第3章PLC概述精品PPT课件

1、第二章 可编程序控制器概述1本章内容 PLC的产生和定义PLC的发展和应用PLC的特点PLC与其他控制系统的区别PLC的分类PLC的系统组成PLC的工作原理PLC的编程语言 可编程序控制器概述23.1 PLC的产生和定义 PLC的产生 可编程序控制器概述 上世纪70年代，继电器控制系统广泛应用于工业控制领域，特别是制造业。然而由于继电器控制系统自身的不足，使得其在应用过程中，面临了很多挑战。当时，计算机已经在很多科研机构、高等学校和大型企业开始应用，但主要用于数值运算。由于计算机本身的复杂性，编程难度高，难以适应恶劣的工业环境以及价格昂贵等原因，未能在工业控制中应用。 33.1 PLC的产生和

2、定义 PLC的产生 可编程序控制器概述 1968年，美国GM通用汽车公司提出“多品种小批量、不断翻新汽车品牌型号”的设想，并试图寻找一种新型控制器，以尽量减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件和接线，减少系统维护与升级时间，降低成本。希望将计算机的功能完备、灵活、通用等优点与继电器控制系统简单易懂、操作方便、价格便宜等优点相结合，设计一种通用的工业控制装置以满足生产需求。43.1 PLC的产生和定义 可编程序控制器概述基于此，提出了十项技术指标：1) 编程简单方便，可在现场修改程序；2) 硬件维护方便，最好是插入式结构；3) 可靠性要高于继电器控制装置；4) 体积要小于继电器控制装置；5) 可

3、将数据直接送入管理计算机；6) 成本上可与继电器竞争；7) 输入可以是交流115V；8) 输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀；9) 扩展时，原有系统只需做很小的改动； 10) 程序存储器容量至少可扩展到4KB。 被称为“GM10条”53.1 PLC的产生和定义 PLC的产生1969年DEC公司生产出第一台PLC。名字Programmable Logic ControllerPLC Programmable ControllerPC原因：计算机的发展，增加了许多功能 可编程序控制器概述63.1 PLC的产生和定义 PLC的定义可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而

4、设计。它采用了可编程序的存储器，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、易于扩充其功能的原则设计。 可编程序控制器概述73.2 PLC的发展 PLC的发展概述MODICON的084、日本的DS-80（71年）、欧洲（73年）；总体发展情况（功能方面）。PLC发展的五个阶段初级阶段 从第一台PLC问世到20世纪70年代中期。（简单功能、梯形图编程）崛起阶段 从20世纪70年代中期到80年代初期。（功能增强、推广应用）成熟阶段 从20世纪80年代初期

5、到90年代初期。（大规模应用、通信联网）飞速发展阶段 从20世纪90年代初期到90年代末期。（过程控制、复杂控制系统）开放性、标准化阶段 从20世纪90年代中期以后。（IEC61131） 可编程序控制器概述83.2 PLC的发展 PLC的发展趋势向小型化、专用化、低成本方向发展向大容量、高速度、信息化方向发展智能化模块的发展；人机界面（接口）的发展编程工具的发展 功能强大、价格低廉的HMI 基于PC的组态软件 在过程控制领域的使用以及PLC的冗余特性开放性和标准化通信联网功能的增强和易用化软PLC的概念PAC的概念PLC在现场总线控制系统中的位置 可编程序控制器概述93.3 PLC的应用领域

6、PLC为什么能得到广泛使用价格越来越低功能越来越强 与时俱进地发展 PLC的应用领域中小型单机电气控制系统 制造业自动化运动控制流程工业自动化 可编程序控制器概述103.4 PLC的特点 PLC的特点如下：抗干扰能力强，可靠性高 可编程序控制器概述（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1020ms；（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，

7、以防止故障扩大。 113.4 PLC的特点 PLC的特点如下：控制系统结构简单，通用性强 可编程序控制器概述 除了整体式的小型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、电源和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。 PLC控制系统的控制作用的改变主要不是取决于硬件的改变，而是取决于程序的改变。计数器、定时器、继电器等器件在PLC中变成了编程变量，控制作用的实现更加容易。123.4 PLC的特点 PLC的特点如下：编程方便，易于使用 可编程序控制器概述 PLC的设计者充分考虑到现场技术人员的技能和习惯，经常

8、采用的是梯形图方式的编程语言，它与继电器控制原理图相似，具有直观、清晰、修改方便、易掌握等优点，即便未掌握专门计算机技术的人也能很快熟悉，因而受到了广大现场技术人员的欢迎。133.4 PLC的特点 PLC的特点如下：功能强大，成本低 可编程序控制器概述 PLC运用了计算机、电子技术和集成工艺的最新技术，在硬件和软件两方面不断发展，使其具备很强的信息处理能力，可进行逻辑、定时、计数和步进等控制，能完成A/D与D/A转换、数据处理和通信联网等功能，随着PLC技术的不断发展，其功能也会不断增强。143.4 PLC的特点 PLC的特点如下：设计、施工、调试的周期短 可编程序控制器概述 PLC在许多方面

9、是以软件编程来取代硬件接线实现控制功能，大大减轻了繁重的安装接线工作，且编程简单，程序设计和调试修改也很方便安全，因此，大大缩短了PLC控制系统的开发周期。153.4 PLC的特点 PLC的特点如下：安装简单，维护方便 可编程序控制器概述 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。 163.5 PLC与其他控制系统的区别 与继电器控制系统的区别控制逻辑：软硬

10、工作方式：并行串行可靠性和可维护性控制速度定时控制设计和施工与IPC控制系统的区别与单片机控制系统的区别本质区别使用场合使用过程使用成本学习的难易程度 可编程序控制器概述173.5 PLC与其他控制系统的区别 与DCS、FCS的区别DCS的特点PLC的特点FCS的特点三者之间的融合 可编程序控制器概述183.6 PLC的分类 按I/O容量分小型机中型机大型机按结构形式分整体式模块式 可编程序控制器概述193.7 PLC的系统组成 可编程序控制器概述 可编程控制器是一种工业控制装置，从装置的组成来说，可编程控制器是由硬件系统和软件系统组成的。 203.7 PLC的系统组成 CPU存储器I/O单元

11、电源通信接口扩展接口编程设备其他部件 可编程序控制器概述213.7 PLC的系统组成 可编程序控制器概述整体式的硬件组成223.7 PLC的系统组成 可编程序控制器概述模块式PLC的硬件结构233.7 PLC的系统组成 可编程序控制器概述1.中央处理单元（CPU） 同一般的微机一样，CPU是PLC的核心。一般认为PLC中的CPU有三类：通用微处理器（如Z80、8086等）、单片计算机（如8031、8096等）和专用微处理器。历史上，小型PLC大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；大中型PLC大多采用16位通用微处理器和单片微处理器。 在PLC中的CPU又包含控制器和运算器，通过执行系统程序，

12、指挥PLC进行工作，归纳起来主要有以下几个方面作用：（1）接收从编程装置输入的程序和数据；（2）诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；（3）通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器中；（4）从存储器逐条读取用户程序，并执行程序；（5）根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。有些PLC还具有制表打印或数据通信等功能。243.7 PLC的系统组成 可编程序控制器概述2.存储器 存储器主要有两种：一种是可进行读写操作的随机存储器RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM、EPROM和E2PROM。 在PLC中，

13、存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。系统程序是由PLC的制造厂家编写的，和PLC的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC运行的平台。用户程序是随PLC的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。工作数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。253.7 PLC的系统组成 可编程序控制器概述3.输入/输出单元 输入/输出单元通常也叫I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控对象进行控制的依据；同时

14、PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。 由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口要实现这种转换。I/O接口一般都具有光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力。另外，I/O接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。 PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，有各种各样功能的I/O接口供用户选用。I/O接口的主要类型有：数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、模拟量输入、模拟量输等。常用的开关量输入接口按其使用的电源不同有两种类型：直流输入接口和交流输入接口，其基本电路如图2-3和

15、图2-4所示。263.7 PLC的系统组成 可编程序控制器概述图2-3直流输入接口原理图 273.7 PLC的系统组成 可编程序控制器概述图2-4 交流输入接口原理图283.7 PLC的系统组成 可编程序控制器概述 常用的开关量输出接口按输出器件不同有三种类型:继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出，其基本原理电路如图2-5、图2-6和图2-7所示。继电器输出接口可驱动交直流负载，但其响应时间长，动作频率低；而晶体管输出和双向晶闸管输出接口的响应速度快，动作频率高，注意前者只能用于驱动直流负载，后者只能用于交流负载。输出单元293.7 PLC的系统组成 可编程序控制器概述图2-5继电器输出接口

16、原理图303.7 PLC的系统组成 可编程序控制器概述图2-6 晶体管输出接口原理图 313.7 PLC的系统组成 可编程序控制器概述图2-7 双向晶闸管输出接口原理图323.7 PLC的系统组成 可编程序控制器概述4.通信接口 PLC配有各种通信接口，这些通信接口都带有通信处理器。PLC通过这些接口可与计算机或其它PLC等设备实现通信。与人机界面连接，可将控制过程图像显示出来；与其它PLC连接，可组成多机系统或连接成网络，实现更大规模控制。 工业上普遍使用的远程I/O必须配备相应的通信接口模块。333.7 PLC的系统组成 可编程序控制器概述5.智能接口模块 智能接口模块是一独立的计算机系统

17、，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口。它作为PLC系统的一个模块，通过总线与PLC相连，进行数据交换，并在PLC的协调管理下独立地进行工作。 PLC的智能接口模块种类很多，如高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块等。343.7 PLC的系统组成 可编程序控制器概述6.编程装置 编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可在线控制PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的工具。常见的编程装置有手持编程器和计算机编程。 计算机编程是现在的主流。它既可以编制、修改PLC的梯形图程序，又可以监视系统运行、打印文件、并可以进行程序仿

18、真。 353.7 PLC的系统组成 可编程序控制器概述7.电源及其它外部设备 PLC配有开关电源，以供内部电路使用。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值15%的范围内波动。一般PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电。 除了上述的部件和设备外，PLC还有一些其它外部设备，如EPROM写入器、外存储器、人机接口装置等。 363.8 PLC的工作原理 PLC的运行方式理解PLC的运行过程（和继电器系统比较） 可编程序控制器概述373.8 PLC的工作原理 PLC的运行方式形象理解典型例子 可编程序控制器概述3

19、83.8 PLC的工作原理 PLC的运行方式 PLC一般有两种工作状态： RUN和STOP。RUN状态是PLC的运行状态； STOP（PRG）状态是停止状态，也叫编程状态，下载程序时PLC必须处于停止状态 。PLC上有选择开关来决定PLC当前的状态，也可以通过上位机来设置PLC的状态。PLC的工作方式PLC的工作按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。工作过程 上电处理扫描过程出错处理 可编程序控制器概述393.8 PLC的工作原理 PLC的运行方式形象理解PLC的工作方式 可编程序控制器概述403.8 PLC的工作原理 PLC扫描过程的中心内容输入采样阶段一般情况下，PLC对输

20、入信号的要求程序执行阶段输出刷新阶段 可编程序控制器概述41 可编程序控制器概述（1）输入采样 在输入采样阶段，PLC按顺序对所有输入接口的输入状态进行采样，并存入输入映像寄存器中，此时输入映像寄存器被刷新。 输入映像寄存器中的变量，我们称为输入继电器，一般用I或X表示,如图2-18中的I0.0和I0.1等，其状态分为有输入（ON或1）和没有输入（OFF或0）两种，而且完全由外界的输入端决定，不能由程序改变其状态。 PLC在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。当PLC进入程序执行阶段后，输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。这种方式称为集中

21、采样。所谓集中采样是在一个扫描周期内，集中一段时间对输入状态进行采样。3.8 PLC的工作原理 42 可编程序控制器概述（2） 执行程序 如图2-18，在程序执行阶段，PLC按顺序对用户程序进行扫描执行。若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。 当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入输出映像寄存器和元件映像寄存器中。对于输出映像寄存器和元件映像寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。 在程序执行阶段，用户程序的执行和PLC的输入输

22、出接口一般不直接发生关系，只处理和决定变量的状态。 3.8 PLC的工作原理 43 可编程序控制器概述（3）输出刷新 在某一扫描周期内，当所有程序执行完毕后，进入输出刷新阶段。在这一阶段里，PLC将输出映像寄存器中的输出继电器状态，转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。 在用户程序中，一般只对输出继电器进行一次赋值，也就是说输出继电器的线圈只能出现一次。有些PLC允许对输出结果多次赋值，则最后一次有效，但对初学者一般不推荐对输出继电器多次赋值。 在一个扫描周期内，只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映像寄存器中输出，对输出接口进行刷新。在其它阶段里出状态一直保存在输出映象寄存器中

23、。这种方式称为集中输出。 3.8 PLC的工作原理 44 可编程序控制器概述对于小型PLC，其I/O点数较少，用户程序较短，一般采用集中采样、集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但使PLC工作时大多数时间与外部输入输出设备隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的总体响应速度。而对于大中型PLC，其I/O点数较多，控制功能强，用户程序较长，为提高系统响应速度，可以采用定期采样、定期输出方式,或中断输入、输出方式以及采用智能I/O接口等多种方式。3.8 PLC的工作原理 453.8 PLC的工作原理 PLC对输入/输出的处理原则输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上

24、各输入点在上一刷新期间的接通和断开状态。程序执行结果取决于用户所编程序和输入/输出映像寄存器的内容及其他各元件映像寄存器的内容。输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果。输出锁存器中的数据，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定。输出端子的接通和断开状态，由输出锁存器决定。 可编程序控制器概述463.9 PLC的编程语言一、PLC的编程语言概述 可编程序控制器概述 PLC的用户程序是设计人员根据控制系统的工艺控制要求，通过PLC编程语言的编制设计的。根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准（IEC1131-3）， PLC编程语言有5种形式：（1）顺序功能图语言（Sequenti

25、al function chart ,SFC）（2）梯形图语言 （Ladder diagram ,LAD）（3）功能块图语言 （Function Block Diagram, FBD）（4）语句表 语言 （Statement List, STL）（5）结构文本语言 （Structured Text ,ST）473.9 PLC的编程语言1. 梯形图：最常用、最直观的编程语言。 可编程序控制器概述 梯形图语言是PLC程序设计中最常用的编程语言。它是与继电器线路类似的一种编程语言。由于电气设计人员对继电器控制较为熟悉，因此，梯形图编程语言得到了广泛的欢迎和应用。 梯形图语言是最常用的一种语言。它是一

26、种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号。左右的竖线称为左右母线，右边的母线经常省去。 梯形图中接点（触点）分为常开接点和常闭接点。接点可以属于PLC的输入继电器，也可以属于PLC的内部继电器或其它继电器。 梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈是并联的，不要串联。 内部继电器、计数器、定时器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。483.9 PLC的编程语言 可编程序控制器概述 另外梯形图编程语言与电气原理图相对应，具有直观性和对应性，与原有继电器控制相一致，电气技术人员易于掌握。 梯形图编程语言与原有的继电器控制的不同点是，梯形图中的能流不

27、是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，应用时需要与原有继电器控制的概念区别对待。 图2-9是典型的交流异步电动机直接启动控制电路图，图2-10是采用PLC控制的程序梯形图。493.9 PLC的编程语言 可编程序控制器概述图2-10 PLC的梯形图程序503.9 PLC的编程语言 可编程序控制器概述 语句表编程语言是与汇编语言类似的一种助记符编程语言，和汇编语言一样由操作码和操作数组成。在无计算机的情况下，适合采用PLC手持编程器对用户程序进行编制。同时，语句表编程语言与梯形图编程语言一一对应，在PLC编程软件下一般可以相互转换。图2-11就是与图2-10PLC梯形图对应的指令表

28、。 语句表编程语言的特点是：采用助记符来表示操作功能，具有容易书写的特点。但不够形象，不容易掌握；在手持编程器的键盘上采用助记符表示，便于操作，可在无计算机的场合用手持编程器进行编程设计；语句表与梯形图有对应关系。 语言表的使用需要较长时间的培训和练习，但有时可以实现某些梯形图不能实现的功能。 2. 语句表语言（STL）513.9 PLC的编程语言 可编程序控制器概述图2-11 PLC的语句表程序 523.9 PLC的编程语言 可编程序控制器概述3. 功能块图语言（FBD） 功能块图语言是与数字逻辑电路类似的一种PLC编程语言。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

29、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。功能块图用类似于与门、或门的框图来表示逻辑运算关系，方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，信号自左向右。采用功能块图的形式来表示模块所具有的功能，不同的功能模块有不同的功能。 功能模块图程序设计语言的特点是：以功能模块为单位，分析理解控制方案简单容易；功能模块是用图形的形式表达功能，直观性强，对于具有数字逻辑电路基础的设计人员很容易掌握的编程；对规模大、控制逻辑关系复杂的控制系统，由于功能模块图能够清楚表达功能关系，使编程调试时间大大减少。533.9 PLC的编程语言 可编程序