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1、可编程序控制器可编程序控制器(PLC)课程课程1=教材：教材：现代电气及可编程控制技术现代电气及可编程控制技术主编：主编：王永华王永华出版社：北京航空航天大学出版社出版社：北京航空航天大学出版社=参考教材：参考教材：深入浅出西门子深入浅出西门子S7S7200200出版社：北京航空航天大学出版社出版社：北京航空航天大学出版社 =参考教材：参考教材：西门子西门子S7S7200200用户手册用户手册西门子公司编西门子公司编=2?可编程序控制器可编程序控制器(PLC)ProgrammableLogicController3一、PLC的产生和定义1.PLC的产生 PLC的历史的历史20世纪20年代起至P
2、LC问世之前，各种生产机械通常是由继电接触器控制系统（由各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接组成的控制系统）进行控制。其优点是：结构简单，容易掌握，价格低廉，使用面广；不足之处：设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难于实现复杂控制，通用性较差；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（后被称之为GM10条）在社会上公开招标，制造一种新型的工业控制装置。4（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；
3、（6）成本可与继电器控制盘竞争；（7）输入为市电；（8）输出为市电，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器；（9）扩展时原系统改变最小；（10）用户存储器大于4KB。GM10条条5 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（Programmable Controller），简称 PC。因与个人计算机（Personal Computer)的简称混淆，习惯上仍把可编程控制器简称为PLC（Programmable Logic Controller)。第一
4、台第一台PLC62.PLC的定义因为PLC一直飞速发展，迄今为止还未有一个十分确切的定义。国际电工委员会（IEC)对PLC的定义颁发过多稿；于1982年11月颁发PLC标准草案第一稿；于1985年1月颁发PLC标准第二稿；于1987年2月颁发PLC标准第三稿；国际电工委员会（IEC）对可编程序控制器作了如下的定义：“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指令，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。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系
5、统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计”。定义强调了两点：一是一是PLC直接应用于工业环境直接应用于工业环境，具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围；这是区别于微机控制系统的一个重要特征；二是二是 它也是一种计算机它也是一种计算机，是为工业环境而设计的工业计算机。7二、PLC的分类1.按 IO点数分类PLC可从外部接收多少个输入量和向外部输出多少个输出量l小型机（含微型机）I/O点小于128例如S7-200系列，有较强的通信功能和一定的模拟量处理能力，价格便宜、体积小、适合用于单机设备控制。点控制l中型机I/O点1282048例如S7-300系列，有强大的联网和模拟量处理能力，适合用
6、于复杂的多个设备或生产线的控制。线控制。l大型机I/O点大于2048S7-400系列，其信息处理能力和网络功能与工业计算机相当，可以组成集散控制系统。以上划分不包括模拟量I0点数，且划分界限不是十分严格的。82.按结构形式分类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、I0部件都集中装在一个机箱内。一般小型PLC采用这种结构。其优点低：结构紧凑，体积小，重量轻，价格低，容易装配在工业设备的内部，比较适合生产设备的单机控制。缺点：主机的I/O点数固定，使用不够灵活，维修不方便。模块式PLC：将PLC各部分分成若干个单独的模块，如 CPU模块、I0模块、电源模块和
7、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。优点：PLC配置灵活，装配方便，易于扩展。缺点：结构复杂，各种插件比较多，造价也比较高。有的PLC将整体式和模块式结合起来，称为叠装式PLC。二、PLC的分类9三、PLC的特点.抗干扰能力强，可靠性高抗干扰能力强，可靠性高在硬件上，采用了隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施，所用元件是精心挑选的并经筛选老化处理；在软件上，采用数字滤波等抗干扰技术和故障诊断措施；在工作方式上，采用了周期循环扫描方式，对输入或输出几乎同时进行处理，有效地提高了PLC的工作可靠性；在结构上，
8、对耐热、防潮、防尘、抗振等都有精确考虑。.控制系统结构简单，通用性强控制系统结构简单，通用性强接线简单，一般直接连线，不需要用户再进行电路板的设计；控制要求及功能改变时只需修改程序.编程方便，易于使用编程方便，易于使用梯形图与继电器原理图相似，形象直观，容易掌握，不需专门计算机知识.功能完善功能完善多种功能模板，适应各种信号的输入输出具有逻辑运算、算术运算、定时，计数，顺序控制，PID控制、排序查表函数运算、中断等功能.设计、施工调试的周期短设计、施工调试的周期短设计和施工可同时进行，使用软件编程取代硬接线实现控制功能，大大减轻了繁重的安装接线工作.体积小，维护操作方便体积小，维护操作方便体积
9、小，质量轻，便于安装；诊断功能强，便于直观监视系统的I/O状态，通讯状态、电源和故障状态10PLC的缺点l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。l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。lSIEMENS等公司已经开发出以个人计算机为基础，在Windows平台下，结合IEC11313国际标准的新一代开放体系结构的PLC。三、PLC的特点11四、PLC的应用领域1.顺序控制应用最广也最适合PLC的领域，用来取代传统的继电器顺序控制。用在单机控制、多机群控、生产
10、自动线控制等。如装配生长线、电镀流水线、电梯控制等。2.运动控制具有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，能把描述目标位置的数据送给模块，并输出移动一轴或数轴到目标位置，且轴移动时，位置控制模块能保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。3.过程控制具有PID控制功能模块，用于过程控制。4.数据处理大部分PLC都具有不同程度的数据处理功能，如加、减、乘、除、乘方、开方等5.通讯为适应复杂的控制任务且节省资源，可采用单级网络或多级分布式控制系统。12五、PLC的国内外状况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。70年代中期，PLC进入了实用化
11、阶段。70年代末和 80年代初，PLC进入了成熟阶段。国外：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AB（AllenBradley）艾伦一布拉德利公司，MODICON莫迪康公司，GEFANUC公司，TI（Texas Instrument）德州仪器公司，WESTHOUSE Electric西屋电气公司，IPM（International Parallel Machines）国际并行机器公司等。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
12、默勒（Klockner Moeller Gmbh），AEG，法国的TE(Telemecanique）(施耐德）瑞士的Selectron公司等。13五、PLC的国内外状况 日本生产PLC的厂家有40余家：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。三菱电机(MITSUBISHI),欧姆龙(OMRON),富士电机（Fuji Electric）,东芝（TOSHIBA）,光洋（KOYO),松下电工（MEW）,和泉（IDEC）,夏普(SHARP）,安川等公司。14五、PLC的国内外状况 国内：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
13、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。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 AB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。15六、PLC著名品牌 1993年中国PLC市场排行榜上的世界十大厂家：l美国 AB公司（AllenBradley）l德国西门子公司（Siemens）l美国GEFanuc公司
14、l美国的莫迪康（Modicon）和法国的TE电器公司l日本欧姆公司（OMRON）l日本三菱电机株式会社（MITSUBISHI）l日本富士电机株式会社（Fuji Electric）l日本东芝公司（TOSHIBA）l日本的光洋电子（KOYO）和中国的华光电子(CKE）l日本松下电工株式会社（MEW）：Matsushita Electric Works Ltd）根据美国 Automation Research Co.（ARC）的商情调查，在1994年PLC市场上，最大的5家PLC制造商是:lSIEMENS(西门子)lAllenBradly（Rockwell AB罗克韦尔)lAEG Schneider
15、（施耐德）l三菱电机,l OMRON(立石电机）（1996年中国PLC市场）16七、PLC的发展趋势1.向小型化、专用化、低成本方向发展2.向大容量、高速度方向发展CPU处理速度nS级；内存2M字节。3.向多品种方向发展和高功能超大型和超小型。3.产品更加规范化、标准化硬件、软件兼容的PLC。4.模块化5.加强联网和通信的能力6.工业软件发展迅速17PLC系统结构图八、PLC系统组成及工作原理18中央处理单元（CPU）CPU一般由控制器、运算器、寄存器组成，与常见的计算机一样CPU为PLC的核心。常用的CPU有：（1）通用处理器：8086、80286、80386；（2）单片机芯片：8031、8
16、096；（3）位片式微处理器：AMD-2900等。存储器（RAM/ROM）：PLC存储器分系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器：系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序模块与系统调用。用户存储器：用户程序存储区、功能存储区（数据）。PLC存储器使用的存储器有:ROM、RAM和EEPROM。输入输出单元（I0单元）输入输出信号类型可以是开关量、模拟量、数字量。I0单元：包含与被控设备相连的接口电路与I/O映像寄存器。输入接口的输入类型：可以是直流、交流和交直流。输出接口电路的类型有：继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型，输出电流值一般为0.5-2A,其额定值与负载性质有关电源DC24V；
17、AC220V编程器手持式、计算机扩展接口通讯接口其它部件EPROM写入器，存储器卡1.PLC的组成19输入输入/输出单元保护输出单元保护为使PLC免受瞬间大电流而损坏，保护措施为：（1）输入与输出公共端接熔断器。（2）采用保护电路：对交流感性负载，一般用阻容吸收电路；对直流感性负载，用续流二极管。20PLC外形图21PLC交流输入接口22PLC直流输入接口23PLC继电器输出接口24PLC晶体管输出接口25PLC晶闸管输出接口26标准编程器27通用编程器28八、PLC系统组成及工作原理2.工作方式工作方式 PLC采用循环扫描的工作方式，这个过程可分为：内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输
18、出处理几个阶段，整个过程扫描一次所需要的时间称为扫描周期。内部处理：CPU检测主机硬件，同时检查所有IO模块的状态，在RUN下，还检查用户程序存储器，如异常，则停机并显示出错。通信服务：自动检测并处理通信端口接收到的任何信息，检查是否有编程器、计算机等通信请求，若有则进行相应处理。输入扫描：对各数字量输入点的当前状态进行输入扫描，并将扫描结果分别写入对应的映像寄存器中。执行用户程序：用户程序按顺序存放，CPU从第一条指令开始顺序取指令并执行，直到最后一条指令结束。指令执行时从映象存储器中读取各输入点的状态经算术或逻辑运算，然后结果送到输出映象寄存器中。输出处理：CPU从输出映象寄存器中的数据几
19、乎同时集中对输出点进行刷新，通过输出接口转化成被控设备所接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。PLC方式开关处于RUN时，执行所有阶段，处于STOP时，只执行前2个阶段，此时PLC可联机或离线编程。29PLC工作方式流程图开始内部处理通信处理RUN方式输入扫描执行用户程序输出处理YNPLC工作原理图输入端子元件映像寄存器输入映像寄存器输出锁存器输出端子I0.0M0.0M0.0M0.0Q0.0输入采样阶段程序执行阶段输出刷新阶段扫描周期输入采样输出刷新PLC扫描工作过程30PLC工作方式扫描周期的长短与CPU的运算速度、I/O点数、用户程序的长短及编程情况有关，通常用PLC执行1KB指令所需的时
20、间来说明其扫描速度。数量级为零点几微秒到上百微秒。对响应速度要求快的系统，在硬件选定之后，应尽量缩短和优化程序代码。输入输出处理原则l输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上各输入点在上一刷新期间的接通和断开状态。l程序执行结果取决于用户所编程序和输入输出映像寄存器的内容及其它各元件映像寄存器内容。l输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果。l输出锁存器的数据，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定。输出端子的接通和断开状态，由输出锁存器决定。313.编程语言编程语言（1）梯形图（所有厂商都支持LAD)它是一种图形化的面向控制过程的“自然语言”，它沿用了继电器的触点、线圈、串并联等述
21、语和图形符号，同时增加了一些继电器控制系统中没有的特殊符号，以便扩充PLC的控制功能。梯形图它继承了继电接触控制系统中的框架结构和逻辑关系，是最接近于继电接触系统中的电气控制原理图，它形象直观，易学，实用，为广大电气技术人员所熟悉，是应用最多一种编程语言。有的PLC有两根母线，大部分PLC只保留左边的母线，在LAD中，触点代表逻辑“输入”条件如开关、按纽、内部条件等；线圈通常代表逻辑“输出”结果，如灯，电机接触器、中间继电器等，对S7-200 PLC来说，还有一种输出“盒”代表附加的指令，如定时器、计数器和功能指令等。常开触点常闭触点线圈32SB1SB2KMKM继电器启停控制线路I0.0I0.
22、1Q0.0Q0.0PLC梯形图X1X2Y30Y30S7200LD I0.0O Q0.0AN I0.1 Q0.0三菱F1LD X1O R Y30AN I X2OUT Y30（2 2）指令表或者语句表（）指令表或者语句表（STLSTL）类似于计算机的助记符语言，比汇编语言通俗易懂，一般与梯形图一一对应，应用比较广，类似于计算机的助记符语言，比汇编语言通俗易懂，一般与梯形图一一对应，应用比较广，比较适合熟悉比较适合熟悉PLCPLC和有经验的程序员使用。和有经验的程序员使用。生成的源机器码最短，执行速度最快。生成的源机器码最短，执行速度最快。上图的语句表为上图的语句表为33（3）功能块图（FBD）功能
23、块图的图形结构与数字电路的结构极为相似，如图模块有输入和输出端，输入和输出端的关系使用与、或、非、异或等，；逻辑模块之间的连接方式与电路的连接方式也基本相同。（4）顺序功能流程图（SFC）是一种描述顺序控制系统的图解表示方法，能完整地描述控制系统的工作过程、功能和特性，是分析设计电气控制系统程序的重要工具。小型PLC：一般先将控制要求设计成顺序功能流程图，然后再转化成梯形图。大型PLC：有些的大PLC可直接用顺序流程图编程。I0.0I0.1Q0.0Q0.0逻辑功能块图（逻辑功能块图（FBDFBD）340123M1启动M2启动M1、M2停止启动按纽定时延时到停止按纽SFC示例：两台电机M1、M2
24、，按下启动按纽，M1 启动，经延时后，M2接着自动启动，按下停止按纽，M1、M2停止运行。转移条件输出结果初始状态路径35梯形图编程36逻辑符号图编程逻辑符号图编程38（5）PLC高级语言编程高级语言编程适合熟悉计算机的高级语言的编程人员使用，当遇到复杂运算和处理大量数适合熟悉计算机的高级语言的编程人员使用，当遇到复杂运算和处理大量数据时，使用它可大大地节省编程时间，而且使程序结构清晰易读，降低出错据时，使用它可大大地节省编程时间，而且使程序结构清晰易读，降低出错等等PASCALBASICC汇编汇编39PLC与继电器控制系统的区别PLC的梯形图与继电器控制线路图十分相似，主要原因是PLC的梯形
25、图大致上沿用了继电器控制的电路元件符号，仅个别之处有些不同，信号的输入输出形式及控制功能基本上是相同的，但PLC控制与继电器控制又有不同之处，其主要差别如下：比较项目继电器控制PLC控制逻辑硬接线多，体积大，连线复杂，修改困难软接线的存储逻辑，体积小，连线少，控制灵活，易与扩展控制速度由触点开闭实现控制作用，动作速度几十ms，易出现触点抖动半导体实现控制作用，每条指令执行时间微妙级，触点不抖动工作方式并行工作方式内部器件都处于周期性的循环扫描中，为串行工作方式定时控制由时间定时器实现，精度差，易受环境影响半导体集成电路实现，精度高，时间设置方便，不受环境影响设计与施工设计与施工必须按顺序进行，周期长，修改困难系统设计后，现场施工与程序设计可同时进行，周期短，调试修改方便可靠性可维护性有触点系统，寿命短，可靠性与可维护性差无触点，寿命长，可靠性高，有自诊断功能，易与维护价格使用机械开关、继电器、接触器等，价格便宜使用中大规模集成电路价格较贵4041