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第3章PLC概述3.1PLC性能简介3.2PLC的基本结构与工作原理3.3PLC的分类与发展趋势3.1PLC性能简介3.1.1PLC的定义及特点3.1.2PLC的主要功能3.1.3PLC的应用领域3.1.1PLC的定义及特点1.PLC的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”。2.PLC的特点(1)通用性强、灵活性好、接线简单(2)功能强、功能的扩展能力强(3)可靠性高、抗干扰能力强(4)定时准确，定时范围宽(5)编程和接线可同步进行3.1.2PLC的主要功能(1)开关量逻辑控制(2)模拟量控制(3)闭环过程控制(4)定时、定位、计数控制(5)网络通信3.1.3PLC的应用领域1)开关逻辑和顺序控制：这是PLC最基本的控制功能，在工业场合应用最广泛，可代替继电器控制系统。2)过程控制：PLC通过模拟量I/O模块，可对温度、流量等连续变化的模拟量进行控制。3)运动控制：PLC可应用于对直线运动或圆周运动的控制，如数控机床、机器人、金属加工、电梯控制等。4)多级控制网络系统：PLC与PLC之间、PLC与计算机之间及其他智能控制设备之间可以联网通信，实现远程数据处理和信息共享，从而构成工厂计算机集成制造(生产)系统(CIMS/CIPS)。PLC著名品牌•美国A－B公司（Allen－Bradley）（Rockwell)•德国西门子公司（Siemens）•美国GE－Fanuc公司•美国的莫迪康（Modicon）和法国的TE电器公司•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）•AEGSchneiderS7-300S7-400CSSLC500PLC的国内外状况我国在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，•上海自力电子设备厂等单位。以上诸单位都没有形成规模化生产。PLC的国内外状况•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。PLC的历史•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。PLC的历史•(1)编程简单，可在现场修改程序•(2)维护方便，采用插件式结构•(3)可靠性高于继电器控制柜•(4)体积小于继电器控制柜•(5)成本可与继电器控制柜竞争•(6)可将数据直接送入计算机•(7)可直接使用115V交流输入电压•(8)输出采用115V交流电压，能直接驱动电磁阀、交流接触器等负载•(9)通用性强，扩展方便•(10)能存储程序，存储器容量可扩展到4KBPLC的历史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。PLC的发展趋势•向高性能、高速度、大存储容量方向发展•向多品种方向发展和提高可靠性（超大型和超小型）•产品更加规范化、标准化•可编程序控制器与其他工业控制产品相互融合(与个人计算机(PC)的融合、与集散控制系统的融合、及与CNC的融合•大力开发智能型I/O子系统•与现场总线相结合（基金会现场总线、ProfiBus(过程现场总线)、LonWorks(局域操作网络)、CAN(控制器局域网络)、HART(可寻址远程变送器数据通路协议)•加强联网和通信的能力3.3.2PLC的发展趋势1.大型化、高速度、大存储容量趋势2.微型化、多功能化趋势3.标准化趋势4.模块智能化趋势5.网络化趋势3.2PLC的基本结构与工作原理3.2.1PLC的硬件系统3.2.2PLC的软件系统3.2.3PLC的工作原理3.2.4PLC等效电路3.3PLC组成3.3.1PLC组成概述编程器写入器电源输入单元输出单元CPU通信接口扩展接口存储器3.3PLC组成◆系统程序:系统程序是完成系统诊断、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。系统程序由PLC的制造厂家编写的，在PLC使用过程中不会变动，它和PLC的硬件组成有关，它关系到PLC的性能。系统程序由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。3.3PLC组成◆用户程序:●用户程序是用户根据控制对象生产工艺及控制的要求而编制的应用程序。它是由PLC控制对象的要求而定的，●为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在EPROM中。●现在有许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。3.2.1PLC的硬件系统1.CPU模块2.存储器(ROM和RAM)3.I/O模块4.电源模块5.智能接口模块6.编程器7.其他外部设备图3-1整体式PLC基本结构简图图3-2模块式PLC基本结构图3.2.2PLC的软件系统1.梯形图语言2.指令语句表编程语言3.功能块图编程语言4.顺序功能图编程语言5.高级语言3.3PLC组成•PLC的编程语言（IEC61131-3中的5种PLC基本语言）●顺序功能图（SFC）：不仅仅是一种语言，更是一种组织控制程序的图形化方式。●梯形图（LD）：以图形方式表达触点和线圈以及特殊指令块的梯级。●指令表（IL）：类似汇编程序的基于文本的语言与其相对应的是LD。●结构文本（ST）：类似Pascal的基于文本的语言●功能块图（FBD）：一种对应于线路图的图形语言。FBD广泛地用于过程工业。3.2.3PLC的工作原理1.建立I/O映像区2.循环扫描工作方式2.循环扫描工作方式(1)PLC的工作过程(2)用户程序的扫描过程(1)PLC的工作过程1)初始化：PLC上电后，首先进行系统初始化，清除内部继电器区、复位定时器等。2)CPU自诊断：PLC在每个扫描周期都要进入CPU自诊断阶段，对电源、PLC内部电路、用户程序的语法进行检查，定期复位监控定时器(WDT)等，以确保系统可靠运行。3)通信信息处理：在每个通信信息处理扫描阶段，进行PLC之间以及PLC与计算机之间的信息交换，PLC与其他带微处理器的智能设备通信，如智能I/O模块。4)与外部设备交换信息：PLC与外部设备连接时，在每个扫描周期内要与外部设备交换信息。5)执行用户程序：PLC在运行状态下，每一个扫描周期都要执行用户程序。6)输入、输出信息处理：PLC在运行状态下，每一个扫描周期都要进行输入、输出信息处理。(1)PLC的工作过程图3-6PLC的工作过程(2)用户程序的扫描过程1)输入采样阶段。2)程序执行阶段。3)输出刷新阶段。图3-7PLC用户程序的工作过程3.2.4PLC等效电路1.PLC等效电路分析2.PLC控制系统与电气控制系统的比较图3-8三相异步电动机单向起动控制电路a)主电路b)控制电路图3-9PLC等效电路3.2PLC控制系统与电器控制系统的比较•例：三相异步电动机单向运行电器控制系统输入设备输出设备3.2PLC控制系统与电器控制系统的比较3.2.3PLC等效电路•三相异步电动机单向运行PLC控制系统3.2PLC控制系统与电器控制系统的比较①控制方法上：硬：软②工作方式上：并行工作方式：串行工作方式③控制速度上：速度慢：快④定时和计数控制上：精度低：高⑤可靠性和可维护性上：可靠性低：高2.PLC控制系统与电气控制系统的比较1)从控制方法上看，电气控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组合成控制逻辑，其连线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能较为困难。2)从工作方式上看，在继电器控制电路中，当电源接通时，电路中所有继电器都处于受制约状态，即该吸合的继电器都同时吸合，不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合，这种工作方式称为并行工作方式。3)从控制速度上看，继电器控制系统依靠机械触点的动作以实现控制，工作频率低，机械触点还会出现抖动问题。4)从定时和计数控制上看，电气控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制，时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化的影响，定时精度不高。5)从可靠性和可维护性上看，由于电气控制系统使用了大量的机械触点，存在机械磨损、电弧烧伤等问题，寿命短，系统的连线多，所以可靠性和可维护性较差。3.3PLC的分类与发展趋势3.3.1PLC的分类3.3.2PLC的发展趋势3.3.1PLC的分类1.按结构分类2.按控制规模分类3.按控制性能分类PLC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点数在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。PLC的分类（2）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。•叠装式PLC：将整体式和模块式结合起来，称为叠装式整体式PLC模块式PLC3.按控制性能分类(1)低档机(2)中档机(3)高档机