1、可编程控制器可编程控制器可编程控制器可编程控制器 教材：可编程控制器原理及应用(第2版) 宫淑贞 徐世许 人民邮电出版社 2009.4参考书：PLC电气控制-CPM1A系列和S7-200 夏田 陈婵娟 等 化学工业出版社 2008.2可编程控制器原理及应用实例 张进秋等 机械工业出版社 2003 1.1 PLC的产生、命名与发展的产生、命名与发展第一章第一章 可编程序控制器的基础知识可编程序控制器的基础知识 1.2 PLC的特点与应用的特点与应用 1.3 PLC的基本组成与各部分的作用的基本组成与各部分的作用1.4 PLC的工作原理的工作原理1.5 PLC的编程语言的编程语言 1.6 PLC的
2、性能指标与分类的性能指标与分类第一节第一节 可编程序控制器可编程序控制器(PLC)的出现、命名与的出现、命名与发展发展 1、可编程序控制器、可编程序控制器(PLC)的出现的出现 在PLC出现以前，继电器控制得以广泛应用，曾在工业界占主导地位。其明显缺点是：体积大、可靠性低、查找故障困难，特别是它接线复杂对工艺变化适应性差。这样汽车的每次改型都必须对继电器控制重新设计和安装。 20世纪60年代初，美国的汽车制造业竞争激烈，产品更新换代的周期越来越短，其生产线必须随之频繁的变更。这使得继电器控制装置要经常的重新设计，十分费时、费力、费工、费料，延长了开发周期。 1968年，美国最大的汽车制造商通用
3、汽车公司(GM) 为了用新的控制装置取代继电器控制装置通用汽车公司在公开招标中提出了十项招标指标 (1)编程方便，现场可修改程序；编程方便，现场可修改程序； (2)维修方便，采用模块化结构；维修方便，采用模块化结构； (3)可靠性高于继电器控制装置；可靠性高于继电器控制装置； (4)体积小于继电器控制装置；体积小于继电器控制装置； (5)数据可直接送入计算机；数据可直接送入计算机； (6)成本可与继电器控制装置竞争；成本可与继电器控制装置竞争； (7)可直接用可直接用115V交流输入；交流输入； (8)输出为输出为115v，2A以上，能直接驱动以上，能直接驱动 电磁阀、电磁阀、 接触器等接触器
4、等 (9)通用性强，要能扩展；通用性强，要能扩展； (10)用户程序存储器容量可扩展到用户程序存储器容量可扩展到4KB。 这实际上是为未来可编程控制器勾画出了一个基本轮廓。1969年美国数字设备公司（DEC）根据招标要求，设计出世界上第一台可编程控制器（当时简称PLC：可编程逻辑控制器），仅具有逻辑控制、定时、计数等功能。20世纪70年代，微控制技术应用到PLC中，使其又具有了运算、数据传输和处理功能。后来经过不断发展功能日趋成熟。2、可编程序控制器、可编程序控制器(PLC)的命名和定的命名和定义义 可编程控制器是以计算机为基础的新型工业控制装饰，被国际电工委员会（IEC）命名为：progra
5、mmable controller,因而许多厂商和论文都称其为PC。 1980年，美国电气制造协会（NEMC）正式将其命名为可编程控制器（ programmable controller -PC ）。 后来，由于与个人计算机（personal computer-PC）名字相同，产生混淆，大家又沿用“PLC”这个名称。习惯而已，从功能上讲早已不是原来意义上的PLC。在PLC发展过程中，曾出现以下不同的名称： 可编程矩阵控制器（programmable matrix controller, PMC) 可编程顺序控制器（programmable sequence controller, PSC) 可
6、编程逻辑控制器（programmable logic controller, PLC) 国际电工委员会(IEC)曾于1982年11月颁布了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月又发表了第二稿，1987年2月颁布了第三稿该草案中对可编程控制器的定义是： 可编程控制器是可编程控制器是一种进行数字运算的电一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器它采用了可编程序的存储器，用工业控制器它采用了可编程序的存储器，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
7、时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型机字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。械的生产过程。 可编程控制器及其有关外围设备，都按易可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。的原则设计。3、可编程序控制器、可编程序控制器(PLC)的发展及趋的发展及趋势势3.1 可编程序控制器可编程序控制器(PLC)的发展状况的发展状况 1969年美国制造出第一台PLC，其后，日、德、法相继研制出。20世纪70年代PLC进入实用化阶段，功能并不断完善；80年代为成熟阶段，向
8、大规模、高速度、高性能方向发展，产品系列化。 美国美国发展最快，著名的制造商有：艾伦-布拉德利公司、莫迪康公司、GE公司、德州仪器公司、西屋电气公司。 欧洲有：西门子、AEG、BBC（德）；TE、LSTOM（法）；Selectron公司（瑞士）。 日本有：欧姆龙、三菱电机、富士电机、东芝、日立、松下电工。 第一代：第一代：从第一台可编程序控制器诞生到从第一台可编程序控制器诞生到70年代初期年代初期。 第二代：第二代：7070年代初期到年代初期到7070年代末期年代末期 第三代：第三代：7070年代末期到年代末期到8080年代中期年代中期 第四代：第四代：8080年代中期到年代中期到9090年代
9、中期年代中期 第五代：第五代：9090年代中期至今年代中期至今 我国70年代末、80年代初引进PLC，80年代中期于各行业广泛应用，后来也有PLC生产厂商，规模不大，多为合资或技术引进。发展历程：发展历程：3.2 可编程序控制器可编程序控制器(PLC)的发展趋势的发展趋势 小型小型PLCPLC向体积缩小、功能增强、速度向体积缩小、功能增强、速度加快、价格低廉的方向发展，使之能更加加快、价格低廉的方向发展，使之能更加广泛地取代继电器控制广泛地取代继电器控制。 大中型大中型PLCPLC向大容量、高可靠性、高速度、向大容量、高可靠性、高速度、多功能、网络化、智能化的方向发展，使之多功能、网络化、智能
10、化的方向发展，使之能对大规模、复杂系统进行综合性的自动控能对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制制 四大发展趋势：四大发展趋势：高速度、大容量方向发展高速度、大容量方向发展。多品种方向发展和提高可靠性多品种方向发展和提高可靠性。特别是向超大型和超小型方向发展。产品更加规范化、标准化产品更加规范化、标准化。现有PLC严重缺点是软硬件系统结构的封闭性，用户将促进PLC生产厂商做成兼容的PLC产品。发展分散型、智能型发展分散型、智能型I/O系统，发展与现场总线系统，发展与现场总线兼容的兼容的I/O系统。系统。第二节第二节 可编程序控制器可编程序控制器(PLC)的特点与应用的特点与应用1、PLC的特点
11、的特点 3）编程语言简单易学4）PLC与外部设备的连接简单、使用方便5）PLC的功能强、功能的扩展能力强6）PLC控制系统的设计、调试周期短7）PLC体积小、重量轻、易于实现机电一体化可靠性高、抗干扰能力强 PLC的平均故障间隔时间可达几十万小时。 PLC的循环扫描工作方式能在很大程度上减少软故障的发生 PLC采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施 编程简单、使用方便 PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，这是一种面向生产、面向用户的编程方式，与常用的微机语言相比形象直观、容易被操作人员所接受并掌握，不需要专门的计算机知识。还可现场操作改变程序，使用方便、灵活。2 2、PLC的应用的应用 (
12、1) 开关量的逻辑控制 (2) 位置控制 (3) 过程控制 (4) 数据处理 (5)通信联网 (6)在计算机集成制造系统(CIMS) 中的应用 除了其良好的综合设计（综合考虑整体的可靠性）、选用优质器件和先进电源以及先进的制造工艺外还具体： 硬件方面硬件方面： 光电隔离措施有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响，同时还可以 防止外部高电压进入CPU模块 滤波对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，可消除或抑制高频干扰 屏蔽可减弱空间电磁干扰。联锁保护、自诊断电路等 软件方面：软件方面：设置故障检测与诊断程序 当软故障条件出现时，立即把现状态重要信息存入指定 存储器，软硬件配合封闭存储器，禁止对存
13、储器进行任何 不稳定的读写操作，以防存储信息被冲掉这样，一旦外 界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来 的程序工作提高可靠性的措施： 第三节第三节 可编程序控制器可编程序控制器(PLC)的基本组成及各的基本组成及各部分的作用部分的作用1、 PLC的基本组成的基本组成 PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同. PLC种类繁多,但结构和工作原理大同小异,一般由中央处理单元(CPU)、存储器、输入/输出单元、编程器、电源等部分组成，入图所示：中央处理单元中央处理单元(CPU)是是PLC的控制中枢，类似于人的大脑。根据的控制中枢，类似于人的大脑。根据PLC
14、的预定指令完成各种任务。的预定指令完成各种任务。CPU可以完成以下任务：可以完成以下任务：2、 中央处理单元（中央处理单元（CPU）3、存储器存储器PLCPLC存储器分为三部分：存储器分为三部分：系统程序存储器 在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、的系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该接存取。它和硬件一起决定了该PLC
15、的性能。的性能。用户程序存储器 主要用来存储用户编写的程序，输入输出状态、计主要用来存储用户编写的程序，输入输出状态、计数、计时值以及系统运行必要的初始值。一般用户程序经常变动，所数、计时值以及系统运行必要的初始值。一般用户程序经常变动，所以程序必须可读写，一般还要后备电池进行掉电保护。也有更先进的以程序必须可读写，一般还要后备电池进行掉电保护。也有更先进的PLC采用随时可读写的快闪存储器作为用户程序存储器，它一般不需采用随时可读写的快闪存储器作为用户程序存储器，它一般不需要后备电源。要后备电源。工作数据存储器 用来存储工作数据的，因为工作数据也要经常变动，用来存储工作数据的，因为工作数据也要
16、经常变动，故它也要求可读写。工作数据开辟有元件映象存储器和数据表。元件故它也要求可读写。工作数据开辟有元件映象存储器和数据表。元件映象寄存器用来存储开关量输入映象寄存器用来存储开关量输入/输出状态，以及定时器、计数器、输出状态，以及定时器、计数器、辅助继电器等内部器件的状态。数据表用来辅助继电器等内部器件的状态。数据表用来 存储各种数据，如用户程存储各种数据，如用户程序执行时的某些变参数值、序执行时的某些变参数值、A/D转换的结果、运算结果。转换的结果、运算结果。4、输入输入/输出单元输出单元 4.1开关量输入单元 输入单元输入单元接收操作指令和现场的状态信息，如控制按钮、操作开关和限位开关、
17、光电管、继电器触点、行程开关、接近开关等信号，并通过输入电路的滤波、光电隔离和电平转换等将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。 直流输入直流输入交流输入交流输入汇点式分组式分隔式4.1.1直流输入单元直流输入单元工作原理：工作原理：S闭合时S断开时 S闭合，LED亮表示接通。光耦合器T导通，A点高电平，经滤波电路送入内部电路。当CPU程序访问该路信号时，该点对应的输入映射寄存器的状态为1；相反为0。4.1.2交流输入单元交流输入单元工作原理与直流输入电路基本相同。工作原理与直流输入电路基本相同。(汇点式汇点式) (分组式分组式) (分隔式分隔式) 4.2开关量输出单元 输出单元将CPU送
18、出的弱电控制信号通过输出电路的光电隔离和功率放大等转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀、电磁铁等执行元件。汇点式分组式分隔式4.2.1晶体管输出单元晶体管输出单元晶体管无触点开关，其使用寿命长，响应速度快。4.2.2双向晶闸管输出单元双向晶闸管输出单元负载电源可根据需要选择直流或交流。4.2.3继电器输出单元继电器输出单元负载可直流或交流。但是由于继电器使用寿命为1030万次，因此频繁通断场合（高频脉冲）应该选用晶体管或晶闸管。PLC内部输出电路5、电源电源*开关式稳压电源输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。PLCPLC一般配有一般配有开关式稳压电源6、编程器编
19、程器专用编程器专用编程器 图形编程器图形编程器简易编程器简易编程器计算机辅助编程计算机辅助编程 不能输入梯形图程序，只能输入语句表程序可直接输入梯形图程序。利用计算机，通过硬件接口和专用软件包，使用户直接在计算机上编程。既可以用梯形图也可以用助记符编程，具有很强的监控能力。是近几年的发展新趋势，大大提高了程序编写和调试的效率第四节第四节 可编程序控制器可编程序控制器(PLC)的工作原理的工作原理 PLCPLC控制控制程序控制 在可编程序控制器构成的控制系统中，在可编程序控制器构成的控制系统中，支配控制系统工作的程序存放在存储器支配控制系统工作的程序存放在存储器中，利用程序来实现控制逻辑，完成控
20、中，利用程序来实现控制逻辑，完成控制任务。制任务。 PLC是一种微机控制系统，其工作原理也与微机相同，但在应用时，可不必用计算机的概念去做深入的了解，只需将它看成是由普通的继电器、定时器、计数器、移位器等组成的装置，从而把PLC等效成输入、输出和内部控制电路三部分， 1）输入部分）输入部分 作用：作用：接受被控设备的信息或操作命令等外部输入信息。接受被控设备的信息或操作命令等外部输入信息。2）内部控制电路）内部控制电路 作用：作用： 运算和处理由输入部分得到的信息，运算和处理由输入部分得到的信息，并判断应产生哪些输出。并判断应产生哪些输出。3）输出部分）输出部分 作用：作用：驱动外部负载。驱动
21、外部负载。 机电控制系统机电控制系统循环扫描工作方式循环扫描工作方式微机原理微机原理PLC的工作过程是周期性的循环扫描的工作过程。每一个循环称为一个每一个循环称为一个扫描周期扫描周期。一个扫描周期中除了执行指令外，还有一个扫描周期中除了执行指令外，还有I/OI/O刷新、故障诊断等操作。刷新、故障诊断等操作。PLC的循环扫描工作方式的循环扫描工作方式输出刷新输出刷新：将输出继电器的元件映象寄存器的状态传送到相应的输出锁存电路，再经输出电路的隔离和功率放大部分传送到PLC的输出端，驱动外部（负载）执行元件动作。I/O刷新阶段：刷新阶段：输入刷新：输入刷新：CPU从输入电路中读出各输入点状态，并将此
22、状态写入输入映象寄存器中, 刷新输入映象寄存器的内容。程序执行阶段：程序执行阶段： CPU按先左后右，先上后下的顺序对每条指令进行逐条调出并解释、执行，CPU从输入映象寄存器和元件映象寄存器中读出各继电器的状态，根据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算，运算结果再写入元件映象寄存器中。 第五节第五节 可编程序控制器可编程序控制器(PLC)的编程语言的编程语言 一、梯形图梯形图二、语句表语句表三、逻辑功能图逻辑功能图 四、逻辑方程式或布尔代数式逻辑方程式或布尔代数式 一、梯形图梯形图物理继电器PLC继电器二、语句表二、语句表语句表是一种与汇编语言类似的助记符编程表达式。语句表是一种与汇编语言类似的
23、助记符编程表达式。 LD 00000 (表示逻辑操作开始,常开触点与母线连接) OR 01000 (表示常开触点并联)ANDNOT 00001 (表示常闭触点串联) OUT 01000 (表示输出) 例：例：语句表与梯形图是一一对应关系；语句表与梯形图是一一对应关系；语句表将梯形图控制语句表将梯形图控制逻辑描述出来，并通过编程器输入到机器中去逻辑描述出来，并通过编程器输入到机器中去。 三、逻辑功能图逻辑功能图 逻辑功能图用“与”、“或”、“非”等逻辑功能来表达控制功能 四、四、 逻辑方程式或布尔代数式逻辑方程式或布尔代数式 01000=(00000+01000)01000=(00000+010
24、00)/00001/00001 第六节第六节 可编程序控制器可编程序控制器(PLC)性能指标和分类性能指标和分类 1 1、PLCPLC的性能指标的性能指标1.)I/O1.)I/O点数点数输入、输出端子的个数输入、输出端子的个数 2.) 2.)用户程序存储器容量用户程序存储器容量决定了决定了PLCPLC可以可以容纳用户程序的长短，一般以字为单位来计算容纳用户程序的长短，一般以字为单位来计算。 中、小型中、小型PCPC的存储容量一般在的存储容量一般在8K8K以下，大型以下，大型PCPC的的存储容量达到存储容量达到256K256K2M2M。 3.)3.)扫描速度扫描速度扫描速度是指扫描速度是指PLC
25、PLC执行程序执行程序的速度，是衡量的速度，是衡量PLCPLC控制速度的重要指标控制速度的重要指标。 以以ms/Kms/K字为单位表示，例如字为单位表示，例如20ms/K20ms/K字，表示扫字，表示扫描描1K1K字的用户程序所需要的时间为字的用户程序所需要的时间为20ms20ms。 4.) 4.)指令种类及条数指令种类及条数 5.) 5.)内部器件的种类和数量内部器件的种类和数量 包括辅助继电器、定时器、计数器、保持包括辅助继电器、定时器、计数器、保持继电器、特殊辅助继电器、数据存储器等等。继电器、特殊辅助继电器、数据存储器等等。 6 6.)7.)2 2、PLCPLC的分类的分类2.1 2.
26、1 按结构分类按结构分类 1)1)整体式整体式PLCPLC 结构：结构： 特点：特点：结构紧凑、体积小，重量轻、价格低，输入、输出点数固定，实现的功能和控制规模固定，灵活性较低。小型PLC常采用这种结构，适应于工业生产中的单机控制。 2) 2)组合式（或模块式）组合式（或模块式）PLCPLC 结构结构： 特点特点: : PLC各部分分成若干个模块，如电源模块、I/O模块等。系统配置灵活，可构成具有不同控制规模和功能的PLC，但它的价格较高。一般大、中型PLC采用这种结构。 2.2 2.2 按控制规模分类按控制规模分类 PLCPLC大致可分为微型机、小型机、中大致可分为微型机、小型机、中型机及大
27、型机、超大型机型机及大型机、超大型机。1 1）微型机）微型机OMRON公司的公司的SP系列系列2 2）小型机）小型机OMRON公司的公司的CPM1A、CQM系列系列松下公司的松下公司的FP1系列系列3 3）中型机）中型机4 4）大型）大型机机5 5）超大型机）超大型机 控制点数可达上万点，甚至于几万点. 美国美国GEGE公司公司的的90907070机，其机，其点数可达点数可达2400024000点，另外还有点，另外还有80008000路的模拟量。路的模拟量。 2.32.3按生产厂家分类按生产厂家分类 德国西门子公司德国西门子公司 美国美国GEGE公司公司日本三菱公司日本三菱公司 日本日本OMRONOMRON公司公司法国施耐得公司法国施耐得公司 日本日立公司日本日立公司日本松下电工公司日本松下电工公司 美国美国ROCKWELLROCKWELL公司公司日本东芝公司日本东芝公司日本富士公司日本富士公司
