PLC第三章可编程控制器概述

1、可编程控制器原理与应用 电气控制与PLC技术信电学院自动化所信电学院自动化所朱美强朱美强 第一节 可编程序控制器系统的产生与定义一一 、PLC 产生产生n20世纪世纪60年代，计算机已价格昂贵，抗干扰性差年代，计算机已价格昂贵，抗干扰性差，工业控制仍然以继电，工业控制仍然以继电接触器控制为主。接触器控制为主。n1968年，美最大的汽车制造商年，美最大的汽车制造商通用汽车制造通用汽车制造公司（公司（GM），为适应汽车型号的不断翻新，试图），为适应汽车型号的不断翻新，试图寻找一种新型的工业控制器，以尽可能减少重新寻找一种新型的工业控制器，以尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件及接线、减少设

2、计和更换继电器控制系统的硬件及接线、减少时间，降低成本。提出时间，降低成本。提出GM十条招标十条招标第三章 可编程序控制器概述第三章 可编程序控制器 第一节 可编程序控制器系统的产生与定义一一 、PLC 产生产生n1969年，美国数字设备公司（年，美国数字设备公司（DEC）根据）根据GM十条研十条研制出第一台可编程控制器（制出第一台可编程控制器（PLC）。）。n早期的早期的PLC主要用于顺序控制，只能实现逻辑运算。主要用于顺序控制，只能实现逻辑运算。因此，被称为可编程逻辑控制器因此，被称为可编程逻辑控制器(Programmable logic controller，略写，略写 PLC )。n随

3、着微处理器和微型计算机技术的发展，随着微处理器和微型计算机技术的发展，PLC技术技术迅猛发展，已不仅具有逻辑操作功能。迅猛发展，已不仅具有逻辑操作功能。可编程控制器的名称说明可编程控制器的名称说明l1980年美国电气制造商协会年美国电气制造商协会NEMA正式命名：正式命名：Programmable Controller 可编程控制器，为区别于可编程控制器，为区别于Personal Computer (PC)，故沿用，故沿用PLC 这个略写。这个略写。l现在现在PLC是指可编程控制器是指可编程控制器Programmable Controller，而不是可编程逻辑控制器（而不是可编程逻辑控制器（P

4、rogrammable Logic Controller）。）。l注意注意PLC、PC和和IPC的区别的区别第一节 可编程序控制器系统的产生与定义二、可编程控制器的定义二、可编程控制器的定义1-8国际电工委员会国际电工委员会(IEC)在可编程控制器标准在可编程控制器标准IEC1131中做了中做了如下定义：如下定义： 可编程控制器是一种可编程控制器是一种数字运算的电子系统数字运算的电子系统，专门为，专门为在工业在工业环境下应用环境下应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在其内部而设计。它采用可编程的存储器，用来在其内部执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的执行逻辑运算、顺序控制、定

5、时、计数和算术运算等操作的面向用户的指令，并通过面向用户的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出数字式、模拟式的输入和输出，控，控制各种类型的机械和生产过程。制各种类型的机械和生产过程。 可编程控制器及其有关设备，都应按可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制易于与工业控制系统形成一个整体系统形成一个整体，易于扩充其功能易于扩充其功能的原则设计。的原则设计。 第一节 可编程序控制器系统的产生与定义 第二节 可编程序控制器的发展n1968年年GM公开招标，公开招标， 1969年年DEC公司推出了世界公司推出了世界上第一台可编程序控制器。上第一台可编程序控制器。n70年代中期，美日一些厂家将

6、微处理器引入可编程年代中期，美日一些厂家将微处理器引入可编程控制器，从而彻底打破了可编程控制器作为继电控制控制器，从而彻底打破了可编程控制器作为继电控制系统替代品的框框。系统替代品的框框。n70年代末期到年代末期到80年代初，为解决各厂家的可编程控年代初，为解决各厂家的可编程控制器系统各自为政、无法互联的局面，制器系统各自为政、无法互联的局面，GM开始制订开始制订MAP(Manufacturing Automation Protocol)，可，可编程控制器网络走上标准化道路。编程控制器网络走上标准化道路。n90年代，迅速发展的各种网络和现场总线技术被广年代，迅速发展的各种网络和现场总线技术被广

7、泛地集成在可编程控制器系统中，可编程控制器及其泛地集成在可编程控制器系统中，可编程控制器及其相关系统为工厂自动化提供一种全集成自动化相关系统为工厂自动化提供一种全集成自动化TIA的的解决方案。解决方案。一、历史一、历史向小型化、专用化、低成本方向发展向小型化、专用化、低成本方向发展向大容量、高速度、信息化方向发展向大容量、高速度、信息化方向发展智能化模块的发展智能化模块的发展人机界面的发展人机界面的发展在过程控制领域使用以及在过程控制领域使用以及PLC的冗余特性的冗余特性开放性和标准化开放性和标准化通讯联网功能的增强和易用性通讯联网功能的增强和易用性软软PLCPAC（Programmable

8、Automation Controller）, “80-20”原则，基于原则，基于PC 第二节 可编程序控制器的发展二、发展趋势二、发展趋势 第三节 可编程序控制器的应用领域单机电气控制系统单机电气控制系统制造业自动化制造业自动化运动控制运动控制过程工业自动化过程工业自动化 第四节 可编程序控制器的特点抗干扰能力强，可靠性高抗干扰能力强，可靠性高控制系统结构简单，通用性强控制系统结构简单，通用性强编程方便编程方便,易于使用易于使用功能强大，成本低功能强大，成本低设计、施工、生产调试的周期短设计、施工、生产调试的周期短维护方便维护方便 第五节 跟其他控制系统比较控制逻辑控制逻辑工作方式工作方式可

9、靠性和可维护性可靠性和可维护性控制速度控制速度定时控制定时控制设计和施工设计和施工与继电器控制系统的区别与继电器控制系统的区别本质区别本质区别使用场合使用场合使用过程使用过程使用成本使用成本学习难易程度学习难易程度就业方向就业方向与单片机控制系统的区别与单片机控制系统的区别 第五节 跟其他控制系统比较与与IPC、DCS、FCS控制系统的区别控制系统的区别DCS：大系统概念，用于连续过程控制系统：大系统概念，用于连续过程控制系统PLC：用于开关量控制为主的控制系统：用于开关量控制为主的控制系统FCS：使用总线协议为核心的控制系统：使用总线协议为核心的控制系统 第五节 跟其他控制系统比较IPC：抗

10、干扰、编程语言难易程度：抗干扰、编程语言难易程度第六节第六节 PLC的分类的分类PLC系统组成系统组成分类标准：分类标准： I/O点数点数 结构结构 性能性能SF2CBSF1继电器继电器-接触器系统电路结构说明接触器系统电路结构说明QAQABB输入部分输入部分逻辑部分逻辑部分输出部分输出部分输入部分：输入部分：由各类按钮开关、行程开关、接近开关、由各类按钮开关、行程开关、接近开关、 转换开关转换开关等主令电器构成等主令电器构成。逻辑部分逻辑部分：由各种继电器触电、接触器：由各种继电器触电、接触器触点触点组成的实组成的实 现现一定逻辑功能一定逻辑功能的控制线路。的控制线路。输出部分：输出部分：由

11、各种电磁阀由各种电磁阀线圈线圈，接通电动机的各种接，接通电动机的各种接 触器和信号指示灯等触器和信号指示灯等执行电器执行电器构成构成。1、按、按I/O点数容量分类点数容量分类可编程控制器的规模以所配置的输入可编程控制器的规模以所配置的输入/输出点数来衡量输出点数来衡量小型：小型：I/O点数点数2048 应该指出大、中、小的规模主要是指应该指出大、中、小的规模主要是指I/O点数，程序容量在点数，程序容量在目前的多数可编程控制器中是可以扩展，扩展后可达数十兆。目前的多数可编程控制器中是可以扩展，扩展后可达数十兆。第六节第六节 PLC的分类的分类2、按结构形式分类：、按结构形式分类： 它将电源、它将

12、电源、CPU和少量和少量I/O(开关量开关量)组装组装在一个机壳内，称为在一个机壳内，称为基本单元基本单元。当。当I/O点数不点数不足或需要诸如模拟量足或需要诸如模拟量I/O等功能时就需要通过等功能时就需要通过扁平电缆扁平电缆(并行内部总线并行内部总线)连接连接扩展单元扩展单元。小型小型可编程控制器较多地采用这种形式可编程控制器较多地采用这种形式，其结构，其结构紧凑，便于安装，成本降低。紧凑，便于安装，成本降低。整体式整体式 第六节第六节 PLC的分类的分类模块式模块式 可编程控制器的各个功能模块在结构上也可编程控制器的各个功能模块在结构上也以单独的以单独的模块形式出现模块形式出现，如电源模块

13、，中央处理模块，各种，如电源模块，中央处理模块，各种I/O模模块，他们通过一个块，他们通过一个共同的基板或者机架上的内部总线构共同的基板或者机架上的内部总线构成一个完整的控制系统成一个完整的控制系统。这种结构一般在中大型、高档。这种结构一般在中大型、高档产品中采用。随着近年来小型产品高档化的发展趋势，产品中采用。随着近年来小型产品高档化的发展趋势，在小型系统中也有出现。在小型系统中也有出现。Series 90-70S7-200基本单元扩展模块扩展模块3、根据性能分类、根据性能分类低档低档：性能主要局限于性能主要局限于原来的继电器控制系统的原来的继电器控制系统的替代品替代品。功能主要是各种逻辑运

14、算，定时，计数。功能主要是各种逻辑运算，定时，计数，移位等。，移位等。主要配置开关量主要配置开关量输入输入/ /输出模块输出模块。中档：中档：除了低档可编程控制器具备的功能外，中除了低档可编程控制器具备的功能外，中档产品档产品具备了诸如数据运算、传递、比较、代码具备了诸如数据运算、传递、比较、代码转换等功能转换等功能，开关量，开关量I/OI/O点数也较多，另外有点数也较多，另外有模模拟量拟量I/OI/O和远程和远程I/OI/O，其中远程，其中远程I/OI/O借助于通讯功借助于通讯功能来实现。能来实现。第六节第六节 PLC的分类的分类高档高档：除了中低档产品的功能外，高档产品借助除了中低档产品的

15、功能外，高档产品借助于其一个或多个高性能的微处理器为工业应用于其一个或多个高性能的微处理器为工业应用提提供了大量的高级功能供了大量的高级功能，诸如浮点运算、文件管理，诸如浮点运算、文件管理，往往提供了对上，对下的，往往提供了对上，对下的多种网络通讯方式多种网络通讯方式，高档产品是一个完整系列产品，为整个工厂自动高档产品是一个完整系列产品，为整个工厂自动化提供了一个完整的解决方案。化提供了一个完整的解决方案。根据性能分类根据性能分类Example:SIEMENSExample:MatsushitaSeries 90-30Example:SchneiderTSX Neza Modicon TSX

16、Quantum TSX Premium TSX Momentum TSX Micro TSX Compact 第七节第七节 PLC的系统组成的系统组成1. 中央处理单元 n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。 nCPU的主要功能：n1）从存储器中读取指令 n2）执行指令 n3）顺序取指令 n4）处理中断 第七节第七节 PLC的系统组成的系统组成2. 存储器 1）只读存储器ROM 2）随机存储器RAM3）可电擦除的可编程只读存储器（EEPROM）。 第七节第七节 PLC的系统组成的系统组成 分为用户存储器和系统存储器，用户存储器又分为用户程序存储器

17、和用户数据存储器 ，常有类型3. 输入/输出单元 分为模拟量单元和数字量单元，这里主讲数字单元。（1）输入接口电路 为了防止各种干扰信号和高电压信号进入PLC，影响其可靠性或造成设备损坏，现场输入电路一般有光电耦合器电路进行隔离。 输入类型有直流、交流、交直流。第七节第七节 PLC的系统组成的系统组成2）输出接口电路 PLC输出电路用来驱动被控负载（电磁铁、继电、接触器线圈等）。分为继电器式，晶体型和晶闸管式三种。 三种形式特点：继电器三种形式特点：继电器 - 低速大功率低速大功率 晶闸管晶闸管- 高速大功率高速大功率 晶体管晶体管 - 高速小功率高速小功率I/O电路的外部接线（输入模块）电路

18、的外部接线（输入模块） 汇点式汇点式分隔式分隔式输出模块的外部接线输出模块的外部接线 （输出模块）（输出模块） 输出模块用户接线 KM1KM2KM3KM4电源电源电源电源汇点式汇点式 分隔式分隔式4. 其它 电源、扩展接口、通信接口编程设备、附件。输出锁存、输出锁存、电平转换等电平转换等I/O 扩展扩展智能智能 I/O输入滤波、电平输入滤波、电平转换、锁存转换、锁存功能开关功能开关和指示器和指示器编程器编程器微处理器微处理器CPU系统程序系统程序EPROM用户数据用户数据RAM用户程序用户程序EPROM存储器存储器扩展扩展通信接口通信接口系统总线系统总线去现场去现场来自现场来自现场后备电池后备

19、电池至至PCPC或者其他或者其他光电耦合光电耦合光电耦合、继光电耦合、继电器或可控硅电器或可控硅4. 其它 第八节 PLC的工作原理1、PLC的工作方式的工作方式电气控制梯形图：并行工作方式电气控制梯形图：并行工作方式PLC梯形图：串行工作方式梯形图：串行工作方式PLC梯形图：串行工作方式梯形图：串行工作方式n2、PLC的运行方式的运行方式nPLC的工作按集中输入、集中输出，周期的工作按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。性循环扫描的方式进行工作的。n工作过程工作过程 n上电处理上电处理n扫描过程扫描过程n出错处理出错处理第八节 PLC的工作原理读输入读输入执行程序执行程序处理

20、通讯处理通讯写输出写输出自诊断自诊断第八节 PLC的工作原理2、PLC的运行方式的运行方式周期性循环扫描，集中输入、集周期性循环扫描，集中输入、集中输出，与单片机系统的区别？中输出，与单片机系统的区别？怎样增强抗干扰能力？怎样增强抗干扰能力？输出输出锁存锁存、电平转换等电平转换等I/O 扩展扩展智能智能 I/O输入滤波、电平输入滤波、电平转换、转换、锁存锁存功能开关功能开关和指示器和指示器编程器编程器微处理器微处理器CPU系统程序系统程序EPROM用户数据用户数据RAM用户程序用户程序EPROM存储器存储器扩展扩展通信接口通信接口系统总线系统总线去现场去现场来自现场来自现场后备电池后备电池至至

21、PCPC或者其他或者其他光电耦合光电耦合光电耦合、继光电耦合、继电器或可控硅电器或可控硅输出刷新阶段输出刷新阶段 用户程序执行阶段用户程序执行阶段 输入采样阶段输入采样阶段 扫描周期扫描周期输入、输出映像寄输入、输出映像寄存器，内存或缓存存器，内存或缓存中中（M100M100）（Y430)Y430)输出刷新阶段输出刷新阶段 用户程序执行阶段用户程序执行阶段 输入采样阶段输入采样阶段 输入输入端子端子输输入入映映象象寄寄存存器器元件元件映象映象寄存寄存器器输出输出锁存锁存器器输出输出端子端子扫描周期扫描周期X4X4读读出出(Y430)0)写入写入读出读出第八节 PLC的工作原理3、PLC工作的中

22、心内容工作的中心内容输入信号要求持续一个扫描周期，影响扫描周期的因素？输入信号要求持续一个扫描周期，影响扫描周期的因素？ （1）、输入映像寄存器的数据取决于输入采样阶段）、输入映像寄存器的数据取决于输入采样阶段 所所刷新的数据。刷新的数据。 （2）、输出映像寄存器的数据取决于程序执行结果。）、输出映像寄存器的数据取决于程序执行结果。 （3）、输出锁存电路中的数据，由上一个工作周期的输）、输出锁存电路中的数据，由上一个工作周期的输出刷新阶段存入到输出锁存电路中数据确定。出刷新阶段存入到输出锁存电路中数据确定。 （4）、输出端子上的输出状态，由锁存电路中数据确定。）、输出端子上的输出状态，由锁存电

23、路中数据确定。 （5）、程序执行中所需的输入、输出状态，由输入映像）、程序执行中所需的输入、输出状态，由输入映像寄存器和输出状态映像寄存器中读出寄存器和输出状态映像寄存器中读出。 （6）、立即执行指令除外）、立即执行指令除外第八节 PLC的工作原理4、PLC对输入对输入/输出的处理原则输出的处理原则IEC1131IEC1131为可编程控制器定义了为可编程控制器定义了四种编程语言：四种编程语言：梯形图梯形图Ladder Diagram指令列表指令列表Instruction List功能图功能图Function Diagram结构化文本结构化文本Structure Text第九节第九节 PLC的编程语言的编程语言一一 PLC梯形图梯形图 可编程控制器的梯形图程序类似于继电器控制可编程控制器的梯形图程序类似于继电器控制线路梯形图的形式。线路梯形图的形式。 传统的继电器控制线路是传统的继电器控制线路是通过硬接线通过硬接线来实现控来实现控制逻辑，而可编程控制器的梯形图通过制逻辑，而可编程控制器的梯形图通过软件实现软件实现相应的控制。相应的控制。 梯形图编程方法简单，修改灵活方便，保留了梯形图编程方法简单，修改灵活方便，保留了继电