可编程控制器基础资料

1第3章可编程控制器基础23.1.1可编程控制器的定义ProgrammableController—PCPersonalComputer—PCProgrammableLogicController—PLC3.1概述32019/10/533.1.2可编程控制器的定义国际电工委员会（IEC）于1987年对可编程序控制器作了如下的定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则设计”。事实上，PLC就是以嵌入式CPU为核心，配以输入、输出等模块，可以方便地用于工业控制领域的装置。PLC与机器人、计算机辅助设计与制造一起称为现代工业的三大支柱。42019/10/543.1.2PLC的特点1.可靠性好，抗干扰能力强“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”2.功能完善：功能强，扩充方便，性能价格比高。3.编程简单，使用方便。PLC采用梯形图语言编程，容易掌握。4.在线编程：在工业现场，用手持编程器或笔记本电脑可对PLC进行编程，当PLC联网后，可在网络的任一位置对PLC编程。5.容易安装，便于维护：采用模块化结构，现场安装非常简单，维修方便。6.体积小、重量轻、功耗低：是“机电一体化”特有的产品。7.价格便宜52019/10/553.1.2PLC的特点PLC继电器采用存储逻辑,为“软接线”硬接线逻辑灵活性和扩展性好灵活性和扩展性差连线少，体积小，功耗小连线多，体积大，功耗大与继电器控制逻辑相比较63.1.2PLC的特点与微机比较：从长远来看，由于PLC的功能不断增强，更多的采用微机技术，而微机也为了适应用户需要，更耐用、更易维护的计算机将投放市场，这样两者相互渗透，使PLC和微机的界限会变得越来越模糊，二者将长期共存，各用所长，共同发展。72019/10/573.1.3PLC的应用1取代继电器控制2过程控制（模拟量控制）可编程序控制器可以接收温度、压力、流量等连续变化的模拟量。3位置、速度控制（闭环调节控制）4数据监控：PLC具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。5组成分散控制系统PLC作为下位机，计算机作为上位机，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。8可编程序控制器－当代工业自动化支柱之一9可编程序控制器－当代工业自动化支柱之一10可编程序控制器－当代工业自动化支柱之一11可编程序控制器－当代工业自动化支柱之一12可编程序控制器－当代工业自动化支柱之一132019/10/5133.1.4PLC的发展1小型、微型化2大型、超大型化3智能化4CPU能力更强5支持更多的工业总线支持多种工业标准总线，使联网更加容易和简单，更易于组成工程控制网。6编程软件标准化采用国际标准化的编程语言，可大大缩短开发周期。7人机交流功能增强配置操作面板、触摸屏等人机对话手段，可使其应用领域进一步扩展，应用更加方便。8数据处理能力大大增强14继电器控制152019/10/5151按照结构分类(1)整体式。(2)模块式结构。(3)整体模块混合式。3.1.5PLC的分类16整体式PLC17模块式PLC182019/10/5182按照I/O点数分类（1）小型：低档PLC，I/O点数128点。（2）中型：128点≤I/O点数≤512点。（3）大型：I/O点数512点。3.1.5PLC的分类192019/10/5193.1.6PLC的主要技术指标用户在选用PLC时，首先要了解PLC的结构和性能。若只需大致了解PLC的性能。一般可用CPU芯片、编程语言、用户程序容量、扫描速度（ms/k）、I/O点数这五方面情况予以反映。一般，CPU档次高、编程语言完善、用户程序容量大、扫描速度快、I/O点数多，则PLC性能就好，功能就强，价格也就较高了。202019/10/5201.用户存储器容量PLC的存储器由系统程序存储器，用户程序存储器和数据存储器三部分组成。PLC中的用户存储器由后两部分组成。PLC存储容量通常指用户程序存储器和数据存储器容量之和，表征系统提供给用户的可用资源，是系统性能的一项重要技术指标。该存储器的容量越大，可编制的程序越复杂。一般小型机的用户存储器容量为几千字，大型机的用户存储器容量为几万字。3.1.6PLC的主要技术指标212019/10/5212.I/O点数I/O点数是指PLC可以接受的输入开关信号（外部输入）和输出开关信号的总和。它是描述PLC大小的一个重要的参数。3.模数和数模通道数为输入和输出的模拟量总和。3.1.6PLC的主要技术指标222019/10/5224.扫描速度PLC采用循环扫描方式工作，完成1次扫描所需的时间叫做扫描周期。扫描速度是指PLC扫描1K字用户程序所需的时间，常常以ms/K字为单位，扫描速度越快越好。一般1000条指令执行时间为10ms左右。小型或超小型的机器扫描时间可能大于40ms。影响扫描速度的主要因素有用户程序的长度和PLC产品的类型。PLC中CPU的类型、机器字长等直接影响PLC运算精度和运行速度。5.指令数量和功能指令系统是指PLC所有指令的总和。可编程控制器的编程指令越多，软件功能就越强，但掌握应用也相对较复杂。用户应根据实际控制要求选择合适指令功能的可编程控制器。3.1.6PLC的主要技术指标232019/10/5236.内部寄存器的配置和容量7.特殊功能单元8.可扩展性输入点数、输出点数、存储容量、联网功能及可扩展的模块数等3.1.6PLC的主要技术指标242019/10/5243.2PLC的一般结构3.2.1基本结构1.整体式PLC结构252019/10/5253.2PLC的一般结构2.模块式PLC结构机架A/D模块输出模块输入模块通信模块CPU存储器模块电源模块模块式PLC是采用搭积木的方式组成系统。在一个机架上插上CPU、电源、I/O模块及特殊功能单元，构成一个总I/O点数很多的大规模综合控制系统。262019/10/5263混合式PLC结构3.2PLC的一般结构272019/10/527可编程控制器主机可编程控制器编程器图可编程控制器及编程器3.2.2PLC各部分电路介绍282019/10/5281.CPU芯片CPU是可编程控制器的控制中枢，相当于人的大脑。一般由控制电路、运算器和寄存器组成。各个PLC公司的CPU芯片类型不同，一般是8位或16位单片机。3.2.2PLC各部分电路介绍292019/10/5292.存储器PLC的存储器由只读存储器ROM、随机存储器RAM和可电擦写的存储器EEPROM三大部分构成，主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。系统程序一般存放在EEPROM中，用户程序及工作数据放在有后备电池的RAM中。3.2.2PLC各部分电路介绍302019/10/5303.输入/输出电路是PLC与现场工业设备连接的电路。现场的开关通过输入电路输入PLC。PLC输出的开关信号则通过输出电路输出到工业设备。采用光电隔离，实现了PLC的内部电路与外部电路的电气隔离，减小了电磁干扰。输入电路：将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。输出电路：将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。输出电路有三种输出形式：继电器--低速大功率可控硅--高速大功率晶体管--高速小功率3.2.2PLC各部分电路介绍312019/10/5314.电源模块PLC电源的输入电压有直流12V、24V、48V和交流110V、220V，PLC电源模块的输出一般为5V和24V，用以向CPU、存储器等提供工作电源。5.通信接口一般至少有一个RS232或RS485通信口。通信有PLC之间的通信和PLC与其他设备之间的通信。通信主要涉及通信模块、通信接口、通信协议和通信指令等内容。PLC的组网和通信能力也已成为PLC产品水平的重要衡量指标之一。目前常用USB接口。6.特殊功能单元3.2.2PLC各部分电路介绍322019/10/5327.编程器PLC采用的编程器有下面三种类型：1）简易编程器：用于小型和超小型PLC。2）CRT编程器：用于中大规模PLC，可显示梯形图、数据信息和报警信息指示等。3）计算机编程：随着计算机的大力普及，有些中大规模的PLC已采用计算机编程。此时计算机除用做编程外，还兼有管理和操作指导功能。3.2.2PLC各部分电路介绍332019/10/5333.3PLC工作原理3.3.1工作原理概括的讲，PLC的工作方式是一个循环扫描过程。其过程为图1所示。这个过程分为读输入(输入采样阶段)、程序执行、写输出（输出刷新阶段）三个阶段。整个过程进行一次所需要的时间称为扫描周期（也叫工作周期或扫描时间）。342019/10/5341.三个阶段的工作过程35PLC控制的等效电路362019/10/5362.响应时间由于采用了扫描工作方式，故从PLC输入端有一个输入信号发生变化到输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间，这段时间就称为PLC的响应时间或滞后时间。响应时间产生的原因（1）输入滤波器有时间常数它由RC滤波电路的时间常数决定。改变时间常数可调整输入延迟时间。（2）输出电路时间常数输出电路的滞后时间，与输出电路的输出方式有关。继电器输出方式的滞后时间为10ms左右；双向晶闸管输出方式，在接通负载时滞后时间约为1ms，切断负载时滞后时间小于10ms；晶体管输出方式的滞后时间小于1ms。372019/10/537（3）程序语句的安排，也影响响应时间。（4）PLC循环扫描的工作方式PLC循环操作时，进行公共处理、I/O刷新和执行用户程序等产生扫描周期。（5）PLC对I/O的刷新方式。其中4）5）是由PLC的工作原理决定的，无法改变。而其它因素并非固定的，可以通过选择合理的元件及合理编制程序使滞后较小。382019/10/538由于PLC是循环扫描工作方式，因此响应时间与收到输入信号的时刻有关。最短响应时间：如果在一个扫描周期刚结束时收到一个输入信号，下一个扫描周期一开始这个信号就被采样，使输入刷新，这时响应时间最短。最短响应时间可以用下式表示：最短响应时间=输入延迟时间+一个扫描周期+输出延迟时间392019/10/539最长响应时间：如果在第n个扫描刚执行完输入刷新后，输入发生变化，在该扫描周期内这个信号不会发生作用，要到n+1个扫描周期的输入刷新阶段才能采样到输入变化，在输出刷新阶段输出作出反应，这时响应时间最长。最长响应时间=输入延迟时间+两个扫描周期+输出延迟时间最长响应时间要求输入信号的持续时间应大于一个扫描周期，否则就不能确保输入信号被采样，也就不能被响应了。40系统上电检查I/O单元连接检查系统硬件和程序存储器检查是否正常？置错误标志并接通闪烁指令报警/错误?执行用户程序(执行可处于运行状态的周期任务)程序结束？等待，直到设定的扫描周期到时计算出扫描周期I/O刷新外部设备服务否否是报警(闪烁)错误(常亮)是通电后初始化公共处理运算处理计算扫描周期I/O刷新外部设备服务可编程控制器的周期时间①②③⑤④41程序语句的安排，对响应时间的影响422019/10/5423.3.3PLC的编程语言梯形图语言和助记符语言梯形图语言是一种以图形符号及图形符号在图中的相互关系表示控制关系的编程语言，是从继电接触器控制电路演变过来的。因PLC是专为工业控制开发的装置，主要使用对象是广大技术人员，他们可能不十分懂电气，但是对生产流程却非常在行，梯形图语言和助记符语言就是为他们开发的语言。各个PLC生产厂家使用的梯形图语言基本类似（助记符可能不同），互相转换较容易，但助记符语言完全不同，转换起来较困难