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PLC基础理论知识培训资料-1-可编程控制器的基础知识介绍第一课时：讲解PLC的背景，特点，应用及工作原理1．PLC的背景20世纪20年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统继电接触器控制系统。由于它结构简单、容易掌握、价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广。在工业控制领域中占主导地位。但是继电接触器控制系统有明显的缺点：设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难于实现较复杂的控制。特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，连线复杂，当生产工序或对象需要改变时，原有的接线和控制柜就要更换，所以通用性和灵活性较差。20世纪60年代，由于小型计算机的出现和大规模生产及多机群控的发展，人们曾试图用小型计算机来实现工业控制的要求，但由于价格高，输入输出电路不匹配和编程技术复杂等原因。一直没能得到推广应用。20世纪60年代末，美国的汽车制造业激烈竞争，各个厂家生产的汽车型号也不断更新，它必然要求生产线的控制系统也随之改变，以及对整个控制系统重新配置。为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，适应市场的竞争要求，1968年美国通用汽车公司（GM）公开招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求，就是著名的“GM十条”。这些要求实际上提出了将继电接触器控制的简单易懂、使用方便、价格低廉的优点，与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来。将继电接触器的硬连线逻辑转变成计算机的软件逻辑变成的设想。1969年美国数据设备公司（DEC）根据上述要求，研制开发出世界上第一台可编程控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。当时人门把它称为可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)，简称PLC。它主要用来取代继电接触器逻辑控制，系统功能仅限于执行继电器逻辑，计时，计数等。随着微电子技术的发展，20世纪70年代中期出现了微处理器和微计算机，人们把微机技术应用到PLC中，使它能够更多的发挥计算机的功能。不仅用逻辑编程取代硬连线逻辑，还增加了运算，数据传送和处理等功能，使它真正成为一种电子计算机工业控制设备。国外工业界在1980年正式命名其为可编程控制器(ProgrammableController)简称PC。但是为了避免与个人计算机(PersonalComputer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。2．PLC的定义PLC一直在飞速的发展中，因此到现在为止，还未能够对其下一个十分确切的定义。国际电工委员会（IEC）曾与1982年11月颁布了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月发表了第二稿，1987年2月颁布了第三稿，该草案对PLC的定义是：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。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，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型机械的生产过程。”PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学，调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序的编制工作，PLC基础理论知识培训资料-2-就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。3．PLC的特点和种类㈠PLC的特点：①抗干扰能力强，可靠性高工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化。PLC专门为工业环境下应用而设计的，因此人们在设计PLC的时候就从硬件和软件上都采取了抗干扰的措施，提高了其可靠性。A、硬件措施：B、软件措施：②控制系统结构简单，通用性强使用方便。③编程方便，易于使用。④功能完善⑤设计、施工、调试的周期短⑥体积小，维护操作方便㈡PLC的种类：目前，世界上有200多个厂家生产可编程控制器产品，比较著名的厂家有：美国的AB、通用（GE）、莫迪康（MODICON）、日本的三菱（MITSBISHI）、欧姆龙（OMRON）、富士电机（FUJI）、松下电工、德国西门子（SIEMENS）、法国的TE、施耐德（SCHNEIDER）、韩国的三星（SUMSUNG）、LG等4．PLC的应用领域由于微处理器芯片及有关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降。并且PLC的功能大大增强，它也能够解决复杂的计算和通信问题。使得PLC的应用越来越广泛。目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、装卸、造纸、纺织、环保、和娱乐等行业。PLC成为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。1、顺序控制（开关量的逻辑控制）2、模拟量控制3、过程控制4、定时和记数控制5、数据处理6、通信和连网5．PLC的分类1、按照I/O点数容量分类⑴小型机一般以开关量为主，我们公司大多使用的都是小型机。输入输出总点数在256点一下，用户程序存储器容量在4K字左右。典型的小型机有西门子公司的S7-200、OMRON公司的CPM2A系列、三菱公司的FX系列和AB公司的SLC500系列等整体式PLC产品。⑵中型机中型机的输入输出总点数在256~2048点之间，用户程序存储器容量达到8K字左右。典型的中型机有西门子公司的S7-300系列、欧姆龙公司的C200H系列、AB公司的SLC500系列等模块式PLC产品。⑶大型机PLC基础理论知识培训资料-3-大型机的输入输出总点数在2048点以上，用户程序存储器容量达到16K字左右。典型的大型机有西门子公司的S7-400、欧姆龙公司的CVM1和CS1系列、AB公司的SLC5/05等系列产品。2.按结构形式分⑴整体式结构例如：西门子的S7200系列⑵模块式结构例如：西门子的S7-300和S7-400系列6．PLC的基本组成PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由CPU、输入/输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。PLC的硬件系统结构如下图所示：1、中央处理器CPU中央处理器（CPU）是PLC的核心，一般有控制器、运算器和寄存器组成。这些电路都集成在一个芯片内，CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。CPU按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊，按部就班的进行工作，用户程序和数据事先存于寄存器中，当PLC处于运行状态时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、做出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。CPU的主要任务有控制用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I/O部件接收现场信号的状态和数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器中，诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，从积存器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制，制表打印或数据通信等功能。CPU的具体作用如下：⑴接收、存储用户程序；⑵以扫描的方式接收来自输入单元的数据和状态信息，并存入相应的数据存储区。⑶执行监控程序和用户程序，完成数据和信息的逻辑处理，产生相应的内容控制信号，完成用户指令规定的各种操作；⑷响应外部设备（如编程器、打印机等）的请求；2、存储器输入模块CPU模块输出模块可编程序控制器编程装置接触器电磁阀指示灯电源电源限位开关选择开关按钮PLC基础理论知识培训资料-4-可编程控制器配有两种存储器，即系统存储器（EPROM）和用户存储器（RAM）。系统存储器用来存储系统管理程序，用户不能够访问和修改这部分的内容。用户存储器用来存放编制的应用程序和工作数据状态。存放工作数据状态的用户存储器部分也称为数据存储区，它包括输入输出数据映像区，定时器/计数器预置数和当前值的数据区，存放中间结果的缓冲区。3、输入/输出（I/O）接口电路I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。⑴开关量输入模块开关量的输入设备是各种开关、按钮、传感器等。其信号可能是交流电压（110V—220V），直流电压（12V—24V）等。为防止各种干扰信号和高电压信号进入PLC，影响其可靠性或造成设备损坏，现场输入接口电路一般有光电耦合电路进行隔离。光电耦合电路的关键器件是光耦合器，一般有发光二极管和光电三极管组成。输入电路中一般都设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干涉脉冲引起的错误输入信号。滤波电路延迟时间的典型值为10—20ms（信号上升沿）和20—50ms（信号下降沿），输入电流约为10mA。如⑵开关量输出模块输出模块的作用是将CPU执行用户程序所输出的TTL电平的控制信号转化为生产现场所需的，能够驱动特定设备的信号，以驱动执行机构的动作。通常开关量输出模块有三种形式，即，继电器输出、晶体管输出、双向晶闸管输出。A、继电器输出：B、晶体管输出（射极输出）：PLC基础理论知识培训资料-5-C、双向可控硅（双向晶闸管）输出电路：4、电源电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。5、编程器编程是PLC利用外部设备，用户可用以输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。⑴简易编程器⑵图形编程器⑶通用计算机编程6、外部设备接口7.PLC的工作原理一.扫描技术当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。概括而言，PLC是按照集中输入、集中输出、周期性循环扫描的方式进行工作的。每一次扫描所用的时间称为一个扫描周期或工作周期。(一)输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相PLC基础理论知识培训资料-6-应得单元内。既PLC把所有外部输入电路的接通/断开状态读入输入映像寄存器。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映像区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。即：输入采样阶段CPU扫描所有输入端子，并将输入量顺序存入输入映像寄存器，此时输入映像寄存器被刷新，此后，关闭输入通道，接着转入程序执行阶段，在程序执行和输出处理阶段无论外部输入信号如何变化，输入映像寄存器的内容不变，直到下一个扫描周期采样阶段，才重新写入输入映像寄存器。(二)用户程序执行阶段在用户程