化工仪表及自动化(厉玉鸣)(第三版)第16章可编程控制器

化工仪表及自动化第十六章可编程控制器

内容提要可编程控制器概述可编程控制器(PLC)的发展过程可编程控制器的功能与特点可编程控制器的基本构成及工作原理可编程控制器的基本组成可编程控制器的软件系统可编程控制器的分类1内容提要OMRONC系列PLC

简介OMRONPLC指令应用实例水箱液位控制变量越限机警控制自动包装机控制2第一节可编程序控制器概述

可编程控制器是一种以CPU为核心的计算机工业控制装置,由于其良好的性能价格比和稳定的工作状态以及简便的操作性。可编程控制器是一种数字运算操作系统,专为工业环境应用而设计,有较强的抗干扰能力。可编程控制器可以单独使用,也可以通过网络成为DCS控制系统的一部分。3第一节可编程序控制器概述一、可编程控制器(PLC)的发展过程1969年美国研制出了第一台可编程序控制器。从1971年开始,各国相继开发了适于本国的PLC,并推广使用。20世纪80年代末,PLC技术已经很成熟,并从开关量逻辑控制扩展到计算机数字控制(CNC等)领域。近年生产的PLC向电气控制、仪表控制、计算机控制一体化方向发展。4第一节可编程序控制器概述二、可编程控制器的功能与特点1.可编程控制器的功能PLC可以进行各种复杂的开关量逻辑控制，且配置了计数器、定时器等指令，进一步丰富了逻辑控制功能，同时可以完成各种类型的计数要求。PLC具有了A/D、D/A转换的功能,丰富了控制手段和控制范围。PLC有了较强的通信功能,可以组成PLC控制的计算机网络。5第一节可编程序控制器概述2.可编程控制器的特点控制程序可编程编程方便扩展灵活可靠性高6第一节可编程序控制器概述比较项目继电接触控制PLC控制功能使用许多继电器才能进行复杂的控制无论控制多复杂,均用程序编制完成控制内容变更需改变继电器和配线只要改变程序即可自由完成控制速度依靠触点机械动作实现,工作频率低靠微处理器实现控制,速度极快计数控制一般无此功能具有计数功能安装施工连线复杂,施工繁琐安装容易,施工简便可靠性触点多、连线多、体积大、寿命短、可靠性差采用集成元件,体积小、寿命长、可靠性高可扩展性扩展困难在I/O点允许情况下可自由扩充维护需定期检验,查找故障困难,维护工作量大具有自诊断功能,查找故障迅速,维护方便表16-1PLC控制与继电接触控制比较7第一节可编程序控制器概述集散控制系统侧重回路连续调节功能,在模拟量处理、反馈控制等方面具有明显优势；可编程控制器侧重开关量顺序控制功能,在数字处理、顺序控制方面具有一定优势。可编程控制器与集散控制系统比较发展初期8第一节可编程序控制器概述网络功能方面DCS从一开始就十分重视网络通信,PLC也在不断增强网络通信功能。

顺序控制功能方面

PLC优势强模拟量处理功能方面

DCS系统较完善9第二节可编程序控制器的基本构成及工作原理一、可编程序控制器的基本组成10图16-1PLC的基本组成框图第二节可编程序控制器的基本构成及工作原理111.中央处理器解释并执行用户及系统程序，通过运行用户及系统程序完成所有控制、处理、通信以及所赋予的其他功能，控制整个系统协调一致地工作。主要有通用微处理器、单片机和双极型位片机。

2.存储器（1）存储器类型：

RAM、ROM、EPROM和E2PROM，外存常用盒式磁带或磁盘等作用（2）存储区分配图16-2简化的存储映像第二节可编程序控制器的基本构成及工作原理123.输入输出模块I/O模块是可编程序控制器与生产过程相联系的桥梁。

PLC连接的过程变量按信号类型可分为开关量（即数字量）、模拟量和脉冲量等，相应输入输出模块可分为开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和脉冲量输入模块等。第二节可编程序控制器的基本构成及工作原理4.编程器功能

编程器是PLC必不可少的重要外部设备。编程器将用户所希望的功能通过编程语言送到PLC的用户程序存储器。编程器不仅能对程序进行写入、读出、修改，还能对PLC的工作状态进行监控，同时也是用户与PLC之间进行人机界面。13第二节可编程序控制器的基本构成及工作原理14工作方式编程器与PLC上的专用插座相连，或通过专用接口相连，程序可直接写入PLC的用户程序存储器中，也可先在编程器的存储器内存放，然后再下装到PLC中。离线（脱机）编程方式

编程器先不与PLC相连，编制的程序先存放在编程器的存储器中，程序编写完毕，再与PLC连接，将程序送到PLC存储器中。在线（联机）编程方式分类便携式编程器和通用计算机。第二节可编程序控制器的基本构成及工作原理二、可编程序控制器的软件系统15(1)梯形图语言目前常用的编程语言有：梯形图语言助记符语言功能表图某些高级语言1.可编程控制器的编程语言梯形图的表达式沿用了原电气控制系统中的继电接触控制电路图的形式，二者的基本构思是一致的，只是使用符号和表达方式有所区别。第二节可编程序控制器的基本构成及工作原理16举例例16-1某一过程控制系统，工艺要求开关1闭合40s后，指示灯亮，按下开关2后灯熄灭。

图16-3（a）为实现这一功能的一种梯形图程序（OMRONPLC），它是由若干个梯级组成的，每一个输出元素构成一个梯级，而每个梯级可由多条支路组成。图16-3梯形图程序第二节可编程序控制器的基本构成及工作原理17(2)助记符语言又称为命令语句表达式语言，常用一些助记符来表示PLC的某种操作。

助记符语言类似微机中的汇编语言，但比汇编语言更直观易懂。

图16-3（b）为梯形图对应的用助记符表示的指令表。

不同厂家生产的PLC所使用的助记符各不相同，因此同一梯形图写成的助记符语句不相同。用户在梯形图转换为助记符时，必须先弄清PLC的型号及内部各器件编号、使用范围和每一条助记符的使用方法。注意！第二节可编程序控制器的基本构成及工作原理2.可编程控制器的工作过程读入现场信号自诊断与编程器、计算机等通信执行用户程序输出结果图16-4PLC工作过程框图PLC对用户程序的执行分三个阶段：输入扫描程序执行输出刷新18第二节可编程序控制器的基本构成及工作原理191.按容量分（1）小型PLC

I/O点总数一般为20～128点。

主要功能逻辑运算、定时计数、移位处理等，采用专用简易编程器。（2）中型PLC

其I/O点总数通常为129～512点，内存在８K以下，适合开关量逻辑控制和过程变量检测及连续控制。

主要功能除有小型PLC的功能外，还有算术运算、数据处理及A/D、D/A转换、联网通信、远程I/O等功能，可用于比较复杂过程的控制。三、可编程控制器的分类第二节可编程序控制器的基本构成及工作原理20（3）大型PLC

其I/O点总数在513点以上。

主要功能除了具有中小型PLC的功能外，还具有PLD运算及高速计数等功能，用于机床控制时，具有增加刀具精确定位、机床速度和阀门控制等功能，配有CRT显示及常规的计算机键盘，与工业控制计算机相似。编程可采用梯形图、功能表图及高级语言等多种方式。

第二节可编程序控制器的基本构成及工作原理21２.按硬件结构分（1）整体式PLC

它将PLC各组成部分集装在一个机壳内，输入、输出接线端子及电源进线分别在机箱的上、下两侧，并有相应的发光二极管显示输入/输出状态。面板上留有编程器的插座、EPROM存储器插座、扩展单元的接口插座等。优点具有这种结构的可编程序控制器结构紧凑、体积小、价格低。

图16-5SIMENSSIMATICS7-200的外形图第二节可编程序控制器的基本构成及工作原理22（2）模块式PLC

输入/输出点数较多的大型、中型和部分小型PLC采用模块式结构。其优点为：图16-6SIMENSSIMATICS7-300的外形图采用积木搭接的方式组成系统，便于扩展，其CPU、输入、输出等都是独立的模块，有的PLC的电源包含在CPU模块之中。品种多，硬件配置灵活，更换模块方便。（3）叠装式PLC

它吸收了整体式和模块式PLC的优点，其基本单元、扩展单元等高等宽，它们不用基板，仅用扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个整齐的体积小巧的长方体，而且输入、输出点数的配置也相当灵活。第三节OMRONC系列PLC一、简介23OMRONC系列PLC有微型、小型、中型和大型四大类十几种型号。微型PLC以C20P和C40H为代表，是整体结构，I/O容量为几十点，最多可扩至120点。小型PLC分为C120和C200H两种，C120最多可扩展256点I/O，是紧凑型整体结构。第三节OMRONC系列PLC中型PLC有C500和C1000H两种，I/0容量分别为512点和1024点。大型PLC有C2000H，I/O点数可达2048点，同时多处理器和双冗余结构使得C2000H不仅功能全、容量大，而且速度快，由于也是模块化结构，外形与C200H相近。24图16-7SYSMACC28H外形示意图图16-9C200H外观示意图25图16-8CPM1AC**P外观图第三节OMRONC系列PLC二、

OMRONPLC指令

指令大多数是按照位（bit）寻址，个别指令按照通道寻址。按位寻址的地址编号为：通道号。位号，如0.00表示0通道的第0位，位的表示采用十进制数，范围为0～15。

在OMRONPLC中，对于输入、输出等继电器的编号不用加字母。小型整体PLC的输入、输出编号是固定不变的，使用者可以按照PLC主机标注编号编程；对于模块式PLC则根据输入或输出模块安装位置决定其编号。26第三节OMRONC系列PLC按功能分类基本指令特殊功能指令构成助记符：表示指令要完成的功能。操作数：指出了要操作的对象。27第三节OMRONC系列PLC图16-10OMRONPLC的基本指令应用示例(1)LD和LDNOT指令(2)OUT和OUTNOT指令(3)AND和ANDNOT指令(4)OR和ORNOT指令(5)ANDLD指令(6)ORLD指令(7)END指令281.OMRONPLC的基本指令第三节OMRONC系列PLC29２.几个功能指令

（1）保持指令KEEP（11）

它执行继电器保持操作，可保持为ON或OFF状态，直到它的两个输入端之一使它复位或置位。图16-11电机启动、停止控制第三节OMRONC系列PLC30（2）微分指令DIFU（13）和DIFD（14）

微分指令在执行条件满足后第一次扫描时才执行，且只执行一次；若执行条件解除后再次满足，则再执行。DIFU是上升沿微分指令，DIFD是下降沿微分指令。

图16-12微分指令应用示例第三节OMRONC系列PLC31（3）定时器

定时器为递减型，有低速TIM和高速TIMH（15）两种。定时器的操作数包括定时器编号（N）和设定值（SV）两个数据。（4）计数器

计数器包括单向递减型CNT和双向可逆型CNTR（12）两种，其操作数包括计数器编号和设定值两个数据。图16-13计数包装控制程序第四节应用实例一、水箱液位控制32输入、输出点分配如下：上限检测开关0.00；下限检测开关0.01平；电磁阀10.00

图16-14水箱液位控制示意图

为了保证水箱液位保持在一定范围，分别在控制的上限和下限设置检测传感器，用PLC控制注入水电磁阀。

当液位低于下限时，下限检测开关断开，打开电磁阀开始注水；当注水达到上限位置时，上限检测开关闭合，切断电磁阀。PLC采用OMRON的CPM2A-60CDR。工艺要求如图16-14所示。第四节应用实例33

控制接线如图16-15所示，图16-16为液位控制梯形图。当低于液位下限时，下限开关与上限开关均断开，0.00与0.01常闭触点闭合，使输出继电器10.00导通，注水电磁阀打开；一旦超过下限液位，虽然0.01触点断开，但由于10.00触点的自锁作用，仍保证注水阀打开，直至上限检测开关闭合，0.00的常闭触点断开，输出继电器10.00断开，注水阀关闭。第四节应用实例图16-15控制接线示意图图16-16液位控制梯形图34第四节应用实例35二、变量越限报警控制1.基本控制环节②在实际中往往要求一旦变量超限，即使恢复到正常值，仍然进行声光报警，直到操作人员按下确定按钮后，报警才解除。③在②的要求基础上，要求一旦报警，指示灯是闪亮的。④在③的要求基础上，如果允许按下消音按钮（点动），则电笛断开，灯变成平光。①工艺要求过程变量越限后立即用指示灯和电笛报警，当工艺变量恢复到正常之后，报警自动解除。第四节应用实例报警梯形图36第四节应用实例372.闪光报警系统图16-21加热炉的安全联锁保护系统三个联锁报警点

燃料流量下限原料流量下限火焰检测

要求用三个指示灯指示三个报警点。在整个系统中有三个工艺检测输入、一个复位按钮、一个实验按钮和一个消音按钮