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1、 PLC编程及应用 史运涛史运涛 第一章 PLC简介 PLC应用的广泛性与重要性;什么是PLC;PLC实现的两大类控制;PLC的由来和历史;国外主要的PLC厂商(?作业自己查一下);PLC的主要特点;PLC的一些高级话题()PLC应用的广泛性与重要性 PLC应用的广泛性 现代流程工业(化工,电力,冶金等)离散制造业(汽车,大型装备制造,家电行业)物流(货舱控制)农业,气象,航天领域 PLC的重要性 重要专业课 必须掌握的工作技能 PLC是什么PLC在工厂(感性认识)某钢铁公司的工业加热炉现场 PLC是什么PLC在工厂(感性认识)某钢铁公司的锅炉现场和加热炉现场 PLC 是什么?Programm
2、able logic controller可编程逻辑控制器 计算机控制系统 基于PC总线的工业控制计算机 基于单片机开发的测控装置 集散控制系统 DCS 现场总线 FCS PLC-the new controller?For industry application Yes!？Question:Question:基于DSP等专用处理器设计的运动控制系统 PLC是什么?-IEC的标准定义(1)数字运算操作的电子系统,专为工业环境下应用设计的(2)采用可编程程序存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算,顺序控制,定时、记数和算术运算操作的指令。(3)通过数字式,模拟式的输入、输出控制各类型的机械或生产
3、过程(4)按易于使工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计.PLC实现的两大类控制 逻辑变量-顺序控制(下图所示)模拟量的调节(如PID)如过程变量(如温度,流量,压力,液位)广泛应用于冶金,化工,电力,食品 PLC的由来和历史 关于关于PLC的疑惑的疑惑 从我们对于实际的工厂自动化可以看出,PLC(programmable logic controller 是广泛用在自动化领域内的控制器.它不仅可以根据系统工艺要求实现工业过程的 顺序控制,还可以实现温度,流量,压力,液位等模拟量的控制!？Question:Question:为什么PLC即能控制模拟量又可控制逻辑变量,只强调 可编程
4、 逻辑逻辑 控制器 answer:answer:PLC开始是从继电器逻辑控制而来的,主要是来实现顺序控制 的,后来模拟量的控制是与DCS融合的结果,历史原因!PLC的由来和历史(1)继电器控制 (2)问题 它是用弱电信号控制强电的电力控制系统(如下图所示)复杂;故障查找和调试都是十分麻烦;通用性和灵活性差;项目改造工期长 费用高。PLC的由来和历史(3)解决方案-PLC(创新)这些问题需要寻求一种新的控制装置来取代老式的继电器控制,使得电器控制系统更加灵活,适应于工艺变动.能用在工业现场;能改变其控制”逻辑”,而不需要改动组成他的元件和修改 内部接线;出现故障易于诊断和维护(与IEC的标准定义
5、相印证)PLC的主要特点 编程方法简单易学 功能强,性能价格比高 硬件配套齐全,用户使用方便,适应性强 可靠性高,抗干扰能力强 系统的设计,安装,调试工作量少 维修工作最小,维护方便 体积小,能耗低 可编程控制器发展趋势 高性能,高速度,大容量 微型化 分布式I/O和智能I/O 分布式I/O灵活的连接现场设备 解决远程控制与分散控制 分布式I/O-ET200M 分布式I/O ET 200M 安装在控制室或现场 采用S7-300系列完整的 I/O 产品体系 用于防爆区内的本安模板Ex HART 协议模拟量输入模板 通过PROFIBUS-DP 连接AS与I/O 可选光缆连接 通信线缆冗余 分布式I
6、/O-ET200iS 防爆区域解决方案 可编程控制器发展趋势 可编程程序控制器编程语言的标准化 PLC的网络化 其他趋势(高级话题)PLC的一些高级话题 PLC在整个现代的自动化工厂所处的地位,与工厂的综合自动化(后边展开).PLC,PC,工业PC,(甚至单片机,ARM,DSP,CPLD)有什么区别与联系?如果不仅仅考虑应用那么我们是否可以开发出PLC-国内浙大中控,安控等开发出PLC产品(?思考题).基于PC的软PLC的研究方向与产品(siemense WinAC,研华ADAM-5501/P30等)(作业查资料)在PLC控制系统中所包含的3C(computer,control,communi
7、cation).工厂综合自动化-概貌(ERP-MES-PCS)SAP R/3 Office LAN Ethernet Office LAN Ethernet 工厂工厂 维护维护 工厂工厂 信息信息 PCS 7/OPC-Server Internet/Intranet 工厂优工厂优化先进化先进控制软控制软件包件包 OS-LAN Ethernet OS 客户机客户机/多客户机多客户机 OS-服务器服务器(冗余冗余)批处理批处理 服务器服务器/客户机客户机 服务器服务器 ES SIMATIC PDM Engineering Toolset OS 单站单站(多屏多屏)Industrial Ethern
8、et/Fast Ethernet PROFIBUS-PA ET 200M Fail-Safe DP/PA-Link AS 414 F/FH AS 417 F/FH ET 200M PROFIBUS-DP PROFIBUS-DP COx,NOx,.AS 417 AS 416 AS 414 ET 200M Ex-I/O HART PROFIBUS-DP DP/PA-Link ET 200iS PROFIBUS-PA PROFIBUS-DP OS OP AS 414 H AS 417 H ET 200M PROFIBUS-DP DP/PA-Link PROFIBUS-PA Y-Link COx,NO
9、x,.OS ES PCS 7 启动包启动包 AS 414 工厂综合自动化-简化 ET 200M 标准接口标准接口 MIS,ERP,资产管理资产管理 控制器控制器 S7-400 工业以太网工业以太网 SIMATIC PCS 7 工程师站工程师站 SIMATIC PDM:-PROFIBUS-PA-PROFIBUS-DP-HART PROFIBUS-PA 现场设备现场设备 SIPART PS SITRANS P PROFIBUS-DP 现场总线现场总线 PROFIBUS DP SIPOS 3,5 SIPART DR SIMOVERT SIMOCODE DP/PA-Link ET 200iS 4-20
10、 mA/HART 4-20 mA/HART I/O module 4-20 mA/HART SITRANS F 徐州炼焦气化厂系统配置图 焦炉控制室焦炉控制室 东厂调度室东厂调度室 硫铵控制室硫铵控制室 冷凝控制室冷凝控制室 粗苯控制室粗苯控制室 煤气鼓风机控制室煤气鼓风机控制室 ET200M ET200M ET200M ET200M ET200M ET200M ET200M ET200M OLM 工程师站工程师站 冗余环形工业以太网冗余环形工业以太网 100100 M/SM/S 煤气鼓风机煤气鼓风机 操作站操作站 操作站操作站 操作站操作站 AS-414H 冗余控制站冗余控制站 冗余冗余 P
11、ROFIBUS-DP 光纤光纤 煤塔计量煤塔计量 红外测温红外测温 厂级厂级 管理管理 系统系统 推焦管理推焦管理 操作站操作站 操作站操作站 操作站操作站 操作站操作站 操作站操作站 ET200M ET200M ET200M ET200M ET200M PLC控制所体现的3C 本节的主要内容小结 什么是PLC PLC实现的两大类控制 PLC的由来和历史 主要的PLC PLC的主要特点 PLC控制在整个工厂综合自动化的层次 本课程的重点内容 本课程将以西门子s7-200PLC为例,重点来学习以下内容 PLC的硬件组成和工作原理（难点）PLC的指令系统与编程初步 PLC顺序控制程序设计技术（难点
12、）PLC模拟量控制 PLC在工业过程中应用问题 第2章 PLC的硬件结构与工作原理 2.1PLC的硬件结构 整体式PLC CPU模块，I/O模块和电源模块 在一个箱形机壳内。模块式PLC 1.物理结构 2.CPU模块存储器 随机存储器（随机存储器（RAM）读/写；掉电丢失；工作速度快；只读存储器（只读存储器（ROM）读/不能写，掉电保存 可以电擦除可编程的只读存储器（可以电擦除可编程的只读存储器（EEPROM）读/写；非易失性；随机存取 存储器系统包括：系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序是PLC的操作系统，存在ROM中。用户程序是由用户编写的系统程序。3.I/O模块 输入模块（见图2-3
13、）(1)1M是同一组的输入点的内部电路公共点；(2)内部有RC滤波电路；(3)原理；(4)包括直流输入和交流输出；3.I/O模块 输出模块（见图2-4，2-5）输出模块 数字量输出电路的功率元件包括：小型继电器和场效应管 原理 特点 (1).继电器输出模块电压范围广，承受过载能力强，继电器输出模块电压范围广，承受过载能力强，动作速度慢动作速度慢 (2).场效应管用于直流负载，可靠性高，反应速度快，场效应管用于直流负载，可靠性高，反应速度快，寿命长，过载能力差。寿命长，过载能力差。2.2PLC的工作原理 用触点和线圈实现逻辑运算用触点和线圈实现逻辑运算 1.用触点线圈实现逻辑运算 FRSBKMS
14、BKM+=2)1(PLC的梯形图程序 PLC的工作模式 PLC的工作模式；RUN模式：执行用户程序；模式：执行用户程序；STOP模式：创建和编辑用户程序，设置模式：创建和编辑用户程序，设置PLC的硬件功的硬件功 能，并将用户程序和硬件设置信息下载到能，并将用户程序和硬件设置信息下载到PLC 改变工作模式的方法；用模式开关改变工作方式；用模式开关改变工作方式；用用STEP7-Micro/WIN32软件改变工作方式；软件改变工作方式；在程序中改变工作模式；PLC工作原理 读取输入 执行用户程序 通信处理 CPU自诊断测试 改写输出 中断程序的处理 立即I/O的处理 PLC工作原理 扫描工作方式扫描
15、工作方式 读取输入读取输入(1)过程映像区过程映像区(2)读取过程：读取数字量输入的状态（读取过程：读取数字量输入的状态（ON/OFF)外部输入电路闭合：外部输入电路闭合：过程映像为过程映像为1，梯形图常开触点，梯形图常开触点 接通，常闭触点断开；接通，常闭触点断开；外部输入电路断开：外部输入电路断开：过程映像为过程映像为0，梯形图常开触点，梯形图常开触点 断开，常闭触点接通；断开，常闭触点接通；PLC工作原理 执行用户程序执行用户程序（1）读）读I/O映像寄存器以及其他位元件；映像寄存器以及其他位元件；（2）执行指令，进行逻辑运算（从左到右）执行指令，进行逻辑运算（从左到右,从上到下）；从上
16、到下）；（3）运算结果写入映像寄存器；）运算结果写入映像寄存器；注意注意（1）在程序执行过程中，输入变化不影响结果；）在程序执行过程中，输入变化不影响结果；（2）I/O映像寄存器优点；映像寄存器优点；PLC工作原理 通讯处理通讯处理 处理从通信接口或智能模块接收到信息，读通信数据处理从通信接口或智能模块接收到信息，读通信数据放缓充区；放缓充区；CPU自诊断测试自诊断测试 （1）自动定期检查）自动定期检查CPU模块操作和扩展模块操作；模块操作和扩展模块操作；（2）复位监控程序（看门狗程序）复位监控程序（看门狗程序）改写输出改写输出 将输出过程映像寄存器的将输出过程映像寄存器的0/1状态传送到输出
17、模块状态传送到输出模块并锁存起来并锁存起来 PLC工作原理 中断程序的处理中断程序的处理 中断发生，中断发生，CPU停止正常扫描工作模式，立即执行停止正常扫描工作模式，立即执行中断功能；中断功能；立即立即I/O的处理的处理 直接存取直接存取I/O点；点；（1）立即读）立即读I/O指令读输入点值时，输入过程映像寄指令读输入点值时，输入过程映像寄 存器值不被更新；存器值不被更新；（2）立即写输出点，输出映像更新；）立即写输出点，输出映像更新；PLC工作过程举例 2.0)0.01.0(0.0IQIQ+=PLC工作过程举例 读取阶段读取阶段 CPU将将SB1，SB2的常开触点的的常开触点的ON/OFF
18、读入相应的读入相应的过程映像区。过程映像区。执行用户指令；执行用户指令；修改输出阶段；修改输出阶段；CPU将各输出过程映像寄存器中二进制传送给输出模块并锁存起来。输入输出滞后时间 滞后时间概念滞后时间概念:系统响应时间，系统响应时间，PLC外部输入信号发生变化时刻至它控制的有关外部输入信号发生变化时刻至它控制的有关 外部输入信号发生变化的时刻之间的时间间隔。外部输入信号发生变化的时刻之间的时间间隔。组成组成:滞后时间滞后时间=输入电路滤波时间输入电路滤波时间+输出电路的滞后时间输出电路的滞后时间+扫描工作扫描工作模式的滞后时间模式的滞后时间 各部分分析各部分分析:2.3 S7-200系列CPU
19、 S7-200新产品介绍；CPU模块；数字量扩展模块；模拟量扩展模块与热电偶，热电阻扩展模块；STEP7-Micro/WIN编程软件与显示面板 2.4 PLC的安装 模块的安装与拆卸 本机I/O与扩展I/O的地址分配 S7-200的外部接线与电源的选择；交流电源于直流电源的外部接线 对于感性负载的处理 2.5习题 (1)可编程序控制器主要由、和组成。(2)继电器的线圈“断电”时，其常开触点，常闭触点o (3)外部的输入电路接通时，对应的输入映像寄存器为状态，梯形图中对应的常开触点，常闭触点o (4)若梯形图中输出Q的线圈“断电”，对应的输出映像寄存器为状态，在修改输出阶段后，继电器型输出模块中
20、对应的硬件继电器的线圈，其常开触点，外部负载。2整体式可编程序控制器与模块式可编程序控制器各有什么特点?分别适用于什么场合？3.RAM与EEPROM各有什么特点?使用RAM存储用户程序时应注意什么问题?2.5习题 4.交流数字量输入模块与直流输入模块分别适用于什么场合?5.数字量输出模块有哪几种类型?它们各有什么特点?6.简述可编程序控制器的扫描工作过程。2.5习题 输出寄存器 输入寄存器 处理请求自诊断检查 输出模块 接触器KM 1 0 执行程序 0 1 第3章 PLC的程序设计基础 主要讲解内容 PLC的编程语言与程序结构;存储器的数据类型与寻址方式;PLC编程的基本指令系统;位逻辑指令;
21、定时器指令,计数器指令;传送指令,移位指令等；3.1PLC的编程语言与程序结构 PLC编程语言的国际标准IEC61131-3 顺序功能图（顺序功能图（SFCSFC）：）：分析，设计的基本方法；分析，设计的基本方法；梯形图（梯形图（LAD)LAD)：本门课程的主要方法；本门课程的主要方法；功能块图(FBD)指令表(STL)结构化文本(ST)顺序功能图SFC与梯形图LAD 1.顺序功能图（SFC)顺序功能图是分析，设计数字量控制的基本方法 步，转化，动作是顺序功能图的三种元件。2.梯形图(LAD)梯形图是使用最多的PLC编程语言。触点，线圈 和方框图表示；语句表（STL）S7系列PLC将指令表称为
22、语句表。（1）使用与汇编语言相似的助记符的表达式（2）语句表可以和梯形图相互转化 PLC的程序结构 PLC的程序结构 S7-200CPU的控制程序由主程序，子程序和中断程序组成；主程序：(OB1)每个项目只有一个主程序，在主程序中可以调用子程序和中断程序；子程序：可选的指令的集合，仅在被其他程序调用时执行。中断程序：中断程序不是被主程序调用，他们在中断事件发生时由操作系统调用；3.2存储器数据类型与寻址方式 数据在存储器中存取方式 1.位，字节，双字 2.数据的存取方式 存储器数据类型与寻址方式 CPU的存储区 输入，输出过程映像（I/Q)变量存储器,位存储区（V/M）定时器，计数器，高速计数
23、器（T/C/HC）累加器(AC),特殊寄存器(SM),顺序控制继电器(S)局部存储器(L)模拟量输入，模拟量输出（AI,AQ)常数与字符串的表达格式 常数的表示方法与范围 存储器的寻址方式 直接寻址（只讲此种寻址方式）可以按照字节(B)，字(W)，双字(DW)方式存取V,I,Q,M,S,SM存储器；举例：VB100,VW100(VB100,VB101),VD100(VB100,VB101,VB103,VB104)输出指令与其他指令 输出 立即输出 置位，复位 立即置位，立即复位 其他指令（取反NOT,跳变，空操作）S7-200常见梯形图指令 NOT P N 常开触点 常闭触点 取反 立即常开
24、正跳变 负跳变 立即常闭（）（R ）（RI ）（）（）S（）SI 输出 立即输出 置位 立即置位 复位 立即复位 立即输出立即输出：只能用于输出量（），执行该指令时，将栈顶值立即写入指定 的物理输出位和对应的输出过程映像区 置位与复位置位与复位：从指定的位地址开始的N个位地址都被置位（变为）或复位（变为）；（）（）S（）R 立即置位与立即复位立即置位与立即复位 执行SI或RI指令时，从指定位地址开始的N个连续的物理输出点将被立即 置位或复位，N=1128 该指令只能用于输出量Q，新值被同时写入对应的物理输出点和输出过程映像区 立即触点：立即触点：立即触点指令只能用于输入量I，执行立即触点指令时
25、，立即读入 物理输入点的值，根据该点的值决定触点的接通/断开。立即出点指令并不更新物理输入点对应的输入过程映像区的值（RI ）（）SI 定时器与计数器指令 定时器指令 (1)接通延时定时器接通延时定时器 接通延时定时器（TON）的使能输入端（输入端（ININ）的输入电路接通接通时开始开始 定时。定时。当前值大于等于预置的设定值大于等于预置的设定值时，定时器位变为定时器位变为ONON，梯形图中 对应的定时器的常开触点闭合，常闭触点断开定时器的常开触点闭合，常闭触点断开。达到设定值后，当前值仍然 计数，直到最大值32767 输入电路断开后，定时器自动复位，当前值清零，定时器为变为OFF.d 定时器
26、与计数器指令（2)断开延时定时器指令断开延时定时器指令 断开延时定时器(TOF),用来在IN输入电路断开后延时一段时间后，再使定时 器变为OFF 接在定时器ININ输入端的输入电路接通时，定时器位变为输入端的输入电路接通时，定时器位变为ON,ON,当前值被清零。输入电路断开后，开始定时输入电路断开后，开始定时，当前值从0开始增大。当前值等于设定值，当前值等于设定值，输出位变为输出位变为OFFOFF,当前值保持不变，直到输入电路接通。定时器与计数器指令（3)保持型接通延时定时器保持型接通延时定时器 保持型接通延时定时器的输入电路接通时，开始定时输入电路接通时，开始定时。当前值大于等于当前值大于等
27、于 设定值时，定时器位变为设定值时，定时器位变为ONON，达到设定值后，当前值仍然继续计数直到 达到32767 注意：只能用复位（R）指令来复位，使它当前值变为0，同时使定时器位为 OFF 定时器与计数器指令 计数器指令 (1)加计数器(CTU)当复位输入(R)电路断开，加计数器脉冲输入(CU)电路由断开变化为接通（即CU信号的上升沿），计数器的当前值加1，直至计数最大值32767。当前值大于等于设定值(PV)时，计数器为被置1。当复位输入（R）为ON 或执行复位指令时，计数器被复位，计数器位变为OFF,当前值被清零。定时器与计数器指令 计数器指令 (2)减计数器(CTD)在减计数脉冲的上升沿
28、（从OFF到ON),从设定值开始，计数的当前值 减1，减至0时，停止计数，计数器位被置1。装载输入（LD）为ON时 计数器位被复位，并把设定值装入当前值。定时器与计数器指令 计数器指令 (2)加减计数器(CTD)在加计数脉冲（CU）的上升沿，计数器的当前值加1，在减计数脉冲输入（CD）的上升沿，计数器的当前值减1，当前值大于等于设定值时，计数 器位被置位。当复位输入为ON时，或对计数器执行复位指令时，计数器被 复位。数据传送指令 1.字节,字和实数的传送 这些指令将输入的数据(1N)传送到输出(OUT)，传送过程中不改变数的大小 2.字节,字,双字的块传送指令 块传送指令将从输入地址(1N)开
29、始的N个数据传送到输出地址(OUT)开始的N个单元，N1255，N为字节变量.3.字节交换指令 字节交换SWAP(SwAp Bytes)指令交换输入字(1N)的高字节与低字节。4.字节立即读写指令 字节立即读MOV_BIR(Move Byte lmmediate Read)指令读取IN输入端给出的1个字节的物理输入点(1B)，并将结果写入OUT。字节立即写MOV_BIW(Move Byte lmmediate Write)指令将输入(1N)给出的1字节数值写入OUT端给出的物理输出点(QB)。两条指令的IN和OUT都是字节变量。移位与循环指令 移位指令与循环指令 移位指令将输入IN中的数据的各
30、位向右或向左移动N位后送给输出OUT,移位指令对移出位自动补0 循环移位是环形的，即被移出来的位将返回到另一端空出的位置。定时器与计数器指令 定时器指令 (1)接通延时定时器 接通延时定时器（TON）的使能输入端（输入端（ININ）的输入电路接通接通时开始开始 定时。定时。当前值大于等于预置的设定值大于等于预置的设定值时，定时器位变为定时器位变为ONON，梯形图中 对应的定时器的常开触点闭合，常闭触点断开定时器的常开触点闭合，常闭触点断开。达到设定值后，当前值仍然 计数，直到最大值32767 定时器与计数器指令（2)断开延时定时器指令 断开延时定时器(TOF),用来在IN输入电路断开后延时一段
31、时间后，再使定时 器变为OFF 接在定时器ININ输入端的输入电路接通时，定时器位变为输入端的输入电路接通时，定时器位变为ON,ON,当前值被清零。输入电路断开后，开始定时输入电路断开后，开始定时，当前值从0开始增大。当前值等于设定值，当前值等于设定值，输出位变为输出位变为OFFOFF,当前值保持不变，直到输入电路接通。定时器与计数器指令（2)保持型接通延时定时器 保持型接通延时定时器的输入电路接通时，开始定时输入电路接通时，开始定时。当前值大于等于当前值大于等于 设定值时，定时器位变为设定值时，定时器位变为ONON，达到设定值后，当前值仍然继续计数直到 达到32767 定时器与计数器指令 计
32、数器指令 (1)加计数器(CTU)当复位输入(R)电路断开，加计数器脉冲输入(CU)电路由断开变化为接通（即CU信号的上升沿），计数器的当前值加1，直至计数最大值32767。当前值大于等于设定值(PV)时，计数器为被置1。当复位输入（R）为ON 或执行复位指令时，计数器被复位，计数器位变为OFF,当前值被清零。定时器与计数器指令 计数器指令 (2)减计数器(CTD)在减计数脉冲的上升沿（从OFF到ON),从设定值开始，计数的当前值 减1，减至0时，停止计数，计数器位被置1。装载输入（LD）为ON时 计数器位被复位，并把设定值装入当前值。定时器与计数器指令 计数器指令 (2)加减计数器(CTD)
33、在加计数脉冲（CU）的上升沿，计数器的当前值加1，在减计数脉冲输入（CD）的上升沿，计数器的当前值减1，当前值大于等于设定值时，计数 器位被置位。当复位输入为ON时，或对计数器执行复位指令时，计数器被 复位。数据传送指令 1.字节,字和实数的传送 这些指令将输入的数据(1N)传送到输出(OUT)，传送过程中不改变数的大小 2.字节,字,双字的块传送指令 块传送指令将从输入地址(1N)开始的N个数据传送到输出地址(OUT)开始的N个单元，N1255，N为字节变量.3.字节交换指令 字节交换SWAP(SwAp Bytes)指令交换输入字(1N)的高字节与低字节。4.字节立即读写指令 字节立即读MO
34、V_BIR(Move Byte lmmediate Read)指令读取IN输入端给出的1个字节的物理输入点(1B)，并将结果写入OUT。字节立即写MOV_BIW(Move Byte lmmediate Write)指令将输入(1N)给出的1字节数值写入OUT端给出的物理输出点(QB)。两条指令的IN和OUT都是字节变量。移位与循环指令 移位与循环指令 移位与循环指令 移位与循环指令 第4章 梯形图程序设计方法 24V24V I0.1I0.1 I0.0I0.0 COMCOM Q0.0Q0.0 COMCOM KMKM SB2SB2 SB1SB1 220V220V 4.1.1梯形图的基本电路梯形图的基本电路 1.起动保持和停止电路起动保持和停止电路 2.延时接通延时接通/短开电路短开电路 3.闪烁电路闪烁电路