《電氣控制與PLC技術(shù)》課件趙經(jīng)緯項目7可編程控制器基礎(chǔ)知識

1、1、什么是可編程控制器、什么是可編程控制器 可編程序控制器綜合了計算機技術(shù)、自可編程序控制器綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)動控制技術(shù)和通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)自動控制裝置自動控制裝置。它具有體積小、功能強、程它具有體積小、功能強、程序設(shè)計簡單、靈活通用、維護方便等一系列序設(shè)計簡單、靈活通用、維護方便等一系列的優(yōu)點的優(yōu)點,在機械、冶金、能源、化工、石油、在機械、冶金、能源、化工、石油、交通、電力等領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)交通、電力等領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用用, PLC技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)自動化控制三大技技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)自動化控制三大技術(shù)術(shù)(PLC技術(shù)、機器人、計算

2、機輔助設(shè)計與分技術(shù)、機器人、計算機輔助設(shè)計與分析析)支柱之一。支柱之一。第第5章章 可編程控制器基礎(chǔ)知識可編程控制器基礎(chǔ)知識 （1）可編程序控制器的定義）可編程序控制器的定義 可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行采用可編程序的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械設(shè)備或生輸入和輸出，控

3、制各種類型的機械設(shè)備或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于都應(yīng)按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則進行設(shè)計。擴充其功能的原則進行設(shè)計。 1)可靠性高可靠性高,抗干擾能力強抗干擾能力強 2) 通用性強通用性強,使用方便使用方便 3) 程序設(shè)計簡單程序設(shè)計簡單,容易理解和掌握容易理解和掌握 4) 系統(tǒng)設(shè)計周期短系統(tǒng)設(shè)計周期短 5) 體積小體積小,重量輕重量輕 6) 適應(yīng)性強適應(yīng)性強 （ 2）可編程序控制器的特點）可編程序控制器的特點 （3）可編程序控制器的發(fā)展方向）可編程序控制器的發(fā)展方向 目前目前PLC

4、發(fā)展方向主要有兩個發(fā)展方向主要有兩個: 一是朝著小型化、簡易、廉價化、方向發(fā)展。一是朝著小型化、簡易、廉價化、方向發(fā)展。單片機技術(shù)的發(fā)展單片機技術(shù)的發(fā)展,促進了促進了PLC向緊湊型發(fā)展向緊湊型發(fā)展,體積體積減小減小,價格降低價格降低,可靠性不斷提高?？煽啃圆粩嗵岣摺?二是朝著大型、高速、標準化、系列化、智能二是朝著大型、高速、標準化、系列化、智能化、高速化、大容量化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展化、高速化、大容量化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展,這將使這將使PLC功能更強功能更強,可靠性更高可靠性更高,使用更方便使用更方便,適用面更多適用面更多功能方向發(fā)展。大型的功能方向發(fā)展。大型的PLC一般為多微處理器系統(tǒng)一般為多微處

5、理器系統(tǒng),有較大的存儲能力和功能強勁的輸入有較大的存儲能力和功能強勁的輸入/輸出接口。輸出接口。 2、可編程序控制器的基本組成、可編程序控制器的基本組成 （1）可編程序控制器的硬件組成）可編程序控制器的硬件組成 PLC的基本組成包括硬件與軟件兩部分：的基本組成包括硬件與軟件兩部分： PLC的硬件組成包括中央處理器（的硬件組成包括中央處理器（CPU）、）、存儲器存儲器(RAM、ROM)、輸入、輸入/輸出輸出(I/O)接口、接口、編程設(shè)備、通信接口、電源和其他一些電路組編程設(shè)備、通信接口、電源和其他一些電路組成。成。PLC的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5-1所示。所示。圖圖5-1 PLC的硬

6、件基本結(jié)構(gòu)圖的硬件基本結(jié)構(gòu)圖1）中央處理單元）中央處理單元 中央處理單元中央處理單元(CPU)是是PLC的核心部件的核心部件, 整個整個PLC的工作過程都是在中央處理器的統(tǒng)的工作過程都是在中央處理器的統(tǒng)一指揮和協(xié)調(diào)下進行的一指揮和協(xié)調(diào)下進行的,它的主要任務(wù)是在系它的主要任務(wù)是在系統(tǒng)程序的控制下統(tǒng)程序的控制下,完成完成邏輯運算、數(shù)學(xué)運算、邏輯運算、數(shù)學(xué)運算、協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部各部分工作協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部各部分工作等，然后根據(jù)用戶等，然后根據(jù)用戶所編制的應(yīng)用程序的要求去處理有關(guān)數(shù)據(jù)所編制的應(yīng)用程序的要求去處理有關(guān)數(shù)據(jù),最最后再向被控對象送出相應(yīng)的控制后再向被控對象送出相應(yīng)的控制(驅(qū)動驅(qū)動)信號。信號。 存儲器

7、是存儲器是PLC用來存放系統(tǒng)程序、用戶程序、用來存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量及運算數(shù)據(jù)的單元。存儲器的類型有邏輯變量及運算數(shù)據(jù)的單元。存儲器的類型有可讀可讀/寫操作的隨機存儲器寫操作的隨機存儲器RAM和只讀存儲器和只讀存儲器ROM（PROM、EPROM、EEPROM）在）在PLC中，中，PLC的軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)程序和用戶程序組的軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)程序和用戶程序組成。成。 2）存儲器）存儲器 存數(shù)據(jù)存數(shù)據(jù)存數(shù)據(jù)存數(shù)據(jù) 輸入輸入/輸出輸出(I/O)是是PLC和工業(yè)控制現(xiàn)場各類信號連和工業(yè)控制現(xiàn)場各類信號連接的部件。接的部件。PLC通過輸入接口把工業(yè)現(xiàn)場的狀態(tài)信通過輸入接口把工業(yè)現(xiàn)場的狀態(tài)信息讀入息讀

8、入,輸入部件輸入部件接收是從開關(guān)、按鈕、繼電器觸點接收是從開關(guān)、按鈕、繼電器觸點和傳感器等輸入的現(xiàn)場控制信號和傳感器等輸入的現(xiàn)場控制信號,通過用戶程序的運通過用戶程序的運算與操作算與操作,對輸入信號進行濾波、隔離、電平轉(zhuǎn)換等對輸入信號進行濾波、隔離、電平轉(zhuǎn)換等,把輸入信號的邏輯值準確、可靠地傳入把輸入信號的邏輯值準確、可靠地傳入PLC內(nèi)部。內(nèi)部。并將這些信號轉(zhuǎn)換成中央處理器能接收和處理的數(shù)并將這些信號轉(zhuǎn)換成中央處理器能接收和處理的數(shù)字信號，把結(jié)果通過輸出接口輸出給執(zhí)行機構(gòu)。字信號，把結(jié)果通過輸出接口輸出給執(zhí)行機構(gòu)。 PLC通過輸出接口，通過輸出接口，接收經(jīng)過中央處理器處理接收經(jīng)過中央處理器處理

9、過的輸出的數(shù)字信號過的輸出的數(shù)字信號,并把它轉(zhuǎn)換成被控制設(shè)備或顯并把它轉(zhuǎn)換成被控制設(shè)備或顯示裝置所能接收的電壓或電流信號示裝置所能接收的電壓或電流信號,從而驅(qū)動接觸器、從而驅(qū)動接觸器、電磁閥和指示器件等。電磁閥和指示器件等。 PLC的等效電路圖圖的等效電路圖圖5-2所示。所示。 3）輸入）輸入/輸出接口輸出接口 52 PLC的等效電路的等效電路 電源部件是把交流電轉(zhuǎn)換成直流電源的裝置電源部件是把交流電轉(zhuǎn)換成直流電源的裝置,它它向向PLC提供所需要的高質(zhì)量直流電源?？删幊炭刂铺峁┧枰母哔|(zhì)量直流電源?？删幊炭刂破麟娫窗ǜ鞴ぷ鲉卧╇姷拈_關(guān)穩(wěn)壓電源和掉電器電源包括各工作單元供電的開關(guān)穩(wěn)壓電源和

10、掉電保護電源（一般為電池）。保護電源（一般為電池）。 PLC電源與普通電源相比穩(wěn)定性好、抗干擾能電源與普通電源相比穩(wěn)定性好、抗干擾能力強。許多力強。許多PLC還向外提供還向外提供DC 24V穩(wěn)壓電源，用穩(wěn)壓電源，用于對外部傳感器供電。于對外部傳感器供電。 4）電源模塊）電源模塊 編程器是編程器是PLC必不可少的重要外圍設(shè)備。它必不可少的重要外圍設(shè)備。它的主要作用是進行編輯、輸入用戶程序、檢查、的主要作用是進行編輯、輸入用戶程序、檢查、調(diào)試、修改，用來監(jiān)視調(diào)試、修改，用來監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)。也可在的工作狀態(tài)。也可在線監(jiān)控線監(jiān)控PLC內(nèi)部狀態(tài)和參數(shù)，與內(nèi)部狀態(tài)和參數(shù)，與PLC進行人機對進行人機對

11、話。它是開發(fā)、應(yīng)用、維護話。它是開發(fā)、應(yīng)用、維護PLC不可缺少的設(shè)備。不可缺少的設(shè)備。5）編程器）編程器目前已被個人微機替代目前已被個人微機替代 其它接口包括外存儲器接口、其它接口包括外存儲器接口、BEPPROM寫入寫入器接口、器接口、A/D轉(zhuǎn)換接口、轉(zhuǎn)換接口、D/A轉(zhuǎn)換接口、遠程通信轉(zhuǎn)換接口、遠程通信接口、與計算機相連的接口、打印機接口、與接口、與計算機相連的接口、打印機接口、與CRT相連的接口等。相連的接口等。 6）其它接口）其它接口 （2 2）可編程序控制器的軟件）可編程序控制器的軟件 1 1）系統(tǒng)程序）系統(tǒng)程序 PLCPLC的系統(tǒng)程序有三種類型。的系統(tǒng)程序有三種類型。 是完成系統(tǒng)命令解

12、釋、功能子程序調(diào)用、是完成系統(tǒng)命令解釋、功能子程序調(diào)用、管理、監(jiān)控、邏輯運算、通信、各種參數(shù)設(shè)管理、監(jiān)控、邏輯運算、通信、各種參數(shù)設(shè)定、診斷等功能。定、診斷等功能。 由由PLCPLC的制造廠家編寫的，在的制造廠家編寫的，在PLCPLC使用過使用過程中不會變動，它和程中不會變動，它和PLCPLC的硬件組成有關(guān)，它的硬件組成有關(guān)，它關(guān)系到關(guān)系到PLCPLC的性能。的性能。 由制造廠家直接固化在只讀存儲器由制造廠家直接固化在只讀存儲器ROMROM、PROMPROM或或EPROMEPROM中，用戶不能訪問和修改。中，用戶不能訪問和修改。 2）用戶程序）用戶程序 用戶存儲器是指使用者根據(jù)用戶存儲器是指使

13、用者根據(jù)工程現(xiàn)場的生工程現(xiàn)場的生產(chǎn)過程和工藝要求產(chǎn)過程和工藝要求編寫的控制程序，是編寫的控制程序，是PLC應(yīng)用于工業(yè)控制的一個重要環(huán)節(jié)。主要用于應(yīng)用于工業(yè)控制的一個重要環(huán)節(jié)。主要用于存放用戶按控制要求所編制的程序，可通過存放用戶按控制要求所編制的程序，可通過編程器進行必要的修改。編程器進行必要的修改。PLC的編程語言多的編程語言多種多樣，不同的種多樣，不同的PLC廠家，不同系列廠家，不同系列PLC采采用的編程語言不盡相同。用的編程語言不盡相同。 3、可編程序控制器的工作原理、可編程序控制器的工作原理 （1）掃描工作方式）掃描工作方式 PLC采用采用循環(huán)掃描循環(huán)掃描工作方式，為了連續(xù)地完成工作方

14、式，為了連續(xù)地完成PLC所承擔(dān)的掃描工作所承擔(dān)的掃描工作,系統(tǒng)必須重復(fù)執(zhí)行依一定的系統(tǒng)必須重復(fù)執(zhí)行依一定的順序完成循環(huán)掃描工作方式，每重復(fù)一次的時間稱順序完成循環(huán)掃描工作方式，每重復(fù)一次的時間稱為一個掃描周期。由于為一個掃描周期。由于PLC掃描速度很快掃描速度很快,輸入掃描輸入掃描和輸出刷新的周期時間通常為和輸出刷新的周期時間通常為3ms左右左右,而程序執(zhí)行而程序執(zhí)行時間可根據(jù)程序的長度不同而不同。時間可根據(jù)程序的長度不同而不同。PLC一個掃描一個掃描周期通常為周期通常為10-100ms,對一般工業(yè)被控對象來說對一般工業(yè)被控對象來說,掃掃描過程幾乎是與輸入同時完成的。如圖描過程幾乎是與輸入同時

15、完成的。如圖5-3所示。所示。 圖圖5-3 PLC循環(huán)掃描工作過程循環(huán)掃描工作過程 PLC工作的三個階段工作的三個階段 （1）輸入采樣階段）輸入采樣階段 將輸入端狀態(tài)讀入到寄存器（輸入映像區(qū)）中存將輸入端狀態(tài)讀入到寄存器（輸入映像區(qū)）中存儲，這一過程稱為采樣。儲，這一過程稱為采樣。 （2）程序執(zhí)行階段）程序執(zhí)行階段 從上到下、從左到右逐條執(zhí)行程序指令，并將從上到下、從左到右逐條執(zhí)行程序指令，并將結(jié)果存入輸出映像區(qū)（寄存器）的過程。結(jié)果存入輸出映像區(qū)（寄存器）的過程。 （3 3）輸出處理階段輸出處理階段 將輸出映像區(qū)（寄存器）的內(nèi)容送入到輸出鎖將輸出映像區(qū)（寄存器）的內(nèi)容送入到輸出鎖存器，再通過

16、輸出端驅(qū)動接觸器、電磁閥和指示燈存器，再通過輸出端驅(qū)動接觸器、電磁閥和指示燈等負載的過程。等負載的過程。（2）工作過程）工作過程（3）PLC的工作原理的工作原理 可編程控制器的工作原理與計算機工作原理很相可編程控制器的工作原理與計算機工作原理很相似，簡單的講，就是在似，簡單的講，就是在CPU的控制與協(xié)調(diào)下，通過運的控制與協(xié)調(diào)下，通過運行用戶程序來完成工作任務(wù)。具體來講，行用戶程序來完成工作任務(wù)。具體來講，PLC是按下是按下面步驟工作。面步驟工作。 第一步第一步 PLC具備一個基本系統(tǒng)環(huán)境，即在硬件具備一個基本系統(tǒng)環(huán)境，即在硬件（存儲器）上安裝一套系統(tǒng)程序。通電后，該系統(tǒng)程（存儲器）上安裝一套系

17、統(tǒng)程序。通電后，該系統(tǒng)程序便自動運行。系統(tǒng)程序包括三個程序：序便自動運行。系統(tǒng)程序包括三個程序：1、運行管、運行管理程序，用來確保理程序，用來確保PLC的各種硬件正常運行。的各種硬件正常運行。2、用、用戶程序的解釋程序，用來翻譯用戶程序中的各條指令，戶程序的解釋程序，用來翻譯用戶程序中的各條指令，使其成為能執(zhí)行的二進制編碼指令。使其成為能執(zhí)行的二進制編碼指令。3、功能實現(xiàn)程、功能實現(xiàn)程序，用來調(diào)用和管理各類功能子程序，完成如輸入信序，用來調(diào)用和管理各類功能子程序，完成如輸入信息、輸出信息、息、輸出信息、A/D轉(zhuǎn)換等具體任務(wù)。轉(zhuǎn)換等具體任務(wù)。 第二步第二步 用戶用用戶用PLC的語言編寫程序并將其

18、存放的語言編寫程序并將其存放到存儲器里，等待運行。到存儲器里，等待運行。 第三步第三步 打開運行開關(guān)，系統(tǒng)程序開始逐條讀取打開運行開關(guān)，系統(tǒng)程序開始逐條讀取用戶程序，翻譯后，按著指令要求進行任務(wù)處理，用戶程序，翻譯后，按著指令要求進行任務(wù)處理，并將結(jié)果存放到存儲器里等待輸出。并將結(jié)果存放到存儲器里等待輸出。 第四步第四步 用戶程序從第一條開始運行，到最后一用戶程序從第一條開始運行，到最后一條運行結(jié)束，我們稱為一個程序周期，也稱為掃描條運行結(jié)束，我們稱為一個程序周期，也稱為掃描周期。此時，將會對輸入、輸出信息進行一次更新，周期。此時，將會對輸入、輸出信息進行一次更新，輸入更新稱為采樣，輸出更新稱

19、為刷新。用戶程序輸入更新稱為采樣，輸出更新稱為刷新。用戶程序就是這樣周而復(fù)始地運行下去，實現(xiàn)了就是這樣周而復(fù)始地運行下去，實現(xiàn)了PLC與現(xiàn)場與現(xiàn)場之間信號的的輸入輸出，完成控制任務(wù)。之間信號的的輸入輸出，完成控制任務(wù)。工作過程示意圖工作過程示意圖 4、可編程序控制器的主要性能指標、可編程序控制器的主要性能指標 在對在對PLC性能進行描述時性能進行描述時,經(jīng)常用到經(jīng)常用到位位、數(shù)字數(shù)字、字字節(jié)及字節(jié)及字等術(shù)語。等術(shù)語。 位位指二進制的一位指二進制的一位,僅有僅有0、1兩種取值。一個位兩種取值。一個位對應(yīng)對應(yīng)PLC一個繼電器一個繼電器,某位的狀態(tài)為某位的狀態(tài)為0或或1,分別對應(yīng)分別對應(yīng)繼電器線圈斷

20、電或通電。繼電器線圈斷電或通電。 4位位二進制數(shù)構(gòu)成一個數(shù)字二進制數(shù)構(gòu)成一個數(shù)字,這個數(shù)字可以是這個數(shù)字可以是0000-1001(十進制十進制),也可以是也可以是00001111(十六進十六進制制)。 2個數(shù)字或個數(shù)字或8位二進制數(shù)構(gòu)成一個位二進制數(shù)構(gòu)成一個字節(jié)字節(jié)。 2個字節(jié)構(gòu)成一個個字節(jié)構(gòu)成一個字字。在。在PLC術(shù)語中術(shù)語中,字稱為通道。字稱為通道。一個字含一個字含16位位,或者說一個通道含或者說一個通道含16個繼電器。個繼電器。 （1）編程語言種類）編程語言種類 PLC常用的編程語言有梯形圖語言、語句表語言、常用的編程語言有梯形圖語言、語句表語言、流程圖語言及某些高級語言等，使用最多的是

21、前兩流程圖語言及某些高級語言等，使用最多的是前兩者。者。 （2）存儲容量）存儲容量 小型機內(nèi)存為小型機內(nèi)存為1K到幾到幾K，中型機為幾，中型機為幾K至幾百至幾百K，大型機幾百大型機幾百K至至2M字節(jié)。字節(jié)。 （3）輸入輸出（）輸入輸出（I/O）總點數(shù)）總點數(shù) 輸入輸出（輸入輸出（I/O）點數(shù)越多，控制規(guī)模就越大。）點數(shù)越多，控制規(guī)模就越大。目前輸入輸出點數(shù)為目前輸入輸出點數(shù)為814336點甚至更多點甚至更多 。 （4）掃描速度）掃描速度 目前更快的能達到目前更快的能達到0.75ms/K字邏輯運算程序。字邏輯運算程序。 （5）PLC內(nèi)部繼電器的種類內(nèi)部繼電器的種類 有如輸入繼電器、輸出繼電器、輔

22、助繼電器、定有如輸入繼電器、輸出繼電器、輔助繼電器、定時器、計數(shù)器、特殊繼電器、數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)繼時器、計數(shù)器、特殊繼電器、數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)繼電器等。電器等。 （6）擴展能力）擴展能力 大部分大部分PLC用用I/0擴展單元進行擴展單元進行I/O點數(shù)的擴展。點數(shù)的擴展。 （7）工作環(huán)境）工作環(huán)境 工作環(huán)境的溫度工作環(huán)境的溫度050oC （8）其它）其它 （1）按輸入）按輸入/輸出點數(shù)分類輸出點數(shù)分類 1）超小型）超小型PLC：輸入輸出（：輸入輸出（I/O）點數(shù)在）點數(shù)在64點以點以下下,用戶程序存儲器容量通常在用戶程序存儲器容量通常在12KB。 2）小型）小型PLC ：輸入輸出（：輸入輸出（I/

23、O）點數(shù)在）點數(shù)在64256之間之間 ,用戶程序存儲器容量通常在用戶程序存儲器容量通常在24KB。 3）中型）中型PLC ：輸入輸出點數(shù)在：輸入輸出點數(shù)在256512點之間點之間,用戶程序存儲器容量通常在用戶程序存儲器容量通常在28K字。字。 4）大型）大型PLC ：入輸出點數(shù)在：入輸出點數(shù)在512 8192之間，之間，用戶程序存儲器容量通常在用戶程序存儲器容量通常在8K64KB。 5）超大型）超大型PLC ：入輸出點數(shù)在：入輸出點數(shù)在8192以上，用戶以上，用戶程序器容量大于程序器容量大于64KB，目前已有，目前已有I/O點數(shù)達點數(shù)達14336點的超大型點的超大型PLC，使用，使用32位微處理器。位微處理器。 5、可編程序控制器的分類、可編程序控制器的分類 （2）按結(jié)構(gòu)形式分類）按結(jié)構(gòu)形式分類 1）整體式）整體式：整體式：整體式PLC是將電源、是將電源、CPU、存儲、存儲器、器、I/O接口安裝在同一機體內(nèi)接口安裝在同一機體內(nèi),具有結(jié)構(gòu)緊湊、體具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、價格低。一般小型積小、重量輕、價格低。一般小型PLC常采用這種常采用這種結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 2）模塊式）模塊式：模塊式：模塊式PLC是將是將PLC各部分分成若各部分分成若干個單