第一章可編程控制器基礎(chǔ)知識(shí)講述

第一章可編程控制器基礎(chǔ)知識(shí)講述本課程基本情況專業(yè)課先修課程：電子電路基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)后續(xù)課程：教材《原理與應(yīng)用》李樹雄編北京航空航天大學(xué)出版社2006年10月第一版2/2/20232課程主要內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法可編程控制器的基礎(chǔ)知識(shí)：類比；識(shí)記1的指令系統(tǒng)：要求基本指令熟悉1可編程控制器、編程工具簡(jiǎn)介：應(yīng)用程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用：方法

2/2/20233

目錄

第一章可編程控制器礎(chǔ)知識(shí)

第二章1可編程控制器的規(guī)格、性能及系統(tǒng)構(gòu)成

第三章1的指令系統(tǒng)

第四章1的特殊功能及高級(jí)模塊

第五章程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用舉例

第六章編程工具2/2/20234第一章可編程控制器基礎(chǔ)知識(shí)1.1可編程序控制器()的歷史與發(fā)展1.2的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域1.3的一般構(gòu)成和基本工作原理1.4的編程語(yǔ)言1.5的性能指標(biāo)與分類2/2/20235第一章可編程控制器基礎(chǔ)知識(shí)1.1可編程控制器的歷史和發(fā)展●1.1.1可編程控制器的產(chǎn)生與歷史繼電器控制系統(tǒng)的特點(diǎn)缺點(diǎn)：體積大、可靠性低、查找故障困難、接線復(fù)雜、對(duì)生產(chǎn)工藝變化性的適應(yīng)性差。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單易懂、操作方便、價(jià)格便宜。2/2/2023620世紀(jì)60年代，由于小型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和大規(guī)模生產(chǎn)及多機(jī)群控的發(fā)展，人們?cè)噲D用小型計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電接觸器控制。1968年美國(guó)公司，為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要，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(xiàng)招標(biāo)指標(biāo)。這就是著名的10條。2/2/20237編程簡(jiǎn)單，可在現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算機(jī)；在成本上可與繼電器控制柜競(jìng)爭(zhēng)；輸入可以是交流115V；輸出為交流115V、2A以上，能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥等；在擴(kuò)展時(shí)，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。10條是可編程序控制器出現(xiàn)的直接原因：2/2/20238可編程控制器的發(fā)展大體可分為以下幾個(gè)階段：第1階段：可編程控制器剛問(wèn)世時(shí)，功能十分簡(jiǎn)單，只有邏輯運(yùn)算，定時(shí)，計(jì)數(shù)等功能。

第2階段：集成電路技術(shù)的發(fā)展及微處理器的產(chǎn)生，使技術(shù)得到了較大的發(fā)展。

第3階段：?jiǎn)纹?jì)算機(jī)的出現(xiàn)，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)以及大規(guī)模集成電路的使用，推進(jìn)了的進(jìn)一步發(fā)展，使其演變成專用的工業(yè)計(jì)算機(jī)。2/2/20239可編程控制器的發(fā)展大體可分為以下幾個(gè)階段：第4階段：計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展及超大規(guī)模集成電路、門陣列電路的使用、促使完全計(jì)算機(jī)化。第5階段：(精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))芯片在計(jì)算機(jī)行業(yè)大量使用，表面貼裝技術(shù)和工藝已成熟，這些使整機(jī)的體積大大縮小，開始大量使用16位和32位的微處理器芯片，有的已使用芯片。2/2/202310●1.1.2可編程控制器的發(fā)展及定義1969年，美國(guó)數(shù)據(jù)設(shè)備公司()研制出世界上第一臺(tái)可編程控制器，并成功地應(yīng)用在公司的生產(chǎn)線上。這一時(shí)期它主要用于順序控制，只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算，故稱為可編程邏輯控制器，簡(jiǎn)稱()。70年代后期，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使從開關(guān)量的邏輯控制擴(kuò)展到數(shù)字控制及生產(chǎn)過(guò)程控制領(lǐng)域，真正成為一種電子計(jì)算機(jī)工業(yè)控制裝置，故稱為可編程控制器，簡(jiǎn)稱()。但由于容易和個(gè)人計(jì)算機(jī)()相混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用作為可編程控制器的縮寫。2/2/2023111985年1月國(guó)際電工委員會(huì)的定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，專為工業(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)充的原則設(shè)計(jì)”。2/2/202312●1.1.3的發(fā)展趨勢(shì) 3.產(chǎn)品規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化2/2/2023131.2的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域1.2.1的主要特點(diǎn)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。主要有以下幾個(gè)方面：隔離(采用光電耦合器)濾波對(duì)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(cè)與診斷、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(cè)。對(duì)用戶程序及動(dòng)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)。以集成電路為基本元件，內(nèi)部處理過(guò)程不依賴于機(jī)械觸點(diǎn)。采用循環(huán)掃描的工作方式，也提高了抗干擾能力。2/2/2023142.編程簡(jiǎn)單、使用方便、柔性好 易學(xué)易懂的梯形圖語(yǔ)言 類似計(jì)算機(jī)匯編語(yǔ)言的助記符語(yǔ)言3.通用性好互換性好，擴(kuò)展功能強(qiáng)4.功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)三電一體化將電控(邏輯控制)、電儀(過(guò)程控制)和電結(jié)(運(yùn)動(dòng)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)。5.體積小、重量輕、功耗低2/2/2023156.設(shè)計(jì)施工周期短由于用軟件取代繼電接觸器控制系統(tǒng)中的大量中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等低壓電器，使整個(gè)的設(shè)計(jì)、安裝、接線工作量大大減少。程序設(shè)計(jì)和硬件施工可以同時(shí)進(jìn)行，因而大大縮短了施工周期。

2/2/2023161.2.2的應(yīng)用領(lǐng)域開關(guān)量的邏輯控制：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(dòng)電梯、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線、運(yùn)輸和檢測(cè)等的控制。而且輸入、輸出的點(diǎn)數(shù)不受限制。機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(guò)程控制（模擬量控制）：通過(guò)配用A／D、D／A轉(zhuǎn)換模塊及智能模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)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：很強(qiáng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送等。多級(jí)控制：利用的網(wǎng)絡(luò)通信功能模塊及遠(yuǎn)程I／O控制模塊實(shí)現(xiàn)多臺(tái)之間、與上位計(jì)算機(jī)的鏈接，以完成較大規(guī)模的復(fù)雜控制。2/2/2023171.３的一般構(gòu)成和基本工作原理1.3.1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電磁閥電磁線圈指示燈電源I/O擴(kuò)展接口I/O擴(kuò)展單元CPU存儲(chǔ)器用戶程序系統(tǒng)程序輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出接口外部設(shè)備接口輸入接口編程器數(shù)據(jù)打印機(jī)磁帶機(jī)計(jì)算機(jī)掃描儀主機(jī)PLC按鈕行程開關(guān)觸點(diǎn)外部設(shè)備2/2/202318●各部分的作用診斷電源、內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編制程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。采集現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并送入的寄存器中存儲(chǔ)起來(lái)。（讀入數(shù)據(jù)／指令）按存放指令的順序，逐條讀取指令，完成各種運(yùn)算和操作。（指令翻譯）執(zhí)行指令規(guī)定的操作，并將處理結(jié)果送至輸出端。（指令執(zhí)行）響應(yīng)各種外部設(shè)備的工作請(qǐng)求。（中斷輸入）2/2/202319●各部分的作用存儲(chǔ)器系統(tǒng)程序存儲(chǔ)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)。出廠前已將其固化在只讀存儲(chǔ)器或中，用戶不能更改。用戶存儲(chǔ)器：包括用戶程序存儲(chǔ)區(qū)及工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。這類存儲(chǔ)器一般由低功耗的構(gòu)成，其中的存儲(chǔ)內(nèi)容可讀出并更改。注意：產(chǎn)品手冊(cè)中給出的“存儲(chǔ)器類型”和“程序容量”是針對(duì)用戶程序存儲(chǔ)器而言的。2/2/202320●各部分的作用輸入、輸出接口電路（１）輸入接口電路：采用光電耦合電路，將限位開關(guān)、手動(dòng)開關(guān)、編碼器等現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成所能接受和處理的數(shù)字信號(hào)。的輸入接口電路（直流輸入型）2/2/202321●各部分的作用（２）輸出接口電路：采用光電耦合電路，將處理過(guò)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)需要的強(qiáng)電信號(hào)輸出，以驅(qū)動(dòng)接觸器、電磁閥等外部設(shè)備的通斷電。有三種類型：

（a)繼電器輸出型繼電器輸出型：為有觸點(diǎn)輸出方式，用于接通或斷開開關(guān)頻率較低的直流負(fù)載或交流負(fù)載回路。2/2/202322（b）晶閘管輸出型（c）晶體管輸出型（NPN集電極開路）（d）晶體管輸出型（PNP集電極開路）晶體管輸出型：為無(wú)觸點(diǎn)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：為無(wú)觸點(diǎn)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。2/2/202323電源的電源是指將外部輸入的交流電處理后轉(zhuǎn)換成滿足的、存儲(chǔ)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(dú)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。

2/2/202324手持編程器（外設(shè)接口）手持編程器采用助記符語(yǔ)言編程，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(jià)格低廉的特點(diǎn)。外設(shè)接口還可以連接多種設(shè)備諸如：打印機(jī)、掃描儀等。缺點(diǎn)：不夠直觀可通過(guò)的232外設(shè)通訊口(或422口配以適配器)與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，利用專用工具軟件（－、、－）對(duì)進(jìn)行編程和監(jiān)控。利用計(jì)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。2/2/202325I／0擴(kuò)展接口若主機(jī)單元的I／O點(diǎn)數(shù)不能滿足需要時(shí)，可通過(guò)此接口用扁平電纜線將I／O擴(kuò)展單元與主機(jī)相連，以增加I／O點(diǎn)數(shù)。的最大擴(kuò)展能力主要受尋址能力和主機(jī)驅(qū)動(dòng)能力的限制。2/2/2023261.3.２基本工作原理與普通微機(jī)在許多方面有相似之處，但其工作方式卻與微機(jī)有很大的不同。微機(jī)：等待命令的工作方式。如在常見(jiàn)的鍵盤掃描方式或掃描方式下，有鍵按下或動(dòng)作，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序;無(wú)鍵按下或I／O不動(dòng)作,則處于等待狀態(tài)。：循環(huán)掃描的工作方式。從第一條指令開始按指令步序號(hào)作周期性的循環(huán)掃描，如果無(wú)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(gè)循環(huán)稱為一個(gè)掃描周期。如下圖所示：2/2/202327圖１循環(huán)掃描工作示意圖2/2/202328一個(gè)掃描周期主要分為三個(gè)階段：輸入采樣階段程序執(zhí)行階段輸出刷新階段輸入刷新程序執(zhí)行輸出刷新一個(gè)掃描周期輸入刷新的掃描工作過(guò)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2/2/202329圖２工作過(guò)程框圖第1階段：自診斷。第2階段：檢查是否有與編程器或計(jì)算機(jī)的通信請(qǐng)求。第3階段：的中央處理器對(duì)各個(gè)輸入端進(jìn)行掃描，將輸入端的狀態(tài)送 到輸入狀態(tài)寄存器中，這一階段也稱為輸入信號(hào)采樣階段。第4階段：中央處理器將指令逐條調(diào)出并執(zhí)行，以對(duì)輸入和原輸出狀態(tài) (這些狀態(tài)統(tǒng)稱為數(shù)據(jù))進(jìn)行“處理”，即按程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行邏 輯、算術(shù)運(yùn)算、再將正確的結(jié)果送到輸出狀態(tài)寄存器中，這就 是執(zhí)行用戶程序階段。第5階段：所有的指令執(zhí)行完畢后，集中把輸出狀態(tài)寄存器的狀態(tài)通過(guò)輸 出部件轉(zhuǎn)換成被控設(shè)備所能接受的電壓或電流信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)被 控設(shè)備，這一階段也稱為輸出刷新階段。2/2/202330說(shuō)明：●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(gè)階段統(tǒng)稱為I／O刷新階段。實(shí)際上，除了執(zhí)行程序和I／O刷新外，還要進(jìn)行各種錯(cuò)誤檢測(cè)(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)”。一般在程序執(zhí)行后進(jìn)行?！駫呙柚芷诘拈L(zhǎng)短主要取決于程序的長(zhǎng)短。由于每一個(gè)掃描周期只進(jìn)行一次I／0刷新，故使系統(tǒng)存在輸入、輸出滯后現(xiàn)象。這對(duì)于一般的開關(guān)量控制系統(tǒng)不但不會(huì)造成影響，反而可以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。但對(duì)于控制時(shí)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(shí)采用一些特殊功能，以減少因掃描周期造成的響應(yīng)滯后。2/2/2023311.4的編程語(yǔ)言

不采用微機(jī)的編程語(yǔ)言，采用梯形圖語(yǔ)言、指令助記符語(yǔ)言、控制系統(tǒng)流程圖語(yǔ)言、布爾代數(shù)語(yǔ)言等。其中梯形圖、指令助記符語(yǔ)言最為常用。的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)至今尚無(wú)國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家所用語(yǔ)言和符號(hào)也不盡相同。但它們的梯形圖語(yǔ)言的基本結(jié)構(gòu)和功能是大同小異的。2/2/2023321.4.1梯形圖語(yǔ)言梯形圖是在原繼電器—接觸器控制系統(tǒng)的繼電器梯形圖基礎(chǔ)上演變而來(lái)的一種圖形語(yǔ)言。它是目前用得最多的編程語(yǔ)言。作為一種圖形語(yǔ)言，它是將ＰＬＣ內(nèi)部的各種編程元件和各種具有特定功能的命令用專用圖形符號(hào)定義，并按控制要求將有關(guān)圖形符號(hào)按一定規(guī)律連接起來(lái)，構(gòu)成描述輸入、輸出之間控制關(guān)系的圖形。這種圖形就稱為ＰＬＣ的梯形圖。梯形圖是由電氣符號(hào)、線圈和觸點(diǎn)等組成。 常開觸點(diǎn)：常閉觸點(diǎn)：

線圈：2/2/202333注意：梯形圖表示的并不是一個(gè)實(shí)際電路而只是一個(gè)控制程序，其間的連線表示的是它們之間的邏輯關(guān)系，即所謂“軟接線”。它們并非是物理實(shí)體，而是“軟繼電器”。每個(gè)“軟繼電器”僅對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)單元中的一位。該位狀態(tài)為“1”時(shí)，對(duì)應(yīng)的繼電器線圈接通，其常開觸點(diǎn)閉合、常閉觸點(diǎn)斷開；狀態(tài)為“0”時(shí)，對(duì)應(yīng)的繼電器線圈不通，其常開、常閉觸點(diǎn)保持原態(tài)。X0X1Y0Y0(b)PLC梯形圖（a）繼電器接觸器線路圖2/2/2023341.4.2助記符語(yǔ)言助記符語(yǔ)言類似于計(jì)算機(jī)匯編語(yǔ)言，用一些簡(jiǎn)潔易記的文字符號(hào)表達(dá)的各種指令。同一廠家的產(chǎn)品，其助記符語(yǔ)言與梯形圖語(yǔ)言是相互對(duì)應(yīng)的，可互相轉(zhuǎn)換。助記符語(yǔ)言包含2個(gè)部分:操作碼、操作數(shù)操作碼表明該指令執(zhí)行的操作種類：如數(shù)據(jù)傳送、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算等。操作數(shù)一般是由標(biāo)識(shí)符和參數(shù)組成。如：X0Y0X1Y0

助記符語(yǔ)言常用于手持編程器中，梯形圖語(yǔ)言則多用于計(jì)算機(jī)編程環(huán)境中。X0X1Y0Y0(b)PLC梯形圖2/2/202335

1.4.3邏輯功能圖（略）

參見(jiàn)P4142

2/2/2023361.5的性能指標(biāo)與分類1.5.1的主要性能指標(biāo)點(diǎn)數(shù)輸入、輸出端子的個(gè)數(shù)。這些端子可以通過(guò)鑼釘與外部設(shè)備相連接。點(diǎn)數(shù)是的重要指標(biāo)。點(diǎn)數(shù)越多表明可以與外部相連的設(shè)備越多，控制規(guī)模越大。點(diǎn)數(shù)包括：主機(jī)點(diǎn)數(shù)和最大擴(kuò)展點(diǎn)