山東理工大學(xué)PLC課件第3章 可編程控制器的概述1

可編程控制器

ProgrammableController

主要內(nèi)容:第3章可編程控制器基礎(chǔ)第4章S7-200PLC的系統(tǒng)配置第5章S7-200PLC的指令系統(tǒng)第6章STEP7-Micro/WIN32編程軟件第8章可編程控制器系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用第3章可編程控制器基礎(chǔ)

本章要點：可編程控制器的產(chǎn)生、特點、分類與發(fā)展可編程控制器的定義可編程控制器的組成及工作原理可編程控制器的技術(shù)指標

3.1可編程控制器概述早期的名稱：可編程序邏輯控制器

ProgrammableLogicController－PLC后來的名稱：可編程序控制器

ProgrammableController－PC現(xiàn)在的名稱：可編程控制器

ProgrammableLogicController－PLC3.1.1可編程控制器的產(chǎn)生與發(fā)展一、PLC的產(chǎn)生：

繼電器控制：簡單、易懂、操作方便、價格便宜但體積龐大、故障高、功耗大、不易維護、改造與升級。

個人計算機：通用、靈活、功能完備,但抗干擾不強

單片機：用于工業(yè)控制還要附加一些配套的集成電路。工控機：常用于實時性強、快速、功能復(fù)雜的領(lǐng)域但價格昂貴。

PLC概念的提出：1968年，通用汽車公司(GM)。該公司提出用一種新型控制裝置替代繼電器控制。一、PLC的產(chǎn)生GM提出新一代控制器應(yīng)具備以下條件：（1）編程方便，可現(xiàn)場修改程序。（2）維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)。（3）可靠性高于繼電器控制裝置。（4）體積小于繼電器控制柜。（5）數(shù)據(jù)可直接送入管理計算機。（6）成本可與繼電器控制柜競爭。（7）輸入可以用交流115V（美國電壓標準）。一、PLC的產(chǎn)生（8）輸出為交流115V，容量要求在2A以上，可以直接驅(qū)動接觸器和電磁閥。（9）擴展時原系統(tǒng)改變最小。（10）用戶存儲器至少能擴展至4KB。根據(jù)這種設(shè)想，1969年美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制出了世界上第一臺PLC，并在美國GM公司的汽車自動裝配生產(chǎn)線上試用獲得成功。二、PLC的定義國際電工委員會IEC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)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲和執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、算術(shù)運算等操作命令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴充其功能的原則設(shè)計?！睂嵸|(zhì)：專門為工業(yè)控制設(shè)計的計算機。三、PLC的發(fā)展1969-1972，PLC用磁芯儲存器儲存數(shù)據(jù)和程序，只是用來取代繼電器控制，只具有邏輯控制、順序控制、計時、計數(shù)等功能。1973-1975，PLC開始采用8位微處理器作為PLC的中央處理器（CPU），存儲器采用半導(dǎo)體存儲器。能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)學(xué)運算、傳送、比較、PID調(diào)節(jié)、通信等功能，從而使PLC成為計算機類產(chǎn)品。1976-1983，PLC采用8、16位微處理器，甚至多微處理器作CPU,可以進行多種復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算，具備完善的通信功能和較強的遠程I/O能力，具有較強的自診斷功能并采用了容錯技術(shù)。1983－至今，PLC則采用32位微處理器，多PLC協(xié)作。三、PLC的發(fā)展PLC產(chǎn)品趨于向兩個方向發(fā)展：小型PLC：體積小、功能強、速度快、價格廉的方向發(fā)展。如OMRON的CQM1，SIEMENS的S7－200。廣泛取代繼電器控制系統(tǒng)，用于單機控制和規(guī)模比較小的自動化生產(chǎn)線控制。三、PLC的發(fā)展大中型PLC：向高可靠性、高速度、多功能、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。如OMRON的CV2000，SIEMENS的S7－400。不僅具有邏輯運算、定時、計數(shù)等功能，還具有數(shù)值運算模擬調(diào)節(jié)實時監(jiān)控、記錄顯示計算機接口數(shù)據(jù)傳送等，而且還能中斷控制、智能控制、過程控制、遠程控制等。通過網(wǎng)絡(luò)可以與上位機通信，配備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、彩色圖像系統(tǒng)的操縱臺，可以管理、控制生產(chǎn)線、生產(chǎn)流程、生產(chǎn)車間或整個工廠，實現(xiàn)自動化工廠的全面要求。3.1.2可編程控制器的特點特點：（1）抗干擾能力強、可靠性高硬件方面：屏蔽、濾波、光電隔離、模塊式結(jié)構(gòu)。軟件方面：對掉電、欠電壓、電池電壓進行自動檢測。監(jiān)視程序的執(zhí)行時間，防止死循環(huán)。對程序進行檢查和校驗，發(fā)現(xiàn)錯誤立即報警并停止。利用后備電池對程序和數(shù)據(jù)進行保護，防止停電時信息丟失。

3.1.2可編程控制器的特點（2）靈活性強，控制系統(tǒng)具有良好的柔性（3）編程語言簡單易學(xué)。－梯形圖（4）控制系統(tǒng)易于實現(xiàn)，設(shè)計與調(diào)試周期短（5）與外部設(shè)備的連接簡單、使用、維修方便；（6）PLC的體積小、重量輕、易于實現(xiàn)機電一體化（7）PLC的功能強性能價格比高★有人預(yù)言，PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)⑷〈嬎銠C。3.1.3

可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域1、開關(guān)量邏輯控制

用價格較低，僅有開關(guān)量控制功能的可編程序控制器作為繼電器控制系統(tǒng)的替代物。開關(guān)量邏輯控制可以用于單臺設(shè)備，也可以用于自動生產(chǎn)線，如機床電氣控制、沖壓、鑄造機械、運輸帶、包裝機械的控制，電梯的控制，化工系統(tǒng)中各種泵和電磁閥的控制，冶金系統(tǒng)的高爐上料系統(tǒng)，以及各種生產(chǎn)線上。3.1.3

可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域2、運動控制可編程控制器可用于對直線或圓周運動的控制，如金屬切削機床、裝配機械、機器人、電梯等。3、閉環(huán)過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制?？删幊炭刂破魍ㄟ^模擬量I/O模塊實現(xiàn)A/D、D/A轉(zhuǎn)換并實行閉環(huán)PID控制。如加熱爐、熱處理爐等設(shè)備。3.1.3

可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域4、數(shù)據(jù)處理具有數(shù)學(xué)運算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、排序和查表、位操作等功能，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。一般應(yīng)用在大型控制系統(tǒng)如無人柔性制造系統(tǒng)，大型過程控制系統(tǒng)。5、通信可以與計算機聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，組成分級控制，實現(xiàn)DCS（集散控制系統(tǒng)）所完成的功能根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC分為：整體式模塊式疊裝式整體式PLC的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，小型機常采用這種結(jié)構(gòu)。將中央處理單元(CPU)、存儲器、輸入單元、輸出單元，電源、通信端口、I／O擴展端口等組裝在一個箱體內(nèi)構(gòu)成主機。模塊式PLC系統(tǒng)配置靈活，大中型機常用這種結(jié)構(gòu)。3.2可編程控制器的基本組成3.2可編程控制器的基本組成整體式PLC（S7-200）3.2可編程控制器的基本組成模塊式PLC（S7-400）3.2可編程控制器的基本組成三菱公司的FX2N系列可編程序控制器吸收了整體式和模塊式的優(yōu)點,它的基本單元、擴展單元和擴展模塊等高等寬，但是長度不同。它們不用基板，僅用扁平電纜連接，緊密組裝成一個長方形。疊裝式PLCPLC的基本組成3.2.1

CPU單元CPU是PLC的核心部件，它類似人的大腦，能指揮PLC按照預(yù)先編好的系統(tǒng)程序完成各種任務(wù)。接受并存儲由編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；診斷電源故障以及用戶程序的語法錯誤；讀取輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)并存儲到相應(yīng)的存儲區(qū)；讀取用戶程序指令，解釋執(zhí)行用戶程序，完成邏輯運算、數(shù)字運算、數(shù)據(jù)傳遞等任務(wù)，刷新輸出映像，將輸出映像內(nèi)容送至輸出單元。3.2.2存儲器PLC的存儲器單元分成兩個部分：系統(tǒng)程序存儲器。用于存放PLC生產(chǎn)廠家根據(jù)其選用的CPU的指令系統(tǒng)編寫的系統(tǒng)程序，它決定PLC的功能。系統(tǒng)程序在出廠時已經(jīng)被固化在PROM或EPROM中。用戶不能更改其內(nèi)容。用戶程序存儲器?？煞譃槌绦虼鎯^(qū)和數(shù)據(jù)存儲區(qū)，程序存儲器用于存放用戶編寫的控制程序，數(shù)據(jù)存儲區(qū)存放的是程序執(zhí)行過程中所需要的或者所產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)。3.2.3電源單元

電源單元的作用是把外部電源（AC220V或DC24V電源）轉(zhuǎn)換成內(nèi)部工作電壓。外部連接的電源，通過PLC內(nèi)部配有的一個專用開關(guān)式穩(wěn)壓電源，將交流/直流供電電源轉(zhuǎn)化為PLC內(nèi)部電路需要的工作電源（直流5伏、24伏），并為外部輸入元件（如接近開關(guān)）提供24V直流電源（僅供輸入端點使用），而驅(qū)動PLC負載的電源由用戶提供。電源單元還提供掉電保護電路和后備電池電源，以維持部分RAM存儲器的內(nèi)容在外界電源斷電后不會丟失。3.2.4

I/O接口單元輸入/輸出單元是PLC與外部設(shè)備相互聯(lián)系的窗口。3.2.4

I/O接口單元輸入單元接收現(xiàn)場設(shè)備向PLC提供的信號，例如由按鈕、操作開關(guān)、限位開關(guān)、繼電器觸點、接近并關(guān)、撥碼器等提供的開關(guān)量信號。這些信號經(jīng)過輸入電路的濾波、光電隔離、電平轉(zhuǎn)換等處理，變成CPU能夠接收和處理的信號。直流開關(guān)量輸入接口電路光耦的作用:電氣隔離電平轉(zhuǎn)換內(nèi)部直流電源發(fā)光二極管光電耦合器外部開關(guān)量器件無源觸點：按鈕、繼電器觸點、行程開關(guān)等。有源傳感器的集電極開路晶體管等。直流輸入電路3.2.4

I/O接口單元輸出單元將經(jīng)過CPU處理的微弱電信號通過光電隔離、功率放大等處理，轉(zhuǎn)換成外部設(shè)備所需要的強電信號，以驅(qū)動各種執(zhí)行元件，如接觸器、電磁閥、電磁鐵、調(diào)節(jié)閥、調(diào)速裝置等。繼電器輸出電路雙向晶閘管輸出電路內(nèi)部電路T負載FUCOMR1LED晶體管輸出電路

3.2.4

I/O接口單元三種輸出方式的區(qū)別：晶體管輸出只能用于直流輸出，繼電器既可用于直流，又可用于交流，晶閘管用于交流輸出。繼電器較晶體管及晶閘管壽命短。繼電器較晶體管及晶閘管相應(yīng)速度慢。在需要頻繁通斷的場合，應(yīng)選用晶體管及晶閘管輸出。3.2.5其它接口單元用于連接手持編程器或其他圖形編程器、文本顯示器，并能通過外設(shè)接口組成PLC的控制網(wǎng)絡(luò)。PLC通過PC/PPI電纜或使用MPI卡通過RS-485接口與計算機連接，可以實現(xiàn)編程、監(jiān)控、連網(wǎng)等功能。I/O擴展接口；通信接口；－RS-485編程器接口；存儲器接口；其它外部設(shè)備接口；如打印機等。3.2.6

外部設(shè)備編程器：利用編程器將用戶程序送入PLC的存儲器，還可以用編程器檢查程序，修改程序，監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)。常見裝置有手持式編程器和計算機編程方式(編程軟件)監(jiān)控設(shè)備；將現(xiàn)場數(shù)據(jù)動態(tài)實時顯示出來，以便操作人員隨時掌握系統(tǒng)運行的情況。常見裝置有觸摸屏和操作屏。存儲設(shè)備；用于保存用戶數(shù)據(jù)，避免程序丟失。輸入輸出設(shè)備。用于接受信號和輸出信號的專用設(shè)備。3.3

可編程控制器的工作原理可編程控制器是基于電子計算機的工業(yè)控制器，從PLC產(chǎn)生的背景來看，PLC系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)有著極深的淵源，因此可以比照著繼電器系統(tǒng)來學(xué)習(xí)PLC的工作原理。3.3

可編程控制器的工作原理3.3.1

用觸點和線圈實現(xiàn)邏輯運算1.與邏輯I0.0I0.1Q0.0000010100111IO.O()I0.1Q0.0邏輯表達式：Q0.0=I0.0·I0.12.或邏輯I0.2I0.3Q0.1000011101111邏輯表達式：Q0.1=I0.2+I0.3IO.2Q0.1I0.3()3.非邏輯()I0.4Q0.2邏輯表達式：Q0.2=I0.4I0.4Q0.201103.3.2

可編程控制器的工作過程

PLC是采用周期循環(huán)掃描的工作方式，CPU連續(xù)執(zhí)行用戶程序和任務(wù)的循環(huán)序列稱為掃描。CPU對用戶程序的執(zhí)行過程是CPU的循環(huán)掃描，并用周期性地集中采樣、集中輸出的方式來完成的。3.3.2

可編程控制器的工作過程CPU對程序(梯形圖)自上而下、自左向右地逐次進行掃描，程序的執(zhí)行是按語句排列的先后順序進行的。這樣，PLC梯形圖個各線圈狀態(tài)的變化在時間上是串行的，不會出現(xiàn)多個線圈同時改變狀態(tài)的情況，這是PLC控制與繼電器控制最主要的區(qū)別。3.3.2

可編程控制器的工作過程在一個掃描周期，PLC的操作：1.輸入采樣階段2.程序執(zhí)行階段3.通信處理階段4.CPU自診斷階段5.輸出刷新階段3.3.2

可編程控制器的工作過程（1）輸入采樣階段每次掃描周期的開始，先讀取輸入點的當前值，然后寫到輸入映象寄存器區(qū)域。

對外接電路閉合，對應(yīng)的輸入映象寄存器為1：對應(yīng)梯形圖中的常開觸點接通，常閉觸點斷開。

對外接電路斷開，對應(yīng)的輸入映象寄存器為0：對應(yīng)梯形圖中的常開觸點斷開，常閉觸點接通。接觸器輸入電路程序執(zhí)行SB1SB2PLC結(jié)構(gòu)示意圖PLCI0.0I0.1I0.0I0.10000Q0.0Q0.100IO.O()I0.1Q0.0Q0.0Q0.0()Q0.1COM輸入電路輸入映象寄存器輸出電路輸出映象寄存器接觸器輸入電路程序執(zhí)行SB1SB2讀取輸入PLCI0.0I0.1I0.0I0.11000Q0.0Q0.100IO.O()I0.1Q0.0Q0.0Q0.0()Q0.1COM輸入電路輸入映象寄存器輸出電路輸出映象寄存器3.3.2

可編程控制器的工作過程（2）程序執(zhí)行階段用戶程序執(zhí)行階段，PLC按照梯形圖的順序，自左而右，自上而下的逐行掃描，并根據(jù)各寄存器的當前狀態(tài)，進行邏輯運算，最后把運算結(jié)果存入輸出映象寄存器。接觸器輸入電路程序執(zhí)行SB1SB2程序執(zhí)行PLCI0.0I0.1I0.0I0.11000Q0.0Q0.100IO.O()I0.1Q0.0Q0.0Q0.0()Q0.1COM輸入電路輸入映象寄存器輸出電路輸出映象寄存器接觸器輸入電路SB1SB2程序執(zhí)行PLCI0.0I0.1I0.0I0.11000Q0.0Q0.110IO.O()I0.1Q0.0Q0.0Q0.0()Q0.1COM輸入電路輸入映象寄存器輸出電路輸出映象寄存器接觸器輸入電路SB1SB2程序執(zhí)行PLCI0.0I0.1I0.0I0.11000Q0.0Q0.110IO.O()I0.1Q0.0Q0.0Q0.0()Q0.1COM輸入電路輸入映象寄存器輸出電路輸出映象寄存器接觸器輸入電路SB1SB2程序執(zhí)行PLCI0.0I0.1I0.0I0.11000Q0.0Q0.111IO.O()I0.1Q0.0Q0.0Q0.0()Q0.1CO