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1、第第1 1章章 可编程序控制器基础知识可编程序控制器基础知识授课班级：数控技术151班第第1章章可可编编程程序序控控制制器器基基础础知知识识n n内容介绍：内容介绍：内容介绍：内容介绍：本章是学习PLC的入门知识，因此对初学者来说显得特别重要。重点掌握：什么是PLC？PLC与其它控制装置的区别？PLC的工作机制？1.1概概述述1.1.1什什么么是是PLC？可编程序控制器（可编程序控制器（Programmble Controller）简称简称PC或或PLC 是一种工业是一种工业控制装置控制装置 PLCPLC是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的
2、，并逐渐发展成为的，并逐渐发展成为 以微处理器以微处理器 为核心，将自动化技术、为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置1.1概概述述1.1.1什什么么是是PLC？定义定义定义定义 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为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来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，算术运算等操作的指令，并通过数
3、字式和模拟式的输入和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。输出，控制各种类型的机械或生产过程。1.1概概述述1.1.2PLC的的产产生生与与发发展展近年来近年来近年来近年来PLCPLC发展迅速发展迅速发展迅速发展迅速 PLC成为现代工业自动化的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。1.1概概述述1.1.2PLC的的产产生生与与发发展展nPLC三大流派三大流派 自从第一台PLC出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制PLC，并得到了迅速的发展。各国PLC都有自己的特色。欧洲：欧洲：西门子（Siemens）；法国的TE（Telemecanique）美国：美
4、国：A-B（Allen-Bradly）、GE（General Electric）日本：日本：三菱电机（Mitsubishi Electric）、欧姆龙（OMRON）、FUJI （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）1.3 P LC控制系统与电器控制系统的比较控制系统与电器控制系统的比较 1.3.1 电器控制系统组成电器控制系统组成1.3PLC控控制制系系统统与与电电器器控控制制系系统统的的比比较较1.3.2PLC控控制制系系统统组组成成1.3PLC控控制制系系统统与与电电器器控控制制系系统统的的比比较较1.3.3PLC等等效效电电路路n例：三相异步电动机单向运行电器
5、控制系统 输入设备输入设备 输出设备输出设备 1.3PLC控控制制系系统统与与电电器器控控制制系系统统的的比比较较1.3.4PLC控控制制系系统统与与电电器器控控制制系系统统的的区区别别控制方法上：控制方法上：硬硬硬硬 ：软软软软工作方式上：工作方式上：并行工作方式并行工作方式并行工作方式并行工作方式 ：串行工作方式串行工作方式串行工作方式串行工作方式控制速度上：控制速度上：速度速度速度速度 慢慢慢慢 ：快快快快 定时和计数控制上：定时和计数控制上：精度精度精度精度 低低低低 ：高高高高 可靠性和可维护性上：可靠性和可维护性上：可靠性可靠性可靠性可靠性 低低低低 ：高高高高1.4PLC组组成成
6、1.4.1PLC组组成成概概述述 PLC的基本组成与一般的微机系统类似的基本组成与一般的微机系统类似：是一种是一种以微处理器为核心的、以微处理器为核心的、以微处理器为核心的、以微处理器为核心的、用于控制的用于控制的用于控制的用于控制的特殊计算机特殊计算机 PLC的基本组成包括的基本组成包括硬件与软件硬件与软件硬件与软件硬件与软件两部分两部分 PLC PLC的硬件：的硬件：的硬件：的硬件：中央处理器（中央处理器（CPU）、）、存储器、输入接口、存储器、输入接口、输出接口、通信接口、电源等输出接口、通信接口、电源等 PLC PLC的软件：的软件：的软件：的软件：系统程序和用户程序系统程序和用户程序
7、1.4PLC组组成成1.4.1PLC组组成成概概述述编程编程器器写入器电电 源源输输入入单单元元输输出出单单元元CPU通通信信接接口口扩扩展展接接口口存储器存储器1.4PLC组组成成1.4.3PLC中的存储器及及作作用用nPLC的编程语言（IEC61131-3中的中的5种种PLC基本语言）基本语言）顺序功能图（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。梯梯 形形 图（图（L D）：以图形方式表达触点和线圈以及 特殊指令块的梯级。指指 令令 表（表（I L）：类似汇编程序的基于文本的语言 与其相对应的是LD。结结 构构 文文 本（本（S T）：类似Pascal的
8、基于文本的语言 功功 能能 块块 图（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。1.4PLC组组成成1.4.8PLC编程器及及作作用用编程器的作用编程器的作用编程器的作用编程器的作用：是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的设备。简易编程器 专用编程器专用编程器 编程器编程器编程器编程器 智能编程器 通用编程系统：通用编程系统：PCPC上配专用编程软件包上配专用编程软件包1.5PLC工工作作原原理理1.5.1扫描工作方式 当当PLC运行时，需要进行众多的操作运行时，需要进行众多的操作而而
9、PLC的的CPU不可能同时去执行多个操作，不可能同时去执行多个操作，每一刻只能执每一刻只能执行一个操作行一个操作。1.5PLC工工作作原原理理1.5.1扫描工作方式 解决的办法：解决的办法：采用分时操作原理采用分时操作原理 由于由于CPUCPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC PLC外部出现的结果似乎是同时完成的。外部出现的结果似乎是同时完成的。这种分时操作的方法称为这种分时操作的方法称为扫描工作方式扫描工作方式扫描工作方式扫描工作方式 1.5 PLC工作原理工作原理1.5.2 PLC的扫描工作过程的扫描工作过程 整整整整个个个个过过过过程程程
10、程包包包包括括括括内内内内部部部部处处处处理理理理、通通通通信信信信服服服服务务务务、输输输输入入入入处处处处理理理理、程程程程序序序序执执执执行行行行、输输输输出出出出处处处处理五个阶段理五个阶段理五个阶段理五个阶段 整整整整个个个个过过过过程程程程扫扫扫扫描描描描执执执执行行行行一一一一遍遍遍遍所所所所需需需需的的的的时时时时间间间间称为称为称为称为扫描周期 扫扫扫扫描描描描周周周周期期期期与与与与CPUCPU运运运运行行行行速速速速度度度度、PLCPLC硬件配置及用户程序长短硬件配置及用户程序长短硬件配置及用户程序长短硬件配置及用户程序长短有关。有关。有关。有关。1.5 PLC工作原理工
11、作原理1.5.3 PLC执行程序的过程执行程序的过程1.6 1.6 P LC的分类及特点 1 1.6 6.1 .1 PLCPLC的分类的分类 PLC一般可从其一般可从其I/O点数、结构形式点数、结构形式和功能三方面进行分类：和功能三方面进行分类：1.6 1.6 P LC的分类及特点 1.6.1 PLC.6.1 PLC的分类的分类（按（按I/O点数分类）点数分类）根据PLC的I/O点数，PLC分为小型、中型和大型三类。1）小型小型PLC I/O点数为256点以下点以下的为小型PLC （其中I/O点数小于64点的为超小型或微型PLC）2）中中型型PLC I/O点数为256点点以以上上、2048点点
12、以以下下的为中型PLC3）大型大型PLC I/O点数为2048以上以上的为大型PLC （其中I/O点数超过8192点的为超大型PLC）这个分类界限不是固定不变的，它随PLC的发展而变化。1.6 1.6 P LC的分类及特点 1.6.1 PLC.6.1 PLC的分类的分类（按结构形式分类）按结构形式分类）根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。1）整整体体式式PLC 将将电电源源、CPU、I/O接接口口等等部部件件都都集集中中装装在一个机箱内，在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和
13、扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。小型PLC一般采用这种整体式结构。1.6 1.6 P LC的分类及特点 1.6.1 PLC.6.1 PLC的分类的分类（按结构形式分类）按结构形式分类）2）模模块块式式PLC 将将PLC各各组组成成部部分分分分别别作作成成若若干干个个单单独独的的模模块块，如如CPU模模块块、I/O模模块块、电电源源模模块块（
14、有有的含在的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块中）以及各种功能模块。模块式由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同模块组成一个系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。1.6 1.6 P LC的分类及特点 1.6.1 PLC.6.1 PLC的分类的分类（按功能分类）（按功能分类）1）低档）低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机系统 2）中档）中档PLC
15、 具有低档PLC功能外，具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还增设中断、PID控制等功能 3）高档）高档PLC 具有中档机功能外，增加带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数运算、制表及表格传送等。高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。n1、功能强，性能价格比高 n一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。可篇程序控制器可以通过通信联网，实现分散
16、控制，集中管理。n2、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 n可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。可编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。1.7 1.7 可编程控制器相对与硬件线路的优点可编程控制器相对与硬件线路的优点n3、可靠性高，抗干扰能力强 n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。由于触点接触不良，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
17、有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。nPLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。1.7 1.7 可编程控制器相对与硬件线路的优点可编程控制器相对与硬件线路的优点n4、系统的设计、安装、调试工作量少 nPLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。nPLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容
18、易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。nPLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。1.7 1.7 可编程控制器相对与硬件线路的优点可编程控制器相对与硬件线路的优点n5、编程方法简单 n梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用
19、来编制用户程序。n梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。1.7 1.7 可编程控制器相对与硬件线路的优点可编程控制器相对与硬件线路的优点n6、维修工作量少，维修方便 nPLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的位置迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。n7、体积小，能耗低 n对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜
20、的体积缩小到原来的确1/2-1/10。nPLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。1.7 1.7 可编程控制器相对与硬件线路的优点可编程控制器相对与硬件线路的优点n(一一)高可靠性高可靠性n 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n 2.各输入端均采用R-C 滤波器其滤波时间常数一般为1020ms.n 3.各模块均采用屏蔽措施以防止辐射干扰n 4.采用性能优良的开关电源n 5.对采用的器件进行严格的筛选n 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
21、有效措施以防止故障扩大n 7.大型PLC 还可以采用由双CPU 构成冗余系统或有三CPU 构成表决系统,使可靠性更进一步提高1.8 PLC的特点的特点n(二二)丰富的丰富的I/O 接口模块接口模块nPLC针对不同的工业现场信号如n 交流或直流n 开关量或模拟量n 电压或电流n有相应的I/O 模块与工业现场的器件或设备如n 按钮n 行程开关n 电磁线圈n 控制阀n 直接连接另外为了提高操作性能它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络它还有多种通讯联网的接口模块等等。1.8 PLC的特点的特点n(三)采用模块化结构n 为了适应各种工业控制需要除了单元式的小型PLC 以外，绝大多数PLC
22、 均采用模块化结构，PLC 的各个部件包括CPU 电源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。n(四)编程简单易学n PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。1.8 PLC的特点的特点n(五)安装简单维修方便n 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。1.8 PLC的特点的特点