第1章-可编程序控制器的基础知识

可编程序控制器原理及应用宫淑贞王东青徐世许编著中国科学技术大学出版社主要参考书《可编程序控制器原理应用网络》徐世许主编人民邮电出版社《可编程序控制器原理与程序设计》谢克明夏路易主编电子工业出版社回到主目录PLC控制的基本概念；PLC的基本组成及各部分的作用；PLC的工作原理（PLC的循环扫描工作过程、PLC的程序执行过程、PLC的I/O滞后现象等）；梯形图的概念。基本要求§1-1PLC的产生与发展§1-5PLC的工作方式§1-2PLC的特点§1-3PLC的基本组成§1-4PLC的编成语言§1-6PLC的主要性能指标§1-7国内外主要PLC产品概述目录§1-1PLC的产生和发展可编程序控制器是一种以计算机（微处理器）为核心的，集微机技术、自动化技术、通信技术与一体的通用工业控制装置。§1-1-1什么是可编程序控制器（PC）可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为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指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。§1-1-2PLC的产生与发展.产生在PLC出现之前，工业生产控制是用继电器实现的。复杂的控制系统中，可能要使用成百上千个各式各样的继电器，接线、安装的工作量很大。且可靠性差，灵活性差。世界上第一台PC的诞生美国的汽车制造厂家通用汽车公司（GM公司）美国数字设备公司（DEC公司）●CPU使用中小规模集成电路，采用磁芯存储器。●CPU使用微处理器，采用半导体存储器EPROM。●可靠性较差，略强于继电器控制。●机种单一，没形成系列。●有了计算机接口和模拟量控制功能。●可靠性提高。●整机功能向系列化、标准化发展，并由专用向通用方向过渡。●功能简单（只有计数/定时功能）。●功能增强（增加逻辑/数据运算、数据处理、自诊断等功能）。.PLC的发展第一代：从第一台PLC诞生到上个世纪70年代初。第二代：70年代初至70年代末。第三代：70年代末到80年代中期。●CPU使用8或16位微处理器甚至多微处理器，采用半导体存储器EPROM、CMOSRAM等。●增加浮点数运算，平方、三角函数等运算。●增加查表、列表功能。●自诊断及容错技术提高。●梯形图语言及语句表成熟。●小型PLC体积减小、可靠性提高、成本下降。●大型PLC向模块化、多功能方向发展。第四代：80年代中期到90年代中期●增加高速计数、中断、A/D、D/A、PID等功能。●处理速度进一步提高（1s/步）。●连网功能增强。●编程语言进一步完善，开发了编程软件。●CPU使用16位或32位微处理器。●PLC的I/O点增加，最多可达32K个I/O点。●处理速度进一步提高（1ns/步）。●PLC都可以与计算机通信。●具有强大的数值运算、函数运算、大批量数据处理的功能。●开发了大量的特殊功能模块。●编程软件功能更强大。●不断开发出功能强大可编程终端。第五代：90年代中期之后PLC及其控制系统的发展趋势PLC的性能对小型PLC对大中型PLC向着更大容量、更高速度、更多的功能、更高的可靠性、易于连络通信的方向发展。使之更利于对大规模、复杂系统的控制。向着体积更小、速度更高、功能增强、价格低廉的方向发展。使之更利于取代继电器控制。§1-1-3PLC的发展趋势★I/O模块将直接安装在现场，CPU与现场I/O通过数据通信实现控制，使系统控制更有效、可靠性更高。★进一步应用计算机的信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使系统的生产控制功能与信息管理功能一体化。PLC控制系统的性能★随着硬件冗余技术的应用，各种单元、甚至整个系统都可应用冗余技术，使系统具有更高的可靠性。★CPU处理速度进一步加快。PC的接线只需将输入设备与PC输入端子连接；将输出设备与PC输出端子连接。接线工具仅为螺丝刀，接线工作极其简单、工作量极少。§1-2PLC的特点§1-2-1PLC的特点1.灵活性和通用性强继电器控制系统PLC控制系统2.可靠性高、抗干扰能力强3.编程简单，使用方便4.接线简单5.功能强、功能的扩展能力强7.体积小、重量轻、易于实现机电一体化PC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。PLC可对开关量进行控制，又可对模拟量进行控制；既可控制一台单机、一条生产线，又可控制一个机群，多条生产线：既可现场控制，又可远距离控制；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。PC采用半导体集成电路，因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点，易于装入机械设备内部实现机电一体化。6.系统设计、调试周期短由于PLC是通过程序进行控制，可以在实验室进行设计和程序调试，更为方便的是可在实验室进行系统的模拟运行调试。硬件方面软件方面§1-2-2PLC的应用领域1.开关量控制2.模拟量控制3.数字量智能控制4.数据采集与监控5.通信、集散及智能控制PLC具有A/D、D／A转换及算术运算等功能．因此可以实现模拟量控制。有的PLC还具有PID控制或模糊控制的功能，可用于闭环的位置控制、速度控制和过程控制等返回PLC的通信联网能力很强。PLC和PLC之间；PLC和计算机之间；PLC和智能仪表之间都可以实现通信。利用PLC强大的通信联网功能，把PLC分布到控制现场。并实现各站间的通信，上、下层间的通信，达到分散控制、集中管理。即构成了现在的PCS系统。PLC能把现场数据实时显示并记录下来，供进一步研究分析使用。开关量的逻辑控制是PLC的最基本控制功能利用PLC能接受和输出高速脉冲的功能，在配备相应的传感器(如旋转编码器)或脉冲伺服装置(如环型分配器、功放、步进电机)就能实现数字量的智能控制。§1-2-3PLC控制的基本概念KT是时间继电器，KM1、KM2是两个接触器。分别控制电机M1、M2的运转。SB1为启动按钮，SB2为停止按钮。控制功能如下；按下启动按钮SB1，电机M1开始运转，过10秒钟后，电机M2开始运转；按下停止按钮SB2，电机M1、M2同时停止运转。图1.1继电器控制电路（a）控制线路（b）电机主电路例：用继电器控制电路实现两个电机分时启动.输入端子输出端子图1.2PLC控制接线图用PLC来实现上述的控制功能输入部分控制部分输出部分图1.3PLC控制的等效电路图工作原理概念：1.PLC的内部继电器：并不是实际的硬继电器，每个内部继电器是PLC内部存储单元的一位，因此称为“软继电器”。2.梯形图：是从继电器控制电路的原理图演变而来的。梯形图是由“软继电器”组成的控制线路。它们并不是真正的物理连接。而是逻辑关系上的连接，称为“软接线”。内部继电器的线圈用表示常开触点用常闭触点用表示表示返回§1-3PLC的基本组成与各部分的作用整体式组合式PLC的基本分类小型机常采用整体式中、大型机常采用组合式输出设备输入设备I/O扩展单元特殊功能单元主机输出单元输入单元电源外设接口I/O扩展口存储器系统程序存储器CPU用户程序存储器盒式磁带机打印机EPROM写入器上位计算机PLC编程器可编程终端PT…整体式PLC的基本组成框图组合式PLC的基本组成框图系统总线通信单元控制系统现场过程CPU单元输出单元编程器PLC或上位计算机……智能I/O单元输入单元§1-3-1中央处理器（CPU）CPU指挥PLC完成各种预定的功能.接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。（编程）.诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误。（诊断）.用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来。（输入）.读取用户程序，解释和执行，完成程序中规定的操作。（执行程序）.将用户程序的执行结果送至输出端。（输出结果）§1-3-2存储器系统程序存储器ROM或EPROM监控程序和解释程序用户程序存储器RAM或EPROM或FLASH用户程序工作数据存储器RAM或FLASH元件映象寄存器状态数据表数据元件映象寄存器：用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。数据表：存放各种数据。每一个数据占一个字。可变参数、定时器/计数器的当前值和设定值、A/D转换结果、运算结果等。数据保持区：停电时可以保持数据的储器区域称为数据保持区。PLC与外部设备联系的桥梁开关量输入单元开关量输出单元直流输入单元交流输入单元晶体管输出单元晶闸管输出单元继电器输出单元§1-3-3输入/输出单元滤波电路去高频抖动直流输入电路光电耦合外部开关输入点的状态显示输入点公共端限流电阻COM+5VLEDSR3R1AR2C→→T内部电路滤波光电耦合输入点的状态显示交流输入电路LED+5VA→→R2T～COMSCR1内部电路R3滤波外部开关输入点隔直电容R1R2构成分压电路保护二极管输出点的状态显示光电耦合续流二极管晶体管输出电路COMT2LED→→DFU+5V内部电路T1R1R2R3负载公共端输出点阻容吸收电路晶闸管输出电路COMLEDR2C→→TFU～内部电路R1负载光控双向晶闸管输出点的状态显示公共端输出点继电器输出电路COMLEDJ～R内部电路负载输出点的状态显示继电器机械触点公共端输出点PLC由开关式稳压电源为内部电路供电抗干扰性能好有的PLC能向外部提供24V的直流电源可作为输入单元连接的外部设备的电源开关电源输入电压范围宽体积小重量轻效率高§1-3-4电源单元I/O扩展端口C28P§1-3-5I/O扩展端口I/O扩展端口CPM1A的外设端口和I/O扩展端口I/O扩展单元A/D转换单元I/O扩展端口可以连接的设备举例CPM1A主机与I/O扩展器的连接主机I/O扩展器连接电缆I/O扩展端口连接扩展器的示意图§1-3-6其它外设端口外设端口盒式磁带机打印机EPROM写入器上位计算机PLC可编程终端PT编程器…编程器是对PLC进行操作的工具专用编程器在装有专用编程软件的计算机上编程简易编程器直插式、便携式计算机辅助编程图形编程器§1-3-7编程工具显示屏工作方式选择开关编程位主机监控位运行位编程器指令键编辑键清除键数字键显示屏工作方式选择开关CPM1A主机与编程器的连接CPM1A主机与编程器的连接计算机编程软件PLC专用电缆计算机编程软件PLC通信适配器RS-232电缆智能单元本身是一个独立的系统具有CPU、系统程序、存储器、接口对组合式PLC：智能单元是PLC系统的一个模块与CPU单元通过系统总线相连接在CPU单元的协调管理下独立地进行工作对整体式PLC：主机通过I/O扩展接口与智能单元连接§1-3-8智能单元智能单元的工作不参加循环扫描过程，按它自己的规律工作。由其本身的CPU控制。智能单元A/D、D/A单元高速计数单元位置控制单元PID控制单元速度控制单元通信单元§1-4PLC的编程语言编程语言梯形图语句表逻辑功能图逻辑方程式布尔代数式§1-4-1梯形图由电气控制原理图演变而来。梯形图最左边是起始母线，最右边是结束母线。（可以省略）常开触点常闭触点线圈并联连接串联连接梯形图的特点1.梯形图中的继电器不是物理继电器，每个继电器实际上是映象寄存器中的一位，因此称为“软继电器”。1：线圈通电常开触点闭合常闭触点打开梯形图中继电器线圈是广义的，除了输出继电器、辅助继电器线圈外，还包括定时器、计数器、移位寄存器以及各种算术运算等。0：线圈断电常开触点打开常闭触点闭合2.每个继电器对应映象寄存器中的一位。其状态可以反复读取，因此可以认为继电器有无限多个常开触点和常闭触点，在程序中可以被反复引用。3.梯形图的母线中无电流。4.梯形图中只出现输入继电器的触点，而不出现输入继电器的线圈。输入继电器的触点表示相应的输入信号。5.输出继电器供PLC作输出控制用。6.PLC运行的顺序是“从左到右，从上到下”，逐一处理，扫描方式工作。7.用户程序执行时，输入触点和输出线圈的状态是从I/O映象寄存器中读取的，不是执行时现场开关的实际状态。梯形图中前面程序执行的结果马上可以被后面的程序执行所利用。§1-4-2语句表是一种与汇编语言类似的