可编程序逻辑控制器PLCProgrammableLogicController

第二章PLC软、硬件组成及工作原理2.1PLC概述2.1.1PLC的定义2.1.2发展趋势2.1.3PLC与其他工业系统的比较2.1.4PLC的特点及应用领域2.1.1PLC的定义在PLC的发展历程中，有过几个不同的名称：可编程序矩阵控制器PMC（ProgrammableMatrixController）可编程序顺序控制器PSC（ProgrammableSequenceController）可编程序逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController）可编程序控制器PC（ProgrammableController）1969年美国数字设备公司（DEC）根据招标的要求，研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。1980年美国电气制造商协会（NEMA）正式将其命名为编程序控制器（ProgrammableController），简称PC。1969年美国数字设备公司（DEC）根据招标的要求，研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。1980年美国电气制造商协会（NEMA）正式将其命名为编程序控制器（ProgrammableController），简称PC。国际电工委员会（IEC）于1982年11月、1985年1月、1987年2月三次为PLC下定义，最终确定为：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在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命令，并通过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。有关外围设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计”。2.1.2PLC的定义2.1.2PLC的产生与发展趋势1.PLC的产生与发展1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号不断更新的需要，提出了十条技术指标在社会上公开招标，制造一种新型的工业控制装置。这些功能是：（1）容易编程（2）维修方便，采用模块式结构（3）可靠性高于继电-接触器控制系统（4）体积小于继电-接触器控制系统（5）具备与计算机通信的功能（6）成本具有竞争性（7）输入输出电源使用市电（115V）（8）输出为115V/2A，驱动电磁阀和接触器（9）通用性强，能在恶劣环境下工作（10）存储设备可扩充至4K个存储字节2.1.2PLC的产生与发展趋势1.PLC的产生与发展1969年美国研制出世界上第一台PLC以后，日本、德国、法国等国相继研制了各自的PLC。此阶段产品的主要特点是CPU由中小规模的数字集成电路构成，存储器为磁芯存储器；控制功能简单，只能完成定时、计数及逻辑功能。为继电-接触器的替代品。70年代中期，PLC进入了实用化阶段。70年代末和80年代初，PLC进入了成熟阶段。主要特点：采用CPU微处理器，存储器变为半导体存储器，具有数据处理能力，能实现对模拟量的控制，软件上开发出了自诊断功能，可靠性进一步提高。2.1.2PLC的产生与发展趋势80年代中期：CPU开始采用8位/16位微处理器，数据处理能力和速度大大提高，PLC开始具备一定的通信能力，为PLC的分散控制、集中管理奠定了重要基础；软件开发出了面向对象的梯形图语言和逻辑助记符语言，为PLC的普及使用提供了必要条件。80年代中期至90年代中期：超大规模集成电路促使PLC完全计算机化，CPU开始使用32位机；数学运算、数据处理能力大大提高，增加了运动控制、模拟量PID控制网络通信功能，体积进一步减小，可靠性进一步加强。20世纪90年代中期至今：CPU使用16位/32位微处理器，运算速度更快、功能更强能使用多种编程语言。2.PLC的国内外发展状况及主要产品厂家美国PLC发展得最快：1984年有48家，生产150多种PLC；1987年有63家，生产243种PLC；1996年有70余家，生产近300种PLC。著名厂家有A—B（Allen－Bradley）艾伦一布拉德利公司，MODICON莫迪康公司，GE－FSNUC公司，TI（TexasInstrument）德州仪器公司，WESTHOUSEElectric西屋电气公司，IPM（InternationalParallelMachines）国际并行机器公司等。2.1.2PLC的产生与发展趋势欧洲PLC的厂家有60余家:西门子（Siemens）于1973年研制出第一台PLC。金钟默勒（KlocknerMoellerGmbh），AEG，法国的TE(Telemecanique）(施耐德）瑞士的Selectron公司等。1971年，日本从美国引进PLC技术，由日立公司研制成功日本第一台PLC。日本生产PLC的厂家有40余家：三菱电机(MITSUBISHI)，欧姆龙(OMRON),富士电机（FujiElectric）,东芝（TOSHIBA）,光洋（KOYO),松下电工（MEW）,和泉（IDEC）,安川等公司。2.1.2PLC的产生与发展趋势我国在70年代末和80年代初开始引进PLC。我国早期独立研制PLC的单位有：北京机械工业自动化研究所，上海工业自动化仪表研究所，大连组合机床研究所，成都机床电器研究所，中科院北京计算机所及自动化所，长春一汽，上海起重电器厂，上海香岛机电公司，以上诸单位都没有形成规模化生产。合资企业有辽宁无线电二厂引进德国西门子技术生产PLC；无锡电器和日本光洋合资生产的PLC;中美合资的厦门A—B公司生产的PLC；上海香岛机电公司引进技术生产的PLC;上海OMRON公司;西安Siemens公司等。2.1.2PLC的产生与发展趋势3.PLC的发展趋势PLC两个发展方向一是向小型化、微型化发展；二是向大型化、网络化、多功能方向发展。主要体现：（1）向高速度、大存储容量方向发展（CPU处理速度ns级；内存2M字节）（2）向多品种方向发展和提高可靠性(超大型和超小型）（3）产品更加规范化、标准化（硬件、软件兼容的PLC）（4）分散型、智能型、与现场总线兼容的I／0（5）加强联网和通信的能力（6）控制的开放和模块化的体系结构OMAC（openModularArchitectureforControl）2.1.2PLC的产生与发展趋势主要著名品牌：美国A－B公司（Allen－Bradley）德国西门子公司（Siemens）法国的TE（Telemecanique）(施耐德）日本欧姆公司（OMRON）日本三菱电机株式会社（MITSUBISHI）日本富士电机株式会社（FujiElectric）日本东芝公司（TOSHIBA）日本的光洋电子（KOYO）和中国的华光电子(CKE）日本松下电工株式会社（MEW）：（MatsushitaElectricWorksLtd）2.1.2PLC的产生与发展趋势1.与继电-接触器控制系统的比较（1）灵活性和可扩展性。继电系统灵活性和可扩展性差，继电器触点数目有限，PLC系统有软件和硬件构成，要改变控制功能只需要修改控制软件即可，其软继电器触点理论上可使用无数次，灵活性和可扩展性极佳。（2）可靠性和可维护性（3）控制速度和稳定性分别为ms级和s级（4）延时的可靠精度和可调性（5）设计与施工（6）系统价格2.1.3PLC与其他工业控制系统的比较2.1.3PLC与其他工业控制系统的比较可编程控制器与工业控制计算机（简称工业PC机）都是用来进行工业控制，但二者相比仍有不同。（1）硬件方面工业PC机是由通用微型计算机推广应用发展起来的，通常由微型计算机生产厂家开发生产，在硬件方面具有标准总线结构，各种机型兼容性强。而PLC则是针对工业顺序控制，由电气控制厂家研制发展起来的，其硬件结构专用，各个厂家产品不通用，标准化程度较差。但是PLC的信号采集和控制输出的功率强，可不必再加信号变换和功率驱动环节，而直接和现场的测量信号及执行机构对接；在结构上，PLC采取整体密封模板组合形式；在工艺上，对印刷版、插座、机架都有严密的处理；在电路上，又有一系列的抗干扰措施。因此，PLC的可靠性更能满足工业现场环境的要求。2.1.3PLC与其他工业控制系统的比较（2）软件方面工业PC机可借用通用计算机丰富的软件资源，对算法复杂，实时性强的控制任务能较好的适应。PLC在顺序控制的基础上，增加了PID等控制算法，它的编程采用梯形图语言，易于被熟悉电气控制线路而不太熟悉微机软件的工厂电气技术人员所掌握，但是，一般微型计算机的通用软件还不能直接在PLC上应用，还要经过二次开发。（3）使用环境（4）工作方式PLC采用扫描方式工作，有利于实现顺序控制；工业计算机采用中断方式处理外部信号请求。（6）PLC易于掌握，而工业计算机需要专门人员。2.1.4PLC的分类（1）按I／O点数分类I／O点数小于32为微型PLC；I／O点数在32～128为微小型PLC；I／O点数在128～256为小型PLC；I／O点九在256～1024为中型PLC；I／O点数大于1024为大型PLC；I／O点数在4000以上为超大型PLC。以上划分不包括模拟量I／0点数，且划分界限不是固定不变的。（2）按控制性能进行分类高档机S7-400、中档机S7-300和低档机S7-2002.1.4PLC的分类（3）按结构形式分类整体式PLC：又称单元式或箱体式。整体式PLC是将电源、CPU、I／0部件都集中装在一个机箱内。一般小型PLC采用这种结构。模块式PLC：将PLC各部分分成若干个单独的模块，如CPU模块、I／0模块、电源模块和各种功能模块。模块式PLC由框架和各种模块组成。模块插在插座上。一般大、中型PLC采用模块式结构，有的小型PLC也采用这种结构。有的PLC将整体式和模块式结合起来，称为叠装式PLC。模块式PowerinaSmallPackage!!电源模块CPU模块IO模块底板2.1.4PLC的分类2.1.5PLC的特点及应用领域①可靠性高(平均无故障时间3--5万小时）硬件方面主要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作由无触点的电子存储器完成，I/O系统设计有完善的通道保护和信号调理电路；软件方面具有极强的自检及保护功能。②编程简单可采用电气工程技术人员比较熟悉的梯形图语言，易学易懂。③通用性强④体积小、结构紧凑、安装、维护方便⑤重量轻、价格低主要是PLC的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的：如专用总线、专家通信网络及协议，I/O模板不通用，甚至连机柜、电源模板亦各不相同。编程语言虽多数是梯形图，但组态、寻址、语言结构均不一致，因此各公司的PLC互不兼容。SIEMENS等公司已经开发出以个人计算机为基础，在Windows平台下，结合IEC1131－3国际标准的新一代开放体系结构的PLC。应用领域（1）开关量逻辑控制；（2）运动控制；（3）闭环过程控制；（4）数据处理；（5）联网通信2.1.5PLC的特点及应用领域PLC的应用领域PLC在工业自动化中起着举足轻重的作用，在国内外已广泛应用于机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、交通等行业。经验表明，80％以上的工业控制可以使用PLC来完成。在日本，凡8个以上中间继电器组成的控制系统都已采用PLC来取代。2.1.5PLC的特点及应用领域2.2PLC的硬件组成本节主要内容包括：PLC的硬件组成和工作原理PLC的基本组成PLC的工作原理PLC控制系统主要有CPU模块、输入输出模块、电源模块和外部设备组成。其结构图可由下图表示。接受现场信号输入接口部件中央处理单元（CPU）模块电源模块外部设备输出接口部件驱动受控元件接触器线圈电磁阀指示灯小型PLC其各种部件都是集成在一起的，只有大中型的PLC其各部分才会比较明显。2.2.1CPU模块微处理器存储器CPU单元CPU模块主要由微处理器（CPU）芯片