第3章PLC概述

1、2005.2 V1.01本章内容本章内容 1. PLC的产生和定义的产生和定义2. PLC的特点的特点3. PLC的应用和发展的应用和发展4. PLC的分类的分类5. PLC的系统组成的系统组成6. PLC与继电器接触器控制系统的区别与继电器接触器控制系统的区别7. PLC的工作原理的工作原理8. PLC的编程语言和程序结构的编程语言和程序结构 可编程序控制可编程序控制器概述器概述2005.2 V1.023.1 PLC的产生和发展的产生和发展 1. PLC的的产生产生n背景情况背景情况(参考参考P98)l 传统控制系统的缺点；传统控制系统的缺点；l 当时小型计算机的不足当时小型计算机的不足；l

2、 工业生产过程激烈竞争的要求。工业生产过程激烈竞争的要求。2005.2 V1.03n1968年年GM10条条GM公司的招标（汽车流水线控制系统）公司的招标（汽车流水线控制系统） 编程方便，可现场修改程序；编程方便，可现场修改程序； 维修方便，采用插件式结构；维修方便，采用插件式结构； 可靠性高于继电器控制装置；可靠性高于继电器控制装置； 体积小于继电器控制盘；体积小于继电器控制盘； 数据可直接送入管理计算机；数据可直接送入管理计算机； 成本可与继电器控制盘竞争；成本可与继电器控制盘竞争； 输入可以是交流输入可以是交流115V； 输出为交流输出为交流115V，容量要求在，容量要求在2 A以上，可

3、直接驱以上，可直接驱动接触器、电磁阀等；动接触器、电磁阀等； 扩展时原系统改变最小；扩展时原系统改变最小； 用户存储器至少能扩展到用户存储器至少能扩展到4 kB。 2005.2 V1.04 实际上提出了将实际上提出了将继电接触器继电接触器控制的控制的简单易懂、使用方便、简单易懂、使用方便、价格低廉价格低廉的优点，与的优点，与计算机计算机的的功能完善、灵活性、通用性好功能完善、灵活性、通用性好的的优点结合起来，将继电接触器控制的优点结合起来，将继电接触器控制的硬连线逻辑硬连线逻辑转变为计转变为计算机的算机的软件逻辑编程软件逻辑编程的设想。的设想。2005.2 V1.05n1969年年DEC公司生

4、产出第一台公司生产出第一台PLC。n名字名字l Programmable Logic ControllerPLC 主要用来取代继电接触器主要用来取代继电接触器逻辑控制逻辑控制，功能仅限于执行继，功能仅限于执行继电器逻电器逻 辑、计时、计数等。辑、计时、计数等。l Programmable ControllerPC 将微机技术应用到将微机技术应用到PLC中，增加了中，增加了运算、数据传送和处运算、数据传送和处理理等功能等功能成为一种电子计算机工业控制设备。成为一种电子计算机工业控制设备。2005.2 V1.06nPLC应用于连续生产的过程控制系统，成为今天应用于连续生产的过程控制系统，成为今天自

5、动化技自动化技术的三大支柱术的三大支柱之一之一.PLC、机器人、机器人、CAD/CAM 2005.2 V1.07PLC发速发展，确切定义困难。发速发展，确切定义困难。IEC1987颁发了颁发了PLC标准草案第三稿定义：标准草案第三稿定义：n可编程序控制器可编程序控制器是是一种数字运算操作的电子系统，一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境专为工业环境而而设计。它采用了可编程序的存储器，设计。它采用了可编程序的存储器，用来用来在其内部存储执行逻辑运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，并通过数字式和模拟式的

6、输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。 及其及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的功能的原则原则设计。设计。l是什么？功能？设计原则？是什么？功能？设计原则？PLC的的定义定义 l定义强调了定义强调了PLC应直接应用于工业环境，必须具有很强的抗干扰应直接应用于工业环境，必须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围能力，广泛的适应能力和应用范围区别于一般微机控制系统区别于一般微机控制系统的一个重要特征。的一个重要特征。2005.2 V1.083.2

7、PLC的的特点特点 l 抗干扰能力强，可靠性高抗干扰能力强，可靠性高 （硬件、软件）（硬件、软件） PLC平均故障时间在几万小时以上，一般微机无法比拟。平均故障时间在几万小时以上，一般微机无法比拟。l 控制系统结构简单，通用性强控制系统结构简单，通用性强 PLC及外围模块品种多，组合灵活。及外围模块品种多，组合灵活。l 编程方便，易于使用编程方便，易于使用 （梯形图等简单指令形式）（梯形图等简单指令形式）l 功能完善功能完善 l 设计、施工、调试的周期短设计、施工、调试的周期短 硬软件齐全，模块化积木式结构，商品化硬软件齐全，模块化积木式结构，商品化l 体积小，维护操作方便体积小，维护操作方便

8、 2005.2 V1.093.3 PLC的的应用和发展应用和发展 PLC的发展状况的发展状况n过去过去30年的情况：（美国、德国、日本、法国）年的情况：（美国、德国、日本、法国）n我国的应用情况：（欧姆龙、三菱、西门子）我国的应用情况：（欧姆龙、三菱、西门子）n我国的制造情况：我国的制造情况： （和利时、浙大中控）起步（和利时、浙大中控）起步2005.2 V1.0101. PLC的发展阶段的发展阶段n初级阶段初级阶段 ：功能简单，完成继电器控制系统的功能；：功能简单，完成继电器控制系统的功能；n崛起阶段：控制功能增强，数据处理、模拟量控制；崛起阶段：控制功能增强，数据处理、模拟量控制；n成熟阶

9、段：通信和联网，大规模、多控制器的控制系统；成熟阶段：通信和联网，大规模、多控制器的控制系统；n飞速发展阶段：过程控制领域中大面积使用；飞速发展阶段：过程控制领域中大面积使用；n开放性、标准化阶段：开放性、标准化阶段：IEC61131-3标准编程语言。标准编程语言。2005.2 V1.0112.PLC的发展趋势的发展趋势n向小型化、专用化、低成本方向发展向小型化、专用化、低成本方向发展 n向大容量，高速度方向发展向大容量，高速度方向发展 n智能型智能型I/O模块的发展模块的发展 n基于基于PC的编程软件取代编程器的编程软件取代编程器 nPLC编程语言的标准化（编程语言的标准化（IEC标准：五种

10、编程语言）标准：五种编程语言）nPLC通信的易用化通信的易用化 n组态软件组态软件与与PLC的软件化的软件化 nPLC与现场总线相结合与现场总线相结合 2005.2 V1.0122005.2 V1.013PLC的应用领域的应用领域 （1）成本下降）成本下降 （2）功能大大增强，也能解决复杂的计算和通信问题）功能大大增强，也能解决复杂的计算和通信问题 应用越来越广应用越来越广：钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、：钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、 机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、 环保和娱乐等行业。环保和娱乐等行业。 2005.2 V1.014 n顺序控制

11、：顺序控制：最广泛、最适合最广泛、最适合n运动控制：拖动步进电机或伺服电机的位置移动运动控制：拖动步进电机或伺服电机的位置移动n过程控制：控制大量过程参数过程控制：控制大量过程参数, PID模块模块n数据处理：数据处理：n通信网络：主机与远程通信网络：主机与远程I/O、多台、多台PLC之间、之间、 PLC与其他智能控制设备。与其他智能控制设备。2005.2 V1.0153.4 PLC的分类的分类 1. 按按I/O容量分容量分n小型机小型机 （1）以开关量控制为主，也具有一定的通信能力和）以开关量控制为主，也具有一定的通信能力和 少量的模拟量处理能力。少量的模拟量处理能力。 （2）I/O总点数一

12、般在总点数一般在256以下，用户程序存储器容量以下，用户程序存储器容量 在在4K以下。以下。 （3）适合于控制单台设备和开发机电一体化产品。）适合于控制单台设备和开发机电一体化产品。 （4）典型：）典型：西门子西门子S7-200，欧姆龙，欧姆龙CPM2A2005.2 V1.016n中型机中型机 （1）具有更强的数字计算能力，通信能力和模拟量处理能力。）具有更强的数字计算能力，通信能力和模拟量处理能力。 （2）I/O总点数总点数2562048，用户程序存储器容量在，用户程序存储器容量在8K， 指令更丰富。指令更丰富。 （3）适合于复杂的逻辑控制以及连续生产线的过程控制场合。）适合于复杂的逻辑控制

13、以及连续生产线的过程控制场合。 （4）典型：西门子）典型：西门子S7-300，欧姆龙，欧姆龙C200Hn大型机大型机 （1）性能与工业控制计算机相当，计算、控制、调节、网）性能与工业控制计算机相当，计算、控制、调节、网络结构和通信联网。络结构和通信联网。 （2）I/O总点数总点数2048以上，用户程序存储器容量在以上，用户程序存储器容量在16K以上。以上。 （3）适合于设备自动化控制、过程自动化控制和过程监控）适合于设备自动化控制、过程自动化控制和过程监控系统。系统。 （4）典型：西门子）典型：西门子S7-400，欧姆龙，欧姆龙CVM1和和CS1系列系列2005.2 V1.0172. 按结构形

14、式分按结构形式分n整体式整体式特点特点：将：将PLC的基本部件（的基本部件（CPU板、输板、输 入板、输出板、电源板、通信板等）入板、输出板、电源板、通信板等）紧凑地安装在一个标准的机壳内，构紧凑地安装在一个标准的机壳内，构成一个整体，组成成一个整体，组成PLC的基本单元的基本单元（主机）或扩展单元。（主机）或扩展单元。 体积小、成本低、安装方便。体积小、成本低、安装方便。 微型、小型微型、小型PLC采用，如采用，如S7-2002005.2 V1.018n模块式模块式特点特点：由一些模块单元构成，将这些模块插在：由一些模块单元构成，将这些模块插在 框架上框架上 或基板上即可。或基板上即可。 成

15、本较高、组态灵活方便，维修方便。成本较高、组态灵活方便，维修方便。 中、大型中、大型PLC采用，如采用，如S7-300、 S7-4002005.2 V1.0193.5 PLC的的系统组成系统组成 nCPU: 控制器、运算器、寄存器控制器、运算器、寄存器n存储器存储器nI/O单元单元n电源电源n扩展接口扩展接口n编程设备编程设备n其他部件其他部件2005.2 V1.020n I/O单元单元广义包含两部分：广义包含两部分：（1）与被控设备相连接的接口电路；）与被控设备相连接的接口电路；（2）输入和输出的）输入和输出的映像寄存器映像寄存器。 输入单元接收来自用户设备的各种控制信号，通过输入单元接收来

16、自用户设备的各种控制信号，通过接口电路接口电路将这将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映映像寄存器像寄存器。运行时。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出接口电路输出接口电路将其由弱电将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动被控设备的执控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动被控设备的执行元件。行元件。 2005.2 V1.021输入电路的电源输入电路的电源可由外部供给，也可由可由外部

17、供给，也可由PLC内部提供。内部提供。输出电路电源输出电路电源由外部提供。由外部提供。2005.2 V1.0223.6 PLC与其他控制系统的区别与其他控制系统的区别 1.控制逻辑：软硬控制逻辑：软硬2. 工作方式：并行串行工作方式：并行串行3. 可靠性和可维护性可靠性和可维护性4. 控制速度控制速度5. 定时控制定时控制6. 设计和施工设计和施工n 与继电器控制系统区别与继电器控制系统区别 P1072005.2 V1.0231.本质区别本质区别2. 使用场合使用场合3. 使用过程使用过程4. 使用成本使用成本5. 学习难易程度学习难易程度6. 就业方向就业方向n 与单片机控制系统区别与单片机

18、控制系统区别 P1092005.2 V1.024n 课程回顾课程回顾背景背景要求：要求：GM10条条设计原则设计原则是什么？是什么？功能功能成本成本功能功能适用领域适用领域阶段阶段趋势趋势I/O容量容量结构结构（1）PLC的产生的产生（2）PLC的定义的定义（3）PLC的特点的特点（4）PLC的应用的应用（6）PLC的分类的分类（5）PLC的发展的发展（7）PLC的组成的组成（8）PLC与其他与其他 控制系统的区别控制系统的区别 继电接触继电接触单片机单片机2005.2 V1.0253.7 PLC的的工作原理工作原理 1. PLC的的运行方式运行方式n理解理解PLC的运行过程的运行过程 （和继

19、电器系统比较和继电器系统比较）2005.2 V1.026nPLC工作的工作的典型例子典型例子 按钮输入信号：按钮输入信号： 连接到连接到PLC输入端；输入端； PLC中的程序：中的程序：综合各个综合各个 信号的状态执行用户程序；信号的状态执行用户程序； PLC计算结果：计算结果：通过输出通过输出 端输出来控制电动机的动作。端输出来控制电动机的动作。2005.2 V1.027l 工作过程工作过程 上电处理上电处理： 初始化初始化 扫描过程扫描过程 出错处理出错处理2005.2 V1.028l PLC的工作的工作按按集中输入、集中输出，周期性循环扫描集中输入、集中输出，周期性循环扫描 的的方式进行

20、工作方式进行工作的。的。l 扫描周期扫描周期（工作周期）（工作周期）相关因素：相关因素：PLC工作方式工作方式 CPU的运算速度、的运算速度、I/O点情况、用户应用程序的长短点情况、用户应用程序的长短及编程情况等。及编程情况等。2005.2 V1.029如何理解如何理解I/O的的“集中集中”？2005.2 V1.030一个扫描周期内，完成一个扫描周期内，完成图中操作图中操作（或部分）（或部分）l 图图3-8形象描述形象描述PLC工作方式和过程工作方式和过程 2005.2 V1.031PLC的的中心内容中心内容l 输入采样阶段输入采样阶段习题习题12：PLC对对输入信输入信号有何号有何要求？要求

21、？ 一般情况下，一般情况下，PLC对输入信号的要求：输入信号的对输入信号的要求：输入信号的宽度宽度要大于一个扫描周期要大于一个扫描周期，否则很可能造成信号的丢失。，否则很可能造成信号的丢失。2005.2 V1.032l 程序执行阶段：程序执行阶段：从左到右，从上到下从左到右，从上到下的步骤顺序执行程序。的步骤顺序执行程序。l 输出刷新阶段：输出刷新阶段：所有指令执行完毕后，所有指令执行完毕后，元件映像寄存器元件映像寄存器中所中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段转存到有输出继电器的状态在输出刷新阶段转存到锁存器锁存器中，最后中，最后经过经过输出端子输出端子驱动外设。驱动外设。2005.2 V1.

22、0333.8 PLC的的编程语言编程语言n概述概述l PLC语言众多，差异限制了其开放性、可复用性和互换性。语言众多，差异限制了其开放性、可复用性和互换性。l IEC61131-3: PLC编程语言标准编程语言标准5种种 梯形图梯形图LD 功能块图功能块图FBD 顺序功能图顺序功能图SFC 结构化文本结构化文本ST 指令表指令表IL图形化图形化语言语言文本文本语言语言2005.2 V1.034触点、触点、连线、连线、线圈、线圈、盒子盒子n梯形图梯形图（LD, Ladder Diagram）：）：最常用、直观，简单，首选最常用、直观，简单，首选。l名字的由来名字的由来l定义及内容定义及内容l 能

23、流能流的概念：的概念：“能流能流”可以通过被激励（可以通过被激励（ON）的常）的常开触点和未被激励（开触点和未被激励（OFF）的常闭触点自左向右流。）的常闭触点自左向右流。2005.2 V1.035n语句表语句表(IL, Instruction List)l 特点：特点：比较比较精练精练，适合于熟悉适合于熟悉PLC和和有经验有经验的程序的程序员。员。l 助记符助记符：用容易：用容易 记忆的字符来代记忆的字符来代 表表PLC的某种操的某种操 作功能。作功能。2005.2 V1.036n顺序功能图顺序功能图（SFC, Sequential Function Chart）l 许多许多PLC提供了提供

24、了专用专用于于SFC编程的编程的指令指令。（本书第六章）。（本书第六章）l 图形化图形化l 亦称亦称“功能图功能图”， P186，图，图6-4l 可以对具有可以对具有并发、选择等复杂条件并发、选择等复杂条件的系统进行编程。的系统进行编程。2005.2 V1.037本章小结及作业本章小结及作业 本章小结本章小结n理解理解PLC和传统控制系统的和传统控制系统的本质区别本质区别nPLC的的特点特点nPLC的的工作方式工作方式n深刻理解深刻理解PLC的循环扫描过程（的循环扫描过程（PLC的的工作机理工作机理）n最常用的最常用的编程语言编程语言梯形图、指令表、功能图梯形图、指令表、功能图2005.2 V1.038 实际上提出了将实际上提出了将继电接触器继电接触器控制的控制的简单易懂、使用方便、简单易懂、使用方便、价格低廉价格低廉的优点，与的优点，与计算机计算机的的功能完善、灵活性、通用性好功能完善、灵活性、通用性好的的优点结合起来，将继电接触器控制的优点结合起来，将继电接触器控制的硬连线逻辑硬连线逻辑转变为计转变为计算机的算机的软件逻辑编程软件逻辑编程的设想。的设想。2005.2 V1.039 n顺序控制：顺序控