可編程控制器概課件

第三章可編程序控制器概述10/6/202010/6/202010/3/20231本章主要內(nèi)容3.1PLC的產(chǎn)生和定義3.2PLC的主要功能及特點3.3PLC的應用和發(fā)展3.4PLC的分類3.5PLC的系統(tǒng)組成3.6PLC與其它控制系統(tǒng)的區(qū)別3.7PLC的工作原理3.8PLC的編程語言10/6/202010/6/202010/3/202323．1．1PLC的產(chǎn)生--GM10條(1)編程簡單，可現(xiàn)場修改程序；(2)維修方便，最好是插件式結構；(3)可靠性高于繼電器控制裝置；(4)體積小于繼電器控制裝置；(5)數(shù)據(jù)可以直接輸入管理計算機；(6)可以直接用交流115V；(7)輸出為交流115V,容量要求2A以上,可直接驅(qū)動電磁閥、接觸器等負載；(8)通用性強，易擴展，擴展時原系統(tǒng)只需很少變更；(9)用戶存貯器容量大于4KB；(10)性能價格比可與繼電器控制裝置競爭。3．1PLC的產(chǎn)生與定義10/6/202010/6/202010/3/20233

3.1.2PLC的定義

早期的可編程控制器主要是用來替代繼電器控制系統(tǒng)的，因此功能較為簡單，只能進行開關量邏輯控制，稱為可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController）,簡稱PLC?！翱删幊炭刂破魇且环N數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境而設計.它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出,控制各種類型機械的生產(chǎn)過程。而有關的外圍設備,都應按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體,易于擴充其功能的原則設計.”可以認為PLC實質(zhì)是一臺工業(yè)控制用計算機。10/6/202010/6/202010/3/20234(一)PLC的功能1.開關邏輯和順序控制2.模擬控制（A/D和D/A控制）3.定時/計數(shù)控制4.步進控制5．運動控制6.數(shù)據(jù)處理7.通信聯(lián)網(wǎng)

3．2PLC的功能特點10/6/202010/6/202010/3/20235

（二）PLC的特點1.編程簡單,易于使用；2．可靠性高，抗干擾能力強；3.控制系統(tǒng)結構簡單，通用性強；4.功能完善；5.設計、施工和調(diào)試的周期短；6.體積小、重量輕、功耗低，維護操作方便；7.易于實現(xiàn)機電一體化。10/6/202010/6/202010/3/20236硬件方面措施：(1)隔離(2)濾波(3)在PLC內(nèi)部對CPU供電電源采取屏蔽、穩(wěn)壓、保護等措施.(4)內(nèi)部設置連鎖、故障檢測與診斷等電路，一旦發(fā)生故障就報警。(5)外部采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結構，以適應惡劣環(huán)境。軟件方面措施：設置數(shù)字濾波、故障檢測與診斷程序，發(fā)現(xiàn)錯誤立即處理（封鎖輸出、報警、保護數(shù)據(jù)）.10/6/202010/6/202010/3/202373.3PLC的應用與發(fā)展3.3.1PLC的發(fā)展狀況3.3.2PLC的發(fā)展趨勢1.向小型化、專業(yè)化、低成本方向發(fā)展;2.向大容量,高速度方向發(fā)展;3.智能型I/O模塊的發(fā)展;4.基于PC的編程軟件取代編程器;5.PLC編程語言的標準化;6.PLC通信的易用化;7.組態(tài)軟件與PLC的軟件化;8.PLC與現(xiàn)場總線相結合10/6/202010/6/202010/3/20238一方面向著大型化的方向發(fā)展，一方面則向著小型化的方向發(fā)展。PLC向大型化方向發(fā)展，主要表現(xiàn)在大中型PLC高功能、大容量、智能化、網(wǎng)絡化發(fā)展，使之能與計算機組成集成控制系統(tǒng)，對大規(guī)模、復雜系統(tǒng)進行綜合的自動控制。PLC向小型化方向發(fā)展，主要表現(xiàn)在下列幾個方面：為了減小體積、降低成本，向高性能的整體型發(fā)展；在提高系統(tǒng)可靠性的基礎上，產(chǎn)品的體積越來越小，功能越來越強；應用的專業(yè)性，使得控制質(zhì)量大大提高?？删幊绦蚩刂破鞯陌l(fā)展趨勢10/6/202010/6/202010/3/20239常用PLC的生產(chǎn)廠家日本立石（OMRON）公司的C系列可編程序控制器；日本三菱（MITSUBISHI）公司的F、F1、F2、FX2系列可編程序控制器；日本松下（PANASONIC）電工公司的FP1系列可編程序控制器；美國通用電氣（GE）公司的GE系列可編程序控制器；美國艾論—布拉德利（A--B）公司的PLC-5系列可編程序控制器；德國西門子（SIEMENS）公司的S5、S7系列可編程序控制器。10/6/202010/6/202010/3/202310國產(chǎn)P111G-MC2型PLC國產(chǎn)SOC-48NE2型PLC

國產(chǎn)JH120H型PLC

日本FX型PLC美國通用PLC日本松下PLC合資產(chǎn)品歐姆龍PLC德國西門子PLC10/6/202010/6/202010/3/2023113.3.3PLC的應用領域PLC已廣泛應用于鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工、電力、機械制造、汽車、裝卸、紡織、環(huán)保和娛樂等行業(yè)。PLC的應用范圍可分成5種類型。（1）順序控制如印刷機械、包裝機械、機床裝配生產(chǎn)線及電梯控制等。（2）運動控制PLC把描述目標位置的數(shù)據(jù)送給模塊，其輸出移動一軸或數(shù)軸到目標位置。（3）過程控制PLC還能控制大量的過程參數(shù)，如溫度、流量、壓力和液位。一個具有PID控制能力的PLC可用于過程控制。（4）數(shù)據(jù)處理在機械加工中,PLC作為主要的控制與管理系統(tǒng)可以完成大量的數(shù)據(jù)處理工作。（5）通信網(wǎng)絡10/6/202010/6/202010/3/202312PLC的應用領域傳送帶生產(chǎn)線控制灌裝及包裝機械木材加工電梯控制空調(diào)控制紡織機械印刷機械10/6/202010/6/202010/3/2023133.4 PLC的分類一、按點數(shù)和功能分類（1）超小型機 ：I/O點數(shù)為64點以內(nèi)，內(nèi)存容量為256～1000字節(jié)；（2）小型機：I/O點數(shù)為64～256，內(nèi)存容量為1～3.6K字節(jié)；（3）中型機：I/O點數(shù)為256～1024，內(nèi)存容量為3.6～13K字節(jié)；（4）大型機：I/O點數(shù)為1024以上，內(nèi)存容量為13K字節(jié)以上；10/6/202010/6/202010/3/202314二、按結構形式分類（1）整體式結構一般的小型及超小型PLC多為整體式結構，這種可編程序控制器是把CPU、RAM、ROM、I/O接口及與編程器或EPROM寫入器相連的接口、輸入/輸出端子、電源、指示燈等都裝配在一起的整體裝置。西門子公司的S7-200系列PLC為整體式結構。（2）模塊式結構模塊式結構又叫積木式。這種結構形式的特點是把PLC的每個工作單元都制成獨立的模塊，如CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊、通信模塊等。常見產(chǎn)品有OMRON公司的C200H、C1000H、C2000H，西門子公司的S5-115U、S7-300、S7-400系列等。10/6/202010/6/202010/3/20231510/6/202010/6/202010/3/202316

3.5PLC的系統(tǒng)組成

PLC專為工業(yè)現(xiàn)場應用而設計，采用了典型的計算機結構，它主要是由CPU、電源、存儲器和專門設計的輸入/輸出接口電路等組成。PLC的結構框圖如圖所示：

圖3.1PLC結構框圖10/6/202010/6/202010/3/202317

1.中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)一般由控制器、運算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個芯片上。CPU通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲單元、輸入/輸出接口電路相連接。它的主要功能有以下幾點：①接收從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)，送入存儲器存儲；②用掃描方式接收輸入設備的狀態(tài)信號，并存入相應的數(shù)據(jù)區(qū)；③監(jiān)測和診斷電源、PLC內(nèi)部電路工作狀態(tài)和用戶程序編程過程中的語法錯誤；④執(zhí)行用戶程序，完成各種數(shù)據(jù)的運算、傳遞和存儲等功能；⑤根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結果，刷新有關標志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器表的內(nèi)容，以實現(xiàn)輸出控制、制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。PLC常用的CPU芯片有通用微處理器、單片機和位片式微處理器。PLC的檔次越高，所用的CPU的位數(shù)也越多，運算速度也越快，功能越強。10/6/202010/6/202010/3/202318

2.存儲器

PLC的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩部分。系統(tǒng)存儲器存放系統(tǒng)程序，并固化到ROM內(nèi)，用戶不能直接更改。它使PLC具有基本功能，能夠完成PLC設計者規(guī)定的各項工作。其內(nèi)容主要包括三部分。第一部分為系統(tǒng)管理程序；第二部分為用戶指令解釋程序；第三部分為標準程序模塊與系統(tǒng)調(diào)用。用戶存儲器用來存放用戶編制的控制程序。它包括用戶程序存儲器（程序區(qū)）和數(shù)據(jù)存儲器（數(shù)據(jù)區(qū)）兩部分。PLC常用的存儲器類型三種：（1）隨機存取存儲器（RAM）（2）只讀存儲器（ROM）（3）可電擦除可編程只讀存儲器EPROM、EEPROM10/6/202010/6/202010/3/202319

3.輸入/輸出單元

PLC的輸入/輸出信號類型可以是開關量和模擬量。輸入單元接收來自用戶設備的各種控制信號，通過接口電路將這些信號轉(zhuǎn)換成中央處理器能夠識別和處理的信號，并存到輸入映像寄存器。運行時CPU從輸入映像寄存器讀取輸入信息并進行處理，將處理結果放到輸出映像寄存器。輸出映像寄存器由輸出點相對應的觸發(fā)器組成，輸出接口電路將其由弱電控制信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以驅(qū)動被控設備的執(zhí)行元件。常用開關量輸入/輸出接口電路有：（1）輸入接口電路通常PLC的輸入類型可以是直流、交流和交直流。輸入電路的電源可由外部供給，有的也可由PLC內(nèi)部提供。

10/6/202010/6/202010/3/202320圖3.2直流輸入接口電路圖3.3交流輸入接口電路10/6/202010/6/202010/3/202321(2)輸出接口電路輸出接口電路按輸出開關器件的種類分通常有三種類型:繼電器輸出型、晶體管輸出型和晶閘管輸出型。每種輸出電路都采用電氣隔離技術，電源由外部提供，輸出電流一般為0.5～2A。它只能帶直流負載，屬于直流輸出方式，直流電源由用戶提供。特點：壽命長、無噪音、可靠性高、可以高速通斷，頻率響應快，響應時間為0.2ms能滿足一些直流負載的特殊要求.如直流電機、電器和高速電磁閥的驅(qū)動等，但其價格高，過載能力差。①晶體管輸出：如圖示10/6/202010/6/202010/3/202322

②晶閘管輸出：如圖示晶閘管輸出也是無觸點輸出，它采用光觸發(fā)型雙向晶閘管。它屬于交流輸出方式，只能帶交流負載。交流電源由用戶提供。特點：響應速度快,響應時間為1ms以下,壽命長,可驅(qū)動交流負載,但過載能力差.特點:它耐受電壓范圍寬,導通壓降小,價格便宜。即可控制交流負載，也可控制直流負載，但其機械觸點壽命短，轉(zhuǎn)換頻率低，響應時間平均為10ms，觸點斷開時有電弧產(chǎn)生，容易產(chǎn)生干擾。③繼電器輸出:如圖示4.電源部件

5.編程器6.擴展接口7.通信接口8.其它部件10/6/202010/6/202010/3/2023231.控制邏輯繼電器控制邏輯采用硬接線邏輯，而PLC采用存儲器邏輯，其控制邏輯以程序方式存儲在內(nèi)存中，要改變控制邏輯，只需改變程序即可，故稱為“軟接線”。2.工作方式前者屬于并行工作方式，PLC屬于串行工作方式。3.可靠性和可維護性4.控制速度5.定時控制6.設計和施工PLC與繼電器控制系統(tǒng)的比較PLC與單片機的比較PLC與工業(yè)控制計算機的比較3.6PLC與其他控制系統(tǒng)的區(qū)別10/6/202010/6/202010/3/2023243.7PLC的工作原理3.7.1PLC的工作方式與運行框圖

10/6/202010/6/202010/3/202325

PLC是以分時操作方式來處理各項任務的,程序的執(zhí)行是按順序依次完成相應各電器的動作,它屬于串行工作方式.PLC是按集中輸入、集中輸出，周期性循環(huán)順序掃描的方式工作的,每一次掃描所用的時間為掃描周期或工作周期.PLC工作的全過程可用如圖3-7所示的運行框圖來表示.一個掃描周期的五個階段：內(nèi)部處理→與編程器等的通信處理→輸入掃描→執(zhí)行用戶程序→輸出處理。PLC運行正常時,掃描周期與CPU的運算速度、I/O點的情況、用戶應用程序的長短等有關。10/6/202010/6/202010/3/202326PLC的運行框圖:10/6/202010/6/202010/3/2023273.7.2PLC工作過程的中心內(nèi)容輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新這三個階段是PLC工作過程的中心內(nèi)容。PLC典型的掃描工作過程如圖所示：輸入采樣階段程序執(zhí)行階段輸出刷新階段掃描周期10/6/202010/6/202010/3/202328

1.輸入采樣階段：在輸入采樣階段，PLC以掃描方式按順序?qū)⑺休斎攵说妮斎胄盘枲顟B(tài)（“0”或“1”，表現(xiàn)在接線端子上是否承受外加電壓）讀入輸入映像寄存器中，這個過程稱為對輸入信號的采樣，接著轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。在輸入采樣階段結束后，即使輸入信號狀態(tài)發(fā)生改變，輸入映像寄存器中的狀態(tài)也不會發(fā)生改變。10/6/202010/6/202010/3/2023292．程序執(zhí)行階段:

在程序執(zhí)行階段，PLC對程序按順序進行掃描，又稱程序處理階段。如果程序用梯形圖表示，則總是按先上后下、先左后右的順序?qū)τ山狱c構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結果，刷新輸出映像寄存器區(qū)或系統(tǒng)RAM區(qū)對應位的狀態(tài)。在程序執(zhí)行階段，只有輸入映像寄存器區(qū)存放的輸入采樣值不會發(fā)生改變，其他各種元素在輸出映像寄存器區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能隨著程序的執(zhí)行隨時發(fā)生改變。3.輸出刷新階段：當程序執(zhí)行后進入輸出刷新階段。此時將輸出映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，再通過輸出端驅(qū)動用戶輸出設備（負載）。10/6/202010/6/202010/3/2023303.7.3PLC對輸入、輸出的處理原則PLC在輸入/輸出處理方面必須遵守的一般原則：(1)輸入映像寄存器中的數(shù)據(jù)，取決于輸入端子板上各輸入點在上一刷新期間的接通和斷開的狀態(tài)。(2)程序執(zhí)行結果取決于用戶所編程序和輸入/輸出映像寄存器的內(nèi)容及其他各元件映像寄存器的內(nèi)容。(3)輸出映像寄存器的數(shù)據(jù)取決于輸出指令的執(zhí)行結果。(4)輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)，由上一個掃描周期輸出刷新階段輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)決定。(5)輸出端子的接通和斷開狀態(tài)，由輸出鎖存器決定。10/6/202010/6/202010/3/2023313.8PLC的編程語言3.8.1