《电气控制及S7-1200 PLC应用技术》课件第2章 可编程序控制器概述

现代电气控制及PLC应用技术1第2章可编程序控制器概述主要内容：中国矿业大学徐海学院2.1PLC的定义与发展2.2PLC的主要功能、特点与分类2.3PLC的基本组成与工作原理1.PLC的定义美国电气制造商协会（NEMA）的定义“可编程序控制器是一种数字式的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序控制、计数、计时和算术运算功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。”国际电工委员会（IEC）的定义“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命令，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及其有关的外部设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计”。2中国矿业大学徐海学院2.1PLC的定义及发展现代电气控制及PLC应用技术1.PLC的定义PLC的实质以上PLC的定义说明，PLC是一种“数字运算操作的电子系统”，实质上是一种计算机。但强调了PLC应直接应用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和应用范围。这是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。3中国矿业大学徐海学院2.1PLC的定义及发展现代电气控制及PLC应用技术2.PLC的发展PLC的产生PLC产生之前，工业控制领域中继电器控制占主导地位。随着控制系统的复杂化，继电器控制系统的缺点凸显：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差，尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计、重新安装，造成时间和资金的严重浪费。为了改变这一现状，1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM)，为了适应汽车型号不断更新的需求，以在激烈竞争的汽车工业中占有优势，提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置，为此，特拟定了十项公开招标的技术要求，也就是著名的“GM十条”。根据招标要求，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台PLC（PDP-14型），并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制新时代。从此，可编程序控制器这一新的控制技术迅速发展起来。4中国矿业大学徐海学院2.1PLC的定义及发展现代电气控制及PLC应用技术2.PLC的发展PLC的发展过程1）第一阶段

从1969年第一台PLC问世到1972年，是PLC的初创阶段。第一台PLC与现代的PLC有很大的差别，它的实质只是一台专用的逻辑控制计算机，还缺乏PLC自己的鲜明的性格。第一台PLC的功绩是把计算机的程序存储技术引入继电器控制系统。这个阶段的PLC控制功能比较简单，主要用于逻辑运算、计时、计数和顺序控制等功能。2）第二阶段

从20世纪70年代初期到80年代初期，是崛起阶段。由于PLC在取代继电器控制系统方面的卓越表现，所以自从它在电气自动控制领域开始普及应用后便得到了飞速的发展。计算机的发展促进了PLC的发展，很快出现了以微处理器为核心的新一代PLC。这个阶段的PLC的功能增强了很多，处理速度更快。增加了多种特殊功能，如浮点数运算、平方、三角函数、数据表运算、脉宽调制变换、高速计数、PID控制、定位控制、中断控制和模拟量控制等。5中国矿业大学徐海学院2.1PLC的定义及发展现代电气控制及PLC应用技术2.PLC的发展PLC的发展过程3）第三阶段

从20世纪80年代初期到90年代初期，是成熟阶段。这个时期，PLC由最初用于汽车工业取代继电器控制系统，发展到广泛应用于机械、冶金、石油、化工、煤炭等工业领域，几乎覆盖了所有工业企业。在大型的PLC中，一般都扩展上了通信接口，通过PLC的网络通信功能，可构成多级通信网络，实现工厂的管理与控制的自动化。通信和联网功能，是PLC发展成熟的标志。4）第四阶段

从20世纪90年代初期到90年代末期，是飞速发展阶段。此阶段各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高，进一步提高PLC的处理速度，PLC已具有接近于工业控制计算机的强有力的软、硬件功能。由于模拟量处理功能和网络通信功能的提高，PLC控制系统在过程控制领城也开始大面积使用。20世纪90年代，是PLC发展的最快时期，年增长率一直都保持在30%~40%之间。6中国矿业大学徐海学院2.1PLC的定义及发展现代电气控制及PLC应用技术2.PLC的发展PLC的发展过程5）第五阶段

从20世纪90年代中期以后，是标准化阶段。长期以来PLC的研制走的是专门化道路，PLC的硬件和软件的体系结构都是封闭的。在硬件方面各厂家的CPU和I/O模块互不通用，通信网络和通信协议往往也是专用的。在软件方面，各厂家的PLC的编程语言和指令系统的功能和表达方式也不一致，甚至差异很大，因而各厂家的PLC互不兼容。这种不兼容问题为在工业自动化中实现互换性、互操作性和标准化都带来了极大的不便。如今，随着可编程序控制器国际标准IEC61131的逐步完善和实施，特别是IEC61131-3标准编程语言的推广，使得PLC真正走入了一个开放性和标准化的时代。7中国矿业大学徐海学院2.1PLC的定义及发展现代电气控制及PLC应用技术2.PLC的发展PLC的发展趋势1）大型化增强网络通信功能

网络化和强化通信能力是PLC的一个重要发展趋势。PLC构成的网络将有多个PLC、多个I/O模块相连，并可与工业计算机、以太网等构成整个工厂的自动控制系统。现场总线（Fieldbus）技术在工业控制中将会得到越来越广泛应用。发展智能模块

为了满足各种特殊功能的需要，各种智能模块层出不穷。智能模块是以微处理器为基础的功能部件，它们的CPU与PLC的CPU并行工作，占用主机的CPU时间很少，有利于提高PLC的扫描速度和完成特殊的控制要求。外部故障诊断功能PLC广泛应用了自诊断技术、冗余技术、容错技术，不断提高PLC的可靠性。同时，PLC还不断提高外部诊断功能。8中国矿业大学徐海学院2.1PLC的定义及发展现代电气控制及PLC应用技术2.PLC的发展PLC的发展趋势1）大型化实现软件、硬件标准化

由于早期PLC没有一个统的规范和标准，所以PLC产品在使用上都存在着一些差别，而这此差别的存在对PLC产品制造商和用户都是不利的。既增加了制造商的开发费用；又增加了用户学习和培训的负担。需要通过标准化来消除这种不利影响。人机交互方式迅速发展

在中大型的PLC控制系统中，基于Windows的PC机与PLC进行人机交互成为最佳的选择。配合有适当的通信接口或适配器，再结合组态软件，PC机就可以和PLC之间进行信息交换，就能完成复杂的和大量的画面显示，数据处理、报警处理、设备管理等任务。使用PC机结合组态软件来取代触摸屏的方案已成为一种比较好的选择。9中国矿业大学徐海学院2.1PLC的定义及发展现代电气控制及PLC应用技术2.PLC的发展PLC的发展趋势2）小型化

发展小型PLC，其目的是为了适应广大的、分散的、中小型的工业控制场合，使PLC不仅成为继电器控制柜的替代物，而且超过继电器控制系统的功能。小型、超小型、微小型PLC不仅便于机电一体化，也是实现家庭自动化的理想控制器。小型PLC向着简易化、体积小、功能强、价格低的方向发展。随着PLC技术提高，目前已将原有大、中型PLC的功能移植到小型机上，如模拟量处理、复杂的功能指令和网络通信等，使之具有灵活的组态特性。微小型PLC一般采用整体式结构，集成有控制功能、操作和显示单元、电源、I/O接口、扩展接口、通信接口等。不仅可用于小型工业控制领域，而且也可以用于家庭自动化、建筑、商业、农业、交通等领域。10中国矿业大学徐海学院2.1PLC的定义及发展现代电气控制及PLC应用技术1.PLC的主要功能1）开关量逻辑控制这是PLC的最基本的功能。PLC具有强大的逻辑运算能力，可以实现各种简单和复杂的逻辑控制，常用于取代传统的继电器控制系统。2）模拟量控制在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。而PLC中的微处理器CPU只能处理数字量。所以PLC中配置了A/D和D/A转换模块，把现场输入的模拟量经A/D转换后送CPU处理。而CPU处理的数字量结果，经D/A转换后，转换成模拟量去控制被控设备，以完成对连续量的控制。3）闭环过程控制运用PLC不仅可以对模拟量进行开环控制，而且还可以进行闭环控制。配置PID控制单元或模块，对控制过程中某一变量（如电压、电流、温度、速度、位置等）进行PID控制。11中国矿业大学徐海学院2.2PLC的主要功能、特点与分类现代电气控制及PLC应用技术1.PLC的主要功能4）定时控制PLC具有定时控制的功能，它为用户提供了若干个定时器。定时器的时间可以由用户在编程时设定，也可以用输入设备在外部设定，实现定时或延时的控制。5）计数控制PLC具有计数控制功能，它为用户提供了若干个计数器。计数器的计数值可以由用户在编程时设定，也可以用输入设备在外部设定，实现计数控制。6）顺序（步进）控制在工业控制中，选用PLC实现顺序（步进）控制，可以采用IEC规定的用于顺序控制的标准化语言——顺序功能图（SequentialFunctionChart，SFC）进行设计。可以用移位寄存器和顺控指令编写程序。12中国矿业大学徐海学院2.2PLC的主要功能、特点与分类现代电气控制及PLC应用技术1.PLC的主要功能7）数据处理现代PLC具有数据处理的能力。它不仅能进行数据运算和数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示、打印以及数据通信等。8）通信和联网现代PLC具有网络通信的功能，它既可以对远程I/O进行控制，又能实现PLC与PLC、PLC与计算机之间的通信，从而构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统，实现工厂自动化。PLC还可与其他智能控制设备（如变频器、数控装置）实现通信。PLC与变频器组成联合控制系统，可提高控制交流电动机的自动化水平。13中国矿业大学徐海学院2.2PLC的主要功能、特点与分类现代电气控制及PLC应用技术2.PLC的特点1）可靠性高、抗干扰能力强在设计中强化了PLC的抗干扰能力，使之能耐受诸如电噪声、电源波动、振动、电磁波等干扰，能耐受1000V、1μm的脉冲干扰，能在高温、高湿以及存在强腐蚀物质粒子的恶劣环境下可靠地工作。通常PLC的平均无故障时间可达几万小时以上，有的甚至达几十万小时。2）通用性强、灵活性好、功能齐全PLC是通过软件实现控制的，其控制程序编在软件中，对于不同的控制对象都可采用相同的硬件进行配置。目前，PLC产品已系列化、模块化、标准化，能方便灵活地组成大小不同、功能不同的控制系统，通用性强。由于可编程序控制功能齐全，几乎可以满足所有控制场合的需求。组成系统后，即使控制程序发生变化，只要修改软件即可，增强了控制系统的柔性。14中国矿业大学徐海学院2.2PLC的主要功能、特点与分类现代电气控制及PLC应用技术2.PLC的特点3）编程简单、使用方便PLC在基本控制方面采用“梯形图”语言进行编程，这种梯形图是与继电器控制电路图相呼应的，形式简练，直观性强，易于被广大电气工程人员接受。PLC还可以采用面向控制过程的控制系统流程图编程和语句表方式编程。梯形图、流程图、语句表之间可有条件地相互转换，使用极其方便。这是PLC能够迅速普及和推广的重要原因之一。4）模块化结构PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O接口等均采用模块化设计，由机架和电缆将各模块连接起来。系统的功能和规模可根据用户的实际需求自行配置，从而实现最佳性能价格比。由于配置灵活，使扩展、维护更加方便。15中国矿业大学徐海学院2.2PLC的主要功能、特点与分类现代电气控制及PLC应用技术2.PLC的特点5）安装简便、调试方便PLC安装简便，只要把现场的I/O设备与PLC相应的I/O端子相连就完成了全部的接线任务，缩短了安装时间。PLC的调试工作大都分为室内调试和现场调试。室内调试时，用模拟开关模拟输入信号，其输入状态和输出状态可以观察PLC上的相应的指示灯。可以根据PLC上的指示灯和编程器提供的信息方便地进行测试、排错和修改。室内模拟调试后，即可到现场进行连机调试。6）网络通信PLC提供标准通信接口，可以方便地进行网络通信。16中国矿业大学徐海学院2.2PLC的主要功能、特点与分类现代电气控制及PLC应用技术3.PLC的分类1）按控制规模分类小型机的控制点数小于256点，用户程序存储器的容量小于8K字。小型机常用于单机控制和小型控制场合，在通信网络中常作从站。例如，西门子公司的S7-1200PLC就属于小型机。小型机中，控制点数小于64点的为超小型机或微型PLC。中型机的控制点数一般在256点～2048点范围内，用户程序存储器的容量小于50K字。中型机控制点数较多、控制功能强，常用于中型控制场合，在通信网络中可作主站也可作从站。例如，西门子公司的S7-300PLC就属于中型机。大型机的控制点数都在2048点以上，用户程序存储器的容量达50K字以上。大型机控制点数多、功能很强、运算速度很快，常用于大型控制场合，在通信网络中常作主站。例如，西门子公司的S7-400PLC就属于大型机。以上分类没有十分严格的界限，随着PLC技术的飞速发展，这些界限会发生变更。17中国矿业大学徐海学院2.2PLC的主要功能、特点与分类现代电气控制及PLC应用技术3.PLC的分类2）按PLC的结构形式分类整体式PLC是将电源、CPU、I/O部件都集中在一个机壳内。其结构紧凑、体积小、价格低。一般小型PLC采用这种结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O和电源。扩展单元内只有I/O和电源。整体式PLC一般配备有特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使PLC的功能得以扩展。模块式PLC结构是将PLC各部分分成若干个单独的模块，如电源模块、CPU模块、I/O模块和各种功能模块。模块式PLC由机架和各种模块组成。模块插在机架内的插座上。模块式PLC配置灵活，装配方便，便于扩展和维修。叠装式PLC将整体式和模块式结合起来。它除了基本单元外还有扩展模块和特殊功能模块，配置比较方便。叠装式PLC集整体式PLC与模块式PLC优点于一身，它结构紧凑、体积小、配置灵活、安装方便。18中国矿业大学徐海学院2.2PLC的主要功能、特点与分类现代电气控制及PLC应用技术1.PLC的基本组成基本组成从广义上说，PLC也是一种工业控制计算机，只不过比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言。所以PLC与计算机控制系统十分相似，也具有中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出(I/O)接口、电源等。19中国矿业大学徐海学院2.3PLC的基本组成与工作原理现代电气控制及PLC应用技术1.PLC的基本组成中央处理单元（CentralProcessingUnit，CPU）中央处理单元是PLC的核心部分，它包括微处理器和控制接口电路。微处理器是PLC的运算和控制中心，由它实现逻辑运算、数字运算，协调控制系统内部各部分的工作。PLC常用的微处理器有通用微处理器、单片机、位片式微处理器等。20中国矿业大学徐海学院2.3PLC的基本组成与工作原理现代电气控制及PLC应用技术1.PLC的基本组成存储器（Memory）1）系统程序存储器

系统程序存储器用于存放PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在PROM或EPROM存储器中，用户不可访问和修改。系统程序包括系统监控程序、用户指令解释程序、标准程序模块、系统调用、管理等程序以及各种系统参数。21中国矿业大学徐海学院2.3PLC的基本组成与工作原理现代电气控制及PLC应用技术1.PLC的基本组成存储器（Memory）2）用户程序存储器用户程序存储器可分为三部分：用户程序区、数据区、系统区。22中国矿业大学徐海学院2.3PLC的基本组成与工作原理现代电气控制及PLC应用技术1.PLC的基本组成存储器（Memory）2）用户程序存储器用户程序区：用于存放用户经编程设备输入的应用程序。为了调试和修改方便，总是先把用户程序存放在随机读写存储器RAM中，经过运行考核，修改完善，达到设计要求后，再把它固化到EPROM中，替代RAM使用。23中国矿业大学徐海学院2.3PLC的基本组成与工作原理现代电气控制及PLC应用技术1.PLC的基本组成存储器（Memory）2）用户程序存储器数据区：用于存放PLC在运行过程中所用到的和生成的各种工作数据。数据区包括输入、输出数据映像区，定时器、计数器的预置值和当前值的数据等。24中国矿业大学徐海学院2.3PLC的基本组成与工作原理现代电气控制及PLC应用技术1.PLC的基本组成存储器（Memory）2）用户程序存储器系统区：主要存放CPU的组态数据，例如，输入输出组态、设置输入滤波、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组态等。25中国矿业大学徐海学院2.3PLC的基本组成与工作原理现代电气控制及PLC应用技术1.PLC的基本组成输入、输出单元（Input/OutputUnit）输入、输出单元是可编程序控制器的CPU与现场输入、输出装置或其他外部设备之间的连接接口部件。26中国矿业大学徐海学院2.3PLC的基本组成与工作原理现代电气控制及PLC应用技术1.PLC的基本组成输入、输出单元（Input/OutputUnit）输入单元：将现场的输入信号，经过输入单元接口电路的转换，变换为中央处理器能接受和识别的低电压信号，送给中央处理器进行运算；输出单元：将中央处理器输出的低电压信号变换为控制器件所能接受的电压、电流信号，以驱动信号灯、电磁阀、接触器等。27中国矿业大学徐海学院2.3PLC的基本组成与工作原理现代电气控制及PLC应用技术1.PLC的基本组成输入、输出单元（Input/OutputUnit）所有输入、输出单元均带有光电耦合电路，其目的是把PLC与外部电路隔离开来，以提高PLC的抗干扰能力。为了滤除信号的噪声和便于PLC内部对信号的处理，输入单元还有滤波、电平转换、信号锁存电路；输出单元也有输出锁存器、显示、电平转换、功率放大电路。28中国矿业大学徐海学院2.3PLC的基本组成与工作原理现代电气控制及PLC应用技术1.PLC的基本组成编程设备过去的编程设备一般是编程器，由于其功能简单，使用不便，现在PLC生产厂家不再提供编程器；取而代之的是给用户配置在PC上运行的基于Windows的编程软件。这种编程设备既可以对PLC进行编程，又可以进行运行监控，甚至还可以进行故障诊断。29中国矿业大学徐海学院2.3PLC的基本组成与工作原理现代电气控制及PLC应用技术1.PLC的基本组成电源单元电源单元是PLC的电源供给部分。它的作用是把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。有的电源单元还向外提供24V直流电源，可供开关量输入单元连接的现场无源开关等使用。电源单元还包括掉电保护电路和后备电池电源，以保持RAM在外部电源断电后存储的内容不丢失。30中国矿业大学徐海学院2.3PLC的基本组成与工作原理现代电气控制及PLC应用技术2.PLC的工作原理模拟继电器控制系统的编程方法1）继电器控制系统电气控制电路图中，根据流过电流的大小可分为主电路和控制电路。用PLC替代继电器控制系统就是替代电气控制电路图中的控制电路那部分，而主电路部分基本保持不变。对于继电器控制电路又可分成三个组成部分：输入部分、逻辑部分、输出部分。31中国矿业大学徐海学院2.3PLC的基本组成与工作原理现代电气控制及PLC应用技术2.PLC的工作原理模拟继电器控制系统的编程方法1）继电器控制系统输入部分：由电路中全部输入信号构成，这些输入信号来自被控对象上的各种开关信息，如控制按钮、操作开关、限位开关、光敏管信号等。输出部分：由电路中全部输出元件构成，例如，接触器线圈、电磁阀线圈等执行电器及信号灯。逻辑部分：由各种主令电器、继电器、接触器等电器的触点和导线组成，触点之间以固定方式接线，控制逻辑就编制在硬接线中，这种固化的程序不能灵活变更。32中国矿业大学徐海学院2.3PLC的基本组成与工作原理现代电气控制及PLC应用技术2.PLC的工作原理模拟继电器控制系统的编程方法2）PLC控制系统基于PLC的控制系统，也可分为三部分：输入部分、逻辑部分、输出部分，这与继电器控制系统很相似。33中国矿业大学徐海学院2.3PLC的基本组成与工作原理现代电气控制及PLC应用技术2.PLC的工作原理模拟继电器控制系统的编程方法2）PLC控制系统输入部分、输出部分与继电器控制系统所用的电器大致相同，所不同的是PLC中输入、输出部分多了输入、输出单元，增加了光电耦合、电平转换、功率放大等功能。34中国矿业大学徐海学院2.3PLC的基本组成与工作原理现代电气控制及PLC应用技术2.PLC的工作原理模拟继电器控制系统的编程方法2）PLC控制系统PLC的逻辑部分是由微处理器、存储器组成，由计算机软件替代继电器控制电路，实现“软接线”，可以灵活编程。35中国矿业大学徐海学院2.3PLC的基本组成与工作原理现代电气控制及PLC应用技术2.PLC的工作原理模拟继电器控制系统的编程方法2）PLC控制系统尽管PLC与继电器控制系统的逻辑部分组成元件不同，但在控制系统中所起的逻辑控制条件作用是一致的。因而我们可以把PLC内部看作有许多“软继电器”：如“输入继电器”、“输出继电器”、“中间继电器”、……“时间继电器”等。36中国矿业大学徐海学院2.3PLC的基本组成与工作原理现代电气控制及PLC应用技术2.PLC的工作原理模拟继电器控制系统的编程方法2）PLC控制系统这样，我们就可以模拟继电器控制系统的编程方法，仍然按照设计继电器控制电路的形式来编制程序，这就是梯形图编程方法。梯形图是与继电器控制电路图相呼应的，使用起来非常方便。37中国矿业大学徐海学院2.3PLC的基本组成与工作原理现代电气控制及PLC应用技术2.PLC的工作原理模拟继电器控制系统的编程方法3）

并行工作方式与串行工作方式继电器控制系统是一种“硬件逻辑系统”，如左下图所示，它的三条支路是并行工作的，当按下按钮SF1，中间继电器KF得电，KF的两个触点闭合，接触器QAI、QA2同时得电并产生动作，所以继电器控制系统采用的是并行工作方式。PLC是一种工业控制计算机，它的工作原理是建立在计算机工作原理基础之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的，如右下图所示，CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器的动作，所以它属于串行工作方式。38中国矿业大学徐海学院2.3PLC的基本组成与工作原理现代电气控制及PLC应用技术2.PLC的工作原理建立I/O映像区在PLC存储器内开辟了I/O映像区。对于系统的一个输入点总有输入映像区的某一位与之相对应。对于系统的每一个输出点都有输出映像区的某一位与之相对应。系统的输入、输出点的编址号与I/O映像区的映像寄存器地址号相对应。39中国矿业大学徐海学院2.3PLC的基本组成与工作原理现代电气控制及PLC应用技术2.PLC的工作原理建立I/O映像区PLC工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映像区对应的位上；将运算的结果存放到输出映像区对应的位上。PLC在执行用户程序时所需“输入继电器”、“输出继电器”的数据取用于I/O映像区，而不直接访问外部设备。40中国矿业大学徐海学院2.3PLC的基本组成与工作原理现代电气控制及PLC应用技术2.PLC的工作原理建立I/O映像区I/O映像区的建立，使PLC工作时只和内存有关地址单元内所存信息状态发生联系，而系统输出也是只给内存某一地址单元设定一个状态。这样不仅加快程序执行速度，而且还使控制系统与外界隔开，提高了系统的抗干扰能力