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化工仪表及自动化第五节可编程控制器一、可编程序控制器概述什么是可编程控制器可编程序控制器是一种专为工业环境下应用设计的数字运算操作的电子系统，它采用可编程的存储器进行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术运算等操作，并通过数字式、模拟式输入和输出模板控制各种生产机械或生产过程。PCPLC个人计算机工业计算机一、可编程序控制器概述可编程控制器是一种以CPU为核心的计算机工业控制装置,由于其良好的性能价格比和稳定的工作状态以及简便的操作性。可编程控制器是一种数字运算操作系统,专为工业环境应用而设计,有较强的抗干扰能力。可编程控制器可以单独使用,也可以通过网络成为DCS控制系统的一部分。一、可编程序控制器概述（一）可编程控制器(PLC)的发展过程1969年美国研制出了第一台可编程序控制器。从1971年开始,各国相继开发了适于本国的PLC,并推广使用。20世纪80年代末,PLC技术已经很成熟,并从开关量逻辑控制扩展到计算机数字控制(CNC等)领域。近年生产的PLC向电气控制、仪表控制、计算机控制一体化方向发展。一、可编程序控制器概述（二）可编程控制器的功能与特点1.可编程控制器的功能PLC可以进行各种复杂的开关量逻辑控制，且配置了计数器、定时器等指令，进一步丰富了逻辑控制功能，同时可以完成各种类型的计数要求。PLC具有A/D、D/A转换功能,丰富了控制手段和控制范围。PLC有了较强的通信功能,可以组成PLC控制的计算机网络。可编程控制器的设计核心用计算机代替继电器控制盘；用程序代替硬接线；输入/输出电平可与外部设备直接相连；结构易于扩展。2.可编程控制器的特点控制程序可编程，通过改变软件来改变控制方式和逻辑规律、编程方便、扩展灵活、可靠性高。二、可编程序控制器的基本构成及工作原理1.按容量分（1）小型PLCI/O点总数一般为20～128点。主要功能逻辑运算、定时计数、移位处理等，采用专用简易编程器。（2）中型PLC其I/O点总数通常为129～512点，内存在８K以下，适合开关量逻辑控制和过程变量检测及连续控制。主要功能除有小型PLC的功能外，还有算术运算、数据处理及A/D、D/A转换、联网通信、远程I/O等功能，可用于比较复杂过程的控制。（三）可编程控制器的分类二、可编程序控制器的基本构成及工作原理（3）大型PLC其I/O点总数在513点以上。主要功能除了具有中小型PLC的功能外，还具有PID运算及高速计数等功能，用于机床控制时，具有增加刀具精确定位、机床速度和阀门控制等功能，配有CRT显示及常规的计算机键盘，与工业控制计算机相似。编程可采用梯形图、功能表图及高级语言等多种方式。二、可编程序控制器的基本构成及工作原理２.按硬件结构分（1）整体式PLC它将PLC各组成部分集装在一个机壳内，输入、输出接线端子及电源进线分别在机箱的上、下两侧，并有相应的发光二极管显示输入/输出状态。面板上留有编程器的插座、EPROM存储器插座、扩展单元的接口插座等。优点具有这种结构的可编程序控制器结构紧凑、体积小、价格低。图5-21SIMENSSIMATICS7-200的外形图二、可编程序控制器的基本构成及工作原理（2）模块式PLC输入/输出点数较多的大型、中型和部分小型PLC采用模块式结构。其优点为：采用积木搭接的方式组成系统，便于扩展，其CPU、输入、输出等都是独立的模块，有的PLC的电源包含在CPU模块之中。品种多，硬件配置灵活，更换模块方便。（3）叠装式PLC它吸收了整体式和模块式PLC的优点，其基本单元、扩展单元等高等宽，它们不用基板，仅用扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个整齐的体积小巧的长方体，而且输入、输出点数的配置也相当灵活。图5-22SIMENSSIMATICS7-300的外形图二、可编程序控制器的基本构成及工作原理（一）可编程序控制器的基本组成图5-23PLC的基本组成框图二、可编程序控制器的基本构成及工作原理1.中央处理器解释并执行用户及系统程序，通过运行用户及系统程序完成所有控制、处理、通信以及所赋予的其他功能，控制整个系统协调一致地工作。主要有通用微处理器、单片机和双极型位片机。2.存储器（1）存储器类型：RAM、ROM、EPROM和E2PROM，外存常用盒式磁带或磁盘等EPROM(ErasableProgrammableROM，可擦除可编程ROM)EEPROM(ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory)，电可擦可编程只读存储器作用二、可编程序控制器的基本构成及工作原理3.输入输出模块I/O模块是可编程序控制器与生产过程相联系的桥梁。PLC连接的过程变量按信号类型可分为开关量（即数字量）、模拟量和脉冲量等，相应输入输出模块可分为开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和脉冲量输入模块等。（2）存储区分配图5-24简化的存储映像二、可编程序控制器的基本构成及工作原理4.编程器功能编程器是PLC必不可少的重要外部设备。编程器将用户所希望的功能通过编程语言送到PLC的用户程序存储器。编程器不仅能对程序进行写入、读出、修改，还能对PLC的工作状态进行监控，同时也是用户与PLC之间进行人机界面。二、可编程序控制器的基本构成及工作原理工作方式编程器与PLC上的专用插座相连，或通过专用接口相连，程序可直接写入PLC的用户程序存储器中，也可先在编程器的存储器内存放，然后再下装到PLC中。离线（脱机）编程方式编程器先不与PLC相连，编制的程序先存放在编程器的存储器中，程序编写完毕，再与PLC连接，将程序送到PLC存储器中。在线（联机）编程方式分类便携式编程器和通用计算机。二、可编程序控制器的基本构成及工作原理（二）可编程序控制器的软件系统(1)梯形图语言目前常用的编程语言有：梯形图语言助记符语言功能表图某些高级语言1.可编程控制器的编程语言梯形图的表达式沿用了原电气控制系统中的继电接触控制电路图的形式，二者的基本构思是一致的，只是使用符号和表达方式有所区别。二、可编程序控制器的基本构成及工作原理举例例某一过程控制系统，工艺要求开关1闭合40s后，指示灯亮，按下开关2后灯熄灭。图（a）为实现这一功能的一种梯形图程序（OMRONPLC），它是由若干个梯级组成的，每一个输出元素构成一个梯级，而每个梯级可由多条支路组成。图梯形图程序二、可编程序控制器的基本构成及工作原理(2)助记符语言又称为命令语句表达式语言，常用一些助记符来表示PLC的某种操作。助记符语言类似微机中的汇编语言，但比汇编语言更直观易懂。图（b）为梯形图对应的用助记符表示的指令表。不同厂家生产的PLC所使用的助记符各不相同，因此同一梯形图写成的助记符语句不相同。用户在梯形图转换为助记符时，必须先弄清PLC的型号及内部各器件编号、使用范围和每一条助记符的使用方法。注意！三、OMRONC系列PLC一、简介OMRONC系列PLC有微型、小型、中型和大型四大类十几种型号。微型PLC以C20P和C40H为代表，是整体结构，I/O容量为几十点，最多可扩至120点。小型PLC分为C120和C200H两种，C120最多可扩展256点I/O，是紧凑型整体结构。图5-26SYSMACC28H外形示意图图5-27CPM1AC**P外观图三、OMRONC系列PLC中型PLC有C500和C1000H两种，I/0容量分别为512点和1024点。大型PLC有C2000H，I/O点数可达2048点，同时多处理器和双冗余结构使得C2000H不仅功能全、容量大，而且速度快，由于也是模块化结构，外形与C200H相近。图5-28C200H外观示意图三、OMRONC系列PLC二、OMRONPLC指令指令大多数是按照位（bit）寻址，个别指令按照通道寻址。按位寻址的地址编号为：通道号，位号。如0.00表示0通道的第0位，位的表示采用十进制数，范围为0～15。在OMRONPLC中，对于输入、输出等继电器的编号不用加字母。小型整体PLC的输入、输出编号是固定不变的，使用者可以按照PLC主机标注编号编程；对于模块式PLC则根据输入或输出模块安装位置决定其编号。三、OMRONC系列PLC按功能分类基本指令特殊功能指令构成助记符：表示指令要完成的功能。操作数：指出了要操作的对象。三、OMRONC系列PLC图5-29OMRONPLC的基本指令应用示例(1)LD和LDNOT指令(2)OUT和OUTNOT指令(3)AND和ANDNOT指令(4)OR和ORNOT指令(5)ANDLD指令(6)ORLD指令(7)END指令1.OMRONPLC的基本指令三、OMRONC系列PLC２.几个功能指令（1）保持指令KEEP（11）它执行继电器保持操作，可保持为ON或OFF状态，直到它的两个输入端之一使它复位或置位。图5-30电机启动、停止控制X0就是常开，如果通电的话，就动作----闭合。X1用的是常闭，如果通电的话，就动作---断开。这段程序的动作流程就是：X0常开点收到信号----由常开状态----动作后---变成----闭合状态，电流经过常闭点X1驱动输出点Y0.输出点Y0接通，同时自锁保持接通状态，这样即使X0的输入状态断开，Y0还是保持接通状态。如果X1的信号输入接通，则常闭点X1因为有信号输入而接通，则X1常闭点断开，Y0的驱动电流断开。END(01)X0X1Y0Y0三、OMRONC系列PLC（2）微分指令DIFU（13）和DIFD（14）微分指令在执行条件满足后第一次扫描时才执行，且只执行一次；若执行条件解除后再次满足，则再执行。DIFU是上升沿微分指令，DIFD是下降沿微分指令。图5-31微分指令应用示例按键开关闭合时红灯亮由通变断开时绿灯亮。三、OMRONC系列PLC（3）定时器定时器为递减型，有低速TIM和高速TIMH（15）两种。定时器的操作数包括定时器编号（N）和设定值（SV）两个数据。a.定时器指令TIMN：定时器编号，范围000-511共512个。T：时间设定值，范围0000-9999的一个四位数。语句格式：TIMN，T定时器TIM为通电延时，基本延时单位为0.1s。定时器是减1定时器，定时时间到，定时器触点接通，当输入条件为ON时，开始每0.1s的减1运算，定时器当前值减到0时，为“定时时间到”——定时器触点接通并保持。当输入条件为OFF时，定时器复位，当前值恢复为设定值T，触点断开。b.高速定时器指令TIMH高速定时器指令TIMH和定时器指令TIM的语句格式、梯形图、功能基本一样。不同的是，高速定时器指令TIMH的基本延时单位为10ms(0.01s)图梯形图程序举例例某一过程控制系统，工艺要求开关1闭合40s后，指示灯亮，按下开关2后灯熄灭。（4）计数器计数器包括单向递减型CNT和双向可逆型CNTR（12）两种，其操作数包括计数器编号和设定值两个数据。图5-32计数包装控制程序N：定时器编号，范围000-511共512个。D：一般是立即数，范围0000-9999的一个四位数：语句格式：CNTN，DCNTND计数端CP复位端R计数器指令CNT为减1计数，当计数器输入端CP每一次由OFF→ON，计数器的当前值就减1，在计数器当前值减至0时，计数触点接通并保持。当计数器的输入信号CP和复位信号R同时到达时，复位优先。计数器的编程顺序为先编计数输入信号CP，再编复位端R，最后是计数器CNT。CNTND计数端CP复位端Rd.可逆计数器指令CNTRN：定时器编号，范围000-511共512个D：一般是立即数，范围0000-9999的一个四位数；语句格式：CNTR（12）N，D；CNTRND计数端CP（+）复位端R计数端CP（-）梯形图CNTR是一个环形可逆计数器指令，根据输入信号为（+）端或（-）端，可分别作递增或递减计数器。四、应用实例（一）水箱液位控制图5-33水箱液位控制示意图为了保证水箱液位保持在一定范围，分别在控制的上限和下限设置检测传感器，用PLC控制注入水电磁阀。当液位低于下限时，下限检测开关断开，打