第三讲 可编程控制器概述

1、2022-3-28第三讲第三讲 可编程控制器概述及系可编程控制器概述及系统统I/OI/O的确定的确定自动化系 刘彬电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系u 可编程序控制器的特点可编程序控制器的特点u可编程控制器的主要功能可编程控制器的主要功能uPLCPLC的性能指标的性能指标2.2.可编程控制器的基本结构可编程控制器的基本结构3.3.可编程控制器的资源与编程语言可编程控制器的资源与编程语言4.4.可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理1.1.可编程控制器的分类及特点可编程控制器的分类及特点u 可编程序控制器的定义及分类可编程序控制器的定义及分类电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化

2、系u 可编程序控制器的特点：可编程序控制器的特点： 可靠性高，抗干扰能力强可靠性高，抗干扰能力强 编程方便（编程语言简单、易学，便于掌握）编程方便（编程语言简单、易学，便于掌握） 、易于使用易于使用安装简单、维修方便安装简单、维修方便采用模块化结构，使系统组合灵活，维护方便采用模块化结构，使系统组合灵活，维护方便 系统设计施工周期（对生产工艺改变适应性强短）系统设计施工周期（对生产工艺改变适应性强短）电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系u可编程控制器的主要功能可编程控制器的主要功能 逻辑逻辑( (开关开关) )控制控制 定时控制定时控制 计数控制计数控制 步进控制步进控制 模拟量处理与模

3、拟量处理与PID PID 控制控制 数据处理数据处理 通信和联网功能通信和联网功能电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系uPLC的性能指标的性能指标 I/OI/O点数点数 处理速度处理速度 存储器容量存储器容量 定时定时/ /计数器的点数和精度计数器的点数和精度 处理数据的范围处理数据的范围 指令种类及条数指令种类及条数 模块数模块数电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系2.2.可编程控制器的基本结构可编程控制器的基本结构模块式PLC总线底板电源模块CPU模块通讯模块输入模块输出模块模拟量模块高速计数模块伺服电机控制模块扩展模块电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系电器与可编程控制

4、器技术太原工业学院自动化系中央处理器中央处理器（CPU） 在系统程序的控制下，诊断电源、在系统程序的控制下，诊断电源、PLC内部电路内部电路工作状态；接收、诊断并存储从编程器输入的用工作状态；接收、诊断并存储从编程器输入的用户程序和数据；用扫描方式接收现场输入装置的户程序和数据；用扫描方式接收现场输入装置的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器。状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器。 在在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户程序，按指令规定的任务，产生相应的控制信户程序，按指令规定的任务，产生相应的控制信号，去启闭有关控制门电路，分时分

5、渠道地去执行号，去启闭有关控制门电路，分时分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等动作，数据的存取、传送、组合、比较和变换等动作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算等任务。完成用户程序中规定的逻辑或算术运算等任务。 根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，实现输出控制、制表、打印或像寄存器的内容，实现输出控制、制表、打印或数据通信等等。数据通信等等。 中央处理器是可编程序控制器的中央处理器是可编程序控制器的核心。核心。 电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系PLC采用的采用的CPU一般有三大类：一般有三大类： 通用微处理

6、器，如通用微处理器，如80286、80386等。等。 单片机芯片，如单片机芯片，如8031、8096等。等。 位处理器，如位处理器，如AMD2900、AMD2903等。等。电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系存储器存储器 存储器：用于存放系统程序、用户程序及运算数据存储器：用于存放系统程序、用户程序及运算数据的单元。的单元。 分类：分类： 只读存储器（只读存储器（ROM）：用来存放系统工作程序、模块化应用）：用来存放系统工作程序、模块化应用功能子程序、命令解释、功能子程序的调用管理程序以及按对功能子程序、命令解释、功能子程序的调用管理程序以及按对应定义存储各种系统参数（应定义存储各种系统

7、参数（I/O、内部继电器、计时、内部继电器、计时/计数器、计数器、数据寄存器等）等功能。数据寄存器等）等功能。 只读存储器又分为掩膜只读存储器和电可擦除只读存储器只读存储器又分为掩膜只读存储器和电可擦除只读存储器 随机读写存储器（随机读写存储器（RAM）:用来用来存放用户程序及系统运行中产存放用户程序及系统运行中产生的临时数据。特点是写入与擦除都很容易，但在掉电情况下生的临时数据。特点是写入与擦除都很容易，但在掉电情况下存储的数据就会丢失存储的数据就会丢失 。 PLC的存储器区域按用途不同，又可分为的存储器区域按用途不同，又可分为程序区程序区及及数据区数据区。 存放程序存放程序存放数据存放数据

8、电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系输入输出接口输入输出接口 输入输出接口：是输入输出接口：是PLC和工业控制现场各类信号和工业控制现场各类信号连接的部分。连接的部分。 两个主要的两个主要的要求要求：一是接口有良好的一是接口有良好的抗干扰能力抗干扰能力。二是接口能满足工业现场各类信号的二是接口能满足工业现场各类信号的匹配要求匹配要求。 电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系不同的接口需求设计了不同的接口单元。不同的接口需求设计了不同的接口单元。主要有以下几种：主要有以下几种： 开关量输入接口：开关量输入接口： 作用：是把现场的开关量信号变成作用：是把现场的开关量信号变成PLC内部处理

9、的标准信内部处理的标准信号。接口接受的外信号电源有直流输入、交流输入和交流号。接口接受的外信号电源有直流输入、交流输入和交流/直直流输入。如图所示：流输入。如图所示： PLC开关量输入接口开关量输入接口输入接口中都有滤波电路及耦合隔离电路，滤波有输入接口中都有滤波电路及耦合隔离电路，滤波有抗干扰的作用，耦合有抗干扰及产生标准信号的作抗干扰的作用，耦合有抗干扰及产生标准信号的作用。用。 电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系 开关量输出接口：开关量输出接口： 作用：是把作用：是把PLCPLC内部的标淮信号转换成现场执行机构内部的标淮信号转换成现场执行机构所需的开关量信号。所需的开关量信号。

10、分类：分类： 继电器型继电器型 晶体管型晶体管型 晶闸管型晶闸管型 内部参考电路图内部参考电路图 如图所示。如图所示。 电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系 各类输出接口中也都具有各类输出接口中也都具有隔离耦合电路隔离耦合电路。 特别注意：特别注意：输出接口本身都不带电源，而输出接口本身都不带电源，而且在考虑外驱动电源时，还需考虑输出器件的且在考虑外驱动电源时，还需考虑输出器件的类型。类型。 继电器型的输出接口可用于交流及直流两继电器型的输出接口可用于交流及直流两种电源，但接通断开的频率低。种电源，但接通断开的频率低。 晶体管型的输出接口有较高的接通断开频晶体管型的输出接口有较高的接通断

11、开频率，但只适用于直流驱动的场合。率，但只适用于直流驱动的场合。 晶闸管型的输出接口仅适用于交流驱动场晶闸管型的输出接口仅适用于交流驱动场合。合。 电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系 模拟量输入接口模拟量输入接口 作用：把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适作用：把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合合PLC内部处理的由若干位二进制数字表示的信号。内部处理的由若干位二进制数字表示的信号。 模拟量输入接口接受模拟量输入接口接受标准模拟信号。标准模拟信号。符合国际标准的通符合国际标准的通用电压电流信号用电压电流信号如：如：420mA的直流电流的直流电流信号，信号，010V的直流电压的直流

12、电压信号等信号等电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系 智能输入输出接口智能输入输出接口 PID控制单元控制单元 高速计数器工作单元高速计数器工作单元 温度控制单元等温度控制单元等特点：特点： 大多是独立的工大多是独立的工作单元。作单元。 一般带有单独的一般带有单独的CPU。 有专门的处理能力。有专门的处理能力。 模拟量输出接口模拟量输出接口 作用：将作用：将PLC运算处理后的若干位数字量信号转换为运算处理后的若干位数字量信号转换为相应的模拟量信号输出相应的模拟量信号输出 模拟量输出接口一般由光电隔离、模拟量输出接口一般由光电隔离、D/A转换转换和信号驱动和信号驱动等环节组成。等环节组成。

13、电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系 电源电源 PLC工作单元供电的工作单元供电的开关电源。开关电源。为掉电保护电路供电的为掉电保护电路供电的后备电源。后备电源。 锂离子电池锂离子电池 外部设备外部设备 编程器编程器 分类：分类： 手持的手持的专用的编程器专用的编程器 台式的台式的 PLC机身上自带编程器机身上自带编程器 个人计算机个人计算机:个人计算机上运行个人计算机上运行PLC相关的编程软件相关的编程软件 简易型简易型: :联机编程联机编程智能型智能型: :联机编程和脱机编程联机编程和脱机编程电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系 其他外围设备其他外围设备 盒式磁带机：用以记录程

14、序或信息。盒式磁带机：用以记录程序或信息。 打印机：用以打印程序或制表。打印机：用以打印程序或制表。 EPROM写入器：用以将程序写入用户写入器：用以将程序写入用户EFR()M中。中。 高分辨率大屏幕彩色图形监控系统：用以显示高分辨率大屏幕彩色图形监控系统：用以显示或监视有关部分的运行状态。或监视有关部分的运行状态。 电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系3.3.可编程控制器的资源与编程语言可编程控制器的资源与编程语言PLC都提供了各种类型的继电器，一般都称为“软继电器”，以供系统软件设计中编程使用。常用的有输入继电器、输出继电器、内部继电器(分为通用和专用两种)、定时器、计数器、数据寄存

15、器(分为通用和专用等类型)等。（1）.可编程控制器的硬件资源电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系1 1） 输入继电器输入继电器PLCPLC的输入继电器是接受外部开关信号的窗口。的输入继电器是接受外部开关信号的窗口。PLC PLC 内部与输入内部与输入端子连接的输入继电器是用光电耦合器隔离的电子继电器，编端子连接的输入继电器是用光电耦合器隔离的电子继电器，编号与接线端子编号一致，如图号与接线端子编号一致，如图5.2 5.2 所示。每一个输入继电器都所示。每一个输入继电器都有一个有一个“等效线圈等效线圈”和无数个常开和无数个常开/ /常闭触点。常闭触点。电器与可编程控制器技术太原工业学院自动

16、化系2 2）输出继电器）输出继电器PLC PLC 的输出继电器是向外部负载输出信号的窗的输出继电器是向外部负载输出信号的窗口，也是通过光电耦合器隔离后接外部负载的。口，也是通过光电耦合器隔离后接外部负载的。输出继电器的线圈由程序控制，其外部输出主触输出继电器的线圈由程序控制，其外部输出主触点接到点接到PLC PLC 的输出端子上，以供驱动外部负载使的输出端子上，以供驱动外部负载使用，其余常开用，其余常开/ /常闭触点供内部程序使用。常闭触点供内部程序使用。3 3）内部继电器）内部继电器内部继电器没有向外的任何联系，只供内部编程使用。内部继电器没有向外的任何联系，只供内部编程使用。通用内部继电器

17、通用内部继电器 特殊内部继电器特殊内部继电器电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系4 4）定时器）定时器时钟脉冲一般有时钟脉冲一般有1ms1ms、10ms 10ms 和和100ms100ms，有些，有些PLC PLC 还提供还提供1s 1s 的时钟，可以满足不同的应用需求。的时钟，可以满足不同的应用需求。5 5）计数器）计数器6 6）数据寄存器）数据寄存器通用数据寄存器通用数据寄存器专用数据寄存器专用数据寄存器电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系（2）. 可编程控制器的编程语言u编程虽然都可采用梯形图，但不同公司的编程虽然都可采用梯形图，但不同公司的PLCPLC产品在寻址、语法结构等

18、方面不一致，使产品在寻址、语法结构等方面不一致，使各种各种PLC PLC 互不兼容。国际电工委员会互不兼容。国际电工委员会(IEC)(IEC)在在19921992年颁布了可编程控制器的编程软件标准年颁布了可编程控制器的编程软件标准EC1131-3EC1131-3，为各，为各PLC PLC 厂家编程的标准化铺平厂家编程的标准化铺平了道路。了道路。电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系（一）梯形图（一）梯形图（LAD）编程）编程符号对照符号对照电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系梯形图语言是梯形图语言是PLC PLC 中应用程序设计的一种中应用程序设计的一种标准语言，也是在实际设计中最常

19、用的一种标准语言，也是在实际设计中最常用的一种语言。因与继电器电路很相似，具有直观易语言。因与继电器电路很相似，具有直观易懂的特点，很容易被熟悉继电器控制的电气懂的特点，很容易被熟悉继电器控制的电气人员所掌握，特别适合于数字逻辑控制，但人员所掌握，特别适合于数字逻辑控制，但不适于编写控制功能复杂的大型程序。不适于编写控制功能复杂的大型程序。梯形图是一种图形化的编程语言，沿用了梯形图是一种图形化的编程语言，沿用了传统的电气控制原理图中的继电器触点、线传统的电气控制原理图中的继电器触点、线圈、串联和并联等术语和一些图形符号构成。圈、串联和并联等术语和一些图形符号构成。电器与可编程控制器技术太原工业

20、学院自动化系 典型梯形图示意典型梯形图示意 典型的梯形图示意图典型的梯形图示意图 电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系（二）指令表（二）指令表（STL）编程）编程指令表编程举例指令表编程举例 a）梯形图）梯形图 b）指令表）指令表指令表是一种类似于计算机汇编语言的一种文本编程语言，指令表是一种类似于计算机汇编语言的一种文本编程语言，即用特定的助记符来表示某种逻辑运算关系。一般由多条语即用特定的助记符来表示某种逻辑运算关系。一般由多条语句组成一个程序段。指令表适合于经验丰富的程序员使用，句组成一个程序段。指令表适合于经验丰富的程序员使用，可以实现某些梯形图不易实现的功能。可以实现某些梯形图

21、不易实现的功能。电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系（三）状态流程图（功能图）编程（三）状态流程图（功能图）编程 钻孔顺序的状态流程图钻孔顺序的状态流程图电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系（四）功能块图（四）功能块图（FBD）编程）编程 功能块图（功能块图（FBD）功能举例）功能举例电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系（五）结构化文本（五）结构化文本结构化文本是为结构化文本是为IEC61131-3 IEC61131-3 标准创建的标准创建的一种一种PLC PLC 专用的高级语言。与梯形图相比，专用的高级语言。与梯形图相比，易于实现复杂的数学运算，编写的程序非常易于实现复杂的

22、数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。简洁和紧凑。西门子公司的西门子公司的PLC PLC 使用的使用的STEP7STEP7中的中的S7 S7 SCLSCL属于结构化控制语言，程序结构与属于结构化控制语言，程序结构与C C 语语言和言和Pascal Pascal 语言相似，特别适合习惯使用语言相似，特别适合习惯使用高级语言进行程序设计的技术人员使用。高级语言进行程序设计的技术人员使用。电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系u PLC的软件的软件两大部分两大部分 系统软件系统软件应用软件应用软件：又叫用户软件，是用户为达到：又叫用户软件，是用户为达到某种控制目的、采用某种控制目的、采用PLC厂家

23、提供的编程厂家提供的编程语言自主编制的程序。语言自主编制的程序。 系统的管理程序系统的管理程序用户指令的解释程序用户指令的解释程序专用标准程序块等专用标准程序块等 电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系4.4.可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理u早期的早期的PLC PLC 主要用于替代传统的继电器主要用于替代传统的继电器- -接触器构成的控制装置，但是这两者的运行接触器构成的控制装置，但是这两者的运行方式不同。继电器控制装置采用硬逻辑并行方式不同。继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，如果一个继电器的线圈通电或运行的方式，如果一个继电器的线圈通电或断电，该继电器的所有触点断电，

24、该继电器的所有触点( (常开常开/ /常闭触点常闭触点) )不论在控制线路的哪个位置，都会立即同时不论在控制线路的哪个位置，都会立即同时动作。动作。u而而PLC PLC 采用了一种不同于一般计算机的运采用了一种不同于一般计算机的运行方式，即行方式，即循环扫描循环扫描。电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系(1)(1)可编程控制器的工作过程可编程控制器的工作过程PLCPLC循环扫描工作方式循环扫描工作方式 电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系扫描周期：扫描周期：PLCPLC完成一次扫描过程所需的时间。完成一次扫描过程所需的时间。扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速扫描周期的长短与用户

25、程序的长度和扫描速度有关度有关也与程序编制的顺序有关也与程序编制的顺序有关 T=(T=(输入一点时间输入一点时间* *输入点数输入点数)+)+（运算速度（运算速度* *程序步程序步数）数）+ (+ (输出一点时间输出一点时间* *输出点数输出点数)+)+故障诊断时间故障诊断时间电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系可编程控制器的输入/输出过程其中，用户程序的完成可分为以下三个阶段其中，用户程序的完成可分为以下三个阶段输入处理阶段输入处理阶段输出处理阶段输出处理阶段 程序执行阶段程序执行阶段 PLC顺序读顺序读入所有入所有输入输入端子的状态，端子的状态，并将读入的并将读入的信息存入内信息存入

26、内存中所对应存中所对应的输入映像的输入映像寄存器。寄存器。根据根据PLC梯梯形图形图程序的程序的扫描原则，扫描原则，按先左后右，按先左后右，先上后下的先上后下的步序，逐句步序，逐句扫描，执行扫描，执行程序。程序。将输出映像寄存器将输出映像寄存器中寄存器的状态，中寄存器的状态，转存到输出锁存器，转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱通过隔离电路，驱动功率放大电路，动功率放大电路，使输出端子向外界使输出端子向外界输出控制信号，驱输出控制信号，驱动外部负载。动外部负载。 电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系PLCPLC用户程序执行阶段用户程序执行阶段扫描工作过程扫描工作过程如图所示。如图所示。PL

27、C用户用户程序扫描工作过程程序扫描工作过程电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系 PLCPLC的主要特点是什么？的主要特点是什么？ 简述晶体管型和继电器型简述晶体管型和继电器型CPUCPU主要区别。主要区别。 PLCPLC按结构可以分为哪两种类型？分别画按结构可以分为哪两种类型？分别画出其结构图。出其结构图。 PLCPLC的工作方式是什么？的工作方式是什么？ PLCPLC的扫描周期主要包括哪几部分？的扫描周期主要包括哪几部分？思考题：电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系系统I/O的确定：电器与可编程控制器技术太原工业学院自动化系输入功能符号PLC输入端口输出功能符号PLC输出端口手/自动转换按钮SB1电动机正转控制KM1正转按钮SB2电动机反转控制KM2反转按钮SB3电动机Y型启动KMY停止按钮SB