第3章PLC概述电气控制技术与plc,电子科技大学

1、第二部分第二部分 可编程控制器应用技术可编程控制器应用技术1. 赵跃华编,可编程控制器及其应用,成都:电子科技大学出版社,1998. 2. 常斗南等编,可编程控制器原理.应用.实验,北京:机械工业出版社,1998.3. 汪晓光等编,可编程控制器原理及应用,北京:机械工业出版社,1997.4. 万太福等编,可编程控制器及其应用,重庆大学出版社,1994.参考教材：参考教材：本部分主要讲授内容：本部分主要讲授内容：一、可编程控制器的基础知识一、可编程控制器的基础知识三、西门子三、西门子S7-200系列系列PLC指令系统指令系统四、四、PLC控制系统设计控制系统设计五、西门子五、西门子S7-200系

2、列可编程控制器，编程工具简介系列可编程控制器，编程工具简介第第3 3章章PLCPLC概述概述3.1 概述概述 可编程控制器简称PLC（Programmable Logic Controller），被称为现代工业控制的三大支柱之一(即PLC，机器人和CAD/CAM)。目前PLC已广泛应用于冶金、石油、矿业、机械、轻工等领域，为工业自动化提供了有力的工具，加速了机电一体化的实现。1、可编程控制器的定义、可编程控制器的定义2、可编程控制器从哪里来、到哪里去、可编程控制器从哪里来、到哪里去3、可编程控制器有何独特之处、可编程控制器有何独特之处4、可编程控制器的应用领域、可编程控制器的应用领域3.1.1

3、 可编程序控制器简介可编程序控制器简介第第3 3章章PLCPLC概述概述 可编程控制器是一种数字运算操作的高级电子系统，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顺序控制、定时、计数、逻辑运算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。 (国际电工委员会(IEC)颁布)1、可编程控制器的定义：、可编程控制器的定义：第第3 3章章PLCPLC概述概述 继电器控制系统的明显缺点： 体积大，可靠性低，查找故障困难。 特别是由于它是靠硬连线逻辑构成系统，所以接线复杂， 对生产工艺变化的适应性差。 继电器控制系统的优点： 简单易懂，

4、操作方便，价格便宜 计算机系统的优点： 功能完备，灵活性，通用性好2、可编程控制器从哪里来，往哪里去：、可编程控制器从哪里来，往哪里去：第第3 3章章PLCPLC概述概述 美国通用汽车公司(GM公司) 1968年提出了研制新型控制装置的十项指标，其主要内容如下：(1) 编程简单，可在现场修改和调试程序；(2) 价格便宜，性价比高于继电器控制系统；(3) 可靠性高于继电器控制系统；(4) 体积小于有继电器控制柜的体积，能耗少；(5) 能与计算机系统数据通信；2、可编程控制器从哪里来，往哪里去：、可编程控制器从哪里来，往哪里去：第第3 3章章PLCPLC概述概述(6) 输入量是交流115 V电压信

5、号（美国电网电压是110V）；(7) 输出量是交流115 V电压信号、输出电流在2 A以上，能直接驱动电磁阀等；(8) 具有灵活的扩展能力；(9) 硬件维护方便，采用插入式模块结构；(10) 用户存储器容量至少在4 KB以上2、可编程控制器从哪里来，往哪里去：、可编程控制器从哪里来，往哪里去：第第3 3章章PLCPLC概述概述 1969年，美国数字设备公司（DEC）根据上述要求研制出第一台可编程序控制器，型号为PDP-14 。第第3 3章章PLCPLC概述概述 PLC的发展阶段的发展阶段 发展阶段 时 间 控制功能第一阶段(初始阶段)1969年至20世纪70年代中期逻辑运算，计时.计数运算第二

6、阶段(扩展阶段)20世纪70年代中期至70年代末期扩展了其他运算功能第三阶段(成熟阶段)20世纪70年代末期至80年代中期实现了PLC的通信功能，初步形成分布式通信网络体系；数学运算功能也得到了较大扩充第四阶段(开放阶段)20世纪80年代中期开始通信系统开放，通信协议标准化，采用了标准的软件体系，增加了高级语言，大中型产品多数有CRT显示功能等第第3 3章章PLCPLC概述概述1.向微小型化和大型化两端发展2.大力开发智能模块，提高PLC的适应性.可靠性3.编程语言向高层次.标准化发展 4.PLC与PC机日益紧密结合5.PLC通信与联网能力不断增强可编程序控制器的发展趋势可编程序控制器的发展趋

7、势第第3 3章章PLCPLC概述概述1. 灵活、通用灵活、通用： PLC是通过存储在存储器中的程序实现控制功能的，如果控制功能需要改变的话，只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。3、可编程控制器特点：、可编程控制器特点：第第3 3章章PLCPLC概述概述1.灵活、通用灵活、通用2. 可靠性高、抗干扰能力强可靠性高、抗干扰能力强平均无故障时间一般可达35万小时- PLC采用的是微电子技术，大量的开关动作是由无触点的半导体电路完成的，因此不会出现继电器控制系统中的接线老化、脱焊、触点电弧等现象。-PLC还采取了以下主要措施来提高其可靠性。1）硬件措施： 对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，均

8、采用严格措施进行屏蔽，以防外界干扰。2）软件措施： 监控程序定期地监测外界环境；死循环报警；停电时利用后备电池供电。第第3 3章章PLCPLC概述概述1.灵活、通用灵活、通用2. 可靠性高、抗干扰能力强可靠性高、抗干扰能力强专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机3.编程简单、使用方便编程简单、使用方便-用微机实现控制，使用的是汇编语言，难于掌握，要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。而PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。第第3 3章章PLCPLC概述概述1.灵活、通用灵活、通用2. 可靠性高、抗干扰能力强可靠性高、抗干扰能力强专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机

9、3.编程简单、使用方便编程简单、使用方便4.接线简单接线简单5.功能强功能强6.体积小、重量轻、易于实现机电一体化体积小、重量轻、易于实现机电一体化第第3 3章章PLCPLC概述概述开关量的逻辑控制开关量的逻辑控制：-开关量的逻辑控制使PLC的最基本控制功能。目前，PLC首用的目标，就是用于开关量的控制。4、可编程控制器应用领域：、可编程控制器应用领域：第第3 3章章PLCPLC概述概述开关量的逻辑控制开关量的逻辑控制模拟量的闭环控制：模拟量的闭环控制：-PLC具有A/D/D/A转换及算术运算等功能，因此可以实现模拟量控制。4、可编程控制器应用领域：、可编程控制器应用领域：第第3 3章章PLC

10、PLC概述概述开关量的逻辑控制开关量的逻辑控制模拟量的闭环控制模拟量的闭环控制数字量的智能控制：数字量的智能控制：-利用PLC能接受和输出高速脉冲的功能，在配备了相应的传感器（如旋转编码器）或脉冲伺服装置（如环型分配器、功放、步进电机）就能实现数字量的智能控制。4、可编程控制器应用领域：、可编程控制器应用领域：第第3 3章章PLCPLC概述概述开关量的逻辑控制开关量的逻辑控制模拟量的闭环控制模拟量的闭环控制数字量的智能控制数字量的智能控制数据采集与监控：数据采集与监控：-利用PLC自检信号多的特点实现自诊断监控，减少系统的故障，提高累积平均无故障运行时间，同时可减低故障修复时间，提高系统的可靠

11、性。4、可编程控制器应用领域：、可编程控制器应用领域：第第3 3章章PLCPLC概述概述开关量的逻辑控制开关量的逻辑控制模拟量的闭环控制模拟量的闭环控制数字量的智能控制数字量的智能控制数据采集与监控数据采集与监控通信、联网及集散控制：通信、联网及集散控制：-利用PLC强大的通信联网功能，把PLC分布到控制现场，并实现各站间的通信，上下层间的通信，达到分散控制、集中管理，即构成了现在的PCS系统。4、可编程控制器应用领域：、可编程控制器应用领域：第第3 3章章PLCPLC概述概述PLC应用的典型例子 电梯 数控机床 厂矿控制4、可编程控制器应用领域：、可编程控制器应用领域：1、采用继电器控制、采

12、用继电器控制2、采用、采用PLC控制控制3、PLC的控制原理的控制原理3.1.2 PLC的控制原理简介的控制原理简介第第3 3章章PLCPLC概述概述 控制功能如下：按下起动按钮SB1，电机M1开始运转，过10秒钟后，电机M2开始运转；按下停止按钮SB2，电机M1，M2同时停止运转。1、继电器控制、继电器控制第第3 3章章PLCPLC概述概述 控制功能如下：按下起动按钮SB1，电机M1开始运转，过10秒钟后，电机M2开始运转；按下停止按钮SB2，电机M1，M2同时停止运转。2、PLC控制原理控制原理第第3 3章章PLCPLC概述概述第第3 3章章PLCPLC概述概述a) 当按下SB1时，输入继

13、电器I0.0的线圈通电，I0.0的常开触点闭合，使输出继电器Q0.0 的线圈得电，Q0.0对应的硬输出触点闭合，KM1得电M1开始运转，同时Q0.0的一个常开触点闭合并自锁。b) 当按下SB2时，输入继电器I0.1的线圈通电，I0.1的常开触点闭合，使输出继电器Q0.0、T32的线圈均断电，Q0.0的线圈也断电，Q0.0、Q0.1两个硬输出触点随之断开，KM1、KM2断电，M1、M2停运转。第第3 3章章PLCPLC概述概述3.1.3 PLC的基本组成与各部分的作用的基本组成与各部分的作用PLC的基本组成-按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。第第3 3章章PLCPLC概述概述 P

14、LC的基本组成的基本组成第第3 3章章PLCPLC概述概述1.中央处理单元CPU(Centre Processing Unit) 常有芯片8031、8051、Z80A、8085、68000等 CPU作为整个PLC的核心，起着总指挥的作用，主要完成以下功能： (1) 将输入信号送入PLC中存储起来 (2) 编译用户指令，完成各种操作 (3) 将结果送到输出端 (4) 响应外围设备请求2.存储器 系统程序存储器ROM，数据存储器RAM，用户程序存储器RAM(用锂电池备份)，EPROM，EEROM。第第3 3章章PLCPLC概述概述3.I/O单元开关量输入单元(1) 直流输入单元(2) 交流输入单元

15、开关量输出单元(1) 晶体管输出单元(2) 双向晶闸管输出单元(3) 继电器输出单元第第3 3章章PLCPLC概述概述(1) 直流输入电路 输入采用光电耦合电路，可大大减少电磁干扰，输入响应时间一般在2ms以下。第第3 3章章PLCPLC概述概述(2) 交流输入电路 输入采用光电耦合电路，可大大减少电磁干扰，输入响应时间一般在2ms以下。第第3 3章章PLCPLC概述概述 晶体管输出适用高频小功率负载(直流电源输出)，响应时间几十us几百us。(1) 晶体管输出电路第第3 3章章PLCPLC概述概述 晶闸管输出适用高频大功率负载(交流电源输出)，响应时间几百us几ms。(2) 双向晶闸管输出电

16、路第第3 3章章PLCPLC概述概述(3) 继电器输出电路 继电器输出适用低频大功率负载(交直流电源输出)，响应时间ONOFF 10ms，OFFON 8ms。第第3 3章章PLCPLC概述概述4.电源 PLC通常使用交流220V或直流24V工作电源。它的电源模块为其他各功能模块提供DC5V、DCl2V、DC24V等各种内部直流工作电源。 一般情况下，许多PLC可以为输入电路和外部的传感器提供直流24V的工作电源，但是驱动PLC负载的直流电源或交流电源一般由用户提供。第第3 3章章PLCPLC概述概述5. 编程器及其他可选外部设备 编程器是编制、编辑、调试、监控PLC的用户程序的必备设备，它主要

17、由键盘、显示器、工作方式选择开关和外存储器安插器等部件组成。它通过通信接口与PLC的CPU模块相联系，完成人机对话。第第3 3章章PLCPLC概述概述 1. PLC的工作过程 （1）公共处理（硬件检查、异常报警）（2）程序执行（3）扫描周期计算处理（4）I/O刷新（5）外设端口服务3.1.4 PLC的工作原理的工作原理第第3 3章章PLCPLC概述概述内部处理通信处理输入扫描执行用户程序输出处理RUN方式？否是开 始第第3 3章章PLCPLC概述概述3.1.4 PLC的工作原理的工作原理 PLC采用循环扫描工作方式，CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条。如此周而复始不断

18、循环。每一循环称为一个周期。0 1 2 9 10 ENDI/O刷新执行指令I/O刷新执行指令第一个扫描周期第二个扫描周期第第3 3章章PLCPLC概述概述按钮接触器按钮输入电路输入映像寄存器输出映像寄存器输出电路（ ）程序执行第第3 3章章PLCPLC概述概述用 户程 序输入映像区输出映像区输入端子输出端子输入信号输出信号用户程序执行输入采样与输出刷新PLC用户程序扫描和I/O操作的工作过程 第第3 3章章PLCPLC概述概述 I/O刷新是PLC对输入进行一次读取，将输入端各变量的状态重新读入PLC内部寄存器，同时将新的运算结果送到输出端。这实际上是将存放输入，输出状态的寄存器内容进行了一次更

19、新，故称为I/O刷新。 输入变量在I/O刷新前发生变化，输出可以响应，在本次I/O刷新后变化，本次输出不响应。 扫描周期长短取决于以下因素： 1. CPU执行指令速度 2. 每条指令占用时间 3. 程序长短 PLC这种循环扫描工作方式比微机的等待工作方式具有更高的可靠性，抗干扰能力更强。第第3 3章章PLCPLC概述概述 2.I/O响应时间 定义：从PLC系统的某一输人信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间为I/O响应时间。 由PLC的循环扫描过程可知，外界信息必须在前一个扫描周期的I/O扫描阶段之前准备好，并由PLC读入到输入映像区，在计算机内经历一扫描周期的时间，在本扫描周期的I

20、/O扫描阶段输出给外设，这是系统必须有的扫描时间，如图所示： 第第3 3章章PLCPLC概述概述I/O操作 扫描时间 扫描时间 程序扫描 程序扫描 输入接通延时 输出接通延时 周期扫描过程 外部输入信号 输入端子信号 输入映像区 外部输出信号 I/O响应时间PLC的I/O响应时间第第3 3章章PLCPLC概述概述 PLC的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言，也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。目前，还没有一种对各厂家产品都能很好兼容的编程语言。国际电工委员会制订的5 种标准编程语言如下。3.5 PLC的编程语言的编程语言第第3 3章

21、章PLCPLC概述概述 1.梯形图 梯形图是一种图形化的编程语言，沿用了传统的电气控制原理图中的继电器触点.线圈.串联和并联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。在程序中，最左边是主信号流，信号流总是从左向右流动的。梯形图由触点.线圈和指令框等构成。 （a）梯形图语言 （b）指令表语言第第3 3章章PLCPLC概述概述 2.指令表 适合于简单文本的程序设计。指令表是一种类似于计算机汇编语言的一种文本编程语言，即用特定的助记符来表示某种逻辑运算关系。一般由多条语句组成一个程序段。指令表适合于经验丰富的程序员使用，可以实现某些梯形图不易实现的功能。此外，梯形图和指令表之间可以相互转换，

22、例如图 (a)所示梯形图，可以转换为如图 (b)所示指令表。第第3 3章章PLCPLC概述概述 3.顺序功能图 适合于时序混合型的多进程复杂控制。顺序功能图也是一种图形化的编程语言，用来编写顺序控制的程序(如机械手控制程序)。在进行程序设计时，工艺过程被划分为若干个顺序出现的步，每步中包括控制输出的动作，从一步到另一步的转换由转换条件来控制，特别适合于生产制造过程。 4.功能块图 适合于典型固定复杂算法控制，如PID调节等。功能块图使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑，一些复杂的功能用指令框表示，适合于有数字电路基础的编程人员使用。功能块图采用类似于数字电路中逻辑门的形式来表示逻辑运

23、算关系。一般一个运算框表示一个功能。运算框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量。输入.输出端的小圆圈表示“非”运算，方框用“导线”连在一起。 第第3 3章章PLCPLC概述概述 5.结构化文本 适合于自编专用的复杂程序，如特殊的模型算法。结构化文本是为IEC61131-3 标准创建的一种PLC 专用的高级语言。与梯形图相比，易于实现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。西门子公司的PLC 使用的STEP7中的S7 SCL属于结构化控制语言，程序结构与C语言和Pascal语言相似，特别适合习惯使用高级语言进行程序设计的技术人员使用。 第第3 3章章PLCPLC概述概述 PLC性能的好坏

24、，也有一系列性能指标来评价它。这些指标主要有 ： 1. 存储容量 2. I/O点数 3. 扫描速度 4. 指令的功能与数量 5. 内部元件的种类与数量 6. 特殊功能单元 7. 可扩展能力第第3 3章章PLCPLC概述概述PLC技术性能技术性能1. 输入/输出点数(I/O点数) 指PLC外部输入、输出端子数。根据I/O点数PLC可分为小型PLC(256点以下)，中型PLC(2562048点之间)，大型PLC(2048点以上)。2. 扫描速度 执行一步指令的时间us/步或执行1000条指令所需时间ms/k。3. 内存容量 PLC能存放用户程序的多少，以步为单位，一条指令可能有好多步。4. 指令条

25、数 衡量PLC软件功能的指标。第第3 3章章PLCPLC概述概述5. 内部寄存器 中间结果、数据寄存器、定时器、计数器、特殊功能寄存器反映硬件功能指标。6. 高功能模块 高功能模块的多少，功能强弱是衡量PLC产品水平高低的一个重要标志。常用高功能模块有：A/D模块，D/A模块，高速计数模块，位置控制模块，智能PID模块，温度控制模块，速度控制模块，远程通讯模块等。第第3 3章章PLCPLC概述概述 S7-200 PLC系列具有极高的性价比，较强的功能使其无论在独立运动中，还是相连成网络皆能完成各种控制任务。它的使用范围可以覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动控制。其应用领域包括各种机床、纺

26、织机械、印刷机械、食品化工工业、环保、电梯、中央空调、实验室设备、传送带系统和压缩机控制等等。S7-200系列PLC有CPU21X和CPU22X两代产品，其中CPU22X型PLC有CPU221，CPU 222，CPU 224和CPU 226四种基本型号。本节以CPU 224型PLC为重点，分析小型PLC的组成。 S7-200系列微型系列微型PLC的组成及性能的组成及性能第第3 3章章PLCPLC概述概述小型PLC系统由主机（主机箱）、I/O扩展单元、文本/图形显示器、编程器组成。CPU 224主机的结构外形如图所示。 CPU 224型型PLC的组成的组成通 讯 口存 储 器 卡状 态 LED顶

27、 部 端 子 盖电 源 及 输 出 端 子底 部 端 子 盖输 入 端 子 及 传 感 器 电 源前 盖RUN/STOP开 关 及 电 位 器扩 展 I/O连 接 第第3 3章章PLCPLC概述概述 CPU224主机箱外部设有RS-485通讯接口（手持时或PC机）、文本/图形显示器、PLC网络等外部设备；还设有工作方式开关，模拟电位器，I/O扩展接口，工作状态指示和用户程序存储卡，I/O接线端子排及发光指示等。第第3 3章章PLCPLC概述概述1.基本I/O CPU 22X型PLC，具有两种不同的电源供电电压，输出电路分为继电器输出和晶体管DC输出两大类。CPU 22X系列PLC可提供4个不同

28、型号的10中基本单元CPU供用户选用，其类型及参数如表8.1所示。 CPU 224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O或35路模拟I/O点，13K字节程序和数据存储空间。 CPU 22X系列PLC的特点：CPU 22X主机的输入点为24VDC双向光耦输入电路，输出有继电器和DC（MOS型）两种类型（CPU 21X系列输入点为24VDC单向光藕输入电路，输出有继电器和DC、AC三种类型）。并且，具有30KHZ高速计数器，20KHZ高速脉冲输出，RS-485通讯/编程口，PPI、MPI通讯协议和自由口通讯能力。CPU 222及以上CPU还具有PID控制和扩展的能力，内部资源及指令系统更加丰富，功能更加强大。 第第3 3章章PLCPLC概述概述第第3 3章章PLCPLC概述概述 CPU 224主机共有I0.0I1.5等14个输入点和Q0.0Q1.1等10个输出点。CPU 224输入电路采用了双向光电藕合器，24V DC极性可任意选择，IM为I0字节输入端子的公共端，2M为I1字节输入端子的公共端。 在晶体管输出电路中采用了MOSFET功率驱动器件，并将数字量输出分为两组，每组有一个独立公共端，共有1L、2L两个公共端，