運算結果控制輸出設備，實現輸出控制、制表、打印式數據通訊等。2．輸入/輸出（I/O）接口輸入（Input）和輸出（Output）接口簡稱為I/O接口，它們是PLC控制系統的眼、耳、手、腳，是聯系外部現場和CPU模塊的橋梁。輸入接口用于接收和采集輸入信號，輸入信號一般有兩類：一類是按鈕、各種開關(數字拔碼開關、限位開關)、傳感器、壓力繼電器等開關量作為輸入信號；另一類是由電位器、熱電偶、測速發電機等提供的連續變化的模擬量。不同PLC的輸入電路大致相同，輸入接口內部有光耦合器隔離，并設有RC濾波器，可以消除輸入觸點的抖動和外部噪聲干擾。PLC的輸出接口用來對輸出設備進行控制，例如對接觸器、電磁閥、指示燈等。輸出接口有三種輸出類型，即繼電器輸出型、雙向晶閘管輸出型、晶體管輸出型。

（1）繼電器輸出：

優點是可驅動交、直流負載，帶負載電流可達2A／點；但繼電器輸出動作頻率不能太高。（2）雙向晶閘管輸出：

優點是能適應高頻動作，響應時間大約為1ms，但其帶負載能力較差，只能帶交流負載。（3）晶體管輸出：

優點是適應于高頻動作，響應時間短，一般為0.2ms左右，但它只能帶直流負載（一般DC30V以下），電流比較小。

3．存儲器PLC系統中的存儲器主要用于存放系統程序、用戶程序和工作狀態數據。根據PLC的工作原理其存儲空間一般包括以下三個區域：系統程序存儲區、系統RAM存儲區、用戶程序存儲區。（1)系統程序存儲區在系統程序存儲區中存放著由PLC生產廠家編寫的系統程序（相當于計算機操作系統），包括監控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統診斷子程序等，并固化在ROM內，用戶不能更改，斷電不會消失。（2)系統RAM存儲區系統RAM存儲區包括I/O映象區以及各類軟設備如：邏輯線圈、數據寄存器、計時器、計數器、變址寄存器等存儲器。用來存放輸入/輸出狀態和運算數據。（3）用戶程序存儲區用戶程序存儲器用來存放用戶自己所編寫的各種程序。用戶程序存儲器根據所選用的存儲器單元類型的不同（可以是RAM、EPROM或EEPROM存儲器），其內容可以由用戶修改或增刪。用戶程序一般存于CMOS靜態RAM中，用鋰電池作為后備電源，以保證掉電時不會丟失信息。系統RAM存儲區和用戶程序存儲區的大小關系到用戶程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指標之一。4．電源PLC一般使用220V交流電源或24V直流電源，PLC內部配有一個專用開關型穩壓電源，它將交流／直流供電電源變換成系統內部各模塊所需的電源，許多PLC都可以向外提供直流24V穩壓電源，用于對外部傳感器供電。對于整體式結構的PLC，電源封裝在機殼內部；對于模塊式PLC，有的采用單獨電源模塊，有的將電源與PLC封裝到一個模塊中。5．I/O擴展接口用于連接I/O擴展單元和特殊功能單元，通過擴展接口可以擴充I/O點數，也可連接一些功能模塊完成特定的功能，使PLC的配置更加靈活以滿足不同控制系統的需要。I/0擴展接口電路采用并行接口和串行接口兩種電路形式。6．外部設備

（1）編程設備：一般采用簡易編程器和PC，用來編輯、調試用戶程序、監控等。（2）監控設備：有數據監視器、圖形監視器等，可監視數據或者可通過畫面監視數據，但不能改變PLC的用戶程序，其他功能與編程器相同。（3）存儲設備：用于永久性地存儲用戶數據而不丟失。如存儲卡、只讀存儲器等。（4）輸入輸出設備：用來接收信號或輸出信號，實現PLC進行人機對話。輸入的有條碼讀入器，輸入模擬量的電位器等，輸出的有打印機、編程器、監控器等。知識點7：PLC的工作原理PLC有運行(RUN)和停止(STOP)兩種基本的工作模式。當處于停止工作模式時，PLC只進行內部處理和通信服務等內容，當處于運行工作模式時，PLC執行用戶程序。PLC是采用周期掃描的工作方式，CPU連續執行用戶程序和任務循環序列成為掃描。在PLC運行時，PLC要進行內部處理、通信服務、輸入處理、程序處理、輸出處理五個階段，然后按上述過程循環掃描工作。為了使PLC的輸出及時地響應隨時可能變化的輸入信號，PLC通過反復執行用戶程序來實現控制功能，直至PLC斷電或停止。PLC工作原理如圖1-1-4所示。（1）內部處理階段PLC檢查CPU內部的硬件是否正常，將監控定時器復位，以及完成一些其他內部工作。（2）通信服務階段PLC與其他的設備通信，響應輸入的指令。當PLC處于停止模式時，只執行內部處理和通信服務兩個階段的操作；當PLC處于運行模式時，還要完成另外3個階段的操作。（3）輸入處理階段輸入處理又叫輸入采樣。在PLC的存儲器中，設置了一片區域用來存放輸入信號和輸出信號的狀態，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器。在輸入處理階段，PLC順序讀入所有輸入端子的通斷狀態，并將讀入的信息存入到輸入映像寄存器中。此時，輸入映像寄存器被刷新。接著進入程序處理階段，在程序處理時，輸入映像寄存器與外界隔離，此時即使有輸入信號發生變化，其映像寄存器的內容也不會發生改變，只有在下一個掃描周期的輸入處理