86第1章 PLC概述

大连理工大学出版社第1章PLC概述2目录2020年2月3日星期一目录1.1PLC的发展1.1.1PLC的产生1.1.2PLC的发展过程1.1.3PLC的发展趋势1.2PLC的基本特点1.2.1软硬件功能强1.2.2使用维护方便1.2.3运行稳定可靠1.2.4设计施工周期短1.3PLC的分类1.3.1按结构分类1.3.2按控制规模分类1.3.3按生产厂家分类1.4PLC的主要功能及应用1.4.1开关逻辑和顺序控制1.4.2模拟量控制1.4.3定时控制1.4.4数据采集与监控1.4.5联网、通信及集散控制1.5PLC与其他工控系统的比较1.5.1可编程控制器与继电器控制系统的比较1.5.2PLC与集散控制系统的比较1.5.3PLC与工业控制计算机（IPC）的比较第1章PLC概述3目录2020年2月3日星期一第1章PLC概述可编程控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC。它是20世纪70年代以来，随着社会生产的发展和技术进步，工业生产自动化水平的日益提高及微电子技术的飞速发展，在继电器控制的基础上发展起来的一种新型工业控制设备。由于它具有功能强、可靠性大、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，目前已成为实现工业生产自动化的支柱产品。本章主要介绍PLC的发展、特点、分类、主要功能及应用。掌握PLC的特点和主要功能，了解PLC的分类及发展。第1章PLC概述4目录2020年2月3日星期一1.1PLC的发展1.1.1PLC的产生在可编程控制器产生之前，以各种继电器为主要元件的电气控制线路承担着生产过程自动控制的艰巨任务，可能由成百上千只各种继电器构成复杂的控制系统，需要用成千上万根导线连接起来，安装这些继电器需要大量的继电器控制柜，且占据大量的空间。当这些继电器运行时，又产生大量的噪声，消耗大量的电能。为保证控制系统的正常运行，需安排大量的电气技术人员进行维护，有时某个继电器的损坏，甚至某个继电器的触点接触不良，都会影响整个系统的正常运行。如果系统出现故障，要进行检查和排除故障又非常困难，全靠现场电气技术人员长期积累的经验。尤其是在生产工艺发生变化时，可能需要增加很多的继电器或继电器控制柜，重新接线或改线的工作量极大，甚至可能需要重新设计控制系统。尽管如此，这种控制系统的功能也仅仅局限在能实现具有粗略定时、计数功能的顺序逻辑控制。因此，人们迫切需要一种新的工业控制装置来取代传统的继电器控制系统，使电气控制系统工作更可靠、更容易维修、更能适应经常变化的生产工艺要求。第1章PLC概述5目录2020年2月3日星期一新一代PLC应具备的10项指标：(1)编程简单，可在现场方便地编辑及修改程序；(2)价格便宜，其性价比要高于继电器控制系统；(3)体积要明显小于继电器控制柜；(4)可靠性要明显高于继电器控制系统；(5)具有数据通信功能；(6)输入可以是AC115V；(7)输出为AC115V，2A以上；(8)硬件维护方便，最好是插件式结构；(9)扩展时，原有系统只需做很小改动；(10)用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB。第1章PLC概述6目录2020年2月3日星期一1.1.2PLC的发展过程1.从1969年到20世纪70年代中期2.20世纪70年代中期到80年代初期3.20世纪80年代初期到90年代初期4.20世纪90年代至今这一阶段可编程控制器主要用于逻辑运算和计时、计数运算，其中央处理器由中小规模数字集成电路组成，存储器为磁芯存储器，控制功能比较简单。这一阶段可编程控制器的CPU采用微处理器，存储器采用半导体存储器，不仅整机的体积减小，而且数据处理能力获得很大提高，增加了数据运算、传送、比较等功能，实现了对模拟量的控制。这一阶段由于16位、32位微处理器的出现和应用，PLC向大规模、高速度、高性能和网络化方向发展，形成了多种系列化产品，出现了结构紧凑、功能强大、性能价格比高的新一代产品，并出现多种不同性能的分布式网络系统。这一阶段PLC继续得到快速发展，系统在网络通信、设备冗余等方面都有了长足的进步，成为一种功能强大的、成熟的控制系统。第1章PLC概述7目录2020年2月3日星期一1.1.3PLC的发展趋势随着PLC技术的推广、应用，PLC将进一步向以下四个方向发展。1.系列化、模块化2.小型机功能强化3.中、大型机高速度、高功能、大容量4.低成本第1章PLC概述8目录2020年2月3日星期一1.2PLC的基本特点1.2.1软硬件功能强1.2.2使用维护方便1.2.3运行稳定可靠1.2.4设计施工周期短在硬件方面，选用优质器件，采用合理的系统结构，加固简化安装，使它能抗震动冲击。对印制电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施。在软件方面，PLC设置了“看门狗”WDT系统,运行时对WDT定时刷新，一旦程序出现死循环，使之能立即跳出，重新启动并发出报警信号。还设置了故障检测及诊断程序。可编程序控制器的故障率低，且有完善的自诊断和显示功能。可编程序控制器或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据可编程序控制器上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，大大减少了因触点接触不良造成的故障。用可编程控制器完成一项控制工程时，由于其硬、软件齐全，所以设计和施工可同时进行。短了施工周期。同时，由于用户程序大都可以在实验室里模拟调试，大大缩短了设计施和工周期。第1章PLC概述9目录2020年2月3日星期一1.3PLC的分类1.3.1按结构分类1.整体式PLC2.模板式PLC3.分散式PLC这种形式的PLC各部分以单独的模板分开设置，如电源模板、CPU模板、输入模板、输出模板及其他智能模板等。S7-300PLCS7-400PLC一般的微型机和小型机多为整体式结构。这种结构PLC的电源、CPU、I/O部件都集中配置在一个箱体中，有的甚至全部装在一块印制电路板上。分散式PLC的结构就是将可编程控制器的CPU、电源、存储器集中放置在控制室，而将各I/O模板分散放置在各个工作站，由通信接口进行通信连接，由CPU集中指挥。第1章PLC概述10目录2020年2月3日星期一1.3.2按控制规模分类根据PLC处理I/O点数规模来分类，PLC可分为四类：微型、小型、中型和大型。1.微型PLC2.小型PLC3.中型PLC4.大型PLC微型PLC的I/O点数通常在64点以下，处理开关量信号，功能以逻辑运算、定时和计数为主，用户程序容量一般都小于4kW。大型PLC的I/O点数在1024点以上，除一般类型的输入\|输出模块外，还有特殊类型的信号处理模块和智能控制模块，能进行数学计算、PID调节、整数/浮点运算和二进制/十进制转换运算等；控制功能完善，网络系统成熟，而且软件也比较丰富，并固化一定的功能程序可供使用；用户程序容量大于32kW，并可扩展。小型PLC的I/O点数在64~256点之间，主要以开关量输入\|输出为主，具有定时、计数和顺序控制等功能，控制功能也比较简单，用户程序容量一般小于16kW。这类PLC和微型PLC的特点都是体积小、价格低，适用于单机控制场合。中型PLC的I/O点数在256~1024点之间，同时具有开关量和模拟量的处理功能，控制功能比较丰富，用户程序容量小于32kW。中型PLC可应用于有开关量、模拟量控制的，较为复杂的、连续生产自动控制的场合。第1章PLC概述11目录2020年2月3日星期一1.3.3按生产厂家分类PLC的生产厂家很多，每个厂家生产的PLC，其点数、容量、功能各有差异，但都自成系列，指令及外设向上兼容，因此在选择PLC时，若选择同一系列的产品，则可以使系统构成容易、操作人员使用方便，备品配件的通用性及兼容性好。比较有代表性的有：德国西门子公司的S5系列、S7系列，日本欧姆龙公司的C系列，三菱公司的FX系列，日本松下公司的FP系列，法国施耐德公司的TWIDO系列，美国通用电气公司的GE系列，美国AB公司的PLC5系列等。第1章PLC概述12目录2020年2月3日星期一1.4PLC的主要功能及应用PLC的主要功能和应用体现在以下几个方面。1.4.1开关逻辑和顺序控制1.4.2模拟量控制1.4.3定时控制1.4.4数据采集与监控1.4.5联网、通信及集散控制由于PLC在控制现场实行控制，所以把控制现场的数据采集下来，做进一步分析研究是很重要的。对于这种应用，目前较普遍采用的方法是PLC加上触摸屏，这样既可随时观察采集下来的数据又能及时进行统计分析。PLC通过网络通信模块以及远程I/O控制模块，可实现PLC与PLC之间、PLC与上位机之间的通信、联网；实现PLC分布控制，计算机集中管理的集散控制，增加系统的控制规模，满足工厂自动化（FA）系统发展的需要。PLC为用户提供了一定数量的定时器，并设置了定时器指令，一般每个定时器可实现0.1~999.9s或0.01~99.99s的定时控制，也可按一定方式进行定时时间的扩展。定时精度高，设定方便、灵活。在生产过程中，许多连续变化的物理量需要进行控制，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。目前大部分PLC产品都具备处理模拟量的功能，特别是在系统中模拟量控制点数不多，同时混有较多的开关量时，PLC具有其他控制装置无法比拟的优势。某些PLC产品还提供了典型控制策略模块，如PID模块，从而实现对系统的PID闭环控制。这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制，可用于单机控制、多机群控制、自动化生产线的控制等，例如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。第1章PLC概述13目录2020年2月3日星期一1.5PLC与其他工控系统的比较1.5.1可编程控制器与继电器控制系统的比较PLC控制系统是从继电器控制系统发展而来的。继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用，目前仍然在工业领域中大量应用。然而就其控制性能与自身的功能已无法满足现代工业控制的要求和发展，与PLC相比较，存在着质的差别，下页表给出了PLC与继电器控制系统功能与特点的比较。第1章PLC概述14目录2020年2月3日星期一PLC与继电器控制系统功能与特点的比较比较项目继电器控制PLC控制功能的实现对继电器进行硬接线，完成相应的控制功能对PLC进行编程实现所需控制要求对生产工艺变化的适应性需进行重新设计与接线，适应性差只需对程序进行修改，适应性强可靠性元器件多，触点多，容易出现故障采用大规模集成电路，绝大部分是软继电器，可靠性高灵活性差具有种类齐全的扩展单元，扩展灵活控制的实时性机械动作时间常数大，实时性差微处理器控制，实时性好占用空间与安装控制柜体积大，笨重，安装施工工作量大体积小，重量轻，安装工作量小使用寿命易损，寿命短寿命长复杂控制能力差很高调试、维护复杂，工作量大工作量小硬件成本较低较高第1章PLC概述15目录2020年2月3日星期一1.5.2PLC与集散控制系统的比较集散控制系统（DCS）又称分布式控制系统，是专门为工业过程控制设计的过程控制装置。它的主要应用场合是连续量的模拟控制，而PLC的主要应用场合是开关量的逻辑控制。因此，它们在设计思想上是有一定区别的。PLC是按循环扫描方式工作的，集散控制系统是按用户的程序指令工作的。因此，PLC对每个采样点的采样速度是相同的；而集散控制系统中，可以根据被检测对象的特性采用不同的采样速度。此外，在集散控制系统中，可以有多级优先级中断的设置，而PLC通常不采用中断方式，因此，所需的存储器容量小；而集散控制系统需进行大量的数学运算，因此，所需的存储器容量较大。第1章PLC概述16目录2020年2月3日星期一1.5.3PL