第一章可编程控制器基础知识

1、2022-6-101PLC原理与应用原理与应用 主讲教师：侯益坤 2022-6-102本课程基本情况专业课 先修课程：电子电路基础，计算机应用基础 后续课程：教材PLC原理与应用李树雄编 北京航空航天大学出版社 2006年10月第一版2022-6-103课程主要内容和学习方法课程主要内容和学习方法可编程控制器的基础知识：类比；识记FP1的指令系统：要求基本指令熟悉FP1可编程控制器、编程工具简介：应用PLC程序设计及应用：方法 2022-6-104 目录 第一章 可编程控制器础知识第二章 FP1可编程控制器的规格、性能及系统构成第三章 FP1的指令系统第四章 FP1的特殊功能及高级模块第五章

2、PLC程序设计及应用举例第六章 编程工具2022-6-105第一章第一章 可编程控制器基础知识可编程控制器基础知识1.1 1.1 可编程序控制器可编程序控制器(PLC)(PLC)的历史与发展的历史与发展 1.2 PLC1.2 PLC的特点及应用领域的特点及应用领域1.3 PLC1.3 PLC的一般构成和基本工作原理的一般构成和基本工作原理1.4 PLC1.4 PLC的编程语言的编程语言1.5 PLC1.5 PLC的性能指标与分类的性能指标与分类2022-6-106第一章 可编程控制器基础知识1.1 1.1 可编程控制器的可编程控制器的历史和发展历史和发展 1.1.11.1.1 可编程控制器的产

3、生与历史继电器控制系统的特点 缺点：体积大、可靠性低、查找故障困难、接线复杂、对生产工艺变化性的适应性差。优点：简单易懂、操作方便、价格便宜。2022-6-10720世纪60年代，由于小型计算机的出现和大规模生产及多机群控的发展，人们曾试图用小型计算机来实现工业控制，代替传统的继电接触器控制。1968年美国General Motors公司，为了适应生产工艺不断更新的需要，要求制造商为其装配线提供一种新型的通用程序控制器，并提出10项招标指标。这就是著名的GM 10条。2022-6-108 编程简单，可在现场修改程序；编程简单，可在现场修改程序； 可靠性高于继电器控制柜；可靠性高于继电器控制柜；

4、 体积小于继电器控制柜；体积小于继电器控制柜； 维护方便，最好是插件式；维护方便，最好是插件式； 可将数据直接送入管理计算机；可将数据直接送入管理计算机； 在成本上可与继电器控制柜竞争；在成本上可与继电器控制柜竞争； 输入可以是交流输入可以是交流115V115V； 输出为交流输出为交流115V115V、2A2A以上，能直接驱动电磁阀等；以上，能直接驱动电磁阀等； 在扩展时，原系统只需很小变更；在扩展时，原系统只需很小变更； 用户程序存贮器容量至少能扩展到用户程序存贮器容量至少能扩展到4K4K。GM10条是可编程序控制器出现的直接原因：2022-6-109可编程控制器的发展大体可分为以下几个阶段

5、：可编程控制器的发展大体可分为以下几个阶段：第第1 1阶段：阶段： 可编程控制器刚问世时，功能十分简单，只有逻辑可编程控制器刚问世时，功能十分简单，只有逻辑运算，定时，计数等功能。运算，定时，计数等功能。 第第2 2阶段：阶段：集成电路技术的发展及微处理器的产生，使集成电路技术的发展及微处理器的产生，使PLCPLC技技术得到了较大的发展。术得到了较大的发展。 第第3 3阶段：阶段：单片计算机的出现，半导体存储器进入工业化生产单片计算机的出现，半导体存储器进入工业化生产以及大规模集成电路的使用，推进了以及大规模集成电路的使用，推进了PLCPLC的进一步发的进一步发展，使其演变成专用的工业计算机。

6、展，使其演变成专用的工业计算机。2022-6-1010可编程控制器的发展大体可分为以下几个阶段：可编程控制器的发展大体可分为以下几个阶段：第第4 4阶段：阶段： 计算机技术的飞速发展及超大规模集成电路、门阵计算机技术的飞速发展及超大规模集成电路、门阵列电路的使用、促使列电路的使用、促使PLCPLC完全计算机化。完全计算机化。第第5 5阶段：阶段： RISC(RISC(精简指令集计算机精简指令集计算机) )芯片在计算机行业大量使芯片在计算机行业大量使用，表面贴装技术和工艺已成熟，这些使用，表面贴装技术和工艺已成熟，这些使PLCPLC整机的整机的体积大大缩小，体积大大缩小，PLCPLC开始大量使用

7、开始大量使用1616位和位和3232位的微处位的微处理器芯片，有的理器芯片，有的PLCPLC已使用已使用RISCRISC芯片。芯片。2022-6-1011 1.1.2 1.1.2 可编程控制器的发展及定义 1969年，美国数据设备公司(DEC)研制出世界上第一台可编程控制器，并成功地应用在GM公司的生产线上。这一时期它主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称 70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制领域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器编程控制器，简称PC(Programmable

8、Controller)。但由于PC容易和个人计算机 (Personal Computer)相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。2022-6-1012 1985年1月： “可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、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、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充的原则设计”。2022-6-1013 1.1.3 1.1.3 PLC的发展趋势1.方便灵活和小型化2.高功能和大

9、型化3.产品规范化、标准化规范化、标准化2022-6-1014 1.2 PLC的特点及应用领域1.2.11.2.1 PLCPLC的主要特点的主要特点 可靠性高、抗干扰能力强。可靠性高、抗干扰能力强。主要有以下几个方面：主要有以下几个方面： 隔离隔离( (采用光电耦合器采用光电耦合器 ) )滤波 对PLC的内部电源采取了屏蔽、稳压、保护等措施。 设置了连锁、环境检测与诊断、Watchdog等电路。 利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测。对用户程序及动态工作数据进行电池备份。 采用密封、防尘、抗振的外壳封装结构。采用密封、防尘、抗振的外壳封装结构。 1. 以集成电路为基本元件

10、，内部处理过程不依赖于机械触点。采用循环扫描的工作方式采用循环扫描的工作方式，也提高了抗干扰能力。 2022-6-10152. 编程简单、使用方便、柔性好编程简单、使用方便、柔性好易学易懂的梯形图语言易学易懂的梯形图语言类似计算机汇编语言的助记符语言类似计算机汇编语言的助记符语言3. 通用性好通用性好互换性好，扩展功能强互换性好，扩展功能强4. 功能强大，可实现三电一体化功能强大，可实现三电一体化 将电控将电控(逻辑控制逻辑控制)、电仪、电仪(过程控制过程控制)和电结和电结(运动控制运动控制)集于一体，可以方便、集于一体，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的灵活地组合成各种不同规模和要求

11、的控制系统。控制系统。5. 体积小、重量轻、功耗低体积小、重量轻、功耗低2022-6-10166. 设计施工周期短设计施工周期短 由于由于PLC用软件取代继电接触器控用软件取代继电接触器控制系统中的大量中间继电器、时间继制系统中的大量中间继电器、时间继电器、计数器等低压电器，使整个的电器、计数器等低压电器，使整个的设计、安装、接线工作量大大减少。设计、安装、接线工作量大大减少。程序设计和硬件施工可以同时进行，程序设计和硬件施工可以同时进行，因而大大缩短了施工周期。因而大大缩短了施工周期。 2022-6-10171.2.2 PLC1.2.2 PLC的应用领域的应用领域 开关量的逻辑控制开关量的逻

12、辑控制：可取代传统继电器系统和可取代传统继电器系统和顺序控制器。如各种机床、自动电梯、装配生产线、顺序控制器。如各种机床、自动电梯、装配生产线、电镀流水线、运输和检测等的控制。而且输入、输电镀流水线、运输和检测等的控制。而且输入、输出的点数不受限制。出的点数不受限制。 机械运动控制机械运动控制：可用于精密金属切削机床、机械：可用于精密金属切削机床、机械手、机器人等设备的控制。手、机器人等设备的控制。 过程控制（模拟量控制）过程控制（模拟量控制）：通过配用通过配用AD、DA转换模块及智能转换模块及智能PID模块实现对生产过程中的温模块实现对生产过程中的温度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量进行

13、闭度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量进行闭环调节控制。环调节控制。数据处理数据处理：很强的数学运算、数据传送等。很强的数学运算、数据传送等。 1.多级控制 ：利用利用PLC的网络通信功能模块及远程的网络通信功能模块及远程IO控制模块实现多台控制模块实现多台PLC之间、之间、PLC与上位计算与上位计算机的链接，以完成较大规模的复杂控制。机的链接，以完成较大规模的复杂控制。 2022-6-10181.1. PLCPLC的一般构成和基本工作原理的一般构成和基本工作原理1.3.1 PLC1.3.1 PLC的系统结构的系统结构电磁电磁阀阀电磁电磁线圈线圈指示灯指示灯电电 源源I/O扩扩展展接接口口I

14、/O扩扩展展单单元元CPU存 储 器存 储 器用户用户程序程序系统系统程序程序输入设备输入设备输出设备输出设备输输出出接接口口外外部部设设备备接接口口输输入入接接口口编程器编程器数数据据打印机打印机磁带机磁带机计计算机算机扫描仪扫描仪按钮按钮行程行程开关开关触点触点外部设备外部设备2022-6-1019 PLC各部分的作用 CPU 诊断诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。制程序中的语法错误。 采集现场的状态或数据，并送入采集现场的状态或数据，并送入PLC的寄的寄存器中存储起来。存器中存储起来。（读入数据指令）（读入数据指令） 按存放指令的顺序，

15、逐条读取指令，完成按存放指令的顺序，逐条读取指令，完成各种运算和操作。各种运算和操作。 （指令翻译）（指令翻译） 执行指令规定的操作，并将处理结果送至执行指令规定的操作，并将处理结果送至输出端。输出端。（指令执行）（指令执行） 1.响应各种外部设备的工作请求。响应各种外部设备的工作请求。（中断输（中断输入入） 2022-6-1020 PLCPLC各部分的作用各部分的作用存储器存储器 系统程序存储器系统程序存储器：用以存放系统管理程序、监用以存放系统管理程序、监控程序及系统内部数据。控程序及系统内部数据。PLC出厂前已将其固出厂前已将其固化在只读存储器化在只读存储器ROM或或PROM中，用户不能

16、中，用户不能更改。更改。用户存储器：用户存储器：包括用户程序存储区及工作数据包括用户程序存储区及工作数据存储区。这类存储器一般由低功耗的存储区。这类存储器一般由低功耗的CMOS-RAM构成，其中的存储内容可读出并更改。构成，其中的存储内容可读出并更改。 PLC产品手册中给出的“存储器类型”和“程序容量”是针对用户程序存储器而言的。2022-6-1021 PLCPLC各部分的作用各部分的作用输入、输出接口电路输入、输出接口电路（）输入接口电路（）输入接口电路：3.采用光电耦合电路，将限位开关、手动开关、编码器等现采用光电耦合电路，将限位开关、手动开关、编码器等现场输入设备的场输入设备的控制信号转

17、换控制信号转换成成CPU所能接受和处理的所能接受和处理的数字信号数字信号。 PLCPLC的输入接口电路（直流输入型）的输入接口电路（直流输入型） 内内部部电电路路R R2 2R1R1C CLEDLED光电耦合器光电耦合器COMCOMDCDC24V24VSBSB2022-6-1022 PLCPLC各部分的作用各部分的作用（）输出接口电路：（）输出接口电路：采用光电耦合电路，将将CPUCPU处理处理过的信号转换成现场需要的强电信号输出，过的信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀等外部设备的通断电。有三种类型： 内内部部电电路路L LE ED DL L: :负负 载载C CO OM

18、ML LL L输输 出出 端端 子子（a) a) 继电器输出型继电器输出型 继电器输出型继电器输出型：为有触点输出方式，用于接通或断开开关频率较低的开关频率较低的直流负载直流负载或或交流负载交流负载回路回路。2022-6-1023内内部部电电路路L LE ED D输输出出端端子子L L: :负负载载C CO OM ML LL L（b） 晶闸管输出型L L: :负负 载载输输 出出 端端 子子L LE ED D内内部部电电路路C CO OM ML LL L（c） 晶体管输出型（NPN集电极开路）输输 出出 端端 子子L LE ED D内内部部电电路路C CO OM ML L: :负负 载载L L

19、L L（d） 晶体管输出型（PNP集电极开路） 晶体管输出型晶体管输出型：为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的直流电源负载。 晶闸管输出型：晶闸管输出型：为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的交流电源负载。2022-6-1024电源电源 PLC的电源的电源是指将外部输入的交流电处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输人输出接口等内部电路工作需要的直流电源电路或电源模块。许多PLC的直流电源采用直流开关稳压电源，不仅可提供多路独立的电压供内部电路使用，而且还可为输入设备提供标准电源。 2022-6-1025手持编程器（外设接口）手持编程器（外设接口） 手持编程器采用手持编程器

20、采用助记符语言编程助记符语言编程，具有编具有编辑、检索、修改程序、进行系统设置、内存监辑、检索、修改程序、进行系统设置、内存监控等功能。可一机多用，具有使用方便、价格控等功能。可一机多用，具有使用方便、价格低廉的特点。外设接口还可以连接多种设备诸低廉的特点。外设接口还可以连接多种设备诸如：打印机、扫描仪等。如：打印机、扫描仪等。缺点：缺点：不够直观不够直观 可通过可通过PLC的的RS232外设通讯口外设通讯口(或或RS422口配以适配器口配以适配器)与计算机联机与计算机联机，利用专利用专用工具软件用工具软件（NPSTGR、FPSOFT、FPWINGR）对对PLCPLC进行编程和监控进行编程和监

21、控。利用计。利用计算机进行编程和监控比手持编程工具更加直观算机进行编程和监控比手持编程工具更加直观和方便。和方便。2022-6-1026I I0 0扩展接口扩展接口 若主机单元的IO点数不能满足需要时，可通过此接口用扁平电缆线将通过此接口用扁平电缆线将IO扩展单元与主机相连，以扩展单元与主机相连，以增加增加I IO O点数点数。PLC的最大扩展能力主要受的最大扩展能力主要受CPU寻址能力和主机驱动能力的限制。 2022-6-10271.3.1.3. PLCPLC基本工作原理基本工作原理PLC与普通微机在许多方面有相似之处，但其工作方式却与微机有很大的不同。微机：微机：等待命令等待命令的工作方式

22、。如在常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式下，有键按下或I/O动作，则转入相应的子程序;无键按下或IO不动作,则处于等待状态。PLCPLC：循环扫描循环扫描的工作方式。 CPU从第一条指令开始按指令步序号作周期性的循环扫描，如果无跳转指令,则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。如下图所示：2022-6-1028、10、10、11、ED11、ED图图 PLC循环扫描工作示意图循环扫描工作示意图2022-6-1029 一个扫描周期主要分为三个阶段：一个扫描周期主要分为三个阶段： 输入采样阶段输入采样阶段 程序执行阶段程

23、序执行阶段 1. 输出刷新阶段输出刷新阶段 输入刷新 程序执行输出刷新一个扫描周期输入刷新 PLC的扫描工作过程用户输出设备输入端子输入锁存器输入映象寄存器输出映象寄存器输出锁存器输出端子程序执行用户输入设备写读读2022-6-1030与编程器或计算机等通信自诊断读入现场信号执行用户程序输出结果图图 PLCPLC工作过程框图工作过程框图 第第1 1阶段：自诊断。阶段：自诊断。 第第2 2阶段：阶段：PLCPLC检查是否有与编程器或计算机的通信请求。检查是否有与编程器或计算机的通信请求。第第3 3阶段：阶段：PLCPLC的中央处理器对各个输入端进行扫描，将输入端的状态送的中央处理器对各个输入端进

24、行扫描，将输入端的状态送到输入状态寄存器中，这一阶段也称为输入信号采样阶段。到输入状态寄存器中，这一阶段也称为输入信号采样阶段。第第4 4阶段：中央处理器阶段：中央处理器CPUCPU将指令逐条调出并执行，以对输入和原输出状态将指令逐条调出并执行，以对输入和原输出状态 ( (这些状态统称为数据这些状态统称为数据) )进行进行“处理处理”，即按程序对数据进行逻，即按程序对数据进行逻辑、算术运算、再将正确的结果送到输出状态寄存器中，这就辑、算术运算、再将正确的结果送到输出状态寄存器中，这就 是执行用户程序阶段。是执行用户程序阶段。第第5 5阶段：所有的指令执行完毕后，集中把输出状态寄存器的状态通过输

25、阶段：所有的指令执行完毕后，集中把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备，这一阶段也称为输出刷新阶段。控设备，这一阶段也称为输出刷新阶段。2022-6-1031说明：说明： 由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为IO刷新阶段。实际上，除了执行程序和IO刷新外，PLC还要进行各种错误检测(自诊断功能)并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”。一般在程序执行后进行。 扫描周期的长短主要取决于程序的长短。 由于每一个扫描周期只进行一次I0刷新，故使系统存存在输入

26、、输出滞后现象。在输入、输出滞后现象。这对于一般的开关量控制系统不但不会造成影响，反而可以反而可以增强系统的抗干扰能力。增强系统的抗干扰能力。但对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后。2022-6-10321.4 1.4 PLCPLC的编程语言的编程语言 不采用微机的编程语言，采用梯形图语言、指令助记符语言、控制系统流程图语言、布尔代数语言等。其中梯形图、指令助记符语言最为常梯形图、指令助记符语言最为常用。用。 PLC的设计和生产至今尚无国际统一标准，不不同厂家所用语言和符号也不尽相同。同厂家所用语言和符号也不

27、尽相同。但它们的梯形图语言的基本结构和功能是大同小异大同小异的。 2022-6-10331.4.1 1.4.1 梯形图语言梯形图语言 梯形图是梯形图是在原继电器在原继电器接触器控制系统的继电器梯形接触器控制系统的继电器梯形图基础上演变而来的图基础上演变而来的一种图形语言一种图形语言。它是目前用得最多的它是目前用得最多的PLC编程语言。编程语言。作为一种图形语言，它是将内部的作为一种图形语言，它是将内部的各种编程元件和各种具有特定功能的命令用专用图形符号各种编程元件和各种具有特定功能的命令用专用图形符号定义，并按控制要求将有关图形符号按一定规律连接起来，定义，并按控制要求将有关图形符号按一定规律

28、连接起来，构成描述输入、输出之间控制关系的图形。这种图形就称构成描述输入、输出之间控制关系的图形。这种图形就称为的梯形图。为的梯形图。梯形图是由电气符号、线圈和触点等梯形图是由电气符号、线圈和触点等组成。组成。常开触点 ： 常闭触点： 线圈：2022-6-1034注意注意梯形图表示的并并不是一个实际电路而只是一个控制程不是一个实际电路而只是一个控制程序，序，其间的连线表示的是它们之间的逻辑关系，即所谓“软接线”。它们并非是物理实体，而是它们并非是物理实体，而是“软继电器软继电器”。每个。每个“软软继电器继电器”仅对应仅对应PLCPLC存储单元中的一位。存储单元中的一位。该位状态为“1”时，对应

29、的继电器线圈接通，其常开触点闭合、常闭触点断开；状态为“0”时，对应的继电器线圈不通，其常开、常闭触点保持原态。X0X1Y0Y0(b) PLC梯形图（a）继电器接触器线路图）继电器接触器线路图2022-6-10351.4.2 1.4.2 助记符语言助记符语言助记符语言类似于计算机汇编语言助记符语言类似于计算机汇编语言，用一些简洁一些简洁易记的文字符号表达易记的文字符号表达PLCPLC的各种指令。同一厂家的的各种指令。同一厂家的PLCPLC产品，产品，其助记符语言与梯形图语言是相互对应的，可互相转换。其助记符语言与梯形图语言是相互对应的，可互相转换。 助记符语言包含2个部分:操作码、操作数 操作

30、码表明该指令执行的操作种类：如数据传送、算术操作码表明该指令执行的操作种类：如数据传送、算术运算、逻辑运算等。操作数一般是由标识符和参数组成。运算、逻辑运算等。操作数一般是由标识符和参数组成。如：如： ST X0ST X0 OR Y0OR Y0 AN/ X1 AN/ X1 OT Y0 OT Y0 助记符语言常用于手持编程器中，梯形图助记符语言常用于手持编程器中，梯形图语言则多用于计算机编程环境中。语言则多用于计算机编程环境中。 X0X1Y0Y0(b) PLC梯形图2022-6-10361.4.3 逻辑功能图（略）逻辑功能图（略）参见P41-422022-6-10371.5 PLC1.5 PLC

31、的性能指标与分类的性能指标与分类1.5.1 PLC的主要性能指标I/OI/O点数点数 - 输入、输出端子的个数。输入、输出端子的个数。这些端子可以通过锣钉与外部设备相连接。这些端子可以通过锣钉与外部设备相连接。I/OI/O点点数数是是PLCPLC的重要指标。的重要指标。 I/OI/O点数点数越多表明可以与外部越多表明可以与外部相连的设备越多，控制规模越大。相连的设备越多，控制规模越大。I/OI/O点数点数包括：包括：主主机机I/OI/O点数点数和和最大扩展最大扩展I/OI/O点数点数两种。两种。2. 程序容量程序容量 - 决定存放用户程序的长短。在决定存放用户程序的长短。在PLC中中程序是按程序是按“步步”来存放的。条指令少则占步，多来存放的。条指令少则占步，多则占十几步。步占个地址单元，个地址单元占则占十几步。步占个地址单元，个地址单元占用个字节。如：用户程序为用个字节。如：用户程序为1000步，可知其