第3章 可编程控制器概述

1、11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,1,第三章 可编程序控制器概述,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,2,本章主要内容,3.1 PLC的产生和定义 3.2 PLC的主要功能及特点 3.3 PLC的应用和发展 3.4 PLC的分类 3.5 PLC的系统组成 3.6 PLC与其它控制系统的区别 3.7 PLC的工作原理 3.8 PLC的

2、编程语言,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,3,311 PLC的产生-GM10条 (1)编程简单，可现场修改程序； (2)维修方便，最好是插件式结构； (3)可靠性高于继电器控制装置； (4)体积小于继电器控制装置； (5)数据可以直接输入管理计算机； (6)可以直接用交流115V； (7)输出为交流115V,容量要求2A以上,可直接驱动电磁阀、接触器等负载； (8)通用性强，易扩展，扩展时原系统只需很少变更； (9)用户存贮器容量大于4KB； (10)性能价格

3、比可与继电器控制装置竞争。,31 PLC的产生与定义,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,4,3.1.2 PLC的定义,早期的可编程控制器主要是用来替代继电器控制系统的，因此功能较为简单，只能进行开关量逻辑控制，称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）,简称PLC。 “可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计.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的

4、指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出,控制各种类型机械的生产过程。而有关的外围设备,都应按易于与工业系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计.” 可以认为PLC实质是一台工业控制用计算机。,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,5,(一) PLC的功能 1 . 开关逻辑和顺序控制 2. 模拟控制 （A/D和D/A控制） 3. 定时/计数控制 4. 步进控制 5运动控制 6. 数据处理 7. 通信联网,32 PLC的功能特点,11/29/202011/29/202

5、011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,6,（二）PLC的特点,1. 编程简单,易于使用； 2可靠性高，抗干扰能力强； 3. 控制系统结构简单，通用性强； 4. 功能完善； 5. 设计、施工和调试的周期短； 6.体积小、重量轻、功耗低，维护操作方便； 7. 易于实现机电一体化 。,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,7,硬件方面措施： (1)隔离 (2)滤波 (3)在PLC内

6、部对CPU供电电源采取屏蔽、稳压、保护等措施. (4)内部设置连锁、故障检测与诊断等电路，一旦发生故障就报警。 (5)外部采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，以适应恶劣环境。 软件方面措施： 设置数字滤波、故障检测与诊断程序，发现错误立即处理（封锁输出、报警、保护数据）.,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,8,3.3 PLC的应用与发展,3.3.1 PLC的发展状况,3.3.2 PLC的发展趋势 1.向小型化、专业化、低成本方向发展; 2.向大容量,高速度方向发

7、展; 3.智能型I/O模块的发展; 4.基于PC的编程软件取代编程器; 5.PLC编程语言的标准化; 6.PLC通信的易用化; 7.组态软件与PLC的软件化; 8.PLC与现场总线相结合,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,9,一方面向着大型化的方向发展，一方面则向着小型化的方向发展。 PLC向大型化方向发展，主要表现在大中型PLC高功能、大容量、智能化、网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合的自动控制。 PLC向小型化方向发展，主

8、要表现在下列几个方面：为了减小体积、降低成本，向高性能的整体型发展；在提高系统可靠性的基础上，产品的体积越来越小，功能越来越强；应用的专业性，使得控制质量大大提高。,可编程序控制器的发展趋势,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,10,常用PLC的生产厂家,日本立石（OMRON）公司的C系列可编程序控制器； 日本三菱（MITSUBISHI）公司的F、F1、F2、FX2系列可编程序控制器； 日本松下（PANASONIC）电工公司的FP1系列可编程序控制器； 美国通用电

9、气（GE）公司的GE系列可编程序控制器； 美国艾论布拉德利（A-B）公司的PLC-5系列可编程序控制器； 德国西门子（SIEMENS）公司的S5、S7系列可编程序控制器。,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,11,国产SOC-48NE2型PLC,国产JH120H型PLC,日本FX型PLC,美国通用PLC,日本松下PLC,合资产品欧姆龙PLC,德国西门子PLC,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/

10、29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,12,3.3.3 PLC的应用领域,PLC已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、纺织、环保和娱乐等行业。PLC的应用范围可分成5种类型。 （1）顺序控制 如印刷机械、包装机械、机床装配生产线及电梯控制等。 （2）运动控制 PLC把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。 （3）过程控制 PLC还能控制大量的过程参数，如温度、流量、压力和液位。一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。 （4）数据处理 在机械加工中,PLC作为主要的控制与管理系统可以完成大量的数据处理工作。 （5

11、）通信网络,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,13,PLC的应用领域,传送带生产线控制,灌装及包装机械,木材加工,电梯控制,空调控制,纺织机械,印刷机械,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,14,3.4 PLC的分类,一、按点数和功能分类 （1）超小型机：I/O点数为64点以内，内存容量为2561000字节； （2）小型机：I/O点

12、数为64256，内存容量为13.6K字节； （3）中型机：I/O点数为2561024，内存容量为3.613K字节； （4）大型机：I/O点数为1024以上，内存容量为13K字节以上；,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,15,二、按结构形式分类,（1）整体式结构 一般的小型及超小型PLC多为整体式结构，这种可编程序控制器是把CPU、RAM、ROM、I/O接口及与编程器或EPROM写入器相连的接口、输入/输出端子、电源、指示灯等都装配在一起的整体装置。西门子公司的S

13、7-200系列PLC为整体式结构。 （2）模块式结构 模块式结构又叫积木式。这种结构形式的特点是把PLC的每个工作单元都制成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块、通信模块等。常见产品有OMRON公司的C200H、C1000H、C2000H，西门子公司的S5-115U、S7-300、S7-400系列等。,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,16,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011

14、/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,17,3.5 PLC的系统组成,PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。PLC的结构框图如图所示：,图3.1 PLC结构框图,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,18,1. 中央处理单元(CPU),中央处理单元(CPU)一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与

15、存储单元、输入/输出接口电路相连接。 它的主要功能有以下几点： 接收从编程器输入的用户程序和数据，送入存储器存储； 用扫描方式接收输入设备的状态信号，并存入相应的数据区； 监测和诊断电源、PLC内部电路工作状态和用户程序编程过程中的语法错误； 执行用户程序，完成各种数据的运算、传递和存储等功能； 根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器表的内容，以实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。 PLC常用的CPU芯片有通用微处理器、单片机和位片式微处理器。 PLC的档次越高，所用的CPU的位数也越多，运算速度也越快，功能越强。,11/29/202011/29/202011/29/20

16、2011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,19,2. 存储器,PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。 系统存储器存放系统程序，并固化到ROM内，用户不能直接更改。它使PLC具有基本功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。其内容主要包括三部分。 第一部分为系统管理程序； 第二部分为用户指令解释程序； 第三部分为标准程序模块与系统调用。 用户存储器用来存放用户编制的控制程序。它包括用户程序存储器（程序区）和数据存储器（数据区）两部分。 PLC常用的存储器类型三种： （1）随机存取存储器（RAM） （2）只读存储器（R

17、OM） （3）可电擦除可编程只读存储器EPROM、EEPROM,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,20,3. 输入/输出单元,PLC的输入/输出信号类型可以是开关量和模拟量。 输入单元接收来自用户设备的各种控制信号，通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点相对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要

18、的强电信号输出，以驱动被控设备的执行元件。 常用开关量输入/输出接口电路有： （1）输入接口电路 通常PLC的输入类型可以是直流、交流和交直流。输入电路的电源可由外部供给，有的也可由PLC内部提供。,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,21,图3.2 直流输入接口电路,图3.3 交流输入接口电路,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,2

19、2,(2)输出接口电路 输出接口电路按输出开关器件的种类分通常有三种类型:继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。每种输出电路都采用电气隔离技术，电源由外部提供，输出电流一般为0.52A。,它只能带直流负载，属于直流输出方式，直流电源由用户提供。 特点：寿命长、无噪音、可靠性高、可以高速通断，频率响应快，响应时间为0.2ms能满足一些直流负载的特殊要求.如直流电机、电器和高速电磁阀的驱动等，但其价格高，过载能力差。,晶体管输出：如图示,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控

20、制器概述,23,晶闸管输出：如图示,晶闸管输出也是无触点输出，它采用光触发型双向晶闸管。它属于交流输出方式，只能带交流负载。交流电源由用户提供。 特点：响应速度快,响应时间为1ms以下,寿命长,可驱动交流负载,但过载能力差.,特点:它耐受电压范围宽,导通压降小,价格便宜。即可控制交流负载，也可控制直流负载，但其机械触点寿命短，转换频率低，响应时间平均为10ms，触点断开时有电弧产生，容易产生干扰。,继电器输出:如图示,4. 电源部件 5. 编程器,6. 扩展接口 7. 通信接口 8. 其它部件,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/2020

21、11/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,24,1. 控制逻辑 继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，故称为“软接线”。 2. 工作方式 前者属于并行工作方式，PLC属于串行工作方式。 3. 可靠性和可维护性 4. 控制速度 5. 定时控制 6. 设计和施工,PLC与继电器控制系统的比较 PLC与单片机的比较 PLC与工业控制计算机的比较,3.6 PLC与其他控制系统的区别,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/

22、202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,25,3.7 PLC的工作原理,3.7.1 PLC的工作方式与运行框图,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,26,PLC是以分时操作方式来处理各项任务的,程序的执行是按顺序依次完成相应各电器的动作,它属于串行工作方式.PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环顺序扫描的方式工作的,每一次扫描所用的时间为扫描周期或工作周期.PLC工作的全过程可用如图3-7所示的运行框图来表示. 一个扫描周期的五个阶段：内部处理与

23、编程器等的通信处理输入扫描 执行用户程序输出处理。,PLC运行正常时,扫描周期与CPU的运算速度、I/O点的情况、用户应用程序的长短等有关。,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,27,PLC的运行框图:,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,28,3.7.2 PLC工作过程的中心内容,输入采样、程序执行、输出刷新这三个阶段是PLC工作过

24、程的中心内容。PLC典型的扫描工作过程如图所示：,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,29,1. 输入采样阶段：,在输入采样阶段，PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态（“0”或“1”，表现在接线端子上是否承受外加电压）读入输入映像寄存器中，这个过程称为对输入信号的采样，接着转入程序执行阶段。在输入采样阶段结束后，即使输入信号状态发生改变，输入映像寄存器中的状态也不会发生改变。,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/20

25、2011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,30,2程序执行阶段:,在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描，又称程序处理阶段。如果程序用梯形图表示，则总是按先上后下、先左后右的顺序对由接点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新输出映像寄存器区或系统RAM区对应位的状态。在程序执行阶段，只有输入映像寄存器区存放的输入采样值不会发生改变，其他各种元素在输出映像寄存器区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能随着程序的执行随时发生改变。 3. 输出刷新阶段： 当程序执行后进入输出刷新阶段。此时将输出映像寄存器中所有输出继电器的状态

26、转存到输出锁存器中，再通过输出端驱动用户输出设备（负载）。,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,31,3.7.3 PLC对输入、输出的处理原则,PLC在输入/输出处理方面必须遵守的一般原则： (1)输入映像寄存器中的数据，取决于输入端子板上各输入点在上一刷新期间的接通和断开的状态。 (2)程序执行结果取决于用户所编程序和输入/输出映像寄存器的内容及其他各元件映像寄存器的内容。 (3)输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果。 (4)输出锁存器中的数据，由上一个扫描周期输出刷新阶段输出映像寄存器中的数据决定。 (5)输出端子的接通和断开状态，由输出锁存器决定。,11/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011/29/202011.04.2021,第3章 可编程控制器概述,32,3.8 PLC的编程语言,3.8.