第01讲-可编程序控制器的基础-概述

1、可编程控制器原理及应用,电信学院自动化2009年8月,2,可编程控制器原理及应用第1讲,讲解内容：1.PLC基础、组成、原理PLC的由来PLC的功能、特点与分类PLC的应用状况和发展趋势学习说明：本讲是学习PLC的基础知识。重点掌握：PLC的产生、定义、发展过程、特点、功能、使用方法及PLC的应用状况和发展趋势。,3,什么是PLC？,1.PLC基础、组成、原理,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ProgrammableLo

2、gicController，简称PLC。,4,继电器控制系统存在的缺点(主要是线路复杂)：1.继电器控制线路是接线开关电路，实现控制的程序就在线路接法的本身，线路一旦确定，难以调整和更改，不能适应当前快速的技术进步和产品更新的要求。2.输出响应时间长，不能适应生产自动化程度不断提高的要求。3.控制要求复杂时，继电器控制系统将变得十分庞大笨重，难以实现。因此随着科学技术的发展，人们在不断探求着实现开关量控制的新途径。,PLC的由来,一、产生,5,PLC控制系统比电气控制系统好得多,控制方法上：硬：软工作方式上：并行工作方式：串行工作方式控制速度上：速度慢：快定时和计数控制上：精度低：高可靠性和可

3、维护性上：可靠性低：高,电气控制:PLC控制,6,1968年美国通用汽车公司GM：适应汽车型号的不断更新；生产工艺不断变化的需要；小批量、多品种生产。尽可能减少重新设计；尽可能减少更换继电器控制系统及接线；降低成本，缩短周期。,PLC产生的背景,7,1968年，GM公司提出十项设计标准招标：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。,8,这次

4、招标引起了工业界的密切注视，吸引了不少大公司前来投标，最后DEC公司(美国数字设备公司)一举中标，并于1969年研制成功第一台PC，当时命名为PC(ProgrammableController)。这台PLC投运到汽车生产线后，取得了极为满意的效果，引发了效仿的热潮，从此PLC技术得以迅猛的发展。,9,严格地讲，至今对PLC没有最终的定义。国际电工委员会（IEC）1985年在可编程序控制器标准草案（第二稿）中作了如下的定义：“可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境条件下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在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

5、过数字式、模拟式的输入输出，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设备都应按易于使工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。”美国电气制造协会（NEMA）1987年作的定义如下：“它是一种带有指令存储器、数字或模拟I/O接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运算功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置。”IEC(国际电工委员会)在标准草案中，将这种装置定义为可编程序控制器(ProgrammableController)，简称PC。为了避免同个人计算机混淆，现在一般将可编程序控制器简称PLC（ProgrammableLogicController）。,二

6、、定义,10,可编程控制器与微机的比较,学习难易程度不同PLC继承了继电器系统的基本格式和习惯，对于有继电器控制经验的人，学习起来容易。微机需要更多的知识储备。通用性不同PLC一般是由电气控制器的制造厂家研制生产，各厂家的产品不通用。微机是由通用计算机推广应用发展起来的，标准化程序高，兼容性强。运行方式不同PLC不能直接使用微机的许多软件。PLC一般具有模块结构，可针对不同对象进行组合和扩展。微机可使用通用微机的各种编程语言，对要求快速，实时性强、模型复杂的工业对象的控制占有优势，但它要求使用者具有一定计算机专业知识。相同点：PLC和微机都是专为工业现场应用环境而设计的，都具有很高的可靠性。,

7、三、关于PLC的几个比较,11,可编程控制与继电接触器控制的比较,继电器控制系统是针对一定的生产机械、固定的生产工艺设计的，采用硬接线方式装配而成，只能完成既定的逻辑控制、定时、计数等功能，一旦生产工艺过程改变，则控制柜必须重新设计，重新配线。传统的继电器控制系统被PLC所取代已是必然趋势。而PLC由于应用了微电子技术和计算机技术，各种控制功能都是通过软件来实现的，只要改变程序并改动少量的接线端子，就可适应生产工艺的改变。从适应性、可靠性、安装维护等各方面比较，PLC都有显著的优势。因此，PLC控制系统将取代大多数传统的继电器控制系统。,12,可编程控制与继电接触器控制的比较（续）,控制逻辑不

8、同PLC为“软接线”技术，继电为硬接线逻辑。控制逻辑方面PLC：同一个器件的线圈和它的各触点动作不同时发生。继电：同一继电器的所有触点与线圈通电或断电同时发生控制速度PLC：速度极快；继电：速度慢定时/计数PLC定时精度高，范围大，有计数功能，继电：定时精度不高，范围小，无计数功能设计与施工PLC：现场施工与程序设计同步进行，周期短，调试和维修方便。继电：设计、现场施工、调试必须依次进行，周期长，而且修改困难可靠性和维护性PLC连线少，使用方便，并具有自诊断作用等价格PLC：贵（长远利益）继电：便宜（短期利益）,13,继电-接触器控制与PLC控制原理图的比较,主电路原理图相同,PLC控制原理图

9、原理图,继电-接触器控制原理图,14,继电-接触器控制线路,PLC控制（梯形图）,继电-接触器控制与PLC控制控制图的比较,15,继电-接触器控制与PLC控制实际控制的比较A继电-接触器控制直接控制（起保停）,16,继电-接触器控制与PLC控制实际控制的比较BPLC控制连续控制（起保停）,17,继电-接触器控制与PLC控制实际控制的比较A继电-接触器控制正反转控制电路,18,继电-接触器控制与PLC控制实际控制的比较BPLC控制正反转控制电路,19,第一阶段：初级阶段（1969至70年代中期）主要是逻辑运算、定时和计数功能，没有形成系列。与继电器控制相比，可靠性有一定提高。CPU由中小规模集成

10、电路组成，存储器为磁芯存储器。第二阶段：扩展阶段（70年代中期至末期）PLC产品的控制功能得到很大扩展，包括数据的传送、数据的比较和运算、模拟量的运算等功能。增加了数字运算功能，能完成模拟量的控制。开始具备自诊断功能，存储器采用EPROM。,四、PLC的发展过程,20,第三阶段：通信阶段（70年代中末期至80年代中期）PLC随着计算机通信的发展，形成了分布式通信网络。PLC就已经从汽车行业迅速扩展到其它行业，作为继电器的替代品进入了食品、饮料、金属加工、制造和造纸等多个行业。代表产品有西门子公司的SIMATICS5系列（见图），富士的MICRO等，这类PLC部分仍在使用。,图SIMATICS5

11、PLC,21,第四阶段：开放阶段（80年代中期至今）通信系统开放，使各制造厂商的产品可以通信，通信协议开始标准化，使用户得益。PLC开始采用标准化软件系统，并完成了编程语言标准化工作。代表产品有西门子公司的S7，AB公司的SLC500等。,图S7-200系列、AB-SLC500系列PLC,22,PLC的功能、特点与分类一、主要功能(7个),1.开关逻辑和顺序控制这是PLC应用最广泛、最基本的场合。它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种控制要求。,2.模拟控制（A/D和D/A控制）在工业生产过程中，许多连续变化的需要进行控制的物理量，如温度、压力、流量、液位等，这些都

12、属于模拟量。过去，PLC长于逻辑运算控制，对于模拟量的控制主要靠仪表或分布式控制系统，目前大部分PLC产品都具备处理这类模拟量的功能，而且编程和使用方便。,3.定时/计数控制PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时器与计数器。对于定时器，定时间隔可以由用户加以设定；对于计数器，如果需要对频率较高的信号进行计数，则可以选择高速计数器。,23,4.步进控制PLC为用户提供了一定数量的移位寄存器，用移位寄存器可方便地完成步进控制功能。5.运动控制在机械加工行业，可编程序控制器与计算机数控（CNC）集成在一起，用以完成机床的运动控制。6.数据处理大部分PLC都具有不同程度的数

13、据处理能力，它不仅能进行算术运算、数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等操作，有些PLC还可以进行浮点运算和函数运算。7.通信联网PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机（集散控制系统等）以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。,24,二、可编程控制器的特点,编程方法简单易学。（有规律性）功能强，性能价格比高。（性价比高）通用性强，控制程序可变。（通用性）硬件配套齐全，用户使用方便。（适应性强）可靠性高。（抗干扰能力强：硬件、软件）系统的设计、安装、调试工作量少维护工作量小，维修方便体积小，能耗低成本低，水平高,25

14、,按I/O点数分小型PLCI/O点数为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PLCI/O点数为256点以上、2048点以下的为中型PLC大型PLCI/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）,三、可编程控制器的类型,目前PLC的种类非常多，型号和规格也不统一，了解PLC的分类有助于PLC的选型和应用。,26,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。,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

15、（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。,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。,27,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

16、、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。,28,PLC的应用状况和发展趋势一、应用状况,PLC自问世以来，经30多年的发展，在工业发达国家(如美、日、德等)已成为重要的产业之一，生产厂家不断涌现，PLC的品种多达几百种。国内应用始于80年代。一些大中型工程项目引进的生产流水线上采用了PLC控制系统，使用后取得了明显的经济效益，从而促进了国内PLC的发展和应用。目前国内PL

17、C的应用已取得了许多成功的经验和成果，证明了PLC是大有发展前途的工业控制装置，它与DCS、计算机网络系统相互集成、互相补充而形成的综合系统将得到更加广泛的应用。,29,我国PLC的生产厂家主要是80年代涌现出来的，靠技术引进、转让、合资等方式进行生产，目前约有十几家,表4-1我国PLC的生产厂家及生产的PLC型号（不全）,30,日本：立石(OMRON)、三菱、日立、夏普、松下、东芝、富士、安川、横河、光洋(Koyo)等公司。,国内流行的PLC多是国外产品，主要有：,美国：AB(AllenBradley)、GM(GouldModicon)、GE(GE-Fanuc)、SquareD、西屋(Wes

18、tingHouse)、TI仪器(Texas,Instruments德洲仪器)等公司。,德国：西门子（Siemens）、BBC、AEG等公司。,法国：TE(Telemecanique)公司等。,目前国内市场还有韩国、台湾等PLC产品,31,其中美国的A-B、GE-Fanuc、Modicon，德国的西门子，法国的TE，日本的三菱、立石(OMRON)等7家公司，在所有PLC制造厂中占有主导地位。这7家公司占有着全世界PLC市场80%以上的份额。,小型PLC日本各厂家占领的市场份额最大，其结构型式的优点也较为突出，故其他国家小型PLC的结构形式也都向日本看齐。大、中型PLC市场份额的90%一直被美、日

19、、欧三家占领，具有三足鼎立之势，近年来日本稍有颓势。,市场占领,32,整体式,紧凑式,模块式,图例：西门子S7系列,33,整体式,整体式,整体式,模块式,图例：三菱PLC,34,图例：欧姆龙PLC,35,图例：ABSLC500,36,二、PLC的应用领域：,目前，PLC在国内外已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格比的不断提高，其应用领域不断扩大。从PLC应用类型看，大致可归纳为以下几个方面：开关量逻辑控制、运动控制、过程控制（PID闭环控制）、数据处理、通信联网（构成DCS、FCS系统）。PLC的应用范围已从传统的产业设备和

20、机械的自动控制，扩展到以下应用领域：中小型过程控制系统、远程维护服务系统、节能监视控制系统，以及与生活相关的机器、与环境相关的机器，而且有急速的上升趋势。注：DCS：集散控制系统；FCS：现场总线控制系统,37,38,传送带生产线控制,灌装及包装机械,木材加工,电梯控制,空调控制,纺织机械,印刷机械,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,随着PLC技术的推广、应用，PLC将向两个方面发展：一方面向着大型化的方向发展，另一方面则向着小型化的方向发展。,三、发展趋势,PLC向大型化方向发展，主要表现在大中型PLC高功能、大容量、智能化、网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系

21、统，对大规模、复杂系统进行综合的自动控制。,PLC向小型化方向发展，主要表现在下列几个方面：为了减小体积、降低成本，向高性能的整体型发展。,49,高性能、高速度、大容量方向发展为了提高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。,50,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

22、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。,51,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%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。,52,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。,53,小结：通过本讲的学习，重点掌握PLC的产生、定义、发展过