ch3可编程控制器基础

1、本章内容3.1 可编程序控制器概述3.2 可编程控制器的组成3.3 PLC的基本原理3.4 可编程控制器的硬件基础3.5 可编程控制器的软件基础3.6 可编程控制器的性能指标及分类3.1 可编程序控制器概述 一、可编程控制器的定义二、可编程控制器的产生三、可编程控制器的特点四、可编程控制器的应用五、可编程控制器的发展六、可编程控制器的类型什么是PLC？一、可编程控制器的定义是一种工业控制装置是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。通用叫法中文名称为可编程控制器；英文名称为Programmabl

2、e Logic Controller，简称PLC。一、可编程控制器的定义1987年，国际电工委员会（IEC）定义： “可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其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，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。 二、可编程控制器的产生因为继电器逻辑电路配线复杂二、可编程控制器的产生背景：1968年美国通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化

3、的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。 1968年，GM公司提出十项设计标准：编程简单，可在现场修改程序；维护方便，采用插件式结构；可靠性高于继电器控制柜；体积小于继电器控制柜；成本可与继电器控制柜竞争；可将数据直接送入计算机；可直接使用115V交流输入电压；输出采用115V交流电压，能直接驱动电磁阀、交流接触器等；通用性强，扩展方便;能存储程序，存储器容量可以扩展到4KB。二、可编程控制器的产生1969年，美国数字设备公司研制第一台可编程控制器，并应用于工业现场。二、可编程控制器的产生三、 可编

4、程控制器的特点无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强 通用性强，控制程序可变，使用方便硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强编程简单，容易掌握 系统的设计、安装、调试工作量少维修工作量小，维护方便体积小，能耗低. 四、可编程控制器的应用领域四、可编程控制器的应用领域四、可编程控制器的应用领域四、可编程控制器的应用领域四、可编程控制器的应用领域四、可编程控制器的应用领域四、可编程控制器的应用领域四、可编程控制器的应用领域四、可编程控制器的应用领域四、可编程控制器的应用领域五、可编程控制器的发展高性能、高速度、大容量发展为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的

5、PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。 向小型化和大型化两个方向发展小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为816点，以适应单机及小型自动控制的需要。 大型化是指大中型PLC 向大容量、智能化和网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工

6、作和大容量存储器，功能强。五、可编程控制器的发展大力开发智能模块，加强联网与通信能力为满足各种控制系统的要求，不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。PLC的联网与通信有两类： PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段； PLC与计算机之间的联网通信。为了加强联网与和通信能力，PLC生产厂家也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统。 五、可编程控制器的发展增强外部故障的检测与处理能力据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前二项共20

7、%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理。而其余80%的故障属于PLC的外部故障。PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。 五、可编程控制器的发展编程语言多样化在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图、语句表语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。五、可编程控制器的发展按I/O点数分小型PLC I/O点

8、数为256点以下的为小型PLC （其中I/O点数小于64点的为超小型或微型PLC）中型PLC I/O点数为256点以上、2048点以下的为中型PLC大型PLC I/O点数为2048以上的为大型PLC （其中I/O点数超过8192点的为超大型PLC）六、可编程控制器的类型按结构形式分整体式PLC 将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低等特点。六、可编程控制器的类型模块式PLC 将PLC各组成部分分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。紧凑式PLC 还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来

9、。模块式PLC 将PLC各组成部分分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。紧凑式PLC 还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来。整体式PLC 将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低等特点。按功能分低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。 中档PLC 具有低档PLC功能外，增加模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还增设中断、PID控制等

10、功能。 高档PLC 具有中档机功能外，增加带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数运算、制表及表格传送等。高档PLC机具有更强的通信联网功能。 六、可编程控制器的类型本章主要介绍了可编程控制器的定义、可编程控制器产生的背景、可编程控制器的特点、可编程控制器的应用领域、主要类型、发展趋势及概况。本节小结3.2 可编程控制器的组成返回中央处理单元（CPU） 中央处理单元是PLC的核心部件，负责完成逻辑运算、数字运算以及协调系统内各部分的工作。它在系统程序的管理下运行，主要功能有 ：接受并存储由编程器键入的用户程序和数据；诊断电源故障以及用户程序的语法错误；读取输入状态和数

11、据并存储到相应的存储区；读取用户程序指令，解释执行用户程序，完成逻辑运算、数字运算、数据传递等任务，刷新输出映像，将输出映像内容送至输出单元。 返回存储器单元PLC的存储器单元分成两个部分： 系统程序存储器；用于存放PLC生产厂家编写的系统程序，系统程序在出厂时已经被固化在PROM或EPROM中。 用户程序存储器。可分为程序存储区和数据存储区，程序存储器用于存放用户编写的控制程序，数据存储区存放的是程序执行过程中所需要的或者所产生的中间数据。 3.2.3 电源单元 电源单元将外界提供的电源转换成PLC的工作电源后，提供给PLC。有些电源单元也可以作为负载电源，通过PLC的I/O接口向负载提供直

12、流24V电源。 电源单元还提供掉电保护电路和后备电池电源，以维持部分RAM存储器的内容在外界电源断电后不会丢失。在面板上通常有发光二极管（LCD）指示电源的工作状态，便于判断电源工作是否正常。 输入输出单元 PLC的输入、输出单元也叫I/O单元，对于模块式的PLC来说，I/O单元以模块形式出现，所以又称为I/O模块。 I/O单元是PLC与工业现场的接口，现场信号与PLC之间的联系通过I/O单元实现。 工业现场的输入和输出信号包括数字量和模拟量两类，因此I/O单元也有数字I/O和模拟I/O两种，前者又称为DI/DO，后者又称为AI/AO。PLC的输入、输出单元还应包括一些功能模块，所谓功能模块就

13、是一些智能化了的输入和输出模块。 接口单元（对外部设备） 接口单元包括扩展接口、通信接口、编程器接口和存储器接口及其它外部设备接口等。 PLC的I/O单元也属于接口单元的范畴，它完成PLC与工业现场之间电信号的往来联系。除此之外，PLC与其它外界设备和信号的联系都需要相应的接口单元 。 接口单元（对外部设备）接口单元通常有以下5种：I/O扩展接口 。用于扩展输入输出点数 。通信接口 。通常集成有RS232或RS422口，用于与PLC、上位机、远程I/O、监视器、编程器等外部设备相连。 编程器接口 。PLC本体通常是不带编程器的，编程器接口是连接编程器的。存储器接口。存储器接口是为了扩展存储区而

14、设置的。 其它外部设备接口。包括条码读入器的接口、打印机接口等等。 外部设备 PLC的外部设备种类很多，可以概括为以下四类：编程设备；除了用于编程，还可对系统作一些设定，以确定PLC的工作方式。 监控设备；将现场数据动态实时显示出来，以便操作人员随时掌握系统运行的情况。 存储设备；用于保存用户数据，避免程序丢失。 输入输出设备。用于接受信号和输出信号的专用设备，例如条码读入器、打印机等。 返回一、工作方式周期循环扫描二、工作过程自诊断、输入采样、程序扫描、输出刷新几个外阶段。三、扫描周期 T =自检时间+读入一点时间输入点数+程序步数运算速度+输出一点时间输出点数。3.3 PLC的基本原理PL

15、C的等效电路如下图所示：PLC的工作过程示意图PLC工作过程的特点总结如下： PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，这种方式减少了外界干扰的影响。 PLC的工作过程是循环扫描的过程，循环扫描时间的长短取决于指令执行速度、用户程序的长度等因素。 输出对输入的响应有滞后现象。PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，当采样阶段结束后，输入状态的变化将要等到下一个采样周期才能被接收，因此这个滞后时间的长短又主要取决于循环周期的长短。此外，影响滞后时间的因素还有输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间等。 3.4 可编程控制器的硬件基础 返回一、可编程控制器的I/O模块 PLC的输入输出部分，可以分为数字

16、I/O（DI/DO）和模拟I/O（AI/AO）两大类：数字量I/O（DI/DO）：数字量输入单元； 数字量输出单元 。 模拟量I/O（AI/AO）：模拟量输入单元 ； 模拟量输出单元 。 一、可编程控制器的I/O模块数字量输入单元（直流）：电阻R2和电容C构成RC滤波电路，光耦将现场信号与PLC内部电路隔离。一、可编程控制器的I/O模块数字量输入单元（交流）：图3-5 带整流桥的交流输入电路示意图 也可使用双向光电耦合器和双向发光二极管，去了桥式整流电路。 一、可编程控制器的I/O模块数字量输出单元（继电器式）：一、可编程控制器的I/O模块模拟量输入单元：模拟量输入信号可以是电压或电流，在选型

17、时要考虑输入信号的范围以及系统要求的A/D转换精度。 一、可编程控制器的I/O模块模拟量输出单元：模拟量输出的过程与输入正相反，它将PLC运算处理过的二进制数字转换成相应的电量（例如420mA、010V等）。 二、可编程控制器的配置 PLC的品种繁多，其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各有自已的特点，适用场合也各有侧重。站在硬件选型的角度，首先需要考虑的是设备容量与性能是否与任务相适应；其次要看PLC运行速度是否能够满足实时控制的要求。所谓设备容量，主要是指系统I/O点数的多少以及扩充的能力。对于纯开关量控制的应用系统，如果对控制速度的要求不高，比如单台机械的自动控制，可选用小

18、型一体化PLC（如S7-200系列 ）。对于比较复杂，控制功能要求较高的系统（如需要PID调节 ，应当选用中、大型PLC（S7-300/400系列 ）。返回3.5 可编程控制器的软件基础 返回一、系统监控程序 初始化程序；CPU自诊断； 通信信息处理；输入刷新；用户程序执行；输出刷新；外部设备服务。 第一大类：公共操作第二大类：现场输入/输出第三大类：用户程序操作第四大类：服务外部设备初始化程序：作用是清零各个标志寄存器，清零输入、输出映像寄存器，清零各计数器，复位定时器等，为PLC开始正常工作“清理现场”。CPU自诊断 ：自诊断主要包括检查电源电压是否正常，I/O单元的连接是否正常，用户程序

19、是否存在语法错误，对监控定时器定期复位等。 通信信息处理 ：这个阶段PLC要完成与网络及总线上其它设备的通信任务，包括与PLC、计算机、智能I/O模块、数字处理器（DPU）等设备之间的信息交换。 外部设备服务 ：PLC在这个阶段与外部设备交换信息，包括编程器、图形监视器（监控设备）、打印机等。 一、系统监控程序 二、用户应用程序 返回1. PLC的编程元件 （1）继电器 输入、输出映像寄存器里的每一位，在指令系统中都对应一个固定的编号，在图形编程语言（例如梯形图语言）中形象的用继电器线圈来表示，因此也常称之为输入继电器、输出继电器。同时为了满足对复杂逻辑关系的编程要求，还提供大量的中间辅助继电

20、器，它们也对应存储器中的某一固定区域。这些继电器都是所谓的“软元件”，它们的状态用一个二进制位就可以表示，1对应ON状态，0对应OFF状态，在用户程序中可以无限次使用它们的常开、常闭触点。 月二、用户应用程序 (2)定时器 类似于继电器逻辑电路中的时间继电器，有延时接通、延时断开、脉冲定时等多种形式，可以组成复杂的时间顺序逻辑。定时器指令一般由线圈、定时时间设定值和当前计时值组成，PLC专门在存储器中开辟出一个区域，用以保存各个定时器线圈当前的状态（ON或OFF）以及时间的设定值和当前值。定时器的常开、常闭触点可以在用户程序中无限次使用。 二、用户应用程序（3）触发器 该指令用于对状态位的置1和清零，状态位即为触发器线圈，它的ON状态一旦触发可以自保持，直至复位条件满足才变为OFF状态。触发器的常开、常闭触点同样可以无限次使用。（4）其它元件及指令 除上述4种逻辑元件之外，PLC指令系统一般还提供移位寄存器、数据寄存器、边沿检测、比较、运算、ASCII码处理以及数制转换等等多种指令。 二、用户应用程序2. PLC的编程语言（1）梯形图语言（LAD） 这是一种使用最广泛的语言，与继电器电路图非常相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂里熟悉电气控制的工程技术人员掌握。继电器逻辑电路 梯形图语言