第1章可編程序控制器基礎(chǔ)cxj

第一章可編程序控制器1.1可編程序控制器的基本概念與硬件結(jié)構(gòu)1.2可編程序控制器的特點(diǎn)、功能及性能指標(biāo)1.3可編程控制器的工作原理與編程語言1.4可編程序控制器的應(yīng)用及發(fā)展1.1可編程序控制器的基本概念與硬件結(jié)構(gòu)可編程序控制器的基本概念可編程序控制器的發(fā)展歷史可編程序控制器的硬件結(jié)構(gòu)

1.1.1可編程序控制器的基本概念什么是可編程序控制器？國際電工委員會(huì)（IEC）于1987年頒布了可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第三稿。在草案中對可編程序控制器定義如下：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，并通過數(shù)字式和模擬式是輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。

英文名：ProgrammableLogicController簡稱：PLCPLC的生產(chǎn)廠家德國生產(chǎn)PLC的主要廠商有：西門子（SIEMENS）公司，它生產(chǎn)S系列的PLC。1996年推出S7-400系列新產(chǎn)品、自帶人機(jī)界面的C7系列PLC等多種新產(chǎn)品。日本的三菱公司生產(chǎn)的F1系列PLC，近年來又推出了FX系列，如FX2、FX1、FX2N等等。東芝公司（EX系列PLC）、富士電機(jī)公司（NB、NJ、NS系列PLC）、松下公司（EP系列）、日本的立石（歐姆龍）公司。1.1.2可編程序控制器的發(fā)展歷史

60年代中期，通用汽車公司（GM）提出設(shè)想1969年，第一臺(tái)誕生于數(shù)字設(shè)備公司（DEC）1977年，我國第一臺(tái)我國最早廣泛用的企業(yè)：寶鋼、已有四代產(chǎn)品，功能逐步增強(qiáng)。世界第一臺(tái)PLC1969年由美國設(shè)備公司（DEC)根據(jù)美國通用汽車公司（GM）的要求研制成功背景：1968年美國通用汽車公司，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)和更換電器控制系統(tǒng)及接線，以降低成本，縮短周期。設(shè)計(jì)思想：吸取繼電器和計(jì)算機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)繼電器控制系統(tǒng)體積大、可靠性低、接線復(fù)雜、不易更改、查找和排除故障困難，對生產(chǎn)工藝變化的適應(yīng)性差，但簡單易懂、價(jià)格便宜；計(jì)算機(jī)功能強(qiáng)大，靈活（可編程）、通用性好，但編程困難；采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”進(jìn)行編程，使不熟悉計(jì)算機(jī)的人也能很快掌握使用（梯形圖）?？傊删幊炭刂破魇且慌_(tái)計(jì)算機(jī)，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，其硬件需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)編制（通用控制器）。

可編程序控制器（PLC，ProgrammableLogicController）是在傳統(tǒng)順序控制器的基礎(chǔ)上引入微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)等形成的新型工業(yè)控制裝置。它具有控制能力強(qiáng)、可靠性高、配置靈活、編程簡單等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用場合最多的工業(yè)控制裝置之一，也被公認(rèn)為是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱（PLC、機(jī)器人、CAD/CAM）之一。

1.1.3可編程序控制器的硬件結(jié)構(gòu)主機(jī)輸入/輸出（I/O）接口電源編程器輸入/輸出（I/O）擴(kuò)展接口外部I/O接口PLC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

主機(jī)CPU（運(yùn)算器、控制器）系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器用戶程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器CPU是PLC的控制中樞，CPU一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個(gè)芯片上。主要功能：運(yùn)行用戶程序、監(jiān)控輸入/輸出接口狀態(tài)、做出邏輯判斷和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即讀入輸入變量；執(zhí)行用戶指令，將結(jié)果送到輸出端；相應(yīng)外部設(shè)備（打印機(jī)、條碼掃面儀等）；內(nèi)部診斷。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器的作用：PLC的存儲(chǔ)器主要用于系統(tǒng)程序、用戶程序、數(shù)據(jù)的存放。存放系統(tǒng)軟件——系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器存放應(yīng)用軟件——用戶程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器的類型：可讀/可寫的隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM只讀存儲(chǔ)器ROM、PROM、EPROM等輸入/輸出（I/O）接口

輸入/輸出接口通常也稱為I/O單元后I/O模塊，是PLC與輸入/輸出設(shè)備連接的部件。

PLC輸入接口——用來接收和收集輸入信號(hào)，分為開關(guān)量輸入模塊和模擬量輸入模塊。

PLC輸出接口——將處理結(jié)果送給被控制對象，以實(shí)現(xiàn)控制目的。電源PLC電源是指為CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口等內(nèi)部電子電路工作所配備的直流開關(guān)穩(wěn)壓電源。與普通電源相比，PLC電源的穩(wěn)定性好、抗干擾能力你強(qiáng)。許多PLC還向外提供直流24V穩(wěn)壓電源，用于對外部傳感器供電編程器編程器是編制、調(diào)試PLC用戶程序的外部設(shè)備，是人機(jī)交互的窗口。編程器功能：通過編程器可以把用戶程序輸入到RAM中；或者對RAM中已有程序進(jìn)行編輯；通過編程器還可以對PLC的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和跟蹤，對調(diào)試和試運(yùn)行用戶程序非常有用。輸入/輸出（I/O）擴(kuò)展接口是PLC主機(jī)為了擴(kuò)展輸入/輸出點(diǎn)數(shù)和類型的部件。輸入/輸出擴(kuò)展單元、遠(yuǎn)程輸入/輸出擴(kuò)展單元、只能輸入/輸出單元等都通過I/O擴(kuò)展接口和主機(jī)相連。I/O擴(kuò)展接口有并行接口、串行接口等多種形式。外部I/O接口是PLC主機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話、機(jī)講對話的通道。通過外部I/O接口，PLC可以和編程器、彩色圖形顯示器、打印機(jī)等外部設(shè)備相連，也可以和其它PLC或上位機(jī)連接。外部I/O接口一般是RS-232C、RS422A、USB等串行通信接口。1.2可編程序控制器的特點(diǎn)、功能及性能指標(biāo)可編程序控制器的特點(diǎn)可編程序控制器的主要功能及性能指標(biāo)S7-200PLC概述S7-300/400PLC概述

1.2.1可編程控制器的特點(diǎn)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)繼電器觸點(diǎn)壽命有限，可靠性差，而PLC的大量開關(guān)動(dòng)作由無觸點(diǎn)開關(guān)或軟觸點(diǎn)完成。

平均無故障時(shí)間：幾十萬小時(shí)平均維修時(shí)間：幾分鐘-半小時(shí)1）所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。2）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。3）采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。4）采用模塊化結(jié)構(gòu)。5）良好的自診斷功能。6）設(shè)置了監(jiān)視定時(shí)器。7）大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或由三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng)，使可靠性進(jìn)一步提高。編程簡單、使用方便1）梯形圖是面向生產(chǎn)、面向用戶的編程語言，與電器控制電路圖相似；2）形象、直觀、簡單易學(xué)。3）生產(chǎn)流程需改變時(shí)，可現(xiàn)場改變程序。4）編程器的操作和使用簡單。功能完善、通用性強(qiáng)具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制、數(shù)值運(yùn)算、A/D和D/A轉(zhuǎn)換、PID控制、通信聯(lián)網(wǎng)等。設(shè)計(jì)安裝簡單、維護(hù)方便1）控制柜的設(shè)計(jì)、接線、安裝工作量大大減少。2）PLC用戶程序大部分在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，調(diào)試好后再現(xiàn)場安裝調(diào)試。3）自診斷功能較強(qiáng)。體積小、質(zhì)量輕、能耗低PLC采用集成電路，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、能耗低。1.2.2可編程控制器的主要功能及性能指標(biāo)一、可編程控制器的主要功能邏輯控制功能位處理功能，有與、或、非等邏輯指令，能實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的串聯(lián)、并聯(lián)、常開、常閉等連接。定時(shí)控制功能定時(shí)器，功能類似于時(shí)間繼電器。計(jì)數(shù)控制功能計(jì)數(shù)器計(jì)到某一定值時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)狀態(tài)信號(hào)，利用該狀態(tài)信號(hào)實(shí)現(xiàn)對某個(gè)操作的計(jì)數(shù)控制。步進(jìn)（順序）控制功能實(shí)現(xiàn)由時(shí)間、計(jì)數(shù)或其他指定邏輯信號(hào)為轉(zhuǎn)移條件的步進(jìn)控制。數(shù)據(jù)處理功能算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)移位、數(shù)制轉(zhuǎn)換、PID運(yùn)算等。過程控制功能A/D、D/A轉(zhuǎn)換通信聯(lián)網(wǎng)功能監(jiān)控功能停電記憶功能故障自診斷功能二、PLC的性能指標(biāo)（1）存儲(chǔ)容量PLC的存儲(chǔ)器由系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器、用戶程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器三部分組成。生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)可編程序控制器時(shí)，已按照機(jī)器型號(hào)的不同，設(shè)置了不同容量的存儲(chǔ)器，小到1K~幾K，大至1~2M，甚至更大。（2）I/O點(diǎn)數(shù)是PLC可以接收的輸入、輸出信號(hào)的總和，是衡量PLC性能的重要指標(biāo)。二、PLC的性能指標(biāo)（3）掃描速度常以掃描1KB用戶程序所需時(shí)間來表示，通常以ms/KB為單位，大約1ms~10ms/K,更快的0.01ms/K。（4）指令系統(tǒng)PLC基本指令和功能指令的總和。（5）內(nèi)部元件的種類和數(shù)量元件種類和數(shù)量越多，表示存儲(chǔ)和處理各種信息的能力越強(qiáng)。（6）特殊功能單元二、PLC的性能指標(biāo)（7）可擴(kuò)展能力包括I/O點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展、存儲(chǔ)容量的擴(kuò)展、聯(lián)網(wǎng)功能的擴(kuò)展、各種功能模塊的擴(kuò)展。（8）通信能力分為PLC之間的通信和PLC與其它設(shè)備之間的通信。主要涉及通信模塊、通信接口、通信協(xié)議、通信指令等。1.2.3S7-200PLC概述西門子公司目前最近的PLC產(chǎn)品是SIMATICM7、C7和S7三個(gè)系列。M7系列是PLC的嵌入式高檔機(jī)，用于解決對時(shí)間要求非常高的技術(shù)問題。C7系列PLC往往在一個(gè)單元中集成一個(gè)PLC和一個(gè)控制面板。S7系列用處較為廣泛，分為S7-200、S7-300、S7-400。1.2.3S7-200PLC概述集CPU、電源、輸入/輸出安裝于一體，結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡單；運(yùn)算速度快，基本邏輯控制指令0.22s/條，可實(shí)現(xiàn)高速控制；編程指令、編程元件較豐富、性價(jià)比高；帶有固定點(diǎn)數(shù)的高速計(jì)數(shù)輸入與高速脈沖輸出，輸入/輸出頻率可達(dá)到20~100KHz；帶有RS-485串行通信接口，可以支持自由口通信與PPI、MPI、PROFIBUS現(xiàn)場總線通信；1.2.3S7-200PLC概述最大數(shù)字量輸入、輸出映像區(qū)均為128點(diǎn)，最大模擬量輸入、輸出映像區(qū)均為32點(diǎn)；內(nèi)部標(biāo)志位（M寄存器）為256位，掉電永久保存為112位，超級電容或電池保存為256位；256個(gè)定時(shí)器中有4個(gè)1ms定時(shí)器，16個(gè)10ms定時(shí)器，236個(gè)100ms定時(shí)器；256個(gè)計(jì)數(shù)器均能用超級電容或電池保存。項(xiàng)目功能CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226I/O數(shù)字量I/O6輸入/4輸出8輸入/6輸出14輸入/10輸出14輸入/10輸出24輸入/16輸出模擬量I/O無2輸入/1輸出無最多允許的擴(kuò)展模塊無2個(gè)模塊7個(gè)模塊接口類型RS-485串行通信接口接口數(shù)量12波特率PPI、DP/T9.6kbit/s、19.2kbit/s、187.5kbit/s無協(xié)議通信1.2～115.2kbit/s通信距離不使用中繼器50m使用中繼器與波特率有關(guān)，187.5kbit/s時(shí)為1000mPLC網(wǎng)絡(luò)連接方式PPI、MPI、PROFIBUS-DP、Ethernet（需要網(wǎng)絡(luò)模塊支持）1.2.4S7-300/400PLC概述1、S7-300PLC概述S7-300PLC分類標(biāo)準(zhǔn)型、緊湊型、故障安全型、技術(shù)功能型S7-300PLC的主要功能特點(diǎn)運(yùn)算速度快、PLC循環(huán)周期短；編程能力強(qiáng)；人機(jī)界面；診斷功能；口令保護(hù)；強(qiáng)大的通信功能。1.2.4S7-300/400PLC概述1、S7-400PLC概述S7-400PLC分類標(biāo)準(zhǔn)型、冗余型、故障安全型S7-400PLC的主要功能具有S7-300系列系統(tǒng)的功能；冗余設(shè)計(jì)的容錯(cuò)自動(dòng)化系統(tǒng)；處理速度顯著提高；多CPU處理；診斷功能；CPU通信性能顯著增強(qiáng)。1.3可編程控制器的工作原理與編程語言1.3.1可編程控制器的工作方式1）繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運(yùn)行的方式2）PLC的CPU則采用順序邏輯掃描用戶程序的運(yùn)行方式PLC采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的工作方式運(yùn)行時(shí)，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲(chǔ)器中的程序，按指令步序號(hào)作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束，然后重新返回第一條指令，開始新一輪的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號(hào)的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。1.3.2可編程控制器的掃描工作過程PLC的掃描工作過程1.3.3可編程控制器的編程語言IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)中定義了