第一章-可編程控制器基礎知識

PLC原理與應用主講老師：侯益坤１３８２５０１８８０９houykmcu@1263/1/20231本課程基本狀況專業(yè)課先修課程：電子電路基礎，計算機應用基礎后續(xù)課程：教材《PLC原理與應用》李樹雄編北京航空航天高校出版社2006年10月第一版3/1/20232課程主要內(nèi)容和學習方法可編程限制器的基礎學問：類比；識記FP1的指令系統(tǒng)：要求基本指令熟悉FP1可編程限制器、編程工具簡介：應用PLC程序設計及應用：方法

3/1/20233

書目

第一章可編程限制器礎學問

其次章FP1可編程限制器的規(guī)格、性能及系統(tǒng)構成

第三章FP1的指令系統(tǒng)

第四章FP1的特殊功能及高級模塊

第五章PLC程序設計及應用舉例

第六章編程工具3/1/20234第一章可編程限制器基礎學問1.1可編程序限制器(PLC)的歷史與發(fā)展1.2PLC的特點及應用領域1.3PLC的一般構成和基本工作原理1.4PLC的編程語言1.5PLC的性能指標與分類3/1/20235第一章可編程限制器基礎學問1.1可編程限制器的歷史和發(fā)展●1.1.1可編程限制器的產(chǎn)生與歷史繼電器限制系統(tǒng)的特點缺點：體積大、牢靠性低、查找故障困難、接線困難、對生產(chǎn)工藝變更性的適應性差。優(yōu)點：簡潔易懂、操作便利、價格便宜。3/1/2023620世紀60年頭，由于小型計算機的出現(xiàn)和大規(guī)模生產(chǎn)及多機群控的發(fā)展，人們曾試圖用小型計算機來實現(xiàn)工業(yè)限制，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電接觸器限制。1968年美國GeneralMotors公司，為了適應生產(chǎn)工藝不斷更新的須要，要求制造商為其裝配線供應一種新型的通用程序限制器，并提出10項招標指標。這就是著名的GM10條。3/1/20237編程簡潔，可在現(xiàn)場修改程序；牢靠性高于繼電器限制柜；體積小于繼電器限制柜；維護便利，最好是插件式；可將數(shù)據(jù)干脆送入管理計算機；在成本上可與繼電器限制柜競爭；輸入可以是溝通115V；輸出為溝通115V、2A以上，能干脆驅(qū)動電磁閥等；在擴展時，原系統(tǒng)只需很小變更；用戶程序存貯器容量至少能擴展到4K。GM10條是可編程序限制器出現(xiàn)的干脆緣由：3/1/20238可編程限制器的發(fā)展大體可分為以下幾個階段：第1階段：可編程限制器剛問世時，功能特別簡潔，只有邏輯運算，定時，計數(shù)等功能。

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

第3階段：單片計算機的出現(xiàn)，半導體存儲器進入工業(yè)化生產(chǎn)以及大規(guī)模集成電路的運用，推動了PLC的進一步發(fā)展，使其演化成專用的工業(yè)計算機。3/1/20239可編程限制器的發(fā)展大體可分為以下幾個階段：第4階段：計算機技術的飛速發(fā)展及超大規(guī)模集成電路、門陣列電路的運用、促使PLC完全計算機化。第5階段：RISC(精簡指令集計算機)芯片在計算機行業(yè)大量運用，表面貼裝技術和工藝已成熟，這些使PLC整機的體積大大縮小，PLC起先大量運用16位和32位的微處理器芯片，有的PLC已運用RISC芯片。3/1/202310●1.1.2可編程限制器的發(fā)展及定義1969年，美國數(shù)據(jù)設備公司(DEC)研制出世界上第一臺可編程限制器，并成功地應用在GM公司的生產(chǎn)線上。這一時期它主要用于依次限制，只能進行邏輯運算，故稱為可編程邏輯限制器，簡稱PLC(ProgrammableLogicController)。70年頭后期，隨著微電子技術和計算機技術的迅猛發(fā)展，使PLC從開關量的邏輯限制擴展到數(shù)字限制及生產(chǎn)過程限制領域，真正成為一種電子計算機工業(yè)限制裝置，故稱為可編程限制器，簡稱PC(ProgrammableController)。但由于PC簡潔和個人計算機(PersonalComputer)相混淆，故人們?nèi)粤晳T地用PLC作為可編程限制器的縮寫。3/1/2023111985年1月國際電工委員會的定義：“可編程序限制器是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它接受可編程序的存儲器，用來在內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、依次限制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，限制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蛳拗破骷捌溆嘘P設備，都應按易于與工業(yè)限制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充的原則設計”。3/1/202312●1.1.3PLC的發(fā)展趨勢 1.便利敏捷和小型化 2.高功能和大型化 3.產(chǎn)品規(guī)范化、標準化3/1/2023131.2PLC的特點及應用領域1.2.1PLC的主要特點牢靠性高、抗干擾實力強。主要有以下幾個方面：隔離(接受光電耦合器)濾波對PLC的內(nèi)部電源實行了屏蔽、穩(wěn)壓、愛護等措施。設置了連鎖、環(huán)境檢測與診斷、Watchdog等電路。利用系統(tǒng)軟件定期進行系統(tǒng)狀態(tài)、用戶程序、工作環(huán)境和故障檢測。對用戶程序及動態(tài)工作數(shù)據(jù)進行電池備份。接受密封、防塵、抗振的外殼封裝結構。以集成電路為基本元件，內(nèi)部處理過程不依靠于機械觸點。接受循環(huán)掃描的工作方式，也提高了抗干擾實力。3/1/2023142.編程簡潔、運用便利、柔性好 易學易懂的梯形圖語言 類似計算機匯編語言的助記符語言3.通用性好互換性好，擴展功能強4.功能強大，可實現(xiàn)三電一體化將電控(邏輯限制)、電儀(過程限制)和電結(運動限制)集于一體，可以便利、敏捷地組合成各種不同規(guī)模和要求的限制系統(tǒng)。5.體積小、重量輕、功耗低3/1/2023156.設計施工周期短由于PLC用軟件取代繼電接觸器限制系統(tǒng)中的大量中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等低壓電器，使完全的設計、安裝、接線工作量大大削減。程序設計和硬件施工可以同時進行，因而大大縮短了施工周期。

3/1/2023161.2.2PLC的應用領域開關量的邏輯限制：可取代傳統(tǒng)繼電器系統(tǒng)和依次限制器。如各種機床、自動電梯、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線、運輸和檢測等的限制。而且輸入、輸出的點數(shù)不受限制。機械運動限制：可用于精密金屬切削機床、機械手、機器人等設備的限制。過程限制（模擬量限制）：通過配用A／D、D／A轉(zhuǎn)換模塊及智能PID模塊實現(xiàn)對生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、速度等連續(xù)變更的模擬量進行閉環(huán)調(diào)整限制。數(shù)據(jù)處理：很強的數(shù)學運算、數(shù)據(jù)傳送等。多級限制：利用PLC的網(wǎng)絡通信功能模塊及遠程I／O限制模塊實現(xiàn)多臺PLC之間、PLC與上位計算機的鏈接，以完成較大規(guī)模的困難限制。3/1/2023171.３PLC的一般構成和基本工作原理1.3.1PLC的系統(tǒng)結構電磁閥電磁線圈指示燈電源I/O擴展接口I/O擴展單元CPU存儲器用戶程序系統(tǒng)程序輸入設備輸出設備輸出接口外部設備接口輸入接口編程器數(shù)據(jù)打印機磁帶機計算機掃描儀主機PLC按鈕行程開關觸點外部設備3/1/202318●PLC各部分的作用CPU診斷PLC電源、內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編制程序中的語法錯誤。采集現(xiàn)場的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并送入PLC的寄存器中存儲起來。（讀入數(shù)據(jù)／指令）按存放指令的依次，逐條讀取指令，完成各種運算和操作。（指令翻譯）執(zhí)行指令規(guī)定的操作，并將處理結果送至輸出端。（指令執(zhí)行）響應各種外部設備的工作懇求。（中斷輸入）3/1/202319●PLC各部分的作用存儲器系統(tǒng)程序存儲器：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)。PLC出廠前已將其固化在只讀存儲器ROM或PROM中，用戶不能更改。用戶存儲器：包括用戶程序存儲區(qū)及工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)。這類存儲器一般由低功耗的CMOS-RAM構成，其中的存儲內(nèi)容可讀出并更改。留意：PLC產(chǎn)品手冊中給出的“存儲器類型”和“程序容量”是針對用戶程序存儲器而言的。3/1/202320●PLC各部分的作用輸入、輸出接口電路（１）輸入接口電路：接受光電耦合電路，將限位開關、手動開關、編碼器等現(xiàn)場輸入設備的限制信號轉(zhuǎn)換成CPU所能接受和處理的數(shù)字信號。

PLC的輸入接口電路（直流輸入型）

3/1/202321●PLC各部分的作用（２）輸出接口電路：接受光電耦合電路，將CPU處理過的信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場須要的強電信號輸出，以驅(qū)動接觸器、電磁閥等外部設備的通斷電。有三種類型：

（a)繼電器輸出型繼電器輸出型：為有觸點輸出方式，用于接通或斷開開關頻率較低的直流負載或溝通負載回路。3/1/202322（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：為無觸點輸出方式，用于接通或斷開開關頻率較高的直流電源負載。晶閘管輸出型：為無觸點輸出方式，用于接通或斷開開關頻率較高的溝通電源負載。3/1/202323電源PLC的電源是指將外部輸入的溝通電處理后轉(zhuǎn)換成滿足PLC的CPU、存儲器、輸人輸出接口等內(nèi)部電路工作須要的直流電源電路或電源模塊。很多PLC的直流電源接受直流開關穩(wěn)壓電源，不僅可供應多路獨立的電壓供內(nèi)部電路運用，而且還可為輸入設備供應標準電源。

3/1/202324手持編程器（外設接口）手持編程器接受助記符語言編程，具有編輯、檢索、修改程序、進行系統(tǒng)設置、內(nèi)存監(jiān)控等功能。可一機多用，具有運用便利、價格低廉的特點。外設接口還可以連接多種設備諸如：打印機、掃描儀等。缺點：不夠直觀可通過PLC的RS232外設通訊口(或RS422口配以適配器)與計算機聯(lián)機，利用專用工具軟件（NPST－GR、FPSOFT、FPWIN－GR）對PLC進行編程和監(jiān)控。利用計算機進行編程和監(jiān)控比手持編程工具更加直觀和便利。3/1/202325I／0擴展接口若主機單元的I／O點數(shù)不能滿足須要時，可通過此接口用扁平電纜線將I／O擴展單元與主機相連，以增加I／O點數(shù)。PLC的最大擴展實力主要受CPU尋址實力和主機驅(qū)動實力的限制。3/1/2023261.3.２PLC基本工作原理PLC與一般微機在很多方面有相像之處，但其工作方式卻與微機有很大的不同。微機：等待吩咐的工作方式。如在常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方式下，有鍵按下或I/O動作，則轉(zhuǎn)入相應的子程序;無鍵按下或I／O不動作,則處于等待狀態(tài)。PLC：循環(huán)掃描的工作方式。CPU從第一條指令起先按指令步序號作周期性的循環(huán)掃描，假如無跳轉(zhuǎn)指令,則從第一條指令起先逐條依次執(zhí)行用戶程序，直至遇到結束符后又返回第一條指令，周而復始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。如下圖所示：3/1/202327圖１PLC循環(huán)掃描工作示意圖3/1/202328

一個掃描周期主要分為三個階段：

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)行輸出刷新一個掃描周期輸入刷新PLC的掃描工作過程用戶輸出設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)行用戶輸入設備寫讀讀3/1/202329圖２PLC工作過程框圖

第1階段：自診斷。第2階段：PLC檢查是否有與編程器或計算機的通信懇求。第3階段：PLC的中心處理器對各個輸入端進行掃描，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采樣階段。第4階段：中心處理器CPU將指令逐條調(diào)出并執(zhí)行，以對輸入和原輸出狀態(tài) (這些狀態(tài)統(tǒng)稱為數(shù)據(jù))進行“處理”，即按程序?qū)?shù)據(jù)進行邏 輯、算術運算、再將正確的結果送到輸出狀態(tài)寄存器中，這就 是執(zhí)行用戶程序階段。第5階段：全部的指令執(zhí)行完畢后，集中把輸出狀態(tài)寄存器的狀態(tài)通過輸 出部件轉(zhuǎn)換成被控設備所能接受的電壓或電流信號，以驅(qū)動被 控設備，這一階段也稱為輸出刷新階段。3/1/202330說明：●由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后立刻進行的，所以亦將這兩個階段統(tǒng)稱為I／O刷新階段。事實上，除了執(zhí)行程序和I／O刷新外，PLC還要進行各種錯誤檢測(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”。一般在程序執(zhí)行后進行?！駫呙柚芷诘拈L短主要取決于程序的長短。由于每一個掃描周期只進行一次I／0刷新，故使系統(tǒng)存在輸入、輸出滯后現(xiàn)象。這對于一般的開關量限制系統(tǒng)不但不會造成影響，反而可以增加系統(tǒng)的抗干擾實力。但對于限制時間要求較嚴格、響應速度要求較快的系統(tǒng)，就須要細心編制程序，必要時接受一些特殊功能，以削減因掃描周期造成的響應滯后。3/1/2023311.4PLC的編程語言

不接受微機的編程語言，接受梯形圖語言、指令助記符語言、限制系統(tǒng)流程圖語言、布爾代數(shù)語言等。其中梯形圖、指令助記符語言最為常用。PLC的設計和生產(chǎn)至今尚無國際統(tǒng)一標準，不同廠家所用語言和符號也不盡相同。但它們的梯形圖語言的基本結構和功能是大同小異的。3/1/2023321.4.1梯形圖語言梯形圖是在原繼電器—接觸器限制系統(tǒng)的繼電器梯形圖基礎上演化而來的一種圖形語言。它是目前用得最多的PLC編程語言。作為一種圖形語言，它是將ＰＬＣ內(nèi)部的各種編程元件和各種具有特定功能的吩咐用專用圖形符號定義，并按限制要求將有關圖形符號按確定規(guī)律連接起來，構成描述輸入、輸出之間限制關系的圖形。這種圖形就稱為ＰＬＣ的梯形圖。梯形圖是由電氣符號、線圈和觸點等組成。 常開觸點：常閉觸點：

線圈：3/1/202333留意：梯形圖表示的并不是一個實際電路而只是一個限制程序，其間的連線表示的是它們之間的邏輯關系，即所謂“軟接線”。它們并非是物理實體，而是“軟繼電器”。每個“軟繼電器”僅對應PLC存儲單元中的一位。該位狀態(tài)為“1”時，對應的繼電器線圈接通，其常開觸點閉合、常閉觸點斷開；狀態(tài)為“0”時，對應的繼電器線圈不通，其常開、常閉觸點保持原態(tài)。X0X1Y0Y0(b)PLC梯形圖（a）繼電器接觸器線路圖3/1/2023341.4.2助記符語言助記符語言類似于計算機匯編語言，用一些簡潔易記的文字符號表達PLC的各種指令。同一廠家的PLC產(chǎn)品，其助記符語言與梯形圖語言是相互對應的，可相互轉(zhuǎn)換。助記符語言包含2個部分: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、算術運算、邏輯運算等。操作數(shù)一般是由標識符和參數(shù)組成。如：STX0ORY0AN/X1OTY0

助記符語言常用于手持編程器中，梯形圖語言則多用于計算機編程環(huán)境中。X0X1Y0Y0(b)PLC梯形圖3/1/202335

1.4.3邏輯功能圖（略）

參見P41--42

3/1/2023361.5PLC的性能指標與分類1.5.1PLC的主要性能指標I/O點數(shù)---輸入、輸出端子的個數(shù)。這些端子可以通過鑼釘與外部設備相連接。I/O點數(shù)是PLC的重要指標。I/O點數(shù)越多表明可以與外部相連的設備越多，限制規(guī)模越大。I/O點數(shù)包括：主機I/O點數(shù)和最大擴展I/O點數(shù)兩種。2.程序容量---