1、1第九章第九章 可编程序控制器可编程序控制器（PLCPLC，PCPC）PLCPLC的构成及原理的构成及原理 PLCPLC的基本指令系统的基本指令系统 PLCPLC的基本控制环节的基本控制环节 PLCPLC控制系统的设计控制系统的设计2M M33A A B B C C KM KMFUFUQSQS FR FRKMKMSB1SB1SB2SB2KMKMY0Y0X1X1X0X0Y0Y0X1X1SB2SB2SB1SB124V24VX0X0输入部分逻辑控制输出部分 KMKM220220V VY0Y0X1X1X0X0COMCOMY0Y0COMCOM KMKMSB2SB2SB1SB1220V220V24V24V
2、34可编程序控制器5可编程序控制器可编程序控制器(PLC)(PLC)的出现的出现 可编程控制器因早期主要应用于可编程控制器因早期主要应用于开关量的逻辑控制开关量的逻辑控制，故，故其最初被称为可编程逻辑控制器其最初被称为可编程逻辑控制器 (Programmable Logic(Programmable Logic Controller)Controller)，简称，简称PLC PLC。现代现代的可编程控制器的可编程控制器(Programmable Controller)(Programmable Controller)已发展已发展到到以微处理器为基础以微处理器为基础、高度集成化的工业控制装置，它
3、是计、高度集成化的工业控制装置，它是计算机技术与工业控制技术相结合的控制设备。算机技术与工业控制技术相结合的控制设备。6 1968 1968年，美国最大的汽车制造商年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司通用汽车公司(GM)(GM)为了为了用新的控制装置取代继电器控制装置用新的控制装置取代继电器控制装置,在在公开招标公开招标中提出了中提出了十项招标指标十项招标指标:(1)(1)编程方便，现场可修改程序；编程方便，现场可修改程序；(2)(2)维修方便，采用模块化结构；维修方便，采用模块化结构；(3)(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)(4)体积小于继电器控制装置；体积小于
4、继电器控制装置；(5)(5)数据可直接送入管理计算机；数据可直接送入管理计算机；(6)(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)(7)可直接用可直接用115V115V交流输入；交流输入；(8)(8)输出为输出为115v115v，2A2A以上，能直接驱动电磁阀、接触器等以上，能直接驱动电磁阀、接触器等 (9)(9)通用性强，要能扩展；通用性强，要能扩展；(10)(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4KB4KB。7 1969 1969年，年，美国数字设备公司美国数字设备公司(DEC)(DEC)研制研制成功第一台成功第一台PLC,PLC,应用于美国通
5、用汽车自动装配应用于美国通用汽车自动装配线上，取得了极大的成功。线上，取得了极大的成功。8可编程序控制器的定义可编程序控制器的定义 国际电工委员会国际电工委员会(IEC)(IEC)曾于曾于19821982年年1111月颁布了可编月颁布了可编程控制器标准草案第一稿，程控制器标准草案第一稿，19851985年年1 1月又发表了第二稿，月又发表了第二稿，19871987年年2 2月颁布了第三稿该草案中对可编程控制器的月颁布了第三稿该草案中对可编程控制器的定义是：定义是：可编程控制器是一种可编程控制器是一种进行数字运算进行数字运算的电子系的电子系统，是专为在统，是专为在工业环境下的应用工业环境下的应用
6、而设计的工业控而设计的工业控制器它采用了可编程序的存储器，用来在其内制器它采用了可编程序的存储器，用来在其内部部存储指令、执行逻辑运算、顺序控制、定时、存储指令、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程过程 可编程控制器及其有关外围设备都按易于与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、易于扩充其功能的原则工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计设计9可编程序控制器的发展过程可编程序控制器的发展过程 第一代：第
7、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7070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 101112可编程序控制器的发展趋势可编程序控制器的发展趋势 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
8、中型大中型PLCPLC向大容量、高可靠性、高速度、多功向大容量、高可靠性、高速度、多功能、网络化的方向发展，使之能对大规模、复杂系能、网络化的方向发展，使之能对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制统进行综合性的自动控制 13PLCPLC的特点的特点 控制功能强大（控制功能强大（可以控制开关量、数字量、可以控制开关量、数字量、模拟量模拟量等等），），也可实现开环控制和闭环控制也可实现开环控制和闭环控制 程序功能强大（支持程序控制的子程序、循环、跳转、多程序功能强大（支持程序控制的子程序、循环、跳转、多任务、中断等）任务、中断等）网络功能（可以支持各种工业控制网络、现场总线甚至网络功能（可以支持各
9、种工业控制网络、现场总线甚至TCP/IPTCP/IP等）等）完善的自诊断、报警、监控功能完善的自诊断、报警、监控功能14可编程序控制器的应用可编程序控制器的应用 (1)(1)开关量的逻辑控制开关量的逻辑控制(2)(2)位置控制位置控制 (3)(3)过程控制过程控制(4)(4)数据处理数据处理(5)(5)通信联网通信联网 (6)(6)在计算机集成制造系统在计算机集成制造系统(CIMS)(CIMS)中的应用中的应用 15可编程序控制器可编程序控制器(PLC)(PLC)的应用的应用 16171819第一章第一章20第一章第一章211.1.按结构分类按结构分类 1)1)整体式整体式PLCPLC 结构：
10、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。PLCPLC的分类的分类222324 2)2)组合式组合式PLCPLC 结构结构：特点特点: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。252627 2.2.按控制规模分类按控制规模分类 PLC PLC大致可分为微型机、小型机、中型机及大致可分为微型机、小型机、中型机及大型机、超大型机大型机、超大型机。1 1）微型机）微型机(小于小于6464点）点）OMRON公司的公司的SP系
11、列系列28 2.2.按控制规模分类按控制规模分类 2 2）小型机）小型机（小于（小于256256点）点）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293 3）中型机）中型机（小于（小于20482048点）点）OMRON公司的公司的C200H西门子公司的西门子公司的S7-300304 4）大型机（）大型机（大于大于20482048点）点）OMRON公司的公司的C1000H松下公司的松下公司的FP3COMRON公司的公司的2000H315 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
12、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。32OMRON公司公司CQM系列系列33松下松下 FP1系列系列3435OMRON公司的公司的C1000H36COMRON公司的公司的2000H373839 2.2.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409.1
13、 PLC9.1 PLC的基本结构、工作原理的基本结构、工作原理一、一、PLCPLC的基本结构的基本结构 PLCPLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬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件结构基本上与微型计算机相同.413)3)位片式微处理器，也称布尔处理器。位片式微处理器，也称布尔处理器。PLCPLC使用的使用的CPUCPU主要有以下几种：主要有以下几种：1)1)通用微处理器，如通用微处理器，如80808080、68006800、Z80AZ80A、80868086等等2)2)单片机，如单片机，如80518051等等。位片式微处理器是独立于微型机的另一分支。它
14、主要追位片式微处理器是独立于微型机的另一分支。它主要追求运算速度快，它以求运算速度快，它以4 4位为一片。用几个位片级联，可以组位为一片。用几个位片级联，可以组成任意字长的微处理器。改变微程序存储器的内容，可以改成任意字长的微处理器。改变微程序存储器的内容，可以改变计算机的指令系统。位片式结构可以使用多个微处理器，变计算机的指令系统。位片式结构可以使用多个微处理器，将控制任务划分为若干个可以并行处理的部分，几个微处理将控制任务划分为若干个可以并行处理的部分，几个微处理器同时进行处理。器同时进行处理。42 1 1）输入电路）输入电路:输入电路是输入电路是PLCPLC与外部连接的输入通道。输入信号
15、与外部连接的输入通道。输入信号(如按钮、如按钮、行程开关以及传感器输出的开关信号或模拟量行程开关以及传感器输出的开关信号或模拟量)经过输入电经过输入电路转换成中央控制单元能接受和处理的数字信号。路转换成中央控制单元能接受和处理的数字信号。2 2）输出电路）输出电路:输出电路是输出电路是PLCPLC向外部执行部件输出相应控制信号的通道。向外部执行部件输出相应控制信号的通道。通过输出电路，通过输出电路，PLCPLC可对外部执行部件可对外部执行部件(如接触器、电磁阀、如接触器、电磁阀、继电器、指示灯、步进电机、伺服电机等继电器、指示灯、步进电机、伺服电机等)进行控制。进行控制。3 3）输入）输入/输
16、出电路根据其功能的不同可分为输出电路根据其功能的不同可分为数字输数字输入、数字输出、模拟量输入、模拟量输出、位置控制、通入、数字输出、模拟量输入、模拟量输出、位置控制、通讯等各种类型。讯等各种类型。436 6编程工具编程工具 编辑程序、调试程序和监控程序的执行，还可编辑程序、调试程序和监控程序的执行，还可以在线测试以在线测试PLCPLC的内部状态和参数，与的内部状态和参数，与PLCPLC进行人机对进行人机对话。话。作用作用计算机辅助编程计算机辅助编程 专用专用编程器编程器 图形图形编程器编程器简易简易编程器编程器44二、二、PLCPLC的基本工作原理的基本工作原理首先执行自诊断程序，对输入输出
17、点、存储器和CPU进行自诊断。如有通讯请求，在自诊断后就进行通讯处理。输入采样阶段：当PLC开始工作时，微处理器首先以顺序读入所有输入端的信号状态，并逐一存入输入状态寄存器中。在程序执行期间，即使输入状态变化，输入状态寄存器的内容也不会改变。这些变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被读入。组成程序的每条指令都有顺序号，在PLC中称步号。指令按步号依次存入贮存单元。程序执行期间，微处理器将指令顺序调出并执行。执行时，对输入和输出状态进行“处理”，即按程序进行逻辑、算术运算，再将结果存入输出状态寄存器中。在所有的指令执行完毕后，输出状态寄存器中的状态通过输出锁存电路转换成被控设备所能接收的电压
18、或电流信号，以驱动被控设备。45二、二、PLCPLC的基本工作原理的基本工作原理PLC的扫描周期大约为几十msPLC的扫描过程46三、三、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容纳用户程序的长短。中、小型中、小型PLCPLC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PLCPLC的存储容量达到的存储容量达到256K256K2M2M。3.3.扫描速度扫描速度扫描速度是指扫描速度是指PLCPLC执行程序执行程序的速度，是衡量的
19、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。47 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。持继电器、特殊辅助继电器、数据存储器等等。6 6智能单元智能单元 PLCPLC不仅能完成开关量的逻辑控制而且利用智能单不仅能完成开关量的逻辑控制而且利用
20、智能单元可完成模拟量控制、位置和速度控制以及通信联网等。元可完成模拟量控制、位置和速度控制以及通信联网等。智能单元的种类、功能的强弱是衡量智能单元的种类、功能的强弱是衡量PLCPLC产品水平高低的产品水平高低的一个重要指标。一个重要指标。489.2 9.2 可编程序控制器的编程器件可编程序控制器的编程器件 PLC PLC内部有许多具有不同功能的器件，实际上这些器件是由内部有许多具有不同功能的器件，实际上这些器件是由电子电路和存储器组成的。电子电路和存储器组成的。输入继电器输入继电器X X是由输入电路和映象输入接点的存储器组成；是由输入电路和映象输入接点的存储器组成；输出继电器输出继电器Y Y是
21、由输出电路和映象输出接点的存储器组成；是由输出电路和映象输出接点的存储器组成；定时器定时器T T、计数器、计数器C C、辅助继电器、辅助继电器M M、状态器、状态器S S、数据寄存器、数据寄存器D D、变址寄存器变址寄存器V/ZV/Z等等都是由存储器组成的。都是由存储器组成的。为了把它们与通常的硬器件区分开，通常把上面的器件统为了把它们与通常的硬器件区分开，通常把上面的器件统称为称为软器件软器件，也称，也称编程器件编程器件。主要针对主要针对F-40MF-40M的的PLCPLC。49Y0Y0X1X1X0X0Y0Y0X1X1SB2SB2SB1SB124V24VX0X0输入继电器逻辑控制输出继电器
22、KMKM220220V VY0Y0等效继电器线路等效继电器线路50时间继电器时间继电器T TF40M-PLCF40M-PLC的定时器的定时值的定时器的定时值K K为为0.1s-999s0.1s-999s。地址号：地址号：450-457450-457（8 8个）个）550-557550-557（8 8个）个）定时器的设定值由用户设定时器的设定值由用户设定，存放在设定值寄存器中；定，存放在设定值寄存器中；当当X0的状态为的状态为1时，计数器时，计数器（当前值寄存器）累加时钟脉（当前值寄存器）累加时钟脉冲个数，当计数器的计数值等冲个数，当计数器的计数值等于设定值时，比较器输出为于设定值时，比较器输出
23、为1，即定时器的状态为即定时器的状态为1，否则定，否则定时器的状态为时器的状态为0。51延时断开的定时器延时断开的定时器52计数继电器计数继电器C CF40M-PLCF40M-PLC的计数器的计数值的计数器的计数值K K为为1-9991-999次次。地址号：地址号：460-467460-467（8 8个）个）560-567560-567（8 8个）个）计数输入端复位端53计数器作定时器使用计数器作定时器使用复位端无复位端无M71M71时：运行断电引起计数器中断计数时，时：运行断电引起计数器中断计数时，当前的计数值仍保存，电源接通后，计数器在此值上当前的计数值仍保存，电源接通后，计数器在此值上继
24、续计数，直到计数值满，输出触点就接通。继续计数，直到计数值满，输出触点就接通。复位端有复位端有M71M71时：电源中断，计数停止；电源接通，时：电源中断，计数停止；电源接通，复位，重新计数复位，重新计数电源中断的情况：电源中断的情况：54辅助继电器辅助继电器M M PLC PLC中设有许多辅助继电器，辅助继电器由程序指令控制，中设有许多辅助继电器，辅助继电器由程序指令控制，专供内部编程使用。专供内部编程使用。可编程控制器一般有通用辅助继电器、断电保持辅助继电可编程控制器一般有通用辅助继电器、断电保持辅助继电器。器。作用：作用：相当于继电器控制系统的中间继电器。其触点具有无限对，相当于继电器控制
25、系统的中间继电器。其触点具有无限对，但不可直接驱动外部负载。但不可直接驱动外部负载。可以作移位寄存器使用。同一单元的可以作移位寄存器使用。同一单元的8 8位辅助寄存器组成一位辅助寄存器组成一个移位寄存器个移位寄存器559.3 9.3 程序的表达方式程序的表达方式 -编程和指令系统编程和指令系统 梯形图梯形图 采用接点梯形图来表达程序的方法，看上去与传统采用接点梯形图来表达程序的方法，看上去与传统的继电器线路图非常类似。因此它比较直观形象，对于的继电器线路图非常类似。因此它比较直观形象，对于那些熟悉继电器电路的设计者来说，易被接受。那些熟悉继电器电路的设计者来说，易被接受。语句表语句表 语句表形
26、式是使用一组助记符来表示程序的各种功语句表形式是使用一组助记符来表示程序的各种功能。这一组助记符应包括可编程控制器处理的所有功能。能。这一组助记符应包括可编程控制器处理的所有功能。每一条指令都包含操作码和操作数两个部分，操作数一每一条指令都包含操作码和操作数两个部分，操作数一般由标志符和地址码组成。般由标志符和地址码组成。逻辑功能图逻辑功能图 功能流程图功能流程图 代数表达式代数表达式 高级语言（如高级语言（如C+C+等）等）56梯形图、代数表达式、语句表梯形图、代数表达式、语句表451403435436403435102102402XY435TXYYXYMM语句表语句表LD X402LD X
27、402AND M102AND M102OUT Y435OUT Y435LD Y435LD Y435ANI X403ANI X403OUT M102OUT M102AND T451AND T451OUT Y436OUT Y43657梯形图的规则：梯形图的规则：（3 3）输出用）输出用 ()()表示，表示，如如 -R0-R0、-Y0-Y0。一个。一个 输出变量只能输出一次。输出前面必须有接点。输出变量只能输出一次。输出前面必须有接点。（4 4）梯形图中，接点可串可并，但输出只能并不能串。）梯形图中，接点可串可并，但输出只能并不能串。（5 5）梯形图中，线圈在一个程序中不能重复使用；而触点可以）梯形
28、图中，线圈在一个程序中不能重复使用；而触点可以重复使用，而且使用次数不限。重复使用，而且使用次数不限。（6 6）梯形图中，线圈应与右边的母线直接连接，线圈右边不能）梯形图中，线圈应与右边的母线直接连接，线圈右边不能有触点，但左边必须有触点。有触点，但左边必须有触点。（7 7）定时器、计数器的）定时器、计数器的OUTOUT后面后面,必须紧跟时间常数必须紧跟时间常数K.K.（2 2）梯形图中的接点（对应触点）有两种：）梯形图中的接点（对应触点）有两种：常开（常开（）和和 常闭（常闭（）（1 1）梯形图的左边为起始母）梯形图的左边为起始母线，右边为结束母线。线，右边为结束母线。梯形图按从左到右、从上
29、梯形图按从左到右、从上到下的顺序书写。到下的顺序书写。58脉冲指令脉冲指令PLS PLS 脉冲指令脉冲指令PLSPLS：利用中间继电器将利用中间继电器将脉宽较宽的输入信号变为脉宽较宽的输入信号变为脉宽为脉宽为PLCPLC的一个扫描周期的一个扫描周期的脉冲信号的脉冲信号作用：利用作用：利用PLSPLS指令，以获得脉冲触发信号指令，以获得脉冲触发信号599.4 9.4 可编程序控制器的应用可编程序控制器的应用 用于开关量逻辑控制用于开关量逻辑控制 取代常规的继电器逻辑控制取代常规的继电器逻辑控制 用于闭环过程控制用于闭环过程控制 PID PID控制功能用于闭环位置控制和速度控制。控制功能用于闭环位
30、置控制和速度控制。PLCPLC配合数字控制配合数字控制 与与NCNC和和CNCCNC一起，实现数字控制。一起，实现数字控制。用于工业机器人控制用于工业机器人控制 PLCPLC控制机器人、控制自动化生产线控制机器人、控制自动化生产线 用于组成多级控制系统用于组成多级控制系统 由由FMCFMC、FMSFMS、CIMSCIMS形成以计算机为中心的分层分布式控制形成以计算机为中心的分层分布式控制系统。系统。基层基层由中、小型由中、小型PLCPLC和和CNCCNC组成，组成，中层中层由大型由大型PLCPLC作作控制单元的数据采集管理、调度和协调控制，控制单元的数据采集管理、调度和协调控制，上层上层由计算
31、由计算机作总体管理、信息收集、数据处理、发送命令等。机作总体管理、信息收集、数据处理、发送命令等。60三相异步电动机启、停控制三相异步电动机启、停控制 停止按钮停止按钮有两种处理有两种处理方法，可以使用方法，可以使用动合动合触点也可以使用触点也可以使用动断动断触点触点 长期过载保护的热继长期过载保护的热继电器电器FRFR的触点处理方的触点处理方法与停止按钮的处理法与停止按钮的处理方法相同方法相同 SB1SB1：启动按钮：启动按钮SB2SB2：停止按钮：停止按钮外部接线不变的情况下如何通过改外部接线不变的情况下如何通过改变程序使变程序使SB1SB1、SB2SB2的功能互换的功能互换61三相异步电
32、动机正、反转控制三相异步电动机正、反转控制KM1KM1：控制正向：控制正向KM2KM2：控制反向：控制反向SB1SB1：正向启动按钮：正向启动按钮SB2SB2：反向启动按钮：反向启动按钮SB3SB3：停止按钮：停止按钮 T451T451和和T450T450：防止：防止KM1KM1和和KM2KM2同时接通同时接通62三相异步电动机三相异步电动机Y Y启动控制启动控制 KM,KM1KM,KM1：Y Y 形形KM,KM2KM,KM2：形形定时器定时器450450和和451451：只在启动过程中提只在启动过程中提供供Y Y变换所需的变换所需的延时时间，正常工延时时间，正常工作后不起作用作后不起作用63PLCPLC控制系统的开发步骤控制系统的开发步骤 6465454400
