模塊3 PLC的認識和初步應(yīng)用

模塊3PLC的認識和初步應(yīng)用認識PLC§3.1.1PLC的產(chǎn)生和發(fā)展§3.1.2PLC的定義和分類§3.1.3PLC的功能和特點§3.1.4PLC的結(jié)構(gòu)與工作過程傳統(tǒng)的生產(chǎn)機械自動控制裝置→繼電器控制系統(tǒng)

優(yōu)點→結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、容易操作。缺點→體積龐大、生產(chǎn)周期長、接線復(fù)雜、故障率高、可靠性及靈活性差。應(yīng)用→比較適用于工作模式固定，控制邏輯簡單等工業(yè)應(yīng)用場合。

§3.1.1PLC的產(chǎn)生和發(fā)展用戶迫切需要一種先進的自動控制裝置繼電器控制系統(tǒng)先進自動控制系統(tǒng)

什么時間？誰提出要造PLC？

二十世紀六十年代末期，美國汽車制造工業(yè)競爭十分激烈，為了適應(yīng)市場從少品種大批量生產(chǎn)向多品種小批量生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變，為了盡可能減少轉(zhuǎn)變過程中控制系統(tǒng)的設(shè)計制造時間，減少經(jīng)濟成本，1968年美國通用汽車公司GM（GenerlMotors）公開招標，要求用新的控制裝置取代生產(chǎn)線上的繼電接觸器控制系統(tǒng)。PLC的產(chǎn)生和發(fā)展可編程序邏輯控制器的產(chǎn)生

美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)這一設(shè)想，于1969年研制成功了第一臺可編程序控制器。由于當時主要用于順序控制，只能進行邏輯運算，故稱為可編程序邏輯控制器（ProgrammableLogicController，PLC）。KM2SB1SB3FRQFRFUM3

~~~SB2KM1KM2KM1KM2KM1KM2KM1

繼電接觸器電動機正反轉(zhuǎn)控制線路案例：正反轉(zhuǎn)電路QFRFUM3

~~~KM1KM2M+0VM10.00.10.20.30.4…S7-200CPULNCOM00.00.10.20.3…SB1SB2SB3KM1KM2KM1KM2PLC電動機正反轉(zhuǎn)控制線路I0.0Q0.0I0.1I0.2Q0.1Q0.0I0.1Q0.1I0.0I0.2Q0.0Q0.1PLC電動機正反轉(zhuǎn)控制程序()()PLC從產(chǎn)生到現(xiàn)在經(jīng)歷了幾代的發(fā)展過程？

第二代PLC（1973～1975年）：采用了8位微處理器及半導(dǎo)體存儲器，增加了數(shù)字運算、傳送、比較等功能，能實現(xiàn)模擬量的控制，開始具備自診斷功能，初步形成系列化。

從PLC產(chǎn)生到現(xiàn)在，已發(fā)展到第四代產(chǎn)品。其過程基本可分為：

第一代PLC（1969～1972年）：大多用一位機開發(fā)，用磁芯存儲器存儲，只具有單一的邏輯控制功能，機種單一，沒有形成系列化。

第四代PLC（1983年～現(xiàn)在）：不僅全面使用16位、32位高性能微處理器，高性能位片式微處理器，RISC(reducedinstructionsetcomputer)精簡指令系統(tǒng)CPU等高級CPU，而且在一臺PLC中配置多個微處理器，進行多通道處理，同時生產(chǎn)了大量內(nèi)含微處理器的智能模塊，使得第四代PLC產(chǎn)品成為具有邏輯控制功能、過程控制功能、運動控制功能、數(shù)據(jù)處理功能、聯(lián)網(wǎng)通信功能的真正名符其實的多功能控制器。

第三代PLC（1976～1983年）：隨著高性能微處理器及位片式CPU在PLC中大量的使用，PLC的處理速度大大提高，從而促使它向多功能及聯(lián)網(wǎng)通信方向發(fā)展，增加了多種特殊功能，如浮點數(shù)的運算、三角函數(shù)、表處理、脈寬調(diào)制輸出等，自診斷功能及容錯技術(shù)發(fā)展迅速。

由于PLC的發(fā)展，使其功能已經(jīng)遠遠超出了邏輯控制的范圍，因而用“PLC”已不能描述其多功能的特點。1980年，美國電氣制造商協(xié)會(NEMA)給它起了一個新的名稱，叫"programmablecontroller”，簡稱PC。由于PC這一縮寫在我國早已成為個人計算機(personalcomputer)的代名詞，為避免造成名詞術(shù)語混亂，因此在我國仍沿用PLC表示可編程控制器。

正是由于PLC具有多種功能，并集三電（電控裝置、電儀裝置、電氣傳動控制裝置）于一體，使得PLC在工廠中備受歡迎，用量高居首位，成為現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大支柱（PLC、機器人、CAD/CAM）之一?！?.1.2PLC的定義和分類PLC的定義

經(jīng)歷：可編程邏輯控制器（PLC）→可編程控制器（PC）

通用叫法：可編程序控制器（ProgrammableController，PC），是一臺專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計制造的計算機。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅(qū)動能力。但由于PC容易和個人計算機（PersonalComputer）混淆，所以人們還沿用PLC作為可編程控制器的英文縮寫。

國際電工委員會（IEC）對可編程控制器的定義：

“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。”PLC的分類按安裝結(jié)構(gòu)分模塊式整體式PLC的分類

整體化緊湊型PLC：電源、CPU中央處理系統(tǒng)、I/O接口都集成在一個機殼內(nèi)。如西門子S7-200系列。

CPU（基本單元）+擴展模塊標準模塊式PLC：各種模塊相互獨立，并安裝在固定的機架（導(dǎo)軌）上，構(gòu)成一個完整的PLC應(yīng)用系統(tǒng)。如：西門子S7-300、S7-400系列。

PS(電源模塊)CPU

IM(接口模塊)SM:DISM:DOSM:AISM:AO

CP:-點-到-點-PROFIBUS-工業(yè)以太網(wǎng)PLC的分類按點數(shù)功能分中型機小型機大型機I/O點數(shù)：指PLC面板上連接輸入和輸出信號用的端子的個數(shù)。用輸入點數(shù)和輸出點數(shù)的和來表示。1．小型機小型PLCI/O總點數(shù)一般在256點以下，用戶程序存儲器容量在4KB左右。2．中型機中型PLC的I/O總點數(shù)在256～2048點之間，用戶程序存儲器容量達到8KB左右。3．大型機大型PLC的I/O總點數(shù)在2048點以上，用戶程序存儲器容量達到16KB以上。按PLC的功能分類分類主要功能應(yīng)用場合低檔PLC具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位，及自診斷、監(jiān)控等基本功能。有些還有少量模擬量I/O功能和算術(shù)運算等功能開關(guān)量控制、定時、計數(shù)控制、順序控制等場合，有模擬量I/O功能的低檔PLC應(yīng)用更廣中檔PLC除具有上述低檔機的功能外，還具有較強的模擬量I/O功能、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)傳送，以及遠程I/O通信聯(lián)網(wǎng)等功能適用于既有開關(guān)量又有模擬量的較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如過程控制、位置控制等高檔PLC除具有一般中低檔機的功能外，還具有較強的數(shù)據(jù)處理功能和模擬調(diào)節(jié)、特殊功能函數(shù)運算、監(jiān)視、記錄、打印等功能，以及更強的通信聯(lián)網(wǎng)功能，能進行中斷控制、智能控制、過程控制等可用于大規(guī)模的過程控制，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)，形成整個工廠的自動化網(wǎng)絡(luò)按生產(chǎn)廠家分類：1.日本立石（OMRON歐姆龍）公司：C系列；2.日本三菱（MITSUBISHI）公司：F、F1、F2、FX2系列；3.日本松下（PANASONIC）電工公司：FP1系列；4.美國通用電氣（GE）公司：GE系列；5.美國艾論—布拉德利（A-B）公司：PLC-5系列；6.德國西門子（SIEMENS）公司：S5、S7系列?！?.1.3PLC的功能和特點PLC的功能

控制功能

邏輯控制定時控制計數(shù)控制順序控制1.邏輯量控制

PLC最基本的應(yīng)用，可用PLC取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，實現(xiàn)邏輯控制和順序控制。在單機控制、多機群控和自動生產(chǎn)線控制方面都有很多成功的應(yīng)用實例。如：機床電氣控制、起重機、皮帶運輸機和包裝機械的控制、注塑機的控制、電梯的控制、飲料灌裝生產(chǎn)線、家用電器(電視機、冰箱、洗衣機等)自動裝配線的控制、汽車、化工、造紙、軋鋼自動生產(chǎn)線的控制等。2.模擬量控制

PLC都具有模擬量處理功能，通過模擬量I／O模塊可對溫度、壓力、速度、流量等連續(xù)變化的模擬量進行控制，而且編程和使用都很方便。

PLC的模擬量控制功能已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)各個行業(yè)，例如自動焊機控制、鍋爐運行控制、連軋機的速度和位置控制等都是典型的閉環(huán)過程控制的應(yīng)用場合。3.運動控制指PLC對直線運動或圓周運動的控制，也稱為位置控制。早期：PLC通過開關(guān)量I/O模塊+位置傳感器+執(zhí)行機構(gòu)?，F(xiàn)在：使用專用的運動控制模塊來完成。應(yīng)用：金屬切削機床、電梯、機器人等各種機械設(shè)備上，典型的如PLC和計算機數(shù)控裝置(CNC)組合成一體，構(gòu)成先進的數(shù)控機床。PLC的功能

數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能數(shù)學(xué)運算功能數(shù)據(jù)處理模擬數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理：

現(xiàn)代PLC都具有不同程度的數(shù)據(jù)處理功能，能夠完成數(shù)學(xué)運算(函數(shù)運算、矩陣運算、邏輯運算)、數(shù)據(jù)的移位、比較、傳遞、數(shù)值的轉(zhuǎn)換和查表等操作，對數(shù)據(jù)進行采集、分析和處理。數(shù)據(jù)處理通常用在大、中型控制系統(tǒng)中，如柔性制造系統(tǒng)、機器人的控制系統(tǒng)等。PLC的功能

輸入/輸出接口調(diào)理功能具有A/D、D/A轉(zhuǎn)換功能，通過I/O模塊完成對模擬量的控制和調(diào)節(jié)。PLC的功能

通信、聯(lián)網(wǎng)功能PROFIBUSDPPROFIBUSPA(Ex)PROFIBUSPA指PLC與PLC之間、PLC與上位計算機或其他智能設(shè)備間的通信，利用PLC和計算機的RS-232或RS-422接口、PLC的專用通信模塊，用雙絞線和同軸電纜或光纜將它們聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)相互間的信息交換，構(gòu)成“集中管理、分散控制”的多級分布式控制系統(tǒng)，建立工廠的自動化網(wǎng)絡(luò)。PLC的功能

人機界面功能PLC的功能

編程、調(diào)試等使用復(fù)雜程度不同的手持、便攜和桌面式編程器、工作站和操作屏，進行編程、調(diào)試、監(jiān)視、試驗和記錄，并通過打印機打印出程序文件。

STEP7ProToolMPIcable有MPI接口的PG或PC傳送帶生產(chǎn)線控制灌裝及包裝機械木材加工電梯控制空調(diào)控制紡織機械印刷機械PLC的特點

高可靠性豐富的I/O接口模塊采用模塊化結(jié)構(gòu)運行速度快功能完善編程簡單，易于使用系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試方便維修方便，維修工作量小體積小、重量輕、能耗低、總價格低被控對象輸入設(shè)備（按鈕、行程開關(guān)等）輸出設(shè)備（接觸器、電磁閥等）繼電器控制系統(tǒng)（由繼電器和連接導(dǎo)線組成）PLC（由程序?qū)崿F(xiàn)邏輯控制）PLC控制與繼電器控制的比較：硬件存儲器CPUI/O接口編程器電源系統(tǒng)程序用戶程序

可編程控制器由哪幾部分組成？相輔相成，缺一不可軟件§3.1.4PLC的構(gòu)成和工作原理可編程控制器的硬件結(jié)構(gòu)PLC硬件系統(tǒng)組成主要包括：主機輸入/輸出擴展單元外部設(shè)備組成外部設(shè)備現(xiàn)場用戶輸出設(shè)備微處理器（CPU）運算器控制器輸出部件輸入部件系統(tǒng)存儲器用戶存儲器I/O擴展接口通訊及編程接口編程設(shè)備計算機打印機等傳感器按鈕、開關(guān)現(xiàn)場信號電磁閥中間繼電器執(zhí)行器現(xiàn)場用戶輸入設(shè)備擴展設(shè)備擴展單元通訊模塊功能模塊電源變換器～110V/220V市電PLC基本單元PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖PLC的主機：PLC主機存儲器中央處理器CPU輸入輸出電路外部設(shè)備接口總線電源中央處理器（CPU）：PLC的核心接收并存儲用戶程序和數(shù)據(jù)；診斷電源、PLC工作狀態(tài)及編程的語法錯誤；接收輸入信號，送入數(shù)據(jù)寄存器并保存；運行時順序讀取、解釋、執(zhí)行用戶程序，完成用戶程序的各種操作；將用戶程序的執(zhí)行結(jié)果送至輸出端。PLC的硬件系統(tǒng)-主機系統(tǒng)存儲器——系統(tǒng)程序存儲器+系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器存放系統(tǒng)工作程序（監(jiān)控程序）；存放模塊化應(yīng)用功能子程序；存放命令解釋程序；存放功能子程序的調(diào)用管理程序；存放存儲系統(tǒng)參數(shù)。PLC硬件系統(tǒng)-主機ROM：ROM中的內(nèi)容只能讀出，不能寫入。特點：電源消失后，仍能保持存儲器的內(nèi)容。應(yīng)用：用來存放PLC的系統(tǒng)程序。用戶存儲器——RAM/EEPROM存放用戶工作程序；存放工作數(shù)據(jù)。PLC硬件系統(tǒng)-主機PLC說明書所列的存儲器及容量是指用戶程序存儲器而言。RAM（讀/寫存儲器）：用戶可以讀/寫RAM中的內(nèi)容。特點：電源中斷后，存儲的信息將會丟失。工作速度高、價格便宜、改寫方便。在關(guān)斷PLC的外部電源后，可以用鋰電池保存RAM中的數(shù)據(jù)和程序。EEPROM：可以用編程裝置對其進行訪問，兼有ROM非易失性和RAM的隨機存取優(yōu)點，但是寫入數(shù)據(jù)所需時間比RAM長的多。S7-200用其來存儲用戶程序和需要長期保存的數(shù)據(jù)。工作數(shù)據(jù)存儲器：

用來存儲工作數(shù)據(jù)，即用戶程序中使用的ON/OFF狀態(tài)、數(shù)值數(shù)據(jù)等。在數(shù)據(jù)存儲區(qū)開辟有元件映像寄存器和數(shù)據(jù)表。元件映像寄存器：用來存儲開關(guān)量輸入/輸出狀態(tài)以及定時器、計數(shù)器、輔助繼電器等內(nèi)部器件的ON/OFF狀態(tài)。數(shù)據(jù)表：用來存放各種數(shù)據(jù)，它存儲用戶程序執(zhí)行時的某些可變參數(shù)值及A-D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量和數(shù)字運算的結(jié)果等。輸入輸出接口（I/O接口）：PLC與被控設(shè)備相連接的接口電路。用戶設(shè)備需輸入PLC的各種控制信號，如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)等輸出的開關(guān)量，通過輸入接口電路將這些信號轉(zhuǎn)換成中央處理單元能夠接收和處理的信號。

輸出接口電路將中央處理單元送出的弱電控制信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以驅(qū)動電磁閥、接觸器、電機等被控設(shè)備的執(zhí)行元件。PLC硬件系統(tǒng)-主機輸入接口一種典型的輸入接口電路，如下：PLC硬件系統(tǒng)-主機光電耦合-隔離輸入接口：采用光電耦合器、濾波電路，防止強電干擾。無源式直流輸入交、直流輸入限流電阻發(fā)光二極管光電三極管濾波電路PLC硬件系統(tǒng)-主機輸出接口繼電器輸出接口晶體管輸出接口晶閘管輸出接口PLC硬件系統(tǒng)-主機輸出接口繼電器輸出接口PLC硬件系統(tǒng)-主機優(yōu)點：電壓范圍寬、導(dǎo)通壓降小、價格便宜、適合交直流負載。缺點：觸點壽命短、觸點斷開時有電弧，易產(chǎn)生干擾、轉(zhuǎn)換頻率低，響應(yīng)時間約為10ms。繼電器輸出：可帶直流、也可帶交流繼電器實現(xiàn)電氣隔離、功率放大輸出接口晶體管輸出接口PLC硬件系統(tǒng)-主機優(yōu)點：壽命長、無噪聲、可靠性高、響應(yīng)速度快。缺點：價格高、過載能力差、不適合交流負載。晶體管輸出：只可帶直流輸出接口晶閘管輸出接口PLC硬件系統(tǒng)-主機優(yōu)點：壽命長、無噪聲、可靠性高、可驅(qū)動交流負載。缺點：價格高、負載能力較差。光控晶閘管消除瞬間電壓波動晶閘管輸出：只可帶交流輸出接口PLC硬件系統(tǒng)-主機繼電器線圈及觸點繼電器式輸出接口端子接線圖輸出接口PLC硬件系統(tǒng)-主機晶體管式輸出接口端子接線圖光電隔離器輸出接口PLC硬件系統(tǒng)-主機晶閘管式輸出接口端子接線圖光電隔離CPU226繼電器輸入輸出電路的接線圖電源部分電源部分將交流電源轉(zhuǎn)換為供PLC的CPU、存儲器等電子電路工作所需的直流電源，使PLC能正常工作。目前大部分PLC采用開關(guān)電源的形式，對于外部交流電源有很寬的電壓調(diào)節(jié)適應(yīng)范圍。有些PLC的電源部件還能向外提高直流24V電源，用于外部設(shè)備供電。良好的穩(wěn)壓措施PLC硬件系統(tǒng)-主機PLC硬件系統(tǒng)-主機通訊及編程接口：連接專用編程器；連接個人電腦（PC），實現(xiàn)編程及在線監(jiān)控；連接工控機，實現(xiàn)編程及在線監(jiān)控；連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如調(diào)制解調(diào)器），實現(xiàn)遠程通訊；連接打印機等計算機外設(shè)。PLC硬件系統(tǒng)組成-I/O擴展單元I/O擴展接口——采用并行通訊方式擴展I/O模塊；擴展位置控制模塊；擴展通訊模塊；擴展模擬量控制模塊。PLC硬件系統(tǒng)組成-外部設(shè)備編程器：編程器是PLC的重要外圍設(shè)備，使用編程器將用戶編寫的程序存入用戶程序存儲區(qū)，實現(xiàn)人與PLC的對話。簡易編程器圖形編程器外部存儲器、打印機、EPROM寫入器PLC手持編程器液晶顯示窗工作方式開關(guān)指令鍵數(shù)字鍵編輯鍵通信電纜3.1.4PLC的工作原理與工作過程

可編程序控制器的工作原理P