《电气控制与PLC技术》课件赵经纬项目7可编程控制器基础知识

1、1、什么是可编程控制器、什么是可编程控制器 可编程序控制器综合了计算机技术、自可编程序控制器综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术融为一体的新型工业动控制技术和通信技术融为一体的新型工业自动控制装置自动控制装置。它具有体积小、功能强、程它具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列的优点的优点,在机械、冶金、能源、化工、石油、在机械、冶金、能源、化工、石油、交通、电力等领域中得到了越来越广泛的应交通、电力等领域中得到了越来越广泛的应用用, PLC技术已经成为工业自动化控制三大技技术已经成为工业自动化控制三大技术术(PLC技术、机器人、计算

2、机辅助设计与分技术、机器人、计算机辅助设计与分析析)支柱之一。支柱之一。第第5章章 可编程控制器基础知识可编程控制器基础知识 （1）可编程序控制器的定义）可编程序控制器的定义 可编程控制器是一种数字运算操作的电可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，在其内部存储执行采用可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械设备或生输入和输出，控

3、制各种类型的机械设备或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于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进行设计。扩充其功能的原则进行设计。 1)可靠性高可靠性高,抗干扰能力强抗干扰能力强 2) 通用性强通用性强,使用方便使用方便 3) 程序设计简单程序设计简单,容易理解和掌握容易理解和掌握 4) 系统设计周期短系统设计周期短 5) 体积小体积小,重量轻重量轻 6) 适应性强适应性强 （ 2）可编程序控制器的特点）可编程序控制器的特点 （3）可编程序控制器的发展方向）可编程序控制器的发展方向 目前目前PLC

4、发展方向主要有两个发展方向主要有两个: 一是朝着小型化、简易、廉价化、方向发展。一是朝着小型化、简易、廉价化、方向发展。单片机技术的发展单片机技术的发展,促进了促进了PLC向紧凑型发展向紧凑型发展,体积体积减小减小,价格降低价格降低,可靠性不断提高。可靠性不断提高。 二是朝着大型、高速、标准化、系列化、智能二是朝着大型、高速、标准化、系列化、智能化、高速化、大容量化、网络化方向发展化、高速化、大容量化、网络化方向发展,这将使这将使PLC功能更强功能更强,可靠性更高可靠性更高,使用更方便使用更方便,适用面更多适用面更多功能方向发展。大型的功能方向发展。大型的PLC一般为多微处理器系统一般为多微处

5、理器系统,有较大的存储能力和功能强劲的输入有较大的存储能力和功能强劲的输入/输出接口。输出接口。 2、可编程序控制器的基本组成、可编程序控制器的基本组成 （1）可编程序控制器的硬件组成）可编程序控制器的硬件组成 PLC的基本组成包括硬件与软件两部分：的基本组成包括硬件与软件两部分： PLC的硬件组成包括中央处理器（的硬件组成包括中央处理器（CPU）、）、存储器存储器(RAM、ROM)、输入、输入/输出输出(I/O)接口、接口、编程设备、通信接口、电源和其他一些电路组编程设备、通信接口、电源和其他一些电路组成。成。PLC的硬件结构框图如图的硬件结构框图如图5-1所示。所示。图图5-1 PLC的硬

6、件基本结构图的硬件基本结构图1）中央处理单元）中央处理单元 中央处理单元中央处理单元(CPU)是是PLC的核心部件的核心部件, 整个整个PLC的工作过程都是在中央处理器的统的工作过程都是在中央处理器的统一指挥和协调下进行的一指挥和协调下进行的,它的主要任务是在系它的主要任务是在系统程序的控制下统程序的控制下,完成完成逻辑运算、数学运算、逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分工作协调系统内部各部分工作等，然后根据用户等，然后根据用户所编制的应用程序的要求去处理有关数据所编制的应用程序的要求去处理有关数据,最最后再向被控对象送出相应的控制后再向被控对象送出相应的控制(驱动驱动)信号。信号。 存储器

7、是存储器是PLC用来存放系统程序、用户程序、用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量及运算数据的单元。存储器的类型有逻辑变量及运算数据的单元。存储器的类型有可读可读/写操作的随机存储器写操作的随机存储器RAM和只读存储器和只读存储器ROM（PROM、EPROM、EEPROM）在）在PLC中，中，PLC的软件系统由系统程序和用户程序组的软件系统由系统程序和用户程序组成。成。 2）存储器）存储器 存数据存数据存数据存数据 输入输入/输出输出(I/O)是是PLC和工业控制现场各类信号连和工业控制现场各类信号连接的部件。接的部件。PLC通过输入接口把工业现场的状态信通过输入接口把工业现场的状态信息读入息读

8、入,输入部件输入部件接收是从开关、按钮、继电器触点接收是从开关、按钮、继电器触点和传感器等输入的现场控制信号和传感器等输入的现场控制信号,通过用户程序的运通过用户程序的运算与操作算与操作,对输入信号进行滤波、隔离、电平转换等对输入信号进行滤波、隔离、电平转换等,把输入信号的逻辑值准确、可靠地传入把输入信号的逻辑值准确、可靠地传入PLC内部。内部。并将这些信号转换成中央处理器能接收和处理的数并将这些信号转换成中央处理器能接收和处理的数字信号，把结果通过输出接口输出给执行机构。字信号，把结果通过输出接口输出给执行机构。 PLC通过输出接口，通过输出接口，接收经过中央处理器处理接收经过中央处理器处理

9、过的输出的数字信号过的输出的数字信号,并把它转换成被控制设备或显并把它转换成被控制设备或显示装置所能接收的电压或电流信号示装置所能接收的电压或电流信号,从而驱动接触器、从而驱动接触器、电磁阀和指示器件等。电磁阀和指示器件等。 PLC的等效电路图图的等效电路图图5-2所示。所示。 3）输入）输入/输出接口输出接口 52 PLC的等效电路的等效电路 电源部件是把交流电转换成直流电源的装置电源部件是把交流电转换成直流电源的装置,它它向向PLC提供所需要的高质量直流电源。可编程控制提供所需要的高质量直流电源。可编程控制器电源包括各工作单元供电的开关稳压电源和掉电器电源包括各工作单元供电的开关稳压电源和

10、掉电保护电源（一般为电池）。保护电源（一般为电池）。 PLC电源与普通电源相比稳定性好、抗干扰能电源与普通电源相比稳定性好、抗干扰能力强。许多力强。许多PLC还向外提供还向外提供DC 24V稳压电源，用稳压电源，用于对外部传感器供电。于对外部传感器供电。 4）电源模块）电源模块 编程器是编程器是PLC必不可少的重要外围设备。它必不可少的重要外围设备。它的主要作用是进行编辑、输入用户程序、检查、的主要作用是进行编辑、输入用户程序、检查、调试、修改，用来监视调试、修改，用来监视PLC的工作状态。也可在的工作状态。也可在线监控线监控PLC内部状态和参数，与内部状态和参数，与PLC进行人机对进行人机对

11、话。它是开发、应用、维护话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的设备。不可缺少的设备。5）编程器）编程器目前已被个人微机替代目前已被个人微机替代 其它接口包括外存储器接口、其它接口包括外存储器接口、BEPPROM写入写入器接口、器接口、A/D转换接口、转换接口、D/A转换接口、远程通信转换接口、远程通信接口、与计算机相连的接口、打印机接口、与接口、与计算机相连的接口、打印机接口、与CRT相连的接口等。相连的接口等。 6）其它接口）其它接口 （2 2）可编程序控制器的软件）可编程序控制器的软件 1 1）系统程序）系统程序 PLCPLC的系统程序有三种类型。的系统程序有三种类型。 是完成系统命令解

12、释、功能子程序调用、是完成系统命令解释、功能子程序调用、管理、监控、逻辑运算、通信、各种参数设管理、监控、逻辑运算、通信、各种参数设定、诊断等功能。定、诊断等功能。 由由PLCPLC的制造厂家编写的，在的制造厂家编写的，在PLCPLC使用过使用过程中不会变动，它和程中不会变动，它和PLCPLC的硬件组成有关，它的硬件组成有关，它关系到关系到PLCPLC的性能。的性能。 由制造厂家直接固化在只读存储器由制造厂家直接固化在只读存储器ROMROM、PROMPROM或或EPROMEPROM中，用户不能访问和修改。中，用户不能访问和修改。 2）用户程序）用户程序 用户存储器是指使用者根据用户存储器是指使

13、用者根据工程现场的生工程现场的生产过程和工艺要求产过程和工艺要求编写的控制程序，是编写的控制程序，是PLC应用于工业控制的一个重要环节。主要用于应用于工业控制的一个重要环节。主要用于存放用户按控制要求所编制的程序，可通过存放用户按控制要求所编制的程序，可通过编程器进行必要的修改。编程器进行必要的修改。PLC的编程语言多的编程语言多种多样，不同的种多样，不同的PLC厂家，不同系列厂家，不同系列PLC采采用的编程语言不尽相同。用的编程语言不尽相同。 3、可编程序控制器的工作原理、可编程序控制器的工作原理 （1）扫描工作方式）扫描工作方式 PLC采用采用循环扫描循环扫描工作方式，为了连续地完成工作方

14、式，为了连续地完成PLC所承担的扫描工作所承担的扫描工作,系统必须重复执行依一定的系统必须重复执行依一定的顺序完成循环扫描工作方式，每重复一次的时间称顺序完成循环扫描工作方式，每重复一次的时间称为一个扫描周期。由于为一个扫描周期。由于PLC扫描速度很快扫描速度很快,输入扫描输入扫描和输出刷新的周期时间通常为和输出刷新的周期时间通常为3ms左右左右,而程序执行而程序执行时间可根据程序的长度不同而不同。时间可根据程序的长度不同而不同。PLC一个扫描一个扫描周期通常为周期通常为10-100ms,对一般工业被控对象来说对一般工业被控对象来说,扫扫描过程几乎是与输入同时完成的。如图描过程几乎是与输入同时

15、完成的。如图5-3所示。所示。 图图5-3 PLC循环扫描工作过程循环扫描工作过程 PLC工作的三个阶段工作的三个阶段 （1）输入采样阶段）输入采样阶段 将输入端状态读入到寄存器（输入映像区）中存将输入端状态读入到寄存器（输入映像区）中存储，这一过程称为采样。储，这一过程称为采样。 （2）程序执行阶段）程序执行阶段 从上到下、从左到右逐条执行程序指令，并将从上到下、从左到右逐条执行程序指令，并将结果存入输出映像区（寄存器）的过程。结果存入输出映像区（寄存器）的过程。 （3 3）输出处理阶段输出处理阶段 将输出映像区（寄存器）的内容送入到输出锁将输出映像区（寄存器）的内容送入到输出锁存器，再通过

16、输出端驱动接触器、电磁阀和指示灯存器，再通过输出端驱动接触器、电磁阀和指示灯等负载的过程。等负载的过程。（2）工作过程）工作过程（3）PLC的工作原理的工作原理 可编程控制器的工作原理与计算机工作原理很相可编程控制器的工作原理与计算机工作原理很相似，简单的讲，就是在似，简单的讲，就是在CPU的控制与协调下，通过运的控制与协调下，通过运行用户程序来完成工作任务。具体来讲，行用户程序来完成工作任务。具体来讲，PLC是按下是按下面步骤工作。面步骤工作。 第一步第一步 PLC具备一个基本系统环境，即在硬件具备一个基本系统环境，即在硬件（存储器）上安装一套系统程序。通电后，该系统程（存储器）上安装一套系

17、统程序。通电后，该系统程序便自动运行。系统程序包括三个程序：序便自动运行。系统程序包括三个程序：1、运行管、运行管理程序，用来确保理程序，用来确保PLC的各种硬件正常运行。的各种硬件正常运行。2、用、用户程序的解释程序，用来翻译用户程序中的各条指令，户程序的解释程序，用来翻译用户程序中的各条指令，使其成为能执行的二进制编码指令。使其成为能执行的二进制编码指令。3、功能实现程、功能实现程序，用来调用和管理各类功能子程序，完成如输入信序，用来调用和管理各类功能子程序，完成如输入信息、输出信息、息、输出信息、A/D转换等具体任务。转换等具体任务。 第二步第二步 用户用用户用PLC的语言编写程序并将其

18、存放的语言编写程序并将其存放到存储器里，等待运行。到存储器里，等待运行。 第三步第三步 打开运行开关，系统程序开始逐条读取打开运行开关，系统程序开始逐条读取用户程序，翻译后，按着指令要求进行任务处理，用户程序，翻译后，按着指令要求进行任务处理，并将结果存放到存储器里等待输出。并将结果存放到存储器里等待输出。 第四步第四步 用户程序从第一条开始运行，到最后一用户程序从第一条开始运行，到最后一条运行结束，我们称为一个程序周期，也称为扫描条运行结束，我们称为一个程序周期，也称为扫描周期。此时，将会对输入、输出信息进行一次更新，周期。此时，将会对输入、输出信息进行一次更新，输入更新称为采样，输出更新称

19、为刷新。用户程序输入更新称为采样，输出更新称为刷新。用户程序就是这样周而复始地运行下去，实现了就是这样周而复始地运行下去，实现了PLC与现场与现场之间信号的的输入输出，完成控制任务。之间信号的的输入输出，完成控制任务。工作过程示意图工作过程示意图 4、可编程序控制器的主要性能指标、可编程序控制器的主要性能指标 在对在对PLC性能进行描述时性能进行描述时,经常用到经常用到位位、数字数字、字字节及字节及字等术语。等术语。 位位指二进制的一位指二进制的一位,仅有仅有0、1两种取值。一个位两种取值。一个位对应对应PLC一个继电器一个继电器,某位的状态为某位的状态为0或或1,分别对应分别对应继电器线圈断

20、电或通电。继电器线圈断电或通电。 4位位二进制数构成一个数字二进制数构成一个数字,这个数字可以是这个数字可以是0000-1001(十进制十进制),也可以是也可以是00001111(十六进十六进制制)。 2个数字或个数字或8位二进制数构成一个位二进制数构成一个字节字节。 2个字节构成一个个字节构成一个字字。在。在PLC术语中术语中,字称为通道。字称为通道。一个字含一个字含16位位,或者说一个通道含或者说一个通道含16个继电器。个继电器。 （1）编程语言种类）编程语言种类 PLC常用的编程语言有梯形图语言、语句表语言、常用的编程语言有梯形图语言、语句表语言、流程图语言及某些高级语言等，使用最多的是

21、前两流程图语言及某些高级语言等，使用最多的是前两者。者。 （2）存储容量）存储容量 小型机内存为小型机内存为1K到几到几K，中型机为几，中型机为几K至几百至几百K，大型机几百大型机几百K至至2M字节。字节。 （3）输入输出（）输入输出（I/O）总点数）总点数 输入输出（输入输出（I/O）点数越多，控制规模就越大。）点数越多，控制规模就越大。目前输入输出点数为目前输入输出点数为814336点甚至更多点甚至更多 。 （4）扫描速度）扫描速度 目前更快的能达到目前更快的能达到0.75ms/K字逻辑运算程序。字逻辑运算程序。 （5）PLC内部继电器的种类内部继电器的种类 有如输入继电器、输出继电器、辅

22、助继电器、定有如输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、特殊继电器、数据寄存器、状态继时器、计数器、特殊继电器、数据寄存器、状态继电器等。电器等。 （6）扩展能力）扩展能力 大部分大部分PLC用用I/0扩展单元进行扩展单元进行I/O点数的扩展。点数的扩展。 （7）工作环境）工作环境 工作环境的温度工作环境的温度050oC （8）其它）其它 （1）按输入）按输入/输出点数分类输出点数分类 1）超小型）超小型PLC：输入输出（：输入输出（I/O）点数在）点数在64点以点以下下,用户程序存储器容量通常在用户程序存储器容量通常在12KB。 2）小型）小型PLC ：输入输出（：输入输出（I/

23、O）点数在）点数在64256之间之间 ,用户程序存储器容量通常在用户程序存储器容量通常在24KB。 3）中型）中型PLC ：输入输出点数在：输入输出点数在256512点之间点之间,用户程序存储器容量通常在用户程序存储器容量通常在28K字。字。 4）大型）大型PLC ：入输出点数在：入输出点数在512 8192之间，之间，用户程序存储器容量通常在用户程序存储器容量通常在8K64KB。 5）超大型）超大型PLC ：入输出点数在：入输出点数在8192以上，用户以上，用户程序器容量大于程序器容量大于64KB，目前已有，目前已有I/O点数达点数达14336点的超大型点的超大型PLC，使用，使用32位微处理器。位微处理器。 5、可编程序控制器的分类、可编程序控制器的分类 （2）按结构形式分类）按结构形式分类 1）整体式）整体式：整体式：整体式PLC是将电源、是将电源、CPU、存储、存储器、器、I/O接口安装在同一机体内接口安装在同一机体内,具有结构紧凑、体具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低。一般小型积小、重量轻、价格低。一般小型PLC常采用这种常采用这种结构。结构。 2）模块式）模块式：模块式：模块式PLC是将是将PLC各部分分成若各部分分成若干个单