可編程控制器的基本知識哈爾濱理工大學(xué)

1、4/15/20222可編程序控制器問世于1969年。是美國汽車制造工業(yè)激烈競爭的結(jié)果。更新汽車型號必然要求加工生產(chǎn)線改變。正是從汽車制造業(yè)開始了對傳統(tǒng)繼電器控制的挑戰(zhàn)。1968年美國General Motors公司，要求制造商為其裝配線提供一種新型的通用程序控制器，并提出10項招標(biāo)指標(biāo)。這就是著名的GM 10條。第一章 可編程控制器的基本知識第一節(jié)第一節(jié) 可編程控制器的產(chǎn)生和發(fā)展可編程控制器的產(chǎn)生和發(fā)展一、可編程控制器的產(chǎn)生4/15/20223編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序；可靠性高于繼電器控制柜；體積小于繼電器控制柜；維護(hù)方便，最好是插件式；可將數(shù)據(jù)直接送入管理計算機(jī)；在成本上可與繼電器控制柜競

2、爭；輸入可以是交流115V；輸出為交流115V、2A以上，能直接驅(qū)動電磁閥等；在擴(kuò)展時，原系統(tǒng)只需很小變更；用戶程序存貯器容量至少能擴(kuò)展到4K。GM10條是可編程序控制器出現(xiàn)的直接原因：4/15/20224可編程控制器的發(fā)展及定義 1969年，美國數(shù)據(jù)設(shè)備公司(DEC)研制出世界上第一臺可編程控制器，并成功地應(yīng)用在GM公司的生產(chǎn)線上。這一時期它主要用于順序控制，只能進(jìn)行邏輯運算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱 70年代后期，隨著微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使PLC從開關(guān)量的邏輯控制擴(kuò)展到數(shù)字控制及生產(chǎn)過程控制領(lǐng)域，真正成為一種電子計算機(jī)工業(yè)控制裝置，故稱為可編程控制器，簡稱PC(Progr

3、ammable Controller)。但由于PC容易和個人計算機(jī) (Personal Computer)相混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用PLC作為可編程控制器的縮寫。4/15/20225 1985年1月： “可編程序控制器是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)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(jī)械或生產(chǎn)過程?？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)成一個整體，易于擴(kuò)充的原則設(shè)計”。4/15/20226PLC與傳統(tǒng)的繼電器邏輯相比 可靠性高、邏輯功能強(qiáng)、體積小。在需

4、要大量中間繼電器、時間繼電器及計數(shù)繼電器的場合，PLC 無需增加硬設(shè)備。 隨著要求的變更隨著要求的變更PLC對程序修改方便。繼電器線路要想改變控制功能，必須變更硬接線，對程序修改方便。繼電器線路要想改變控制功能，必須變更硬接線，靈活性差。靈活性差。 具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能，可附加高性能模塊對模擬量進(jìn)行處理，實現(xiàn)各種復(fù)雜控制功能。 4/15/20227PLC與工業(yè)控制計算機(jī)相比 PLCPLC繼承了繼電器系統(tǒng)的基本格式和習(xí)慣，繼承了繼電器系統(tǒng)的基本格式和習(xí)慣，對于有繼電器系統(tǒng)方面知識和經(jīng)驗的人來說，尤其是現(xiàn)場的技術(shù)人員，學(xué)習(xí)起來十分方便。 PLC一般是由電氣控制器的制造廠家研制生產(chǎn)，各廠家的產(chǎn)品不通用。

5、工業(yè)控制機(jī)各廠家的產(chǎn)品不通用。工業(yè)控制機(jī)是由通用計算機(jī)推廣應(yīng)用發(fā)展起來的，一般由微機(jī)廠、芯片及板卡制造廠開發(fā)生產(chǎn)。它在硬件結(jié)構(gòu)方面的突出優(yōu)點是總線標(biāo)準(zhǔn)化程度高，產(chǎn)品兼容性強(qiáng)?？偩€標(biāo)準(zhǔn)化程度高，產(chǎn)品兼容性強(qiáng)。 PLC的運行方式與工業(yè)控制機(jī)不同，微機(jī)的許多軟件不能直接使用。微機(jī)的許多軟件不能直接使用。工業(yè)控制機(jī)可使用通用微機(jī)的各種編程語言，對要求快速、實時性強(qiáng)、模型復(fù)雜的工業(yè)對象的控制占有優(yōu)勢。但它要求使用者具有一定的計算機(jī)專業(yè)知識。 4/15/20228PLC和工業(yè)控制機(jī)都是專為工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境而設(shè)計的。 都具有很高的可靠性。都具有很高的可靠性。PLC一般具有模塊結(jié)構(gòu)，可以針對不同的對象進(jìn)行組合

6、和擴(kuò)展?？梢葬槍Σ煌膶ο筮M(jìn)行組合和擴(kuò)展。 4/15/20229 第二節(jié) 可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)PLCPLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)I I/ /O O擴(kuò)擴(kuò)展展單單元元I I/ /O O擴(kuò)擴(kuò)展展接接口口 中中央央處處理理單單元元 ( (C CP PU U) )輸輸入入接接口口輸輸出出接接口口限限位位開開關(guān)關(guān)手手動動開開關(guān)關(guān)編編碼碼器器數(shù)數(shù)字字開開關(guān)關(guān)電電源源外外部部設(shè)設(shè)備備接接口口存存儲儲器器系系統(tǒng)統(tǒng)程程序序用用戶戶程程序序數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)編編程程器器上上位位計計算算機(jī)機(jī)圖圖形形監(jiān)監(jiān)控控系系統(tǒng)統(tǒng)打打印印機(jī)機(jī)E EP PR RO OM M寫寫入入器器盒盒式式磁磁帶帶機(jī)機(jī)條條碼碼判判讀讀機(jī)機(jī)電電源源電電磁磁閥閥

7、繼繼電電器器指指示示燈燈蜂蜂鳴鳴器器4/15/202210PLC各部分的作用 CPU診斷PLC電源、內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編制程序中的語法錯誤。采集現(xiàn)場的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并送人PLC的寄存器中。逐條讀取指令，完成各種運算和操作。 將處理結(jié)果送至輸出端。 響應(yīng)各種外部設(shè)備的工作請求。 4/15/202211PLC各部分的作用存儲器存儲器 系統(tǒng)程序存儲器系統(tǒng)程序存儲器：用以存放系統(tǒng)管理程序、監(jiān)控程序及系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)。PLC出廠前已將其固化在只讀存儲器ROM或PROM中，用戶不能更改。用戶存儲器：用戶存儲器：包括用戶程序存儲區(qū)及工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)。這類存儲器一般由低功耗的CMOS-RAM構(gòu)成，其中的存儲內(nèi)容可讀

8、出并更改。 PLC產(chǎn)品手冊中給出的“存儲器類型”和“程序容量”是針對用戶程序存儲器而言的。4/15/202212PLC各部分的作用輸入輸出接口電路輸入輸出接口電路輸入接口電路輸入接口電路：采用光電耦合電路，將限位開關(guān)、手動開關(guān)、編碼器等現(xiàn)場輸入設(shè)備的控制信號轉(zhuǎn)換成CPU所能接受和處理的數(shù)字信號。 PLC的輸入接口電路（直流輸入型） 4/15/202213PLC各部分的作用輸出接口電路：輸出接口電路：采用光電耦合電路，將將CPUCPU處理過的信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強(qiáng)電信號輸出，處理過的信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強(qiáng)電信號輸出，以驅(qū)動接觸器、電磁閥等外部設(shè)備的通斷電。有三種類型： 內(nèi)內(nèi)部部電電路路L LE

9、ED DL L: :負(fù)負(fù)載載C CO OM ML LL L輸輸出出端端子子繼電器輸出型繼電器輸出型繼電器輸出型：為有觸點輸出方式，用于接通或斷開開關(guān)頻率較低的直流負(fù)載或交開關(guān)頻率較低的直流負(fù)載或交流負(fù)載回路流負(fù)載回路。4/15/202214內(nèi)內(nèi)部部電電路路L LE ED D輸輸出出端端子子L L: :負(fù)負(fù)載載C CO OM ML LL L（b） 晶閘管輸出型L L: :負(fù)負(fù) 載載輸輸 出出 端端 子子L LE ED D內(nèi)內(nèi)部部電電路路C CO OM ML LL L（c） 晶體管輸出型（NPN集電極開路）輸輸 出出 端端 子子L LE ED D內(nèi)內(nèi)部部電電路路C CO OM ML L: :負(fù)負(fù)

10、載載L LL L（d） 晶體管輸出型（PNP集電極開路）晶體管輸出型晶體管輸出型：為無觸點輸出方式，用于接通或斷開開關(guān)頻率較高的直流電源負(fù)載。晶閘管輸出型：晶閘管輸出型：為無觸點輸出方式，用于接通或斷開開關(guān)頻率較高的交流電源負(fù)載。4/15/202215電源電源 PLC的電源的電源是指將外部輸入的交流電處理后轉(zhuǎn)換成滿足PLC的CPU、存儲器、輸人輸出接口等內(nèi)部電路工作需要的直流電源電路或電源模塊。許多PLC的直流電源采用直流開關(guān)穩(wěn)壓電源，不僅可提供多路獨立的電壓供內(nèi)部電路使用，而且還可為輸入設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)電源。 4/15/202216手持編程器手持編程器 手持編程器采用助記符語言編程助記符語言編程

11、，具有編輯、檢索、修改程序、進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置、內(nèi)存監(jiān)控等功能?？梢粰C(jī)多用，具有使用方便、價格低廉的特點。缺點：不夠直觀缺點：不夠直觀 可通過PLC的RS232外設(shè)通訊口(或RS422口配以適配器)與計算機(jī)聯(lián)機(jī)，利用專用工具軟利用專用工具軟件件（NPSTGR、FPSOFT、FPWINGR）對對PLCPLC進(jìn)行編程和監(jiān)控進(jìn)行編程和監(jiān)控。利用計算機(jī)進(jìn)行編程和監(jiān)控比手持編程工具更加直觀和方便。4/15/202217輸入輸出輸入輸出I I0 0擴(kuò)展接口擴(kuò)展接口 若主機(jī)單元的IO點數(shù)不能滿足需要時，可通過此接口用扁平電纜線將IO擴(kuò)展單元與主機(jī)相連，以增加IO點數(shù)。PLC的最大擴(kuò)展能力主要受CPU尋址能力和主機(jī)

12、驅(qū)動能力的限制。 4/15/202218 第三節(jié) 可編程控制器的原理及 技術(shù)性能PLCPLC的基本工作原理的基本工作原理 微機(jī)：等待命令等待命令的工作方式 PLC：循環(huán)掃描循環(huán)掃描的工作方式一 CPU從第一條指令開始按指令步序號作周期性的循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令,則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。4/15/202219 一個掃描周期主要分為三個階段：一個掃描周期主要分為三個階段： 輸入刷新階段 程序執(zhí)行階段 1.輸出刷新階段 輸 入 刷新 程序執(zhí)行輸 出 刷新一 個 掃 描 周期輸 入 刷新 PLC的掃描工作

13、過程用戶輸出設(shè)備輸入端子輸入鎖存器輸入映象寄存器輸出映象寄存器輸出鎖存器輸出端子程序執(zhí)行用戶輸入設(shè)備寫讀讀4/15/202220PLC的基本工作原理 由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進(jìn)行的，所以亦將這兩個階段統(tǒng)稱為IO刷新階段。實際上，除了執(zhí)行程序和IO刷新外，PLC還要進(jìn)行各種錯誤檢測(自診斷功能)并與編程工具通訊，這些操作統(tǒng)稱為“監(jiān)視服務(wù)”。 掃描周期的長短主要取決于程序的長短。 由于每一個掃描周期只進(jìn)行一次I0刷新，故使系統(tǒng)存在輸入、輸出滯后現(xiàn)象。存在輸入、輸出滯后現(xiàn)象。這對于一般的開關(guān)量控制系統(tǒng)不但不會造成影響，反而可以反而可以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。但對于

14、控制時間要求較嚴(yán)格、響應(yīng)速度要求較快的系統(tǒng)，就需要精心編制程序，必要時采用一些特殊功能，以減少因掃描周期造成的響應(yīng)滯后。4/15/202221PLC的主要技術(shù)指標(biāo)輸入輸出點數(shù)（I/O點數(shù)）內(nèi)存容量 注意：注意： “內(nèi)存容量”實際是指用戶程序容量，不包括系統(tǒng)程序存儲器的容量。 掃描速度 (單位：msk或s/步。 )指令條數(shù) 內(nèi)部繼電器和寄存器數(shù)目 編程語言及編程手段 高級模塊 主控模塊可實現(xiàn)基本控制功能，高級模塊可實現(xiàn)一些特殊的專門功能。高級模塊可實現(xiàn)一些特殊的專門功能。如AD和DA轉(zhuǎn)換模塊等 。 4/15/202222PLC的內(nèi)存分配及IO點數(shù)I I0 0繼電器區(qū)：繼電器區(qū)： I0區(qū)的寄存器可

15、直接與可直接與PLCPLC外部的輸入、輸出端子傳遞信息，外部的輸入、輸出端子傳遞信息，具有“繼電器”的功能，有自己的“線圈”和“觸點”。故常稱為“I0繼電器區(qū)”。內(nèi)部通用繼電器區(qū)：內(nèi)部通用繼電器區(qū)：只能在只能在PLCPLC內(nèi)部使用，內(nèi)部使用，其作用與中間繼電器相似，在程序控制中可存放中間變量。 數(shù)據(jù)寄存器區(qū)數(shù)據(jù)寄存器區(qū) ：只能按字使用只能按字使用，不能按位使用。一般只用來存放各種數(shù)據(jù)存放各種數(shù)據(jù)。 特殊繼電器、寄存器區(qū)特殊繼電器、寄存器區(qū) ：被系統(tǒng)內(nèi)部占用被系統(tǒng)內(nèi)部占用，專門用于某些特殊目的，一般不能由用戶任意不能由用戶任意占用占用。 系統(tǒng)寄存器區(qū)：系統(tǒng)寄存器區(qū)：用來存放各種重要信息和參數(shù)。存

16、放各種重要信息和參數(shù)。通過用戶程序，不能讀取和修改系統(tǒng)寄存器的內(nèi)容。 4/15/202223 第四節(jié) PLC的分類及功能PLC的分類按結(jié)構(gòu)形式分類按結(jié)構(gòu)形式分類整體式模塊式 按功能分類低檔機(jī)中檔機(jī) 高檔機(jī) 分分 類類I0點數(shù)點數(shù)程序容量程序容量超小型機(jī)超小型機(jī)64點以內(nèi)點以內(nèi)2561000字節(jié)字節(jié)小型機(jī)小型機(jī)6425613.6K字節(jié)字節(jié)中型機(jī)中型機(jī)25620483.613K字節(jié)字節(jié)大型機(jī)大型機(jī)2048以上以上13K字節(jié)以上字節(jié)以上 3. 按按I IO O點數(shù)和程序容量分類點數(shù)和程序容量分類4/15/202224PLC的主要功能條件控制功能定時計數(shù)控制功能 數(shù)據(jù)處理功能 步進(jìn)控制功能 A AD

17、D與與D DA A轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)換功能 運動控制功能 過程控制功能 擴(kuò)展功能擴(kuò)展功能 遠(yuǎn)程I0功能 通信聯(lián)網(wǎng)功能 監(jiān)控功能 4/15/202225 第五節(jié) PLC的特點、應(yīng)用場合和發(fā)展趨勢PLCPLC的主要特點的主要特點可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。主要有以下幾個方面： 隔離隔離( (采用光電耦合器采用光電耦合器 ) )濾波 對PLC的內(nèi)部電源采取了屏蔽、穩(wěn)壓、保護(hù)等措施。 設(shè)置了連鎖、環(huán)境檢測與診斷、Watchdog等電路。 利用系統(tǒng)軟件定期進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)、用戶程序、工作環(huán)境和故障檢測。對用戶程序及動態(tài)工作數(shù)據(jù)進(jìn)行電池備份。 采用密封、防塵、抗振的外殼封裝結(jié)構(gòu)。采用密封、防塵、抗振的外殼封裝結(jié)構(gòu)。 一

18、以集成電路為基本元件，內(nèi)部處理過程不依賴于機(jī)械觸點。采用循環(huán)掃描的工作方式采用循環(huán)掃描的工作方式，也提高了抗干擾能力。 4/15/202226可實現(xiàn)三電一體化 將電控(邏輯控制)、電儀(過程控制)和電結(jié)(運動控制)集于一體，可以方便、靈活地組合成各種不同規(guī)模和要求的控制系統(tǒng)。 編程簡單、使用方便、柔性好編程簡單、使用方便、柔性好體積小、重量輕、功耗低4/15/202227PLC的應(yīng)用場合邏輯控制邏輯控制 ：可取代傳統(tǒng)繼電器系統(tǒng)和順序控制器。如各種機(jī)床、自動電梯、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線、運輸和檢測等的控制。 運動控制運動控制 ：可用于精密金屬切削機(jī)床、機(jī)械手、機(jī)器人等設(shè)備的控制。 過程控制過程控

19、制 ：通過配用AD、DA轉(zhuǎn)換模塊及智能PID模塊實現(xiàn)對生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、速度等連續(xù)變化的模擬量進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 多級控制 ：利用PLC的網(wǎng)絡(luò)通信功能模塊及遠(yuǎn)程IO控制模塊實現(xiàn)多臺PLC之間、PLC與上位計算機(jī)的鏈接，以完成較大規(guī)模的復(fù)雜控制。 4/15/202228可編程控制器的發(fā)展趨勢在系統(tǒng)構(gòu)成規(guī)模上向大、小兩個方向發(fā)展向大、小兩個方向發(fā)展；功能不斷增強(qiáng)，各種應(yīng)用模塊不斷推出 ；產(chǎn)品更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化 。4/15/202229 第六節(jié) PLC的幾種編程語言 不采用微機(jī)的編程語言，采用梯形圖語言、指令助記符語言、控制系統(tǒng)流程圖語言、布爾代數(shù)語言等。其中梯形圖、指令助記符