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1、会计学1模块一模块一plc应用基础知识应用基础知识课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n学习目标学习目标n n1.了解可编程序控制器的产生和发展。n n2.掌握PLC的应用场合。n n3.了解常用的PLC。下一页返回第1页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n知识学习知识学习n n一、可编程序控制器的产生一、可编程序控制器的产生n n 上世纪60年代，计算机技术已开始应用于工业控制了。但由于计算机技术本身的复杂性，编程难度高、难以适应恶劣的工业环境以及价格昂贵等原因，未能在工业控制中广泛应用。当时的工业控制，主要还是以继电器接触器组成控制系统。上一页下一页返回第2页
2、/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n 1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车制造公司（GM），为适应汽车型号的不断翻新，试图寻找一种新型的工业控制器，以尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件及接线、减少时间，降低成本。因而设想把计算机的完备功能、灵活及通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种适合于工业环境的通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用“面向控制过程，面向对象”的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。即：硬件减少，软件灵活、简单，针对上述设想，通用汽车公司提出了这种新型控制器所
3、必须具备的十大条件：上一页下一页返回第3页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n1.编程简单，可在现场修改程序;n n2.维护方便，最好是插件式;n n3.可靠性高于继电器控制柜;n n4.体积小于继电器控制柜;n n5.可将数据直接送入管理计算机;n n6.在成本上可与继电器控制柜竞争;n n7.输入可以是市电;n n8.输出可驱动市电2A以下的负荷，可直接驱动电磁阀;n n9.在扩展时，原有系统只要很少变更;n n10.用户程序存储器容量至少能扩展到4K字节。上一页下一页返回第4页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n 1969年，美国数字设备公司（
4、GEC）首先研制成功第一台可编程序控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面。接着，美国MODICON公司也开发出可编程序控制器084。1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台可编程序控制器DSC-8。1973年，西欧国家也研制出了他们的第一台可编程序控制器。目前世界上众多的PLC生产厂家中，比较著名的公司有美国的罗克韦尔公司、哥德公司、TI公司、通用电气公司，德国的西门子公司，日本的三菱公司、东芝公司、富士公司和立石公司等，它们的产品控制着世界上大部分的PLC市场。上一页下一页返回第5页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述
5、n n 我国从1974年开始研制，1977年开始工业应用。早期的可编程序控制器是为取代继电器控制线路、存储程序指令、完成顺序控制而设计的。主要用于：逻辑运算和计时、计数等顺序控制，均属开关量控制。所以，通常称为可编程序逻辑控制器（PLCProgrammable Logic Controller）。进入70年代，随着微电子技术的发展，PLC采用了通用微处理器，这种控制器就不再局限于当初的逻辑运算了，功能不断增强。因此，实际上应称之为PLC可编程序控制器。至80年代，随大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到了惊人的发展。使PLC在概念、设计、性能
6、、价格以及应用等方面都有了新的突破。不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PLC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。上一页下一页返回第6页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n二、可编程序控制器的定义二、可编程序控制器的定义n n 可编程序控制器一直在发展中，所以至今尚未对其下最后的定义。国际电工学会（IEC）曾先后于1982.11、1985.1和1987.2发布了可编程序控制器标准草案的第一、二、三稿。在第三稿中，对PLC作了如下定义：
7、可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，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，并通过数字的，模拟的输入和输出，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的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。上一页下一页返回第7页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n定义强调了PLC是：n n1.数字运算操作的电子系统也是一种计算机。n n2.专为在工业环境下应用而设计。n n3.面向用户指令编程方便。n n4.逻辑运算、顺序控制、定时计算和算术操作。n
8、 n5.数字量或模拟量输入输出控制。n n6.易与控制系统联成一体。n n7.易于扩充。上一页下一页返回第8页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n三、三、可编程序控制器的特点可编程序控制器的特点n n为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，PLC机有以下特点：n n1.可靠性高，抗干扰能力强n n工业生产对控制设备的可靠性要求：n n（1）平均故障间隔时间长n n（2）故障修复时间（平均修复时间）短，任何电子设备产生的故障，通常为两种：n n 1）偶发性故障。由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。这类故障，只要不引起系统部件的损坏
9、，一旦环境条件恢复正常，系统也随之恢复正常。但对PLC而言，受外界影响后，内部存储的信息可能被破坏。上一页下一页返回第9页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n 2）永久性故障。由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。如果能限制偶发性故障的发生条件，如果能使PLC在恶劣环境中不受影响或能把影响的后果限制在最小范围，使PLC在恶劣条件消失后自动恢复正常，这样就能提高平均故障间隔时间；如果能在PLC上增加一些诊断措施和适当的保护手段，在永久性故障出现时，能很快查出故障发生点，并将故障限制在局部，就能降低PLC的平均修复时间。为此，各PLC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，
10、使PLC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使PLC具有了很强的抗干扰能力。上一页下一页返回第10页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n硬件措施：n n 主要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作由无触点的电子存储器完成，I/O系统设计有完善的通道保护和信号调理电路。n n 屏蔽对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。n n 滤波对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，如LC或型滤波网络，以消除或抑制高频干扰，也削弱了各种模块之间的相互影响。上一页下一页返回第11页/共174页课
11、题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n 电源调整与保护对微处理器这个核心部件所需的+5V电源，采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。n n 隔离在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效地隔离I/O接口与CPU之间电的联系，减少故障和误动作；各I/O口之间亦彼此隔离。n n 采用模块式结构这种结构有助于在故障情况下短时修复。一旦查出某一模块出现故障，能迅速更换，使系统恢复正常工作；同时也有助于加快查找故障原因。上一页下一页返回第12页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n软件措施：n n 有极强的自检及保护功能。
12、n n 故障检测软件定期地检测外界环境，如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等，以便及时进行处理。n n 信息保护与恢复当偶发性故障条件出现时，不破坏PLC内部的信息。一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续原来的程序工作。所以，PLC在检测到故障条件时，立即把现状态存入存储器，软件配合对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何操作，以防存储信息被冲掉。上一页下一页返回第13页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n 设置警戒时钟WDT（看门狗）如果程序每循环执行时间超过了WDT规定的时间，预示了程序进入死循环，立即报警。n n 加强对程序的检查和校验一旦程序有错，立即报警，并停
13、止执行。n n 对程序及动态数据进行电池后备停电后，利用后备电池供电，有关状态及信息就不会丢失。n n PLC的出厂试验项目中，有一项就是抗干扰试验。它要求能承受幅值为1000V，上升时间1nS，脉冲宽度为1S的干扰脉冲。一般，平均故障间隔时间可达几十万上千万小时；制成系统亦可达45万小时甚至更长时间。上一页下一页返回第14页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n2.通用性强，控制程序可变，使用方便n n PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变P
14、LC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。n n3.功能强，适应面广 n n 现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。上一页下一页返回第15页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n4.编程简单，容易掌握n n 目前，大多数PLC仍采用继电器控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接
15、受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。n n PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。上一页下一页返回第16页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n5.减少了控制系统的设计及施工的工作量n n 由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、
16、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实训室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。n n6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便n n PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑、坚固、体积小、重量轻、功耗低。以三菱公司的F1-40M型PLC为例：其外型尺寸仅为305110110mm，重量2.3kg，功耗小于25VA；而且具有很好的抗振、适应环境温、湿度变化的能力。现在三菱公司又有FX系列PLC，与其超小型品种F1系列相比：面积为47%,体积为36%，在系统的配置上
17、既固定又灵活，输入输出可达24128点。上一页下一页返回第17页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n三、可编程序控制器的应用三、可编程序控制器的应用n n 随着PLC的性能价格比的不断提高：微处理器的芯片及有关的元件价格大大降低，PLC的成本下降；PLC的功能大大增强，因而PLC的应用日益广泛。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保等各行各业。其应用范围大致可归纳为以下几种：n n 1.开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域。它取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制。开关量的逻辑控制
18、可用于单机控制，也可用于多机群控，亦可用于自动生产线的控制等等。上一页下一页返回第18页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n 2.运动控制PLC可用于直线运动或圆周运动的控制。早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机械，现在一般使用专用的运动模块。目前，制造商已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。即：把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴或多轴到目标位置。当每个轴运动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。运动的程序可用PLC的语言完成，通过编程器输入。n n 3.闭环过程控制PLC通过模拟量的I/O模块实现模拟量与数字量的A/
19、D、D/A转换，可实现对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的PID控制。上一页下一页返回第19页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n 4.数据处理现代的PLC具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算），数据传递、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。数据处理一般用在大中型控制系统中；具有CNC功能：把支持顺序控制的PLC与数字控制设备紧密结合。n n 5.通讯连网PLC 的通讯包括PLC与PLC之间、PLC与上位计算机之间和它的智能设备之间的通讯。PLC和计算机之间具有RS-232接口，用双绞线、同轴电缆将它们连成网络，以实现信息的交换。还可以构
20、成“集中管理，分散控制”的分布控制系统。I/O模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后利用网络联结构成集中管理信息的分布式网络系统。n n 并不是所有的PLC都具有上述的全部功能，有的小型PLC只具备上述部分功能，但价格比较便宜。上一页下一页返回第20页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n四、可编程序控制器的分类四、可编程序控制器的分类n n 由于PLC的品种、型号、规格、功能各不相同，要按统一的标准对它们进行分类十分困难。通常，按I/O点数可划分成大、中、小型三类；按功能强弱又可分为低档机、中档机和高档机三类。n n 一般，按I/O点数分类如下：n n 1.小型PLC
21、I/O点数 2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量816K。如：n nS7-400 德国西门子公司n nGE-GE公司n nC-2000 立石公司n nK3 三菱公司等上一页下一页返回第24页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n五、可编程序控制器的发展五、可编程序控制器的发展n n1.国外PLC发展概况 n n PLC自问世以来，经过40多年的发展，在美、德、日等工业发达国家已成为重要的产业之一。世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断翻新。产量产值大幅度上升而价格则不断下降。n n 目前，世界上有200多个厂家生产PLC，较有名的：美国：AB
22、通用电气、莫迪康公司；日本：三菱、富士、欧姆龙、松下电工等；德国：西门子公司；法国：TE 施耐德公司；韩国：三星、LG公司等。上一页下一页返回第25页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n技术发展动向n n 1）产品规模向大、小两个方向发展。n n 大：I/O点数达14336点、32位为微处理器、多CPU并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化。n n 小：由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本。n n 2）PLC在闭环过程控制中应用日益广泛。n n 3）不断加强通讯功能。n n 4）新器件和模块不断推出。n n 高档的PLC除了主要采用CPU以提高处
23、理速度外，还有带处理器的EPROM或RAM的智能I/O模块、高速计数模块、远程I/O模块等专用化模块。上一页下一页返回第26页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n 5）编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化。n n 有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的PLC指令系统。n n 6）发展容错技术。n n 采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。n n 7）追求软硬件的标准化。上一页下一页返回第27页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n2.国内发展及应用概况 n n 我国研制与应用PLC较晚，在
24、20世纪70年代末和80年代初，我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外的PLC。1974年，中国研制出第一台PLC。我国的PLC产品的研制和生产经历了三个阶段：顺序控制器（19731979）一位处理器为主的工业控制器（19791985）8位微处理器为主的可编程序控制器（1985以后）。在对外开放政策的推动下，国外PLC产品大量进入我国市场，一部分随成套设备进口。如宝钢一、二期工程就引进了500多套，还有咸阳显象管厂、秦皇岛煤码头、汽车厂等。现在，PLC在国内的各行各业也有了极大的应用，技术含量也越来越高。上一页下一页返回第28页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n 国
25、内开始研制PLC产品是上世纪70年代中期，当时上海、北京、西安、广州和长春等地的不少科研单位、大专院校和工厂，总计20多家单位都在研制和生产PLC（绝大多数都是小型PLC）。特别值得一提的是国家科委和原机械工业部在仪器仪表重点课题攻关专项中组织了“六五”、“七五”、“八五”的可编程序控制器子项攻关，由部属北京机械工业自动化研究所负责，先后研制开发了MPC-10、MPC-20、MPC-85型PLC。这几种型号的PLCI/O点数为256512，并可扩展到1024点，开创了国内研制大型PLC的先河，先后在注塑机、恒温室、锅炉控制、汽车压力机生产线上获得了应用。这些项目有自动开发的操作系统、工业控制编
26、程语言并具有与上位机、HMI连网和通信等功能。上一页下一页返回第29页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n 当时国内研制开发的PLC产品由于缺乏资金、后续研制力量不足及生产技术相对落后等原因，没有形成批量工业化生产，因而被国外产品淘汰而纷纷消失。可喜的是在90年代，由于PLC应用不断深入，国内又掀起研制PLC的高潮，虽然仍是小型PLC，批量亦不大，但其功能、质量和可靠性比70年代的产品有明显的提高。其代表产品如：南京冠德科技有限公司（原江苏嘉华实业有限公司PLC工厂）的JH200系列PLC，I/O为12120点，具有高速计数器和模拟量功能；杭州新箭电子有限公司的D系列PL
27、C，D20P的I/O点数为20点，D100的I/O点可从40120点；兰州全志电子有限公司的RD系列小型PLC很有特点，RD100型PLC的I/O点9/4点，2点模拟量输入，而RD200型PLC的I/O为2040点，扩展的功能有编码盘测速、热电偶测温和模拟量I/O，RD200型PLC最多可32台连网，并能与上位PLC机进行实时通信。上一页下一页返回第30页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n 为了尽快提升我国PLC的技术水平，引进PLC的先进生产技术，中外合资或外商独资企业在国内开始批量生产PLC。西门子公司首先在大连开办PLC生产企业；欧姆龙公司在上海生产的PLC远销海
28、内外；中日合资后又成独资的江苏无锡光洋电子有限公司的PLC已有小、中、大系列产品。中外合资、引进技术，使国产PLC上了一个新的台阶。n n 特别是近几年，国产PLC有了更新的产品。北京和利时系统工程股份有限公司推出的FOPLC有小型、中型、大型。该公司推出的HOLIiAS-LECG3新一代高性能的小型PLC有14点（8/6）、24点（14/10）、40点（24/16）三个规格，基本指令的执行时间为0.6微秒。程序存储器的容量为52K。为方便用户选用，该公司开发了19种、35个不同规格的I/O扩展模块，G3型PLC可最多扩展7个模块，I/O最大可到264点。G3系列PLC有符合IEC61131-
29、3的5种编程语言，编程软件具有超强的计算功能，如其他小型PLC所不具备的64位浮点数运算、优化的PID可同时处理有十几个模拟量的多个闭环回路。上一页下一页返回第31页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n G3系列PLC具有极强的通信功能，有集于CPU模块的标准Modbus协议、专有协议和自由协议的通信接口。通过该接口可方便的挂到Profibus等总线上去。该公司的FOPLC中型机，开关量I/O为256点；内置TCP/IP通信接口，很容易接入管理网；配有Profibus-DP现场总线的主站、从站和远程I/O都通过ISO9001严格的质量保证体系认证。FOPLC编程语言符合I
30、EC61131-3标准。n n 深圳德维森公司开发的基于PLC的软PLCTOMC系列，其特点是符合IEC61131-3国际标准的编程语言，允许梯形图、顺序功能图和功能块图混合编程；用户可开发基于内置PLC资源的C语言和定义功能块，通过以太网、TCP/IP与上位机联网。TOMC1软PLC可连接最多32个本地I/O模块，最多15个远程站，每个远程站可带32个I/O点。上一页下一页返回第32页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n 在90%的国内PLC市场由国外PLC产品占领的今天，国产PLC能脱颖而出，并具有和国外同类产品进行竞争的能力，相信不久的将来，国产PLC将占市场更大份
31、额。n n PLC的应用领域目前不断扩大，并延伸到过程控制、批处理、运动和传动控制、无线电遥控以至实现全厂的综合自动化。PLC的技术发展除了小型化、超高速，大容量存储器，多CPU，多任务并行运行外，PLC的开放性更大，通信联网能力更强，集成化软件更优。标准化的IEC61131-3PLC编程语言已被众多PLC厂商所接受，其推广速度越来越快。软PLC的应用范围将更广。上一页下一页返回第33页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n拓展知识拓展知识n n 本课题的拓展内容：常用的PLC控制器n n 随着PLC市场的不断扩大，PLC生产已经发展成为一个庞大的产业，其主要厂商集中在一些
32、欧美国家及日本。美国与欧洲一些国家的PLC在相互隔离的情况下独立研究开发的，产品有比较大的差异；日本的PLC是从美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性。另外，日本的主推产品定位在小型PLC上；而欧美则以大、中型PLC为主。上一页下一页返回第34页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n1.美国的PLC产品n n 美国有100多家PLC制造商，著名的PLC制造商有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司、德州（TI）仪器、西屋公司等。其中A-B公司的产品规格齐全、种类丰富，其主推的产品为大、中型的PLC-5系列。该系列为模块式结构，CPU模块为中型的
33、PLC有PLC-5/10、PLC-5/12、PLC-5/14、PLC-5/25；CPU模块为大型的PLC有PLC-5/11、PLC-5/20、PLC-5/30、PLC-5/40、PLC-5/60。A-B公司的小型机产品有SLC-500系列等。n n GE公司的代表产品是GE-GE-GE-等系列，分别为小型机、中型机及大型机，GE-/P最多可配置4000个I/O点。TI公司的小型机产品有510、520等，中型机有5TI等，大型机有PM550、530、560、565等系列。MODICON公司生产M84系列小型机、M484系列中型机、M884是增强中型机，具有小型机的结构、大型机的控制功能。上一页下
34、一页返回第35页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n2.欧洲的PLC产品n n 德国的西门子（SIEMENS）公司，AEG公司和法国的TE公司是欧洲著名的PLC制造商。德国西门子公司的电子产品以性能精良而久负盛名。在大、中型PLC产品领域与美国的A-B公司齐名。n n 西门子公司的PLC的主要产品有S5及S7系列，其中S7系列是近年来开发的代替S5系列的新产品。S7系列含S7-200、S7-300、S7-400系列。其中S7-200是微型机，S7-300是中型机、小型机，S7-400大型机。S7系列机性价比较高，近年来在中国市场的占有份额有不断上升之势。上一页下一页返回第
35、36页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n3.日本的PLC产品n n 日本的PLC产品在小型机领域颇具盛名。某些用欧美中型或大型机才能实现的控制，日本小型机就可以解决。日本有许多PLC制造商，如三菱、欧姆、松下、富士、日立、东芝等。在世界小型机市场上，日本的产品约占70%的份额。上一页下一页返回第37页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n 三菱公司的PLC是较早进入中国市场的产品。其小型机F1/F2系列是F系列的升级产品，早期在我国的销量也不小。F1/F2系列加强了指令系统，增加了特殊功能单元和通信功能，比F系列有了更强的控制能力。继F1/F2系列之
36、后，20世纪80年代末，三菱公司又推出了FX系列，在容量、速度、特殊功能，网络功能的方面都有加强。FX2系列是在20世纪90年代推出的高功能的整体式小型机，它配有各种通信适配器和特殊功能单元。FX2N系列是近几年推出的高功能的整体式小型机，它是FX2系列的换代产品。近年来三菱公司还推出了满足不同要求的微型机PLC，如FX0S、FX1S、FX0N、FX1N等系列的产品。本书以三菱FX2N系列机型介绍PLC的应用技术。上一页下一页返回第38页/共174页课题一课题一 PLC控制器概述控制器概述n n 欧姆龙(OMRON)公司的PLC产品，大、中、小、微型规格齐全。微型机以SP系列为代表；小型机有P
37、型、H型、CPM1A、CPM2A系列机CPM2C、CQM1系列等；中型机有C200H、C200HS、C200HX、C200HG、C200HE及CS1等系列。n n 松下公司的PLC产品中，FP0为微型机；FP1为整体式小型机；FP3为中型机；FP5/FP10、FP10S、FP20为大型机。上一页返回第39页/共174页课题二课题二 PLC的基本组成和工作的基本组成和工作原理原理n n学习目标学习目标n n1.了解PLC的基本组成。n n2.掌握PLC的工作原理。下一页返回第40页/共174页课题二课题二 PLC的基本组成和工作的基本组成和工作原理原理n n知识学习知识学习n n一、一、PLCP
38、LC的基本组成的基本组成n n 目前PLC种类繁多，功能和指令体系也各不相同，但都是以微处理器为核心，所以其结构和工作原理大致相同，可编程控制器的本质是工业控制专用计算机。它的软、硬件配置与计算机极为类似。主要包括中央处理单元（CPU模块）、存储器 ROM和RAM、输入输出模块、电源I/O扩展接口、外部设备接口等，如图1-2-1所示。上一页下一页返回第41页/共174页课题二课题二 PLC的基本组成和工作的基本组成和工作原理原理n n1中央处理器 中央处理器(CPU)由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。CPU通过数据总线、地址总线、控制总线和电源总线与存储器、输入输出接口、编程器和
39、电源相连接。小型PLC的CPU采用8位或16位微处理器或单片机，如8031、M68000等，这类芯片价格很低；中型PLC的CPU采用16位或32位微处理器或单片机，如8086、96系列单片机等，这类芯片主要特点是集成度高、运算速度快且可靠性高；而大型PLC则需采用高速位片式微处理器。CPU按照PLC内系统程序赋予的功能指挥PLC控制系统完成各项工作任务。上一页下一页返回第42页/共174页课题二课题二 PLC的基本组成和工作的基本组成和工作原理原理n n2.存储器 PLC内的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和数据等。（1）系统程序存储器 PLC系统程序决定了PLC的基本功能，该部分程序由P
40、LC制造厂家编写并固化在系统程序存储器中，主要有系统管理程序、用户指令解释程序和功能程序与系统程序调用等部分。系统管理程序主要控制PLC的运行，使PLC按正确的次序工作；用户指令解释程序将PLC的用户指令转换为机器语言指令，传输到CPU内执行；功能程序与系统程序调用则负责调用不同的功能子程序及其管理程序。上一页下一页返回第43页/共174页课题二课题二 PLC的基本组成和工作的基本组成和工作原理原理n n 系统程序属于需长期保存的重要数据，所以其存储器采用ROM或EPROM。ROM是只读存储器，该存储器只能读出内容，不能写入内容，ROM具有非易失性，即电源断开后仍能保存已存储的内容。EPERO
41、M为可电擦除只读存储器，须用紫外线照射芯片上的透镜窗口才能擦除已写入内容，可电擦除可编程只读存储器还有E2PROM、FLASH等。上一页下一页返回第44页/共174页课题二课题二 PLC的基本组成和工作的基本组成和工作原理原理n n（2）用户程序存储器 用户程序存储器用于存放用户载入的PLC应用程序，载入初期的用户程序因需修改与调试，所以称为用户调试程序，存放在可以随机读写操作的随机存取存储器RAM内以方便用户修改与调试。通过修改与调试后的程序称为用户执行程序，由于不需要再作修改与调试，所以用户执行程序就被固化到EPROM内长期使用。上一页下一页返回第45页/共174页课题二课题二 PLC的基
42、本组成和工作的基本组成和工作原理原理n n（3）数据存储器 PLC运行过程中需生成或调用中间结果数据(如输入/输出元件的状态数据、定时器、计数器的预置值和当前值等)和组态数据(如输入输出组态、设置输入滤波、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组态等)，这类数据存放在工作数据存储器中，由于工作数据与组态数据不断变化，且不需要长期保存，所以采用随机存取存储器RAM。RAM是一种高密度、低功耗的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源，一旦断电就可通过锂电池供电，保持RAM中的内容。上一页下一页返回第46页/共174页课题二课题二 PLC的基本
43、组成和工作的基本组成和工作原理原理n n 3.输入/输出模板n n 输入(Input)和输出(Output)模板简称 I/O模块，PLC通过此模块实现与外围设备的连接，它是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的接口，也是联系外部现场和CPU模块的重要桥梁。n n 输入模块用来接收和采集输入信号，输入信号有两类：一类是由按钮开关、行程开关、数字拨码开关、接近开关、光电开关、压力继电器等提供的开关量输入信号；另一类是从电位器、热电、测速电机、各种变送器送来的连续变化的模拟量输入信号。输入模块还需将这些各式各样的电平信号转换成CPU能够接收和处理的数字信号。上一页下一页返回第47页/共174
44、页课题二课题二 PLC的基本组成和工作的基本组成和工作原理原理n n 输出模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场的执行部件能接收的信号，控制接触器、电磁阀、调节阀、调速装置，控制的另一类负载是指示灯、数字显示器和报警装置等。n n 数字量（包括开关量）输入、输出模块，主要的问题是隔离问题，需实现现场与可编程控制器电气上的隔离，从而保持系统工作的可靠性。模拟量输入、输出模块，主要问题是模/数转换与数/模转换的问题，电气隔离也是不可缺少的。上一页下一页返回第48页/共174页课题二课题二 PLC的基本组成和工作的基本组成和工作原理原理n n（1）开关量I/O模块的外部接线方式
45、n n 开关量I/O模块输入信号只有接通和断开两种状态。电压等级有直流5V，12V，24V，48V，110V 和交流110V，220V 等。n n 各输入/输出点的通/断状态用发光二极管显示，外部接线一般接在模块面板的接线端子上。某些模块使用可拆装的插座式端子板，不需要断开端子板上的外部接线，即可迅速地更换模块。n n 开关量输入/输出模块的点数一般是2 的n次方，如4、8、16、32点。上一页下一页返回第49页/共174页课题二课题二 PLC的基本组成和工作的基本组成和工作原理原理n n 开关量输入/输出模块的外部接线方式有汇点式、分组式和分隔式，如图1-2-2所示。n n 汇点式模块的所有
46、输入、输出电路只有一个公共点，且共用一个电源。n n 分组式模块的输入/输出点分为若干组，每一组的各输入/输出电路有一个公共点，它们共用一个电源。各组之间是隔开的，也可分别使用不同的电源。n n 分隔式模块的各输入/输出点之间相互隔离，每个输入/输出点可使用单独的电源，如将它们的COM端连接起来，这几个点就可以使用同一电源。上一页下一页返回第50页/共174页课题二课题二 PLC的基本组成和工作的基本组成和工作原理原理n n（4）输入模块的电路结构n n 输入电路中设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起错误的输入信号。滤波电路输入电流为510mA,滤波延迟时间的典型值为10
47、20ms（信号上升沿）和 2050ms（信号下降沿）。输入电路一般有三种类型，关键是电气隔离。n n 直流输入模块的内部电路和外部接线图如图1-2-3所示（为说明问题，以后各图只画出一路输入和输出，COM是公共点。图中的输入触点直接接在公共点和输入端 X001之间，n n 不需要外接输入回路的电源（PLC内部有自带24V电源）。有的可编程控制器还可以为接近开关、光电开关之类的传感器提供24V直流电源，如图1-2-3所示。上一页下一页返回第51页/共174页课题二课题二 PLC的基本组成和工作的基本组成和工作原理原理n n 当上图中的外接触点接通时，传感器输出信号（接通），经电阻串联分压后形成稳
48、定电压，使光电隔离器的发光二极管亮，光电三极管导通；外接触点断开时，光电隔离器中的发光二极管熄灭，光电三极管截止，信号经内部电路形成适合CPU需要的标准信息。n n 交流/直流输入电路如图1-2-4所示，输入触点接通，输入信号被限流电阻降压后，再经滤波整流，交流电压或直流电压信号被转换为直流电流，经过发光二极管送给光电隔离器。另外，交流信号输入也可采用双向发光二极管来保证信号连续，如图1-2-4所示，显示用的两个发光二极管也是反向并联的。此电路可接收交流信号与直流信号。上一页下一页返回第52页/共174页课题二课题二 PLC的基本组成和工作的基本组成和工作原理原理n n（3）输出模块输出方式n
49、 n 可编程控制器的输出方式按负载使用电源（即用户电源）来分，有直流输出、交流输出和交直流输出三种方式；按输出开关器件的种类来分，有晶体管、晶闸管和继电器三种输出方式。输出电流典型值为0.52A，负载电源由外部现场提供。n n 输出电流的额定值与负载性质有关，如某端子输出可驱动AC220V/2A的电阻性负载，但只能驱动AC220V/80VA的电感性负载和100W的白灯；额定输出电流还与温度有关。上一页下一页返回第53页/共174页课题二课题二 PLC的基本组成和工作的基本组成和工作原理原理n n 继电器输出方式电路如图1-2-5所示，它可带直流负载也可带交流负载，电源由用户提供。继电器同时起隔
50、离和功率放大作用，每一路只提供一对常开触点。与触点并联的RC电路和压敏电阻用来消除触点断开时产生的电弧。n n 晶体管输出电路如图1-2-6所示，只能带直流负载，直流电源由用户提供。输出信号经光电隔离器送给输出晶体管，晶体管的饱和导通和截止状态相当于触点的接通和断开。稳压管用来消除关断过电压和外部的浪涌电压，以保护晶体管。上一页下一页返回第54页/共174页课题二课题二 PLC的基本组成和工作的基本组成和工作原理原理n n 双向可控硅输出电路如图1-2-7 所示，只能带交流负载（属于交流输出方式），交流电源由用户提供。输出信号经光电隔离器控制双向可控硅。RC电路和压敏电阻用来消除可控硅的关断过