第三章 可编程控制器技术概述课件

1、1第三章第三章 可编程控制器概述可编程控制器概述2 本本 章章 内内 容容PLCPLC的特点、应用和发展的特点、应用和发展PLCPLC的分类的分类PLCPLC的系统组成的系统组成PLCPLC的工作原理的工作原理PLCPLC的编程语言和程序结构的编程语言和程序结构33-1 3-1 可编程控制器概述可编程控制器概述 可编程控制器：可编程控制器：是专门为工业现场应用而设计是专门为工业现场应用而设计制造的计算机。制造的计算机。4逻辑运算逻辑运算顺序控制顺序控制 计计 时时 计计 数数( Programmable Logical Controller )( Programmable Logical Co

2、ntroller )5原有功能原有功能6PLCPLC的的特点特点1.1计算机概述计算机概述3-2 3-2 可编程控制器的特点可编程控制器的特点7控制系统结构简单控制系统结构简单8 缺缺 点：点： PLCPLC的的硬件体系硬件体系是是封闭封闭的：如专用总线、专用通信的：如专用总线、专用通信网络及协议，网络及协议，I/O I/O 模板不通用，甚至连机柜、电源模板不通用，甚至连机柜、电源模板亦各不相同。模板亦各不相同。 软件体系软件体系结构也是结构也是封闭封闭的：编程语言的组态、寻的：编程语言的组态、寻址等均不同，互不兼容。址等均不同，互不兼容。93-3. 3-3. 可编程序控制器的发展趋势可编程序

3、控制器的发展趋势10v 高性能、高速度、大容量发展高性能、高速度、大容量发展l 采用采用多多CPUCPU结构进行结构进行多通道、多任务多通道、多任务处理处理l CPUCPU采用采用3232位微处理器位微处理器l 增加增加智能控制功能智能控制功能（如（如PIDPID控制、模糊控控制、模糊控制、自适应控制，参数自整定等功能制、自适应控制，参数自整定等功能 ）l 支持支持组态设计组态设计11 大力发展大力发展微型微型PLCPLC、专用专用PLCPLC，不断增强，不断增强PLCPLC的功能，降低成本，使得能在更广泛的的功能，降低成本，使得能在更广泛的领域里代替电气控制系统。领域里代替电气控制系统。l

4、掌上掌上PLCPLCl 高性能高性能l 支持多种编程方式支持多种编程方式12v 大力开发智能模块大力开发智能模块如模拟量如模拟量I/OI/O、高速计数输入、机械运动控制、高速计数输入、机械运动控制、热电偶输入、条形码阅读器、模糊控制器、热电偶输入、条形码阅读器、模糊控制器、PIDPID回路控制、通信模块等。回路控制、通信模块等。 智能模块本身带有智能模块本身带有CPUCPU和存储器和存储器，有很强，有很强的信息处理能力和控制功能，它的的信息处理能力和控制功能，它的CPUCPU与与可编可编程序控制器的程序控制器的主主CPUCPU并行工作并行工作，完成一些特殊，完成一些特殊的控制功能。的控制功能。

5、13v PLC PLC 编程语言标准化编程语言标准化 1994 1994年年IECIEC公布了公布了PLC PLC 标准标准IEC61131-3 IEC61131-3 l 顺序功能图（顺序功能图（SFCSFC） 梯形图梯形图l 功能块图功能块图 指令表指令表l 结构文本结构文本 PLCPLC的硬件、软件的体系结构都是封闭的。的硬件、软件的体系结构都是封闭的。各厂家的各厂家的PLCPLC编程语言、指令系统的功能、表编程语言、指令系统的功能、表达方式有很大的差异，通信网络和通信协议是达方式有很大的差异，通信网络和通信协议是专用的。互不兼容。专用的。互不兼容。 14v 开发针对开发针对不同外部设备、

6、现成的通讯程序不同外部设备、现成的通讯程序，用户使用时，只要作一些硬件或软件上的初始化用户使用时，只要作一些硬件或软件上的初始化设置，不需要编程，使得通信功能易于使用。设置，不需要编程，使得通信功能易于使用。 开发在开发在PCPC机上运行的实现可编程控制器功能的机上运行的实现可编程控制器功能的软件包（称软件包（称软件软件PLCPLC）。可在）。可在PCPC机上用梯形图、顺序机上用梯形图、顺序功能图等图形语言来编程，程序输入后，在功能图等图形语言来编程，程序输入后，在PCPC上作上作过程模拟仿真。过程模拟仿真。 15v PLCPLC与现场总线与现场总线（FieldbusFieldbus）相结合相

7、结合 将现场的各种智能测控装置将现场的各种智能测控装置( (如传感器、如传感器、仪表、执行机构、仪表、执行机构、PLCPLC等等) ) 通过数字现场总线通过数字现场总线连为一体连为一体，按照按照公开、规范的公开、规范的通信协议通信协议，实，实现彼此间的现彼此间的数据传输与信息交换数据传输与信息交换，共同实现，共同实现自动控制功能。自动控制功能。v 增强通信联网能力增强通信联网能力16 基于现场总线的现场级与车间级自动化系统17PLCPLC著名品牌著名品牌 世界几大世界几大 PLC PLC生产厂家：生产厂家： 美国美国 A AB B公司公司 （AllenAllenBradleyBradley）

8、德国西门子公司（德国西门子公司（SiemensSiemens） 美国美国GEGEFanucFanuc公司公司 美国的莫迪康（美国的莫迪康（ModiconModicon）和法国的）和法国的TETE电器公司电器公司 日本欧姆公司（日本欧姆公司（OMRONOMRON） 日本三菱电机株式会社（日本三菱电机株式会社（MITSUBISHIMITSUBISHI） 日本富士电机株式会社（日本富士电机株式会社（Fuji ElectricFuji Electric） 日本东芝公司（日本东芝公司（TOSHIBATOSHIBA） 日本松下电工株式会社（日本松下电工株式会社（MEWMEW）：）：Matsushita M

9、atsushita Electric Works LtdElectric Works Ltd）18 按按I IO O点数和存储器容量来分点数和存储器容量来分 小型小型 PLC PLCu I IO O 总点数总点数: :128128点以下点以下; ;u 用户程序存储器容量用户程序存储器容量: :4K4K字以下字以下; ;u 以以开关量控制为主开关量控制为主，有少量的模拟量处理能，有少量的模拟量处理能力和一定的通讯功能。力和一定的通讯功能。3-4 3-4 可编程控制器的分类可编程控制器的分类19 中型中型 PLC PLC I/O I/O 总点数总点数: :12812820482048点之间点之间;

10、 ; 用户程序存储器容量用户程序存储器容量: :2 28K8K字字。 具有很强的具有很强的逻辑处理能力逻辑处理能力、数据运算数据运算、数据数据处理处理、模拟量处理模拟量处理及及通讯能力通讯能力。 用于用于。 20 大型大型 PLC PLC u I/O I/O 总点数总点数: :20482048点以上点以上; ;u 用户程序存储器容量用户程序存储器容量: :8 816K16K字字; ;u 大型大型PLCPLC的功能与工业控制计算机相当，具有的功能与工业控制计算机相当，具有计计算、控制和调节算、控制和调节功能，还具有很强的网络结构和功能，还具有很强的网络结构和通讯联网等功能。通讯联网等功能。 21

11、 整体式整体式： 特点：将特点：将PLCPLC的基本部件的基本部件CPUCPU、存储器、输入、存储器、输入/ /输输出电路、电源出电路、电源等集中地安装在一个机壳内，构成等集中地安装在一个机壳内，构成一个可以一个可以 。22 叠装式叠装式 特点：由特点：由整体式整体式PLC + PLC + 扩展单元扩展单元组成的组成的PLCPLC系统，系统，构成构成叠装式叠装式 PLCPLC控制系统。控制系统。 23 模块式模块式 特点：是把组成特点：是把组成PLCPLC的基本部件的基本部件CPUCPU、存储器、输、存储器、输入入/ /输出电路、电源及各种功能控制单元都输出电路、电源及各种功能控制单元都作成作

12、成标准模块，将这些模块插接在基板上标准模块，将这些模块插接在基板上，构成，构成PLCPLC控制系统。控制系统。 24电源模块电源模块CPU CPU 模块模块信号模块信号模块底底 板板 中、大型中、大型PLCPLC多采用多采用模块式模块式，可根据需要，可根据需要在主板上随意组合。在主板上随意组合。模块式模块式 PLCPLC通信模块通信模块253-5 3-5 可编程控制器的系统组成可编程控制器的系统组成 不同厂家不同厂家PLCPLC的组成结构和工作原理基本相的组成结构和工作原理基本相同，主要是由同，主要是由组成组成 。 26 CPU CPU由由构成；构成； 各部件通过各部件通过总线总线连接。连接。

13、 输入输入/ /输出设备通过输出设备通过 I/O I/O 接口接口与系统相连；与系统相连； 存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU1. 1. 中央处理单元（中央处理单元（CPUCPU）27 CPU CPU 的作用的作用 接收接收编程器输入编程器输入用户程序用户程序，送存储器存储送存储器存储; ; 用扫描方式用扫描方式接收接收现场输入现场输入设备的状态和数据设备的状态和数据，并，并存入输入映像寄存器存入输入映像寄存器中中; ; 监视监视电源、电源、PLCPLC内部电路的内部电路的工作状态工作

14、状态； 诊断诊断编程过程中的编程过程中的语法错误语法错误，对，对用户程序进行编用户程序进行编译；译；28 完成完成用户程序中规定的用户程序中规定的逻辑运算、算术运算和逻辑运算、算术运算和数据处理数据处理等任务；等任务； 根据运算结果，根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容映像寄存器的内容，实现输出控制、制表打印或数，实现输出控制、制表打印或数据通讯等功能；据通讯等功能； 响应各种外部设备的请求响应各种外部设备的请求。 29 小型小型PLCPLC的的CPUCPU多采用多采用 中型中型PLCPLC的的CPUCPU多采用多采用 大型大型PLCPLC多采用多

15、采用30存储器存储器系统存储器系统存储器用户存储器用户存储器存放存放系统程系统程序、用户程序、用户程序、系统组序、系统组态态及用户程及用户程序运行过程序运行过程中产生的各中产生的各种种工作数据工作数据存放由存放由PLC PLC 厂家编写厂家编写的系统程的系统程序，序，固化固化在在ROMROM 中中 2. 2. 存储器存储器用户程序存储器用户程序存储器存放用户编写的存放用户编写的应用程序应用程序用户数据存储器用户数据存储器存放用户程序用存放用户程序用到或产生的工作到或产生的工作数据。数据。31 PLCPLC存储单元的类型存储单元的类型 随机存取存储器（随机存取存储器（RAMRAM） 只读存储器（

16、只读存储器（ROMROM） 电可擦写式存储器（电可擦写式存储器（E E2 2PROM PROM ） 快闪存储器（快闪存储器（FEPROM FEPROM ）PLCPLC的存储器的存储器32（1 1）输入）输入/ /输出单元的组成输出单元的组成与被控设备相连的接口电路与被控设备相连的接口电路输入和输出映像寄存器输入和输出映像寄存器（2 2）输入）输入/ /输出信号的类型输出信号的类型 PLC PLC 的的 I/O I/O 信号分为：信号分为：开关量、模拟量。开关量、模拟量。3. 3. 输入、输出单元输入、输出单元33（3 3）输入接口电路的作用）输入接口电路的作用 开关量开关量：接收接收外部开关的

17、通外部开关的通/ /断信号，经断信号，经隔隔离离、并并转化转化为为PLCPLC内部的内部的“0 0”、“1 1”信号，信号，存入存入输入映像寄存器中。输入映像寄存器中。 模拟量模拟量：接收接收外部传感器、变送器送来外部传感器、变送器送来的模拟量信号。通过接口电路进行的模拟量信号。通过接口电路进行A/DA/D转换转换，变成数字量信号，变成数字量信号，存存入入模拟量输入映像寄存模拟量输入映像寄存器中。器中。34（4 4）输出接口电路的作用）输出接口电路的作用 开关量：开关量：保存、隔离、保存、隔离、将将PLCPLC内部的内部的“1 1”、“0 0”信信号号转化转化为外部负载电路通断状态，驱动开关量

18、执行元为外部负载电路通断状态，驱动开关量执行元件。件。 模拟量：将模拟量：将PLCPLC内部的数字量信号进行内部的数字量信号进行D/AD/A转换转换，变成变成标准模拟量标准模拟量信号，驱动模拟量负载。信号，驱动模拟量负载。（5 ) 5 ) 开关量输入接口电路开关量输入接口电路 开关量输入信号分类开关量输入信号分类: : l 交直流输入交直流输入 直流直流输入输入 交流交流输入输入35 直流输入接口电路工作原理直流输入接口电路工作原理限流电阻限流电阻滤波电路滤波电路光电偶合器光电偶合器发光二极管发光二极管光敏三极管光敏三极管 直流输入直流输入接口接口电路电路延迟时间短延迟时间短，可直接与，可直接

19、与接近开关、光电开关等电子输入装置相连。接近开关、光电开关等电子输入装置相连。36 交流输入接口电路工作原理交流输入接口电路工作原理 交流交流输入输入电路适合于电路适合于有油雾、粉尘有油雾、粉尘的恶的恶劣环境。劣环境。37（6 ) 6 ) 开关量输出接口电路开关量输出接口电路 PLCPLC的开关量输出类型有三种的开关量输出类型有三种: : 继电器继电器输出型（常用）输出型（常用） 晶体管晶体管输出型输出型（通断频率要求高的场合）（通断频率要求高的场合） 晶闸管晶闸管输出型输出型（通断频率要求高的场合，使用较少）（通断频率要求高的场合，使用较少）38 继电器输出型继电器输出型 PLCPLC的内、

20、外部电路之间通的内、外部电路之间通过输出继电器相连（磁电过输出继电器相连（磁电隔离）。隔离）。特点特点 可带可带交流、直流交流、直流负载负载; ; 输出点的输出点的容量较大容量较大, ,最大负载电流为最大负载电流为2A/2A/点点。 输出输出响应速度慢响应速度慢，继电器输出型，继电器输出型PLCPLC的的动作动作 频率低。频率低。39 晶体管输出型晶体管输出型 PLCPLC的内、外部电路之间的内、外部电路之间通过光电耦合器相连。通过光电耦合器相连。特点特点 只能带只能带直流直流负载负载; ; 输出点的输出点的容量较小容量较小, ,最大负载电流为最大负载电流为0.75A/0.75A/点点。 输出

21、输出响应速度快响应速度快，晶体管晶体管输出型输出型 PLC PLC 的的动作动作 频率高频率高( (可达几十可达几十KHZ)KHZ)。40 可控硅输出型可控硅输出型 PLCPLC的内、外部电路之间的内、外部电路之间通过通过光电耦合器光电耦合器相连。相连。特点特点 只能带只能带交流交流负载负载; ; 输出点的输出点的容量较小容量较小, ,最大负载电流为最大负载电流为1.2A/1.2A/点点。 输出输出响应速度快响应速度快，晶闸管输出型，晶闸管输出型PLCPLC的的动作动作 频率高。频率高。 光触发光触发双向可控硅双向可控硅 双向晶闸管双向晶闸管41 作用作用 把把PLCPLC外部工作电源变换成系

22、统内部各单元所需的外部工作电源变换成系统内部各单元所需的直流电源。直流电源。 PLC PLC的电源一般采用的电源一般采用电源。电源。（一般使用交流（一般使用交流220V220V或直流或直流24V24V电源）电源）425 5、通讯接口：通讯接口：与监视器、打印机、其他的与监视器、打印机、其他的PLCPLC或或计算机相连。计算机相连。 6 6、扩展接口：、扩展接口：将将I/OI/O扩展单元、功能模块与基本扩展单元、功能模块与基本单元相连单元相连 。 通讯接口通讯接口 扩展接口扩展接口 扩展电缆扩展电缆 43可编程控制器的基本组成可编程控制器的基本组成CPU CPU 存储器存储器 I/OI/O单元单

23、元 电源电源 通讯通讯接口接口 扩展扩展接口接口 44 作用作用: : 供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视 编程器分类编程器分类: : 简易型（手持式）编程器：由简易型（手持式）编程器：由简易键盘简易键盘和和显示器件显示器件组成，组成，只能联机编程只能联机编程，且只能采用，且只能采用指令表语言指令表语言输入。输入。 智能型智能型编程器（图形编程编程器（图形编程器）：它可以联机编程，也可器）：它可以联机编程，也可以脱机编程，具有以脱机编程，具有LCDLCD或或CRTCRT图图形显示功能形显示功能，可以，可以直接输入梯直接输入梯形图形图，并，并通过屏幕对话

24、通过屏幕对话。简易型简易型编程器编程器45可以通过键盘输入和调试程序；程序运行时，可可以通过键盘输入和调试程序；程序运行时，可通过编程器的屏幕对整个控制过程进行监控。通过编程器的屏幕对整个控制过程进行监控。 用安装了编程软件的用安装了编程软件的 PC PC 机机远程远程I/OI/O、智能模块、智能模块 远程远程I/OI/O46 继电器控制系统继电器控制系统- -1 1） PLCPLC的工作方式的工作方式 3-7 PLC3-7 PLC的工作原理的工作原理 47 PLC PLC的工作方式的工作方式 串行方式串行方式 - -48循环扫描工作方式循环扫描工作方式 PLC PLC按按周而复始、重复循环的

25、方式工作周而复始、重复循环的方式工作, ,称为称为 每一次循环扫描所用的时间称为每一次循环扫描所用的时间称为。 扫描周期的长短与下列因素有关：扫描周期的长短与下列因素有关： 用户程序的长短用户程序的长短 采用的指令类型采用的指令类型 CPUCPU的运行速度的运行速度492. PLC2. PLC的工作框图的工作框图 上电处理上电处理初始化初始化-硬件初始化，硬件初始化，I/OI/O模模块配置检查，停电保持范围块配置检查，停电保持范围设定及其它初始化处理等。设定及其它初始化处理等。PLCPLC的工作全过程包括的工作全过程包括: : 扫描过程：扫描过程：出错处理：出错处理： 50 在一个扫描周期中，

26、在一个扫描周期中，PLC一般将完成部分或一般将完成部分或全部的以下操作：全部的以下操作：读输入读输入处理通信请求处理通信请求执行逻辑控制程序执行逻辑控制程序写输出写输出执行执行CPU自诊断自诊断513. PLC3. PLC工作过程的工作过程的中心内容中心内容 52 输入采样阶段输入采样阶段 输入采样阶段，输入采样阶段，PLCPLC首先首先扫描所有输入端子，扫描所有输入端子，并将各输入端子的状态存入相对应的输入映像寄存并将各输入端子的状态存入相对应的输入映像寄存器中，器中，然后进入程序执行阶段。然后进入程序执行阶段。此后输入信号变化，必须保持到下一个扫描周此后输入信号变化，必须保持到下一个扫描周

27、期的输入采样阶段，才重新刷新输入映像寄存器的期的输入采样阶段，才重新刷新输入映像寄存器的内容。故输入信号的宽度要大于一个扫描周期。内容。故输入信号的宽度要大于一个扫描周期。53 程序执行阶段程序执行阶段 PLC PLC根据用户程序从输入映像寄存器中根据用户程序从输入映像寄存器中“读入读入”对对应输入端子状态，从元件映像寄存器应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入读入”对应软对应软元件的当前状态，元件的当前状态，并按照从左到右、从上到下的步并按照从左到右、从上到下的步骤顺序执行用户程序。骤顺序执行用户程序。运算结果存入元件映像寄存运算结果存入元件映像寄存器中。执行完最后一条指令后，转入输出刷新阶

28、段。器中。执行完最后一条指令后，转入输出刷新阶段。54 输出刷新阶段输出刷新阶段 将元件映像寄存器中所有将元件映像寄存器中所有输出继电器的状态输出继电器的状态通过输出锁存器，通过输出锁存器，写到输出端子上写到输出端子上，最后驱动外最后驱动外部负载。部负载。554. PLC4. PLC对输入对输入/ /输出的处理原则输出的处理原则 的的数据取决于数据取决于输入端子上各输入端子上各输入点输入点在在上一刷新上一刷新期间的接通和断开状态。期间的接通和断开状态。取决于取决于用户所编程序用户所编程序和和输入输入/ /输出映像寄存器输出映像寄存器的的内容及其他内容及其他各元件映像寄存器各元件映像寄存器的内容

29、。的内容。的数据取决于的数据取决于输出指令的执行结果输出指令的执行结果。中的数据，由中的数据，由中的数据决定。中的数据决定。 输出端子的输出端子的，由，由决定。决定。563-8 PLC PLC的编程语言的编程语言 梯形图语言梯形图语言 （LAD-LadderLAD-Ladder） 能流只能能流只能，不能反向流动。，不能反向流动。 触点：触点：代表逻辑输入条件，是开关按钮或代表逻辑输入条件，是开关按钮或PLCPLC内部元件的状态。内部元件的状态。能流能流-假想信假想信号流，当有通路号流，当有通路时，时，“能流能流”从从左至右流向线圈，左至右流向线圈，则线圈被激励。则线圈被激励。 线圈：线圈：代表逻辑运算的结果，中间或最终结果。代表逻辑运算的结果，中间或最终结果。57语句表（语句表（STL-Statements listSTL