PLC应用技术-绪论-第一章-V

1、可编程控制器原理及应用可编程控制器原理及应用 绪绪 论论 绪绪 论论一、可编程控制器的简史及定义一、可编程控制器的简史及定义二、可编程控制器的特点二、可编程控制器的特点三、可编程控制器的应用三、可编程控制器的应用四、可编程控制器的发展前景四、可编程控制器的发展前景课程性质课程性质课程目的和要求课程目的和要求 一、一、 可编程控制器的简史及定义可编程控制器的简史及定义6060年代年代继电接触控制系统继电接触控制系统接线复杂接线复杂 改变设计困难改变设计困难简单简单 易懂易懂 价格便宜价格便宜 ： 1968年美国通用汽车公司（年美国通用汽车公司（GM），），为了适应汽车型号的不断更为了适应汽车型号

2、的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。 一、一、 2020世纪世纪7070年代中末期，年代中末期，PLCPLC进入了实用化发展阶段进入了实用化发展阶段 2020世纪世纪8080年代初，年代初，PLCPLC在先进工业国家广泛应用在先进工业国家广泛应用 2020世纪末期，世纪末期，PLCPLC已适应现代工业控制的需要已适应现

3、代工业控制的需要 2121世纪初的几年，随着计算机通讯技术的发展，世纪初的几年，随着计算机通讯技术的发展，PLCPLC重点发展重点发展了网络通讯能力，并广泛应用于工业控制系统的各个领域了网络通讯能力，并广泛应用于工业控制系统的各个领域 1969 1969年美国数字设备公司（年美国数字设备公司（DECDEC），），研制研制出世界上出世界上第一台第一台可编程序控制器可编程序控制器，并在，并在GMGM公司汽车生产线上首公司汽车生产线上首次应用次应用成功成功。一、一、 19801980年美国电气制造商协会（年美国电气制造商协会（NEMANEMA）正式将其命名为可编程正式将其命名为可编程序控制器（序控制

4、器（Programmable ControllerProgrammable Controller），），简称简称 PCPC。 为了和个人计算机（为了和个人计算机（PCPC）相区别，将最初用于逻辑控制的相区别，将最初用于逻辑控制的可编可编程控制器程控制器称为称为 PLCPLC（ProgrammableProgrammable logic Controllerlogic Controller）。）。 19851985年年1 1月国际电工委员会（月国际电工委员会（IECIEC）制定了可编程控制器的标准，）制定了可编程控制器的标准，并定义了并定义了 PLCPLC 。 可编程控制器是以微机技术为核心的通

5、用工业自动控可编程控制器是以微机技术为核心的通用工业自动控制装置制装置 ，简称，简称 PLCPLC。 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系可编程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，它采用一类统，专为在工业环境下应用而设计，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/ /输出控输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及制各种类型的机械或生产过程。可编程控制

6、器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。一个整体，易于扩充其功能的原则设计。一、一、一、一、 目前世界上目前世界上生产品牌生产品牌PLCPLC的著名公司的著名公司： 美国艾伦美国艾伦- -布拉德利公司布拉德利公司（ A-B A-B ：Allen-BradleyAllen-Bradley） 德国西门子公司（德国西门子公司（SiemensSiemens） 法国的施耐德公司法国的施耐德公司（ TE TE ：TelemecaniqueTelemecanique） 日本三菱公司（日本三菱公司（MITSUBISHIMITS

7、UBISHI） 日本欧姆龙公司（日本欧姆龙公司（OMRONOMRON） 日本富士电机公司（日本富士电机公司（Fuji ElectricFuji Electric） 日本东芝公司（日本东芝公司（TOSHIBATOSHIBA） 日本松下电工公司（日本松下电工公司（MEWMEW）等等 中国PLC市场二、二、 可靠性高，抗干扰能力强可靠性高，抗干扰能力强 通用性强，使用方便通用性强，使用方便 模块化结构，组合灵活模块化结构，组合灵活 编程简单，易学易用编程简单，易学易用 体积小，重量轻，能耗低体积小，重量轻，能耗低 系统设计、建造工作量小，改造容易系统设计、建造工作量小，改造容易三、三、 开关逻辑控制

8、开关逻辑控制 运动控制运动控制 闭环过程控制闭环过程控制 数据处理数据处理 通讯及联网通讯及联网四、四、速度更快、存储容量更大、可靠性更高速度更快、存储容量更大、可靠性更高向超小型和超大型方向发展向超小型和超大型方向发展规范化、标准化，出现通用编程语言规范化、标准化，出现通用编程语言通讯、联网能力更强，与工业控制计算机组网通讯、联网能力更强，与工业控制计算机组网出现出现PLCPLC品牌垄断国际市场的局面品牌垄断国际市场的局面技技 术术规规 模模产产 品品通通 讯讯市市 场场四、四、1 1了解可编程控制器的基本结构、特点和应用场合了解可编程控制器的基本结构、特点和应用场合2 2明确可编程控制器的

9、硬件配置、工作原理和工作过程明确可编程控制器的硬件配置、工作原理和工作过程3 3掌握可编程控制器基本逻辑指令及编程方法，掌握编程软件的使用掌握可编程控制器基本逻辑指令及编程方法，掌握编程软件的使用4 4熟悉可编程控制器功能指令及编程方法熟悉可编程控制器功能指令及编程方法5 5能正确使用可编程控制器并完成能正确使用可编程控制器并完成I/OI/O设备的接线设备的接线6 6掌握程序设计的思想和方法掌握程序设计的思想和方法7 7掌握程序运行和调试的方法，会分析实验与实训现象掌握程序运行和调试的方法，会分析实验与实训现象8 8具备阅读和分析实际应用程序与梯形图的能力具备阅读和分析实际应用程序与梯形图的能

10、力9 9能借助产品说明书和技术手册，查阅有关数据和功能，正确使用能借助产品说明书和技术手册，查阅有关数据和功能，正确使用PLCPLC1010能在生产现场进行简单的程序设计，运行、调试、维护能在生产现场进行简单的程序设计，运行、调试、维护PLCPLC控制系统控制系统 1.11.1 可编程控制器的硬件构成可编程控制器的硬件构成1.21.2 可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理1.1.1 CPU模块模块1.1.2 输入输出接口电路输入输出接口电路1.1.3 电源电源1.1.4 外部设备外部设备 1.1 可编程控制器的硬件构成可编程可编程控制器控制器主机主机可编程可编程控制器控制器编程器编程器

11、图图1.1 1.1 可编程控制器及编程器可编程控制器及编程器1.1 可编程控制器的硬件构成图图1.2 PLC1.2 PLC的硬件结构的硬件结构主机电源微处理器(CPU)运算器控制器输入单元存储器EPROM(系统程序)RAM(用户程序)外设I/O接口I/O扩展接口用户输入设备输出单元用户输出设备I/O扩展接口PLC或上位计算机图形监控系统EPROM写入器打印机盒式磁带机编程器外部设备 PLCPLC由由CPUCPU、存储器、输入存储器、输入/ /输出接口、输出接口、内部电源和编内部电源和编程设备几部分程设备几部分构成构成 接受、存储用户程序；接受、存储用户程序； 按扫描工作方式接收来自输入单元的数

12、据和信息，按扫描工作方式接收来自输入单元的数据和信息，并存入相并存入相 应的数据存储区；应的数据存储区； 执行监控程序和用户程序，完成数据和信息的逻执行监控程序和用户程序，完成数据和信息的逻辑处理，产生相应的内部控制信号，完成用户指令规辑处理，产生相应的内部控制信号，完成用户指令规定的各种操作；定的各种操作； 响应外部设备的请求。响应外部设备的请求。 CPUCPU是是PLCPLC的运算控制中心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运的运算控制中心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分的工作，其具体作用是：算、数学运算、协调系统内部各部分的工作，其具体作用是：CPUCPU模

13、块（中央处理器模块（中央处理器+ +存储器）存储器）RAM： 随机存储器，可读可写，没有断电保持功能。随机存储器，可读可写，没有断电保持功能。ROM：只读存储器，只读，不能写。只读存储器，只读，不能写。RAM存放用户程序存放用户程序ROM存放系统程序存放系统程序 存储器存储器用于存放系统程序、用户程序和运行中的数据。包括只读用于存放系统程序、用户程序和运行中的数据。包括只读存储器存储器( (ROM) )和随机存取存储器和随机存取存储器( (RAM) )。EPROM：可擦除程序的只读存储器，用紫外线照射芯片上的透可擦除程序的只读存储器，用紫外线照射芯片上的透镜窗口，可以擦除已写入的内容，而写入新

14、的程序。镜窗口，可以擦除已写入的内容，而写入新的程序。EEPROM：可电擦除的只读存储器，兼有可电擦除的只读存储器，兼有ROM的非易失性和的非易失性和RAM的随机存取的优点。的随机存取的优点。 输入输出接口输入输出接口是是PLC与工业控制现场各类信号连接的部分。与工业控制现场各类信号连接的部分。1.1.2 输入输出接口 输入接口输入接口用来用来接受接受生产过程的各种参数（生产过程的各种参数（输入信号输入信号）。）。 输出接口输出接口用来用来送出送出可编程控制器运算后得出的可编程控制器运算后得出的控制信息控制信息（输出信（输出信号），并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。号），并通过机外的

15、执行机构完成工业现场的各类控制。 为了适应可编程控制器在工业生产现场的工作，对输入输出接口为了适应可编程控制器在工业生产现场的工作，对输入输出接口有二个主要的要求：有二个主要的要求： 良好的抗干扰能力良好的抗干扰能力 能满足工业现场各类信号的匹配要求能满足工业现场各类信号的匹配要求可编程控制器为不同的接口需求设计了不同的接口单元：可编程控制器为不同的接口需求设计了不同的接口单元： 开关量输入接口开关量输入接口 其作用是把现场的开关量信号变成可编程控制器其作用是把现场的开关量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号。内部处理的标准信号。 开关量输入接口按可接纳的外部信号电源的类型不同，分为开关量输

16、入接口按可接纳的外部信号电源的类型不同，分为直流输直流输入单元入单元和和交流输入单元交流输入单元。 开关量输出接口按可编程控制器机内使用的器件不同，分为开关量输出接口按可编程控制器机内使用的器件不同，分为继电器继电器型型、晶体管型晶体管型和和可控硅型可控硅型。 开关量输出接口开关量输出接口 其作用是把可编程内部的标准信号转换成现场执行其作用是把可编程内部的标准信号转换成现场执行机构所需的开关量信号。机构所需的开关量信号。1 1开关量输入接口开关量输入接口图图1.3 1.3 直流开关量输入单元直流开关量输入单元光耦合器PLC内部电路LEDCR2R1VD电源1 1开关量输入接口开关量输入接口图图1

17、.3 1.3 交流开关量输入单元交流开关量输入单元双向耦合器PLC内部电路LEDCR3R1VD交流电源R2输入接口的接线方式（输入接口的接线方式（汇点式汇点式）图图1.4 1.4 输入电路的连接输入电路的连接 开关量输出接口，其作用是把开关量输出接口，其作用是把PLC的内部信号转换成现场执行机的内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。构的各种开关信号。 考虑负载的驱动电源时，还需选择输出器件的类型。考虑负载的驱动电源时，还需选择输出器件的类型。 继电器型继电器型的输出接口，可用于的输出接口，可用于交流及直流两种电源交流及直流两种电源，接通和断开，接通和断开的频率低，带负载能力强；的频率低，带

18、负载能力强； 晶体管型晶体管型的输出接口有较高的接通断开频率，但只适用于的输出接口有较高的接通断开频率，但只适用于直流驱直流驱动动的场合；的场合； 可控硅型可控硅型的输出接口仅用于的输出接口仅用于交流驱动交流驱动的场合，适用快速、频繁动作的场合，适用快速、频繁动作和大电流的场合。和大电流的场合。 开关量输出接口开关量输出接口输出电路原理图图1.6 1.6 继电器型输出单元继电器型输出单元1.1.继电器型输出接口继电器型输出接口PLC内部电路LEDVD交流电源KSL输出接口接线方式（输出接口接线方式（分组式分组式）图图1.7 PLC1.7 PLC的输出接口的输出接口 外外部部接接线线 模拟量输入

19、接口（模拟量输入接口（AD模块模块） 模拟量输入接口把现场模拟量输入接口把现场连续变化的模拟量连续变化的模拟量信号转换信号转换成适合可编程控制器内部处理的成适合可编程控制器内部处理的二进制数字信号二进制数字信号。模拟量信号输入后一般经运算放大器放大后进行模拟量信号输入后一般经运算放大器放大后进行AD转换，再转换，再经光电耦合后为可编程控制器提供一定位数的数字量信号。经光电耦合后为可编程控制器提供一定位数的数字量信号。光耦合器隔离A/D转换器滤波内部回路图图1.8 1.8 模拟量输入单元框图模拟量输入单元框图 模拟量输出接口（模拟量输出接口（ DA模块模块） 模拟量输出接口将模拟量输出接口将PL

20、C运算处理后的数字信号转换为相应的模运算处理后的数字信号转换为相应的模拟量信号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需求。拟量信号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需求。模拟量模拟量输出接口一般由光电隔离、输出接口一般由光电隔离、D DA A转换和信号驱动等环节组成转换和信号驱动等环节组成。信号转换内部回路光耦合器隔离D/A转换器图图1.9 1.9 模拟量输出单元框图模拟量输出单元框图1.1.2 输入输出接口输入输出接口 为了适应更复杂的控制工作的需要，可编程控制器还有一些智能控为了适应更复杂的控制工作的需要，可编程控制器还有一些智能控制单元，如制单元，如PID单元、高速计数器单元、温度控

21、制单元、通信单元、定单元、高速计数器单元、温度控制单元、通信单元、定位单元等。位单元等。特殊功能模块特殊功能模块都是独立的工作单元，它们和普通输入输出接都是独立的工作单元，它们和普通输入输出接口的区别在于都口的区别在于都带有独立的带有独立的CPU，有专门的处理能力有专门的处理能力。智能输入输出接口（智能输入输出接口（特殊功能模块特殊功能模块） 可编程控制器的电源包括可编程控制器的电源包括: :* * 为可编程控制器各工作单元供电的为可编程控制器各工作单元供电的开关电开关电源源* * 为掉电保护电路供电的为掉电保护电路供电的后备电源后备电源，一般为，一般为电池电池 1.1.4 外部设备外部设备

22、可编程控制器一般可配备的外部设备：可编程控制器一般可配备的外部设备： 编程器编程器 盒式磁带机，用以记录程序或信息盒式磁带机，用以记录程序或信息 打印机，用以打印程序或制表打印机，用以打印程序或制表 EPROM写入器，用以将程序写入用户写入器，用以将程序写入用户EPROM中中 高分辨率大屏幕彩色图形监控系统，用以显示或监视有关部高分辨率大屏幕彩色图形监控系统，用以显示或监视有关部分的运行状态分的运行状态编程器编程器1.2.1 1.2.1 扫描工作方式扫描工作方式1.2.2 1.2.2 程序执行过程程序执行过程1.2.3 1.2.3 输入输出的处理规则输入输出的处理规则1.2.4 1.2.4 信

23、息刷新方式信息刷新方式1.2.5 1.2.5 输入输出滞后时间输入输出滞后时间 扫描：扫描： 从从00000000号存贮地址开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存号存贮地址开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存贮地址号递增的方向顺序逐条扫描用户程序直到程序结束。贮地址号递增的方向顺序逐条扫描用户程序直到程序结束。 完成一次扫描程序后，再从头开始扫描，并周而复始地重复。完成一次扫描程序后，再从头开始扫描，并周而复始地重复。一个循环扫描过程称为扫描周期。一个循环扫描过程称为扫描周期。扫描过程分为三个阶段进行：即扫描过程分为三个阶段进行：即输入采样（输入处理）阶段，程序执行（程序处理）阶段，输出刷输

24、入采样（输入处理）阶段，程序执行（程序处理）阶段，输出刷新（输出处理）阶段。新（输出处理）阶段。输入采样输入采样程序执行程序执行输出刷新输出刷新输入采样输入采样程序执行程序执行输出处理输出处理一个扫描周期一个扫描周期Y0Y1Yn输输入入映映像像寄寄存存器器采样采样元元件件映映像像寄寄存存器器写写写写读读X0Y0Y0M0输输出出锁锁存存电电路路输输出出端端子子输输入入端端子子读读图图1.11 1.11 PLC PLC 的扫描工作过程的扫描工作过程X0X1Xn刷新刷新输入采样阶段：输入采样阶段： PLC PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态（开或关、以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信

25、号状态（开或关、即即ON或或OFF、“1”或或“0”）读入到输入映像寄存器中寄存起）读入到输入映像寄存器中寄存起来，称为对输入信号的来，称为对输入信号的采样采样，或称，或称输入刷新输入刷新。 接着转入程序执行阶段，接着转入程序执行阶段，在程序执行期间，即使输入状态变在程序执行期间，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不会改变。化，输入映像寄存器的内容也不会改变。输入状态的变化只能输入状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读入。在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读入。 程序执行阶段：程序执行阶段： 程序执行阶段，程序执行阶段，PLCPLC对程序按顺序进行扫描；对程序按顺序进

26、行扫描； 如果程序用梯形图表示，则总是按先左后右、先上后下的顺如果程序用梯形图表示，则总是按先左后右、先上后下的顺序进行扫描；序进行扫描； 每扫描到一条指令时，所需要的输入元件状态或其它元件的每扫描到一条指令时，所需要的输入元件状态或其它元件的状态分别由输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出，而将状态分别由输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出，而将执行结果写入到元件映像寄存器中；执行结果写入到元件映像寄存器中； 元件映像寄存器中寄存的内容，随程序执行的进程而动态变元件映像寄存器中寄存的内容，随程序执行的进程而动态变化化。 输出刷新阶段：输出刷新阶段： 程序执行完后，进入输出刷新阶段。此时，将元件

27、映像寄存器中所程序执行完后，进入输出刷新阶段。此时，将元件映像寄存器中所有输出继电器的状态转存到输出锁存寄存器，再去驱动用户输出设备有输出继电器的状态转存到输出锁存寄存器，再去驱动用户输出设备（负载），这就是（负载），这就是PLCPLC的实际输出。的实际输出。 扫描周期：扫描周期： PLC重复执行上述三个过程，每重复一次的时间就是一个工作周期重复执行上述三个过程，每重复一次的时间就是一个工作周期（或扫描周期）。工作周期的长短与程序的长短、指令的种类和（或扫描周期）。工作周期的长短与程序的长短、指令的种类和CPU执执行的速度有关。一个扫描过程中，执行指令程序的时间占了绝大部分。行的速度有关。一个

28、扫描过程中，执行指令程序的时间占了绝大部分。 PLC在每次扫描中，对输入信号采样一次，对输出信号刷新一次。在每次扫描中，对输入信号采样一次，对输出信号刷新一次。这就保证了这就保证了PLC在执行程序阶段，输入映像寄存器和输出锁存寄存器的在执行程序阶段，输入映像寄存器和输出锁存寄存器的内容或数据保持不变。内容或数据保持不变。 扫描工作方式的特点扫描工作方式的特点： 简单直观，简化了程序的设计，并为简单直观，简化了程序的设计，并为PLC的可靠的可靠运行提供了保证；运行提供了保证； 所扫描到的指令被执行后，其结果马上就可以被将要扫描所扫描到的指令被执行后，其结果马上就可以被将要扫描到的指令所利用；到的

29、指令所利用； 系统监视定时器系统监视定时器WDT可可监视每次扫描的时间，并在每个扫监视每次扫描的时间，并在每个扫描周期内都要对描周期内都要对WDT进行复位操作。如果系统的硬件或用进行复位操作。如果系统的硬件或用户软件发生了故障，户软件发生了故障，WDT就会就会超时自动报警，并停止超时自动报警，并停止PLCPLC的的运行，从而避免了程序进入死循环的故障。运行，从而避免了程序进入死循环的故障。输入映像寄存器的数据，取决于输入端子在输入采样阶段所刷新输入映像寄存器的数据，取决于输入端子在输入采样阶段所刷新的状态；的状态；输出映像寄存器的状态，由程序中输出指令的执行结果决定；输出映像寄存器的状态，由程序中输出指令的执行结果决定；输出锁存寄存器中的数据，由上一个工作周期输出刷新阶段存入输出锁存寄存器中的数据，由上一个工作周期输出刷新阶段存入到输出锁存电路中的数据来确定；到输出锁存电路中的数据来确定；输出端子的输出状态，由输出锁存寄存器中的数据来确定；输出端子的输出状态，由输出锁存寄存器中的数据来确定；程序执行中所需的输入、输出状态（数据），从输入映像寄存器程序执行中所需的输入、输出状态（数据），从输入映像寄存器或输出映像寄存器中读出。或输出映像寄存器中读出。 信息刷新的方式信息刷新的方式有多种。一般来说，输入刷新是在输入