第1章可编程序控制器基础cxj

第一章可编程序控制器1.1可编程序控制器的基本概念与硬件结构1.2可编程序控制器的特点、功能及性能指标1.3可编程控制器的工作原理与编程语言1.4可编程序控制器的应用及发展1.1可编程序控制器的基本概念与硬件结构可编程序控制器的基本概念可编程序控制器的发展历史可编程序控制器的硬件结构

1.1.1可编程序控制器的基本概念什么是可编程序控制器？国际电工委员会（IEC）于1987年颁布了可编程序控制器标准草案第三稿。在草案中对可编程序控制器定义如下：可编程序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是输入和输出，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。

英文名：ProgrammableLogicController简称：PLCPLC的生产厂家德国生产PLC的主要厂商有：西门子（SIEMENS）公司，它生产S系列的PLC。1996年推出S7-400系列新产品、自带人机界面的C7系列PLC等多种新产品。日本的三菱公司生产的F1系列PLC，近年来又推出了FX系列，如FX2、FX1、FX2N等等。东芝公司（EX系列PLC）、富士电机公司（NB、NJ、NS系列PLC）、松下公司（EP系列）、日本的立石（欧姆龙）公司。1.1.2可编程序控制器的发展历史

60年代中期，通用汽车公司（GM）提出设想1969年，第一台诞生于数字设备公司（DEC）1977年，我国第一台我国最早广泛用的企业：宝钢、已有四代产品，功能逐步增强。世界第一台PLC1969年由美国设备公司（DEC)根据美国通用汽车公司（GM）的要求研制成功背景：1968年美国通用汽车公司，为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，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电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。设计思想：吸取继电器和计算机两者的优点继电器控制系统体积大、可靠性低、接线复杂、不易更改、查找和排除故障困难，对生产工艺变化的适应性差，但简单易懂、价格便宜；计算机功能强大，灵活（可编程）、通用性好，但编程困难；采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用（梯形图）。总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制（通用控制器）。

可编程序控制器（PLC，ProgrammableLogicController）是在传统顺序控制器的基础上引入微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通信技术等形成的新型工业控制装置。它具有控制能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单等优点，是当代工业自动化技术领域中应用场合最多的工业控制装置之一，也被公认为是现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。

1.1.3可编程序控制器的硬件结构主机输入/输出（I/O）接口电源编程器输入/输出（I/O）扩展接口外部I/O接口PLC系统的基本结构

主机CPU（运算器、控制器）系统程序存储器用户程序及数据存储器CPU是PLC的控制中枢，CPU一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。主要功能：运行用户程序、监控输入/输出接口状态、做出逻辑判断和进行数据处理，即读入输入变量；执行用户指令，将结果送到输出端；相应外部设备（打印机、条码扫面仪等）；内部诊断。存储器存储器的作用：PLC的存储器主要用于系统程序、用户程序、数据的存放。存放系统软件——系统程序存储器存放应用软件——用户程序存储器存储器的类型：可读/可写的随机存储器RAM只读存储器ROM、PROM、EPROM等输入/输出（I/O）接口

输入/输出接口通常也称为I/O单元后I/O模块，是PLC与输入/输出设备连接的部件。

PLC输入接口——用来接收和收集输入信号，分为开关量输入模块和模拟量输入模块。

PLC输出接口——将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。电源PLC电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配备的直流开关稳压电源。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力你强。许多PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电编程器编程器是编制、调试PLC用户程序的外部设备，是人机交互的窗口。编程器功能：通过编程器可以把用户程序输入到RAM中；或者对RAM中已有程序进行编辑；通过编程器还可以对PLC的工作状态进行监视和跟踪，对调试和试运行用户程序非常有用。输入/输出（I/O）扩展接口是PLC主机为了扩展输入/输出点数和类型的部件。输入/输出扩展单元、远程输入/输出扩展单元、只能输入/输出单元等都通过I/O扩展接口和主机相连。I/O扩展接口有并行接口、串行接口等多种形式。外部I/O接口是PLC主机实现人机对话、机讲对话的通道。通过外部I/O接口，PLC可以和编程器、彩色图形显示器、打印机等外部设备相连，也可以和其它PLC或上位机连接。外部I/O接口一般是RS-232C、RS422A、USB等串行通信接口。1.2可编程序控制器的特点、功能及性能指标可编程序控制器的特点可编程序控制器的主要功能及性能指标S7-200PLC概述S7-300/400PLC概述

1.2.1可编程控制器的特点可靠性高、抗干扰能力强继电器触点寿命有限，可靠性差，而PLC的大量开关动作由无触点开关或软触点完成。

平均无故障时间：几十万小时平均维修时间：几分钟-半小时1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。2）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。3）采用性能优良的开关电源。4）采用模块化结构。5）良好的自诊断功能。6）设置了监视定时器。7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或由三CPU构成表决系统，使可靠性进一步提高。编程简单、使用方便1）梯形图是面向生产、面向用户的编程语言，与电器控制电路图相似；2）形象、直观、简单易学。3）生产流程需改变时，可现场改变程序。4）编程器的操作和使用简单。功能完善、通用性强具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制、数值运算、A/D和D/A转换、PID控制、通信联网等。设计安装简单、维护方便1）控制柜的设计、接线、安装工作量大大减少。2）PLC用户程序大部分在实验室模拟调试，调试好后再现场安装调试。3）自诊断功能较强。体积小、质量轻、能耗低PLC采用集成电路，结构紧凑、体积小、能耗低。1.2.2可编程控制器的主要功能及性能指标一、可编程控制器的主要功能逻辑控制功能位处理功能，有与、或、非等逻辑指令，能实现开关量的串联、并联、常开、常闭等连接。定时控制功能定时器，功能类似于时间继电器。计数控制功能计数器计到某一定值时，产生一个状态信号，利用该状态信号实现对某个操作的计数控制。步进（顺序）控制功能实现由时间、计数或其他指定逻辑信号为转移条件的步进控制。数据处理功能算术运算、数据比较、数据传送、数据移位、数制转换、PID运算等。过程控制功能A/D、D/A转换通信联网功能监控功能停电记忆功能故障自诊断功能二、PLC的性能指标（1）存储容量PLC的存储器由系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器三部分组成。生产厂家在生产可编程序控制器时，已按照机器型号的不同，设置了不同容量的存储器，小到1K~几K，大至1~2M，甚至更大。（2）I/O点数是PLC可以接收的输入、输出信号的总和，是衡量PLC性能的重要指标。二、PLC的性能指标（3）扫描速度常以扫描1KB用户程序所需时间来表示，通常以ms/KB为单位，大约1ms~10ms/K,更快的0.01ms/K。（4）指令系统PLC基本指令和功能指令的总和。（5）内部元件的种类和数量元件种类和数量越多，表示存储和处理各种信息的能力越强。（6）特殊功能单元二、PLC的性能指标（7）可扩展能力包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展、各种功能模块的扩展。（8）通信能力分为PLC之间的通信和PLC与其它设备之间的通信。主要涉及通信模块、通信接口、通信协议、通信指令等。1.2.3S7-200PLC概述西门子公司目前最近的PLC产品是SIMATICM7、C7和S7三个系列。M7系列是PLC的嵌入式高档机，用于解决对时间要求非常高的技术问题。C7系列PLC往往在一个单元中集成一个PLC和一个控制面板。S7系列用处较为广泛，分为S7-200、S7-300、S7-400。1.2.3S7-200PLC概述集CPU、电源、输入/输出安装于一体，结构紧凑、安装简单；运算速度快，基本逻辑控制指令0.22s/条，可实现高速控制；编程指令、编程元件较丰富、性价比高；带有固定点数的高速计数输入与高速脉冲输出，输入/输出频率可达到20~100KHz；带有RS-485串行通信接口，可以支持自由口通信与PPI、MPI、PROFIBUS现场总线通信；1.2.3S7-200PLC概述最大数字量输入、输出映像区均为128点，最大模拟量输入、输出映像区均为32点；内部标志位（M寄存器）为256位，掉电永久保存为112位，超级电容或电池保存为256位；256个定时器中有4个1ms定时器，16个10ms定时器，236个100ms定时器；256个计数器均能用超级电容或电池保存。项目功能CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226I/O数字量I/O6输入/4输出8输入/6输出14输入/10输出14输入/10输出24输入/16输出模拟量I/O无2输入/1输出无最多允许的扩展模块无2个模块7个模块接口类型RS-485串行通信接口接口数量12波特率PPI、DP/T9.6kbit/s、19.2kbit/s、187.5kbit/s无协议通信1.2～115.2kbit/s通信距离不使用中继器50m使用中继器与波特率有关，187.5kbit/s时为1000mPLC网络连接方式PPI、MPI、PROFIBUS-DP、Ethernet（需要网络模块支持）1.2.4S7-300/400PLC概述1、S7-300PLC概述S7-300PLC分类标准型、紧凑型、故障安全型、技术功能型S7-300PLC的主要功能特点运算速度快、PLC循环周期短；编程能力强；人机界面；诊断功能；口令保护；强大的通信功能。1.2.4S7-300/400PLC概述1、S7-400PLC概述S7-400PLC分类标准型、冗余型、故障安全型S7-400PLC的主要功能具有S7-300系列系统的功能；冗余设计的容错自动化系统；处理速度显著提高；多CPU处理；诊断功能；CPU通信性能显著增强。1.3可编程控制器的工作原理与编程语言1.3.1可编程控制器的工作方式1）继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式2）PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束，然后重新返回第一条指令，开始新一轮的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。1.3.2可编程控制器的扫描工作过程PLC的扫描工作过程1.3.3可编程控制器的编程语言IEC61131-3标准中定义了