PLC基础培训课件

1、PLC基础培训 中油投产运行公司 邹柏全2011.9第一章可编程控制器的产生 可编程控制器的产生 PLC的分类1-1可编程控制器的产生 1969年 DEC公司研制出了第一台可编程控制器 1971年 日本开始生产可编程控制器 1973年 欧洲开始生产可编程控制器 可编程序控制器，在二十世纪七十至八十年代一直简称为PC。由于到90年代，个人计算机发展起来，也简称为PC；加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器（PLC），为了方便，仍简称PLC为可编程序控制器。有人把可编程序控制器组成的系统称为PCS可编程序控制系统，强调可编程序控制器生产厂商

2、向人们提供的已是完整的系统了。 1-2可编程控制器的发展现在已有第五代PLC产品 在八十年代至九十年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。由于PLC人机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步，挤占了一部分DCS的市场（过程控制）并逐渐垄断了污水处理等行业，但是由于工业PC（IPC）的出现，特别是近年来现场总线技术的发展，IPC和FCS也挤占了一部分PLC市场，所以近年来PLC增长速度总的说是渐缓。目前全世界有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）

3、等行业。 近年来在电力行业PLC逐渐显示出了其他产品不可替代的优势 在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30亿人民币，应用的行业也很广。但是与其它国家相比，在机械加工及生产线方面的应用，还需要加大投入。我国市场上流行的有如下几家PLC产品： 施耐德公司，包括早期天津仪表厂引进莫迪康公司的产品，目前有Quantum、Premium、Momentum等产品；2005年，Te又推出了最新产品 罗克韦尔公司（包括AB公司）PLC产品，目前有SLC、MicroLogix、ControlLogix等产品； 西门子公司的产品，目前有SIMATIC S7-400/

4、300/200系列产品； GE公司的产品；日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品。 AB PLC外形图2006-3-3 7 MicroLogix系列PLCSLC-500系列PLCPLC-5系统PLCControlLogix系列PLCCompactLogix系列PLCFlexLogix系列PLC施耐德（法国） PLC外形图2006-3-3 8 Twido系列PLCAtrium系列PLCPremium系统PLCQuantum系列PLCM340系列PLC欧姆龙（日本OMRON）PLC外形图C200H系列PLCCPM1A、CPM2A系列PLC超大型机 美国GE公司的9070机，其点数可达24000点，

5、另外还有8000路的模拟量。国际电工委员会（ IEC）于 1982.11月;1985.1和1987.2月发布了可编程序控制器标准草案的第1，2，3稿。 在第3稿中对可编程序控制器作了如下的定义： 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、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。” 1-3按结构形式分类整体式结构 整体结构形式的可编程序控制器是把中央处理单

6、元、存储器单元、输入输出单元、输入输出扩展接口单元、外部设备接口单元和电源单元等集中装在一个机箱内，输入输出接线端子及电源进出接线端子分别装在机箱的上下两侧。机箱的面板上有相应的发光二极管LED来指示输入输出、电源及系统运行的状态，面板上还留有输入输出扩展接口的插座。外部设备接口的插座和EPROM存储器的插座等。 这种整体式结构的PLC具有输入输出点数少，体积小等优点，适用于单体设备的开关量自动控制和机电一体化产品的开发应用等场合。 模块式结构 模块结构形式的可编程序控制器是把中央处理单元和存储器单元做成独立的模块，把输入输出单元等单元做成各自相应的独立模块，然后组装在一个带有电源单元的机架或

7、母板上。 1-5按功能分类低档：低档可编程序控制器以逻辑量控制为主，适用于继电器、接触器和电磁阀等的开关控制场合。它具有逻辑运算、计时、计数、移位等基本功能，还可能有输入输出扩展和与外部设备通信等功能。中档：中档可编程序控制器兼有开关量和模拟量的控制，适用于小型连续生产过程的复杂逻辑控制和闭环调节控制场合。它扩大了低档机中的计时、计数范围，增加了数字运算功能，具有整数和浮点数运算、数制转换、PID调节、中断控制和通信联网等功能。高档：高档可编程序控制器在中档机的基础上，增强了数字计算能力，具有矩阵运算、位逻辑运算、开方运算和函数等功能；增加了数据管理功能，可以建立数据库，用于数据共享和数据处理

8、；加强了通信联网功能，可以和其他可编程序控制器、上位监控计算机连接，构成分布式生产过程综合控制管理系统。 1-6 PLC的特点 （1）优点：1编程方法简单易学2可靠性高,抗干扰能力强 3通用性强4系统的设计、安装、调试工作量少 5维修工作量小，维修方便6体积小，能耗低 （2） 缺点1.主要是PLC的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的：如专用总线、专家通信网络及协议，I/O模板不通用，甚至连机柜、电源模板亦各不相同。2.编程语言虽多数是梯形图，但组态、寻址、语言结构均不一致，因此各公司的 PLC互不兼容。SIEMENS等公司已经开发出以个人计算机为基础，在Windows平台下，结合IEC1131

9、3国际标准的新一代开放体系结构的PLC。 PLC的应用领域 PLC在工业自动化中起着举足轻重的作用，在国内外已广泛应 用于机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、 交通等行业。经验表明， 80 以上的工业控制可以使用PLC来完成。主要有以下几个方面：1.数字量逻辑控制2.运动控制3.闭环过程控制4.数据处理5.通信联网第二章PLC基本组成 PLC的基本组成用户输出设备用户输入设备 I/O扩展 单元 特殊功 能单元主机输出单元输入单元 电 源外设接口I/O扩展口存 储 器 系统程序 存储器 C P U 用户程序 存储器盒式磁带机打印机EPROM写入器 上位计算机 PLC编程器可编程

10、终端PT2-1 PLC的基本组成2-3中央处理器 中央处理器（CPU）一般由控制电路、运算器和寄存器组成，这些电路一般都集成在一芯片上。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元、输入输出（I/O）接口电路相连接。图 PLC硬件系统框图2-4 CPU的主要功能l）从存储器中读取指令。CPU从地址总线上给出存储地址，从控制总线上给出读命令，从数据总线上得到读出的指令，并存入CPU内的指令寄存器中。2）执行指令。对存放在指令寄存器中的指令操作码进行译码，执行指令规定的操作，如读取输入信号，取操作数、进行逻辑运算或算术运算，将结果输出给有关部分。3）准备取下一条指令。CPU执行完一条指令后，能

11、根据条件产生下一条指令的地址，以便取出和执行下一条指令，在CPU的控制下，程序的指令既可以顺序执行，也可以分支或跳转。4）处理中断。CPU除顺序执行程序外，还能接收输入输出接口发来的中断请求，并进行中断处理，中断处理完后，再返回原址，继续顺序执行 。能够实现中断处理功能的部件称为中断系统。产生中断的请求源称为中断请求源。 中断源向CPU提出的处理请求，称为中断请求(或中断申请)。 CPU暂时终止自身的事务，转去处理中断事件的过程，称为CPU的中断响应过程。对事件的整个处理过程称为中断处理。 中断返回：处理完毕中断事件，再回到原来被中止的地方。 没有中断，CPU的大量时间会浪费在原地踏步的操作上

12、。下图所示：对事件的整个处理过程进入中断保护现场中断处理恢复现场中断返回所有的过程都需要软件来设置 2-5 存储器作用：存放系统程序，用户程序和数据。系统程序：决定PLC的基本智能，由厂家设计，并存入ROM、EEPROM。用户不能修改。用户程序：根据要求，用PLC的编程语言，编制的程序，用户用编程器写入RAM或EEPROM及Flash程序存储器。类型 (1)随机存取存储器(RAM)用户可以用编程装置读出RAM中的内容，也可以将用户程序写入RAM，它是易失性的存储器，它的电源中断后，储存的信息将会丢失。 (2)只读存储器(ROM) ROM的内容只能读出，不能写入。它是非易失的，它的电源消失后，仍

13、能保存储存的内容。ROM一般用来存放可编程序控制器的系统程序。 (3)可电擦除可编程的只读存储器(EEPROM) 它是非易失性的，但是可以用编程装置对它编程兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点，但是将信息写入它所需的时间比RAM长得多。EEPROM用来存放用户程序和需长期保存的重要数据。 (4) Flash程序存储器Flash可以被编程（在15MHz至40MHz的时钟频率范围内）或者使用电擦除的方式多次使用，以便进行程序的修改和开发。Flash模块特点：运行在3.3V电压模式。对Falsh编程时需要在VCCP上有5V（5）电压供电。Flash有多个向量，用来保护它，防止被擦除。Flash

14、的编程是由CPU来实现的。第三章PLC各I/O模块接口电路输入接口电路输出接口电路现场输入接口电路一般由光电耦合电路和微电脑输入接口电路组成。l）光电耦合电路。采用光电耦合电路与现场输入信号相连是为了防止现场的强电干扰进入PLC。光电耦合电路的关键器件是光耦合器，一般由发光二极管和光电三极管组成。 光耦合器的信号传感原理：在光耦合器的输人端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。光电三极管在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光耦合器的线性工作区，输出信号与输入信号有线性关系。 光耦合器的抗干扰性能：由于输入和输出端是靠光信号耦合的，在电气上是完全隔离的

15、，因此输出端的信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰或其它干扰。 由于发光二极管的正向阻抗值较低，而外界干扰源的内阻一般较高，根据分压原理可知，干扰源能馈送到输入端的干扰噪声很小。正是由于PLC在现场信号的输入环节采用了光电耦合，因而增强了抗干扰能力。2)微电脑的输入接口电路。它一般由数据输入寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路构成，这些电路集成在一个芯片上。现场的输入信号通过光电耦合送到输入数据寄存器，然后通过数据总线送给CPU。3-1 输入接口电路3-2 输入接口电路公共端光电三极管发光二极管直流电源输入端子+PLCXn+24V发光二极管采用光电耦合器，防止强电干扰公共端 COM+5VLE

16、DSR3R1AR2CT 内 部 电 路滤波 3-3 直流输入电路原理图外部开关输入点限流电阻输入点的状态显示光电耦合滤波电路去高频抖动LED+5VAR2TCOMSCR1 内 部 电 路R3滤波 R1 R2 构成分压电路3-4 交流输入电路原理图外部开关输入点输入点的状态显示光电耦合隔直电容模拟量输入单元原理图3-5 模拟量输入原理图电流-电压转换电阻模拟信号转数字信号3-6 输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成。微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成而成。CPU通过数据总线将要输出的信号放到输出数据寄存器中。功率放大电路是为了适应工业控制的要求，将

17、微电脑输出的信号加以放大。PLC一般采用继电器输出，也有的采用晶闸管或晶体管输出。COMT2LEDDFU+5V内 部 电 路T1R1R2R3负载晶体管输出电路原理图输出点的状态显示光电耦合保护二极管输出点公共端续流二极管阻容吸收电路COMLEDR2 C TFU内 部 电 路R1负载光控双向晶闸管 输出点的状态显示 公共端 输出点 3-7 晶闸管输出电路原理图COMLED J R内 部 电 路负载输出点的状态显示 继电器 机械触点 公共端 输出点 3-8 继电器输出电路原理图模拟量输出单元原理框图3-9 模拟量输出原理图数字信号转模拟信号 3-10 常用开关量输出接口比较 继电器输出接口： 响应

18、速度慢、动作频率低，可驱动交流或直流负载 晶体管输出接口： 响应速度快、动作频率高，只能用于驱动直流负载 晶闸管输出接口： 响应速度快、动作频率高， 只能用于驱动交流负载 模拟量输出接口： 响应速度快、具有连续性，用户可选择电压及电流输出第四章PLC 工作过程PLC工作方式 PLC工作过程描述4-1 PLC与微机的不同工作方式PLC虽具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式。如常见的键盘扫描方式或IO扫描方式，有键按下或I/O动作则转入相应的子程序，无键按下则继续扫描。PLC则采用循环扫描工作方式。图2-5 PLC工作过程框图4-2 PLC工作过程描

19、述每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。自诊断内容为IO部分、存储器、CPU等，发现异常停机显示出错。若自诊断正常，继续向下扫描。PLC检查是否有与编程器和计算机的通信请求，若有则进行相应处理，如接收由编程器送来的程序、命令和各种数据，并把要显示的状态、数据、出错信息等发送给编程器进行显示。如果有与计算机等的通信请求，也在这段时间完成数据的接受和发送任务。PLC的中央处理器对各个输入端进行扫描，将输入端的状态送到输入状态寄存器中，这就是输入采样阶段。中央处理器CPU将指令逐条调出并执行，以对输入和原输出状态（这些状态统称为数据）进行“处理”，即按程序对数据进行逻辑、算术运算，再将正确的

20、结果送到输出状态寄存器中，这就是程序执行阶段。当所有的指令执行完毕时，集中把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备，这就是输出刷新阶段。4-3 扫描周期T PLC经过这五个阶段的工作过程，称为一个扫描周期，完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。扫描周期是PLC的重要指标之一，在不考虑第二个因素（与编程器等通信）时，扫描周期T为： T=（读入一点的时间输入点数）（运算速度程序步数）（输出一点时间输出点数） 故障诊断时间 4-4 PLC的扫描周期及滞后响应一个扫描周期=输入采样时间+用户程序执行时间+输出刷新时间从PLC输入端有一个

21、输入信号发生变化到PLC的输出端对该输入变化做出反应，所需时间，称响应时间或滞后时间。（1）响应滞后影响了控制的实时性，但对于一般的工业控制是无妨的。（2）如需快速响应，可选用快速响应模块、高速计数模块，或采用中断处理功能来缩短滞后时间。 4-5 影响响应时间的因素（1）输入滤波器的时间常数（输入延迟）：PLC 输入滤波器是个积分环节，故输入滤波器的输出电压相对现场实际输入元件的变化信号，有一个时间延迟，导致实际输入信号在进入输入映像寄存器前就有一个滞后时间。如果输入导线很长，由于分布参数的影响，也会产生一个“隐形”滤波器效果。在实时性要求很高的情况下，可考虑用快速响应输入模块。（2）输出继电

22、器的机械滞后（输出延迟）：PLC数字量输出常采用继电器触点的形式输出，由于继电器固有动作时间，导致继电器的实际动作相对线圈的输入电压的滞后效果，如采用双向可控硅或晶体管的输出方式，可减少滞后时间。继电器输出型电路滞后时间在10ms左右，双向可控硅型输出电路在负载接通时的滞后时间约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在1ms左右。是指可编程序控制器的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，几十毫秒。 输入电路滤波时间，它由RC滤波电路的时间常数决定。改变时间常数可调整输入延迟时间。 输出电路的滞后时间，它与输出

23、电路的输出方式有关。继电 器输出方式的滞后时间为10ms左右；双向晶闸管输出方式，在接通负载时滞后时间约为1ms，切断负载时滞后时间小于10ms；晶体管输出方式的滞后时间小于1ms。 PLC循环扫描的工作方式 PLC对输入采样、输出刷新的集中处理方式 用户程序中语句的安排4-6 输入、输出延迟响应CPU读输入4-7输入输出延迟时间最短响应时间输入/输出刷新时间最短响应时间=输入延迟时间+一个扫描周期+输出延迟时间CPU读输入输入/输出刷新时间4-8 输入输出延迟时间最长响应时间最长响应时间=输入延迟时间+两个扫描时间+输出延迟时间4-9 PLC工作过程输入端子1输入映像寄存器（）（）D0M0M

24、0M0Q0元件映像寄存器输出锁存器输出端子2345输入采样阶段程序执行阶段输出刷新阶段扫描周期第五章PLC电源输入接口电路输出接口电路5-1 电源部件电源部件将交流电源转换成供PLC的中央处理器、存储器等电子电路工作所需要的直流电源，使PLC能正常工机PLC内部电路使用的电源是整体的能源供给中心，它的好坏直接影响PLC的功能和可靠性，可编程序控制器使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC 5V、12V、24V等直流电源。因此目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电。 1756-PA72BL1L2/NL1,L2 为 AC220V 交流电压输入ONPOWEROFF电源开关

25、第六章PLC各模块介绍输入接口电路输出接口电路Logix5550 CPULogix5550RunI/ORs232okBatRunREMPROG状态指示灯钥匙开关电池九针D型串口PLC处于编程或测试模式指示灯颜色说明RunOFFG没有任务运行控制器处于RUN模式I/OOFFGGFRF没有组态的I/O或通讯与所有组态的设备通信正常有一个或多个设备未相应RS232OFFG未激活正在接受数据或传送数据BatOFFR电池可以支持内存电池不能支持内存没有电池需要更换电池OKOFF可恢复故障电源未接通RFR控制器故障，清除故障清除内存，更换控制器G控制器OK1756-PA72BL1L2/NL1,L2 为 A

26、C220V 交流电压输入ONPOWEROFF电源开关1756-CNBRABreversionok模块状态文字显示通道状态显示模块状态显示通道A的连接口通道B的连接口1771-I/O系统(1) 1771-I/O目录系统:数字量I/O模块1771 X X XI/O点数 空-8,D(16)-16,N-32电压等级: B24V DC 灌电流(Sinking) V-24V DC 拉电流(Sourcing) A-110V AC M-220V AC W- AC/DC 触点输入/输出标识: I-输入,O-输出举例: 1771-IBD 输入模块,24VDC,灌电流,16点1771-I/O系统(2) 1771-I

27、/O目录系统:模拟量I/O模块1771 X XX 举例: 1771-IFE 模拟输入模块,16路,电流/电压型模块类型标识: FE 模拟量, R-热电阻, XE-热电偶等输入/输出标识: I-输入,O-输出 N系列高分辨率、高性能模拟量模块,可提供回路电流PLC冗余系统的建立Allen-BradleyA-BQualityControlNETCHA CHB OKA#01Redundancy ModulePRI COM OKPRIMRUN REM PROGLogix5555RUNOKRS232BATI/OAllen-BradleyA-BQualityControlNETCHA CHB OKA#01

28、Redundancy ModulePRI COM OKPRIMRUN REM PROGLogix5555RUNOKRS232BATI/OPRIMSYNC扩展模块冗余模块（SRM)这是光纤连接（收、发）PLC 控制系统的基本结构2.1 PLC内部硬件框图及各部分作用2.1.1 PLC的组成 PLC由四部分组成 ：中央处理单元（CPU板）、输入输出（I/O）部件和电源部件。程序语句安排对I/O响应时间的影响举例200000000001000200002000001001PLCSBKM1000000100101000COMCOMKM2当SB闭合，经过输入滤波，设第一个扫描周期I/O刷新时 00000

29、的映像寄存器ON。第一个扫描周期结束时，01000为OFF。01000只能在第二个扫描周期结束后才能ON。000002000020000010002000001001当SB闭合，经过输入滤波，设第一个扫描周期 00000的映像寄存器 ON。01000 在第一个扫描周期结束后就能ON 。如果将梯形图的第一与第二梯级交换，如下图：显然，程序语句的安排对I/O响应的影响很大 。PLCSBKM1000000100101000COMCOMKM23、PLC的扫描时间计算1 上电后初始处理2 共同处理时间：程序自检。 Tc=2.6ms3 上位链接服务（处理微机与PLC的通讯）Tl Tl = PLC与微机构成

30、网络 08ms 4 运算处理TP : 执行用户程序 TP= 平均速度X指令条数 Tl = PLC与微机不构成网络 0ms5 I/O刷新Tr = 主机与近程扩展机： 输入 0.07ms/8个输出 0.04ms/8个远程扩展机：以通道数计算，1.3ms+nX0.2ms6 外设服务（装有外设时）To To=0.8ms （T=Tc+Tl+Tp+Tr13ms)To=0.06 T（T=Tc+Tl+Tp+Tr 13ms)7、共同处理、上位链接服务、外设服务、运算处理、I/O刷新时间构成了PLC的扫描时间TsPLC的扫描时间 Ts=Tc+Tl+To+Tp+Tr有关结论1、PLC的扫描周期和用户程序的长短与系统

31、构成有关，用户程序越短、系统构成越简单，扫描周期越短。2、PLC的扫描周期一般在10ms级，这样普通输入点的信号频率应不大于50HZ（在使用时一般在10HZ以下）。例 31 某C200H型PLC系统，由主机和远程扩展机构成。主机上装有3个16点输入模块，2个12点输出模块。远程扩展机上装有3个16点输入模块，一个12点输出模块。程序有5000条指令，假定程序中使用的指令均为基本指令，平均执行时间为0.94PS。 试计算不与微机构成网络且不带编程器时的扫描时间。 解：共同处理时间Tc=2.6m。因不与微机构成网络，故上位链接服务时间Tl=0。因不带外设，所以外设服务时间To=0。 运算处理时Tp

32、0.9450004.7103(ms)=4.7ms。 主机部分的3个16点模块可看作6个8点输入模块，2个12点输出模块可看作4个8点输出模块。远程扩展机部分3个16点输入模块和1个12点输出模块共占用4个通道。因此，I/O刷新时间: Tr=0.076+0.044+(1.3+0.24)=2.68(ms) 所以，该PLC系统在不与微机构成网络，不带编程器时的扫描时间为: Ts=Tc+Tl+To+Tp+Tr=2.6+4.7+2.710(ms)现场输入接口电路一般由光电耦合电路和微电脑输入接口电路组成。l）光电耦合电路。采用光电耦合电路与现场输入信号相连是为了防止现场的强电干扰进入PLC。光电耦合电路的关键器件是光耦合器，一般由发光二极管和光电三极管组成。 光耦合器的信号传感原理：在光耦合器的输人端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。光电三极管在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光耦合器的线性工作区，输出信号与输入信号有线性关系。 光耦合器的抗干扰性能：由于输入和输出端是靠光信号耦合的，在电气上是完全隔离的，因此输出端的信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰或其它干扰。 由于发光二极管的正向阻抗值较低，而外界干扰源的内阻一般较高，根据分压原理可知，干扰源能馈送到输入端的干扰噪声很小。正是由于PLC在现场信号的输入环