可编程控制器

可编程控制器第1页/共98页第五章可编程控制器5.1可编程控制器概述5.1.1可编程控制器的产生5.1.2可编程控制器的特点5.1.3PLC的分类5.2可编程控制器的基本组成和工作原理5.2.1PLC的硬件5.2.2PLC的软件5.2.3可编程控制器的基本工作原理5.2.4C系列P型可编程控制器第2页/共98页第五章可编程控制器5.3PLC编程元件及编程语言5.3.1可编程控制器常用编程器件5.3.2可编程控制器的编程语言5.4指令及其编程方式5.4.1基本指令及其编程方式5.4.2编程指令及编程方式5.5编程指导5.6基本电路编程举例第3页/共98页可编程序控制器(ProgrammableLogicalController)简称为PC或PLC。5.1.1PLC定义

.工业环境下控制器；

.微机控制系统（包含存储器、CPU等微机主要部件，进行逻辑运算和算术运算）；

.数字式和模拟式输入输出；5.1概述第4页/共98页某钢铁厂的工业加热炉现场第5页/共98页某钢铁厂的锅炉和加热炉现场第6页/共98页可编程序逻辑控制器PLC产生于1969年，最初只具备逻辑控制、定时、计数等功能，主要是用来取代继电接触器控制。

现在所说的可编程序控制器PC（ProgrammableController）是1980年以来，美、日、德等国由先前的可编程序逻辑控制器PLC进一步发展而来。

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1985年1月，国际电工委员会（IEC）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。第8页/共98页5.1.2可编程控制器的产生继电器控制用弱电信号控制强电信号。故障查找与排除非常困难、改造工期长、费用高。

第9页/共98页继电器控制第10页/共98页②美国通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号不断更新的需要，提出了十条技术指标在社会上公开招标，制造一种新型的工业控制装置，首先提出【可编程序控制器】编程简单，可在现场修改程序；维护方便，采用插件式结构；可靠性高于继电器控制柜；体积小于继电器控制柜；成本可与继电器控制柜竞争；可将数据直接送入计算机；可直接使用115V交流输入电压；输出采用115V交流电压，能直接驱动电磁阀、交流接触器等负载；通用性强，扩展方便；能存储程序，存储器容量可以扩展到4KB。第11页/共98页③1969年，美国数据设备公司（DEC）研制成功。并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。可编程序逻辑控制器PLC产生于1969年，最初只具备逻辑控制、定时、计数等功能，主要是用来取代继电接触器控制。

现在所说的可编程序控制器PC（ProgrammableController）是1980年以来，美、日、德等国由先前的可编程序逻辑控制器PLC进一步发展而来。第12页/共98页可编程逻辑控制器

早期逻辑控制为主ProgrammableLogicalController——PLC可编程序控制器

(可编程控制器)ProgrammableController——PC本义现代PLC绝不意味着只有逻辑控制的功能，它是一种以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置；具有体积小，功能强，程序设计简单，灵活通用，维护方便等一系列的优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，使PLC广泛应用于各种工业领域。第13页/共98页5.1.3PLC的发展(本体硬件方面、软件方面、拓扑结构)●CPU使用中小规模集成电路，采用磁芯存储器。●CPU使用微处理器，采用半导体存储器EPROM。●可靠性较差，略强于继电器控制。●机种单一，没形成系列。●有了计算机接口和模拟量控制功能。●可靠性提高。●整机功能向系列化、标准化发展，并由专用向通用方向过渡。●功能简单（只有计数/定时功能）。●功能增强（增加逻辑/数据运算、数据处理、自诊断等功能）。第一代：从第一台PLC诞生到上个世纪70年代初。第二代：70年代初至70年代末。第14页/共98页第三代：70年代末到80年代中期。●CPU使用8或16位微处理器甚至多微处理器，采用半导体存储器EPROM、CMOSRAM等。●增加浮点数运算，平方、三角函数等运算。●增加查表、列表功能。●自诊断及容错技术提高。●梯形图语言及语句表成熟。●小型PLC体积减小、可靠性提高、成本下降。●大型PLC向模块化、多功能方向发展。第15页/共98页第四代：80年代中期到90年代中期●增加高速计数、中断、A/D、D/A、PID等功能。●处理速度进一步提高（1s/步）。●连网功能增强。●编程语言进一步完善，开发了编程软件。●CPU使用16位或32位微处理器。●PLC的I/O点增加，最多可达32K个I/O点。●处理速度进一步提高（1ns/步）。●PLC都可以与计算机通信。●具有强大的数值运算、函数运算、大批量数据处理的功能。●开发了大量的特殊功能模块。●编程软件功能更强大。●不断开发出功能强大可编程终端。第五代：90年代中期之后第16页/共98页性能提高：4位机→8位机→16位机→32位机逻辑运算计时，计数等顺序控制，均属开关量控制；支持图形编程；数据处理；各种功能控制模块；联网通信功能。第17页/共98页高性能、高速度、大容量发展多CPU结构高性能、流水RISC结构CPU(32位机)增加智能控制功能支持组态设计大力发展微型PLC,不断增强微型PLC的功能掌上PLC高性能支持多种编程方式第18页/共98页低档PLC向小型、简易、廉价方向发展，使之能更加广泛地取代功能简单的继电器控制。例如西门子LogoPLC机。

中、高档PLC向大型、高速、多功能方向发展，例如西门子S7-400PLC机。第19页/共98页PLC编程语言标准化IEC1131-3(IEC1994年5月公布)顺序功能图（SFC）梯形图功能块图指令表结构文本第20页/共98页PLC与其它工业控制器产品相互融合与个人计算机PC集散控制系统DCS计算机数控CNC第21页/共98页增强通信联网能力第22页/共98页可编程序控制器－当代工业自动化支柱之一第23页/共98页综合自动化系统组成ERP企业资源计划系统MES制造执行系统PCS生产控制系统故障诊断

现场控制系统（DCS,PLC,FCS）综合集成软件平台关系数据库实时监控软件平台实时数据库销售管理工艺计算特定先控软件模糊控制过程动态检测软测量计划排产优化调度质量监控成本管理数据校正实时优化人力资源财务管理库存管理企业信息集成设计建模软件预测函数控制设备管理工业电视监测第24页/共98页7）可编程序控制器的发展大力开发智能I/O模块模拟量I/O、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、通信模块第25页/共98页PLC与现场总线相结合7）可编程序控制器的发展基金会现场总线（FoundationFieldbus）ProfiBus(过程现场总线)LonWorks（局域操作网络）CAN（控制器局域网络）HART（可寻址远程变送器数据通路协议）协议第26页/共98页5.1.3PLC与其它工业控制系统的比较（1）与继电接触器控制系统的比较PLC控制系统具有如下特点：①灵活性和可扩展性②可靠性和可维护性③控制速度和精度④延时的可调性和精确性⑤设计施工的快速性⑥经济性

第27页/共98页（2）与计算机控制系统的比较PLC控制系统有下面的特点：①可采用功能模块的结构形式②采用扫描工作方式③分散的可以自治的系统④适应恶劣的工业生产环境⑤程序设计简单，更容易被技术人员掌握⑥通讯灵活方便第28页/共98页（3）与集散控制系统（DCS）的比较①PLC控制系统由继电接触器控制系统发展而来②DCS由化工行业回路仪表控制系统发展而来③PLC在开关量和顺序控制方面有优势④DCS在模拟量连续控制和回路调节方面有优势⑤PLC系统更加灵活，但是需要编程⑥DCS具有控制、操作、现场仪表三级结构，功能相对固定⑦PLC系统将会兼有集散控制系统的形态和功能第29页/共98页补充：控制系统发展过程早期的控制系统：现场基地式仪表＋继电器控制；现在的控制系统：多指采用电脑或微处理器进行智能控制的系统，称为第三代系统，70年代以PLC和DCS(distributedcontrolsystem)为代表，在冶金、电力、石油、化工、轻工应用；90年代出现现场总线，工业PC，嵌入式系统。

PLC最初是为了替代继电器控制第30页/共98页可靠性高，抗干扰能力强(硬件屏蔽滤波光隔模块化、软件程序故障监控看门狗电池)通用性强，控制程序可变，使用方便(继电器接触器系统)硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强(端子)编程简单，容易掌握(梯形图、过程语言)系统的设计、安装、调试工作量少(pc设计调试)维修工作量小，维护方便(模块化)体积小，能耗低.(安装设备内部)5.1.4可编程序控制器的特点第31页/共98页5.1.5可编程序控制器的应用领域1开关量逻辑与顺序控制(基本功能)遍及许多行业，如机床电气控制、电梯运行、高炉上料、汽车装配、啤酒罐装等等。2运动控制(输入输出脉冲，用于编码器、步进电机等)用于直线运动和圆周运动的控制。3闭环过程控制(模拟量控制)通过模拟模块，可以实现对温度、压力、流量、液面高度等连续变化量的PID控制。4数据处理(实时采集、显示、记录)具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传递、排序和查表、位操作等功能；可以完成数据的采集、分析和处理，可以与存储器中存储的参考数据相比较，也可以传送给其它智能装置或传送给打印机打印制表。5联网通信能用于PLC与PLC、PLC与上位机以及其它智能设备之间的通信，构成“集中管理、分散控制”的分布控制系统(PCS)，或实现整个工厂的自动化。第32页/共98页在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，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%）等行业。PLC自1969年问世以来，开始按照成熟而又有效的继电器控制概念和设计思想，现在PLC已经开始用于闭环控制，不仅如此，随着其扩展能力和通信能力的发展，它也越来越多地应用到了复杂的分布式控制系统中。

PLC自身具有的完善的功能，模块化的结构，以及开发容易、操作方便、性能稳定、可靠性高的特点和较高的性价比，使其在工业生产中的应用前景越发看好，而且随着集成电路的发展和网络时代的到来，PLC必将能够有更大的用武之地。第33页/共98页5.1.6PLC的分类按I/O点数和存储容量可以分为:小型PLCI/O点数在256点以下，存储容量为2k步。中型PLCI/O点数在256～2048点之间，存储容量为2～8k步。大型PLCI/O点数在2048点以上，存储容量达8k步以上。第34页/共98页按PLC的控制性能分类:低档机中档机高档机按PLC的结构分类:整体式组合式混合式第35页/共98页

Siemens（德国西门子），工厂集成能力，广泛的产品范围和电子商务能力的整合；Allem－Bradley（美国A－B）对于过程工业提供完整的解决方案；Mitsubishi（日本三菱），微型和小型；Omrom（日本欧姆龙），中型以下；Rockwell（美国罗克韦尔），大型高端市场；他们的销售额超过全球的三分之二另：Schneider(法国施奈德)，专注于为用户提供集成方案，中、大型；5.1.7典型的几款PLC第36页/共98页s7-200s7-300s7-400西门子（SIEMENS）第37页/共98页西门子ET200第38页/共98页三菱（MISHIBISHI）：三菱FX系列三菱A系列三菱Q系列第39页/共98页施耐德：第40页/共98页LG：光洋：第41页/共98页整体式第42页/共98页模块式第43页/共98页5.2PLC的基本组成和工作原理和普通微机类似，PLC由硬件和软件两大部分组成的。在软件的控制下，才能正常地工作。软件分为系统软件相应用软件两部分。第44页/共98页5.2PLC的基本组成和工作原理5.2.1PLC的硬件主要由CPU模块、输入输出模块、电源模块和外部设备组成。第45页/共98页输出设备输入设备

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

CPU

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编程器可编程终端PT…

整体式PLC的基本组成框图第46页/共98页

组合式PLC的基本组成框图系统总线通信单元控制系统现场过程CPU单元输出单元编程器PLC或上位计算机……智能I/O单元输入单元第47页/共98页⑴微处理器（CPU芯片）1编程时接收并存储从编程器输入的用户程序和数据2扫描方式接收现场输入装置的信号和数据3从存储器逐条读出用户程序，完成用户程序设定功能4根据输出锁存电路的有关内容实现输出控制5执行诊断程序第48页/共98页(2)存储器随机存取存储器ROM只读存储器RAM电可擦除可编程的只读存储器EPROMPLC内部存储器用来存放PLC的系统程序、用户程序和各种变量及数据信息。ROM存放系统程序。RAM存放用户程序，使用后备电池。调试后长期使用的程序放在EPROM里。第49页/共98页(3)输入输出模块①数字量输入模块②数字量输出模块③模拟量输入模块④模拟量输出模块⑤扩展接口模块⑥通信接口模块(4)电源模块(5)外部设备编程器、文本显示器、操作面板、打印机等第50页/共98页5.2.2PLC的软件系统软件⑴系统管理程序(初始化、自诊断)⑵用户指令解释程序和编译程序(命令识别与处理、用户程序编译)⑶标准程序模块和系统调用(为方便用户提供的子程序，API)应用软件⑴用户环境①线性程序(按工程控制顺序写在一个程序中)②分块程序(按任务放在任务块或中断中)③结构化程序⑵用户程序结构⑶用户程序语言第51页/共98页5.2.3可编程控制器的基本工作原理1.可编程控制器的等效电路

PLC是一种专用微机，但用它来实现继电器-接触器控制系统的功能时，就不必从计算机的角度去研究，而是将PLC的内部结构等效为一个继电器系统。在PLC内部有很多存储器，一个存储器单元由8位触发器组成．一个触发器等效为一个继电器，这种等效继电器的通断是由软件控制的，故也可叫软继电器。用户使用这些软继电器，通过编程来实现所需要的逻辑控制功能。第52页/共98页输入部分控制部分输出部分图1.3PLC控制的等效电路图第53页/共98页概念：1.PLC的内部继电器：并不是实际的硬继电器，每个内部继电器是PLC内部存储单元的一位，因此称为“软继电器”。2.梯形图：是从继电器控制电路的原理图演变而来的。梯形图是由“软继电器”组成的控制线路。它们并不是真正的物理连接。而是逻辑关系上的连接，称为“软接线”。内部继电器的线圈用表示常开触点用常闭触点用表示表示返回第54页/共98页输入部分控制部分输出部分PLC控制的等效电路图内部继电器的线圈用表示常开触点用常闭触点用表示表示第55页/共98页输入端子输出端子PLC控制接线图用PLC来实现上述的控制功能第56页/共98页

KT是时间继电器，KM1、KM2是两个接触器。分别控制电机M1、M2的运转。SB1为启动按钮，SB2为停止按钮。控制功能如下；按下启动按钮SB1，电机M1开始运转，过10秒钟后，电机M2开始运转；按下停止按钮SB2，电机M1、M2同时停止运转。继电器控制电路（a）控制线路（b）电机主电路例：用继电器控制电路实现两个电机分时启动.第57页/共98页滤波电路去高频抖动直流输入电路光电耦合

外部开关输入点的状态显示

输入点公共端限流电阻COM+5VLEDSR3R1AR2C→→T

内部电路滤波→→→→第58页/共98页光电耦合

输入点的状态显示

交流输入电路LED+5VA→→R2T～COMSCR1内部电路R3滤波→→→→外部开关输入点隔直电容

R1R2

构成分压电路第59页/共98页保护二极管

输出点的状态显示

光电耦合

续流二极管

晶体管输出电路COMT2LED→→DFU+5V内部电路T1R1R2R3负载→→公共端输出点第60页/共98页阻容吸收电路晶闸管输出电路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

公共端输出点第61页/共98页继电器输出电路COMLED

J～

R内部电路→→负载输出点的状态显示

继电器

机械触点

公共端输出点第62页/共98页5.2.3PLC的工作原理1）循环扫描PLC采用循环扫描工作方式，这个工作过程一般包括五个阶段：内部处理(CPU自诊断程序)、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理，其工作过程如图2.4所示。右图中当PLC方式开关置于RUN（运行）时，执行所有阶段；当方式开关置于STOP（停止）时，不执行后3个阶段，此时可进行通信处理，如对PLC联机或离线编程。第63页/共98页可编程序控制器程序执行分为输入采样、程序执行和输出刷新，过程原理如下图所示。PLC执行的五个阶段，称为一个扫描周期，PLC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。程序执行原理图第64页/共98页2）与计算机的异同

相同点：（1）基本结构相同

（2）程序执行原理相同

不同点：

两者的不同点主要体现在工作方式上。第65页/共98页3）与继电接触器的异同

相同点：图形结构和逻辑关系相同。

不同点：（1）实现原理不同（2）工作方式不同第66页/共98页继电器控制系统和PLC控制系统的比较：继电器控制系统PLC控制系统工作原理采用物理继电器实现采用软继电器（程序）实现功能顺序控制具有顺序控制、定时、计数、运动控制、数据处理、闭环控制和通讯联网等可靠性、可维护性可靠性差，故障诊断与排除困难可靠性高、易于维护、故障率低灵活性功能单一，不易修改柔性高，控制方式灵活、易于修改响应速度硬继电器越多，反应越慢速度快设计调试设计复杂，成本高、调试繁琐利用软继电器、成本低、设计、调试方便定时与计数利用硬定时器和计数器实现由软件实现，数量多，调整方便4）与其他控制器的比较第67页/共98页继电器控制与PLC的关系：继电器控制系统电气接口电路继电器PLC被控对象继电器在系统中起保护作用第68页/共98页几种计算机控制器的比较：①个人计算机：数据处理能力强，图形显示功能丰富，抗干扰能力差，不适于工业现场。②单片机：工业应用过程中需要附加配套的外围电路和接口电路，硬件设计制作和软件设计的工作量大。③工业控制计算机（工控机）：采用实时操作系统，抗干扰能力强，价格较高，适合于功能复杂的控制对象，对小型的开关量控制对象有些大材小用，用高级语言或汇编编程。④PLC：是专为工厂现场应用环境设计，对印刷电路板、电源、机架、插座的制造和安装，均采取了严密的措施，编程采用梯形图语言易于被工厂的电气人员掌握，故具备了以上的各种优点，优势明显。随着PLC在数字处理、模拟量闭环控制功能和通讯联网功能的增强，PLC与工控机功能上越来越难以区分。第69页/共98页5.3PLC编程元件及编程语言5.3.1PLC常用的编程器件1、输入继电器2、输出继电器3、辅助继电器4、定时器5、计数器和可逆计数器6、数据存储区第70页/共98页PLC控制元件（等效继电器）第71页/共98页1输入继电器由输入扫描时输入端子状态决定输入继电器线圈断通状态。不能由程序改变。个数由PLC决定，代号由厂家产品系列决定。如：BytronicIP1、IP5

三菱FxX01、X05OMRONC28p0001、0005第72页/共98页2输出继电器能用程序控制线圈断通，输出刷新时按输出继电器线圈断通状态控制实际的外部触点—控制外部执行件。个数由PLC决定，代号由厂家产品系列决定。如：BytronicOP1、OP5

三菱FxY01、Y05OMRONC28p0501、0505第73页/共98页3辅助继电器能用程序控制线圈断通，专供内部编程使用。注意有通用辅助继电器、断电保护辅助继电器不同类型。个数由PLC决定，代号由厂家产品系列决定。如：BytronicF1、F3（Flag标记）三菱FxonM01通用M0——M383M405保持M384——M511OMRONC28p1001通用1000——1807HR005保持HR000——HR915第74页/共98页例1：IP0IP1IP04OP6

IP2IP3

OP6IP0

IP1

IP2

IP3

IP4

OP6第75页/共98页解：IP0IP1IP04OP6

IP2IP3

OP6IP0

IP1

IP2

IP3

IP4

OP6第76页/共98页例2.1：IP0F1

IP0F1OP1

IP0

F1

OP1

注意PLC工作过程第77页/共98页例2.2：IP0F1OP1

IP0F1

IP0

F1

OP1

注意PLC工作过程第78页/共98页时间继电器（定时器）当满足条件（虚拟线圈通电），须延迟一定时间触点动作。注意有普通定时器、自保定时器、积算定时器之分。个数、类型、定时基数由具体的PLC决定。如：BytronicT1－T8自保，1秒三菱FxonT0－T62普通，0.1秒

（Fx2）

T250－T255积算，0.1秒

OMRONC28pTIM00－TIM47普通，0.01秒第79页/共98页（普通）时间继电器（定时器）IP0

T1

IP0

T1

OP1

T1＃50OP15秒第80页/共98页（积算）时间继电器（定时器）IP1

IP2

IP1

IP2

T1T1＃50t1t2T1＋T2＝5秒RSTT1第81页/共98页（自保）时间继电器（定时器）IP1

IP2

IP1

IP2

T1T1＃50RSTT15秒第82页/共98页例：自保时间继电器普通定时器IP1