任务一 S7-200系列PLC的I/O配线
【任务目标】
1.熟悉PLC外部接线。
2.掌握输入继电器与输入端子之间的关系。
3.掌握PLC、负载、供电电源之间的联系。
4.理解程序在PLC控制系统中的作用。
【任务分析】
用两只按钮SB1（常开）、SB2（常闭）控制4只彩灯HL0～HL3（额定电压220V）的亮灭。要求在写入控制程序后，按下控制按钮SB1时，对应彩灯HL0点亮，HL1熄灭，松开按钮SB1时，对应彩灯HL0熄灭，HL1点亮，按下或松开控制按钮SB2时，被控彩灯HL2及HL3点亮与熄灭的情况正好相反。TX为端子板。I/O配线硬件布局参见图1-1。
图1-1 PLC的I/O配线硬件布局
【相关知识】
一、可编程控制器的基本结构
1.可编程控制器的一般硬件结构
可编程控制器的一般外部结构（以西门子S7-200系列为例）如图1-2所示，一般为长方体结构，外部有两排接线端子，按功能可以分为电源输入接线端、输入接线端、输出接线端、传感器电源输出接线端等。
图1-2 西门子S7-200系列可编程控制器的外部结构
可编程控制器内部硬件结构如图1-3所示。其主要元器件有输出继电器、开关变压器及输入输出接线端子等。
图1-3 西门子S7-200系列可编程控制器的内部硬件结构
PLC内部硬件逻辑结构框图如图1-4所示。
图1-4 PLC内部硬件逻辑结构框图
（1）中央处理单元（CPU）。中央处理单元是可编程控制器的核心，一般采用单片机芯片，它通过地址总线、数据总线、控制总线与存储器、I/O接口相连，其主要作用是执行系统控制程序，从输入接口读取各开关状态，根据梯形图程序进行逻辑处理，并将处理结果输出到输出接口。
（2）存储器。可编程控制器的存储器是用来存储数据或程序的。存储器中的程序包括系统程序和应用程序。梯形图程序属于应用程序。系统程序用来管理和控制系统的运行，解释执行应用程序。系统程序存储在只读存储器ROM中，应用程序一般存放在电可擦除的EEPROM型存储器中。EEPROM是非易失性的，但是可以用编程器对它编程。新型PLC系列产品中通常采用快闪（FLASH）存储器保存应用程序。
（3）输入、输出接口。输入、输出接口是可编程控制器与外界连接的接囗，根据实际工作情况，可选用不同的电路结构。
① 输入接口电路。输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号：一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等传来的开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器等传来的模拟量输入信号。
常用开关量输入单元有直流输入单元及交流输入单元。图1-5及图1-6分别给出了它们的典型电路，图中虚线框中的部分为PLC内部电路，框外为用户接线。直流输入电路外接电源的极性可任意选择，单元中含有R及C构成的滤波电路。交流输入单元中含有隔直流电容C，直流及交流输入电路中均采用光耦实现输入信号与机内电路的耦合。
图1-5 直流输入单元
图1-6 交流输入单元
② 输出接口电路。输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）等。常用的开关量输出单元可分为晶体管输出单元、晶闸管输出单元和继电器输出单元。图1-7～图1-9分别给出了它们的电路。图中虚线框中的电路是PLC的内部电路，框外是PLC输出点的驱动负载电路。三种电路的主要区别是采用的输出器件不同，晶体管输出电路中控制器件为晶体管，晶闸管输出电路中控制器件为晶闸管，而继电器输出电路中输出控制器件为继电器。各种输出电路均带有输出指示。
图1-7 晶体管输出电路
图1-8 晶闸管输出电路
图1-9 继电器输出电路
PLC的输出电路有共点式、分组式、隔离式之别。输出只有一个公共端子的称为共点式；分组式是将输出端子分成若干组，每组共用一个公共端子；隔离式是各输出点具有单独的端子，点与点之间互相隔离，可各自使用独立的电源。
（4）电源电路。可编程控制器一般都使用220V，50Hz的交流电源。小型整体式可编程控制器内部有一个开关稳压电源，通过它将交流电变换成内部电路所需的直流电，此电源可为CPU板、I/O板及扩展单元提供5V DC，并可为外部输入元件提供24V DC，该电源由“L+”、“M”两个接线端子引出。
（5）扩展接口。扩展接口用于将扩展单元与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活。
（6）通信接口。为了实现“人—机”或“机—机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机以及其他的PLC或计算机相连。
当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印。当与监视器（CRT）相连时，可将过程图像显示出来；当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网络，实现更大规模的控制；当与计算机相连时，可以组成多级计算机控制系统，实现控制与管理相结合的综合系统。
（7）智能I/O接口。为了满足更加复杂的控制功能的需要，PLC配有多种智能I/O接口。
（8）控制模板以及对高速脉冲进行计数和处理的高速计数模板等，这类智能模板都有其自身的处理器系统。
（9）编程工具。编程工具供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视，最常用的是编程器。编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符（指令表）后才能输入，它一般由简易键盘和发光二极管或其他显示器件组成。智能型的编程器又称图形编程器，它可以联机，也可以脱机编程，具有LCD或CRT图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。
（10）文本显示器单元。图1-10是两款用于S7-200系列PLC的文本显示器（TD）单元，显示器单元是一种价格低廉的人机界面，用于显示文本信息以及应用程序有关的其他数据，通过它能查看、监视和改变应用程序的过程变量。
图1-10 文本显示器（TD）单元
PLC厂家为自己的产品设计了计算机辅助编程软件，运行这些软件可以编辑、修改用户程序，监控系统的运行，打印文件，采集和分析数据，在屏幕上显示系统运行状态，对工业现场和系统进行仿真等。若要直接与可编程控制器通信，还要配有相应的通信电缆。
2.可编程控制器的单元式结构
可编程控制器的结构通常分为单元式和模块式，但近年来有将这两种形式结合起来的趋势。单元式的特点是结构非常紧凑，它将所有的电路都装入一个模块内，构成一个整体。小型可编程控制器的结构吸收了模块式结构的特点，将各种不同点数的可编程控制器及其扩展单元都做成同宽同高不同长度的模块，这样几个模块拼装起来后就成了一个整齐的长方体结构。
由于在一个单元内集中了CPU板、输入/输出板、电源板等，对于某一个单元的输入输出就有一定的比例关系。FX2N系列PLC基本单元（亦称CPU单元）的输入输出比为1∶1，如FX2N-16MR-001型PLC有8个输入点，8个输出点。而欧姆龙CPM1A系列PLC基本单元的输入输出比为3∶2。为了达到输入输出点数灵活配置及易于扩展的目的，某一系列的产品通常都由不同点数的基本单元和扩展单元构成，其中的某些扩展单元为全输入或全输出型。
图1-11是采用西门子S7-200系列PLC产品组成的一个实际应用系统，组成系统的各个单元分别是：
① CPU单元：CPU216-2，含24个输入点/16个输出点；
② 输出扩展单元：EM222，8个输出点；
③ 输入扩展单元：EM221，8个输入点；
④ 模拟量扩展模块：EM231，4路模拟量输入。
图1-11 S7-200系列PLC实际应用系统
根据具体情况，使用者可灵活选择所需单元模块，构成最为经济合理的控制系统。
3.可编程控制器的软件
PLC的软件系统指PLC所使用的各种程序的集合。它由系统程序（系统软件）和用户程序（应用软件）组成。
（1）系统程序。系统程序包括监控程序、输入译码程序及诊断程序等。监控程序用于管理、控制整个系统的运行；输入译码程序则把应用程序（梯形图）输入翻译成统一的数据格式，并对输入接口送来的输入量进行各种算术、逻辑运算处理，通过输出接口实现控制；诊断程序用来检查、显示本机的运行状态，方便使用和维修；系统程序由PLC生产厂家提供，并固化在EPROM中，用户不能直接读写。
（2）用户程序。用户程序是用户根据现场控制的需要，用PLC的编程语言（如梯形图）编制的应用程序，通过编程器将其输入到PLC内存中，用来实现各种控制要求。
二、可编程控制器的工作原理
1.可编程控制器的等效电路
可编程控制器是一个执行逻辑功能的工业控制装置。为便于理解可编程控制器是怎样完成逻辑控制的，可以用类似于继电器控制的等效电路来描述可编程控制器内部工作情况。图1-12为可编程控制器的等效电路，表1-2是其简要说明。
图1-12 可编程控制器的等效电路
表1-2 可编程控制器等效电路的简要说明
2. PLC的扫描工作方式
可编程控制器采用循环扫描方式工作。从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的顺序逐条执行程序，即按顺序逐条执行程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描，并周而复始地重复进行。
可编程控制器工作时的扫描过程如图1-13所示。它包括5个阶段：内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理。PLC完成一次扫描过程所需的时间称为扫描周期。扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关。
图1-13 可编程控制器的扫描工作过程
在内部处理阶段，CPU检查内部各硬件是否正常。在RUN（运行）模式下，还要检查用户程序存储器是否正常，如果发现异常，则停机并显示报警信息。
在通信处理阶段，CPU自动检测各通信接口的状态，处理通信请求，如与编程器交换信息，与微机通信等。在PLC中配置了网络通信模块时，PLC与网络进行数据交换。
当PLC处于STOP（停止）状态时，只完成内部处理和通信服务工作；当PLC处于RUN状态时，除完成内部处理和通信服务的操作外，还要完成输入扫描、程序执行和输出处理。
3. PLC的程序执行过程
当PLC处于正常运行时，它将不断重复图1-13中的扫描过程，不断循环扫描，分析上述扫描过程，如果对远程I/O特殊模块和其他通信服务暂不考虑，则扫描过程就只剩下图1-14 所示“输入采样”“程序执行”“输出刷新”三个阶段了。图中①～⑤表示程序执行的时间顺序。
图1-14 PLC程序执行过程中的三个阶段
下面用一个简单的例子来进一步说明PLC的扫描工作过程。图1-15中，启动按钮SB1和停止按钮SB2的常开触点分别接在编号为I0.1和I0.2的输入端，接触器KM的线圈接在编号为Q0.0的输出端。如果热继电器FR动作（其常闭触点断开）后需手动复位，可以将FR的常闭触点与接触器KM的线圈串联，这样可以少用一个PLC的输入点。
图1-15 PLC外部接线图与梯形图
图1-15的梯形图中的I0.1与I0.2是输入变量，Q0.0是输出变量，它们都是梯形图中的编程元件。接在输入端子I0.1的SB1的常开触点和输入过程映像寄存器I0.1相对应，Q0.0与接在输出端子Q0.0的PLC内的输出电路和输出过程映像寄存器Q0.0相对应。
梯形图以指令的形式储存在PLC的用户程序存储器中，图1-15中的梯形图与下面的4条指令相对应，“//”之后是该指令的注释。
LD I0.1 //接在左侧“电源线”上的I0.1的常开触点
O Q0.0 //与I0.1的常开触点并联的Q0.0的常开触点
AN I0.2 //与并联电路串联的I0.2的常闭触点
= Q0.0 //Q0.0的线圈
图1-15中的梯形图完成的逻辑运算为：
Q0.0=（I0.1+Q0.0）·
在输入采样阶段，CPU将SB1和SB2的常开触点的ON/OFF状态读入相应的输入过程映像寄存器，外部触点接通时将二进制数“1”存入寄存器，反之存入“0”。
执行第一条指令时，从输入过程映像寄存器I0.1中取出二进制数，并存入堆栈的栈顶，堆栈是存储器中的一片特殊的区域。
执行第二条指令时，从输出过程映像寄存器Q0.0中取出二进制数，并与栈顶中的二进制数相“或”（触点的并联对应“或”运算），运算结果存入栈顶。运算结束后只保留运算结果，不保留参与运算的数据。
执行第三条指令时，因为是常闭触点，取出输入过程映像寄存器I0.2中的二进制数后将它取反（如果是“0”则变为“1”，如果是“1”则变为“0”），取反后与前面的运算结果相“与”（电路的串联对应“与”运算），然后存入栈顶。
执行第四条指令时，将栈顶中的二进制数送入Q0.0的输出过程映像寄存器。
在输出刷新阶段，CPU将各输出过程映像寄存器中的二进制数传送给输出模块并锁存起来，如果输出过程映像寄存器Q0.0中存放的是二进制数“1”，外接的KM线圈将通电，反之将断电。
图1-15中I0.1、I0.2和Q0.0的波形中的高电平表示按下按钮或KM线圈通电，当t＜t1时，读入输入过程映像寄存器I0.1和I0.2的均为二进制数“0”，此时输出过程映像寄存器Q0.0中存放的亦为“0”。在程序执行阶段，经过上述逻辑运算过程之后，运算结果仍为Q0.0=0，所以KM的线圈处于断电状态。在t＜t1区间，虽然输入、输出信号的状态没有变化，用户程序仍一直反复不断地执行着。t=t1时，按下启动按钮SB1，I0.1变为“1”状态，经逻辑运算后Q0.0也变为“1”状态，在输出处理阶段，将Q0.0对应的输出过程映像寄存器中的“1”送到输出模块，输出模块中与Q0.0对应的物理继电器的常开触点接通，接触器KM的线圈通电。
【操作指导】
1. 画出接线图，安装电路
根据任务要求，采用S7-200 CPU224 AC/DC/RLY型PLC，其I/O接线图如图1-16所示。
图1-16 输入输出继电器的I/O接线图
输入输出继电器地址分配如表1-3所示。
表1-3 输入输出继电器的地址分配表
在教师指导下，按图1-16完成输入/输出电路的硬件接线。在满足一般电气安装基本要求外，还应注意以下几点。
① 所有导线两端必须安装号码管，其编号除注明外一律采用PLC输入/输出端子号。1M及M间的连接线采用“M”进行编号。号码管安装完成后，字头应统一朝左或朝上。
② 输入按钮及输出指示灯按布局图安装在按钮安装支架上，并通过连接电缆与主板接线端子相连。连接电缆应采用尼龙绕线管进行保护。
③ 为保证接线安全可靠，所有电气元件接线端子上，只允许安装最多两根导线，电气接点上导线较多时，可采用串联的方法进行连接。
④ 系统工作电源通过单相电源插头线，接至TX后再接入小型断路器QS进线端。
2.自检
检查布线。对照图1-16检查是否掉线、错线，是否漏编、错编，接线是否牢固等。
3. PLC裸机（无程序）上电运行
在PLC用户程序存储区清空状态下，合上电源开关QS，分别松开或按下SB1、SB2，观察PLC上输入、输出指示灯的工作状态及彩灯工作情况，将结果填入空白处。
松开SB1：输入I0.0指示灯_______，输出指示灯Q0.0_______，Q0.1_______，彩灯HL0_______，HL1_______。
按下SB1：输入I0.0指示灯_______，输出指示灯Q0.0_______，Q0.1_______，彩灯HL0_______，HL1_______。
松开SB2：输入I0.1指示灯_______，输出指示灯Q0.2_______，Q0.3_______，彩灯HL2_______，HL3_______。
按下SB2：输入I0.1指示灯_______，输出指示灯Q0.2_______，Q0.3_______，彩灯HL2_______，HL3_______。
4.编辑控制程序（该步骤由指导教师完成）
在装有STEP7-Micro/WIN V4.0 SP6编程软件的个人电脑上编辑PLC控制程序，编译后保存为“*.mwp”文件备用。彩灯控制参考梯形图及指令表程序见图1-17。
图1-17 彩灯控制参考梯形图及指令表程序
5.程序下载（该步骤由指导教师完成）
采用编程电脑及USB/PPI适配电缆，将图1-17所示彩灯控制参考梯形图程序写入PLC（注意：一定要在断开QS的情况下插拔适配电缆）。
6.运行彩灯控制程序
再次接通QS，分别松开或按下SB1、SB2，观察PLC上输入、输出指示灯的工作状态及彩灯工作情况，将结果填入空白处。
松开SB1：输入I0.0指示灯_______，输出指示灯Q0.0_______，Q0.1_______，彩灯HL0_______，HL1_______。
按下SB1：输入I0.0指示灯_______，输出指示灯Q0.0_______，Q0.1_______，彩灯HL0_______，HL1_______。
松开SB2：输入I0.1指示灯_______，输出指示灯Q0.2_______，Q0.3_______，彩灯HL2_______，HL3_______。
按下SB2：输入I0.1指示灯_______，输出指示灯Q0.2_______，Q0.3_______，彩灯HL2_______，HL3_______。
【课后思考】
1. PLC由哪几部分组成？
2.输出电路分哪三种形式？
3.比较学习任务中PLC的两种上电运行结果，说明用户程序在控制系统中的作用。