第1章可編程序控制器基礎(chǔ)cxj

1、第一章第一章 可編程序控制器可編程序控制器1.1 可編程序控制器的基本概念與硬件結(jié)構(gòu)1.2 可編程序控制器的特點(diǎn)、功能 及性能指標(biāo)1.3 可編程控制器的工作原理與編程語言1.4 可編程序控制器的應(yīng)用及發(fā)展1.1 可編程序控制器的基本概念與硬件結(jié)構(gòu)可編程序控制器的基本概念與硬件結(jié)構(gòu)l可編程序控制器的基本概念可編程序控制器的基本概念 l可編程序控制器的發(fā)展歷史可編程序控制器的發(fā)展歷史 l可編程序控制器的硬件結(jié)構(gòu)可編程序控制器的硬件結(jié)構(gòu) 1.1.1可編程序控制器的基本概念可編程序控制器的基本概念什么是可編程序控制器？什么是可編程序控制器？ 國際電工委員會(huì)（IEC）于1987年頒布了可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)

2、草案第三稿。在草案中對可編程序控制器定義如下： 可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)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(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式是輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘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(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 英文名：Programmable Logic Controller 簡 稱：PLCPLC的生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)廠家l德國生產(chǎn)PLC的主要廠商有：西門子（SIEMENS）公司，它生產(chǎn)S系列的PLC。1996年推出S7-400系列新產(chǎn)

3、品、自帶人機(jī)界面的C7系列PLC等多種新產(chǎn)品。l日本的三菱公司生產(chǎn)的F1系列PLC，近年來又推出了FX系列，如FX2、FX1、FX2N等等。l東芝公司（EX系列PLC）、富士電機(jī)公司（NB、NJ、NS系列PLC）、松下公司（EP系列）、日本的立石（歐姆龍）公司。1.1.2 可編程序控制器的發(fā)展歷史可編程序控制器的發(fā)展歷史 l60年代中期，通用汽車公司（GM）提出設(shè)想l1969年，第一臺誕生于數(shù)字設(shè)備公司（DEC）l1977年，我國第一臺l我國最早廣泛用的企業(yè)：寶鋼、l已有四代產(chǎn)品，功能逐步增強(qiáng)。l世界第一臺PLC 1969年由美國設(shè)備公司（DEC)根據(jù)美國通用汽車公司（GM）的要求研制成功背景

4、： 1968年美國通用汽車公司，為了適應(yīng)汽車型號的不斷更新，生產(chǎn)工藝不斷變化的需要，實(shí)現(xiàn)小批量、多品種生產(chǎn)，希望能有一種新型工業(yè)控制器，它能做到盡可能減少重新設(shè)計(jì)和更換電器控制系統(tǒng)及接線，以降低成本，縮短周期。設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)思想： 吸取繼電器和計(jì)算機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)l繼電器控制系統(tǒng)體積大、可靠性低、接線復(fù)雜、不易更改、查找和排除故障困難，對生產(chǎn)工藝變化的適應(yīng)性差，但簡單易懂、價(jià)格便宜；l計(jì)算機(jī)功能強(qiáng)大，靈活（可編程）、通用性好，但編程困難；l采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”進(jìn)行編程，使不熟悉計(jì)算機(jī)的人也能很快掌握使用（梯形圖）。 總之，可編程控制器是一臺計(jì)算機(jī)，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的

5、計(jì)算機(jī)。 它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。 但可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，其硬件需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)編制（通用控制器）。 可編程序控制器（PLC，Programmable Logic Controller）是在傳統(tǒng)順序控制器的基礎(chǔ)上引入微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)等形成的新型工業(yè)控制裝置。 它具有控制能力強(qiáng)、可靠性高、配置靈活、編程簡單等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用場合最多的工業(yè)控制裝置之一，也被公認(rèn)為是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱（PLC、機(jī)器人、CAD/CAM）之一 。 1.1.3 可

6、編程序控制器的硬件結(jié)構(gòu)可編程序控制器的硬件結(jié)構(gòu)主機(jī) 輸入/輸出（I/O）接口電源編程器輸入/輸出（I/O）擴(kuò)展接口外部I/O接口PLC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)主機(jī)主機(jī)lCPU（運(yùn)算器、控制器）l系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器l用戶程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器CPUl是PLC的控制中樞，CPU一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個(gè)芯片上。l主要功能：運(yùn)行用戶程序、監(jiān)控輸入/輸出接口狀態(tài)、做出邏輯判斷和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即讀入輸入變量；執(zhí)行用戶指令，將結(jié)果送到輸出端；相應(yīng)外部設(shè)備（打印機(jī)、條碼掃面儀等）；內(nèi)部診斷。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器l存儲(chǔ)器的作用：PLC的存儲(chǔ)器主要用于系統(tǒng)程序、用戶程序、數(shù)據(jù)的存放。 存放系統(tǒng)軟件系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器

7、 存放應(yīng)用軟件用戶程序存儲(chǔ)器l存儲(chǔ)器的類型： 可讀/可寫的隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM 只讀存儲(chǔ)器ROM、PROM、EPROM等輸入輸入/輸出（輸出（I/O）接口）接口 輸入輸入/輸出接口輸出接口通常也稱為I/O單元后I/O模塊，是PLC與輸入/輸出設(shè)備連接的部件。 PLC輸入接口輸入接口用來接收和收集輸入信號，分為開關(guān)量輸入模塊和模擬量輸入模塊。 PLC輸出接口輸出接口將處理結(jié)果送給被控制對象，以實(shí)現(xiàn)控制目的。電源電源lPLC電源是指為CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口等內(nèi)部電子電路工作所配備的直流開關(guān)穩(wěn)壓電源。 與普通電源相比，PLC電源的穩(wěn)定性好、抗干擾能力你強(qiáng)。l許多PLC還向外提供直流24V穩(wěn)壓電源，用

8、于對外部傳感器供電編程器編程器l編程器是編制、調(diào)試PLC用戶程序的外部設(shè)備，是人機(jī)交互的窗口。l編程器功能：通過編程器可以把用戶程序輸入到RAM中；或者對RAM中已有程序進(jìn)行編輯；通過編程器還可以對PLC的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和跟蹤，對調(diào)試和試運(yùn)行用戶程序非常有用。輸入輸入/輸出（輸出（I/O）擴(kuò)展接口）擴(kuò)展接口l是PLC主機(jī)為了擴(kuò)展輸入/輸出點(diǎn)數(shù)和類型的部件。 輸入/輸出擴(kuò)展單元、遠(yuǎn)程輸入/輸出擴(kuò)展單元、只能輸入/輸出單元等都通過I/O擴(kuò)展接口和主機(jī)相連。lI/O擴(kuò)展接口有并行接口、串行接口等多種形式。外部外部I/O接口接口l是PLC主機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話、機(jī)講對話的通道。l通過外部I/O接口，PLC

9、可以和編程器、彩色圖形顯示器、打印機(jī)等外部設(shè)備相連，也可以和其它PLC或上位機(jī)連接。l外部I/O接口一般是RS-232C、RS422A、USB等串行通信接口。1.2 可編程序控制器的特點(diǎn)、功能及性能指標(biāo)可編程序控制器的特點(diǎn)、功能及性能指標(biāo)l可編程序控制器的特點(diǎn)可編程序控制器的特點(diǎn) l可編程序控制器的主要功能及性能指標(biāo)可編程序控制器的主要功能及性能指標(biāo) lS7-200PLC概述概述lS7-300/400PLC概述概述 1.2.1 可編程控制器的特點(diǎn)可編程控制器的特點(diǎn)l可靠性高、抗干擾能力強(qiáng) 繼電器觸點(diǎn)壽命有限，可靠性差，而PLC的大量開關(guān)動(dòng)作由無觸點(diǎn)開關(guān)或軟觸點(diǎn)完成。 平均無故障時(shí)間：幾十萬小時(shí)

10、 平均維修時(shí)間： 幾分鐘-半小時(shí)1）所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。2）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。3）采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。4）采用模塊化結(jié)構(gòu)。5）良好的自診斷功能。6）設(shè)置了監(jiān)視定時(shí)器。7）大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或由三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng)，使可靠性進(jìn)一步提高。l編程簡單、使用方便 1）梯形圖是面向生產(chǎn)、面向用戶的編程語言，與電器控制電路圖相似； 2）形象、直觀、簡單易學(xué)。 3）生產(chǎn)流程需改變時(shí)，可現(xiàn)場改變程序。 4）編程器的操作和使用簡單。l功能完善、通用性強(qiáng) 具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制、數(shù)值運(yùn)算、

11、A/D和D/A轉(zhuǎn)換、PID控制、通信聯(lián)網(wǎng)等。l設(shè)計(jì)安裝簡單、維護(hù)方便1）控制柜的設(shè)計(jì)、接線、安裝工作量大大減少。2）PLC用戶程序大部分在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，調(diào)試好后再現(xiàn)場安裝調(diào)試。3）自診斷功能較強(qiáng)。l體積小、質(zhì)量輕、能耗低 PLC采用集成電路，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、能耗低。1.2.2 可編程控制器的主要功能及性能指標(biāo)可編程控制器的主要功能及性能指標(biāo)一、可編程控制器的主要功能l邏輯控制功能 位處理功能，有與、或、非等邏輯指令，能實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的串聯(lián)、并聯(lián)、常開、常閉等連接。 l定時(shí)控制功能 定時(shí)器，功能類似于時(shí)間繼電器。l計(jì)數(shù)控制功能 計(jì)數(shù)器計(jì)到某一定值時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)狀態(tài)信號，利用該狀態(tài)信號實(shí)現(xiàn)對某個(gè)操作

12、的計(jì)數(shù)控制。l步進(jìn)（順序）控制功能 實(shí)現(xiàn)由時(shí)間、計(jì)數(shù)或其他指定邏輯信號為轉(zhuǎn)移條件的步進(jìn)控制。l數(shù)據(jù)處理功能 算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)移位、數(shù)制轉(zhuǎn)換、PID運(yùn)算等。l過程控制功能 A/D、D/A轉(zhuǎn)換l通信聯(lián)網(wǎng)功能l監(jiān)控功能l停電記憶功能l故障自診斷功能二、二、PLC的性能指標(biāo)的性能指標(biāo)（1）存儲(chǔ)容量 PLC的存儲(chǔ)器由系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器、用戶程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器三部分組成。 生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)可編程序控制器時(shí)，已按照機(jī)器型號的不同，設(shè)置了不同容量的存儲(chǔ)器，小到1K幾K，大至12M，甚至更大。（2）I/O點(diǎn)數(shù) 是PLC可以接收的輸入、輸出信號的總和，是衡量PLC性能的重要指標(biāo)。二、二、PLC的性

13、能指標(biāo)的性能指標(biāo)（3）掃描速度 常以掃描1KB用戶程序所需時(shí)間來表示，通常以ms/KB為單位，大約1ms10ms/K,更快的0.01ms/K。（4）指令系統(tǒng) PLC基本指令和功能指令的總和。（5）內(nèi)部元件的種類和數(shù)量 元件種類和數(shù)量越多，表示存儲(chǔ)和處理各種信息的能力越強(qiáng)。（6）特殊功能單元二、二、PLC的性能指標(biāo)的性能指標(biāo)（7）可擴(kuò)展能力 包括I/O點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展、存儲(chǔ)容量的擴(kuò)展、聯(lián)網(wǎng)功能的擴(kuò)展、各種功能模塊的擴(kuò)展。（8）通信能力 分為PLC之間的通信和PLC與其它設(shè)備之間的通信。 主要涉及通信模塊、通信接口、通信協(xié)議、通信指令等。1.2.3 S7-200 PLC概述概述l西門子公司目前最近的PL

14、C產(chǎn)品是SIMATIC M7、C7和S7三個(gè)系列。 M7系列是PLC的嵌入式高檔機(jī)，用于解決對時(shí)間要求非常高的技術(shù)問題。 C7系列PLC往往在一個(gè)單元中集成一個(gè)PLC和一個(gè)控制面板。 S7系列用處較為廣泛，分為S7-200、S7-300、S7-400。1.2.3 S7-200 PLC概述概述l集CPU、電源、輸入/輸出安裝于一體，結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡單；l運(yùn)算速度快，基本邏輯控制指令0.22 s/條，可實(shí)現(xiàn)高速控制；l編程指令、編程元件較豐富、性價(jià)比高；l帶有固定點(diǎn)數(shù)的高速計(jì)數(shù)輸入與高速脈沖輸出，輸入/輸出頻率可達(dá)到20100KHz；l帶有RS-485串行通信接口，可以支持自由口通信與PPI、MP

15、I、PROFIBUS現(xiàn)場總線通信；1.2.3 S7-200 PLC概述概述l最大數(shù)字量輸入、輸出映像區(qū)均為128點(diǎn)，最大模擬量輸入、輸出映像區(qū)均為32點(diǎn)；l內(nèi)部標(biāo)志位（M寄存器）為256位，掉電永久保存為112位，超級電容或電池保存為256位；l256個(gè)定時(shí)器中有4個(gè)1ms定時(shí)器，16個(gè)10ms定時(shí)器，236個(gè)100ms定時(shí)器；l256個(gè)計(jì)數(shù)器均能用超級電容或電池保存。項(xiàng) 目功 能CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226I/O數(shù)字量I/O6輸入/4輸出8輸入/6輸出14輸入/10輸出14輸入/10輸出24輸入/16輸出模擬量I/O無2輸入/1輸出無最多允許的擴(kuò)展模塊無2

16、個(gè)模塊7個(gè)模塊接口類型RS-485串行通信接口接口數(shù)量12波特率PPI、DP/T9.6kbit/s、19.2kbit/s、187.5kbit/s無協(xié)議通信1.2115.2kbit/s通信距離不使用中繼器50m使用中繼器與波特率有關(guān)，187.5kbit/s時(shí)為1000mPLC網(wǎng)絡(luò)連接方式PPI、MPI、PROFIBUS-DP、Ethernet（需要網(wǎng)絡(luò)模塊支持）1.2.4 S7-300/400 PLC概述概述1、S7-300 PLC概述lS7-300 PLC分類 標(biāo)準(zhǔn)型、緊湊型、故障安全型、技術(shù)功能型lS7-300 PLC的主要功能特點(diǎn)運(yùn)算速度快、PLC循環(huán)周期短；編程能力強(qiáng)；人機(jī)界面；診斷功能

17、；口令保護(hù)；強(qiáng)大的通信功能。1.2.4 S7-300/400 PLC概述概述1、S7-400 PLC概述lS7-400 PLC分類 標(biāo)準(zhǔn)型、冗余型、故障安全型lS7-400 PLC的主要功能具有S7-300系列系統(tǒng)的功能；冗余設(shè)計(jì)的容錯(cuò)自動(dòng)化系統(tǒng)；處理速度顯著提高；多CPU處理；診斷功能；CPU通信性能顯著增強(qiáng)。1.3 可編程控制器的工作原理與編程語言可編程控制器的工作原理與編程語言1.3.1 可編程控制器的工作方式可編程控制器的工作方式1）繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運(yùn)行的方式2）PLC的CPU則采用順序邏輯掃描用戶程序的運(yùn)行方式vPLC采用“順序掃描，不斷循環(huán)順序掃描，不斷循環(huán)”的工作方式

18、 運(yùn)行時(shí)，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲(chǔ)器中的程序，按指令步序號作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束，然后重新返回第一條指令，開始新一輪的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。1.3.2 可編程控制器的掃描工作過程可編程控制器的掃描工作過程PLC的掃描工作過程1.3.3 可編程控制器的編程語言可編程控制器的編程語言IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)中定義了5種PLC編程語言的表達(dá)方式：1）梯形圖LAD（Ladder Diagram）2）語句表STL（Statement List）3）功能塊圖FBD（Functional Block Diagram）4）順序功能圖SFC（Sequential Function Chart）5）結(jié)構(gòu)文本ST（Structured Text）l梯形圖繼電器控制電路原理圖與PLC梯形圖比較l語句表與上圖所示電路相對應(yīng)的語句表如下：LDI0.0OQ0.0ANI0.1=Q0.0l功能塊圖l順序功能圖l結(jié)構(gòu)文本功能塊圖1.4 可編程控制器的應(yīng)用及發(fā)展可編程控制器的應(yīng)用及發(fā)展l1.4.1