电气控制与可编程控制技术-8次课

1、可编程控制器概述电气控制与可编程控制技术课程内容PLC的产生、发展PLC的定义、分类PLC的硬件组成基本结构各组成部分及其功能在在PLC产生以前，生产自动控制过程主要由以产生以前，生产自动控制过程主要由以继电器为主要元件的电气控制线路完成的继电器为主要元件的电气控制线路完成的连接复杂，导线众多连接复杂，导线众多继电器柜，占用空间继电器柜，占用空间噪音大，耗能高噪音大，耗能高维护和改造困难维护和改造困难运算能力差运算能力差不适应柔性制造要求不适应柔性制造要求GM公司的通用控制器招标公司的通用控制器招标1968年，美国通用汽车公司年，美国通用汽车公司(GM公司公司)为了在每次汽车改型或改变工艺流程

2、为了在每次汽车改型或改变工艺流程时不改动原有继电器柜内的接线，降低成本，缩短开发周期，而提出了研制时不改动原有继电器柜内的接线，降低成本，缩短开发周期，而提出了研制新型逻辑顺序控制装置，并提出了新型逻辑顺序控制装置，并提出了10项招标技术指标。项招标技术指标。1、 在工厂里能迅速方便地对其控制系统进行编程。在工厂里能迅速方便地对其控制系统进行编程。2、 所有系统单元必须能在工厂内独立运行。所有系统单元必须能在工厂内独立运行。3、 系统的维修必须简单易行。系统的维修必须简单易行。4、 装置的体积、能耗小于继电器控制系统。装置的体积、能耗小于继电器控制系统。5、 必须具有通信功能。必须具有通信功能

3、。 6、 输入开关量可以是已有的交流输入开关量可以是已有的交流115 V电压信号。电压信号。7、 输出必须设计为能驱动具有输出必须设计为能驱动具有115 V、2 A以下的负载。以下的负载。8、 具有灵活的扩展能力。具有灵活的扩展能力。9、 在购买和安装费用上，应具有较高的性能价格比。在购买和安装费用上，应具有较高的性能价格比。10、用户存储器容量至少在、用户存储器容量至少在4 KB以上。以上。用计算机代替继电器控制盘。用计算机代替继电器控制盘。用程序代替硬件接线。用程序代替硬件接线。 输入输入/输出电平可与外部装置直接连接。输出电平可与外部装置直接连接。结构易于扩展。结构易于扩展。1969年美

4、国数字设备公司（年美国数字设备公司（DEC）根据招标）根据招标的要求，研制出世界上第一台可编程序控制器的要求，研制出世界上第一台可编程序控制器，并在，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。公司汽车生产线上首次应用成功。GOULD公司将公司将PLC商品化商品化71年后日本研制出第一台年后日本研制出第一台PLCSIEMENS在在73年研制出年研制出PLC74年我国开始研制年我国开始研制PLC，77年开始工业应用年开始工业应用PLC已经在冶金、机械、石油、化工、纺织、已经在冶金、机械、石油、化工、纺织、轻工、建筑、运输、电力等部门得到广泛应用轻工、建筑、运输、电力等部门得到广泛应用可编程控制器的定义

5、可编程控制器的定义“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，

6、易于扩充其功能的原控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。则设计。”-1987.2，国际电工委员会（，国际电工委员会（IEC）PLC的发展阶段的发展阶段 第一阶段是初创阶段。主要用于逻辑运算和定第一阶段是初创阶段。主要用于逻辑运算和定时、计数，它的控制功能比较简单。时、计数，它的控制功能比较简单。第二阶段是扩展阶段。它的主要功能是逻辑运第二阶段是扩展阶段。它的主要功能是逻辑运算，同时增加了模拟运算。算，同时增加了模拟运算。第三阶段第三阶段 是是PLC通信功能的实现阶段。通信功能的实现阶段。第四阶段是第四阶段是PLC的开放阶段。通信协议的标准的开放阶段。通信协议的标准化。化。第一阶段第一

7、阶段从第一台可编程序控制器问世到从第一台可编程序控制器问世到20世纪世纪70年年代中期。这一阶段的产品主要用于逻辑运算和代中期。这一阶段的产品主要用于逻辑运算和定时、计数，它的定时、计数，它的CPU由中小规模的数字集成由中小规模的数字集成电路组成，它的控制功能比较简单。这一阶段电路组成，它的控制功能比较简单。这一阶段的典型产品有的典型产品有MODICON公司的公司的084、ALLEN-BRADLEY(AB)公司的公司的PDQII、DEC的的PDP-14、日立公司的、日立公司的SCY-022等。等。第二阶段第二阶段从从20世纪世纪70年代中期到末期。这一阶段产品年代中期到末期。这一阶段产品的主要

8、控制功能得到了较大的发展。它的发展的主要控制功能得到了较大的发展。它的发展主要来自两方面，一是从可编程序控制器发展主要来自两方面，一是从可编程序控制器发展而来的控制器，它的主要功能是逻辑运算，同而来的控制器，它的主要功能是逻辑运算，同时扩展了其他运算功能；二是从模拟仪表发展时扩展了其他运算功能；二是从模拟仪表发展而来的控制器，其主要功能是模拟运算，同时而来的控制器，其主要功能是模拟运算，同时扩展了逻辑运算功能。这一阶段的产品有扩展了逻辑运算功能。这一阶段的产品有MODICON公司的公司的184、284、384，西门子，西门子公司的公司的SYMATIC S3系列，富士电机公司的系列，富士电机公司

9、的SC系列等。系列等。第三阶段第三阶段从从20世纪世纪70年代末期到年代末期到80年代中期，是年代中期，是PLC通通信功能的实现阶段。与计算机通信的发展相联系信功能的实现阶段。与计算机通信的发展相联系，PLC也在通信方面有了很大的发展，初步形成也在通信方面有了很大的发展，初步形成了分布式的通信网络体系，但是，由于制造企业了分布式的通信网络体系，但是，由于制造企业各自为政，通信系统自成系统，因此，各产品互各自为政，通信系统自成系统，因此，各产品互相通信是较困难的。在该阶段，由于生产过程控相通信是较困难的。在该阶段，由于生产过程控制的需要，对制的需要，对PLC的需求大大增加，产品的功能的需求大大增

10、加，产品的功能也得到了发展，数学运算的功能得到了较大的扩也得到了发展，数学运算的功能得到了较大的扩充，产品的可靠性进一步提高。这一阶段的产品充，产品的可靠性进一步提高。这一阶段的产品有西门子公司的有西门子公司的SYMATIC S6系列、富士电机公系列、富士电机公司的司的MI-CREX和德州仪器公司的和德州仪器公司的TI530等。等。第四阶段第四阶段从从20世纪世纪80年代中期开始，是年代中期开始，是PLC的开放阶段的开放阶段。由于开放系统的提出，使。由于开放系统的提出，使PLC也得到了较大的也得到了较大的发展。主要表现为通信系统的开放，使各制造企发展。主要表现为通信系统的开放，使各制造企业的产

11、品可以互相通信，通信协议的标准化使用业的产品可以互相通信，通信协议的标准化使用户得到了好处。在这一阶段，产品的规模增大，户得到了好处。在这一阶段，产品的规模增大，功能不断完善，大中型产品多数有功能不断完善，大中型产品多数有CRT屏幕的显屏幕的显示功能，产品的扩展也因通信功能的改善而变得示功能，产品的扩展也因通信功能的改善而变得方便，此外，还采用了标准的软件系统，增加了方便，此外，还采用了标准的软件系统，增加了高级编程语言等。这一阶段的产品有西门子公司高级编程语言等。这一阶段的产品有西门子公司的的SYMATIC S5和和S7系列、系列、AB公司的公司的PLC-5等。等。PLC分类分类分类有助于分

12、类有助于PLC的选型及应用的选型及应用按控制规模分类（输入按控制规模分类（输入/输出端子数）输出端子数）小型机：小型机：256点以下（点以下（F1、S7-200）中型机：中型机：256-1024点点大型机：大型机：1024点以上点以上按结构形式分类按结构形式分类整体式：整体式： S7-200模板式：模板式： S7-300分散式分散式按用途分类按用途分类用于顺序逻辑控制用于顺序逻辑控制用于闭环过程控制用于闭环过程控制用于多级分布式和集散控制系统用于多级分布式和集散控制系统用于机械加工的数字控制和机器人控制用于机械加工的数字控制和机器人控制根据生产厂家分类根据生产厂家分类OMRONMITSUBIS

13、HITOSHIBAGE-FUNACA-B (AllenBradley)SIEMENSPLC的特点与功能的特点与功能一般特点一般特点可靠性高，抗干扰能力强；平均无故障时间（可靠性高，抗干扰能力强；平均无故障时间（MTBF）10万小时以上万小时以上编程方便；梯形图语言继承了传统继电器线路图的编程方便；梯形图语言继承了传统继电器线路图的表达形式表达形式使用方便；接线简单、升级维修工作量小、体积小使用方便；接线简单、升级维修工作量小、体积小，能耗低，能耗低 维护方便；维护方便；设计、施工、调试周期短；设计、施工、调试周期短；易于实现机电一体化易于实现机电一体化功能强、性能价格比高功能强、性能价格比高P

14、LC的主要功能的主要功能顺序逻辑控制顺序逻辑控制运动控制运动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数据处理数据处理模模/数和数数和数/模转换模转换通信及联网通信及联网PLC的发展趋势的发展趋势系列化、模板化系列化、模板化小型机功能强化小型机功能强化中、大型机高速度、高功能、大容量中、大型机高速度、高功能、大容量功能高度集成功能高度集成PLC与与PC的集成的集成PLC与与DCS的集成的集成PLC与与CNC的集成的集成分散型分散型I/O、智能型、智能型I/O、现场总线型、现场总线型I/O低成本低成本多功能多功能PLC的基本组成和各部份的作用的基本组成和各部份的作用基本组成（最小系统）

15、基本组成（最小系统）中央处理单元中央处理单元(CPU) 2存储器存储器 3输入输出单元输入输出单元4电源适配器电源适配器中央处理单元（CPU）R A MI/O扩展接口设备通讯接口电源适配器程序存储器中央处理单元中央处理单元(CPU)接收与存储用户由编程工具输入的用户程序和数接收与存储用户由编程工具输入的用户程序和数据。据。以扫描的方式接受输入设备状态和数据。以扫描的方式接受输入设备状态和数据。执行用户程序，输出控制信号。执行用户程序，输出控制信号。 -用扫描方式工作，接收来自现场的输入信号，并输入到输入映像用扫描方式工作，接收来自现场的输入信号，并输入到输入映像寄存器和数据存储器中；寄存器和数

16、据存储器中； -在进入运行方式后，从存储器中逐条读取并执行用户程序，完成在进入运行方式后，从存储器中逐条读取并执行用户程序，完成用户程序所规定的逻辑运算、算术运算及数据处理等操作；用户程序所规定的逻辑运算、算术运算及数据处理等操作； -根据运算结果，更新有关标志位的状态，刷新输出映像寄存器的根据运算结果，更新有关标志位的状态，刷新输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、打印制表或数据通信等功能。内容，再经输出部件实现输出控制、打印制表或数据通信等功能。故障诊断故障诊断通信通信CPU的实现的实现专用电路专用电路通用处理器：通用处理器：8086、80286、80386单片机芯片：单片机芯片

17、：8051、8096位片式微处理器：位片式微处理器：AMD-2900一个或多个一个或多个CPU一个或多个算术逻辑单元（一个或多个算术逻辑单元（ALU）存储器存储器系统程序存储器系统程序存储器有了系统程序，单片机组成的系统就变成了有了系统程序，单片机组成的系统就变成了PLC用户程序存储器用户程序存储器数据存储器数据存储器只读存储器只读存储器ROM随机访问存储器随机访问存储器RAM可擦写存储器可擦写存储器E2PROMPLCPLC存储空间的分配存储空间的分配（3 3）用户程序存储区）用户程序存储区（1 1）系统程序存储区）系统程序存储区（2 2）系统）系统RAMRAM存储区（包括存储区（包括I/OI

18、/O映象区和系统软设备等）映象区和系统软设备等） 用户程序存储区存放用户编制的用户程序。用户程序存储区存放用户编制的用户程序。不同类型的不同类型的PLCPLC，其存储容量各不相同。，其存储容量各不相同。 在系统程序存储区中存放着相当在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。包于计算机操作系统的系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在序等。由制造厂商将其固化在EPROMEPROM中，用户不能直接存取。它和硬件中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该一起决定了该PL

19、CPLC的性能。的性能。 系统系统RAMRAM存储区包括存储区包括I/OI/O映象区映象区以及以及各类软设各类软设备备，如：逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计如：逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存储器。数器；变址寄存器；累加器等存储器。I/O映象区：映象区：PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要一定数量的存储单元需要一定数量的存储单元(RAM)以存放以存放I/O的的状态

20、和数据，这些单元称作状态和数据，这些单元称作I/O映象区。映象区。整个整个I/O映象区可看作两个部分组成：开关量映象区可看作两个部分组成：开关量I/O映象区；模拟量映象区；模拟量I/O映象区。映象区。一个开关量一个开关量I/OI/O占用存储单元中的一个位（占用存储单元中的一个位（bitbit）一个模拟量一个模拟量I/OI/O占用存储单元中的一个字（占用存储单元中的一个字（1616个个bitbit）软设备存储区软设备存储区逻辑线圈逻辑线圈计时器计时器计数器计数器数据寄存器和累加器等数据寄存器和累加器等 该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前该存储区又分为具有失电保持的存储

21、区域和无失电保持的存储区域，前者在者在PLCPLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会遗失；后者当断电时，由内部的锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLCPLC断电时，断电时，数据被清零。数据被清零。 逻辑线圈逻辑线圈 与开关输出一样，每个逻辑线圈占用系统与开关输出一样，每个逻辑线圈占用系统RAMRAM存储区中的一个位，但不存储区中的一个位，但不能直接驱动外设，只供用户在编程中使用，其作用类似于电器控制线路中能直接驱动外设，只供用户在编程中使用，其作用类似于电器控制线路中的继电器。的继电器。 另外，不同的另外，不同的PLCPLC还提供数量不等的特殊逻辑线圈，具有不同还提供数量不等的特殊逻辑线圈，

22、具有不同的功能。的功能。 数据寄存器数据寄存器 与模拟量与模拟量I/OI/O一样，每个数据寄存器占用系统一样，每个数据寄存器占用系统RAMRAM存储区中的一个存储单存储区中的一个存储单位位( (？ BitsBits依数据类型而不同依数据类型而不同) )。 另外，另外，PLCPLC还提供数量不等的特殊数据寄还提供数量不等的特殊数据寄存器（类似单片机的状态字或控制字），具有不同的功能。存器（类似单片机的状态字或控制字），具有不同的功能。输入输入/输出单元输出单元是是PLC与现场生产设备直接连接的端口与现场生产设备直接连接的端口用于接收现场的输入信号，输出控制信号用于接收现场的输入信号，输出控制信号

23、开关量输入单元开关量输入单元开关量输出单元开关量输出单元PLC按钮按钮继电器触点继电器触点行程开关行程开关通过各种输入通过各种输入/输出单元，输出单元，PLC既可检测到所需的过程信息既可检测到所需的过程信息，又可将处理结果传送给外部过程，驱动各种执行机构，实，又可将处理结果传送给外部过程，驱动各种执行机构，实现工业生产过程的控制。通过输入模板单元，现工业生产过程的控制。通过输入模板单元，PLC能够得到能够得到生产过程的各种参数；通过输出模板单元，生产过程的各种参数；通过输出模板单元，PLC能够把运算能够把运算处理的结果送至工业过程现场的执行机构实现控制。实际生处理的结果送至工业过程现场的执行机构实现控制。实际生产中的信号电平多种多样，外部执行机构所需电流也是多种产中的信号电平多种多样，外部执行机构所需电流也是多种多样，而多样，而PLC的的CPU所处理的只能是标准电平，由于输入所处理的只能是标准电平，由于输入/输出模板单元与工业过程现场的各种信号直接相连，这就要输出模板单元与工业过程现场的各种信号直接相连，这就要求它有很好的信号适应能力和抗干扰性能。因此，在输入求它有很好的信号适应能力和抗干扰性能。因此，在输入/输出模板单元中，一般均配有电子变换、光耦合器和阻容滤输出模板单元中，一般均配有电子变换、光耦合器和阻容滤波等电路，以实现外部现场的各种信号与系