第3章PLC概述

1第二章可编程序控制器概述2本章内容1.PLC的产生和定义2.PLC的发展和应用3.PLC的特点4.PLC与其他控制系统的区别5.PLC的分类6.PLC的系统组成7.PLC的工作原理8.PLC的编程语言●可编程序控制器概述33.1PLC的产生和定义1.PLC的产生●可编程序控制器概述上世纪70年代，继电器控制系统广泛应用于工业控制领域，特别是制造业。然而由于继电器控制系统自身的不足，使得其在应用过程中，面临了很多挑战。当时，计算机已经在很多科研机构、高等学校和大型企业开始应用，但主要用于数值运算。由于计算机本身的复杂性，编程难度高，难以适应恶劣的工业环境以及价格昂贵等原因，未能在工业控制中应用。43.1PLC的产生和定义1.PLC的产生●可编程序控制器概述1968年，美国GM通用汽车公司提出“多品种小批量、不断翻新汽车品牌型号”的设想，并试图寻找一种新型控制器，以尽量减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件和接线，减少系统维护与升级时间，降低成本。希望将计算机的功能完备、灵活、通用等优点与继电器控制系统简单易懂、操作方便、价格便宜等优点相结合，设计一种通用的工业控制装置以满足生产需求。53.1PLC的产生和定义●可编程序控制器概述基于此，提出了十项技术指标：1)编程简单方便，可在现场修改程序；2)硬件维护方便，最好是插入式结构；3)可靠性要高于继电器控制装置；4)体积要小于继电器控制装置；5)可将数据直接送入管理计算机；6)成本上可与继电器竞争；7)输入可以是交流115V；8)输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀；9)扩展时，原有系统只需做很小的改动；10)程序存储器容量至少可扩展到4KB。被称为“GM10条”63.1PLC的产生和定义1.PLC的产生1969年DEC公司生产出第一台PLC。名字ProgrammableLogicController－PLCProgrammableController－PC原因：计算机的发展，增加了许多功能●可编程序控制器概述73.1PLC的产生和定义2.PLC的定义可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，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和输出，控制各种类型机械的生产过程。及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。●可编程序控制器概述83.2PLC的发展1.PLC的发展概述MODICON的084、日本的DS-80（71年）、欧洲（73年）；总体发展情况（功能方面）。2.PLC发展的五个阶段初级阶段从第一台PLC问世到20世纪70年代中期。（简单功能、梯形图编程）崛起阶段从20世纪70年代中期到80年代初期。（功能增强、推广应用）成熟阶段从20世纪80年代初期到90年代初期。（大规模应用、通信联网）飞速发展阶段从20世纪90年代初期到90年代末期。（过程控制、复杂控制系统）开放性、标准化阶段从20世纪90年代中期以后。（IEC61131）●可编程序控制器概述93.2PLC的发展3.PLC的发展趋势向小型化、专用化、低成本方向发展向大容量、高速度、信息化方向发展智能化模块的发展；人机界面（接口）的发展编程工具的发展功能强大、价格低廉的HMI基于PC的组态软件在过程控制领域的使用以及PLC的冗余特性开放性和标准化通信联网功能的增强和易用化软PLC的概念PAC的概念PLC在现场总线控制系统中的位置●可编程序控制器概述103.3PLC的应用领域1.PLC为什么能得到广泛使用价格越来越低功能越来越强与时俱进地发展2.PLC的应用领域中小型单机电气控制系统制造业自动化运动控制流程工业自动化●可编程序控制器概述113.4PLC的特点PLC的特点如下：抗干扰能力强，可靠性高●可编程序控制器概述（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离；（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms；（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰；（4）采用性能优良的开关电源；（5）对采用的器件进行严格的筛选；（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。123.4PLC的特点PLC的特点如下：控制系统结构简单，通用性强●可编程序控制器概述除了整体式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源和I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。PLC控制系统的控制作用的改变主要不是取决于硬件的改变，而是取决于程序的改变。计数器、定时器、继电器等器件在PLC中变成了编程变量，控制作用的实现更加容易。133.4PLC的特点PLC的特点如下：编程方便，易于使用●可编程序控制器概述PLC的设计者充分考虑到现场技术人员的技能和习惯，经常采用的是梯形图方式的编程语言，它与继电器控制原理图相似，具有直观、清晰、修改方便、易掌握等优点，即便未掌握专门计算机技术的人也能很快熟悉，因而受到了广大现场技术人员的欢迎。143.4PLC的特点PLC的特点如下：功能强大，成本低●可编程序控制器概述PLC运用了计算机、电子技术和集成工艺的最新技术，在硬件和软件两方面不断发展，使其具备很强的信息处理能力，可进行逻辑、定时、计数和步进等控制，能完成A/D与D/A转换、数据处理和通信联网等功能，随着PLC技术的不断发展，其功能也会不断增强。153.4PLC的特点PLC的特点如下：设计、施工、调试的周期短●可编程序控制器概述PLC在许多方面是以软件编程来取代硬件接线实现控制功能，大大减轻了繁重的安装接线工作，且编程简单，程序设计和调试修改也很方便安全，因此，大大缩短了PLC控制系统的开发周期。163.4PLC的特点PLC的特点如下：安装简单，维护方便●可编程序控制器概述PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。173.5PLC与其他控制系统的区别1.与继电器控制系统的区别控制逻辑：软－硬工作方式：并行－串行可靠性和可维护性控制速度定时控制设计和施工2.与IPC控制系统的区别3.与单片机控制系统的区别本质区别使用场合使用过程使用成本学习的难易程度●可编程序控制器概述183.5PLC与其他控制系统的区别4.与DCS、FCS的区别DCS的特点PLC的特点FCS的特点三者之间的融合●可编程序控制器概述193.6PLC的分类1.按I/O容量分小型机中型机大型机2.按结构形式分整体式模块式●可编程序控制器概述203.7PLC的系统组成●可编程序控制器概述可编程控制器是一种工业控制装置，从装置的组成来说，可编程控制器是由硬件系统和软件系统组成的。213.7PLC的系统组成1.CPU2.存储器3.I/O单元4.电源5.通信接口6.扩展接口7.编程设备8.其他部件●可编程序控制器概述223.7PLC的系统组成●可编程序控制器概述整体式的硬件组成233.7PLC的系统组成●可编程序控制器概述模块式PLC的硬件结构243.7PLC的系统组成●可编程序控制器概述1.中央处理单元（CPU）同一般的微机一样，CPU是PLC的核心。一般认为PLC中的CPU有三类：通用微处理器（如Z80、8086等）、单片计算机（如8031、8096等）和专用微处理器。历史上，小型PLC大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；大中型PLC大多采用16位通用微处理器和单片微处理器。在PLC中的CPU又包含控制器和运算器，通过执行系统程序，指挥PLC进行工作，归纳起来主要有以下几个方面作用：（1）接收从编程装置输入的程序和数据；（2）诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；（3）通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器中；（4）从存储器逐条读取用户程序，并执行程序；（5）根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。有些PLC还具有制表打印或数据通信等功能。253.7PLC的系统组成●可编程序控制器概述2.存储器存储器主要有两种：一种是可进行读写操作的随机存储器RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM、EPROM和E2PROM。在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。系统程序是由PLC的制造厂家编写的，和PLC的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC运行的平台。用户程序是随PLC的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。工作数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。263.7PLC的系统组成●可编程序控制器概述3.输入/输出单元输入/输出单元通常也叫I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口要实现这种转换。I/O接口一般都具有光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力。另外，I/O接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，有各种各样功能的I/O接口供用户选用。I/O接口的主要类型有：数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、模拟量输入、模拟量输等。常用的开关量输入接口按其使用的电源不同有两种类型：直流输入接口和交流输入接口，其基本电路如图2-3和图2-4所示。273.7PLC的系统组成●可编程序控制器概述图2-3直流输入接口原理图283.7PLC的系统组成●可编程序控制器概述图2-4交流输入接口原理图293.7PLC的系统组成●可编程序控制器概述常用的开关量输出接口按输出器件不同有三种类型:继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出，其基本原理电路如图2-5、图2-6和图2-7所示。继电器输出接口可驱动交直流负载，但其响应时间长，动作频率低；而晶体管输出和双向晶闸管输出接口的响应速度快，动作频率高，注意前者只能用于驱动直流负载，后者只能用于交流负载。输出单元303.7PLC的系统组成●可编程序控制器概述图2-5继电器输出接口原理图313.7PLC的系统组成●可编程序控制器概述图2-6晶体管输出接口原理图323.7PLC的系统组成●可编程序控制器概述图2-7双向晶闸管输出接口原理图333.7PLC的系统组成●可编程序控制器概述4.通信接口PLC配有各种通信接口，这些通信接口都带有通信处理器。PLC通过这些接口可与计算机或其它PLC等设备实现通信。与人机界面连接，可将控制过程图像显示出来；与其它PLC连接，可组成多机系统或连接成网络，实现更大规模控制。工业上普遍使用的远程I/O必须配备相应的通信接口模块。343.7PLC的系统组成●可编程序控制器概述5.智能接口模块智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口。它作为PLC系统的一个模块，通过总线与PLC相连，进行数据交换，并在PLC的协调管理下独立地进行工作。PLC的智能接口模块种类很多，如高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块等。353.7PLC的系统组成●可编程序控制器概述6.编程装置编程装置的作用是编辑、调试、输入用户