可編程序控制器1(硬件結(jié)構(gòu))

機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化系PLC原理及應(yīng)用課程性質(zhì)《可編程控制器應(yīng)用技術(shù)》是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化和機(jī)械電子工程專業(yè)選修課課程目的和要求1．了解可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合2．明確可編程控制器的硬件配置、工作原理和工作過(guò)程3．掌握可編程控制器基本邏輯指令及編程方法，掌握編程軟件的使用4．掌握程序設(shè)計(jì)的思想和方法5．能正確使用可編程控制器并完成I/O設(shè)備的接線6．掌握程序運(yùn)行和調(diào)試的方法7．具備閱讀和分析實(shí)際應(yīng)用程序與梯形圖的能力8．能借助產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)和技術(shù)手冊(cè)，查閱有關(guān)數(shù)據(jù)和功能，正確使用PLC9．能在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的程序設(shè)計(jì)，運(yùn)行、調(diào)試、維護(hù)PLC控制系統(tǒng)參考書(shū)目教材：可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)(第五版)作者：廖常初（重慶大學(xué)出版社）可編程序控制器技術(shù)及應(yīng)用張興國(guó)編著中國(guó)電力出版社可編程序控制器施金良主編重慶大學(xué)出版社可編程序控制器原理與應(yīng)用張澤榮主編清華大學(xué)出版社PLC分析與設(shè)計(jì)應(yīng)用周萬(wàn)珍,高鴻斌編著電子工業(yè)出版社PLC機(jī)電控制系列應(yīng)用設(shè)計(jì)技術(shù)魯遠(yuǎn)棟主編電子工業(yè)出版社PLC實(shí)用技術(shù)弭洪濤,王忠禮編著科學(xué)出版社PLC工程應(yīng)用實(shí)例解析呂衛(wèi)陽(yáng),徐昌榮主編中國(guó)電力出版社圖書(shū)館有相關(guān)的參考書(shū)82本，生產(chǎn)廠家的手冊(cè)，網(wǎng)上教程，實(shí)例學(xué)習(xí)的一般規(guī)律只用口述100%是演講者所說(shuō)的,大約60~70%被聽(tīng)到了40~50%三小時(shí)后還被記住0~5%三個(gè)月后還被記住

口述+視覺(jué)大約60~70%三小時(shí)后還被記住30~40%三個(gè)月后還被記住

學(xué)習(xí)方法口述+視覺(jué)+筆記大約70~80%三小時(shí)后還被記住40~50%三個(gè)月后還被記住

親身體驗(yàn)大約80~90%三小時(shí)后還被記住70~80%三個(gè)月后還被記住

學(xué)習(xí)方法“聽(tīng)到的，我忘記了；看到的，我記住了；做過(guò)的，我理解了?！甭?tīng)過(guò)不如看過(guò)，看到不如做過(guò)，做過(guò)不如錯(cuò)過(guò)。學(xué)習(xí)方法第一章概述

可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)第一章概述1.1、可編程序控制器的歷史與發(fā)展1.2、可編程序控制器的結(jié)構(gòu)1.3、可編程序控制器的特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域1.4、可編程序控制器的發(fā)展趨勢(shì)繼電器與可編程序控制器繼電器與可編程序控制器繼電器與可編程序控制器1.1可編程控制器的歷史與發(fā)展60年代繼電接觸控制系統(tǒng)接線復(fù)雜改變?cè)O(shè)計(jì)困難簡(jiǎn)單易懂價(jià)格便宜1969年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DEC），研制出世界上第一臺(tái)可編程序控制器，并在GM公司汽車生產(chǎn)線上首次應(yīng)用成功。二、可編程控制器的產(chǎn)生背景：1968年美國(guó)通用汽車公司（GM），為了適應(yīng)汽車型號(hào)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)和更換繼電器控制系統(tǒng)及接線，以降低成本，縮短周期。1.1可編程控制器的歷史與發(fā)展（1）容易編程（2）采用模塊式結(jié)構(gòu)（3）可靠性高于繼電器（4）體積小于繼電器（5）價(jià)格便宜（6）具有數(shù)據(jù)通訊功能（7）輸入輸出電源使用市電（8）擴(kuò)展時(shí)原系統(tǒng)變更最少（9）存儲(chǔ)設(shè)備可擴(kuò)充至4K個(gè)存儲(chǔ)字節(jié)（10）輸出為市電，2A以上，直接驅(qū)動(dòng)電磁閥、小型接觸器1.1可編程控制器的歷史與發(fā)展

20世紀(jì)70年代中末期，PLC進(jìn)入了實(shí)用化發(fā)展階段

20世紀(jì)80年代初，PLC在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家廣泛應(yīng)用20世紀(jì)末期，PLC已適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)控制的需要

21世紀(jì)初的幾年，隨著計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)的發(fā)展，PLC重點(diǎn)發(fā)展了網(wǎng)絡(luò)通訊能力，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域1.1可編程控制器的歷史與發(fā)展1980年美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)（NEMA）正式將其命名為可編程序控制器（ProgrammableController），簡(jiǎn)稱PC。

為了和個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）相區(qū)別，將最初用于邏輯控制的可編程控制器稱為

PLC（ProgrammablelogicController）?？删幊绦蚓仃嚳刂破鱌MC（ProgrammableMatrixController）可編程序順序控制器PSC（ProgrammableSequenceController）可編程序邏輯控制器PLC（ProgrammableLogicController）可編程序控制器PC（ProgrammableController）1985年1月國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）制定了可編程控制器的標(biāo)準(zhǔn)，并定義了

PLC

。

可編程控制器是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的通用工業(yè)自動(dòng)控制裝置，簡(jiǎn)稱PLC。1.1可編程控制器的歷史與發(fā)展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(lái)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)算等操作的命令，并通過(guò)數(shù)字式模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充功能的原則而設(shè)計(jì)。1.1可編程控制器的歷史與發(fā)展

目前世界上生產(chǎn)十大品牌PLC的著名公司：

美國(guó)艾倫-布拉德利公司（A-B：Allen-Bradley）

德國(guó)西門(mén)子公司（Siemens）法國(guó)的施耐德公司（TE：Telemecanique）美國(guó)GE－Fanuc公司日本歐姆龍公司（OMRON）

日本三菱公司（MITSUBISHI）

日本富士電機(jī)公司（FujiElectric）日本東芝公司（TOSHIBA）日本的光洋電子（KOYO）和中國(guó)的華光電子(CKE）日本松下電工公司（MEW）我國(guó)PLC的生產(chǎn)廠家我國(guó)的PLC生產(chǎn)目前也有一定的發(fā)展，小型PLC已批量生產(chǎn)，中型PLC已有產(chǎn)品，大型PLC已開(kāi)始研制。國(guó)內(nèi)PLC形成產(chǎn)品化的生產(chǎn)企業(yè)約30多家，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品市場(chǎng)占有率不超過(guò)10%。主要生產(chǎn)單位有：蘇州電子計(jì)算機(jī)廠、蘇州機(jī)床電器廠、上海蘭星電氣有限公司、天津市自動(dòng)化儀表廠、杭州通靈控制電腦公司、北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化所和江蘇嘉華實(shí)業(yè)有限公司等。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在價(jià)格上占有明顯的優(yōu)勢(shì)。

世界最大的PLC生產(chǎn)廠家在全球PLC制造商中,根據(jù)美國(guó)AutomationResearchCorp(ARC)調(diào)查,世界PLC領(lǐng)導(dǎo)廠家的五霸分別為西門(mén)子公司、A-B公司、施耐德公司、三菱公司和歐姆龍公司。他們的銷售額約占全球總銷售額的三分之二。

GlobalplayersTotalsalesin2004:7’000Mio€Source:ARCResearch,2005-10MarketshareMicro:15to128I/OpointsMedium:128-512I/OpointsLarge:>512I/OpointsNano:<15I/OpointsPC-basedSoftwarePLCEmbeddedcontrol32%29%20%7%6%4%2%%installedPLCsSource:ControlEngineering,ReedResearch,2002-091.2可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu)1.2可編程控制器的特點(diǎn)

可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)

通用性強(qiáng)，使用方便

模塊化結(jié)構(gòu)，組合靈活

編程簡(jiǎn)單，易學(xué)易用

體積小，重量輕，能耗低

系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建造工作量小，改造容易1.3可編程控制器的應(yīng)用

開(kāi)關(guān)邏輯控制

運(yùn)動(dòng)控制

閉環(huán)過(guò)程控制

數(shù)據(jù)處理

通訊及聯(lián)網(wǎng)1.3可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域1.3可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域1.3可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域1.3可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域1.3可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域1.3可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域1.3可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域1.3可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域1.3可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域1.3可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域1.4可編程控制器的發(fā)展前景速度更快、存儲(chǔ)容量更大、可靠性更高向超小型和超大型方向發(fā)展規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，出現(xiàn)通用編程語(yǔ)言通訊、聯(lián)網(wǎng)能力更強(qiáng)，與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組網(wǎng)出現(xiàn)PLC品牌壟斷國(guó)際市場(chǎng)的局面技術(shù)規(guī)模產(chǎn)品通訊市場(chǎng)大型化和小型化三菱公司推出12點(diǎn)的PLC產(chǎn)品，立石公司推出的C20、C40H、C60P等小型PLC產(chǎn)品

GOLD公司的584L－PC的I/O點(diǎn)多達(dá)8192個(gè)。

莫迪康公司的984～785型的PLC的最大I/O點(diǎn)數(shù)已達(dá)到16384點(diǎn)。I/O點(diǎn)數(shù)小于

32為微型PLC；I/O點(diǎn)數(shù)在32～128為微小型PLC；I/O點(diǎn)數(shù)在128～256為小型PLC；I/O點(diǎn)數(shù)在256～1024為中型PLC；I/O點(diǎn)數(shù)大于1024為大型PLC；I/O點(diǎn)數(shù)在4000以上為超大型PLC。以上劃分不包括模擬量I/O點(diǎn)數(shù)，且劃分界限不是固定不變的。向大記憶容量，快處理速度發(fā)展記憶容量由過(guò)去的64K，已增加到500K以上，Triconxw公司的Faulttolerant型機(jī)記憶容量為512K，InteractiveMicroware公司的MFC03型記憶容量為848K，ASEA公司的Terpiece200/1型機(jī)記憶容量到4MB

記憶芯片過(guò)去主要是隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、可擦寫(xiě)可編程只讀存儲(chǔ)器（EPROM），今后主要是電可擦寫(xiě)可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）、UVEPROM、BATRAM、FLASH等

發(fā)展故障診斷技術(shù)和容錯(cuò)技術(shù)故障智能診斷方法：智能可編程I/O系統(tǒng)，供用戶了解I/O組件的狀態(tài)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的故障；故障監(jiān)測(cè)程序；共回路遠(yuǎn)程診斷和網(wǎng)絡(luò)診斷技術(shù)等。容錯(cuò)功能，如雙機(jī)熱備、自動(dòng)切換I/O

、雙機(jī)表決（當(dāng)輸出狀態(tài)與PLC邏輯狀態(tài)相比較出錯(cuò)時(shí)，會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)該輸出）和I/O三重表決（當(dāng)輸出狀態(tài)進(jìn)行軟件硬件表決，取2個(gè)相同的）

第二章PLC硬件與工作原理可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)第二章可編程控制器的硬件構(gòu)成及工作原理2.1可編程控制器的硬件構(gòu)成2.2可編程控制器的工作原理2.1可編程控制器的硬件構(gòu)成2.1可編程控制器的硬件構(gòu)成可編程控制器主機(jī)可編程控制器編程器2.1可編程控制器的硬件構(gòu)成2.1.1CPU模塊2.1.2輸入輸出接口電路2.1.3電源2.1.4外部設(shè)備2.1可編程控制器的硬件構(gòu)成PLC由CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口、內(nèi)部電源和編程設(shè)備幾部分構(gòu)成2.1.1CPU模塊接受、存儲(chǔ)用戶程序；按掃描工作方式接收來(lái)自輸入單元的數(shù)據(jù)和信息，并存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)；執(zhí)行監(jiān)控程序和用戶程序，完成數(shù)據(jù)和信息的邏輯處理，產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)部控制信號(hào)，完成用戶指令規(guī)定的各種操作；響應(yīng)外部設(shè)備的請(qǐng)求。CPU是PLC的運(yùn)算控制中心，它在系統(tǒng)程序的控制下，完成邏輯運(yùn)算、數(shù)學(xué)運(yùn)算、協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部各部分的工作，其具體作用是：CPU模塊（中央處理器+存儲(chǔ)器）2.1.1CPU模塊RAM：隨機(jī)存儲(chǔ)器，可讀可寫(xiě)，沒(méi)有斷電保持功能。ROM：只讀存儲(chǔ)器，只讀，不能寫(xiě)。RAM存放用戶程序ROM存放系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序和運(yùn)行中的數(shù)據(jù)。包括只讀存儲(chǔ)器(ROM)和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)。EPROM：可擦除程序的只讀存儲(chǔ)器，用紫外線照射芯片上的透鏡窗口，可以擦除已寫(xiě)入的內(nèi)容，而寫(xiě)入新的程序。EEPROM：可電擦除的只讀存儲(chǔ)器，兼有ROM的非易失性和RAM的隨機(jī)存取的優(yōu)點(diǎn)。2.1.2輸入輸出接口輸入輸出接口是PLC與工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)各類信號(hào)連接的部分。

輸入接口用來(lái)接受生產(chǎn)過(guò)程的各種參數(shù)（輸入信號(hào)）。

輸出接口用來(lái)送出可編程控制器運(yùn)算后得出的控制信息（輸出信號(hào)），并通過(guò)機(jī)外的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各類控制。為了適應(yīng)可編程控制器在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工作，對(duì)輸入輸出接口有兩個(gè)主要的要求：

良好的抗干擾能力能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各類信號(hào)的匹配要求開(kāi)關(guān)量輸入接口其作用是把現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)變成可編程控制器內(nèi)部處理的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

開(kāi)關(guān)量輸入接口按可接納的外部信號(hào)電源的類型不同，分為直流輸入單元和交流輸入單元。2.1.2輸入輸出接口1.開(kāi)關(guān)量輸入接口1.開(kāi)關(guān)量輸入接口2.1.2輸入輸出接口2.1.2輸入輸出接口

開(kāi)關(guān)量輸出接口，其作用是把PLC的內(nèi)部信號(hào)轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各種開(kāi)關(guān)信號(hào)。繼電器型的輸出接口，可用于交流及直流兩種電源，接通和斷開(kāi)的頻率低，帶負(fù)載能力強(qiáng)；晶體管型的輸出接口有較高的接通斷開(kāi)頻率，但只適用于直流驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合；可控硅型的輸出接口僅用于交流驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合，適用快速、頻繁動(dòng)作和大電流的場(chǎng)合。2.開(kāi)關(guān)量輸出接口開(kāi)關(guān)量輸出接口按可編程控制器機(jī)內(nèi)使用的器件不同，分為繼電器型、晶體管型和可控硅型。2.開(kāi)關(guān)量輸出接口2.1.2輸入輸出接口2.1.2輸入輸出接口

３．模擬量輸入接口（A／D模塊）

模擬量輸入接口把現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)變化的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合可編程控制器內(nèi)部處理的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。模擬量信號(hào)輸入后一般經(jīng)運(yùn)算放大器放大后進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，再經(jīng)光電耦合后為可編程控制器提供一定位數(shù)的數(shù)字量信號(hào)。2.1.2輸入輸出接口2.1.2輸入輸出接口４．模擬量輸出接口（

D／A模塊）模擬量輸出接口將PLC運(yùn)算處理后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量信號(hào)輸出，以滿足生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)控制信號(hào)的需求。模擬量輸出接口一般由光電隔離、D／A轉(zhuǎn)換和信號(hào)驅(qū)動(dòng)等環(huán)節(jié)組成。５．智能輸入輸出接口（特殊功能模塊）2.1.2輸入輸出接口為了適應(yīng)更復(fù)雜的控制工作的需要，可編程控制器還有一些智能控制單元，如PID單元、高速計(jì)數(shù)器單元、溫度控制單元、通信單元、定位單元、位置控制器等。特殊功能模塊都是獨(dú)立的工作單元，它們和普通輸入輸出接口的區(qū)別在于都帶有獨(dú)立的CPU，有專門(mén)的處理能力。溫度傳感器箔、熱電偶、溫度調(diào)節(jié)模塊脈沖發(fā)生單元軸控制器2.1.2輸入輸出接口6．輸入設(shè)備2.1.2輸入輸出接口7．輸出設(shè)備2.1.3電源可編程控制器的電源包括:*

為可編程控制器各工作單元供電的開(kāi)關(guān)電源*為掉電保護(hù)電路供電的后備電源，一般為電池2.1.4外部設(shè)備

可編程控制器一般可配備的外部設(shè)備：

編程器盒式磁帶機(jī)，用以記錄程序或信息打印機(jī)，用以打印程序或制表

EPROM寫(xiě)入器，用以將程序?qū)懭胗脩鬍PROM中高分辨率大屏幕彩色圖形監(jiān)控系統(tǒng)，用以顯示或監(jiān)視有關(guān)部分的運(yùn)行狀態(tài)2.1.4外部設(shè)備Processcontrols:2.1.4外部設(shè)備2.2可編程控制器的工作原理2.2.1掃描工作方式2.2.2程序執(zhí)行過(guò)程2.2.3輸入／輸出的處理規(guī)則2.2.4信息刷新方式2.2.5輸入／輸出滯后時(shí)間2.2.1掃描工作方式PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，這個(gè)過(guò)程可分為內(nèi)部處理、通信服務(wù)、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理幾個(gè)階段，整個(gè)過(guò)程掃描一次所需要的時(shí)間稱為掃描周期。簡(jiǎn)單直觀，簡(jiǎn)化了程序的設(shè)計(jì)，并為PLC的可靠運(yùn)行提供了保證。系統(tǒng)監(jiān)視定時(shí)器WDT可監(jiān)視每次掃描的時(shí)間，并在每個(gè)掃描周期內(nèi)都要對(duì)WDT進(jìn)行復(fù)位操作。如果系統(tǒng)的硬件或用戶軟件發(fā)生了故障，WDT就會(huì)超時(shí)自動(dòng)報(bào)警，并停止PLC的運(yùn)行，從而避免了程序進(jìn)入死循環(huán)的故障。

2.2.2程序執(zhí)行過(guò)程輸入采樣程序執(zhí)行輸出處理一個(gè)掃描周期●●●Y0Y1Yn輸入映像寄存器①采樣元件映像寄存器③寫(xiě)⑤寫(xiě)④讀X0Y0Y0M0●●●●●●輸出鎖存電路輸出端子輸入端子●●●②讀●●●X0X1Xn⑥刷新2.2.2程序執(zhí)行過(guò)程程序執(zhí)行階段，PLC對(duì)程序按順序進(jìn)行掃描；如果程序用梯形圖表示，則總是按先左后右、先上后下的順序進(jìn)行掃描；每掃描到一條指令時(shí)，所需要的輸入元件狀態(tài)或其它元件的狀態(tài)分別由輸入映像寄存器和元件映像寄存器中讀出，而將執(zhí)行結(jié)果寫(xiě)入到元件映像寄存器中；元件映像寄存器中寄存的內(nèi)容，隨程序執(zhí)行的進(jìn)程而動(dòng)態(tài)變化。2.2.2程序執(zhí)行過(guò)程

輸出刷新階段：程序執(zhí)行完后，進(jìn)入輸出刷新階段。此時(shí)，將元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)轉(zhuǎn)存到輸出鎖存寄存器，再去驅(qū)動(dòng)用戶輸出設(shè)備（負(fù)載），這就是PLC的實(shí)際輸出。

掃描周期：

PLC重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)過(guò)程，每重復(fù)一次的時(shí)間就是一個(gè)工作周期（或掃描周期）。工作周期的長(zhǎng)短與程序的長(zhǎng)短、指令的種類和CPU執(zhí)行的速度有關(guān)。一個(gè)掃描過(guò)程中，執(zhí)行指令程序的時(shí)間占了絕大部分。PLC在每次掃描中，對(duì)輸入信號(hào)采樣一次，對(duì)輸出信號(hào)刷新一次