PLC軟硬件基礎(chǔ)知識(shí)

PLC軟硬件基礎(chǔ)知識(shí)主講人：張曉東開關(guān)量控制裝置的基本工作原理1.綜述2.PLC的基本構(gòu)成和工作原理3.PLC的硬件4.PLC的軟件編寫1.綜述PLC的歷史

1968年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司（GM），為了適應(yīng)汽車型號(hào)不斷更新的需要，提出了十條技術(shù)指標(biāo)在社會(huì)上公開招標(biāo)，希望制造一種新型的工業(yè)控制裝置。新控制裝置招標(biāo)的要求1）

編程簡(jiǎn)單，可在現(xiàn)場(chǎng)修改和調(diào)試程序（2）

維護(hù)方便，采用插入式模塊結(jié)構(gòu)（3）

可靠性高于繼電器控制系統(tǒng)（4）

體積小于繼電器控制柜（5）

能與管理中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信（6）

成本可與繼電器控制系統(tǒng)相競(jìng)爭(zhēng)（7）

輸入量是115V交流電壓（美國電網(wǎng)電壓110）（8）

輸出量為115V、電流在2A以上，能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥（9）

系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，原系統(tǒng)只需作很小改動(dòng)（10）用戶程序存儲(chǔ)器容量至少4KBPLC的定義1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)招標(biāo)的要求，研制出世界上第一臺(tái)可編程序控制器，并在GM公司汽車生產(chǎn)線上首次應(yīng)用成功。1980年美國電氣制造商協(xié)會(huì)（NEMA）正式將其命名為可編程序控制器（ProgrammableController），簡(jiǎn)稱PC。PLC的定義國際電工委員會(huì)（IEC）于1982年11月、1985年1月對(duì)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(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(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(gè)整體，易于擴(kuò)充功能的原則而設(shè)計(jì)”。PLC的特點(diǎn)1.通用性強(qiáng)2.功能強(qiáng)3.編程簡(jiǎn)單，易于掌握4.可靠性高5.安裝、維護(hù)方便，工作量小6.體積小、重量輕、功耗低PLC的分類－（按功能分）1）低檔PLC

具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入／輸出、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能。主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機(jī)系統(tǒng)

2）中檔PLC

具有低檔PLC功能外，具有較強(qiáng)的模擬量輸入/輸出、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程I/O、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還增設(shè)中斷、PID控制等功能3）高檔PLC

具有中檔機(jī)功能外，增加帶符號(hào)算術(shù)運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、位邏輯運(yùn)算、平方根運(yùn)算及其它特殊功能函數(shù)運(yùn)算、制表及表格傳送等。高檔PLC機(jī)具有更強(qiáng)的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大規(guī)模過程控制或構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化。PLC的分類－（按規(guī)模分）輸入輸出的總路數(shù)，又稱為I/O點(diǎn)數(shù)，是表征PLC控制規(guī)模的重要參數(shù)。因此，按控制規(guī)模對(duì)PLC分類時(shí)，可分為：1.小型PLC：I/O點(diǎn)數(shù)較少，在256點(diǎn)以下的PLC。2.中型PLC：I/O點(diǎn)數(shù)較多，在256點(diǎn)以上、2048點(diǎn)以下的PLC。3.大型PLC：I/O點(diǎn)數(shù)較多，在2048點(diǎn)以上的PLC。但大中小型PLC的劃分并無嚴(yán)格的界限，PLC的I/O點(diǎn)數(shù)可以依據(jù)需要靈活配置。PLC的分類－（按結(jié)構(gòu)分）可分為單體式、模塊式、組合式模塊式PLC的分類－（按結(jié)構(gòu)分）

組合式PLC是由一些標(biāo)準(zhǔn)模塊單元組成，采用總線結(jié)構(gòu)，不同功能的模塊（如CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊等）通過總線連接起來。組合式PLC的特點(diǎn)是可以根據(jù)功能需要靈活配置，構(gòu)成具有不同功能和不同控制規(guī)模的PLC，多用于大型和中型PLC。

3）疊裝式PLC

還有一些PLC將整體式和模塊式的特點(diǎn)結(jié)合起來。疊裝式PLC其CPU、電源、I/O接口等也是各自獨(dú)立的模塊，但它們之間是靠電纜進(jìn)行聯(lián)接，并且各模塊可以一層層地疊裝。這樣，不但系統(tǒng)可以靈活配置，還可做得體積小巧。歐系：德國西門子、法國ＴＥ美系：Ａ－Ｂ公司，通用日系：歐姆龍公司、三菱公司國產(chǎn)：中科院自動(dòng)化研究所ＰＬＣ北京聯(lián)想ＧＫ－４０PLC的分類－（按產(chǎn)地分）1）微型機(jī)OMRON公司的SP系列PLC圖片2）小型機(jī)OMRON公司的CPM1A、CQM系列松下公司的FP1系列3）中型機(jī)西門子公司的S7-3004）大型機(jī)OMRON公司的C1000H松下公司的FP3COMRON公司的2000H5）超大型機(jī)

美國GE公司的90—70機(jī)，其點(diǎn)數(shù)可達(dá)24000點(diǎn)，另外還有8000路的模擬量。超小型PLC—SPLC/uPLC3入3出PLC的應(yīng)用領(lǐng)域PLC在工業(yè)自動(dòng)化中起著舉足輕重的作用，在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于機(jī)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(yàn)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(gè)以上中間繼電器組成的控制系統(tǒng)都已采用PLC取代。PLC的主要技術(shù)指標(biāo)1.用戶存儲(chǔ)器容量2.輸入輸出點(diǎn)數(shù)3.A/D和D/A通道數(shù)4.掃描速度5.指令數(shù)量和功能6.內(nèi)部存儲(chǔ)器的配置及容量7.特殊功能單元8.可擴(kuò)展性

就全世界自動(dòng)化市場(chǎng)的過去、現(xiàn)在和可以預(yù)見的未來而言，PLC仍然處于一種核心地位。在最近出現(xiàn)在美國、歐洲和國內(nèi)有關(guān)探討PLC發(fā)展的論文中，這個(gè)結(jié)論是眾口一詞的，盡管對(duì)PLC的未來發(fā)展有著許多不同的意見。

近年來PLC的市場(chǎng)銷售一直堅(jiān)挺；DCS控制有了引人注目的進(jìn)展，但畢竟只能對(duì)高端的PLC產(chǎn)品形成競(jìng)爭(zhēng)；小型、超小型PLC的發(fā)展勢(shì)頭令人刮目相看；PLC和DCS控制在今后可能相互融合。PLC的發(fā)展趨勢(shì)PLC的優(yōu)點(diǎn)①可靠性高(平均無故障時(shí)間3--5萬小時(shí)）

②編程簡(jiǎn)單

③通用性強(qiáng)

④體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝、維護(hù)方便PLC的缺點(diǎn)

PLC的軟、硬件體系結(jié)構(gòu)是封閉的而不是開放的。如專用總線、專用通信網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議，I/O模板不通用，甚至連機(jī)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編程互不兼容。因?yàn)槭遣蓸酉到y(tǒng)，所以不適用于高速系統(tǒng)。

SIEMENS等公司已經(jīng)開發(fā)出以個(gè)人計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，在Windows平臺(tái)下，結(jié)合IEC1131－3國際標(biāo)準(zhǔn)的新一代開放體系結(jié)構(gòu)的PLC。

2.PLC的基本構(gòu)成和工作原理1、PLC的基本構(gòu)成2、PLC各部分電路介紹3、PLC工作原理1、PLC的基本構(gòu)成

硬件系統(tǒng)：CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口、通信接口、編程器、電源

系統(tǒng)程序：控制和完成各種功能Ｐ的程序，側(cè)重于管理、控制和協(xié)調(diào)Ｌ軟件系統(tǒng)：PLC各硬件正常動(dòng)作。Ｃ用戶程序：使用者根據(jù)生產(chǎn)工藝要求編寫的應(yīng)用控制程序。側(cè)重于應(yīng)用和輸入輸出之間的關(guān)系。PLC硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖電源I/O擴(kuò)展單元輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出接口外部設(shè)備接口輸入接口I/O擴(kuò)展接口主機(jī)PLC編程器打印機(jī)磁帶機(jī)計(jì)算機(jī)掃描儀CPU存儲(chǔ)器用戶程序系統(tǒng)程序數(shù)據(jù)按鈕行程開關(guān)觸點(diǎn)PLC的內(nèi)部資源與基本功能1、邏輯控制功能2、定時(shí)控制功能3、計(jì)數(shù)控制功能4、數(shù)據(jù)處理功能5、監(jiān)控功能6、斷電記憶功能7、故障診斷功能8、聯(lián)網(wǎng)通信功能1邏輯控制功能PLC可軟件實(shí)現(xiàn)邏輯控制功能，用以取代電路連接的繼電器控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)邏輯控制和順序控制。在單機(jī)控制、多機(jī)群控和自動(dòng)生產(chǎn)線控制方面都有很多成功的應(yīng)用實(shí)例。例如：機(jī)床電氣控制、起重機(jī)、皮帶運(yùn)輸機(jī)和包裝機(jī)械的控制、注塑機(jī)控制、電梯控制、飲料灌裝生產(chǎn)線、汽車、化工、造紙、軋鋼自動(dòng)生產(chǎn)線控制等。2定時(shí)控制功能PLC中有許多可供用戶使用的定時(shí)器，功能類似于繼電器電路中的時(shí)間繼電器。定時(shí)器的設(shè)定值(定時(shí)時(shí)間)可以在編程時(shí)設(shè)定，也可以在運(yùn)動(dòng)過程中根據(jù)需要進(jìn)行修改，使用方便靈活。同時(shí)PLC還提供了高精度的時(shí)鐘脈沖，用于準(zhǔn)確實(shí)時(shí)控制。

3計(jì)數(shù)控制功能

PLC為用戶提供許多計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到某一數(shù)值時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)狀態(tài)信號(hào)(計(jì)數(shù)值到)，利用該狀態(tài)信號(hào)可實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)操作的計(jì)數(shù)控制。計(jì)數(shù)器的設(shè)定值可以在編程時(shí)設(shè)定，也可以在運(yùn)行過程中根據(jù)需要進(jìn)行修改。傳感器旋轉(zhuǎn)編碼器變頻器等計(jì)數(shù)輸入輸入復(fù)位0000000001000024數(shù)據(jù)處理功能PLC一般都具有數(shù)據(jù)處理功能，可以實(shí)現(xiàn)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)換譯碼編碼等操作。中、大型PLC數(shù)據(jù)處理功能更加齊全，可完成開方、PID運(yùn)算、浮點(diǎn)運(yùn)算等操作，還可以和CRT、打印機(jī)相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)程序、數(shù)據(jù)的顯示和打印。5監(jiān)控功能PLC設(shè)置了較強(qiáng)的監(jiān)控功能。利用編程器或監(jiān)視器，操作人員可以對(duì)PLC有關(guān)部分的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。利用編程器，可以調(diào)整定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的設(shè)定值和當(dāng)前值，并可以根據(jù)需要改變PLC內(nèi)部邏輯信號(hào)的狀態(tài)及數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，為調(diào)整和維護(hù)提供了極大的方便。6斷電記憶功能PLC內(nèi)部的部分存儲(chǔ)器所使用的RAM設(shè)置了停電保持器件（備用電池等），以保證斷電后這部分存儲(chǔ)器中的信息能夠長(zhǎng)期保存。利用某些記憶指令，可以對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行記憶，以保持PLC斷電后的數(shù)據(jù)內(nèi)容不變。

PLC電源恢復(fù)后，可以在原工作基礎(chǔ)上繼續(xù)工作。7故障診斷功能PLC可以對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成、某些硬件狀態(tài)、指令的合法性等進(jìn)行自診斷，發(fā)現(xiàn)異常情況，發(fā)出報(bào)警并顯示錯(cuò)誤類型，如屬嚴(yán)重錯(cuò)誤則自動(dòng)中止運(yùn)行。

PLC的故障自診斷功能，大大提高了PLC控制系統(tǒng)的安全和可維護(hù)性。8聯(lián)網(wǎng)通信功能

隨著被控對(duì)象規(guī)模的擴(kuò)大和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，往往需要多臺(tái)PLC或PLC與其它控制設(shè)備協(xié)調(diào)工作，互相之間必須實(shí)現(xiàn)信息共享，PLC聯(lián)網(wǎng)通訊功能的需求越來越多。PLC與其他工業(yè)控制系統(tǒng)的比較PLC與繼電器控制系統(tǒng)比較繼電器控制采用硬接線方式裝配而成，只能完成既定的功能。PLC控制只要改變程序并改動(dòng)少量的接線端子，就可適應(yīng)生產(chǎn)工藝的改變。從適應(yīng)性、可靠性及設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)等各方面進(jìn)行比較。傳統(tǒng)的繼電器控制大多數(shù)將被PLC所取代。

與工業(yè)計(jì)算機(jī)比較工業(yè)控制機(jī)控制要求開發(fā)人員具有較高的計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)和微機(jī)軟件編程的能力。PLC采用了采用面向控制過程、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，便于推廣應(yīng)用。PLC是專為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，具有更高的可靠性。在模型復(fù)雜、計(jì)算量大且較難、實(shí)時(shí)性要求較高的環(huán)境中，工業(yè)控制機(jī)則更能發(fā)揮其專長(zhǎng)。PLC的輸入、輸出接口：

采用光電隔離，實(shí)現(xiàn)了PLC的內(nèi)部電路與外部電路的電氣隔離，減小了電磁干擾，提高了系統(tǒng)的安全。2)輸出接口作用：將主機(jī)向外輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行電路的信號(hào)，以便控制接觸器線圈等電器通斷電；另外輸出電路也使計(jì)算機(jī)與外部強(qiáng)電隔離。1)輸入接口作用：將按鈕、行程開關(guān)或傳感器等產(chǎn)生的信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入主機(jī)。各種接口、高功能模塊：小型機(jī)：有接口可擴(kuò)展。

3、PLC工作過程工作方式：順序循環(huán)，不斷掃描掃描周期：從掃描過程的一點(diǎn)開始，順序掃描后，又回到該點(diǎn)的過程稱為一個(gè)掃描周期。典型的PLC在一個(gè)掃描周期內(nèi)完成以下6個(gè)掃描過程：一個(gè)掃描周期1、自監(jiān)視掃描過程2、與編程器進(jìn)行信息交換3、與數(shù)字處理器DPU進(jìn)行信息交換4、與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換5、執(zhí)行用戶程序6、輸入輸出刷新工作過程簡(jiǎn)化示意輸入、輸出延遲因素①輸入電路濾波時(shí)間，它由RC濾波電路的時(shí)間常數(shù)決定。改變時(shí)間常數(shù)可調(diào)整輸入延遲時(shí)間。②輸出電路的滯后時(shí)間，它與輸出電路的輸出方式有關(guān)。繼電器輸出方式的滯后時(shí)間為10ms左右；雙向晶閘管輸出方式，在接通負(fù)載時(shí)滯后時(shí)間約為1ms，切斷負(fù)載時(shí)滯后時(shí)間小于