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第一章 可编程控制器综述 机电工程系 可编程控制器应用技术（三菱） 本章主要内容 可编程控制器的产生与发展 1 可编程控制器的特点 2 可编程控制器的分类 3 可编程控制器的应用和发展趋势 4 可编程控制器的性能指标5 可编程控制器应用技术（三菱） 1969年时被称为可编程逻辑控制器，简 称PLC (Programmable Logic Controller) 。 70年代后期，随着微电子技术和计算机 技术的迅猛发展，称其为可编程控制器，简 称PC (Programmable Controller)。但由于 PC容易和个人计算机 (Personal Computer) 相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控 制器的缩写。 1.1.1 可编程控制器名称的演变及定义 可编程控制器应用技术（三菱） （1987年 国际电工委员会） 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。 1.1.1 可编程控制器名称的演变及定义 可编程控制器应用技术（三菱） 1.1.1 可编程控制器名称的演变及定义 数字运算操作的电子系统也是一种计算机 定定 义义 中中 强强 调调 了了 PLCPLC 是是 : : 面向用户指令编程方便 逻辑运算、顺序控制、定时计算和算术操作 专为在工业环境下应用而设计 数字量或模拟量输入输出控制 易与控制系统联成一体 易于扩充 可编程控制器应用技术（三菱） 1.1.2 可编程控制器的产生 20世纪20年代起，人们把各种继电器、定时器、 接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制 系统，控制各种机械设备，这是传统的继电器控制系 统。 它能完成逻辑“与”、“或”、“非”等运算功能 ，实现弱电对强电的控制，且由于它结构简单、容易掌握 ，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面很广，在工 业控制领域中一直占有主导地位。 可编程控制器应用技术（三菱） 1.1.2 可编程控制器的产生 随着工业的发展，设备和 生产过程越来越复杂。复杂的 系统可能使用成百上千个各式 各样的继电器，并用成千上万 根导线以复杂的方式连接起来， 执行相应的复杂的控制任务。 作为单台装置，继电器本 身是比较可靠的。但是，对于 复杂的控制系统，继电器控制 系统存在几个明显的缺点: 可靠性差，排除故障困难 灵活性差，总成本较高 适应性差，接线复杂 体积大，不易维修 可编程控制器应用技术（三菱） 1.1968年，美国最大的汽车制造厂家通用汽车公司 (GM)提出了研制可编程序控制器的基本设想，即 u 编程简单，可在现场修改程序 u 维护方便，最好是插件式 u 可靠性高于继电器控制柜 u 体积小于继电器控制柜 u 可将数据直接送入管理计算机 u 在成本上可与继电器控制柜竞争 u 输入可以是交流115V u 输出是交流115V，2A以上，可直接驱动电磁阀 u 在扩展时，原有系统只要很小变更 u 用户程序存储器容量至少能扩展到4K字节 1.1.2 可编程控制器的产生 可编程控制器应用技术（三菱） 2. 1969年，美国数字设备公司研制出了世界上第一台 PLC ，型号为PDP-14。 3. 1969年，美国哥德公司（GOULD）把PLC商品化， 型号为084。 4. 1971年，日本研制出第一台PLC，型号为DSC-8。 5. 1973年，德国西门子公司（SIEMENS）研制出第一 台PLC，型号为SIMATIC S4。 6. 我国从1974年开始研制，1977年开始工业应用。 1.1.2 可编程控制器的产生 可编程控制器应用技术（三菱） 1.早期的PLC (20世纪60年代末至70年代中期） 早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC主要是作为继电器 控制装置的替代物而出现的，其主要功能是执行原先由继电器完成的顺序 控制、定时等功能，将继电器的“硬接线”控制方式变为“软接线”方式 。 早期的PLC在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改 进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规 模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其 抗干扰的能力。 在软件编程方面，采用了广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制 线路的方式，即梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置， 其优点包括简单易懂、便于安装、体积小、能耗低、有故障指示、能重复 使用等。梯形图作为PLC特有的编程语言一直沿用至今。 1.1.3 可编程控制器的发展 可编程控制器应用技术（三菱） 2.中期的PLC（20世纪70年代中期至80年代中、后期） 20世纪70年代初期，出现了微处理器，由于其体积小、功能强、价格 便宜，很快被用于PLC.美国、日本、德国等一些厂家先后开始采用微处理 器作为PLC的中央处理单元(CPU）， 使PLC的功能增强、工作速度加快、体 积减小、可靠性提高、成本下降。 在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，中期的PLC增加了模拟 量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块；扩大了存储器的容量，增加了 各种逻辑线圈的数量；还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC应用范围得 以扩大。 在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外， 中期的PLC还增加了算术运算、数据处理和传送、通信、自诊断等功能，指 令系统大为丰富，系统可靠性也得到了提高。 1.1.3 可编程控制器的发展 可编程控制器应用技术（三菱） 3.近期的PLC（20世纪80年代中、后期至今） 进入20世纪80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展 ，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理 器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商 还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC在软、硬件功能上都 发生了巨大变化。 现代PLC不仅能够完全胜任对大量开关量信号的逻辑控制功能，还具 有了很强的数学运算、数据处理、运动控制、PID控制等模拟量信号处理 能力。同时PLC的联网通讯能力大大增强，可以构成功能完善的分布式控 制系统，实现工厂自动化管理。在发达的工业化国家，现代PLC广泛应用 在所有的工业部门。 1.1.3 可编程控制器的发展 可编程控制器应用技术（三菱） 三菱电机公司： F，FX，A，K等系列。 立石公司： D、E等系列。 东芝公司：EX等系列 富士电机公司： HDC和MICREX-F50等系 列。 通用电气公司 （GE）： SERIES，GE等系列。 德州仪器公司： TI和PM等系列。 哥德公司： MICRD等系列。 西门子公司 （SIMENS）： SIMATIC S5、S7等系 列。 AEG公司： A系列等 美 国 日 本 德 国 1.1.4 常见的可编程控制器 可编程控制器应用技术（三菱） 三菱PLC外形图 Q系列PLC FX2N系列PLC FX1N系列PLC FX1S系列PLC 可编程控制器应用技术（三菱） 西门子PLC外形图 S7-200系列PLC S7-300系列PLC S7-400系列PLC 可编程控制器应用技术（三菱） 欧姆龙PLC外形图 C200H系列PLCCPM1A、CPM2A系列PLC 可编程控制器应用技术（三菱） 1.2.1可编程控制器与继电器的联系与区别 下面以一个启、保、停电路为例介绍可编 程控制器的特点。 可编程控制器应用技术（三菱） 1.2.1 可编程控制器与继电器的联系与区别 下面以一个启、保、停电路为例介绍可编 程控制器的特点。 可编程控制器应用技术（三菱） 外接线改变了。梯形图也发生了变化。 1.2.1 可编程控制器与继电器的联系与区别 可编程控制器应用技术（三菱） 如果输入信号只能由常开触点提供，梯形图中的触点类型与 继电器电路的触点类型完全一致。 如果接入PLC的是输入信号的常闭触点，这时在梯形图中所用 的X1的触点的类型与PLC外接SB2的常开触点时刚好相反，与继电 器电路图中的习惯也是相反的。建议尽可能采用常开触点作为 PLC的输入信号。 1.2.1 可编程控制器与继电器的联系与区别 r 常闭触点输入信号的处理: 可编程控制器应用技术（三菱） r从控制系统上比较 1.2.1 可编程控制器与继电器的联系与区别 可编程控制器应用技术（三菱） r从编程语言上比较 继电器控制线路图中的继电器都是实际存在的物理继电器，PLC 梯形图中的继电器是“软”继电器。 继电器控制线路分析时用到动合动断的概念，PLC梯形图中仍然 保留了这些概念。 继电器的触点个数是有限的，而PLC的触点可以无限次地使用。 继电器线路中的母线要接电源，而PLC的母线并不接电源。 继电器接触器控制线路的触点状态取决于其线圈中有无电流流过 ，在继电器控制电路中，若不接接触器线圈，只接其触点，则触 点永远不会动作。PLC中输入继电器由外部信号驱动，梯形图中 只是用输入继电器的触点，而不出现它的线圈。 1.2.1 可编程控制器与继电器的联系与区别 可编程控制器应用技术（三菱） 1.2.2 PLC的特点 r抗干扰能力强，可靠性高 r灵活性和通用性强 r编程语言简单易学，编程方法简单 rPLC与外部设备的连接简单、使用方便 r体积小、结构紧凑，易于实现机电一体化，安装 、维护方便 r设计、施工、调试周期短 可编程控制器应用技术（三菱） 1.3.1 根据I/O点数分类 I/O点数 2048点；多CPU ，16位、32位处理器，用户存 储器容量816K。如： S7-400 德国西门子公司 GE- GE公司 C-2000 立石公司 K3 三菱公司 大型机 小型机 I/O点数2562048点；双 CPU，用户存储器容量28K。 如： S7-300 德国西门子公司 SR-400 中外合资无锡华 光电子工业有限 公司 SU-5、SU-6 德国西门子公司 C-500 日本立石公司 GE- GE公司 中型机 可编程控制器应用技术（三菱） 1.3.2 根据结构形式分类 整体式 模块式 叠装式 可编程控制器应用技术（三菱） r 整体式： 特点：整体式PLC结构紧凑，体积小，重量轻，价 格低，容易装配在工业控制设备的内部， 比较合适于生产机械的单机控制。整体式 PLC的缺点是主机的I/O点数固定，使用不 够灵活，维修也较麻烦。如:C20P、C40P、 C60P和三菱公司的F1系列等。 示例图片 1.3.2 根据结构形式分类 可编程控制器应用技术（三菱） 电源输入端子（ L、N接地） 输入端子（X0X7、 X10 X17、 X20 X27、X30 X37、COM） 输入LED 指示灯 PLC状态指 示灯 输出LED 指示灯 输出端子（ Y0Y7、 Y10 Y17、Y20 Y27、Y30 Y37、COM ） 存储器 串行通信口 1.3.2 根据结构形式分类 r 整体式： 可编程控制器应用技术（三菱） 1.3.2 根据结构形式分类 r 模块式： 特点：这种形式的PLC各部分以单独的模板分开设 置，如电源模板、CPU模板、输入模板、输 出模板及其它职能模板等。这种结构的PLC 配置灵活，装备方便，维修简单，易于扩 展，可根据控制要求灵活配置所需模板， 构成功能不同的各种控制系统。缺点是结 构复杂，各种插件多，因而增加了造价。 如：S7-300 S7-400。 示例图片 可编程控制器应用技术（三菱） 1.3.2 根据结构形式分类 r 模块式： 可编程控制器应用技术（三菱） 1.3.2 根据结构形式分类 r 叠装式： 特点：叠装式结构是整体式和模块式相结合的产物。 把某一系列可编程控制器工作单元的外形都做 成尺寸一致的，CPU、I/O及电源也可做成独立 的，不使用模块式可编程控制器中的母板，采 用电缆联接各个单元，在控制设备中安装时可 以一层层地叠装，这就是叠装式可编程控制器。 如三菱公司的FX系列、西门子公司的S7-200型 等，均是叠装式都属于整体式可编程控制器。 示例图片 可编程控制器应用技术（三菱） 1.3.2 根据结构形式分类 r 叠装式： 可编程控制器应用技术（三菱） 1.3.3 根据用途分类 r 用于顺序逻辑控制 r 用于闭环过程控制 r 用于多级分布式和集散控制系统 r 用于机械加工的数字控制和机器人控制 可编程控制器应用技术（三菱） 1.3.4 根据功能分类 低档机中档机高档机 可编程控制器应用技术（三菱） 1.4 可编程控制器的应用和发展趋势 r 可编程控制器的应用 电力工业：输煤系统控制，锅炉燃烧管理，灰渣和飞灰 处理系统，汽轮机和锅炉的启停程序控制，化学补给水 、冷凝水和废水的程序控制，锅炉缺水报警控制，水塔 水位远程控制等。 机械工业：数控机床，自动装卸机，移送机械，工业用 机器人控制，自动仓库控制，铸造控制，热处理，输送 带控制，自动电镀生产线程序控制等。 汽车工业：移送机械控制，自动焊接控制，装配生产线 控制，铸造控制，喷漆流水线控制等。 钢铁工业：加热炉控制，高炉上料、配料控制，钢板卷 取控制，飞剪控制，料场进料、出料自动分配控制，包 装和搬运控制，翻砂造型控制等。 可编程控制器应用技术（三菱） r 可编程控制器的应用 化学工业：化学反应槽批量控制，化学水净化处理，自 动配料，化工流程控制，汽囊硫化机控制，煤气燃烧控 制，V带单鼓成型机控制等。 食品工业：发酵罐过程控制，配比控制，净洗控制，包 装机控制，