自动化专业用PLC课件第一章概述

可编程序控制器原理及应用,（48学时）主讲：孙晓波电气工程系2015年,安排学时课程内容讲课36学时18章相关实验12学时PLC实验台,课程安排,学习总要求,了解PLC的工作原理，指令和控制系统组成；能应用梯形图或语句表编程；掌握系统设计的方法，步骤。,考核方法,平时30%出勤10分（低于6分，失格）作业10分（低于6分，失格）实验10分（低于6分，失格）期末70%,第1章可编程序控制器概论,1.3PLC的产生特点1.4PLC的组成和工作原理1.5PLC的特点和应用1.6PLC的分类及发展趋势,1.3PLC的产生,1.3.1PLC的由来诞生于20世纪末。产生背景：汽车生产流水线自动控制系统-继电器控制竞争激烈，型号翻新；产生问题？经常更新设计，费工费时费料。要减少这个时间周期。,1.3PLC的产生,1.3.1PLC的由来问题提出：美国通用汽车，一种新型工业控制装置要求：可随着品种改变，灵活改变生产线1968年，提出十项招标指标-“通用十条”。问题解决：1969年，美国数字设备公司，推出这种装置在美国通用汽车公司生产线使用，大获成功简单易懂，操作方便，可靠性高，体积小，寿命长，可逻辑编程。,1.3PLC的产生,1.3.1PLC的由来简要发展综述1971年，应用到食品、饮料、冶金、造纸1971年，日本从美国引进，日立公司1973年，德国研制成功，西门子公司1974年，中国仿制成功，1977年，中国研制成功，实用化1982年，中国从美国，德国、日本引进,1.3PLC的产生,1.3.1PLC的由来简要发展综述1991年，中国可编程序控制器行业协会1993年，可编程序控制器标准化委员会；选出六个国产品牌：天津中环DJK-S-84；无锡电器KCK-1C；上海起重CF-40MR，北京椿树BCM-PLC；杭州机床DKK02；上海自力KK1-1C。兼容国外产品。,1.3PLC的产生,1.3.1PLC的由来简要发展综述国内PLC研制代表南京嘉华JH200系列杭州新箭D20P系列兰州全志RD100、RD200系列上海船舶所ST12000系列北京和利时Hollis-PLC系列。,1.3PLC的产生,1.3.1PLC的由来简要发展综述国内PLC应用典型案例宝山钢铁二、三期工程，30多机型600台套广西玉柴，近200台罗克韦尔PLC青海湖氯化钾，采用PLC，600面控制柜电力系统，绝大多数控制采用AB的PLC,1.3PLC的产生,1.3.2PLC的发展历程-五个阶段第一阶段，从产生到20世纪70年代中期，为PLC的初创阶段。CPU-中小规模数字集成电路程序存储EPROM逻辑运算，计算机接口，模拟量控制，自诊断典型产品DEC公司的PDP-14MODICON公司的084AB公司的PDQ-2日立公司的SCY-022,1.3PLC的产生,1.3.2PLC的发展历程-五个阶段第二阶段，从20世纪70年代中期到末期，为PLC的扩展阶段。CPU-采用8位微处理器程序存储-半导体存储器逻辑运算，计算机接口，模拟量控制，自诊断数据传送，数据比较，算术运算，模拟量运算远程I/O功能，通信功能典型产品：西门子S4，S3；M184-384系列；富士电机SC,1.3PLC的产生,1.3.2PLC的发展历程-五个阶段第三阶段，从20世纪70年代末到80年代中期，为PLC的通信阶段。CPU-微处理器；程序存储EPROM逻辑运算，计时计数，算术运算，增加数据处理、传送、通信、自诊断模拟量模块、远程I/O模块，特殊功能模块速度更高，容量更大，功能更强，分布式通信典型产品西门子公司S6、S5；MODICON公司的*84系列富士电机的MISREX；AB公司的PLC-3.,1.3PLC的产生,1.3.2PLC的发展历程-五个阶段第四阶段，从20世纪80年代中到90年代末期，为PLC的开放阶段。通信协议标准化，通信系统开放；采用16位、32位微处理器，专用芯片；梯形图语言成熟，FSC问世。人工智能，CRT。产品扩展更加灵活；典型产品西门子公司S7、S5；AB公司的PLC-5由PLC组成分布式网络成为CIMS，三大支柱之一,1.3PLC的产生,1.3.2PLC的发展历程-五个阶段第五阶段，从20世纪90年代末期至今，为PLC的网络化发展阶段。PLC的多处理器配置；智能模块（PID、运动控制、高数计数器、通信模块、现场总线）；发展趋势：向集逻辑控制、仪表控制、计算机控制一体化（EIC）、网络化控制的集成化方向发展。,1.3PLC的产生,1.3.2PLC的发展历程-五个阶段第五阶段，从20世纪90年代末期至今，为PLC的网络化发展阶段。具备的功能：逻辑控制、数据处理、过程控制、运动控制、联网通信工业自动化主控系统；算法：PID算法、模糊控制、多种PLC联网运行。,1.3PLC的产生,有200多家企业生产PLC产品美国PLC发展得最快：1984年有48家，生产150多种PLC；1987年有63家，生产243种PLC；1996年有70余家，生产近300种PLC。著名厂家：A-B（Allen-Bradley）艾伦-布拉德利公司，MODICON莫迪康公司，GE-FSNUC公司，TI（TexasInstrument）德州仪器公司，WESTHOUSEElectric西屋电气公司，IPM（InternationalParallelMachines）国际并行机器公司等。,1.3PLC的产生,欧洲PLC的厂家有60余家:西门子（Siemens）于1973年研制出第一台PLC。金钟默勒（KlocknerMoellerGmbh），AEG，法国的TE(Telemecanique）(施耐德）瑞士的Selectron公司等。,1.3PLC的产生,1971年，日本从美国引进PLC技术，由日立公司研制成功日本第一台PLC。日本生产PLC的厂家有40余家：三菱电机(MITSUBISHI),欧姆龙(OMRON),富士电机（FujiElectric）,东芝（TOSHIBA）,光洋（KOYO),松下电工（MEW）,和泉（IDEC）,夏普(SHARP）,安川等公司。,1.3PLC的产生,我国在70年代末和80年代初开始引进PLC：北京机械工业自动化研究所，上海工业自动化仪表研究所，大连组合机床研究所，成都机床电器研究所，中科院北京计算机所及自动化所，长春一汽，上海起重电器厂，上海香岛机电公司，上海自力电子设备厂等单位。以上诸单位都没有形成规模化生产。,1.3PLC的产生,辽宁无线电二厂引进德国西门子技术生产PLC；无锡电器和日本光洋合资生产的PLC;中美合资的厦门AB公司生产的PLC；上海香岛机电公司引进技术生产的PLC;上海OMRON公司;西安Siemens公司等。,1.3PLC的产生,1993年中国PLC市场排行榜上的世界十大厂家：美国AB公司（AllenBradley）德国西门子公司（Siemens）美国GEFanuc公司美国的莫迪康（Modicon）和法国的TE电器公司日本欧姆公司（OMRON）日本三菱电机株式会社（MITSUBISHI）日本富士电机株式会社（FujiElectric）日本东芝公司（TOSHIBA）日本的光洋电子（KOYO）和中国的华光电子(CKE）日本松下电工株式会社（MEW）：MatsushitaElectricWorksLtd）,1.3PLC的产生,根据美国AutomationResearchCo.(ARC)的商情调查，在1994年PLC市场上，最大的5家PLC制造商是:SIEMENS，西门子AllenBradley（Rockwell),罗克维尔AEGSchneider，施耐德三菱电机,OMRON(立石电机）（1996年中国PLC市场）,1.3PLC的产生,1.3.3PLC的定义IEC1985年的PLC标准草案第3稿中，对PLC作了如下定义：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，并通过数字式、模拟式的输入和输出，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设备，都应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。,1.4PLC的组成和工作原理,1.4.1PLC的基本组成典型的PLC包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出接口（简称I/O，输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口）、外部设备编程器和电源模块等。另外，PLC内部各组成部分通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，PLC外部按实际控制对象配置相应设备与控制装置一起构成PLC控制系统。,1.4PLC的组成和工作原理,1.4.1PLC的基本组成,1.4.1PLC的基本组成,一、中央处理器（CPU）组成：控制器、运算器、寄存器组成。是完成信息操作的单元。操作：转移、转换、计算、同步和译码；实现：逻辑运算、数学运算、协调控制系统内各部分工作核心：中央处理器和中央存储器。中央处理器有指令计数器、指令存储器、地址寄存器、变址和基址寄存器、累加器和通用寄存器。中央存储器分为数据、程序和监控三部分。,1.4.1PLC的基本组成,二、存储器存放系统程序、用户程序和数据。1.系统程序存储器，内容决定系统的功能。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。系统管理程序，控制PLC运行；用户指令解释程序将用户程序转换成机器语言；功能程序与系统程序调用负责调用不同的功能程序及其管理程序。存储位置：写入到ROM或EPROM中。,1.4.1PLC的基本组成,二、存储器存放系统程序、用户程序和数据。2.用户程序存储器，内容为用户编写的PLC应用程序。初期用户程序存入RAM，便于调试；后期用户程序存入EPROM中，防止信息丢失。,1.4.1PLC的基本组成,二、存储器存放系统程序、用户程序和数据。3.数据存储器，内容为PLC执行过程中需生成或调用中间结果数据、组态数据。由于工作数据与组态数据不断变化，所以存储在RAM中，并用后备锂电池供电，保持RAM中的内容。,1.4.1PLC的基本组成,三、输入/输出接口PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件的接口。输入接口：直流、交流、交直流输入类型。输出接口：晶体管、晶闸管、继电器输出输入信号：限位、开关、按钮等。输出信号：驱动电磁阀、接触器等,1.4.1PLC的基本组成,三、输入/输出接口1.输入接口：接收开关量和模拟量输入信号。,1.4.1PLC的基本组成,三、输入/输出接口2.输出接口：向执行元件输出控制信号。,1.4.1PLC的基本组成,三、输入/输出接口2.输出接口：向执行元件输出控制信号。,1.4.1PLC的基本组成,三、输入/输出接口2.输出接口：向执行元件输出控制信号。,1.4.1PLC的基本组成,四、电源部分PLC的电源将外部供给的交流电转换，提供给CPU、存储器。开关稳压电源，还可向外提供五、扩展接口通过I/O扩展接口电缆与I/O扩展单元连接。还可扩展外围设备。六、通信接口通过通信接口进行通信联网，使得PLC与PLC之间、PLC与上位计算机及其他智能设备联网,1.4.1PLC的基本组成,七、编程器作用：将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，检查、修改和调试用户程序，监视程序执行过程，显示PLC的状态内部器件及系统的参数。简易编程器和图形编程器。第三种变成方式，计算机辅助编程。PLC制造厂开发计算机辅助编程支持软件。装入个人电脑后，可作为图形编辑器，完成用户程序的编辑、修改，下载、上传，监控。,1.4PLC的组成和工作原理,1.4.2PLC的工作原理传统继电器控制系统-硬件逻辑系统。CPU采用分时操作串行工作方式PLC采用循环扫描的工作方式。对每一个程序，CPU从第一条指令开始，按序做周期性的循环扫描，直至最后结束符，再返回第一条指令，不断循环。满足条件的时间大于扫描周期，运行结果被执行。周期很短。,1.4PLC的组成和工作原理,1.4.2PLC的工作原理一、PLC的工作方式两种工作状态：运行和停止状态。运行状态，通过执行用户程序来实现控制功能。反复不断地执行程序。直至停机或执行STOP命令。一次循环分为五个阶段：自诊断、与编程器通信、读入现场信号、执行用户程序、输出结果。,1.4PLC的组成和工作原理,1.4PLC的组成和工作原理,1.4.2PLC的工作原理二、PLC的工作过程1.输入采样阶段在这个阶段中，可编程序控制器读入输入口的状态，并将它们存放在输入映像寄存器中。2.程序执行阶段在这个阶段中，PLC根据本次读入的输入数据，依用户程序的顺序逐条执行用户程序。,1.4PLC的组成和工作原理,1.4.2PLC的工作原理二、PLC的工作过程3.输出刷新阶段这是一个程序执行周期的最后阶段。PLC将本次用户程序的执行结果一次性地从输出映像寄存器送出锁存输出口，对输出状态进行刷新。PLC的扫描工作过程如图。,1.4PLC的组成和工作原理,1.4.2PLC的工作原理,1.4PLC的组成和工作原理,1.4.3PLC的编程语言和程序结构1.PLC的编程语言1）梯形图（LAD）来源于继电器控制系统特点：直观性和对应性易于学习和掌握梯形图中能流的概念与内部继电器概念与指令表有一一对应关系,1.4PLC的组成和工作原理,1.4.3PLC的编程语言和程序结构1.PLC的编程语言2）指令表（STL）用布尔助记符描述特点：容易记忆，容易掌握易于操作，可无计算机操作与梯形图有一一对应关系,1.4PLC的组成和工作原理,1.4.3PLC的编程语言和程序结构1.PLC的编程语言3）顺序功能图（SFC）功能入手含义明确特点：以功能为主线，条理清楚，便于理解沟通大型程序分工设计，结构灵活，效率高用于规模较大场合只有活动步的操作被执行，只扫描活动步后的转换条件。,1.4PLC的组成和工作原理,1.4.3PLC的编程语言和程序结构1.PLC的编程语言4）功能块图（FB）类似于数字逻辑电路特点：功能模块为单位，便于理解分析图形化描述，直观，方便编程和操作用于规模较大、控制关系复杂场合占用内存，在大中型PLC和集散控制系统中编程和组态,1.4PLC的组成和工作原理,1.4.3PLC的编程语言和程序结构1.PLC的编程语言5）结构文本（ST）类似于高级语言特点：能完成复杂的控制运算需一定高级程序语言知识和技巧，要求高直观性和易操作性差常用于其他语言难实现的控制功能,1.4PLC的组成和工作原理,1.4.3PLC的编程语言和程序结构2.PLC的程序结构用户程序、数据块和参数快1）用户程序组织块，管理其他模块一个主程序（OB1）可调用其他若干子程序（SBR）被调用若干中断程序（INT）处理与用户程序时序无关的动作，或不可预测事件。系统调用,1.4PLC的组成和工作原理,1.4.3PLC的编程语言和程序结构2）数据块存放控制程序运行所需数据使用时，可完成一些有特定数据处理功能的程序设计，比如为变量存储器V指定初值3）参数块存放CPU组态数据，或自动配置有特殊需要时，用户可对系统的参数块进行设定，例如掉电保持设定,1.5PLC的特点及应用,1.5.1PLC的主要特点一、可靠性高，抗干扰能力强硬件措施：电磁屏蔽；滤波；电源调整；光电隔离；模块结构软件措施：故障检测；信息保护恢复；设置看门狗；程序检查校验；程序及数据的电池后备。,1.5PLC的特点及应用,1.5.1PLC的主要特点二、通用性强，程序可变，使用方便硬件品种齐全；组成各种系统；编程改变工艺要求；自动化生产系统。三、功能强，适应性广。逻辑运算、计时计数、顺序控制数字模拟输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自我检测、记录显示、过程控制,1.5PLC的特点及应用,1.5.1PLC的主要特点四、编程简单，容易掌握梯形图编程；编程手册；短期培训；功能图编程；语句表编程。五、减少设计及施工工作量减少安装接线工作量；减少实验室调试工作量；功能化、模块化设计。六、体积小、重量轻、功耗低、维修方便,1.5PLC的特点及应用,1.5.2PLC的适用范围一、开关量逻辑控制PLC的最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，取代传统继电器控制二、运动控制具有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。机器人，装配线。,1.5PLC的特点及应用,1.5.2PLC的适用范围三、过程控制具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能，组成闭环控制，锅炉，反应堆，水处理四、数据处理具有数学运算、数据传送、转换、排序、查表，数据采集、分析、处理、通信,1.5PLC的特点及应用,1.5.2PLC的适用范围五、通信联网PLC可直接或通过通信处理单元、通信转换单元连成网络，实现信息交换，构成集中管理，分散控制的系统。工厂自动化。由上可见，PLC的应用范围十分广泛，可以覆盖各种控制领域。所以，自动化专业的学生一定要学好PLC这门课程。,1.6PLC的分类及发展趋势,1.6.1PLC的分类一、按结构形式分整体式PLC：电源、CPU、I/O接口等部件集中在一个机箱内，小型机一般采用此结构。分基本单元和扩展单元。模块式PLC：PLC的各组成部分做成模块根据需要，选择模块，在框架和底板上组成需要系统。大中型PLC采用此结构。叠装式PLC？,1.6PLC的分类及发展趋势,1.6.1PLC的分类二、按功能分类低档PLC：具有逻辑运算、定时、计数、自诊断和监控、少量的模拟量、算术运算、通信。单机控制系统中档PLC：加上较强的模拟量输入输出、算术运算、数据传送比较、数值转换、远程I/O，子程序、通信；中断，PID。高档PLC：带符号算术运算；矩阵运算；,1.6PLC的分类及发展趋势,1.6.1PLC的分类二、按功能分类接上页位逻辑运算、平方根运算、其他特