可編程序控制器-PLC

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《可編程序控制器-PLC》

課程注氣鍋爐干度控制系統(tǒng)進水及出水電導(dǎo)率測量PLC控制柜人機界面日期 安排 課程內(nèi)容1講課 可編程序控制器PLC原理及硬件結(jié)構(gòu)2 講課 PLC典型系統(tǒng)設(shè)計3講課 PLC典型程序設(shè)計4講課 PLC的人機界面設(shè)計課程安排產(chǎn)生及定義分類應(yīng)用領(lǐng)域ProgrammableLogicController（一）：1-1:PLC的產(chǎn)生

１９６９年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出世界第一臺可編程控制器，并成功地應(yīng)用在美國通用汽車公司（GM）的生產(chǎn)線上。但當時只能進行邏輯運算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC（programmablelogiccontroller）。1-2:PLC的定義國際電工委員會（IEC）于1982年11月和1985年1月對可編程序控制器作了如下的定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程的存儲器，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(shù)運算等操作的命令，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，易于擴充功能的原則而設(shè)計”。1-3:PLC的特點可靠性高、抗干擾能力強編程簡單、使用方便設(shè)計、安裝容易，維護工作量少功能完善、通用性好，可實現(xiàn)三電一體化PLC將電控（邏輯控制）、電儀（過程控制）和電結(jié)（運動控制）這三電集于一體。體積小、能耗低性能價格比高1-4:PLC的缺點主要是PLC的軟、硬件體系結(jié)構(gòu)是封閉而不是開放的：如專用總線、專家通信網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議，I/O模板不通用，甚至連機柜、電源模板亦各不相同。編程語言雖多數(shù)是梯形圖，但組態(tài)、尋址、語言結(jié)構(gòu)均不一致，因此各公司的PLC互不兼容。SIEMENS等公司已經(jīng)開發(fā)出以個人計算機為基礎(chǔ)，在Windows平臺下，結(jié)合IEC1131－3國際標準的新一代開放體系結(jié)構(gòu)的PLC。

1-5:PLC的分類(1)按I／O點數(shù)分類:I／O點數(shù)小于32為微型PLC；I／O點數(shù)在32～128為微小型PLC；I／O點數(shù)在128～256為小型PLC；I／O點九在256～1024為中型PLC；I／O點數(shù)大于1024為大型PLC；I／O點數(shù)在4000以上為超大型PLC。以上劃分不包括模擬量I／0點數(shù)，且劃分界限不是固定不變的。I/O模塊

PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關(guān)量輸入（DI），開關(guān)量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。開關(guān)量是指只有開和關(guān)（或1和0）兩種狀態(tài)的信號，模擬量是指連續(xù)變化的量。常用的I/O分類如下：開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。DO晶體管輸出DO繼電器輸出DI輸入（2）按結(jié)構(gòu)形式分類整體式PLC：又稱單元式或箱體式。整體式PLC是將電源、CPU、I／0部件都集中裝在一個機箱內(nèi)。一般小型PLC采用這種結(jié)構(gòu)。模塊式PLC：將PLC各部分分成若干個單獨的模塊，如CPU模塊、I／0模塊、電源模塊和各種功能模塊。模塊式PLC由框架和各種模塊組成。模塊插在插座上。一般大、中型PLC采用模塊式結(jié)構(gòu)，有的小型PLC也采用這種結(jié)構(gòu)。有的PLC將整體式和模塊式結(jié)合起來，稱為疊裝式PLC。SIMENSPLC分類SIMATICS7 可編程控制器系列產(chǎn)品包括微型PLC(S7-200)系列、較低性能系列(S7-300)和中/高性能系列(S7-400)。SIMATICM7 M7PLC系統(tǒng)將

AT兼容機的性能引入PLC，或相反，將PLC的功能加入計算機中并保持熟悉的編程環(huán)境。

M7-300和M7-400自動化計算機通過開放硬件和軟件平臺的方法擴展了PLC的功能。它們包括一個AT兼容機，并在實時多任務(wù)操作系統(tǒng)RTOS支持下工作。M7總是用于需要高的計算性能、數(shù)據(jù)管理和顯示的場合。SIMATICC7 該系列的完整系統(tǒng)是由一個PLC(S7-300)、一個HMI操作面板和過程監(jiān)視系統(tǒng)組成。將PLC與操作面板集成在一起可使整個控制設(shè)備體積更小、價格更優(yōu)。WinAC WinAC是一個基于計算機的解決方案，它用于各種控制任務(wù)（控制、顯示、數(shù)據(jù)處理）都由計算機完成的場合。

有3種產(chǎn)品：

? WinACBasic是純軟件的解決方案(PLC作為WindowsNT的任務(wù))

? WinACPro是硬件解決方案(PLC作為PC卡)

? WinACFIStationPro是完全解決方案(SIMATICPCFI25)西門子模塊式PLC模塊式PLC擴展I/O顯示器鍵盤通信接口接線端子盒整體式PLC

結(jié)構(gòu)—接線端子

打開控制器接線端子盒可見接線端子，其中包括檢測、控制信號端子，電源輸入端子和后備電池接線端子。

信號輸入、輸出端子電源輸入端子后備電池輸入端子220VAC保險24V儀表電源保險復(fù)位鍵1-6：PLC的應(yīng)用領(lǐng)域PLC在工業(yè)自動化中起著舉足輕重的作用，在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于機械、冶金、石油、化工、輕工、紡織、電力、電子、食品、交通等行業(yè)。經(jīng)驗表明，80％以上的工業(yè)控制可以使用PLC來完成。在日本，凡8個以上中間繼電器組成的控制系統(tǒng)都已采用PLC來取代。ProgrammableLogicController（二）：國內(nèi)外狀況發(fā)展趨勢2-1：PLC的國內(nèi)外狀況美國PLC發(fā)展得最快：

1.著名廠家有A-B（Allen-Bradley），2.MODICON莫迪康公司，GE-FSNUC公司，TI（TexasInstrument）德州儀器公司，3.WESTHOUSEElectric西屋電氣公司等。歐洲PLC的廠家:

1.西門子（Siemens）于1973年研制出第一臺PLC。

2.法國的TE(Telemecanique）(施耐德）日本生產(chǎn)PLC的廠家：

1.三菱電機(MITSUBISHI),歐姆龍(OMRON)

2.富士電機（FujiElectric）,東芝(TOSHIBA）

3.安川等公司。我國在70年代末和80年代初開始引進PLC：北京機械工業(yè)自動化研究所上海工業(yè)自動化儀表研究所大連組合機床研究所成都機床電器研究所中科院北京計算機所及自動化所長春一汽上海起重電器廠上海香島機電公司上海自力電子設(shè)備廠等單位以上諸單位都沒有形成規(guī)?；a(chǎn)。2-2:

PLC的發(fā)展趨勢

（1）向高速度、大存儲容量方向發(fā)展（CPU處理速度nS級；內(nèi)存2M字節(jié)）（2）向多品種方向發(fā)展和提高可靠性（超大型和超小型）（3）產(chǎn)品更加規(guī)范化、標準化(硬件、軟件兼容的 PLC）（4）分散型、智能型、與現(xiàn)場總線兼容的I／0（5）加強聯(lián)網(wǎng)和通信的能力（6）控制的開放和模塊化的體系結(jié)構(gòu)OMAC（openModularArchitectureforControl）ProgrammableLogicController（三）：系統(tǒng)組成工作方式編程方式PLC選擇3-1-1:PLC系統(tǒng)組成基板/機架：電源模塊：PSM-ACPU模塊：CPM-E聯(lián)網(wǎng)模塊：IOLM開關(guān)量輸入模塊PIM-D（P）H開關(guān)量輸出模塊POM-RH模擬量輸入模塊AGM-I（V）模擬量輸出模塊AGM-O（V）特殊功能模塊通訊模塊PLC系統(tǒng)組成基板或機架 大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個整體。電源:DC24V；AC220V

PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VAC）。中央處理單元（CPU）： CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。（1）通用處理器：8086、80286、80386（2）單片機芯片：8031、8096、AVR、（3）位片式微處理器：AMD-2900存儲器（RAM/ROM）：ROM：存系統(tǒng)程序（CMOS固化）RAM：存用戶程序 RAM的經(jīng)驗計算：以字（16位）為單位邏輯控制時，RAM=（I+O）*10有AD時，RAM=AD*120有AD和DA時，RAM=（AD+DA）*250輸入／輸出部件（I／0單元）開關(guān)量、模擬量PLC系統(tǒng)的其它設(shè)備 1、編程設(shè)備：編程器是PLC開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測運行、檢查維護不可缺少的器件，用于編程、對系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計算機（運行編程軟件）充當編程器。 2、人機界面：最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應(yīng)用越來越廣泛，由計算機（運行組態(tài)軟件）充當人機界面非常普及。

3、輸入輸出設(shè)備：用于永久性地存儲用戶數(shù)據(jù)，如EPROM、EEPROM寫入器、條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機等。

PLC的通信聯(lián)網(wǎng)

PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC之間、PLC與上位計算機以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散集中控制。多數(shù)PLC具有RS-232接口，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。IIC、SPI、CAN、PROFIBUS。

對于一個自動化工程(特別是中大規(guī)模控制系統(tǒng))來講，選擇網(wǎng)絡(luò)非常重要的。首先，網(wǎng)絡(luò)必須是開放的，以方便不同設(shè)備的集成及未來系統(tǒng)規(guī)模的擴展；其次，針對不同網(wǎng)絡(luò)層次的傳輸性能要求，選擇網(wǎng)絡(luò)的形式，這必須在較深入地了解該網(wǎng)絡(luò)標準的協(xié)議、機制的前提下進行；再次，綜合考慮系統(tǒng)成本、設(shè)備兼容性、現(xiàn)場環(huán)境適用性等具體問題，確定不同層次所使用的網(wǎng)絡(luò)標準。CPURAM/ROM3-1-2:CPU模塊3-1-3:西門子PLC典型開發(fā)系統(tǒng)主控制器AI模塊

串行接口模塊

24V電源模塊

雙路電源變壓器

天線插頭

現(xiàn)場取數(shù)據(jù)插頭

DI/DO模塊

電臺電源

信號調(diào)理模塊

電臺

控制繼電器

3-1-4:國內(nèi)PLC系統(tǒng)3-1-5:PLC系統(tǒng)示意圖3-1-6:PLC交流輸入3-1-7:PLC直流輸入3-1-8:PLC繼電器輸出3-1-9:PLC晶體管輸出3-1-10:PLC晶閘管輸出3-1-11:標準編程器3-2-1:PLC掃描過程PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，這個過程可分為內(nèi)部處理、通信服務(wù)、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理幾個階段，整個過程掃描一次所需要的時間稱為掃描周期。PLC的掃描周期T=公共部分掃描時間+外設(shè)掃描時間+用戶程序執(zhí)行時間+I／0掃描時間PLC的I／0響應(yīng)時間=輸入延遲時間+掃描周期+輸出延遲時間+輸出時間3-2-1:PLC工作方式3-3-1:梯形圖編程3-3-2:PLC語句表（助記符）編程3-3-3:邏輯符號圖編程3-3-4:PLC高級語言編程CBASICPASCAL匯編3-4:PLC的選擇I／O設(shè)備的位置確定選擇I／O接口模塊的型號A/D、D/A等特殊接口部件的選擇系統(tǒng)有I／O規(guī)格要求時，初步確定PLC的大體規(guī)模輸入／輸出設(shè)備的數(shù)量PLC的內(nèi)存容量、PLC的指令系統(tǒng)其它外圍設(shè)備，如通信聯(lián)網(wǎng)、編程器等基于微處理器的工業(yè)控制系統(tǒng)1）集散DCS控制系統(tǒng)：由回路儀表控制系統(tǒng)發(fā)展而來，在模擬量處理、回路調(diào)節(jié)方面具有一定優(yōu)勢；2）可編程序控制器PLC構(gòu)成的控制系統(tǒng)：由繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來，它在數(shù)字處理、開關(guān)量控制和順序控制方面具有優(yōu)勢。3）工控計算機IPC構(gòu)成的控制系統(tǒng)。

三者相互滲透、互為補充，PLC、DCS和IPC的差別已不明顯，它們都能構(gòu)成復(fù)雜的分級控制，從趨勢來看，三者的歸宿和統(tǒng)一將是全分布式計算機控制系統(tǒng)。

可編程控制器與繼電器控制的區(qū)別PLC的梯形圖與繼電器控制線路圖十分相似，主要原因是PLC梯形圖的發(fā)明大致上沿用了繼電器控制的電路元件符號，僅個別處有些不同。同時，信號的輸入/輸出形式及控制功能也是相同的，但PLC的控制與繼電器的控制又有不同之處。

PLC是軟邏輯；繼電器是硬邏輯。PLC在性能上比繼電器控制邏輯優(yōu)異，特別是可靠性高、設(shè)計施工周期短、調(diào)試修改方便，而且體積小、功耗低、