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可编程控制器PLC 主讲人 姚杰 第一讲第一讲第一讲第一讲 PLC的基本概念的基本概念的基本概念的基本概念 可编程控制器 Programmable Controller 是计算 机家族中的一员 是为工业控制应用而设计制造 的 早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller 简称PLC 它 主要用来代替继电器实现逻辑控制 随着技术的 发展 这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制 的范围 因此 今天这种装置称作可编程控制 器 简称PC 但是为了避免与个人计算机 Personal Computer 的简称混淆 所以将可编程 控制器简称PLC 二二二二 PLC的特点的特点的特点的特点 一 高可靠性 二 丰富的I O接口模块 三 采用模块化结构 四 编程简单易学 五 安装简单 维修方便 一 高可靠性 1 所有的I O接口电路均采用光电隔离 使工业现场的外 电路与PLC内部电路之间电气上隔离 2 各输入端均采用R C滤波器 其滤波时间常数一般为 10 20ms 3 各模块均采用屏蔽措施 以防止辐射干扰 4 采用性能优良的开关电源 5 对采用的器件进行严格的筛选 6 良好的自诊断功能 一旦电源或其他软 硬件发生异 常情况 CPU立即采用有效措施 以防止故障扩大 7 大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三 CPU构成表决系统 使可靠性更进一步提高 二 丰富的I O接口模块 PLC针对不同的工业现场信号 如 1 交流或直流 2 开关量或模拟量 3 电压或电流 4 脉冲或电位 5 强电或弱电等 有相应的I O模块与工业现场的器件 或设备 1 按钮 2 行程开关 3 接近开关 4 传感器及变送器 5 电磁线圈 6 控制阀 三 采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要 除了单元式 的小型PLC以外 绝大多数PLC均采用模块 化结构 PLC的各个部件 包括CPU 电 源 I O等均采用模块化设计 由机架及电 缆将各模块连接起来 系统的规模和功能 可根据用户的需要自行组合 四 编程简单易学 PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路 的梯形图形式 对使用者来说 不需要具 备计算机的专门知识 因此很容易被一般 工程技术人员所理解和掌握 五 安装简单 维修方便 PLC不需要专门的机房 可以在各种工 业环境下直接运行 使用时只需将现场的 各种设备与PLC相应的I O端相连接 即可 投入运行 各种模块上均有运行和故障指 示装置 便于用户了解运行情况和查找故 障 由于采用模块化结构 因此一旦某模块 发生故障 用户可以通过更换模块的方 法 使系统迅速恢复运行 PLC的基本结构的基本结构的基本结构的基本结构 输入 输出系统 CPU 其他可选部件 系统程序 存储器 用户程序 存储器 系统总线 PLC的基本结构的基本结构的基本结构的基本结构 一 中央处理单元CPU 二 存储器 三三三三 PLC的I O系统 以上是基本组成 四 其他可选部件 一 中央处理单元 中央处理单元 CPU 是PLC的控制中枢 它按照PLC系统程序赋予的功能 接收并存 储从编程器键入的用户程序和数据 检查 电源 存储器 I O以及警戒定时器的状 态 并能诊断用户程序中的语法错误 二 存储器 1 系统程序存储器 存放系统软件的存储器 2 用户程序存储器 存放应用软件的存储器 3 数据存储器 存放工作数据的存储器 二 一PLC存储空间的分配 虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不 相同 但是根据PLC的工作原理 其存储空间一般包括以下三个区域 1 系统程序存储区 2 系统RAM存储区 包括I O映象区和系统软 设备等 3 用户程序存储区 二 一 1 系统程序存储区 在系统程序存储区中存放着相当于计算机 操作系统的系统程序 包括监控程序 管 理程序 命令解释程序 功能子程序 系 统诊断子程序等 由制造厂商将其固化在 EPROM中 用户不能直接存取 它和硬件 一起决定了该PLC的性能 二 一 2 系统RAM存储区 系统RAM存储区包括I O映象区以及各类软 设备 如 逻辑线圈 数据寄存器 计时器 计数器 变址寄存器 累加器 二 一 3 用户程序存储区 用户程序存储区存放用户编制的用户程 序 不同类型的PLC 其存储容量各不相 同 二 二按存储性质分PLC常用的存储器类型 一般分RAM和ROM 详细可分为 1 RAM 2 EPROM 3 EEPROM 4 ROM 二 二 1 RAM Random Assess Memory 这是一种读 写存储器 随机存储器 其存取 速度最快 由锂电池支持 当电池没电或 没装电池时并且CPU输入电源断电时RAM 中的信息丢失 一般作为数据存储器 二 二 2 EPROM EPROM Erasable Programmable Read Only Memory 这是一种可擦除的只读存储器 在断电情 况下 存储器内的所有内容保持不变 在紫外线连续照射下可擦除存储器内 容 一般由生产厂家固化 用户不可改 变 PLC操作系统固化在里面 二 二 3 EEPROM EEPROM Electrical Erasable Programmable Read Only Memory 这是一种电可擦除的只读存储器 使用 编程器就能很容易地对其所存储的内容进 行修改 必须先擦除内容再写 可用1万 次 二 二 4 ROM Read Only Memory ROM称为只读存储器 其内容一般不能修 改 可将系统程序固化在ROM中 掉电后 期内容不变 三三三三 PLC的I O系统 PLC的I O系统是过程状态和参数输入 到PLC以及PLC实现控制时 控制信号输出 的通道 实现电平转换 电气隔离 串 并转 换 A D与D A转换等 根据它们实现的功能不同 可将I O通道分 为以下几种 1 模拟量输入 输出通道 2 数字量输入 输出通道 脉冲输入通道 三三三三 1 模拟量输入 输出通道 模拟量就是各种连续的物理量 输入如 温度 压力 压差 应力 位移 速度 加速度 电流 电压 输出如 等 三三三三 2 数字量输入 输出通道 数字量 各类开关等的状态 输入如 各种限位开关继电器指示灯 声光报警器等的状态 输出如 控制电磁阀门定位器继电器 指示灯声光报警器 一般有继电器输出 晶体管输出 晶闸管输出等 三三三三 脉冲输入通道 转速表 频率表 涡轮流量计 涡街流量 计 罗茨流量计等 四 其他可选部件 包括 1 编程器 2 小型盒式磁带机 3 数据通讯接口 4 I O信号模拟盘 5 I O扩展器 有的还分为智能接口模块 包括高速计数器模块 定位控制模块 PID模 块 PLC网络模块 PLC与计算机通信模块 中 断控制模块 温度传感器输入模块 BASIC模 块 语言输出模块等 编程器 PLC 是靠执行内部存储的程序顺序 地完成某一工作的 而程序是靠一专 门的 装置来输入的 或调试的 这个专门的装 置就是编程器 编程器的结构编程器主要有以下三个部 分 1 显示部分 2 键盘部分 3 通信接口 编程器的工作方式主要有两种 一种是编程 工作方式 另一种是监控工作方式 有些编程器还有其他的工作方式 如命令工 作方式 加载工作方式等 PLC的分类的分类的分类的分类 一 小型PLC 小型PLC的I O点数一般在128点以下 其特 点是体积小 结构紧凑 整个硬件融为一 体 除了开关量I O以外 还可以连接模拟 量I O以及其他各种特殊功能模块 它能执 行包括逻辑运算 计时 计数 算术运 算 数据处理和传送 通讯联网以及各种 应用指令 二 中型PLC 中型PLC采用模块化结构 其I O点数一般 在256 1024点之间 I O的处理方式除了采 用一般PLC通用的扫描处理方式外 还能采 用直接处理方式 即在扫描用户程序的过 程中 直接读输入 刷新输出 它能联接 各种特殊功能模块 通讯联网功能更强 指令系统更丰富 内存容量更大 扫描速 度更快 三 大型PLC 一般I O点数在1024点以上的称为大型 PLC 大型PLC的软 硬件功能极强 具有 极强的自诊断功能 通讯联网功能强 有 各种通讯联网的模块 可以构成三级通讯 网 实现工厂生产管理自动化 大型PLC还 可以采用三CPU构成表决式系统 使机器 的可靠性更高 PLC的发展趋势 1 系统功能完善化 2 体系结构开放化及通讯功能标准化 3 I O模块智能化及安装现场化 4 功能模块专用化 5 编程组态软件图形化 6 硬件结构集成化 冗余化 7 控制管理功能一体化 PLC的工作原理的工作原理的工作原理的工作原理 一 基本原理 二 扫描原理 三 建立I O映像区 四 智能模板的开发 五 输入输出操作 六 中断输入处理 一 基本原理 可编程控制器在其硬件的支持下 通过执行 用户软件完成控制任务 二 扫描原理 当PLC投入运行后 其工作过程一般分为三 个阶段 即输入采样 用户程序执行和输 出刷新三个阶段 完成上述三个阶段称作 一个扫描周期 在整个运行期间 PLC的 CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个 阶段 一 输入采样阶段 在输入采样阶段 PLC以扫描方式依次地读 入所有输入状态和数据 并将它们存入I O 映象区中的相应得单元内 输入采样结束 后 转入用户程序执行和输出刷新阶段 在这两个阶段中 即使输入状态和数据发 生变化 I O映象区中的相应单元的状态和 数据也不会改变 因此 如果输入是脉冲 信号 则该脉冲信号的宽度必须大于一个 扫描周期 才能保证在任何情况下 该输 入均能被读入 二 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段 PLC总是按由上而下的顺 序依次地扫描用户程序 梯形图 在扫描每一条 梯形图时 又总是先扫描梯形图左边的由各触点 构成的控制线路 并按先左后右 先上后下的顺 序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算 然后 根据逻辑运算的结果 刷新该逻辑线圈在系统 RAM存储区中对应位的状态 或者刷新该输出线 圈在I O映象区中对应位的状态 或者确定是否要 执行该梯形图所规定的特殊功能指令 即 在用户程序执行过程中 只有输入点 在I O映象区内的状态和数据不会发生变 化 而其他输出点和软设备在I O映象区或 系统RAM存储区内的状态和数据都有可能 发生变化 而且排在上面的梯形图 其程 序执行结果会对排在下面的凡是用到这些 线圈或数据的梯形图起作用 相反 排在 下面的梯形图 其被刷新的逻辑线圈的状 态或数据只能到下一个扫描周期才能对排 在其上面的程序起作用 三 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后 PLC就进入输出刷 新阶段 在此期间 CPU按照I O映象区内 对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电 路 再经输出电路驱动相应的外设 这 时 才是PLC的真正输出 一般来说 PLC的扫描周期包括自诊断 通 讯等 如下图所示 即一个扫描周期等于 自诊断 通讯 输入采样 用户程序执 行 输出刷新等所有时间的总和 上 电 R U N 自 诊 断 通 讯 输 入 采 样 用 户 程 序 执 行 输 出 刷 新 故 障 二 三 I O映像区 用户程序 输入 映像区 输入 端子 输入信号 输出 映像区 输出 端子 输出信号 用户程序执行输入采样和输出刷新 执行用户程序所需的现场信息都在输入映 像区取用 而不是直接去外设取 这种方 式世纪中采集现场信息 虽然从理论上分 析每个信息被采集的时间仍有差异 但他 很少 最多100ms 因此可以认为采集到 的信息是同时的 同样 对被控制对象的控制信息 也不是 形成一个就去改变一个 而是先把他们存 放在随机存储器的某个特定区域 该区域 称之为输出映像区 当用户程序扫描结束 后 将所存被控对象的控制信息 集中输 出 改变被控对象的状态 可见 PLC系统不像硬件逻辑系统那样随时 反映工作状态变化对系统的控制作用 但 是采样时刻则基本符合实际工作状态 只 要采样周期足够小 即采样频率足够高 就可以认为这样的采样控制系统有足够的 精度 可以满足控制要求 二 三 一 I O寻址方式 固定的I O寻址方式 这种I O寻址方式是由PLC制造厂家在设 计 生产PLC时确定的 它的每一个输入 输出点都有一个明确的固定不变的地址 一般来说 单元式的PLC采用这种I O寻址 方式 开关设定的I O寻址方式 这种I O寻址方式是由用户通过对机架和模 块上的开关位置的设定来确定的 用软件来设定的I O寻址方式 这种I O寻址方式是有用户通过软件来编制 I O地址分配表来确定的 PLC的输入输出模块的输入输出模块的输入输出模块的输入输出模块 数字量输入 输出通道 交流220V型号输入原理图 先经过交流变直流 首先通过 56 kl1 电阻限流再经过电桥将交 流变成直流 这样便流过光电隔离器的光电 二极管的电流就是一个具有适当大小的直 流电流 保证其安全有效地工作 图中 240 l1 电阻 和 0 1 F 电容 20 kl1 电阻和 1 000 pF 电容 150 kl1 电阻和 2 2 F 电 容分别构成交流和 直流三级阻容滤波 模块上的电气线路基本由两部分组成 左半部分为控制部 分 右半部分为功率输出部 分 控制部分的组成结构与输 入模板类似 但在这里数据的流向是输出 因此所用的联 络信 息有所不同 如输入模块是用读信号 俨 MRDJ 现 场则用写信号 俨 MWDJ 又如当 CPU 将数据送至缓冲 锁存器后何时输送给外设 还要受 28 样端子 BASP 的控 制 它是专门 控制数字量信号输出的信号 称之为禁止输 出信号 高电平有效 等 对于功率输出部分 当缓冲器 的信号允许输出时 首先经过光电隔离器 PC890 功率 驱动器 FZL4141 再经发光 管 V90 控制功率晶体管 v 给 负载供电 a 其中发光管 V 凹显示有元负载输出 F820 为 过流保 护熔管 稳压管 IN4055 及 IN4005 分别保持电源 及输出端的恒压 以防过电压对输出模板 及外设的破坏 模拟量输入接口电路结构原理图 数码转换 这是由于在 PLC 内部数据处理中并不 是都用带符号的二进制数码表示 有 时是以补码 或 BCD 码等表示 而 AID 转换器输出的数定量 一般均为带符号的二进制码 因 此 应在它参与 运算或被处理之前转换成适合的数码 光电隔离器的作用是将现场与 PLC 电量分开 防 止干扰信号的输入 其光电隔离器既 保证了系统 的可靠性 又降低了成本 若直接用模拟光电隔 离不仅线性度差 而且成本也很 高 得不偿失 可编程控制器的基本技术指标 PLC 的技术指标很多 但最主要的不外乎 以下五个基本技术指数 1 CPU 类型 2 存储器 容量 3 编程语言 4 扫描速度 5 I O 点数 可编程控制器的通信系统 在进行工业控制过程中 实际工业过程比较复杂 一个控制过程可能由许多控制任务组 成 这些控 制任务既有相对的独立性 又需与其他任务联系 众多相对独立的任务又需在总 的方面构成一个整 体 这种控制过程若仅靠扩大机型来解决 效果 不理想 因此 许多 PLC 的生产厂家为自己产品 打开销路而开发了网络系统 用 PLC 构成的系 统 要得到广泛 应用必须要考虑几个实际问题 即对大 中 小控制任务都具有适应性 与现存 系统有可连 接性 保证系统有长期的规划使用价 值 PLC 网络系统的迅速发展使应用更加广泛 PLC 的通信包括 PLC 之间 PLC 与上位计算机之间 PLC 与其他智能设备间的通 信 PLC 系统采用网络连接构成集中管理的分 布式网络系统 随着 PLC 的不断发展 很多 PLC 产品都在 CPU 本身加上具有网络功能的硬件及软件 从而组成 PLC 网络 各站主机之间元件状态信息和 交换是由 PLC 系统自己完成的 不需要用户编程 典型网络介绍 SINEC LI LAN 网络该网络是用于西门子 PLC 间小量数据 交换的低速通信网络 通信速率为 9 6 K s 通信方式为主从式 一个主站最多可挂 30 个从站 主站处于主动地 位 协调网上的信息传输 从站为被动 BT777 是网络祸合器 每站通过网络祸合器与网 络连接 数据传输基本原理 用户必须为每个站定义一个发送 信箱 和接收 信箱 有两 个控制字节分别控制两个方向的数据传递 即发送和 接收 数据交换格式 该网络有三种数据交换格式查询方式 中断方式 广播 式 主站 从站初始化 主站的通信控制模块 CP530 协调整个网络的信息交换 初始化就是要对 CP530 进行编程 应用软件编制 编制发送 信箱 和接收 信箱 3 SlNEC HI LAN 可编程控制器网络该网 络是用于大型分布自动化控制系统的高 速 网络系统 3 SlNEC HI LAN 可编程控制器网络 结构 数据交换方式 功能方式 连接方式 优先级 结构该网络的结构图如图 7 14 所示 该网络由 独立的网段组成 每个网段长500 m 可挂 100 个站 网段之间用中继站连接 两站之间最多挂两个中继站 在一个网络中 一个中继站可分成一对远程中继 站 远程中继站间的距离为 1 000 m 每个站和中继站 都通过 755 藕合器连接到网上 PLC 与网的通信是通过通信处理板 CP535 进行 的 数据交换方式该网络相当于 Ethernet 网 络 符合 IEEE802 3 标准 竞争式存取 是 载波侦听多重访问 冲突检测 CSMA CDl 信令方式 功能方式该网络有三种任务功能 发送功 能 写功能 读功能 连接方式有两种连接方式 直接连接方式 和多掷连接方式 优先级 可编程控制器的软件系统 可编程控制器软件的发展过程 1 基于个人计算机的编程软件取代手持式 编程器 2 可编程控制器的软件化与 PC 化 3 组态软件引发的上位计算机编程革命 可可可可编编编编程控制器的程控制器的程控制器的程控制器的软软软软件件件件编编编编制制制制 PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来 用作数 字控制的专用计算机 其发展初期主要侧重于开 关量控制方面 目前在数据运算 过程控制等方 面的功能也逐步增强 但它更适合在开关控制量 多 模型复杂性较低 工作环境恶劣而可靠性要 求高的场合 PLC的这一技术发展背景及主要应 用场合也决定了其在软件开发上的特点 即有一 套独特的编程语言和专门的指令系统 这里重点 介绍PLC的梯形图的特点 指令系统 PLC的编程语言 PLC通常不直接采用微机的编程语言 而常 常用面向控制过程 面向问题的 自然语言 编程 因为它所面对的对象是工程技术 人员和操作维护人员 国际电工委员会IEC在1994年公布了可编程 控制器标准 IEC1131 该标准的第三部分 IEC1131 3 是PLC的编程语言标准 目 前许多PLC制造厂商独提供符合IEC1131 3 标准的产品 IEC113 3标准中定义了5种PLC编程语言的 表达方式 1 梯形图LAD 2 语句表STL 3 功能块FBD 4 结构文本ST 5 顺序功能图SFC 常见编程语言简介 1 梯形图梯形图梯形图梯形图 梯形图是在传统的电器控制系统电路图的基础上 演变而来 在形式上类似电器控制电路 有触 点 线圈和功能块组成 触点 代表逻辑输入条件 如外部的开关 按钮 和内部条件 线圈 代表逻辑输出结果 用来控制外部的负载 或内部的输出条件 功能块 用来表示计时器 计数器或数学运算等 功能指令 如下图所示 是一个继电器控制电路图与相应梯形图的 比较 可以看出 梯形图是用图形符号连接而 成 这些符号与继电器控制电路图中的常 开节点 常闭节点 并联连接 串联连 接 继电器线圈等是相对应的 每一个接 点和线圈对应有一个编号 J1 S1S2 J1 X400 Y430 X401Y430 2 布尔助记符布尔助记符布尔助记符布尔助记符 语句表语句表语句表语句表 PLC的指令有叫做语句 若干条指令组成的程序 叫做语句表程序 每条语句表示给CPU一