电气控制与PLC应用 课件 崔晶 3 可编程控制器基础知识

电气控制与PLC应用3.1

可编程控制器的概述内容PLC的定义△PLC的特点△12PLC的应用PLC的分类34PLC的主要技术指标△PLC与其他工业控制系统的比较*56PLC的由来PLC的由来

20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。PLC的由来

1968年美国通用汽车公司提出的替代继电器控制系统的新型控制器的十项指标（GM十条）：

1）编程简单、现场可修改程序；

2）维护方便、采用插件式结构；

3）可靠性高于继电器控制系统；

4）体积小于继电器控制系统；

5）数据可以直接送入计算机；6）成本可与继电器系统竞争；7）输入可为市电；8）输出可为市电，能直接驱动电磁阀、交流接触器等；9）通用性强、易于扩展；10）用户存储器大于4K。PLC的由来

1969年美国数字设备公司(DEC公司)研制出了第一台可编程控制器PDP-14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功并取得了满意的效果，可编程控制器自此诞生。

美国从1971年开始输出这种技术，1973年以后，西德、日本、英国、法国相继开发了各自的PLC，并广泛应用。廿余年来，PLC的发展迅猛异常，它的应用领域可谓是各行各业。PLC的出现和发展，是工业控制技术上的一个飞跃。PLC在我国机械、冶金、化工、轻工的大多数工业部门已开始得到广泛应用。PLC的应用在工业界产生了巨大的影响。PLC的由来PLC的定义1PLC的定义1

可编程序逻辑控制器简称为PLC（ProgrammableLogicalController

），也常称为可编程序控制器即PC(ProgrammableController)，它是微机技术与继电接触器常规控制概念相结合的产物，即采用了微型计算机的基本结构和工作原理，融合了继电接触器控制的概念构成的一种新型电控器，它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。PLC的定义1FX2N型PLC外观输入端子输入信号灯输出端子输出信号灯编程电缆运行开关电源指示灯运行指示灯电池指示灯出错指示灯扩展端口锂电池PLC的特点2PLC的特点21通用性强：由于采用了微型计算机的基本结构和工作原理，而且接口电路考虑了工业控制的要求，输出接口能力强，因而对不同的控制对象，可以采用相同的硬件，只需编制不同的软件，就可实现不同的控制。2接线简单：只要将用于控制的接线、限位开关和光电开关等接入控制器的输入端，将被控制的电磁铁、电磁阀、接触器和继电器等功率输出元件的线圈接至控制器的输出端，就完成了全部的接线任务。PLC的特点23编程容易：一般使用与继电接触器控制电路原理图相似的梯形图或用面向工业控制的简单指令形式编程。因而编程语言形象直观，容易掌握，具有一定的电工和工艺知识的人员可在短时间学会并应用自如。4.抗干扰能力强、可靠性高：PLC的输入输出采取了隔离措施，并应用大规模集成电路，故它能适应各种恶劣的环境，能直接安装在机器设备上运行。

PLC的特点25.容量大，体积小，重量轻，功耗少，成本低，维修方便：例如一台具有128个输入输出点的小型PLC，其尺寸为216×127×110mm3，重约2.3Kg，空载功耗为1.2W，它可以完成相当于400～800个继电器组成的系统的控制功能，而其成本仅相当于相同功能继电器系统的（10～20）％；PLC一般采用模块结构，又具有自诊断功能，判断故障迅速方便，维修时只需更换插入式模块，因而维修十分方便。PLC的分类3PLC的分类31.按结构形式分类,可分为整体式和模块式两类。

PLC的分类32.按I/O点数和存储容量分类小型PLC

：I/O点数在256点以下，存储器容量2K；中型PLC

：I/O点数在256～1024点之间，存储器容量2K～8K;大型PLC

：I/O点数在1024点以上，存储器容量8K以上。PLC的应用4PLC的应用4

随着微电子技术的快速发展，PLC的制造成本不断下降，而功能却不断增强。目前在先进工业国家PLC已成为工业控制中的标准设备，应用的领域已覆盖整个工业企业。概括起来主要应用在以下几个方面：PLC的应用41.开关量逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域2.运动控制

PLC可用于直线运动或圆周运动的控制3.闭环过程控制

PLC通过模拟量模块实现模拟量与数字量的A/D、D/A转换，能够实现对模拟量的控制PLC的应用44.数据处理现代的PLC具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算），数据传递、排序和查表、位操作等功能；可以完成数据的采集、分析和处理，可以与存储器中存储的参考数据相比较，也可以传送给其它智能装置或传送给打印机打印制表5.联网通信

PLC的通讯包括PLC与PLC之间、PLC与上位计算机之间和其它的智能设备之间的通讯PLC的应用4PLC的应用4PLC的应用4PLC的应用4PLC的应用4PLC的应用4PLC的应用4PLC的应用4PLC的应用4PLC的应用4PLC的应用4PLC的生产厂家当今世界上PLC生产厂家按地域可分为三大流派：美国、欧洲和日本。美国和欧洲以大中型PLC而闻名，但产品的差异性很大，这是由于它们是在相互隔离的情况下独立开发出来的；日本以小型PLC著称，它的技术是从美国引进的，因此对美国的产品有一定的继承性。PLC的应用4美国是PLC生产大国，有100多家PLC厂商，著名的有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司、德州仪器（TI）公司、西屋电气公司等。欧洲著名的PLC生产厂商有德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司，法国的TE公司等。

日本有许多PLC制造商，如：三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等。

我国的PLC生产厂家规模一般不大，主要有无锡华光电子工业有限公司、上海香岛机电制造有限公司、杭州机床电器厂、天津中环自动化仪表公司等。PLC的性能指标5PLC的性能指标51、输入/输出（I/O）点数

PLC上的I/O端子的个数。I/O点数越多，外部可接的输入和输出元器件就越多，控制规模就越大。2、存储容量

存储容量指的是用户程序存储器的容量。也有的PLC用存放用户程序的指令条数来表示容量。PLC的性能指标53、扫描速度

扫描速度是指PLC执行程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标。4、指令的种类和条数

编程指令的种类和条数是衡量PLC软件功能强弱的主要指标。PLC的性能指标55、特殊I/O单元（高级模块或智能模块）

PLC不仅能完成开关量的逻辑控制，而且利用特殊I/O单元可完成模拟量控制、运动控制、模糊控制、定位控制、高速中断控制、通信联网等功能。6、支持软件

符合IEC1131-3(国际电工委员会（InternationalElectro-technicalCommission）

)标准的语言，为用户提供方便的编程环境。PLC的性能指标5PLC与继电器控制系统比较•继电器控制采用硬接线方式装配而成，只能完成既定的功能。•PLC控制只要改变程序并改动少量的接线端子（软接线），就可适应生产工艺的改变。•从适应性、可靠性及设计、安装、维护等各方面进行比较。传统的继电器控制大多数将被PLC所取代。PLC的性能指标5PLC的性能指标52.与工业计算机比较工业控制机控制要求开发人员具有较高的计算机专业知识和微机软件编程的能力。PLC采用了采用面向控制过程、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，便于推广应用。PLC是专为工业现场应用而设计的，具有更高的可靠性。在模型复杂、计算量大且较难、实时性要求较高的环境中，工业控制机则更能发挥其专长。PLC的性能指标53.PLC与集散系统的比较集散系统从工业自动化仪表控制系统发展到以工业控制计算机为中心的集散系统，所以其在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，初期主要用在连续过程控制，侧重回路调节功能。PLC是由继电器逻辑系统发展而来，主要用在离散制造、工序控制，初期主要是代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面。总结重点：PLC的定义PLC的主要技术指标难点：PLC与其他工业控制系统的比较谢谢电气控制与PLC3.2PLC的基本组成及工作原理内容PLC的硬件组成1PLC的软件组成2PLC的工作原理工作方式：循环扫描工作过程：3的阶段扫描周期3PLC的硬件组成1硬件组成1PLC生产厂家很多，产品的结构也各不相同，但其基本构成是一样的，都采用计算机结构，都以微处理器为核心，通过硬件和软件的共同作用来实现其功能。PLC主要有六部分组成：CPU(中央处理器)、存储器、输入/输出（I/O）接口电路、电源、外设接口、输入/输出（I/O）扩展接口。

硬件组成1硬件组成11.中央处理单元（CPU）：由控制器和运算器组成，其功能如下：(1)自检，接受程序，将将程序存入程序存储器中(2)扫描输入接口，将各种输入信号取入(3)从程序存储器读取程序指令，编译、执行指令(4)把运算结果送到输出端(5)刷新输出接口，驱动控制对象

硬件组成1PLC中所采用的CPU通常有三种：（1）通用处理器：8086、80286、80386（2）单片机芯片：8031、8096（3）位片式微处理器：AMD-2900小型PLC多采用8位微处理器或单片机作为CPU中型PLC多采用16位微处理器或单片机作为CPU大型PLC多采用高速位片式微处理器硬件组成1存储器用于存放系统程序、用户程序和运行中的数据。包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。RAM：随机存储器，可读可写，没有断电保持功能。ROM：只读存储器，只读，不能写。硬件组成1RAM存放用户程序ROM存放系统程序EPROM：可擦除程序的只读存储器，用紫外线照射芯片上的透镜窗口，可以擦除已写入的内容，而写入新的程序。EEPROM：可电擦除的只读存储器，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取的优点。硬件组成13.输入输出接口输入输出接口是PLC与工业控制现场各类信号连接的部分。输入接口用来接受生产过程的各种参数（输入信号）。输出接口用来送出可编程控制器运算后得出的控制信息（输出信号），并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。硬件组成1

为了适应可编程控制器在工业生产现场的工作，对输入输出接口有二个主要的要求：

良好的抗干扰能力

能满足工业现场各类信号的匹配要求硬件组成14.电源单元PLC一般采用AC220V电源，经整流、滤波、稳压后可变换成供PLC的CPU、存储器等电路工作所需的直流电压，有的PLC也采用DC24V电源供电。为保证PLC工作可靠，大都采用开关型稳压电源。有的PLC还向外部提供24V直流电源。硬件组成15.外部设备外部设备接口是在主机外壳上与外部设备配接的插座，通过电缆线可配接编程器、计算机、打印机、EPROM写入器、触摸屏等。编程器：用于编辑、输入、调试PLC的工作程序；对PLC的运行状态及被控对象的参数进行监视；与打印机相连可打印程序清单或输出有关记录信息。PLC的软件组成2软件组成2可编程序控制器(plc)软件由系统程序和应用程序两大部分组成。

1.系统程序：由PLC制造商固化在系统程序存储器中，用以控制可编程序控制器本身的运作；用户程序则是由使用者编制并输入用户程序存储器，用来控制外部对象的运作。

2.应用程序：是PLC的使用者针对具体控制对象编制的程序。根据不同控制要求编制不同的程序，相当于改变PLC的用途，程序既可由编程器方便地送入PLC内部的存储器中，也能通过编程器方便地读出、检查与修改。PLC的工作原理3工作原理3PLC的工作方式为循环扫描方式，其工作过程大致分为3个阶段：输入采样、程序执行和输出刷新。3扫描一个循环所用的时间称为扫描周期,约40~100ms读读读写写I/O刷新I/O刷新0100101000000000000101000输入端子输入电路用户输入设备输入映像寄存器输出电路输出端子元件映像寄存器输出锁存器

用户输出设备

执行用户程序工作原理3

为提高工作可靠性和及时接收外部控制命令，每个扫描周期还要进行故障自诊断（自诊断），处理与编程器、计算机的通信请求（与外设通信）。工作原理31.自诊断每次扫描用户程序前，对CPU、存贮器、I／O模块等进行故障诊断，发现故障或异常情况则转入处理程序，保留现行工作状态，关闭全部输出，停机并显示出错信息。2.与外设通信自诊断正常后，PLC对编程器、上位机等通信接口进行扫描，如有请求便响应处理。工作原理33.输入采样完成前两步后，PLC扫描各输入点，将各点状态和数据（开关的通／断、A／D转换值、BCD码数据等），读入到寄存输入状态的输入映象寄存器中存贮，称为采样。4．程序执行

PLC从用户程序存贮器的最低地址（0000H）开始顺序扫描（无跳转情况），并分别从输入映象寄存器和输出映象寄存器中获得所需的数据进行运算、处理，再将程序执行的结果写入输出映象寄存器中保存。工作原理35．输出刷新执行完用户程序后，PLC将输出映象寄存器中的内容送到寄存输出状态的输出锁存器中，再去驱动用户设备，称为输出刷新。扫描不断循环，实现对设备的连续控制。扫描周期:T＝T1＋T2＋T3＋T4＋T5，为上述五步操作时间之和。工作原理总结

一、PLC的硬件组成△二、PLC的软件组成△三、PLC的工作原理*

1、工作方式：循环扫描

2、工作过程：3的阶段

3、扫描周期谢谢电气控制与PLC3.3西门子S7-200PLC的编程语言内容PLC的编程语言△梯形图语句表逻辑功能图1PLC的数据类型与储存区域*2PLC的储存器类型△3PLC的寻址方式及用户程序的结构*4STEP7-Micro/WIN32编程软件的使用与安装5S7-200PLC的编程语言11.梯形图（LAD）编程语言

梯形图是与电气控制电路图相呼应的图形语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。2.功能块图（FBD）

功能块图类似于普通逻辑概念图，沿用了半导体逻辑电路的逻辑框图表达方式。3.语句表（STL）

语句表程序设计语言是用布尔助记符来描述程序的一种程序设计语言,计算机中的汇编语言非常相似，目前已经可以应用高级语言。

图5-1功能块图（FBD）LDI0.1OQ0.0ANI0.0=Q0.0数据类型与存储区域21位布尔型（BOOL）8位字节型（BYTE）16位无符号整数型（WORD）16位有符号整数型（INT）32位无符号双字整数型（DWORD）32位有符号双字整数型（DINT）32位实数型（REAL）。实数型（REAL）是按照NSI/IEEE754—1985标准（单精度）的表示格式规定。

1、基本数据类型21）存储器（回顾）

存储器主要用于存放系统程序、用户程序以及工作数据。

a.常用的存储器类型

RAM—RandomAccessMemoryROM—ReadOnlyMemoryEPROM—ErasableProgrammableReadOnlyMemoryEEPROM—ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory2、数据的存储区ROM、EPROM和EEPROM的区别，EEPROM仅依靠电子信号即可修改内容！数据类型与存储区域2

程序区用于存放用户程序，存储器为EEPROM。

系统区用于存放有关PLC配置结构的参数，如PLC主机及扩展模块的I/O配置和编址、配置PLC站地址，设置保护口令、停电记忆保持区、软件滤波功能等，存储器为EEPROM。

数据区是S7-200CPU提供的存储器的特定区域。它包括输入映象寄存器（I）、输出映像寄存器（Q）、变量存储器（V）、内部标志位存储器（M）、顺序控制继电器存储器（S）、特殊标志位存储器（SM）、局部存储器（L）、定时器存储器（T）、计数器存储器（C）、模拟量输入映像寄存器（AI）、模拟量输出映像寄存器（AQ）、累加器（AC）、高速计数器（HC）。存储器为EEPROM和RAM。2）存储器区域

PLC的存储器分为程序区、系统区、数据区。数据类型与存储区域2数据类型与存储区域（1）字节编址的指定方式为：（区域标志符）B（字节号），如IB0表示由I0.0～I0.7这8位组成的字节。（2）字编址的指定方式为：（区域标志符）W（起始字节号），且最高有效字节为起始字节。例如VW100表示由VB100和VB101这2字节组成的字。（3）双字编址的指定方式为：（区域标志符）D（起始字节号），且最高有效字节为起始字节。例如VD100表示由VB100到VB103这4字节组成的双字。b）、字节、字、双字地址格式2数据类型与存储区域c）其他地址格式

数据区存储器区域中，还包括定时器存储器（T）、计数器存储器（C）、累加器（AC）、高速计数器（HC）等，它们是模拟相关的电器元件的。它们的地址格式为：Ay。

由区域标识符A和元件号y组成，例T24表示某定时器的地址，T是定时器的区域标识符，24是定时器号。3存储器类型1、数字量输入/输出继电器（I/Q）（1）输入映像寄存器（I）

PLC的输入端子输入映像寄存器（I）的相应位。输入映像寄存器的状态只能由外部输入信号驱动，而不能在内部由程序指令来改变。位地址：I[字节地址].[位地址]，如I0.1；字节、字、双字地址：I[数据长度][起始字节地址]，如IB4、IW6、ID10。3存储器类型（2）输出映像寄存器（Q）

每一个输出模块的端子与输出映像寄存器的相应位相对应。CPU将输出判断结果存放在输出映像寄存器中，在扫描周期的结尾，CPU以批处理方式将输出映像寄存器的数值复制到相应的输出端子上。

在程序的执行过程中，对于输入或输出的存取通常是通过映像寄存器，而不是实际的输入、输出端子。S7-200CPU执行有关输入输出程序时的操作过程如图所示。

3存储器类型2、模拟量输入/输出继电器（AI/AQ）（1）模拟量输入映像寄存器（AI）模拟量输入映像区是S7-200CPU为模拟量输入端信号开辟的一个存储区。S7-200将测得的模拟量（如温度、压力）转换成1个字长（2个字节）的数字量。模拟量输入映像寄存器用标识符（AI)、数据长度（W）及字节的起始地址表示。AIW0~AIW30，共有16个字，总共允许有16路模拟量输人。说明：模拟量输入值为只读数据。（2）模拟量输出映像区（AQ区）

模拟量输出映像区是S7-200CPU为模拟量输出端信号开辟的一个存储区。S7-200将1个字长（2个字节、16位）的数字量按比例转换为电流或电压。模拟量输出映像寄存器用标识符（AQ)、数据长度（W）及字节的起始地址表示。

AQW0~AQW30，共有16个字，总共允许有16路模拟量输出。3存储器类型3、辅助继电器（M）内部标志位存储器（M）也称内部线圈，是模拟继电器控制系统中的中间继电器，它存放中间操作状态，或存储其它相关数据。如M26.7，MB11，MW23，MD26。4、变量存储器（V）变量存储器（V）存放全局变量、存放程序执行过程中控制逻辑操作的中间结果或其他相关数据。变量存储器全局有效。全局有效是指同一个存储器可以在任一程序分区（主程序、子程序、中断程序）被访问。如V10.2，VB20，VW100，WD320。5、局部存储器（L）局部存储器（L）存放局部变量，是局部有效的。局部有效是指某一局部存储器只能在某一程序分区（主程序或子程序或中断程序）中使用。如L0.0，LB33，LW44，LD55。3存储器类型7、特殊继电器（SM）特殊标志位（SM）即特殊内部线圈，它是用户与系统程序之间的界面。SM0.0RUN监控，PLC在RUN方式时，SM0.0总为1；SM0.1初始脉冲，SM0.1接通一个扫描周期；SM0.3PLC上电进入RUN方式时，SM0.3接通一个扫描周期；SM0.5秒脉冲，占空比为50％，周期为1s的脉冲。6、顺序控制继电器（S）顺序控制继电器（S）用于顺序控制（或步进控制）。顺序控制继电器指令（SCR）基于顺序功能图（SFC）的编程方式。SCR指令提供控制程序的逻辑分段，从而实现顺序控制。如S3.1，SB4，SW10，SD21。3存储器类型9、计数器（C）计数器是累计其计数输入端脉冲电平由低到高的次数，有三种类型：增计数、减计数、增减计数。计数器存储器地址表示格式为：C[计数器号]，如C3。S7-200PLC计数器存储器的有效地址范围为：C（0～255）。8、定时器（T）定时器是模拟继电器控制系统中的时间继电器。时基有三种：1ms、10ms、100ms。定时器存储器地址表示格式为：T[定时器号]，如T24。S7-200PLC定时器存储器的有效地址范围为：T（0～255）。3存储器类型10、累加器（AC）累加器用来暂存计算中间值的存储器，也可向子程序传递参数或返回参数。S7-200CPU累加器：AC0、AC1、AC2、AC3。

累加器是可读写单元，可以按字节、字、双字存取累加器中的数值。由指令标识符决定存取数据的长度，例如，MOVB指令存取累加器的字节，DECW指令存取累加器的字，INCD指令存取累加器的双字。按字节、字存取时，累加器只存取存储器中数据的低8位、低16位；以双字存取时，则存取存储器的32位。11、高速计数器（HC）高速计数器用来累计高速脉冲信号，当高速脉冲信号频率比CPU扫描速率更快时，必须使用高速计数器。CPU226高速计数器：HC（0～5）。4寻址方式及用户程序的结构主程序（OB1）：是用户程序的主体。CPU在每个扫描周期都要执行一次主程序指令。子程序：是程序的可选部分，主程序调用时才能够执行。中断程序：是程序的可选部分，只有当中断事件发生时，才能够执行。中断程序可在扫描周期的任意点执行。用户程序的结构

用户程序可分为三个程序分区：主程序、子程序（可选）和中断程序（可选）。寻址方式：指令中如何提供操作数或操作数地址，称为寻址方式。S7-200PLC的寻址方式有：立即寻址、直接寻址、间接寻址。

MOVD256，VD100MOVDVD100,VD2005STEP7-Micro/WIN3