可編程控制器基礎資料課件

第3章可編程控制器基礎

1第3章可編程控制器基礎13.1.1可編程控制器的定義ProgrammableController—PCPersonalComputer—PCProgrammableLogicController—PLC3.1概述23.1.1可編程控制器的定義3.1概述27/27/202333.1.2可編程控制器的定義

國際電工委員會（IEC）于1987年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)境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的命令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，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設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則設計”。事實上，PLC就是以嵌入式CPU為核心，配以輸入、輸出等模塊，可以方便地用于工業(yè)控制領域的裝置。PLC與機器人、計算機輔助設計與制造一起稱為現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱。37/27/202333.1.2可編程控制器的定義國際7/27/202343.1.2PLC的特點1.可靠性好，抗干擾能力強“專為適應惡劣的工業(yè)環(huán)境而設計的計算機”2.功能完善：功能強，擴充方便，性能價格比高。3.編程簡單，使用方便。PLC采用梯形圖語言編程，容易掌握。4.在線編程：在工業(yè)現(xiàn)場，用手持編程器或筆記本電腦可對PLC進行編程，當PLC聯(lián)網(wǎng)后，可在網(wǎng)絡的任一位置對PLC編程。5.容易安裝，便于維護：采用模塊化結構，現(xiàn)場安裝非常簡單，維修方便。 6.體積小、重量輕、功耗低：是“機電一體化”特有的產(chǎn)品。7.價格便宜47/27/202343.1.2PLC的特點1.可靠性好，抗7/27/202353.1.2PLC的特點PLC繼電器采用存儲邏輯,為“軟接線”硬接線邏輯靈活性和擴展性好靈活性和擴展性差連線少，體積小，功耗小連線多，體積大，功耗大與繼電器控制邏輯相比較57/27/202353.1.2PLC的特點PLC繼電器采用3.1.2PLC的特點與微機比較：從長遠來看，由于PLC的功能不斷增強，更多的采用微機技術，而微機也為了適應用戶需要，更耐用、更易維護的計算機將投放市場，這樣兩者相互滲透，使PLC和微機的界限會變得越來越模糊，二者將長期共存，各用所長，共同發(fā)展。63.1.2PLC的特點與微機比較：67/27/202373.1.3PLC的應用1取代繼電器控制2過程控制（模擬量控制）可編程序控制器可以接收溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量。3位置、速度控制（閉環(huán)調節(jié)控制）4數(shù)據(jù)監(jiān)控：PLC具有數(shù)學運算、數(shù)據(jù)傳送、轉換、排序和查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。5組成分散控制系統(tǒng)PLC作為下位機，計算機作為上位機，可以組成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。

77/27/202373.1.3PLC的應用1取代繼電器控可編程序控制器－當代工業(yè)自動化支柱之一8可編程序控制器－當代工業(yè)自動化支柱之一8可編程序控制器－當代工業(yè)自動化支柱之一9可編程序控制器－當代工業(yè)自動化支柱之一9可編程序控制器－當代工業(yè)自動化支柱之一10可編程序控制器－當代工業(yè)自動化支柱之一10可編程序控制器－當代工業(yè)自動化支柱之一11可編程序控制器－當代工業(yè)自動化支柱之一11可編程序控制器－當代工業(yè)自動化支柱之一12可編程序控制器－當代工業(yè)自動化支柱之一127/27/2023133.1.4PLC的發(fā)展1小型、微型化2大型、超大型化3智能化4CPU能力更強5支持更多的工業(yè)總線支持多種工業(yè)標準總線，使聯(lián)網(wǎng)更加容易和簡單，更易于組成工程控制網(wǎng)。6編程軟件標準化采用國際標準化的編程語言，可大大縮短開發(fā)周期。7人機交流功能增強配置操作面板、觸摸屏等人機對話手段，可使其應用領域進一步擴展，應用更加方便。8數(shù)據(jù)處理能力大大增強137/27/2023133.1.4PLC的發(fā)展1小型、微型繼電器控制14繼電器控制147/27/2023151按照結構分類(1)整體式。(2)模塊式結構。(3)整體模塊混合式。3.1.5PLC的分類157/27/2023151按照結構分類3.1.5PLC的整體式PLC16整體式PLC16模塊式PLC17模塊式PLC177/27/2023182按照I/O點數(shù)分類（1）小型：低檔PLC，I/O點數(shù)<128點。（2）中型：128點≤I/O點數(shù)≤512點。（3）大型：I/O點數(shù)>512點。3.1.5PLC的分類187/27/2023182按照I/O點數(shù)分類3.1.5P7/27/2023193.1.6PLC的主要技術指標

用戶在選用PLC時，首先要了解PLC的結構和性能。若只需大致了解PLC的性能。一般可用CPU芯片、編程語言、用戶程序容量、掃描速度（ms/k）、I/O點數(shù)這五方面情況予以反映。一般，CPU檔次高、編程語言完善、用戶程序容量大、掃描速度快、I/O點數(shù)多，則PLC性能就好，功能就強，價格也就較高了。197/27/2023193.1.6PLC的主要技術指標7/27/2023201.用戶存儲器容量

PLC的存儲器由系統(tǒng)程序存儲器，用戶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器三部分組成。PLC中的用戶存儲器由后兩部分組成。PLC存儲容量通常指用戶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器容量之和，表征系統(tǒng)提供給用戶的可用資源，是系統(tǒng)性能的一項重要技術指標。該存儲器的容量越大，可編制的程序越復雜。一般小型機的用戶存儲器容量為幾千字，大型機的用戶存儲器容量為幾萬字。3.1.6PLC的主要技術指標207/27/2023201.用戶存儲器容量3.1.6PL7/27/2023212.I/O點數(shù)

I/O點數(shù)是指PLC可以接受的輸入開關信號（外部輸入）和輸出開關信號的總和。它是描述PLC大小的一個重要的參數(shù)。3.模數(shù)和數(shù)模通道數(shù)為輸入和輸出的模擬量總和。3.1.6PLC的主要技術指標217/27/2023212.I/O點數(shù)3.1.6PLC7/27/202322

4.掃描速度PLC采用循環(huán)掃描方式工作，完成1次掃描所需的時間叫做掃描周期。掃描速度是指PLC掃描1K字用戶程序所需的時間，常常以ms/K字為單位，掃描速度越快越好。一般1000條指令執(zhí)行時間為10ms左右。小型或超小型的機器掃描時間可能大于40ms。影響掃描速度的主要因素有用戶程序的長度和PLC產(chǎn)品的類型。PLC中CPU的類型、機器字長等直接影響PLC運算精度和運行速度。

5.指令數(shù)量和功能指令系統(tǒng)是指PLC所有指令的總和?？删幊炭刂破鞯木幊讨噶钤蕉?，軟件功能就越強，但掌握應用也相對較復雜。用戶應根據(jù)實際控制要求選擇合適指令功能的可編程控制器。3.1.6PLC的主要技術指標227/27/2023224.掃描速度3.1.6P7/27/202323

6.內部寄存器的配置和容量7.特殊功能單元8.可擴展性輸入點數(shù)、輸出點數(shù)、存儲容量、聯(lián)網(wǎng)功能及可擴展的模塊數(shù)等3.1.6PLC的主要技術指標237/27/2023236.內部寄存器的配置和容量7/27/2023243.2PLC的一般結構3.2.1基本結構1.整體式PLC結構247/27/2023243.2PLC的一般結構3.2.17/27/2023253.2PLC的一般結構2.模塊式PLC結構模塊式PLC是采用搭積木的方式組成系統(tǒng)。在一個機架上插上CPU、電源、I/O模塊及特殊功能單元，構成一個總I/O點數(shù)很多的大規(guī)模綜合控制系統(tǒng)。257/27/2023253.2PLC的一般結構2.模塊式PL7/27/2023263混合式PLC結構3.2PLC的一般結構267/27/2023263混合式PLC結構3.2PLC的一7/27/202327可編程控制器主機可編程控制器編程器圖可編程控制器及編程器3.2.2PLC各部分電路介紹277/27/202327可編程控制器主機可編程控制器編程器圖7/27/2023281.CPU芯片CPU是可編程控制器的控制中樞，相當于人的大腦。一般由控制電路、運算器和寄存器組成。各個PLC公司的CPU芯片類型不同，一般是8位或16位單片機。

3.2.2PLC各部分電路介紹287/27/2023281.CPU芯片3.2.2PLC各7/27/2023292.存儲器PLC的存儲器由只讀存儲器ROM、隨機存儲器RAM和可電擦寫的存儲器EEPROM三大部分構成，主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)。系統(tǒng)程序一般存放在EEPROM中，用戶程序及工作數(shù)據(jù)放在有后備電池的RAM中。3.2.2PLC各部分電路介紹297/27/2023292.存儲器3.2.2PLC各部分電7/27/2023303.輸入/輸出電路是PLC與現(xiàn)場工業(yè)設備連接的電路?，F(xiàn)場的開關通過輸入電路輸入PLC。PLC輸出的開關信號則通過輸出電路輸出到工業(yè)設備。采用光電隔離，實現(xiàn)了PLC的內部電路與外部電路的電氣隔離，減小了電磁干擾。輸入電路：將按鈕、行程開關或傳感器等產(chǎn)生的信號，轉換成數(shù)字信號送入主機。輸出電路：將主機向外輸出的信號轉換成可以驅動外部執(zhí)行電路的信號，以便控制接觸器線圈等電器通斷電；另外輸出電路也使計算機與外部強電隔離。輸出電路有三種輸出形式：繼電器--低速大功率可控硅--高速大功率晶體管--高速小功率3.2.2PLC各部分電路介紹307/27/2023303.輸入/輸出電路3.2.2PLC7/27/2023314.電源模塊PLC電源的輸入電壓有直流12V、24V、48V和交流110V、220V，PLC電源模塊的輸出一般為5V和24V，用以向CPU、存儲器等提供工作電源。5.通信接口

一般至少有一個RS232或RS485通信口。通信有PLC之間的通信和PLC與其他設備之間的通信。通信主要涉及通信模塊、通信接口、通信協(xié)議和通信指令等內容。PLC的組網(wǎng)和通信能力也已成為PLC產(chǎn)品水平的重要衡量指標之一。目前常用USB接口。6.特殊功能單元3.2.2PLC各部分電路介紹317/27/2023314.電源模塊3.2.2PLC各部分電7/27/2023327.編程器PLC采用的編程器有下面三種類型：1）簡易編程器：用于小型和超小型PLC。2）CRT編程器：用于中大規(guī)模PLC，可顯示梯形圖、數(shù)據(jù)信息和報警信息指示等。3）計算機編程：隨著計算機的大力普及，有些中大規(guī)模的PLC已采用計算機編程。此時計算機除用做編程外，還兼有管理和操作指導功能。

3.2.2PLC各部分電路介紹327/27/2023327.編程器3.2.2PLC各部分電7/27/2023333.3PLC工作原理3.3.1工作原理概括的講，PLC的工作方式是一個循環(huán)掃描過程。其過程為圖1所示。這個過程分為讀輸入(輸入采樣階段)、程序執(zhí)行、寫輸出（輸出刷新階段）三個階段。整個過程進行一次所需要的時間稱為掃描周期（也叫工作周期或掃描時間）。337/27/2023333.3PLC工作原理3.3.1工作原7/27/2023341.三個階段的工作過程347/27/2023341.三個階段的工作過程34PLC控制的等效電路35PLC控制的等效電路357/27/202336

2.響應時間由于采用了掃描工作方式，故從PLC輸入端有一個輸入信號發(fā)生變化到輸出端對該輸入變化作出反應，需要一段時間，這段時間就稱為PLC的響應時間或滯后時間。響應時間產(chǎn)生的原因

（1）輸入濾波器有時間常數(shù)它由RC濾波電路的時間常數(shù)決定。改變時間常數(shù)可調整輸入延遲時間。

（2）輸出電路時間常數(shù)輸出電路的滯后時間，與輸出電路的輸出方式有關。繼電器輸出方式的滯后時間為10ms左右；雙向晶閘管輸出方式，在接通負載時滯后時間約為1ms，切斷負載時滯后時間小于10ms；晶體管輸出方式的滯后時間小于1ms。

367/27/2023362.響應時間367/27/202337（3）程序語句的安排，也影響響應時間。（4）PLC循環(huán)掃描的工作方式PLC循環(huán)操作時，進行公共處理、I/O刷新和執(zhí)行用戶程序等產(chǎn)生掃描周期。（5）PLC對I/O的刷新方式。其中4）5）是由PLC的工作原理決定的，無法改變。而其它因素并非固定的，可以通過選擇合理的元件及合理編制程序使滯后較小。377/27/202337（3）程序語句的安排，也影響響應時間。7/27/202338

由于PLC是循環(huán)掃描工作方式，因此響應時間與收到輸入信號的時刻有關。最短響應時間：如果在一個掃描周期剛結束時收到一個輸入信號，下一個掃描周期一開始這個信號就被采樣，使輸入刷新，這時響應時間最短。最短響應時間可以用下式表示：

最短響應時間=輸入延遲時間+一個掃描周期+輸出延遲時間387/27/202338由于PLC是循環(huán)掃描工7/27/202339

最長響應時間：

如果在第n個掃描剛執(zhí)行完輸入刷新后，輸入發(fā)生變化，在該掃描周期內這個信號不會發(fā)生作用，要到n+1個掃描周期的輸入刷新階段才能采樣到輸入變化，在輸出刷新階段輸出作出反應，這時響應時間最長。最長響應時間=輸入延遲時間+兩個掃描周期+輸出延遲時間最長響應時間要求輸入信號的持續(xù)時間應大于一個掃描周期，否則就不能確保輸入信號被采樣，也就不能被響應了。397/27/202339最長響應時間：如果在第n個掃4040程序語句的安排，對響應時間的影響41程序語句的安排，對響應時間的影響417/27/202342

3.3.3PLC的編程語言梯形圖語言和助記符語言梯形圖語言是一種以圖形符號及圖形符號在圖中的相互關系表示控制關系的編程語言，是從繼電接觸器控制電路演變過來的。因PLC是專為工業(yè)控制開發(fā)的裝置，主要使用對象是廣大技術人員，他們可能不十分懂電氣，但是對生產(chǎn)流程卻非常在行，梯形圖語言和助記符語言就是為他們開發(fā)的語言。各個PLC生產(chǎn)廠家使用的梯形圖語言基本類似（助記符可能不同），互相轉換較容易，但助記符語言完全不同，轉換起來較困難。PLC實際上只認識助記符語言，梯形圖語言需轉換成助記符語言再存入PLC的存儲器中。427/27/2023423.3.3PLC的編程語言梯形圖語7/27/202343

3.3.5PLC的編程

指用梯形圖和助記符語言編制程序，并將該程序送入PLC。編程時可以使用專用編程器，也可用計算機。編程器只能使用助記符語言；用計算機編程，梯形圖和助記符語言都可以使用。編程器需專門配置，但體積小巧輕便，在控制現(xiàn)場使用方便。用計算機編程時需使用PLC專用軟件，用這些軟件不僅可以編程和調試程序，且可以監(jiān)視PLC的運行。3.3.4PLC的指令系統(tǒng)437/27/202343

3.3.5PLC的編程3.3.47/27/2023441.4梯形圖1.4.1梯形圖的由來

(1)

常開按扭該按鈕的觸點平常的工作狀態(tài)是斷開狀態(tài)，當用手按動時，觸點閉合，為連接狀態(tài)，當手離開按鈕時，觸點斷開，恢復斷開狀態(tài)。(2)常閉按鈕

該按鈕的觸點平常的工作狀態(tài)是閉合狀態(tài)，當用手按動時，觸點斷開，為斷開狀態(tài)，當手離開按鈕時，觸點閉合，恢復連接狀態(tài)。

梯形圖語言實際是圖形，它來源于繼電器控制電路圖，在繼電器控制電路中，由5種基本圖形就可以組成很復雜的控制線路。447/27/2023441.4梯形圖1.4.1梯形圖的由來7/27/202345(3)常開觸點（NormalOpen）該觸點平常的工作狀態(tài)是斷開狀態(tài)，當繼電器線圈通電時，觸點閉合，為連接狀態(tài)；當繼電器線圈斷電時，觸點斷開，恢復斷開狀態(tài)。

(4)常閉觸點該觸點平常的工作狀態(tài)是閉合狀態(tài)，當繼電器線圈通電時，觸點斷開，為斷開狀態(tài)；當繼電器線圈斷電時，觸點閉合，恢復連接狀態(tài)。

(5)繼電器線圈繼電器線圈只有連接該線圈的所有觸點都閉合時，線圈通電，由線圈和動鐵組成的電磁鐵吸引閉合，帶動常開觸點閉合，常閉觸點斷開。

457/27/202345(3)常開觸點（Normal7/27/202346467/27/202346467/27/202347若用“1”表示按鈕、繼電器觸點的閉合狀態(tài)和繼電器線圈的得電狀態(tài)，若用“0”表示按鈕、繼電器觸點的斷開狀態(tài)和繼電器線圈的失電狀態(tài)，則這個繼電器控制電路就可以用計算機實現(xiàn)。用計算機實現(xiàn)繼電器控制電路是PLC的最初目的，而梯形圖就是繼承繼電器控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，成為了PLC輸入的一種方式。在PLC中，這些按鈕的觸點和線圈就是存儲器中存儲單元，又稱為操作數(shù)。477/27/202347若用“1”表示按鈕、繼電器觸點的閉合狀演示：傳統(tǒng)控制電路轉換成梯形圖以第二章部分控制電路為例48演示：傳統(tǒng)控制電路轉換成梯形圖以第二章部分控制電路為例487/27/202349⑴繼電器控制系統(tǒng)中的繼電器觸點在PLC中是存儲器中的數(shù)，繼電器的觸點數(shù)量有限，設計時需要合理分配使用繼電器的觸點，而PLC中的存儲器“數(shù)”可以反復使用，因為控制中只使用數(shù)的狀態(tài)“1”或“0”。⑵繼電器控制系統(tǒng)中的梯形圖是電氣連接圖，施工費力，更改困難，而PLC中的梯形圖是利用計算機制作的，更改簡單，調試方便。⑶繼電器控制系統(tǒng)中的繼電器是按照觸點的動作順序和時間延遲，逐個動作。而PLC是按照掃描的工作方式，首先采集輸入信號，然后對所有的梯形圖進行計算，計算完成后，將計算結果輸出，由于PLC的掃描速度快，輸入信號的變化到輸出信號的改變似乎是在一瞬間完成的。⑷繼電器控制系統(tǒng)中的梯形圖左右兩側的線是繼電器的電源線，而在PLC中這兩根線已經(jīng)失去了意義，只是為了維持梯形圖的形狀。3.4.2梯形圖與繼電器控制圖的區(qū)別

497/27/202349⑴繼電器控制系統(tǒng)中的繼電器觸點在PLC7/27/202350⑸梯形圖按照從上往下、每一行從左往右的順序編寫，在繼電器控制系統(tǒng)中，控制電路的動作順序與梯形圖編寫的順序無關，而PLC對梯形圖的執(zhí)行順序與梯形圖的編寫順序一致。⑹梯形圖的最右側必須連接輸出元素。繼電器控制系統(tǒng)中的梯形圖最右側是各個繼電器線圈，而PLC中，梯形圖的最右側可以是表示線圈的存儲器數(shù)，還可是計數(shù)器、定時器、數(shù)據(jù)傳輸?shù)萈LC中的輸出元素和指令。⑺梯形圖中的觸點可以串聯(lián)和并聯(lián)，輸出元素在PLC中只能并聯(lián)，不能串聯(lián)。在繼電器控制系統(tǒng)中，繼電器線圈是可以串聯(lián)使用的。⑻PLC中的梯形圖結束標志是END。507/27/202350⑸梯形圖按照從上往下、每一行從左往右的7/27/2023513.4.3梯形圖編程前的準備工作需準備的工作：1．熟悉PLC指令2．存儲器地址安排與分配3．清楚輸入輸出設備的工作原理4．為輸入和輸出設備分配存儲器地址5．為PLC梯形圖中需要的中間量分配地址。6．清楚控制原理，確認輸出量、中間量和指令的得電條件和失電條件。517/27/2023513.4.3梯形圖編程前的準備工作需7/27/2023523.5.2PLC控制系統(tǒng)的設計

1.5.1PLC的設計原則

1.硬件設計PLC系統(tǒng)一般由PLC、輸入輸出設備、控制柜等設備組成。在設計中應考慮以下設計原則：1）可靠性2)功能完善3）經(jīng)濟性4）系統(tǒng)的先進性和可擴展性系統(tǒng)設計包括兩部分：硬件設計和軟件設計

527/27/2023523.5.2PLC控制系統(tǒng)的設計

7/27/2023532．軟件設計即是編寫滿足生產(chǎn)要求的梯形圖或助記符程序，設計原則和要求為：1）建立PLC輸入和輸出量的接線表和接線圖。對于較復雜的控制系統(tǒng)，需繪制系統(tǒng)控制流程圖，用以清楚的表明動