PLC学习之路-基础知识-(一）

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1.西门子S7系列PLC类型划分

(1).大型PLC：S7-400

• 核心定位：面向大型、复杂自动化系统的高性能解决方案
• 关键特性：
  • 支持多CPU并行处理，具备极强的数据处理能力和复杂算法运行能力
  • 冗余设计全覆盖（电源、CPU、通信模块等），确保高可靠性
  • 可扩展至数千个I/O点，兼容PROFINET、MPI等高端工业通信协议
• 典型应用场景：
  • 大型化工厂的连续生产流程控制
  • 冶金行业的复杂冶炼过程自动化
  • 城市轨道交通枢纽的综合自动化系统

(2).中型PLC：S7-300

• 核心定位：平衡性能与成本的中小型复杂控制系统解决方案
• 关键特性：
  • 模块化架构设计，由CPU、电源、信号模块等组成，扩展灵活
  • 支持数百至数千点I/O控制，满足中等规模生产需求
  • 集成丰富的编程指令集，支持逻辑控制与简单过程控制
• 典型应用场景：
  • 汽车零部件生产线的自动化控制
  • 食品包装流水线的同步控制
  • 中小型机床的数控系统集成

(3).小型PLC：S7-200系列

• 核心定位：面向小型设备与简单控制场景的经济型解决方案
  CPU21X系列
• 早期小型PLC产品，功能基础
• 支持少量I/O点控制（通常≤30点）
• 适用于简单逻辑控制（如小型传送带、单机设备）
• 目前已逐步被升级型号替代
  CPU22X系列（升级款）
• CPU221：
  • 最小配置型号，无扩展能力
  • 适合仅需少量I/O的简单设备（如小型泵类控制）
• CPU222：
  • 支持有限扩展模块
  • 适用于稍复杂的单机控制（如小型包装机）
• CPU224：
  • 性价比最高的主流型号
  • 支持较多扩展模块，满足中小型设备综合控制（如注塑机）
• CPU226：
  • S7-200系列中功能最强型号
  • 最大I/O容量，支持丰富通信功能
  • 适用于较复杂的小型生产线控制

2.西门子S7外形结构

(1).电源模块（PS，Power Supply）
为整个PLC系统提供稳定电力支持，将外部交流电（如AC 220V）转换为各模块工作所需的直流电压（如DC 5V、24V）。具备抗电网波动、电磁干扰抑制能力，是系统稳定运行的能源核心。
(2).中央处理器模块（CPU，Central Processing Unit）
PLC的“大脑”，负责执行用户编写的控制程序（逻辑运算、定时计数、流程控制等），协调各模块间的数据交互，处理故障诊断与系统调度，是程序运行和决策的核心部件。
(3).接口模块（IM，Interface Module）
主要用于多机架或分布式系统的扩展连接，实现不同机架间的信号传输与总线扩展，保障复杂系统中各模块通信的同步性与稳定性。
(4).数字输入模块（DI，Digital Input）
采集外部数字信号（如开关、按钮的通断状态），通过光电耦合等电路实现电气隔离，将外部强电信号转换为PLC内部可处理的弱电信号。
(5).数字输出模块（DO，Digital Output）
将CPU的运算结果转换为驱动信号（如继电器触点、晶体管开关信号），控制外部数字负载（如接触器、指示灯、电磁阀等）的通断。
(6).模拟输入模块（AI，Analog Input）
采集温度、压力、流量等传感器输出的模拟信号（如4-20mA电流、0-10V电压），通过A/D转换将模拟量转化为数字量，供CPU进行数据处理。
(7).模拟输出模块（AO，Analog Output）
将CPU处理后的数字信号通过D/A转换，输出模拟量（如电压、电流信号），用于控制变频器、调节阀等需要连续调节的模拟负载。
(8) 通信模块（CP，Communication Processor）
负责PLC与外部设备的通信交互，支持PROFINET、PROFIBUS、Modbus等工业通信协议，实现与触摸屏（HMI）、上位机、其他PLC或智能设备的数据传输与联网控制。

(1).总览：PLC的“器官”分工逻辑

PLC本质是 “工业专用计算机”，其组成模块对应计算机的“大脑、记忆、接口、能源”等功能，但针对工业环境做了强化设计。核心模块包括：
CPU + 存储器 + I/O接口 + 外设接口 + 编程装置 + 电源

1. CPU（中央处理器）
   功能：
   执行用户程序（逻辑运算、定时、计数、通信等）；
   协调PLC内部各模块的工作（如调度I/O读写、存储器访问）；
   处理故障、报警等异常情况。
   工业强化：
   相比普通计算机CPU，PLC的CPU更注重 “抗干扰、实时性、稳定性”（而非运算速度），例如：
   采用工业级芯片，耐温范围宽（-20℃~60℃）；
   内置硬件看门狗，程序跑飞时自动复位。
2. 存储器

• 分类与作用：

  类型	存储内容	核心特点
  程序存储器	用户编写的控制程序（如梯形图转译的机器码）	掉电后数据保留（常为EEPROM）
  数据存储器	运行时的变量（如I/O状态、计数器值、中间变量）	可实时读写，掉电后需电池保持（或依托电容）

• 工业设计：
  需支持 “在线修改程序”（调试时无需停机）和 “数据掉电保持”（避免生产数据丢失）。

3. 基本I/O接口电路
   本质：“弱电与强电的转换器 + 抗干扰屏障”
   细分与原理：
   输入接口：将外部传感器、开关的信号（如24V直流、220V交流）转换为PLC内部的弱电信号（通常5V），并通过光电耦合、滤波等电路 抗干扰（参考前文输入接口解析）。
   输出接口：将PLC内部的弱电信号转换为驱动外部负载的强电信号（如继电器输出220V、晶体管输出24V直流），同时具备 过载保护、状态指示 功能（参考前文输出接口解析）。

4. 外设接口
   功能：扩展PLC的通信与交互能力，典型场景：
   连接人机界面（HMI）：如触摸屏，实现参数设置、状态监控；
   连接上位机：如工控机，实现集中监控、数据采集；
   连接扩展模块：如额外的I/O模块、运动控制模块，突破本机硬件限制。
   工业协议：常用PROFINET、Modbus、MPI等，保障不同设备间的稳定通信。

5. 编程装置
   形式：软件（如西门子STEP 7、三菱GX Works）或硬件（手持编程器，已逐步淘汰）。
   核心作用：
   编写、下载用户程序（将梯形图、指令表等转化为PLC可执行的代码）；
   在线监控（实时查看I/O状态、变量值，调试程序）；
   故障诊断（读取PLC报错信息，定位问题）。

6. 电源
   功能：将外部电源（如AC 220V）转换为PLC内部模块所需的稳定直流电压（如DC 5V、24V）。
   工业设计：
   宽电压输入：可适应电网波动（如110~260V AC）；
   冗余设计：部分高端PLC支持双电源热备，避免停电中断；
   隔离稳压：抑制电网干扰，保障内部电路稳定。

3.输出电路

(1).小型继电器输出形式

驱动元件：电磁继电器（机械触点）
工作原理：PLC内部弱电信号驱动继电器线圈通电→产生磁场吸合机械触点，实现外部电路的通断。
特性拆解：
优点根源：
「电压范围宽，交直流通用」→ 触点本身不区分交直流，只要负载电压在继电器额定值内即可；
「承受瞬时过压/过流能力强」→ 机械触点断开时，电弧耐受能力优于半导体（触点间隙可“扛住”瞬间高压）。
缺点根源：
「动作速度慢」→ 机械触点吸合/断开需毫秒级时间（电磁力驱动金属片运动）；
「寿命有限」→ 触点每次通断会产生磨损（电弧烧蚀），动作次数达百万次后性能下降。
应用逻辑：适合输出频率低、交直流混合负载的场景（如车间照明、间歇运行的接触器控制）。

(2).大功率晶体管/场效应管输出形式

驱动元件：半导体开关（晶体管/场效应管）
工作原理：PLC内部弱电信号控制半导体器件的导通/截止（类似电子开关，无机械运动），仅适用于直流负载。
特性拆解：
优点根源：
「可靠性强，寿命长」→ 无机械触点，不存在磨损问题（寿命可达千万次以上）；
「执行速度快」→ 半导体开关动作仅需微秒级（电子迁移速度），可支持高频切换。
缺点根源：
「过载能力差」→ 半导体器件过流时易发热烧毁（无触点的“熔断”保护，需外接保险丝）。
应用逻辑：适合直流供电、高频切换的场景（如直流电磁阀、步进电机脉冲控制）。

(3).双向晶闸管输出形式

驱动元件：半导体可控硅（双向晶闸管）
工作原理：PLC内部信号控制晶闸管的双向导通/关断，仅适用于交流负载（利用交流过零特性实现切换）。
特性拆解：
优点/缺点：与晶体管类似（高速、长寿命、过载弱），核心差异是 「负载类型」（交流 vs 直流）。
应用逻辑：适合交流供电、高频切换的场景（如交流接触器、加热丝功率调节）。

(4).三类输出形式的核心对比（原理层面）

维度	继电器输出	晶体管/场效应管输出	双向晶闸管输出
驱动本质	机械触点（电磁驱动）	电子开关（半导体）	电子开关（半导体）
负载电源	交/直流通用	直流	交流
速度瓶颈	机械运动（ms级）	电子迁移（μs级）	电子迁移（μs级）
寿命瓶颈	触点磨损（百万次）	无机械损耗（千万次）	无机械损耗（千万次）
过载应对	触点耐电弧	易烧损（需外保）	易烧损（需外保）

简言之：

• 继电器是 「万能但稍慢的机械开关」，适合对速度要求低、负载复杂的场景；
• 晶体管/晶闸管是 「高速但娇贵的电子开关」，适合高频切换、单一电源类型的场景。
  选择时需从 负载电源、切换频率、可靠性要求 三个维度综合判断。

4.PLC工作原理

(1).工作机制：循环扫描周期

PLC采用"循环扫描"模式运行，整个过程分为三个阶段，周而复始：

1. 输入采样阶段
2. 程序执行阶段
3. 输出刷新阶段

(2). 各阶段工作原理

1. 输入采样阶段
   动作：扫描所有输入端子，将外部设备（开关、传感器等）的状态信号采集到输入映像寄存器
   特点：采样完成后，输入映像寄存器的数据在本扫描周期内保持不变; 即使外部输入信号发生变化，也不会影响当前周期的程序执行;要求：脉冲信号宽度必须大于一个扫描周期才能被有效捕捉

2. 程序执行阶段
   动作：CPU按照程序编写顺序（从上到下、从左到右）执行用户程序
   数据来源：基于输入映像寄存器和内部存储区（中间变量、定时器、计数器等）的数据
   特点：运算结果暂时存储在"输出映像寄存器";程序执行过程中，后面的逻辑可以使用前面的运算结果;前面的逻辑不会因后面的运算结果而改变

3. 输出刷新阶段
   动作：将输出映像寄存器中的最终结果传送到输出锁存器，再通过输出接口电路驱动外部负载
   特点：此阶段是PLC对外部设备的实际控制输出;输出信号保持到下一个扫描周期的输出刷新阶段

(3).I/O处理核心特点

1. 集中输入：仅在输入采样阶段读取外部信号，避免信号波动干扰
2. 集中输出：所有输出信号在输出刷新阶段统一更新，保证控制同步性
3. 映像区隔离：输入/输出映像寄存器作为内部处理与外部信号的缓冲，提高抗干扰能力

(4).原理本质总结

PLC通过循环扫描+集中I/O处理实现工业控制的稳定性和可靠性：循环扫描确保程序按固定周期执行，满足实时控制需求,集中处理机制避免了外部信号的实时波动对程序执行的干扰,映像区设计实现了内部逻辑与外部设备的电气隔离和时序协调