可编程控制器技术课件

1、第二篇 可编程控制器技术第五章 可编程控制器(PLC)的基础知识2022/8/91本章重点与难点：PLC的结构组成与工作原理;PLC的编程语言2022/8/92章节安排：第一节 PLC的产生、定义及发展第二节 PLC的特点及应用第三节 PLC的分类、主要技术指标及生产厂家第四节 PLC的结构组成和工作原理第五节 PLC的软件及编程语言2022/8/93第一节 PLC的产生、定义及发展1.产生 可编程控制器的英文最初全称为：“Programmable Logic Controller ”，简称PLC。 PLC取代继电器执行逻辑、计算、计数等顺序控制功能，特别随着微电子技术、计算机技术发展以及微处

2、理器的出现，使PLC的功能不断地发展和完善。 1976年美国电气制造商协会（NEMA）经4年调查，正式定义可编程控制器为“Programmable controller” ，简称为PC或PLC。世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的 。2022/8/94 2. 定义： PLC是一种数字运算操作的电子系统，专门为在工业环境下应用而设计，它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外部设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于

3、扩充其功能的原则而设计。第一节 PLC的产生、定义及发展2022/8/95定义中有以下几点应值得注意的是： （1）PLC是数字运算操作的电子系统计算机（2）直接在工业环境下应用的工业计算机区别于微机的一个重要特征（3）面向用户指令编程方便（4）完成各种逻辑运算、顺序控制、定时计算等功能，并能进行数字量或模拟量输入输出控制能力。功能完善第一节 PLC的产生、定义及发展2022/8/963.发展1）20世纪70年代中末期，可编程控制器进入了实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。2）20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得了广泛的应用。 这个时期可编程

4、控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。许多可编程控制器的生产厂家已闻名于全世界。 如美国Rockwell自动化公司所属的AB（Allen-Bradley）公司，GE-Fanuc公司，日本的三菱公司和立石公司，德国的西门子（Siemens）公司等。他们的产品已风行全世界，成为各国工业控制领域中的著名品牌。 2022/8/973.发展3）20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业控制的需要。 从控制规模上来说，这个时期发展了大型机及超小型机； 从控制能力上来

5、说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各种控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元，通讯单元，使应用更加容易。 我国是20世纪80年代初引进、应用、研制、生产PLC的。目前，我国已能够生产中小型PLC，如上海东屋电气有限公司的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模。此外无锡华光公司、上海香岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。2022/8/983.发展预计21世纪PLC将要会有更大的发展。在技术上，计算机技术的新成果会更多地应用于PLC的设计及

6、制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能水平更高的品种出现。在产品规模上，会进一步向超小型及超大型两个方向发展。在产品的配套性能上，产品的品种会更丰富、规格更齐备。完美的人机界面、完备的通讯设备会更好地适应各种工业控制场合的需求。从市场上看，各国生产多品种PLC产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言。这将有利于可编程技术的发展及可编程产品普及的。 2022/8/993.发展 从网络的发展状况来看，PLC和其他工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系（Distributed Cont

7、rol System）中已有大量的PLC应用。伴随着计算机网络的发展，PLC作为自动化控制网络或国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。BACK2022/8/910第二节 可编程控制器的特点及应用一、PLC的特点（一）可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC采 用大规模集成电路技术，内部电路采用了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。（1）硬件措施屏蔽、滤波、隔离、模块式结构（2）软件措施故障检测、信息保护与恢复、WDT、程序检查和校验（二）配套齐全，功能完善，适用性强 PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种 规模的系列化产品。可用

8、于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。 2022/8/911近年来PLC的功能模块大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、计算机数控（CNC）等各种工业控制中。 加上PLC通讯能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。（三）易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC是面向工矿企业的工控设备，编程语言易于为工程技术人员接受.像梯形图语言的图形符号和表达方式与继电器电路图非常接近，只用PLC的少量开关逻辑控制指令就可以方便地实现各种电气控制电路的功能。（四）系统设计周期短，维护方便，改造容易 PL

9、C用存储逻辑代替接线逻辑，可以大大地减少外部的接线，使控制系统设计周期大大缩短。同时维护也变得容易。更重要的是同一设备经过改变程序来改变生产过程已成为可能。第二节 可编程控制器的特点及应用2022/8/912（五）体积小，重量轻，能耗低 超小型PLC，其底部尺寸小于100mm平方，重量小于150g，功耗仅数瓦。装入机械内部方便，是实现机电一体化的理想控制设备。2022/8/913二、可编程控制器的应用领域（一）开关量的逻辑控制 开关量的逻辑控制是PLC最基本、最广泛的应用领域，可用它取代传统的继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，又可用于多机群控制及自动化流水线。（二

10、）模拟量控制 在工业生产过程中，为了使可编程控制器能处理如温度、压力、流量、液位和速度等模拟量信号，PLC厂家都有配套的A/D、D/A转换模块用于模拟量控制。2022/8/914（三）运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。各主要PLC厂家几乎都有运动控制功能专用模块，如可驱动步进电机、伺服电机的单轴或多轴；位置控制模块，广泛地用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。（四）过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。如PID调节就是一般闭环控制系统中常用的调节方法。2022/8/915（五）数据处理 现代PLC具有数学

11、运算（含矩阵运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通讯功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。（六）通信及联网 PLC通信包含PLC之间的通信以及PLC与其他智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展将会加快，各PLC厂商都十分重视PLC的通讯功能，纷纷推出各自的网络系统。最新生产的PLC都具有通讯接口，实现通讯非常方便。BACK2022/8/916第三节 PLC的分类、主要技术指标 及生产厂家一、可编程控制器的分类 （一）按硬件的结构类型分类 为了便于

12、在工业现场安装，扩展，方便接线，其结构与普通计算机有很大区别，常见的有单元式、模块式及叠装式三种结构。1.单元式结构 CPU、RAM、ROM、IO接口及与编程器或EPROM写入器相连的接口等都装配在一起的整体装置基本单元。 特点：结构紧凑，体积小、成本低、安装方便。缺点是输入输出点数是固定的，不一定适合具体的控制现场的需要。 扩展一些I/O接口而不含CPU和电源的装置扩展单元。 单元式系列PLC产品，具有不同点数的基本单元及扩展单元，单元的品种越多，系统配置就越灵活。2022/8/917 有些PLC产品中还具有一些特殊功能模块：高速计数模块、位置控制模块、温度控制模块等等。 智能单元，内部一般

13、有自己专用的CPU，它们可以和基本单元的CPU协同工作，构成一些专用的控制系统。2.模块式结构积木式结构 特点：（1）把PLC的每个工作单元都制成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、通讯模块等等。 （2）带有插槽的母板计算机总线；按控制系统需要选取相应的模块插到母板上，构成完整的PLC。 这类PLC的特点是系统构成非常灵活，安装、扩展、维修都很方便。缺点是体积比较大。第三节 PLC的分类、主要技术指标 及生产厂家2022/8/918图5.1 模块式可编程控制器 2022/8/9193.叠装式结构 叠装式结构是单元式和模块式相结合的产物。把某个系列的PLC工作单元的外形都制作成一致的外

14、观尺寸，CPU、IO口及电源也可做成独立的，不使用模块式PLC中的母板，采用电缆联接各个单元，在控制设备中安装时可以一层层地叠装，就成了叠装式PLC。图5.2 叠装式可编程控制器2022/8/9204.小结 单元式PLC一般用于规模较小，输入输出点数固定，不需要扩展的场合。 模块式PLC一般用于规模较大，输入输 出点数较多，输入输出点数比例灵活的场合。 叠装式PLC具有二者的优点，从近年来市场上看，单元式及模块式有结合为叠装式的趋势。2022/8/921 为了适应不同工业生产过程的应用要求，可编程控制器能够处理的输入信号数量是不一样的。输入点和输出点数的总和称为机器的点。 按照点数的多少，可将

15、PLC分为超小（微）、小、中、大、超大等五种类型。按功能分为低档机、中档机及高档机。 低档机以逻辑运算为主，具有计时、计数、移位等功能。 中档机一般有整数及浮点运算、数制转换、PID调节、中断控制及联网功能，可用于复杂的逻辑运算及闭环控制场合。 高档机具有更强的数字处理能力，可进行矩阵运算、函数运算，可完成数据管理工作，有更强的通讯能力，可以和其他计算机构成分布式生产过程综合控制管理系统。 （二）按应用规模及功能分类BACK2022/8/922第四节 PLC的组成和工作原理5.4.1PLC的结构组成 世界各国生产的可编程控制器的外观各异，但作为工业控制计算机，其硬件结构都大体相同。主要由中央处

16、理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出器件（IO接口）、电源及编程设备构成。PLC的硬件结构框图如图53所示。 2022/8/923图5-3 单元式PLC结构框图 2022/8/924一、中央处理器（CPU） 中央处理器是可编程控制器的控制中枢，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工作等任务。 一般说来，可编程控制器的档次越高，CPU的位数也越多，运算速度也越快，指令功能也越强。为了提高PLC的性能，也有的一台PLC采用了多个CPU的。二、存储器 存储器是可编程控制器存放系统程序、用户程序及运算数据的单元。可编程控制器的存储器可分为系统存储器（EPROM）

17、和用户存储器（RAM）两大类. 可编程控制器的存储器区域按用途不同，又可分为程序区及数据区。2022/8/925（1）程序区是用来存放用户程序的区域，一般有数千个字节。用来存放用户数据的区域一般较小，（2）数据区中，各类数据存放的位置都有严格的划分。（3）可编程控制器的数据单元也叫做继电器，如输入继电器、时间继电器、计数器等。不同用途的继电器在存储区中占有不同的区域。每个存储单元有不同的地址编号。三、输入输出接口 输入输出接口是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分。输入接口用来接受生产过程的各种参数。输出接口用来送出可编程控制器运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各

18、类控制。 生产现场对可编程控制器接口的要求是：一要有较好的抗干扰能力，二是能满足工业现场各类信号的匹配要求。2022/8/926 1、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内部处理的标准信号。 开关量输入接口按可接收的外信号电源的类型不同，分为直流输入单元和交流输入单元。 在一般单元式可编程控制器中输入口都使用可编程控制器本身的直流电源供电，不再需要外接电源。 2022/8/927图 5-4 直流输入电路2022/8/928 2、开关量输出接口 其作用是把PLC内部的标准信号转换成现场执行机构所需要的开关量信号。 特别需要指出的是，输出接口本身不带电源。在考虑外驱动电源时，

19、还需考虑输出器件的类型。（1）继电器式的输出接口可用交直流两种电源，但通、断频率低；（2）晶体管式的输出接口有较高的通、断频率，但只适用于直流驱动的场合；（3）晶闸管(可控硅)型的输出接口仅适用于交流驱动场合。2022/8/929图5-7 开关量输出电路2022/8/9303、模拟量输入接口 其作用是把现场连续变化的模拟量标准电压或电流信号转换成适合可编程控制器内部处理的二进制数字信号。标准信号是指符合国际标准的通用交互用电压电流信号值，如420mA的直流电流信号，110V的直流电压信号等。 图5-8 模拟量输入电路框图2022/8/9314、模拟量输出接口 它的作用是将可编程控制器运算处理后

20、的若干位数字量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要。 模拟量输出接口一般由光电隔离、DA转换和信号驱动等环节组成。 模拟量输入输出接口一般安装在专门的模拟量工作单元上。 图5-9 模拟量输出电路框图2022/8/9325、智能输入输出接口 为了适应较复杂的控制需要，PLC还有一些智能控制单元。如PID工作单元、高速计数器工作单元、温度控制单元等。这类单元大多是独立的工作单元。 区别在于它们一般带有单独的CPU，有专门的处理能力。在具体的工作中，每个扫描周期智能单元和主机的CPU交换一次信息，共同完成控制任务。 四、电源 可编程控制器的电源包括为可编程控制器各工作

21、单元供电的开关电源以及为掉电保护电路供电的后备电源，后备电源一般为电池。2022/8/933五、外部设备1、编程器 编程器除了编程以外，还具有一定的调试及监控功能，能实现人机对话操作。可编程控制器的编程设备一般有二类，一类是专用的编程器，有手持式的，其优点是携蒂方便，也有台式的，有的PLC机身上自带编程器。另一类是个人计算机。 手持式编程器又可分为简易型及智能型两类。前者只能联机编程，后者即可联机编程又可脱机编程，它的优点是在编程及修改程序时，可以不影响PLC机内原有程序的执行。也可以在远离主机的异地编程后再到主机所在地下载程序。 在个人计算机上运行PLC相关的编程软件即可完成编程任务。借助软

22、件编程比较容易，一般是编好了以后再下载到PLC中去。2022/8/934图5-10 FX20P手持式编程器2022/8/9352、其他外部设备 PLC还配有其他一些外部设备： （1）盒式磁带机，用以记录程序或信息。 （2）打印机，用以打印程序或制表。 （3）EPROM写入器，用以将程序写入到用户EPROM中。 （4）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。2022/8/936对PLC输入输出接口的小结常用的输入/输出模块：（1）开关量输入/输出接口模块（2）模拟量输入/输出接口模块（3）智能输入/输出接口开关量输入接口模块:三种输入方式：（1）直流信号输入方式（2）交

23、直流信号输入方式（3）交流信号输入方式注意：一般情况下，PLC的输入信号的电源由PLC自身提供，但交流信号输入信号，PLC不提供电源。2022/8/937注意：一般情况下，PLC的输入信号的电源由PLC自身提供，但交流信号输入信号，PLC不提供电源。开关量输出接口模块按负载使用的电源分为：（1）直流输出模块（2）交流输出模块（3）交直流输出模块按输出开关器件可分为：（1）晶体管输出方式（2）晶闸管（可控硅）输出方式（3）继电器触点输出方式注意：1）按响应速度来看，晶体管响应最快，继电器输出最慢。 2）从安全隔离效果、可靠性来看，继电器触点输出最佳。 3）输出电源均由用户供给，输出模块仅提供有一

24、定通断能力的常开触点。2022/8/938模拟量输入/输出接口模块 模拟量输入/输出接口模块的主要功能是数据转换，即模拟量转换为数字量，或者数字量转换为模拟量。 模拟量输入/输出接口模块可与PLC的基本单元总线相连，其数据可以调用和处理。2022/8/9395.4.2 可编程控制器的工作原理 可编程控制器的工作原理与计算机的工作原理基本上是一致的，可以简单地表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务。 不同之处:PLC是在确定了工作任务，装入了专用程序后成为一种专用机，采用循环扫描的工作方式，系统工作任务管理及应用程序执行都是以循环扫描方式完成的。一、分时处理及扫描工作方式PLC系

25、统正常工作时要分时完成如下的任务： 1.计算机内部各工作单元的调度、监控； 2.计算机与外部设备间的通讯； 3.用户程序所要完成的工作 每项工作又都包含着许多具体的工作，以用户程序的完成来说又可分为以下三个阶段。2022/8/9401、输入处理阶段输入采样阶段扫描输入端子上的所有信息将上述信息存入相应的输入映像寄存器，进行输入刷新当CPU采样“允许”进入程序执行阶段2022/8/9412、程序执行阶段获取上一阶段存入输入映像寄存器的输入端子上的信息从输出映像寄存器读入对应的当前信息按照PLC梯形图程序扫描原则：先左后右，先上后下，逐句扫描语句2022/8/9423、输出处理阶段输出刷新阶段输出

26、信息存入在输出映像寄存器待程序执行结束后，将存入在输出映像寄存器的所有信息转存到输出锁存器集中将输出锁存器的信息，以一定方式输出，驱动外部负载。2022/8/943二、扫描周期及PLC的两种工作状态 PLC有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。运行状态是执行应用程序的状态。停止状态一般用于程序的编制与修改。2022/8/944图5-15 扫描过程示意图 2022/8/945 PLC在RUN工作状态时，执行一次扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为1100ms。 某些厂家在说明书中还给出了执行各种指令所需的时间。一般说来，一个扫描过程中，执行指令的时间占了绝大部分

27、。三、输入输出滞后时间 输入输出滞后时间又称为系统响应时间，是指PLC外部输入信号发生变化的时刻起至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻止之间的时间间隔。 它由输入电路的滤波时间、输出模块的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分所组成。 输入模块采用RC滤波, 其典型值为10ms左右。输出模块的滞后时间与输出所用的开关元件的类型有关： 若是继电器型输出电路，负载被接通时的滞后时间约为1ms，负载由导通到断开时的最大滞后时间为10ms； 晶体管型输出电路的滞后时间一般在1ms左右，因此开关频率高。 2022/8/946图5-16 PLC的输入/输出延迟 Y000Y001Y002X000Y

28、001Y001输入输出执行第一周期输入输出执行第二周期输入输出执行第三周期X000Y000Y001Y002输入信号2022/8/947 扫描工作方式引起的滞后时间可用图516来说明： 输入信号在第一个扫描周期的输入处理阶段之后才出现，所以在第一个扫描周期内各数据锁存器均为“0”状态。 在第二个扫描周期的输入处理阶段，输入继电器X000的输入锁存器变为“1”状态。在程序执行阶段，由梯形图可知，Y001，Y002依次接通，它们的输出锁存器都变为“1”状态。 在第三个扫描周期的程序执行阶段，由于Y001的接通使Y000接通。 Y000的输出锁存器驱动负载接通，响应延迟最长可达两个多扫描周期。 PLC

29、总的响应延迟时间一般只有数十毫秒 2022/8/948PLC工作过程特点：（1）周期循环扫描： 每个扫描周期进行一次输入/输出操作。（2）集中采样，集中输出： PLC处理的输入信号是输入映像寄存器的信号，并非输入端子上的实际信号。 PLC运算后的输出信号直接放入输出映像寄存器，不输出到输出端子上。待扫描结束，将最后存入在输出映像寄存器的信息集中输出到输出端子上。2022/8/949补充：编程控制器系统与继电接触器系统工作原理的差别1.逻辑关系上的差别 继电器、接触器用导线依一定的规律将它们连接起来得到的控制系统，接线表达了各元器件之间的关系。要想改变逻辑关系就要改变接线关系，显然是比较麻烦的。

30、 而PLC是计算机。在它的接口上接有各种元器件，而各种元器件之间的逻辑关系是通过程序来表达的，改变这种关系只要重新编排原来的程序就行了，比较方便。2.运行时序上差别 继电器的所有触点的动作是和它的线圈通电或断电同时发生的。 但在PLC中，由于指令的分时扫描执行，同一个器件的线圈工作和它的各个触点的动作并不同时发生。 由此可知：继电接触系统是并行工作方式，PLC是串行工作方式。 2022/8/950第五节 可编程控制器的软件一、可编程控制器的软件分类可编程控制器的软件包含系统软件和应用软件二大部分： 1、系统软件 系统软件包含系统的管理程序，用户指令的解释程序，另外还包括一些供系统调用的专用标准

31、程序块等。 系统软件在用户使用PLC之前就已装入机内，并永久保存，在各种控制工作中并不需要做什么调整。2、应用软件 应用软件也叫用户软件。采用PLC厂家提供的编程语言自主编制的程序。2022/8/951两个基本概念：（1）根据控制要求使用导线连接继电-接触器来确定控制器件间逻辑关系的方式叫做接线逻辑（接线程序控制）。（2）用预先存储在PLC机内的程序实现某种控制功能，就是人们所指的存储逻辑（存储程序控制）。第五节 可编程控制器的软件2022/8/952接线程序控制2022/8/953存储程序控制2022/8/954接线程序控制和存储程序控制区别（1）接线程序控制又称继电器控制系统，通过导线连接

32、实现控制功能，控制功能的更改需要改变硬件接线。（2）存储程序控制又称PLC控制系统，通过存储器的程序实现控制功能，修改软件程序即可改变控制功能，无需改变硬件接线。（3）继电器控制系统采用硬逻辑并行的方式，若继电器的线圈通电或断电，其所有触点不论在线路何处都立即同时动作。（4）PLC控制系统采用顺序逐次扫描方式，若线圈接通或断开，其所有触点不会立即动作，而是等扫描到该触点时才会动作。但是PLC扫描程序时间100ms，满足实时控制要求。2022/8/955图5-12 实现多地址控制异步电动机启/停的PLC控制方案及程序2022/8/956二、应用软件编程语言的表达方式 应用程序的编制采用生产厂方提供的编程语言。至今为止还没有一种能适合于各种可编程序控制器的通用编程语言。但可编程序控制器的编程语言及编程工具都大体差不多。一般常见的有如下几种编程语言的表达方式。1、梯形图（Ladder diagram） 梯形图语言是从继电器电路图演变过来的。梯形图中所绘的图形符号和继电器线路图中的符号十分相似。 梯形图是PLC编程语言中使用最广泛的一种语言。2022/8/957 PLC参与逻辑组合的元件可看成和继电器一样的器件，具有常开、常闭触点及线圈；且线圈的得电及失电将导致触点的相应动作。再用母线代替电源线；用能量流概念来代替继电