第三章可編程控制器技術(shù)概述

第三章可編程控制器技術(shù)概述第一頁(yè)，共65頁(yè)。2第三章

可編程控制器概述第二頁(yè)，共65頁(yè)。3本章內(nèi)容●

PLC的特點(diǎn)、應(yīng)用和發(fā)展●PLC的分類●PLC的系統(tǒng)組成●PLC的工作原理●

PLC的編程語(yǔ)言和程序結(jié)構(gòu)第三頁(yè)，共65頁(yè)。43-1可編程控制器概述可編程控制器：是專門為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)。第四頁(yè)，共65頁(yè)。5邏輯運(yùn)算順序控制

計(jì)時(shí)

計(jì)數(shù)1969年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制開(kāi)發(fā)出世界上第一臺(tái)可編程序控制器。裝置的主要功能

命名為可編程邏輯控制器—PLC

(ProgrammableLogicalController)第五頁(yè)，共65頁(yè)。6計(jì)算機(jī)技術(shù)的融入，使PLC功能極大地豐富PLC的功能1980年正式命名為可編程序控制器

(ProgrammableController)—PC→PLC數(shù)據(jù)運(yùn)算數(shù)據(jù)處理過(guò)程控制通訊聯(lián)網(wǎng)原有功能第六頁(yè)，共65頁(yè)。7PLC的特點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高體積小，維護(hù)操作方便控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)編程方便，易于使用設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試的周期短功能完善1.1計(jì)算機(jī)概述3-2可編程控制器的特點(diǎn)第七頁(yè)，共65頁(yè)。8★控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單第八頁(yè)，共65頁(yè)。9

缺點(diǎn)：●

PLC的硬件體系是封閉的：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?！?/p>

軟件體系結(jié)構(gòu)也是封閉的：編程語(yǔ)言的組態(tài)、尋址等均不同，互不兼容。第九頁(yè)，共65頁(yè)。10運(yùn)算速度快存儲(chǔ)容量大性能價(jià)格比高功能豐富體積小巧故障檢測(cè)容易編程簡(jiǎn)單現(xiàn)代PLC的特性3-3.可編程序控制器的發(fā)展趨勢(shì)第十頁(yè)，共65頁(yè)。11

高性能、高速度、大容量發(fā)展

采用多CPU結(jié)構(gòu)進(jìn)行多通道、多任務(wù)處理

CPU采用32位微處理器增加智能控制功能（如PID控制、模糊控制、自適應(yīng)控制，參數(shù)自整定等功能）支持組態(tài)設(shè)計(jì)今后可編程序控制器的發(fā)展趨勢(shì)：第十一頁(yè)，共65頁(yè)。12

向小型化、專用化、低成本方向發(fā)展大力發(fā)展微型PLC、專用PLC，不斷增強(qiáng)PLC的功能，降低成本，使得能在更廣泛的領(lǐng)域里代替電氣控制系統(tǒng)。

掌上PLC

高性能支持多種編程方式第十二頁(yè)，共65頁(yè)。13

大力開(kāi)發(fā)智能模塊如模擬量I/O、高速計(jì)數(shù)輸入、機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制、熱電偶輸入、條形碼閱讀器、模糊控制器、PID回路控制、通信模塊等。

智能模塊本身帶有CPU和存儲(chǔ)器，有很強(qiáng)的信息處理能力和控制功能，它的CPU與可編程序控制器的主CPU并行工作，完成一些特殊的控制功能。第十三頁(yè)，共65頁(yè)。14

PLC編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)化1994年IEC公布了PLC標(biāo)準(zhǔn)—IEC61131-3

順序功能圖（SFC）●梯形圖功能塊圖●指令表結(jié)構(gòu)文本

PLC的硬件、軟件的體系結(jié)構(gòu)都是封閉的。各廠家的PLC編程語(yǔ)言、指令系統(tǒng)的功能、表達(dá)方式有很大的差異，通信網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議是專用的?；ゲ患嫒?。第十四頁(yè)，共65頁(yè)。15

PLC通信的易用化和“傻瓜化”

開(kāi)發(fā)針對(duì)不同外部設(shè)備、現(xiàn)成的通訊程序，用戶使用時(shí)，只要作一些硬件或軟件上的初始化設(shè)置，不需要編程，使得通信功能易于使用。PLC的軟件化

開(kāi)發(fā)在PC機(jī)上運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)可編程控制器功能的軟件包（稱軟件PLC）?？稍赑C機(jī)上用梯形圖、順序功能圖等圖形語(yǔ)言來(lái)編程，程序輸入后，在PC上作過(guò)程模擬仿真。

第十五頁(yè)，共65頁(yè)。16

PLC與現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）相結(jié)合

將現(xiàn)場(chǎng)的各種智能測(cè)控裝置(如傳感器、儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、PLC等)通過(guò)數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)總線連為一體，按照公開(kāi)、規(guī)范的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)彼此間的數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，共同實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能。

增強(qiáng)通信聯(lián)網(wǎng)能力第十六頁(yè)，共65頁(yè)。17

基于現(xiàn)場(chǎng)總線的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)第十七頁(yè)，共65頁(yè)。18PLC著名品牌世界幾大PLC生產(chǎn)廠家：美國(guó)A－B公司（Allen－Bradley）德國(guó)西門子公司（Siemens）美國(guó)GE－Fanuc公司美國(guó)的莫迪康（Modicon）和法國(guó)的TE電器公司日本歐姆公司（OMRON）日本三菱電機(jī)株式會(huì)社（MITSUBISHI）日本富士電機(jī)株式會(huì)社（FujiElectric）日本東芝公司（TOSHIBA）日本松下電工株式會(huì)社（MEW）：MatsushitaElectricWorksLtd）第十八頁(yè)，共65頁(yè)。19▲按I／O點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量來(lái)分●小型PLCI／O總點(diǎn)數(shù):128點(diǎn)以下;用戶程序存儲(chǔ)器容量:4K字以下;以開(kāi)關(guān)量控制為主，有少量的模擬量處理能力和一定的通訊功能?！?-4可編程控制器的分類第十九頁(yè)，共65頁(yè)。20●中型PLCI/O總點(diǎn)數(shù):128～2048點(diǎn)之間;用戶程序存儲(chǔ)器容量:2～8K字。具有很強(qiáng)的邏輯處理能力、數(shù)據(jù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、模擬量處理及通訊能力。用于復(fù)雜的邏輯控制及連續(xù)生產(chǎn)的過(guò)程控制。第二十頁(yè)，共65頁(yè)。21●大型PLCI/O總點(diǎn)數(shù):2048點(diǎn)以上;用戶程序存儲(chǔ)器容量:8～16K字;大型PLC的功能與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相當(dāng)，具有計(jì)算、控制和調(diào)節(jié)功能，還具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通訊聯(lián)網(wǎng)等功能。第二十一頁(yè)，共65頁(yè)。22●整體式：小型PLC都采用整體式結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)：將PLC的基本部件CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出電路、電源等集中地安裝在一個(gè)機(jī)殼內(nèi)，構(gòu)成一個(gè)可以完成一定控制任務(wù)的PLC基本單元?！凑战Y(jié)構(gòu)形式來(lái)分第二十二頁(yè)，共65頁(yè)。23●疊裝式特點(diǎn)：由整體式PLC+擴(kuò)展單元組成的PLC系統(tǒng)，構(gòu)成疊裝式PLC控制系統(tǒng)。CPU單元

擴(kuò)展單元

第二十三頁(yè)，共65頁(yè)。24●模塊式特點(diǎn)：是把組成PLC的基本部件CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出電路、電源及各種功能控制單元都作成標(biāo)準(zhǔn)模塊，將這些模塊插接在基板上，構(gòu)成PLC控制系統(tǒng)。第二十四頁(yè)，共65頁(yè)。25電源模塊CPU模塊信號(hào)模塊底板

中、大型PLC多采用模塊式，可根據(jù)需要在主板上隨意組合。模塊式PLC通信模塊第二十五頁(yè)，共65頁(yè)。26§3-5可編程控制器的系統(tǒng)組成

不同廠家PLC的組成結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同，主要是由CPU﹑電源﹑存儲(chǔ)器、輸入輸出單元組成。

第二十六頁(yè)，共65頁(yè)。27CPU由控制器、運(yùn)算器和寄存器構(gòu)成；各部件通過(guò)總線連接。輸入/輸出設(shè)備通過(guò)I/O接口與系統(tǒng)相連；存儲(chǔ)器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址總線AB輸出設(shè)備CPU1.中央處理單元（CPU）第二十七頁(yè)，共65頁(yè)。28▲CPU的作用●接收編程器輸入用戶程序，送存儲(chǔ)器存儲(chǔ);●用掃描方式接收現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并存入輸入映像寄存器中;●監(jiān)視電源、PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)；●診斷編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤，對(duì)用戶程序進(jìn)行編譯；第二十八頁(yè)，共65頁(yè)。29●完成用戶程序中規(guī)定的邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理等任務(wù)；●根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映像寄存器的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)輸出控制、制表打印或數(shù)據(jù)通訊等功能；●響應(yīng)各種外部設(shè)備的請(qǐng)求。

第二十九頁(yè)，共65頁(yè)。30●小型PLC的CPU多采用8位微處理器或單片機(jī)●中型PLC的CPU多采用16位微處理器或單片機(jī)●大型PLC多采用高速位片式微處理器第三十頁(yè)，共65頁(yè)。31存儲(chǔ)器系統(tǒng)存儲(chǔ)器用戶存儲(chǔ)器存放系統(tǒng)程序、用戶程序、系統(tǒng)組態(tài)及用戶程序運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的各種工作數(shù)據(jù)存放由PLC廠家編寫的系統(tǒng)程序，固化在ROM

中＝＋

2.存儲(chǔ)器用戶程序存儲(chǔ)器存放用戶編寫的應(yīng)用程序用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

存放用戶程序用到或產(chǎn)生的工作數(shù)據(jù)。第三十一頁(yè)，共65頁(yè)。32▲

PLC存儲(chǔ)單元的類型●隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）●只讀存儲(chǔ)器（ROM）●電可擦寫式存儲(chǔ)器（E2PROM）●快閃存儲(chǔ)器（FEPROM）PLC的存儲(chǔ)器多數(shù)都直接集成在CPU模塊內(nèi)部。第三十二頁(yè)，共65頁(yè)。33（1）輸入/輸出單元的組成●與被控設(shè)備相連的接口電路●輸入和輸出映像寄存器（2）輸入/輸出信號(hào)的類型

PLC的I/O信號(hào)分為：開(kāi)關(guān)量、模擬量。3.輸入、輸出單元第三十三頁(yè)，共65頁(yè)。34（3）輸入接口電路的作用●開(kāi)關(guān)量：接收外部開(kāi)關(guān)的通/斷信號(hào)，經(jīng)隔離、并轉(zhuǎn)化為PLC內(nèi)部的“0”、“1”信號(hào)，存入輸入映像寄存器中?！衲M量：接收外部傳感器、變送器送來(lái)的模擬量信號(hào)。通過(guò)接口電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量信號(hào)，存入模擬量輸入映像寄存器中。第三十四頁(yè)，共65頁(yè)。35（4）輸出接口電路的作用●開(kāi)關(guān)量：保存、隔離、將PLC內(nèi)部的“1”、“0”信號(hào)轉(zhuǎn)化為外部負(fù)載電路通斷狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)量執(zhí)行元件?！衲M量：將PLC內(nèi)部的數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，變成標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)，驅(qū)動(dòng)模擬量負(fù)載。（5)開(kāi)關(guān)量輸入接口電路▲開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)分類:

交直流輸入●直流輸入●交流輸入第三十五頁(yè)，共65頁(yè)。36▲直流輸入接口電路工作原理開(kāi)關(guān)量直流輸入接口電路圖限流電阻濾波電路光電偶合器發(fā)光二極管光敏三極管

直流輸入接口電路延遲時(shí)間短，可直接與接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)等電子輸入裝置相連。第三十六頁(yè)，共65頁(yè)。37▲交流輸入接口電路工作原理開(kāi)關(guān)量交流輸入接口電路圖

交流輸入電路適合于有油霧、粉塵的惡劣環(huán)境。第三十七頁(yè)，共65頁(yè)。38（6)開(kāi)關(guān)量輸出接口電路

PLC的開(kāi)關(guān)量輸出類型有三種:●繼電器輸出型（常用）●

晶體管輸出型（通斷頻率要求高的場(chǎng)合）●晶閘管輸出型（通斷頻率要求高的場(chǎng)合，使用較少）第三十八頁(yè)，共65頁(yè)。39

繼電器輸出型

PLC的內(nèi)、外部電路之間通過(guò)輸出繼電器相連（磁電隔離）。特點(diǎn)●可帶交流、直流負(fù)載;●輸出點(diǎn)的容量較大,最大負(fù)載電流為2A/點(diǎn)?！褫敵鲰憫?yīng)速度慢，繼電器輸出型PLC的動(dòng)作頻率低。第三十九頁(yè)，共65頁(yè)。40

晶體管輸出型

PLC的內(nèi)、外部電路之間通過(guò)光電耦合器相連。特點(diǎn)●只能帶直流負(fù)載;●輸出點(diǎn)的容量較小,最大負(fù)載電流為0.75A/點(diǎn)。●輸出響應(yīng)速度快，晶體管輸出型PLC的動(dòng)作頻率高(可達(dá)幾十KHZ)。第四十頁(yè)，共65頁(yè)。41

可控硅輸出型

PLC的內(nèi)、外部電路之間通過(guò)光電耦合器相連。特點(diǎn)●只能帶交流負(fù)載;●輸出點(diǎn)的容量較小,最大負(fù)載電流為1.2A/點(diǎn)?！褫敵鲰憫?yīng)速度快，晶閘管輸出型PLC的動(dòng)作頻率高。

光觸發(fā)雙向可控硅

雙向晶閘管第四十一頁(yè)，共65頁(yè)。42▲作用把PLC外部工作電源變換成系統(tǒng)內(nèi)部各單元所需的直流電源。PLC的電源一般采用開(kāi)關(guān)式電源。4.電源單元（一般使用交流220V或直流24V電源）第四十二頁(yè)，共65頁(yè)。435、通訊接口：與監(jiān)視器、打印機(jī)、其他的PLC或計(jì)算機(jī)相連。

6、擴(kuò)展接口：將I/O擴(kuò)展單元、功能模塊與基本單元相連。

通訊接口

擴(kuò)展接口

擴(kuò)展電纜

第四十三頁(yè)，共65頁(yè)。44可編程控制器的基本組成CPU存儲(chǔ)器

I/O單元

電源

通訊接口

擴(kuò)展接口

第四十四頁(yè)，共65頁(yè)。45▲

作用:

供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視▲編程器分類:●簡(jiǎn)易型（手持式）編程器：由簡(jiǎn)易鍵盤和顯示器件組成，只能聯(lián)機(jī)編程，且只能采用指令表語(yǔ)言輸入?！裰悄苄途幊唐鳎▓D形編程器）：它可以聯(lián)機(jī)編程，也可以脫機(jī)編程，具有LCD或CRT圖形顯示功能，可以直接輸入梯形圖，并通過(guò)屏幕對(duì)話。簡(jiǎn)易型編程器7、PLC的外設(shè)--編程設(shè)備第四十五頁(yè)，共65頁(yè)。46可以通過(guò)鍵盤輸入和調(diào)試程序；程序運(yùn)行時(shí)，可通過(guò)編程器的屏幕對(duì)整個(gè)控制過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控?！裼冒惭b了編程軟件的PC機(jī)8、其他部件PLC還可配有存儲(chǔ)器卡、遠(yuǎn)程I/O、智能模塊等其他外部設(shè)備

遠(yuǎn)程I/O第四十六頁(yè)，共65頁(yè)。47繼電器控制系統(tǒng)---1）PLC的工作方式并行工作方式

§3-7PLC的工作原理

第四十七頁(yè)，共65頁(yè)。48PLC的工作方式串行方式----集中輸入數(shù)據(jù)順序執(zhí)行程序集中輸出數(shù)據(jù)循環(huán)掃描工作方式第四十八頁(yè)，共65頁(yè)。49循環(huán)掃描工作方式PLC按集中輸入數(shù)據(jù)、順序執(zhí)行用戶程序、集中輸出結(jié)果，周而復(fù)始、重復(fù)循環(huán)的方式工作,稱為循環(huán)掃描工作方式。每一次循環(huán)掃描所用的時(shí)間稱為掃描周期。掃描周期的長(zhǎng)短與下列因素有關(guān)：

●用戶程序的長(zhǎng)短●采用的指令類型●CPU的運(yùn)行速度第四十九頁(yè)，共65頁(yè)。502.PLC的工作框圖▲上電處理初始化--硬件初始化，I/O模塊配置檢查，停電保持范圍設(shè)定及其它初始化處理等。PLC的工作全過(guò)程包括:▲掃描過(guò)程：▲出錯(cuò)處理：

第五十頁(yè)，共65頁(yè)。51在一個(gè)掃描周期中，PLC一般將完成部分或全部的以下操作：讀輸入處理通信請(qǐng)求執(zhí)行邏輯控制程序?qū)戄敵鰣?zhí)行CPU自診斷第五十一頁(yè)，共65頁(yè)。523.PLC工作過(guò)程的中心內(nèi)容

★★★PLC的主要工作過(guò)程第五十二頁(yè)，共65頁(yè)。53●輸入采樣階段

輸入采樣階段，PLC首先掃描所有輸入端子，并將各輸入端子的狀態(tài)存入相對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器中，然后進(jìn)入程序執(zhí)行階段。此后輸入信號(hào)變化，必須保持到下一個(gè)掃描周期的輸入采樣階段，才重新刷新輸入映像寄存器的內(nèi)容。故輸入信號(hào)的寬度要大于一個(gè)掃描周期。PLC主要工作過(guò)程★★★第五十三頁(yè)，共65頁(yè)。54●程序執(zhí)行階段

PLC根據(jù)用戶程序從輸入映像寄存器中“讀入”對(duì)應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從元件映像寄存器“讀入”對(duì)應(yīng)軟元件的當(dāng)前狀態(tài)，并按照從左到右、從上到下的步驟順序執(zhí)行用戶程序。運(yùn)算結(jié)果存入元件映像寄存器中。執(zhí)行完最后一條指令后，轉(zhuǎn)入輸出刷新階段。第五十四頁(yè)，共65頁(yè)。55●輸出刷新階段

將元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)通過(guò)輸出鎖存器，寫到輸出端子上，最后驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。第五十五頁(yè)，共65頁(yè)。564.PLC對(duì)輸入/輸出的處理原則輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)取決于輸入端子上各輸入點(diǎn)在上一刷新期間的接通和斷開(kāi)狀態(tài)。程序執(zhí)行結(jié)果取決于用戶所編程序和輸入/輸出映像寄存器的內(nèi)容及其他各元件映像寄存器的內(nèi)容。輸出映像寄存器的數(shù)據(jù)取決于輸出指令的執(zhí)行結(jié)果。輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)，由上一次輸出刷新期間輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)決定。輸出端子的接通和斷開(kāi)狀態(tài)，由輸出鎖存器決定。第五十六頁(yè)，共65頁(yè)。57§3-8PLC的編程語(yǔ)言▲

梯形圖語(yǔ)言（LAD--Ladder）

能流只能從左向右流動(dòng)，不能反向流動(dòng)?！裼|點(diǎn)：代表邏輯輸入條件，是開(kāi)關(guān)按鈕或PLC內(nèi)部元件的狀態(tài)?！衲芰?-假想信號(hào)流，當(dāng)有通路時(shí)，“能流”從左至右流向線圈，則線圈被激勵(lì)。●線圈：代表邏輯運(yùn)算的結(jié)果，中間或最終結(jié)果。第五十七頁(yè)，