可編程序控制器的組成及原理

可編程序控制器的組成及原理第1頁(yè)/共22頁(yè)2023/3/2321968年GM(美國(guó)通用汽車)為改造控制設(shè)備招標(biāo)的技術(shù)要求編程方便，可現(xiàn)場(chǎng)修改程序；維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)；可靠性高于繼電器控制系統(tǒng)；體積小于繼電器控制柜；數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī)；成本可與繼電器控制系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)；輸入可為市電；輸出可為市電，輸出電流要求在2A以上，可直接驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器等；系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，原系統(tǒng)變更最小；用戶存儲(chǔ)器容量大于4KB1969年DEC研制出第一臺(tái)PLC----PDP-14招標(biāo)技術(shù)要求了解PLCPLC的誕生

第2頁(yè)/共22頁(yè)2023/3/233定義:了解PLC國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)于1987年對(duì)可編程序控制器作了如下定義：“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)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字、模擬的輸入和輸出，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)充功能的原則設(shè)計(jì)”。新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置自動(dòng)化技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)通信技術(shù)微處理器繼電器控制和計(jì)算機(jī)控制早期的可編程序控制器在功能上只能進(jìn)行邏輯控制，因而稱為可編程序邏輯控制器(ProgrammableLogicController)，簡(jiǎn)稱PLC。隨著技術(shù)的進(jìn)步，其控制功能不斷增強(qiáng)，現(xiàn)在的可編程序控制還可進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算、模擬量控制，因此美國(guó)電氣制造協(xié)會(huì)(NEMA)于1980年將它正式命名為可編程序控制器(ProgrammableController)簡(jiǎn)稱為PC。但是近年來(lái)PC又成為個(gè)人計(jì)算機(jī)(PersonalComputer)的簡(jiǎn)稱，為了加以區(qū)別，現(xiàn)在把可編程序控制器又稱為PLC。

第3頁(yè)/共22頁(yè)2023/3/234·1969年，美國(guó)研制出世界第一臺(tái)PDP-14·1971年，日本研制出第一臺(tái)DCS-8·1973年，德國(guó)研制出第一臺(tái)PLC·1974年，中國(guó)研制出第一臺(tái)PLC----始于60年代末美國(guó)首先研制和使用可編程序控制器以后，世界各國(guó)特別是日本和聯(lián)邦德國(guó)也相繼開(kāi)發(fā)了各自的PLC（70年代中期出現(xiàn)了微處理器并被應(yīng)用到可編程序控制器后，PLC的功能日趨完善，特別是它的小型化、高可靠性和低價(jià)格，使它在現(xiàn)代工業(yè)控制中嶄露頭角）。----展于到80年代初PLC的應(yīng)用已在工業(yè)控制領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位。PLC控制技術(shù)已在世界范圍內(nèi)廣為流行，國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)相當(dāng)激烈，產(chǎn)品更新很快，換代周期約為3～5年。----成于90年代后工業(yè)控制領(lǐng)域幾乎全被PLC占領(lǐng)。國(guó)外專家預(yù)言，PLC技術(shù)將在工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱(PLC、機(jī)器人和CAD／CAM)中躍居首位。

發(fā)展:

(現(xiàn)狀，方向（小型化、大型化、機(jī)電一體化、通訊和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化））我國(guó)：80年代初才開(kāi)始使用PLC，目前從國(guó)外引進(jìn)的PLC中使用較為普遍的有日本歐姆龍(OMRON)公司C系列、三菱公司FX系列、美國(guó)GE公司的GE系列和德國(guó)西門子公司S系列等。同時(shí)，國(guó)內(nèi)也在消化和引進(jìn)PLC技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)使用的PLC主要還是靠進(jìn)口和合資企業(yè)生產(chǎn)，但逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化是必然趨勢(shì)。PLC的著名品牌：美國(guó)A－B公司（Allen－Bradley）德國(guó)西門子公司（Siemens）美國(guó)GE－Fanuc公司美國(guó)的莫迪康（Modicon）法國(guó)的TE電器公司日本歐姆公司（OMRON）日本三菱電機(jī)株式會(huì)社（MITSUBISHI）日本富士電機(jī)株式會(huì)社（FujiElectric）日本東芝公司（TOSHIBA）PLC的國(guó)內(nèi)狀況：遼寧無(wú)線電二廠引進(jìn)德國(guó)西門子技術(shù)生產(chǎn)PLC；無(wú)錫電器和日本光洋合資生產(chǎn)的PLC;中美合資的廈門A—B公司生產(chǎn)的PLC；上海香島機(jī)電公司引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的PLC;上海OMRON公司;西安Siemens公司等。----方便靈活和小型化:工業(yè)上大多數(shù)的單機(jī)自動(dòng)控制只需要監(jiān)測(cè)控制參數(shù)和有限的動(dòng)作，不需要使用大型、強(qiáng)功能的PLC。為了滿足這一需要，PLC生產(chǎn)廠家?guī)缀醵奸_(kāi)發(fā)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便靈活的小型機(jī)，這是80年代以來(lái)發(fā)展最快的一類產(chǎn)品，小型機(jī)幾乎占了PLC市場(chǎng)的l／4。就應(yīng)用范圍和數(shù)量而言，小型機(jī)的應(yīng)用還遠(yuǎn)未達(dá)到飽和，今后還會(huì)有更大的應(yīng)用市場(chǎng)。----大容量和強(qiáng)功能化：大容量PLC輸入輸出點(diǎn)數(shù)在2048點(diǎn)以上，甚至有的達(dá)到5000～10000點(diǎn)。這類產(chǎn)品可以滿足鋼鐵工業(yè)、化學(xué)工業(yè)等大型企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的需要。這類產(chǎn)品大部分采用有高速運(yùn)算能力的片位式微處理器或強(qiáng)功能的16位、32位微處理器，而且常常采用多CPU結(jié)構(gòu)，用不同的CPU分別處理不同的控制任務(wù)以提高整機(jī)處理速度和增加各種功能。大型PLC一般具有較強(qiáng)的科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)通訊及聯(lián)網(wǎng)能力，有很高的運(yùn)行速度，并且有大量不同功能的智能模塊供選用，能方便地與計(jì)算機(jī)及別的控制器連成控制、管理網(wǎng)絡(luò)。它所配用的用戶存儲(chǔ)器容量都在16K以上，有的已達(dá)到幾百K。在總體上，PLC功能正在向通用計(jì)算機(jī)靠近。----機(jī)電一體化:可編程序控制器在機(jī)械行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，開(kāi)發(fā)大量機(jī)電技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)品和設(shè)備，是PLC發(fā)展的重要方向。機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械、電子、信息技術(shù)的融合，它的產(chǎn)品通常由機(jī)械本體、微電子裝置、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。機(jī)械本體和微電子裝置是機(jī)電一體化的基本構(gòu)成要素。為了適應(yīng)機(jī)電一體化產(chǎn)品的需要，PLC應(yīng)該增強(qiáng)功能，增大存儲(chǔ)量和加快處理速度，并且進(jìn)一步縮小體積，加強(qiáng)堅(jiān)固性和密封性，進(jìn)一步提高可靠性及易維護(hù)性。----通訊和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化：隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，必然會(huì)使PLC從單機(jī)自動(dòng)化向全廠生產(chǎn)自動(dòng)化過(guò)渡。這就要求各個(gè)PLC之間以及PLC與計(jì)算機(jī)或其他控制設(shè)備之間能迅速、準(zhǔn)確、及時(shí)地互通信息，以便能步調(diào)一致地進(jìn)行控制和管理。80年代初，美國(guó)通用汽車公司倡議采用制造自動(dòng)化通訊的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)(MAP)。MAP作為一種高效能、低價(jià)格的通訊標(biāo)準(zhǔn)，在生產(chǎn)自動(dòng)化、管理自動(dòng)化中已確立了自己的地位。通訊和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。----軟件國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化:

IEC61131-3(北美及歐洲約50%客戶要求)了解PLC第4頁(yè)/共22頁(yè)2023/3/235分類:

(按容量和功能來(lái)分，大致可分為小型、中型和大型三類)----小型機(jī):（<=250點(diǎn)）小型PLC的功能一般以開(kāi)關(guān)量控制為主，它們的輸入／輸出點(diǎn)數(shù)適合于接觸器、繼電器控制的場(chǎng)合，還能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥等執(zhí)行元件。這類裝置具有上百個(gè)內(nèi)部輔助繼電器，它是內(nèi)存中的一個(gè)單元，可以起到記憶中間狀態(tài)的作用，并且還具有計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、寄存器等功能。這類PLC的特點(diǎn)是價(jià)格低廉、體積小巧，適合于控制單臺(tái)設(shè)備，開(kāi)發(fā)機(jī)電一體化產(chǎn)品。這類小型機(jī)有日本三菱公司的FX2N/F—40，歐姆龍公司的C—60P，富士公司的NB2—90，美國(guó)德州儀器公司的TI—100，通用電氣公司的GE—I，(也有小型機(jī)帶模擬量控制，如西門子公司S5—100U，S7—200)。------中型機(jī):（256～2048點(diǎn)）中型PLC不僅具有開(kāi)關(guān)量和模擬量?jī)烧叩目刂乒δ?，還具有數(shù)字計(jì)算的能力。為了將溫度、壓力、流量等模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，一般都有8位或12位的A／D轉(zhuǎn)換器，而且在PLC內(nèi)也具有多路D／A轉(zhuǎn)換器。中型機(jī)的指令也比小型機(jī)豐富，在已固化程序內(nèi)，一般還具有比例、積分、微分調(diào)節(jié)，整數(shù)／浮點(diǎn)運(yùn)算，二進(jìn)制／BCD轉(zhuǎn)換等功能模塊供用戶使用。中型機(jī)適用于有溫度控制和開(kāi)關(guān)動(dòng)作要求復(fù)雜的機(jī)械以及連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程控制場(chǎng)合。了解PLC-----大型機(jī):（>=2048點(diǎn)）

大型PLC已經(jīng)與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相近，它具有計(jì)算、控制和調(diào)節(jié)的功能，還具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通訊聯(lián)網(wǎng)能力。這類機(jī)型的控制點(diǎn)數(shù)一般都在1000以上，內(nèi)存容量超過(guò)640K，監(jiān)視系統(tǒng)采用CRT顯示，能夠表示過(guò)程的動(dòng)態(tài)流程、各種記錄曲線，PID調(diào)節(jié)參數(shù)選擇圖，配備多種智能板，構(gòu)成一臺(tái)多功能系統(tǒng)。這種系統(tǒng)還可以和其他型號(hào)的控制器互連，和上位機(jī)相連，組成一個(gè)集中分散的生產(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量控制系統(tǒng)。大型機(jī)適用于設(shè)備自動(dòng)化控制、過(guò)程自動(dòng)化控制和過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)。第5頁(yè)/共22頁(yè)2023/3/236-----整體式結(jié)構(gòu)

一般小型機(jī)都采用整體式結(jié)構(gòu)。它的中央處理單元、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口和電源都裝在一個(gè)金屬或塑料機(jī)殼中，結(jié)構(gòu)非常緊湊。機(jī)箱的上、下兩側(cè)分別安裝輸入、輸出接線端子及電源進(jìn)線，并有相應(yīng)的發(fā)光二極管顯示輸入／輸出狀態(tài)。面板上留有編程器插座、EPROM插座、擴(kuò)展單元的接口插座等?；締卧蛿U(kuò)展單元之間用扁平電纜連接。整體式PLC一般還配備許多專用的特殊功能單元，如位置控制單元、數(shù)據(jù)輸入單元等，使PLC的功能得到擴(kuò)展。分類:

(按硬件結(jié)構(gòu)來(lái)分，大致可分為整體式、插件式和疊裝式三類)-----

插件式結(jié)構(gòu):

大中型PLC，為了擴(kuò)展方便，大多采用插件式結(jié)構(gòu)，部分小型機(jī)也采用此結(jié)構(gòu)。這種PLC由框架和模塊組成，框架上有電源和開(kāi)關(guān)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)供電。模塊插在模塊插座上，而后者焊在框架中的總線連接板上。PLC的電源可能是單獨(dú)的模塊，也可能做在CPU模塊中。如果一個(gè)框架容納不下所選用的模塊，可利用擴(kuò)展插座連接多個(gè)框架，各框架之間用I／O擴(kuò)展電纜相連?？蚣苌嫌械刂烽_(kāi)關(guān)以便系統(tǒng)識(shí)別。S7-400模塊式PLC了解PLC-----

疊裝式結(jié)構(gòu):這種結(jié)構(gòu)形式吸收了整體式和插件式PLC的優(yōu)點(diǎn)。它的基本單元、擴(kuò)展單元的模塊寬、高相等，但長(zhǎng)度不同。它們不采用基板，僅用扁平電纜連接。緊密拼裝后組成一個(gè)整齊的長(zhǎng)方體，輸入、輸出點(diǎn)數(shù)的配置也相當(dāng)靈活。采用這種結(jié)構(gòu)形式的有三菱公司的FX2系列等。第6頁(yè)/共22頁(yè)2023/3/237PLC的應(yīng)用領(lǐng)域:開(kāi)關(guān)量的邏輯控制；位置控制；過(guò)程控制；數(shù)據(jù)處理；通信聯(lián)網(wǎng)；了解PLC運(yùn)動(dòng)控制及安全控制第7頁(yè)/共22頁(yè)2023/3/238PLC的基本原理第8頁(yè)/共22頁(yè)2023/3/239PLC的結(jié)構(gòu)示意圖PLC的基本原理第9頁(yè)/共22頁(yè)2023/3/23101．中央處理單元(CPU)------整個(gè)PLC的核心PLC的基本原理

通用CPU:如8位（8080/8085/6800/Z80/51…）,16/32位,及奔騰CPU（S7-400）;單片CPU:

三菱FX2系列采用16位8098MCU位片式CPU:

4位一片，相連可組成任意長(zhǎng)度MCU2．存儲(chǔ)器(RAM,ROM,EPROM)

存儲(chǔ)器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序以及工作數(shù)據(jù)。存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器；存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器；存放工作數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器稱為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。第10頁(yè)/共22頁(yè)2023/3/2311PLC的輸出接口電路3．輸入、輸出接口電路輸入、輸出接口電路是PLC與現(xiàn)場(chǎng)I／O設(shè)備或其他外設(shè)之間的連接部件，它起著PLC和外圍設(shè)備之間傳遞信息的作用。輸入接口電路接收從按鈕開(kāi)關(guān)、選擇開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)等來(lái)的開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)和由電位器、熱電偶、測(cè)速發(fā)電機(jī)等來(lái)的連續(xù)變化的模擬量輸入信號(hào)，然后送入PLC。輸入接口電路一般由光電耦合電路。PLC的基本原理負(fù)載電源：AC250/DC30VDC5---30VAC85---242V負(fù)載電流：2A0.5A0.3A響應(yīng)時(shí)間：10ms0.2ms1/10ms(斷-通/通-斷)第11頁(yè)/共22頁(yè)2023/3/2312PLC的輸入接口電路PLC的基本原理第12頁(yè)/共22頁(yè)2023/3/2313第13頁(yè)/共22頁(yè)2023/3/2314第14頁(yè)/共22頁(yè)2023/3/2315輸入、輸出接線示例第15頁(yè)/共22頁(yè)2023/3/2316

4．電源單元

PLC的電源單元包括系統(tǒng)的電源及備用電池。系統(tǒng)電源220V允許在額定值的＋10％～－15％的范圍內(nèi)波動(dòng)（有些PLC還可為輸入電路和少量的外部電平檢測(cè)裝置提供24V直流電源）。備用電池(一般為鋰電池)用于掉電情況下保存程序存儲(chǔ)器、內(nèi)部保持標(biāo)志、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器并帶電池故障指示。

5．編程單元小型PLC常用簡(jiǎn)易編程器，大、中型PLC多用智能CRT編程器。

(1)在線(聯(lián)機(jī))編程方式編程器與PLC上的專用插座直接相連，程序可直接通過(guò)鍵盤輸入到PLC的用戶程序存儲(chǔ)器中。這種編程方式不但調(diào)試程序方便，而且還可監(jiān)視PLC內(nèi)部工作狀態(tài)。

(2)離線(脫機(jī))編程方式離線編程方式不影響PLC的現(xiàn)行工作。第16頁(yè)/共22頁(yè)2023/3/2317工作方式:PLC的基本原理第17頁(yè)/共22頁(yè)2023/3/2318輸入處理又叫輸入采樣。在此階段，順序讀入所有輸入端子的通斷狀態(tài)，并將讀入的信息存入內(nèi)存中所對(duì)應(yīng)的映像寄存器。在此輸入映像寄存器被刷新，接著進(jìn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行時(shí)，輸入映像寄存器與外界隔離，即使輸入信號(hào)發(fā)生變化，其映像寄存器的內(nèi)容也不會(huì)發(fā)生變化，只有在下一個(gè)掃描周期的輸入處理階段才能被讀入信息。

程序執(zhí)行階段根據(jù)PLC梯形圖程序掃描原則，按先左后右，先上后下的步序，逐句掃描，執(zhí)行程序。但遇到程序跳轉(zhuǎn)指令，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來(lái)決定程序的跳轉(zhuǎn)地址。

輸出處理也叫輸出刷新，程序執(zhí)行完畢后，將輸出映像寄存器中的寄存器的狀態(tài)，在輸出處理階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器，通過(guò)隔離電路，驅(qū)動(dòng)功率放大電路，使輸出端子向外界輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。PLC的基本原理第18頁(yè)/共22頁(yè)2023/3/2319

PLC采用循環(huán)掃描工作