第三章 可編程控制器概述

1、第第3 3章章 可編程控制器概述可編程控制器概述v3.1 產(chǎn)生產(chǎn)生 v3.2 定義定義v3.3 分類分類v3.4 特點特點v3.5 應用領域應用領域v3.6 國內外狀況國內外狀況v3.7 發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢v3.8 PLC的硬件結構的硬件結構v3.9 可編程序控制器的工作原理可編程序控制器的工作原理傳送帶生產(chǎn)線控制傳送帶生產(chǎn)線控制灌裝及包裝機械灌裝及包裝機械木材加工木材加工電梯控制電梯控制空調控制空調控制紡織機械紡織機械印刷機械印刷機械可編程序控制器當代工業(yè)自動化支柱之一可編程序控制器當代工業(yè)自動化支柱之一v20世紀世紀70年代前：繼電器年代前：繼電器-接觸器控制系統(tǒng)接觸器控制系統(tǒng)v優(yōu)點：結構簡

2、單、價格低廉。優(yōu)點：結構簡單、價格低廉。v缺點：靈活性差、可靠性低，故障查找與排除非缺點：靈活性差、可靠性低，故障查找與排除非常困難、改造工期長、費用高。常困難、改造工期長、費用高。3.1 3.1 可編程序控制器的產(chǎn)生可編程序控制器的產(chǎn)生繼電器繼電器-接觸器控制系統(tǒng)接觸器控制系統(tǒng)1968年，美國通用汽車公司（年，美國通用汽車公司（GM）首先提出設想：）首先提出設想： 編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序；編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序； 維護方便，采用插件式結構；維護方便，采用插件式結構； 可靠性高于繼電器控制柜；可靠性高于繼電器控制柜； 體積小于繼電器控制柜；體積小于繼電器控制柜； 成本可與繼電器控制柜競

3、爭；成本可與繼電器控制柜競爭； 可將數(shù)據(jù)直接送入計算機；可將數(shù)據(jù)直接送入計算機； 可直接使用可直接使用115V交流輸入電壓；交流輸入電壓； 輸出采用輸出采用115V交流電壓，能直接驅動電磁閥、交交流電壓，能直接驅動電磁閥、交流接觸器等負載；流接觸器等負載； 通用性強，擴展方便；通用性強，擴展方便； 能存儲程序，存儲器容量可以擴展到能存儲程序，存儲器容量可以擴展到4KB. 1969年，美國數(shù)字設備公司（年，美國數(shù)字設備公司（DEC）研制出世界上第一臺）研制出世界上第一臺可編程序控制器可編程序控制器3.2 3.2 可編程序控制器的定義可編程序控制器的定義v Programmable Control

4、ler PC Personal Computer PCv Programmable Logic Controller PLC 國際電工委員會（國際電工委員會（ IECIEC）于）于 1982.111982.11、1985.11985.1和和1987.21987.2發(fā)布了可編程序控制器標準草案的第發(fā)布了可編程序控制器標準草案的第1 1，2 2，3 3稿。稿。 在第在第3 3稿中對可編程序控制器作了如下的定義：稿中對可編程序控制器作了如下的定義：可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的專為在工業(yè)環(huán)境下應用而

5、設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備，都械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關設備，都應按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充應按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。其功能的原則設計。 v定義強調了定義強調了PLC是：是：v 1 數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)也是一也是一

6、種計算機種計算機v 2 專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計v 3 面向用戶指令面向用戶指令編程方便編程方便v 4 邏輯運算、順序控制、定時計算和算邏輯運算、順序控制、定時計算和算術操作術操作v 5 數(shù)字量或模擬量輸入輸出控制數(shù)字量或模擬量輸入輸出控制v 6 易與控制系統(tǒng)聯(lián)成一體易與控制系統(tǒng)聯(lián)成一體v 7 易于擴充易于擴充 3.3 PLC3.3 PLC的分類的分類v（1）按）按 IO點數(shù)分類點數(shù)分類vIO點數(shù)小于點數(shù)小于 32為微型為微型PLC；vIO點數(shù)在點數(shù)在32128為微小型為微小型PLC；vIO點數(shù)在點數(shù)在128256為為小型小型PLC；vIO點數(shù)在點數(shù)在2562048

7、為為中型中型PLC；vIO點數(shù)大于點數(shù)大于2048為為大型大型PLC；vIO點數(shù)在點數(shù)在8192以上為超大型以上為超大型PLC。 以上劃分不包括模擬量以上劃分不包括模擬量IO點數(shù)，且劃分點數(shù)，且劃分界限不是固定不變的。界限不是固定不變的。 （2 2）按結構形式分類）按結構形式分類v整體式整體式PLCPLC： 又稱單元式或箱體式。整體又稱單元式或箱體式。整體式式PLCPLC是將電源、是將電源、CPUCPU、I IO O部件都集中裝部件都集中裝在一個機箱內。一般小型在一個機箱內。一般小型PLCPLC采用這種結構。采用這種結構。電源模塊電源模塊CPUCPU模塊模塊底底 板板IOIO模塊模塊v模塊式模

8、塊式PLCPLC：將：將PLCPLC各部分分成若干個單獨的模塊，各部分分成若干個單獨的模塊，如如 CPUCPU模塊、模塊、I IO O模塊、電源模塊和各種功能模塊。模塊、電源模塊和各種功能模塊。模塊式模塊式PLCPLC由框架和各種模塊組成。模塊插在插座上。由框架和各種模塊組成。模塊插在插座上。一般大、中型一般大、中型PLCPLC采用模塊式結構。采用模塊式結構。有的有的PLCPLC將整體式和模塊式結合起來，將整體式和模塊式結合起來，稱為稱為疊裝式疊裝式PLCPLC。3.4 PLC3.4 PLC的特點的特點優(yōu)點：優(yōu)點：1.編程方法簡單易學編程方法簡單易學2.可靠性高可靠性高,抗干擾能力強抗干擾能力

9、強 3.通用性強通用性強4.系統(tǒng)的設計、安裝、調試工作量少系統(tǒng)的設計、安裝、調試工作量少 5.維修工作量小，維修方便維修工作量小，維修方便6.體積小，能耗低體積小，能耗低 v1.主要是主要是PLC的軟、硬件體系結構是封閉而不是的軟、硬件體系結構是封閉而不是開放的：如專用總線、專家通信網(wǎng)絡及協(xié)議，開放的：如專用總線、專家通信網(wǎng)絡及協(xié)議，I/O模板不通用，甚至連機柜、電源模板亦各不模板不通用，甚至連機柜、電源模板亦各不相同。相同。v2.編程語言雖多數(shù)是梯形圖，但組態(tài)、尋址、語編程語言雖多數(shù)是梯形圖，但組態(tài)、尋址、語言結構均不一致，因此各公司的言結構均不一致，因此各公司的 PLC互不兼容?；ゲ患嫒?。

10、vSIEMENS等公司已經(jīng)開發(fā)出以個人計算機為基等公司已經(jīng)開發(fā)出以個人計算機為基礎，在礎，在Windows平臺下，結合平臺下，結合IEC11313國際國際標準的新一代開放體系結構的標準的新一代開放體系結構的PLC。 3.5 PLC3.5 PLC的應用領域的應用領域 PLCPLC在工業(yè)自動化中起著舉足輕重的作用，在工業(yè)自動化中起著舉足輕重的作用，在國內外已廣泛應在國內外已廣泛應 用于機械、冶金、石油、化用于機械、冶金、石油、化工、輕工、紡織、電力、電子、食品、交通等行工、輕工、紡織、電力、電子、食品、交通等行業(yè)。經(jīng)驗表明，業(yè)。經(jīng)驗表明，8080以上的工業(yè)控制可以使用以上的工業(yè)控制可以使用PLCP

11、LC來完成。來完成。主要有以下幾個方面：主要有以下幾個方面：1.1.數(shù)字量邏輯控制數(shù)字量邏輯控制2.2.運動控制運動控制3.3.閉環(huán)過程控制閉環(huán)過程控制4.4.數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理5.5.通信聯(lián)網(wǎng)通信聯(lián)網(wǎng)3.6 PLC3.6 PLC的國內外現(xiàn)狀的國內外現(xiàn)狀v1969年美國研制出世界上第一臺年美國研制出世界上第一臺PLC以后，日本、以后，日本、德國、法國等國相繼研制了各自的德國、法國等國相繼研制了各自的PLC。v70年代中期，年代中期，PLC進入了實用化階段。進入了實用化階段。v70年代末和年代末和 80年代初，年代初，PLC進入了成熟階段。進入了成熟階段。美國美國PLCPLC發(fā)展得最快：發(fā)展得最快

12、：v19841984年有年有4848家，生產(chǎn)家，生產(chǎn)150150多種多種PLCPLC；v19871987年有年有6363家，生產(chǎn)家，生產(chǎn)243243種種PLCPLC；v19961996年有年有7070余家，生產(chǎn)近余家，生產(chǎn)近300300種種PLCPLC。v著名廠家有著名廠家有ABAB（AllenAllenBradleyBradley）艾倫）艾倫一布拉德利公司，一布拉德利公司，MODICONMODICON莫迪康公司，莫迪康公司，GEGEFSNUCFSNUC公司，公司，TITI（Texas InstrumentTexas Instrument）德）德州儀器公司，州儀器公司，WESTHOUSE El

13、ectricWESTHOUSE Electric西屋電西屋電氣公司，氣公司， IPMIPM（International Parallel International Parallel MachinesMachines）國際并行機器公司等。）國際并行機器公司等。 歐洲歐洲PLCPLC的廠家有的廠家有6060余家余家: :v西門子（西門子（SiemensSiemens）于）于19731973年研制出第一臺年研制出第一臺PLCPLC。v法國的法國的TE(TelemecaniqueTE(Telemecanique）( (施耐德）施耐德）v瑞士的瑞士的SelectronSelectron公司等。公司等。

14、19711971年，日本從美國引進年，日本從美國引進PLCPLC技術，由日立公技術，由日立公司研制成功日本第一臺司研制成功日本第一臺PLCPLC。 日本生產(chǎn)日本生產(chǎn)PLCPLC的廠家有的廠家有4040余家：余家：v三菱電機三菱電機(MITSUBISHI),(MITSUBISHI),歐姆龍歐姆龍(OMRON),(OMRON),v富士電機（富士電機（Fuji ElectricFuji Electric）, ,東芝東芝（TOSHIBATOSHIBA）, ,v光洋（光洋（KOYO),KOYO),松下電工（松下電工（MEWMEW）, ,v和泉（和泉（IDECIDEC）, ,夏普夏普(SHARP(SHAR

15、P）, ,v安川等公司。安川等公司。 我國在我國在7070年代末和年代末和8080年代初開始引進年代初開始引進PLCPLC。我國早。我國早期獨立研制期獨立研制PLCPLC的單位有：的單位有：v北京機械工業(yè)自動化研究所，北京機械工業(yè)自動化研究所，v上海工業(yè)自動化儀表研究所，上海工業(yè)自動化儀表研究所，v大連組合機床研究所，大連組合機床研究所，v成都機床電器研究所，成都機床電器研究所，v中科院北京計算機所及自動化所，中科院北京計算機所及自動化所，v長春一汽，長春一汽，v上海起重電器廠，上海起重電器廠，v上海香島機電公司，上海香島機電公司，v上海自力電子設備廠等單位。上海自力電子設備廠等單位。v以上諸

16、單位都沒有形成規(guī)?；a(chǎn)以上諸單位都沒有形成規(guī)?；a(chǎn)v遼寧無線電二廠引進德國西門子技術生產(chǎn)遼寧無線電二廠引進德國西門子技術生產(chǎn)PLCPLC；v無錫電器和日本光洋合資生產(chǎn)的無錫電器和日本光洋合資生產(chǎn)的PLC;PLC;v中美合資的廈門中美合資的廈門 ABAB公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的PLCPLC；v上海香島機電公司引進技術生產(chǎn)的上海香島機電公司引進技術生產(chǎn)的PLC;PLC;v上海上海OMRONOMRON公司公司; ;v西安西安SiemensSiemens公司等。公司等。 1993年中國年中國PLC市場排行榜上的世界十大廠家：市場排行榜上的世界十大廠家：v美國美國 AB公司公司 （AllenBradle

17、y）v德國西門子公司（德國西門子公司（Siemens）v美國美國GEFanuc公司公司v美國的莫迪康（美國的莫迪康（Modicon）和法國的）和法國的TE電器公司電器公司v日本歐姆公司（日本歐姆公司（OMRON）v日本三菱電機株式會社（日本三菱電機株式會社（MITSUBISHI）v日本富士電機株式會社（日本富士電機株式會社（Fuji Electric）v日本東芝公司（日本東芝公司（TOSHIBA）v日本的光洋電子（日本的光洋電子（KOYO）v日本松下電工株式會社（日本松下電工株式會社（MEW）：）：Matsushita Electric Works Ltd） 根據(jù)美國根據(jù)美國 Automati

18、on Research Co（ARC）的商情調查，在）的商情調查，在1994年年PLC市場市場上，最大的上，最大的5家家PLC制造商是制造商是: SIEMENS， AllenBradly，（，（Rockwell) AEG Schneider， 三菱電機三菱電機, OMRON(立石電機）立石電機）3.7 PLC的發(fā)展趨勢的發(fā)展趨勢v（1）向高速度、大存儲容量方向發(fā)展）向高速度、大存儲容量方向發(fā)展 （CPU處理速度處理速度nS級；內存級；內存2M字節(jié)）字節(jié)）v（2）向多品種方向發(fā)展和提高可靠性）向多品種方向發(fā)展和提高可靠性 （超大型和超小型）（超大型和超小型）v（3）產(chǎn)品更加規(guī)范化、標準化）產(chǎn)品更

19、加規(guī)范化、標準化（硬件、軟件兼容的（硬件、軟件兼容的PLC）v（4）分散型、智能型、與現(xiàn)場總線兼容的）分散型、智能型、與現(xiàn)場總線兼容的I0v（5）加強聯(lián)網(wǎng)和通信的能力）加強聯(lián)網(wǎng)和通信的能力3.8 PLC的硬件結構的硬件結構v1.中央處理單元（中央處理單元（CPU）：）：(1)從程序存儲器讀取程序指令，編譯、執(zhí)行指令從程序存儲器讀取程序指令，編譯、執(zhí)行指令(2)將各種輸入信號取入將各種輸入信號取入(3) 把運算結果送到輸出端把運算結果送到輸出端(4) 響應各種外部設備的請求響應各種外部設備的請求 v（1）通用處理器：8086、80286、80386v（2）單片機芯片：8031、8096v（3）位

20、片式微處理器：AMD-2900v小型PLC多采用8位微處理器或單片機作為CPUv中型PLC多采用16位微處理器或單片機作為CPUv大型PLC多采用高速位片式微處理器v2.存儲器存儲器：v作用：存放系統(tǒng)程序，用戶程序和數(shù)據(jù)。作用：存放系統(tǒng)程序，用戶程序和數(shù)據(jù)。v系統(tǒng)程序：決定系統(tǒng)程序：決定PLC的基本智能，由廠家的基本智能，由廠家設計，并存入設計，并存入ROM。用戶不能修改。用戶不能修改。v用戶程序：根據(jù)要求，用用戶程序：根據(jù)要求，用PLC的編程語言，的編程語言，編制的程序，用戶用編程器寫入編制的程序，用戶用編程器寫入RAM或或EEPROM。類型類型 (1)隨機存取存儲器隨機存取存儲器(RAM)

21、用戶可以用編程裝置讀出用戶可以用編程裝置讀出RAM中的內容，也可中的內容，也可以將用戶程序寫入以將用戶程序寫入RAM，它是易失性的存儲器，它是易失性的存儲器，它的電源中斷后，儲存的信息將會丟失。它的電源中斷后，儲存的信息將會丟失。 (2)只讀存儲器只讀存儲器(ROM) ROM的內容只能讀出，不能寫入。它是非易的內容只能讀出，不能寫入。它是非易失的，它的電源消失后，仍能保存儲存的內容。失的，它的電源消失后，仍能保存儲存的內容。ROM一般用來存放可編程序控制器的系統(tǒng)程序。一般用來存放可編程序控制器的系統(tǒng)程序。 ( 3 ) 可 電 擦 除 可 編 程 的 只 讀 存 儲 器可 電 擦 除 可 編 程

22、 的 只 讀 存 儲 器(EEPROM) 它是非易失性的，但是可以用編程裝置它是非易失性的，但是可以用編程裝置對它編程。兼有對它編程。兼有ROM的非易失性和的非易失性和RAM的的隨機存取優(yōu)點，但是將信息寫入它所需的時隨機存取優(yōu)點，但是將信息寫入它所需的時間比間比RAM長得多。長得多。EEPROM用來存放用戶用來存放用戶程序和需長期保存的重要數(shù)據(jù)。程序和需長期保存的重要數(shù)據(jù)。 3. 輸入、輸出接口輸入、輸出接口采用光電隔離，實現(xiàn)了采用光電隔離，實現(xiàn)了PLC的內部電路與外部電路的內部電路與外部電路的電氣隔離，減小了電磁干擾。的電氣隔離，減小了電磁干擾。輸入接口作用：輸入接口作用：將按鈕、行程開關或

23、傳感器等產(chǎn)生將按鈕、行程開關或傳感器等產(chǎn)生的信號，轉換成數(shù)字信號送入主機的信號，轉換成數(shù)字信號送入主機輸出接口作用：輸出接口作用：將主機向外輸出的信號轉換成可以將主機向外輸出的信號轉換成可以驅動外部執(zhí)行電路的信號，以便控制接觸器線圈等驅動外部執(zhí)行電路的信號，以便控制接觸器線圈等電器通斷電；另外輸出電路也使計算機與外部強電電器通斷電；另外輸出電路也使計算機與外部強電隔離。隔離。輸出三種形式：輸出三種形式： 繼電器繼電器 - 低速大功率低速大功率 可控硅可控硅 - 高速大功率高速大功率 晶體管晶體管 - 高速小功率高速小功率4.電源單元v把外部供應的電源變換成系統(tǒng)內部各單元所需的電把外部供應的電源

24、變換成系統(tǒng)內部各單元所需的電源。源。v有的電源單元還向外提供有的電源單元還向外提供24v隔離直流電源，可供隔離直流電源，可供開關量輸入單元連接的現(xiàn)場無源開關等使用。開關量輸入單元連接的現(xiàn)場無源開關等使用?？删幙删幊绦蚩刂破魇褂贸绦蚩刂破魇褂?20V交流電源或交流電源或24V直流電源。內直流電源。內部的開關電源為各模塊提供部的開關電源為各模塊提供DC 5V、12V、24V等直流電源。等直流電源。 可編程序控制器的電源一般采用開關式電源，其特點是輸入可編程序控制器的電源一般采用開關式電源，其特點是輸入電壓范圍寬、體積小、重量輕、效率高、抗干擾性能好。電壓范圍寬、體積小、重量輕、效率高、抗干擾性能好

25、。編程設備可以是專用編程設備可以是專用的手持式的編程器；也可的手持式的編程器；也可以是安裝了專門的編程通以是安裝了專門的編程通訊軟件的個人計算機。訊軟件的個人計算機。5. 編程設備編程設備用戶可以通過鍵盤輸用戶可以通過鍵盤輸入和調試程序；另外在運入和調試程序；另外在運行時，還可以對整個控制行時，還可以對整個控制過程進行監(jiān)控。過程進行監(jiān)控。PCFP PROGRAMMER(HELP)CLRWRTFN/PFLSTKIX/IYNOTDT/LdREADOTL WLORR WRANY WYSTX WXSRC(-)OP(BIN)K/HSCCTC EVTMT SVACLRENTBAFEDC 98 3 2 1

26、0 7 6 5 4(DELT)CLR手持式的編程器手持式的編程器1）手持式編程器：不能直接輸入和編輯）手持式編程器：不能直接輸入和編輯梯形圖，只能輸入和編輯指令表程序，梯形圖，只能輸入和編輯指令表程序，因此又叫做指令編程器。因此又叫做指令編程器。2）編程軟件編程：在屏幕上直接生成和）編程軟件編程：在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、指令表、功能塊圖和順序編輯梯形圖、指令表、功能塊圖和順序功能圖程序，并可以實現(xiàn)不同編程語言功能圖程序，并可以實現(xiàn)不同編程語言的相互轉換。的相互轉換。3.9 3.9 可編程序控制器的工作原理可編程序控制器的工作原理一一.可編程序控制器的工作模式可編程序控制器的工作模式工作模式工作模式：STOP：創(chuàng)建和編輯用戶程序，設置：創(chuàng)建和編輯用戶程序，設置PLC的硬件功的硬件功能，并可下載到能，并可下載到P