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第3章PLC概述及构成原理了解可编程序控制器的产生掌握可编程序控制器的控制功能及主要特点可编程序控制器的分类可编程序控制器的发展情景模拟3.1PLC的产生及定义3.1.1PLC的产生1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司（GM）的要求研制成第一台可编程序控制器。发展极为迅速。•产生背景：1）继电控制系统的缺点：通用性和灵活性差、可靠性低。继电器控制系统体积大、耗电多、可靠性低、接线复杂、不易更改、查找和排除故障困难，对生产工艺变化的适应性差，但简单易懂、价格便宜2）1968年，美国通用汽车公司（GM公司）为适应汽车型号不断翻新（小批量、多品种、多规格、低成本和高质量），提出要用一种新型的控制装置取代继电—接触器控制装置。拟订了十项公开招标的技术要求：①编程方便，可现场修改程序；②维修方便，采用插件式结构；③可靠性高于继电器控制装置；④体积小于继电器控制盘；⑤数据可直接送入管理计算机；⑥成本可与继电器控制盘竞争；⑦输入可为市电；⑧输出可为市电，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器等；⑨扩展时原系统改变最少；⑩用户存储器大于4KB。可编程序控制器的发展过程1)70年代初期：可编程序控制器仅具有逻辑运算、定时、计数等一些功能，因此称为可编程序逻辑控制器，简称PLC2）70年代中期：70年代后随着电子技术和计算机技术的发展，微处理技术应用，PLC还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。3）80年代以后：随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。PLC不仅控制功能增强，可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能。•3.1.2定义：•国际电工委员会（IEC）于1987年颁布了可编程控制器标准草案第三稿。在草案中对可编程控制器定义如下：“可编程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指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，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”。•作为一种先进而又成熟的技术,目前PLC被广泛应用到机械、冶金、化工、电力、轻纺等各个领域，产品遍及世界各地。这种新型的电气控制装置极大地提高了劳动生产率和自动化程度。可编程序控制器将传统继电器控制技术和现代计算机信息处理技术两者的优点结合起来，成为工业自动化领域中最重要、应用研究最多的控制设备，并已跃居工业生产自动化三大支柱的首位3.2PLC的特点和分类（1）可靠性高，抗干扰能力强。（2）编程简单，使用方便。（3）控制灵活，程序可变，具有很好的柔性。（4）功能强，扩充方便，性能价格比高。（5）控制系统设计及施工的工作量少，维修方便（6）体积小、重量轻、能耗低，是“机电一体化”特有的产品。3.2.1PLC的特点3.2.2PLC的分类1.按I/O点数和功能分类：由I/O点数的多少可将PLC的I/O点数分成小型(含微型)、中型和大型。小型:点数小于256点,以开关量控制为主,适用于小型号设备的控制中型:点数在256～1024之间,兼有开关量和模拟量的控制能力和功能,适用于较复杂系统的逻辑控制和闭环过程控制大型:点数在1024以上,用于大规模过程控制,集散式控制和工厂自动化网络2.按结构形式分类：PLC可分为整体式结构、模块式结构和叠装式结构三大类。3.按用途分类:通用型号和专用型•小型机•中、大型机PCFP1-C16CPUPOWER3.3PLC的应用领域(1)逻辑控制PLC设置有与、或、非等逻辑指令，能够描述继电器接点的串联、并联、串并联、并串联等各种连接关系，因此可代替继电器进行组合逻辑与顺序逻辑控制(2)定时、计数控制PLC为用户提供了若干个计时器(定时器),并设置了计时指令,计时器的计时值可以由用户在编程时设定,并可以在运行中被读出或修改,使用灵活,操作方便(3)步进控制步进控制是指在一道工序完成以后，再进行下一步工序，即顺序控制，PLC为用户提供了若干个移位寄存器，或者直接有步进指令，编程和使用极为方便(4)过程控制可编程序控制器可以接收温度、压力、流量等连续变化的模拟量，通过模拟量I/0模块，实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换和D/A转换，并对被控模拟量实行控制和调节。(5)数据处理可编程序控制器具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理(6)构建网络控制可编程序控制器的通信包括主机与远程I/0之间的通信、多台可编程序控制器之间的通信、可编程序控制器和其他智能控制设备(如计算机、变频器)之间的通信。可编程序控制器与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统,用以完成较大规模的复杂控制(7)监控系统PLC能记忆某些异常情况，并可进行数据采集。操作人员还可利用监控命令进行生产过程的监控，及时调整相关参数。3.4PLC发展前景发展前景1.向高集成、高性能、高速度，大容量发展。2.向普及化方向发展。3.向模块化、智能化发展。4.向软件化发展。5.向通信网络化发展。我国应用较多的PLC产品德国：西门子（Siemens）；法国:TE（Telemecanique）公司美国：A-B（Allen-Bradly）、GE（GeneralElectric）公司日本：三菱电机（MitsubishiElectric）、欧姆龙（OMRON）、FUJI注：日本主要发展中小型PLC，其小型机性能先进，结构紧凑，价格便宜。RS232口电池座电源输入端子输出端子直流电源输出端子输入端子I/O状态指示灯扩展插座方式选择开关运行监视指示灯电位器（V0、V1）波特率选择开关编程工具连接插座3.5PLC的组成3.5.1PLC的组成•PLC专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由由CPU、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、I/O扩展接口、电源和编程器等组成。•下图为一典型PLC结构简图。CPU存储器电源部分输入单元输出单元编程器或其他设备按钮接触器电磁阀指示灯行程开关继电器触点1.微处理器(CPU)•微处理器又称中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。•CPU的主要功能：•1）接收并存储用户输入程序和数据•2）采用扫描工作方式接收现场输入信号•3）逐条读取并执行程序指令•4）处理中断•5)根据运算结果实现输出控制•可编程序控制器中采用的CPU通常有三种:通用微处理器(8086、80286、80386、8096)，中型PLC中使用单片机（8031、Z80A等），小型PLC中使用位片式微处理器（AM2900、AM2901、AM2903等），大型PLC中使用2存储器存储器：用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他信息PLC使用的存储器有：•1）只读存储器(ROM):存放系统程序,具有开机自检、工作方式选择、信息传递和对用户程序的解释翻译功能•2）随机存储器(RAM):存放用户程序和逻辑变量•3）用户固化程序存储器(E2PROM):用户调试后的程序长期存放的地方•输入/输出单元：PLC与被控对象之间传送输入输出信号的接口部件，输入/输出单元有良好的电隔离和滤波功能。•I/O单元的作用：1）电平转换功能：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2）光电隔离和滤波功能：以提高PLC的抗干扰能力3）状态指示：工作状况直观，便于维护3输入/输出接口(I/O)输入器件：按钮、选择开关、数字拨码开关、行程开关、接近开关、光电开关、继电器触点等。作用：现场的数字（开关）量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号内部电路COM输入1输入n直流输入电路图•（1）输入接口电路交流输入电路图内部电路COM输入1输入n.•通常PLC的输入类型可以是直流、交流和交直流。输入电路的电源可由外部供给，有的也可由PLC内部提供。图5.2b和图5.2c分别为一种型号PLC的直流和交流输入接口电路的电路图，采用的是外接电源。•图5.2描述了一个输入点的接口电路。其输入电路的一次电路与二次电路用光耦合器相连，当行程开关闭合时，输入电路和一次电路接通，上面的发光管用于对外显示，同时光耦合器中的发光管使三极管导通，信号进入内部电路，此输入点对应的位由0变为1。即输入映像寄存器的对应位由0变为1。继电器输出电路继电器输出（电磁隔离）说明：用于交流、直流负载，但接通断开的频率低,有触点、交直流、负载2A；晶闸管输出电路晶闸管输出（光触发型进行电气隔离）说明：仅适用于交流负载。无触点、交流、大负载、90-265VAC2A；输出器件：接触器线圈、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备。作用：将PLC内部的标准信号转换成现场执行机构所需的开关量信号。晶体管输出电路晶体管输出（光电隔离）说明：有较高的接通断开频率，用于直流负载。无触点、直流、小负载、24VDC0.5-0.8A；（2）输出接口电路•4外围设备外部设备接口是在主机外壳上与外部设备配接的插座，通过电缆线可配接手持编程器、便携式图形编程器编程器、计算机、打印机、EPROM写入器、触摸屏等。编程器有简易编程器和智能图形编程器两种，用于编程、对系统作一些设定及监控PLC和PLC所控制系统的工作状况等。编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。5电源PLC一般采用AC220V电源，经整流、滤波、稳压后可变换成供PLC的CPU、存储器等电路工作所需的直流电压，有的PLC也采用DC24V电源供电。为保证PLC工作可靠大都采用开关型稳压电源。有的PLC还向外部提供24V直流电源。综上所述PLC由以上五部分组成,相当于一台工业用微机,它通过外围设备可以进行主机与生产机械之间,主机与人之间的信息交换,实现对工业生产过程以及对某些工艺参数的自动控制3.5.3PLC与继电器的区别•相同点：图形结构和逻辑关系相同。•不同点：（1）元器件不同继电-接触器控制电路是由各种硬件低压电器组成PLC是软件实现的软继电器（2）工作方式不同继电-接触器控制电路中的继电器处于受控状态PLC中的软继电器都处于周期性循环扫描工作状态(3)元件触点数量不同硬件继电器的触点数量有限,一般只有4～8对,而PLC中的软继电器的触点数在编程时可无限制使用,可常开又可常闭(4)控制电路实施方式不同继电-接触器控制电路是通过各种硬件继电器之间接线来实施,控制功能固定,当要修改控制功能时必须重新接线.PLC控制电路由软件编程来实施,可以灵活变化和在线修改.3.6PLC的工作原理PLC是依靠执行用户程序来实现控制要求的.什么是程序?实现某一控制要求的指令的集合什么是指令?PLC进行逻辑运算、数据处理、输入和输出步骤的助记符PLC执行程序是以循环扫描方式进行的循环扫描工作方式：在运行状态PLC要顺序完成不同任务，即按分时操作原理运行在每段时间分别执行不同操作任务，包括内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理等任务并循环执行，这是典型的。将整个工作顺序扫描执行一遍为一个扫描周期，其典型值约为1～100ms，扫描周期与用户程序的长短、指令的种类和CPU指令执行的速度有很大的关系。扫描过程如下图所示。下图中当PLC方式开关置于RUN（运行）时，执行所有阶段；当方式开关置于STOP（止）时，不执行后3个阶段，此时可进行通信处理，如对PLC联机或离线编程。工作原理图内部处理通信处理输入扫描执行用户程序输出处理RUN方式？否是开始•可编程序控制器的输入处理、执行用户程序和输出处理过程的原理如下图所示。图4.8程序执行原理图1.输入采样输入扫描阶段：当PLC开始周期工作时，CPU首先以扫描方式读入所有输入端的开关