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1、电气控制及PLC（第三章）江南大学江南大学江南大学江南大学物联网工程学院第第3章章 可编程控制器基础可编程控制器基础 u了了解解可可编编程程控控制制器器产产生生的的背背景景、特特点点、性能指标以及今后的发展方向性能指标以及今后的发展方向u掌握掌握可编程控制器的可编程控制器的硬件组成硬件组成形式形式 u熟悉可编程控制器的熟悉可编程控制器的软件及工作过程软件及工作过程 学习目标：学习目标：教学内容：教学内容：3.1 可编程控制器概述可编程控制器概述 3.2 可编程控制器的可编程控制器的组成组成 3.3 可编程控制器的可编程控制器的工作原理工作原理 3.4 可编程控制器的硬件基础可编程控制器的硬件基
2、础 3.5 可编程控制器的软件基础可编程控制器的软件基础 3.6 可编程控制器的性能指标及分类可编程控制器的性能指标及分类 第第3章章 可编程控制器基础可编程控制器基础 3.1 可编程控制器概述可编程控制器概述u可编程控制器的英文名称是可编程控制器的英文名称是Programmable Controller，早期简称，早期简称PC，后来为了与个人，后来为了与个人计算机（计算机（PC）区分，在行业中多称之为）区分，在行业中多称之为Programmable Logic Controller，即可编程，即可编程逻辑控制器，简称逻辑控制器，简称PLC，而这种称呼又与可，而这种称呼又与可编程控制器的起源和
3、它本身的特点有关。编程控制器的起源和它本身的特点有关。返回返回3.1.1 可编程控制器的产生与发展可编程控制器的产生与发展 u美国数字设备公司（美国数字设备公司（DEC）根据提出）根据提出10项指标，项指标，于于1969年研制出第一台控制器，型号为年研制出第一台控制器，型号为PDP-14，它的开创性意义在于引入了程序控制功能，为计它的开创性意义在于引入了程序控制功能，为计算机技术在工业控制领域的应用开辟了空间。算机技术在工业控制领域的应用开辟了空间。u至上世纪至上世纪70年代，年代，PLC技术已经进入成熟期。推技术已经进入成熟期。推动动PLC技术发展的动力主要来自于两个方面：其技术发展的动力主
4、要来自于两个方面：其一是企业对高性能、高可靠性自动控制系统的客一是企业对高性能、高可靠性自动控制系统的客观需要和追求；其次，大规模及超大规模集成电观需要和追求；其次，大规模及超大规模集成电路技术的飞速发展，微处理器性能的不断提高，路技术的飞速发展，微处理器性能的不断提高，为为PLC技术的发展奠定了基础并开拓了空间技术的发展奠定了基础并开拓了空间。返回返回3.1.2 可编程控制器的特点可编程控制器的特点 u可编程控制器的产生是基于工业控制的需要，是可编程控制器的产生是基于工业控制的需要，是面向工业控制领域的专用设备，它具有以下面向工业控制领域的专用设备，它具有以下特点特点：CPU的的可靠性可靠性
5、高，高，抗干扰抗干扰能力强；能力强；灵活性强灵活性强，控制系统具有良好的，控制系统具有良好的柔性柔性；编程编程简单简单，使用，使用方便方便；控制系统控制系统易于实现易于实现，开发工作量少，周期短；，开发工作量少，周期短；维修方便；维修方便；体积小，能耗低；体积小，能耗低；功能强，性能价格比高功能强，性能价格比高。3.2 可编程控制器的组成可编程控制器的组成uPLCPLC的基本组成部件如下图所示：的基本组成部件如下图所示：返回返回3.2.1 中央处理单元（中央处理单元（CPUCPU）u中央处理单元是中央处理单元是PLC的核心部件，负责完成逻辑的核心部件，负责完成逻辑运算、数字运算以及协调系统内各
6、部分的工作。运算、数字运算以及协调系统内各部分的工作。它在系统程序的管理下运行，主要功能有它在系统程序的管理下运行，主要功能有：接受并存储由编程器键入的用户程序和数据；接受并存储由编程器键入的用户程序和数据；诊断电源故障以及用户程序的语法错误；诊断电源故障以及用户程序的语法错误；读取输入状态和数据并存储到相应的存储区；读取输入状态和数据并存储到相应的存储区；读读取取用用户户程程序序指指令令，解解释释执执行行用用户户程程序序，完完成成逻逻辑辑运运算算、数数字字运运算算、数数据据传传递递等等任任务务，刷刷新新输出映像，将输出映像内容送至输出单元。输出映像，将输出映像内容送至输出单元。返回返回3.2
7、.2 存储器单元存储器单元uPLCPLC的存储器单元分成两个部分：的存储器单元分成两个部分：系系统统程程序序存存储储器器：用用于于存存放放PLCPLC生生产产厂厂家家编编写写的的系系统统程程序序，系系统统程程序序在在出出厂厂时时已已经经被被固固化化在在PROMPROM或或EPROMEPROM中。中。用用户户程程序序存存储储器器：可可分分为为程程序序存存储储区区和和数数据据存存储储区区，程程序序存存储储器器用用于于存存放放用用户户编编写写的的控控制制程程序序，数数据据存存储储区区存存放放的的是是程程序序执执行行过过程程中中所所需需要的或者所产生的中间数据。要的或者所产生的中间数据。3.2.3 电
8、源单元电源单元 u电源单元将外界提供的电源转换成电源单元将外界提供的电源转换成PLC的工作电的工作电源后，提供给源后，提供给PLC。有些电源单元也可以作为负。有些电源单元也可以作为负载电源，通过载电源，通过PLC的的I/O接口向负载提供直流接口向负载提供直流24V电源。电源。u电源单元还提供掉电保护电路和后备电池电源，电源单元还提供掉电保护电路和后备电池电源，以维持部分以维持部分RAM存储器的内容在外界电源断电后存储器的内容在外界电源断电后不会丢失。在面板上通常有发光二极管（不会丢失。在面板上通常有发光二极管（LEDLED）指）指示电源的工作状态，便于判断电源工作是否正常。示电源的工作状态，便
9、于判断电源工作是否正常。3.2.4 输入输出单元输入输出单元 uPLC的输入、输出单元也叫的输入、输出单元也叫I/O单元单元，对于模块式对于模块式的的PLC来说，来说，I/O单元以模块形式出现，所以又称单元以模块形式出现，所以又称为为I/O模块模块。I/O单元是单元是PLC与工业现场的接口，与工业现场的接口，现场信号与现场信号与PLC之间的联系通过之间的联系通过I/O单元实现。单元实现。u工业现场的输入和输出信号包括工业现场的输入和输出信号包括数字量数字量和和模拟量模拟量两类，因此两类，因此I/O单元也有数字单元也有数字I/O和模拟和模拟I/O两种，两种，前者又称为前者又称为DI/DO，后者又
10、称为，后者又称为AI/AO。PLC的的输入、输出单元还应包括一些输入、输出单元还应包括一些功能模块功能模块，所谓功，所谓功能模块就是一些智能化了的输入和输出模块。能模块就是一些智能化了的输入和输出模块。3.2.5 接口单元接口单元 u接口单元接口单元包括扩展接口、通信接口、编程器接口包括扩展接口、通信接口、编程器接口和存储器接口及其它外部设备接口等。和存储器接口及其它外部设备接口等。uPLC的的I/O单元也属于接口单元的范畴，它完成单元也属于接口单元的范畴，它完成PLC与工业现场之间电信号的往来联系。除此之与工业现场之间电信号的往来联系。除此之外，外，PLC与其它外界设备和信号的联系都需要相与
11、其它外界设备和信号的联系都需要相应的接口单元应的接口单元。3.2.6 外部设备外部设备 uPLCPLC的外部设备种类很多，可以概括为以下四类：的外部设备种类很多，可以概括为以下四类：编编程程设设备备：除除了了用用于于编编程程，还还可可对对系系统统作作一一些些设定，以确定设定，以确定PLCPLC的工作方式。的工作方式。监监控控设设备备：将将现现场场数数据据动动态态实实时时显显示示出出来来，以以便操作人员随时掌握系统运行的情况。便操作人员随时掌握系统运行的情况。存储设备：用于保存用户数据，避免程序丢失。存储设备：用于保存用户数据，避免程序丢失。输输入入输输出出设设备备：用用于于接接受受信信号号和和
12、输输出出信信号号的的专专用设备用设备。返回返回3.3 可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理u可编程控制器是基于电子计算机的工业控制器，可编程控制器是基于电子计算机的工业控制器，从从PLCPLC产生的背景来看，产生的背景来看，PLCPLC系统与继电器控制系统与继电器控制系统有着极深的渊源，因此可以比照着继电器系统有着极深的渊源，因此可以比照着继电器系统来学习系统来学习PLCPLC的工作原理。的工作原理。返回返回3.3.1 可编程控制器的等效电路可编程控制器的等效电路 uPLCPLC的等效电路如下图所示：的等效电路如下图所示：3.3.2 可编程控制器的工作过程可编程控制器的工作过程 uPL
13、C的工作过程以的工作过程以循环扫描循环扫描的方式进行，当的方式进行，当PLC处于运行处于运行状态时，它的运行周期可以划分为状态时，它的运行周期可以划分为3个基本阶段个基本阶段：输输入入采采样样阶阶段段：PLCPLC逐逐个个扫扫描描每每个个输输入入端端口口，将将所所有有输输入设备的当前状态保存到相应的存储区。入设备的当前状态保存到相应的存储区。程程序序执执行行阶阶段段：在在系系统统程程序序的的指指示示下下，CPUCPU从从用用户户程程序序存存储储区区逐逐条条读读取取用用户户指指令令，经经解解释释后后执执行行相相应应动动作作，产产生生相相应应结结果果，刷刷新新相相应应的的输输出出映映像像寄寄存存器
14、器，期期间间需需要要用用到输入映像寄存器、输出映像寄存器的相应状态。到输入映像寄存器、输出映像寄存器的相应状态。输输出出刷刷新新阶阶段段：系系统统程程序序将将输输出出映映像像寄寄存存器器中中的的内内容容传传送送到到输输出出锁锁存存器器中中，经经过过输输出出接接口口、输输出出端端子子输输出出，驱驱动外部负载。动外部负载。返回返回S7-300的工作过程的工作过程：u输入：输入：I0.1，I0.2（直流（直流24V）；）；u输出输出Q4.0（继电器）（继电器）3.4 可编程控制器的硬件基础可编程控制器的硬件基础 uI/O单元是组成单元是组成PLC系统的重要环节，本节以介系统的重要环节，本节以介绍绍I
15、/O单元的硬件电路为主，在此基础上简单介单元的硬件电路为主，在此基础上简单介绍绍PLC系统的硬件配置。应当说明的是，不同系统的硬件配置。应当说明的是，不同PLC在硬件的具体实现方案上总是有区别的，在硬件的具体实现方案上总是有区别的，本节的任务是讨论一般性的原理，而非某一具本节的任务是讨论一般性的原理，而非某一具体型号的结构特征。体型号的结构特征。返回返回S7-300的组成（实验室系统）的组成（实验室系统）3.4.1 可编程控制器的可编程控制器的I/O模块模块 uPLC的输入输出部分，可以分为数字的输入输出部分，可以分为数字I/O（DI/DO）和模拟）和模拟I/O（AI/AO）两大类：）两大类：
16、数字量数字量I/O（DI/DO）：v数字量输入单元；数字量输入单元；v数字量输出单元数字量输出单元。模拟量模拟量I/O（AI/AO）：v模拟量输入单元模拟量输入单元；v模拟量输出单元模拟量输出单元。u数字量输入数字量输入（直流输入）（直流输入）u数字量输入数字量输入（交流输入）（交流输入）u数字量输出数字量输出（继电器型）（继电器型）u负载为交直流负载为交直流通用通用u数字量输出数字量输出（晶闸管型）（晶闸管型）u负载为交流型负载为交流型u数字量输出（晶体数字量输出（晶体管型）管型）u负载只能为直流负载只能为直流u模拟量输入模拟量输入u模拟量输出模拟量输出3.4.2 可编程控制器的配置可编程控
17、制器的配置 uPLC的品种繁多，其结构型式、性能、容量、指的品种繁多，其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各有自已的特点，适令系统、编程方法、价格等各有自已的特点，适用场合也各有侧重。站在硬件选型的角度，首先用场合也各有侧重。站在硬件选型的角度，首先需要考虑的是需要考虑的是设备容量与性能设备容量与性能是否与任务相适应；是否与任务相适应；其次要看其次要看PLC运行速度运行速度是否能够满足实时控制的是否能够满足实时控制的要求。要求。u所谓设备容量，主要是指系统所谓设备容量，主要是指系统I/O点数点数的多少以及的多少以及扩充扩充的能力。对于纯开关量控制的应用系统，如的能力。对于纯开关量
18、控制的应用系统，如果对控制速度的要求不高，比如单台机械的自动果对控制速度的要求不高，比如单台机械的自动控制，可选用小型一体化控制，可选用小型一体化PLC。返回返回u单机架系统（中小型完整系统）单机架系统（中小型完整系统）u多机架系统（中大型完整系统）多机架系统（中大型完整系统）3.5 可编程控制器的软件基础可编程控制器的软件基础 uPLC是一种通用的、商业化的工业控制计算机，是一种通用的、商业化的工业控制计算机，与个人计算机相仿，用户程序必须在系统程序与个人计算机相仿，用户程序必须在系统程序的管理下才能运行。本节首先介绍的管理下才能运行。本节首先介绍PLC系统监系统监控程序的运行情况，然后再介
19、绍用户指令系统控程序的运行情况，然后再介绍用户指令系统的相关内容。的相关内容。返回返回3.5.1 系统监控程序系统监控程序 u系统监控程序系统监控程序执行过程分为以下几部分：执行过程分为以下几部分：初始化程序；初始化程序；CPU自诊断；自诊断；通信信息处理；通信信息处理；输入刷新；输入刷新；用户程序执行；用户程序执行；输出刷新；输出刷新；外部设备服务。外部设备服务。3.5.2 用户应用程序用户应用程序 u用用户户程程序序是是由由用用户户编编写写的的，能能够够完完成成系系统统控控制制任任务务的的指指令令序序列列。不不同同厂厂家家的的PLCPLC会会提提供供不不同同的的指指令令集集，但但基基本本的
20、的编编程程元元件件和和编编程程形形式式有有许许多多共共同同之之处。处。返回返回3.6 可编程控制器的性能指标及分类可编程控制器的性能指标及分类 u本章前几节对本章前几节对PLCPLC的工作原理和编程形式做了简的工作原理和编程形式做了简单介绍，除此之外，如果对单介绍，除此之外，如果对PLCPLC设备的基本性能设备的基本性能指标以及它们的类型情况有所了解的话，则对指标以及它们的类型情况有所了解的话，则对具体的系统设计和选型非常有帮助。具体的系统设计和选型非常有帮助。返回返回返回返回3.6.1 可编程控制器的性能指标可编程控制器的性能指标 u各厂家的各厂家的PLCPLC产品虽然各有特色，但是总体来讲
21、均产品虽然各有特色，但是总体来讲均可用以下几项指标来衡量对比其性能：可用以下几项指标来衡量对比其性能：I/O点数点数；存储器容量存储器容量；扫描速度扫描速度；内部寄存器内部寄存器；指令系统指令系统；特殊功能及模块特殊功能及模块；工作环境工作环境。3.6.2 可编程控制器的分类可编程控制器的分类 u可编程控制器的品种很多，发展也很快，在分类可编程控制器的品种很多，发展也很快，在分类上并没有严格统一的标准，目前较为通行的分类上并没有严格统一的标准，目前较为通行的分类方法有两个：方法有两个：按按结结构构分分类类：PLC在在结结构构上上主主要要有有两两种种类类型型：整体式（一体式）整体式（一体式）和和
22、模块式模块式。按按控控制制规规模模分分类类：控控制制规规模模是是PLC性性能能指指标标之之一一，习习惯惯上上总总是是用用数数字字量量I/O点点数数的的多多少少来来衡衡量量PLC系系统统规规模模的的大大小小。可可分分为为小小型型（1024）。返回返回第三章第三章 作业作业u1 1、可编程控制器的特点有哪些？可编程控制器的特点有哪些？u2 2、可编程控制器与传统的继电器控制系统相比可编程控制器与传统的继电器控制系统相比有哪些优点？有哪些优点？u3 3、可编程控制器在结构上有哪两种形式？说明可编程控制器在结构上有哪两种形式？说明它们的区别。它们的区别。u4 4、从软硬件两个角度说明从软硬件两个角度说明PLC的高抗干扰性能。的高抗干扰性能。u5 5、PLCPLC怎样执行用户程序（即工作过程或工作原怎样执行用户程序（即工作过程或工作原理）？理）？u6 6、如果数字量输入的脉冲宽度小于如果数字量输入的脉冲宽度小于PLC的循环的循环周期，是否能够保证周期，是否能够保证PLC检测到该脉冲？为什么检测到该脉冲？为什么？返回返回