电气控制与plc应用第3章课件

1、电气控制与PLC应用（第三章）主 讲 ：王洪泉第3章 可编程控制器基础 了解可编程控制器产生的背景、特点、性能指标以及今后的发展方向掌握可编程控制器的硬件组成形式 熟悉可编程控制器的软件及工作过程 学习目标： 教学内容： 3.1 可编程控制器概述 3.2 可编程控制器的组成 3.3 可编程控制器的工作原理 3.4 可编程控制器的硬件基础 3.5 可编程控制器的软件基础 3.6 可编程控制器的性能指标及分类 第3章 可编程控制器基础 3.1 可编程控制器概述可编程控制器的英文名称是Programmable Controller，早期简称PC，后来为了与个人计算机（PC）区分，在行业中多称之为Pr

2、ogrammable Logic Controller，即可编程逻辑控制器，简称PLC，而这种称呼又与可编程控制器的起源和它本身的特点有关。 返回3.1.1 可编程控制器的产生与发展 美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司（GM）提出的10项指标，于1969年研制出第一台控制器，型号为PDP-14，它的开创性意义在于引入了程序控制功能，为计算机技术在工业控制领域的应用开辟了空间。 返回至上世纪70年代，PLC技术已经进入成熟期。推动PLC技术发展的动力主要来自于两个方面：其一是企业对高性能、高可靠性自动控制系统的客观需要和追求；其次，大规模及超大规模集成电路技术的飞速发展，微处理器性能

3、的不断提高，为PLC技术的发展奠定了基础并开拓了空间 。 3.1.1 可编程控制器的产生与发展 3.1.1 可编程控制器的产生与发展PLC对高性能的追求主要体现在：增强网络通信功能。 发展智能模块。 高可靠性。 编程软件标准化。 编程软件和语言向高层次发展。 3.1.3 可编程控制器的应用领域1、开关量逻辑控制 用价格较低，仅有开关量控制功能的可编程序控制器作为继电器控制系统的替代物。开关量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，如机床电气控制、冲压、铸造机械、运输带、包装机械的控制，电梯的控制，化工系统中各种泵和电磁阀的控制，冶金系统的高炉上料系统，以及各种生产线上。3.1.3 可编

4、程控制器的应用领域2、运动控制 可编程控制器可用于对直线或圆周运动的控制，如金属切削机床、装配机械、机器人、电梯等。3、闭环过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。可编程控制器通过模拟量I/O模块实现A/D、D/A转换并实行闭环PID控制。如加热炉、热处理炉等设备。3.1.3 可编程控制器的应用领域4、数据处理 具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以实现数据的采集、分析和处理。一般应用在大型控制系统如无人柔性制造系统，大型过程控制系统。5、通信 可以与计算机联网，构成网络系统，组成分级控制，实现DCS（集散控制系统）所完成的功能模拟量I/O、

5、高速计数输入、中断输入、机械运动控制、热电偶输入、条形码阅读器、多路BCD输入/输出、模糊控制器、PID回路控制、通信模块。7、大力开发智能I/O模块基金会现场总线（Foundation Field bus）过程现场总线 （ProfiBus）局域操作网络（LonWorks）控制器局域网络 （ CAN ）可寻址远程变送器数据通路协议 （HART）8、PLC与现场总线相结合基于现场总线的现场级与车间级自动化系统9、增强通信联网能力根据结构形式的不同，PLC分为：整体式模块式叠装式 整体式PLC的结构紧凑、体积小，小型机常采用这种结构。将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元，电源、通信

6、端口、IO扩展端口等组装在一个箱体内构成主机。模块式PLC系统配置灵活，大中型机常用这种结构。3.2 可编程控制器的组成整体式PLC（S7-200）3.2 可编程控制器的组成模块式PLC（S7-400）3.2 可编程控制器的组成 三菱公司的FX2N系列可编程序控制器吸收了整体式和模块式的优点,它的基本单元、扩展单元和扩展模块等高等宽，但是长度不同。它们不用基板，仅用扁平电缆连接，紧密组装成一个长方形。叠装式PLC3.2 可编程控制器的组成3.2.1 中央处理单元（CPU） 中央处理单元是PLC的核心部件，负责完成逻辑运算、数字运算以及协调系统内各部分的工作。它在系统程序的管理下运行，主要功能有

7、 ： 接受并存储由编程器键入的用户程序和数据；诊断电源故障以及用户程序的语法错误；读取输入状态和数据并存储到相应的存储区；读取用户程序指令，解释执行用户程序，完成逻辑运算、数字运算、数据传递等任务，刷新输出映像，将输出映像内容送至输出单元。 返回3.2.2 存储器单元PLC的存储器单元分成两个部分： 系统程序存储器；用于存放PLC生产厂家编写的系统程序，系统程序在出厂时已经被固化在PROM或EPROM中。 用户程序存储器。可分为程序存储区和数据存储区，程序存储器用于存放用户编写的控制程序，数据存储区存放的是程序执行过程中所需要的或者所产生的中间数据。 3.2.4 输入输出单元 输入/输出单元是

8、PLC与外部设备相互联系的窗口。3.2.4 输入输出单元 PLC的输入、输出单元也叫I/O单元，对于模块式的PLC来说，I/O单元以模块形式出现，所以又称为I/O模块。 I/O单元是PLC与工业现场的接口，现场信号与PLC之间的联系通过I/O单元实现。 工业现场的输入和输出信号包括数字量和模拟量两类，因此I/O单元也有数字I/O和模拟I/O两种，前者又称为DI/DO，后者又称为AI/AO。PLC的输入、输出单元还应包括一些功能模块，所谓功能模块就是一些智能化了的输入和输出模块。 3.2.4 输入输出单元 输入单元接收现场设备向PLC提供的信号， 例如由按钮、操作开关、限位开关、继电器触点、接近

9、并关、拨码器等提供的开关量信号。这些信号经过输入电路的滤波、光电隔离、电平转换等处理，变成CPU能够接收和处理的信号。直流输入电路3.2.4 输入输出单元 输出单元将经过CPU处理的微弱电信号通过光电隔离、功率放大等处理，转换成外部设备所需要的强电信号，以驱动各种执行元件，如接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等。继电器输出电路双向晶闸管输出电路内部电路T负载FUCOMR1LED晶体管输出电路 3.2.4 输入输出单元 输入单元类型：直流、交流、交直流3种。输出单元类型：继电器、晶体管、晶闸管3种方式。三种输出方式的区别：继电器既可用于直流，又可用于交流，晶体管输出只能用于直流输出 ，晶闸

10、管用于交流输出。继电器较晶体管及晶闸管寿命短。 继电器较晶体管及晶闸管相应速度慢。在需要频繁通断的场合，应选用晶体管及晶闸管输出。3.2.5 接口单元（对外部设备） 接口单元包括I/O扩展接口、通信接口、编程器接口和存储器接口及其它外部设备接口等。 PLC的I/O单元也属于接口单元的范畴，它完成PLC与工业现场之间电信号的往来联系。除此之外，PLC与其它外界设备和信号的联系都需要相应的接口单元 。 3.2.5 接口单元（对外部设备）接口单元通常有以下5种：I/O扩展接口 。用于扩展输入输出点数 。通信接口 。通常集成有RS232或RS422口，用于与PLC、上位机、远程I/O、监视器、编程器等

11、外部设备相连。 编程器接口 。PLC本体通常是不带编程器的，编程器接口是连接编程器的。存储器接口。存储器接口是为了扩展存储区而设置的。 其它外部设备接口。包括条码读入器的接口、打印机接口等等。 3.2.6 外部设备 PLC的外部设备种类很多，可以概括为以下四类：编程设备；除了用于编程，还可对系统作一些设定，以确定PLC的工作方式。 监控设备；将现场数据动态实时显示出来，以便操作人员随时掌握系统运行的情况。 存储设备；用于保存用户数据，避免程序丢失。 输入输出设备。用于接受信号和输出信号的专用设备，例如条码读入器、打印机等。 返回3.3 可编程控制器的工作原理可编程控制器是基于电子计算机的工业控

12、制器，从PLC产生的背景来看，PLC系统与继电器控制系统有着极深的渊源，因此可以比照着继电器系统来学习PLC的工作原理。 返回3.3.1 可编程控制器的等效电路 PLC的等效电路如下图所示：3.3.2 可编程控制器的工作过程 PLC的工作过程以循环扫描的方式进行，当PLC处于运行状态时，它的运行周期可以划分为3个基本阶段：输入采样阶段；PLC逐个扫描每个输入端口，将所有输入设备的当前状态保存到相应的存储区。程序执行阶段；在系统程序的指示下，CPU从用户程序存储区逐条读取用户指令，经解释后执行相应动作，产生相应结果，刷新相应的输出映像寄存器，期间需要用到输入映像寄存器、输出映像寄存器的相应状态。

13、 输出刷新阶段。系统程序将输出映像寄存器中的内容传送到输出锁存器中，经过输出接口、输出端子输出，驱动外部负载。 返回3.3.2 可编程控制器的工作过程PLC工作过程的特点总结如下： PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，这种方式减少了外界干扰的影响。 PLC的工作过程是循环扫描的过程，循环扫描时间的长短取决于指令执行速度、用户程序的长度等因素。 输出对输入的响应有滞后现象。PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，当采样阶段结束后，输入状态的变化将要等到下一个采样周期才能被接收，因此这个滞后时间的长短又主要取决于循环周期的长短。此外，影响滞后时间的因素还有输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间等

14、。 3.3.2 可编程控制器的工作过程当系统规模较大，I/O点数众多，用户程序比较长时，单纯采用上面的循环扫描工作方式会使系统的响应速度明显降低，甚至会丢失、错漏高频输入信号，因此大多数大中型PLC在尽量提高程序指令执行速度的同时，也采取了一些其它措施来加快系统响应速度。例如采用定周期输入采样、输出刷新，直接输入采样、直接输出刷新，中断输入、输出，或者开发智能I/O模块，模块本身带有CPU，可以与主机的CPU并行工作，分担一部分任务，从而加快整个系统的执行速度。 输出映像寄存器的内容取决于用户程序扫描执行的结果。 输出锁存器的内容，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定。 PLC当前实

15、际的输出状态，由输出锁存器的内容决定。 3.3.2 可编程控制器的工作过程在一个扫描周期，PLC的操作：3.3.2 可编程控制器的工作过程可编程控制器执行程序的本质:用触点和线圈实现逻辑运算线圈的通电、触点的闭合逻辑1（高电平）线圈的断电、触点的断开逻辑0（低电平)1. 与逻辑I0.0I0.1Q0.0000010100111IO.O( )I0.1Q0.0逻辑表达式：Q0.0=I0.0 I0.12. 或逻辑I0.2I0.3Q0.1000011101111逻辑表达式：Q0.1=I0.2 + I0.3IO.2Q0.1I0.3( )3. 非逻辑( )I0.4Q0.2逻辑表达式：Q0.2 = I0.4I

16、0.4Q0.20110SB1KMSB2KM继电器控制系统的梯形图PLC梯形图IO.O( )I0.1Q0.0Q0.0逻辑表达式： Q0.0=（I0.0 Q0.0) I0.13.4 可编程控制器的硬件基础 I/O单元是组成PLC系统的重要环节，本节以介绍I/O单元的硬件电路为主，在此基础上简单介绍PLC系统的硬件配置。应当说明的是，不同PLC在硬件的具体实现方案上总是有区别的，本节的任务是讨论一般性的原理，而非某一具体型号的结构特征，本书后续章节将针对不同型号的PLC，分别介绍其特点。 返回3.4.1 可编程控制器的I/O模块 PLC的输入输出部分，可以分为数字I/O（DI/DO）和模拟I/O（A

17、I/AO）两大类：数字量I/O（DI/DO）：数字量输入单元（直流的分源型和漏型）； 数字量输出单元（继电器、晶体管、晶闸管）。 模拟量I/O（AI/AO）：模拟量输入单元 ； 模拟量输出单元 。 3.4.1 可编程控制器的I/O模块数字量输入单元（直流）：图3-4 漏型数字量输入电路示意图 电阻R2和电容C构成RC滤波电路，光耦将现场信号与PLC内部电路隔离。3.4.1 可编程控制器的I/O模块数字量输入单元（交流）：图3-5 带整流桥的交流输入电路示意图 也可使用双向光电耦合器和双向发光二极管，去了桥式整流电路。 3.4.1 可编程控制器的I/O模块数字量输出单元（继电器式）：图3-6 继

18、电器输出电路示意图 3.4.1 可编程控制器的I/O模块模拟量输入单元： 模拟量输入信号可以是电压或电流，在选型时要考虑输入信号的范围（DC10V，010V，20mA，420mA）以及系统要求的A/D转换精度。 图3-7 8通道模拟输入单元原理框图 3.4.1 可编程控制器的I/O模块模拟量输出单元： 模拟量输出的过程与输入正相反，它将PLC运算处理过的二进制数字转换成相应的电量（例如420mA、010V等）。 图3-8 模拟量输出单元原理框图 3.4.2 可编程控制器的配置 PLC的品种繁多，其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各有自已的特点，适用场合也各有侧重。站在硬件选型的

19、角度，首先需要考虑的是设备容量与性能是否与任务相适应；其次要看PLC运行速度是否能够满足实时控制的要求。所谓设备容量，主要是指系统I/O点数的多少以及扩充的能力。对于纯开关量控制的应用系统，如果对控制速度的要求不高，比如单台机械的自动控制，可选用小型一体化PLC（如S7-200系列 ）。对于比较复杂，控制功能要求较高的系统（如需要PID调节 ，应当选用中、大型PLC（S7-300/400系列 ）。返回3.5 可编程控制器的软件基础 PLC是一种通用的、商业化的工业控制计算机，与个人计算机相仿，用户程序必须在系统程序的管理下才能运行。本节首先介绍PLC系统监控程序的运行情况，然后再介绍用户指令系

20、统的相关内容。 返回3.5.1 系统监控程序 系统监控程序执行过程分为以下几部分：初始化程序；CPU自诊断； 通信信息处理；输入刷新；用户程序执行；输出刷新；外部设备服务。 第一大类：公共操作第二大类：现场输入/输出第三大类：用户程序操作第四大类：服务外部设备3.5.1 系统监控程序初始化程序：作用是清零各个标志寄存器，清零输入、输出映像寄存器，清零各计数器，复位定时器等，为PLC开始正常工作“清理现场”。CPU自诊断 ：自诊断主要包括检查电源电压是否正常，I/O单元的连接是否正常，用户程序是否存在语法错误，对监控定时器定期复位等。 通信信息处理 ：这个阶段PLC要完成与网络及总线上其它设备的

21、通信任务，包括与PLC、计算机、智能I/O模块、数字处理器（DPU）等设备之间的信息交换。 外部设备服务 ：PLC在这个阶段与外部设备交换信息，包括编程器、图形监视器（监控设备）、打印机等。 3.5.2 用户应用程序 用户程序是由用户编写的，能够完成系统控制任务的指令序列。不同厂家的PLC会提供不同的指令集，但基本的编程元件和编程形式有许多共同之处。返回1. PLC的编程元件 （1）继电器 输入、输出映像寄存器里的每一位，在指令系统中都对应一个固定的编号，在图形编程语言（例如梯形图语言）中形象的用继电器线圈来表示，因此也常称之为输入继电器、输出继电器。同时为了满足对复杂逻辑关系的编程要求，还提

22、供大量的中间辅助继电器，它们也对应存储器中的某一固定区域。这些继电器都是所谓的“软元件”，它们的状态用一个二进制位就可以表示，1对应ON状态，0对应OFF状态，在用户程序中可以无限次使用它们的常开、常闭触点。 3.5.2 用户应用程序 (2)定时器 类似于继电器逻辑电路中的时间继电器，有延时接通、延时断开、脉冲定时等多种形式，可以组成复杂的时间顺序逻辑。定时器指令一般由线圈、定时时间设定值和当前计时值组成，PLC专门在存储器中开辟出一个区域，用以保存各个定时器线圈当前的状态（ON或OFF）以及时间的设定值和当前值。定时器的常开、常闭触点可以在用户程序中无限次使用。 3.5.2 用户应用程序（4

23、）触发器 该指令用于对状态位的置1和清零，状态位即为触发器线圈，它的ON状态一旦触发可以自保持，直至复位条件满足才变为OFF状态。触发器的常开、常闭触点同样可以无限次使用。（5）其它元件及指令 除上述4种逻辑元件之外，PLC指令系统一般还提供移位寄存器、数据寄存器、边沿检测、比较、运算、ASCII码处理以及数制转换等等多种指令。 3.5.2 用户应用程序2. PLC的编程语言（1）梯形图语言（LAD） 这是一种使用最广泛的语言，与继电器电路图非常相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂里熟悉电气控制的工程技术人员掌握。继电器逻辑电路 梯形图语言程序 3.5.2 用户应用程序（2）语句表语言（STL） 语句表语言类似于微机中汇编语言的助记符语言，由多条语句组成一个程序段，适合于经验丰富的程序员使用，可以实现某些用梯形图难以实现的功能。例如： （3）其它编程语言 0 LD X400 6