第1章-可编程序控制器概述

第一章可编程序控制器概述

万嘉萍

二教323PLC技术及应用（三菱）本章主要内容1.1PLC的产生和发展1.2PLC的特点及应用1.3PLC的组成及分类1.4PLC的编程语言1.5PLC的工作原理1.6PLC的性能指标2024/3/22本章学习要求

重点内容：

PLC的定义、功能、分类、组成及工作原理了解内容：

PLC产生、发展、性能指标难点内容：

PLC的编程语言2024/3/23一、可编程序控制器的产生

美国通用汽车公司(GM公司)1969年提出了研制新型控制装置的十项指标，其主要内容如下：(1)编程简单，可在现场修改和调试程序；(2)价格便宜，性价比高于继电器控制系统；(3)可靠性高于继电器控制系统；(4)体积小于有继电器控制柜的体积，能耗少；(5)能与计算机系统数据通信；

1.1PLC的产生和发展2024/3/24(6)输入量是交流115V电压信号（美国电网电压是110V）；(7)输出量是交流115V电压信号、输出电流在2A以上，能直接驱动电磁阀等；(8)具有灵活的扩展能力；(9)硬件维护方便，采用插入式模块结构；(10)用户存储器容量至少在4KB以上

1.1PLC的产生和发展2024/3/25

1969年，美国数字设备公司（DEC）根据上述要求研制出第一台可编程序控制器，型号为PDP-14

。1.1PLC的产生和发展2024/3/26

发展阶段

时

间

控制功能第一阶段(初始阶段)1969年至20世纪70年代中期逻辑运算，计时.计数运算第二阶段(扩展阶段)20世纪70年代中期至70年代末期扩展了其他运算功能第三阶段(成熟阶段)20世纪70年代末期至80年代中期实现了PLC的通信功能，初步形成分布式通信网络体系；数学运算功能也得到了较大扩充第四阶段(开放阶段)20世纪80年代中期开始通信系统开放，通信协议标准化，采用了标准的软件体系，增加了高级语言，大中型产品多数有CRT显示功能等二、PLC的发展阶段1.1PLC的产生和发展PLC的发展趋势1.向微小型化和大型化两端发展2.大力开发智能模块，提高PLC的适应性.可靠性3.编程语言向高层次.标准化发展4.PLC与PC机日益紧密结合5.PLC通信与联网能力不断增强1.1PLC的产生和发展2024/3/281.2PLC的特点及应用一、PLC基本应用介绍

1.数字量逻辑控制

2.运动控制

3.模拟量闭环过程控制

4.数据处理

5.通信联网

6.在计算机集成制造系统(CIMS)中的应用2024/3/29二、PLC的优点

1.高可靠性和强抗干扰能力

2.灵活性好

3.编程简单直观，易学易用4.系统安装简单、维修方便5.体积小、能耗低、易于实现机电一体化

1.2PLC的特点及应用2024/3/210一、PLC的组成1.3PLC的组成及分类

PLC是微机技术与继电器常规控制概念相结合的产物，是一种工业控制用的专用计算机。作为一种以微处理器为核心的用作数字控制的特殊计算机，它的硬件配置与一般微机装置类似，主要由中央处理单元(CPU模块)、存储器(RAM/ROM)、输入/输出模块(I/0单元)、电源和编程器几大部分组成。2024/3/211外设接口输入接口编程装置计算机…其他外设接发现场信号ROMCPU电源后备电池I/O扩展口输出接口RAMI/O扩展单元

PLC系统的基本结构框图1.3PLC的组成及分类2024/3/2121.中央处理器(CPU)CPU是PLC的控制核心，包括微处理器和控制接口电路。微处理器是PLC的运算控制中心，由它实现逻辑运算，协调控制系统内部各部分的工作。它的运行是以循环扫描的方式采集现场各输入装置的状态信号，执行用户控制程序，并将运算结果传送到相应的输出装置，驱动外部负载工作。CPU芯片性能关系到PLC处理控制信号的能力与速度，CPU位数越高，运算速度越快，系统处理的信息量就越大，系统的性能越好。控制接口电路是微处理器与主机内部其他单元进行联系的部件，主要有数据缓冲、单元选择、信号匹配、中断管理等功能。微处理器通过它来实现与各个单元之间的可靠的信息交换和最佳的时序配合。1.3PLC的组成及分类2024/3/2132.存储器存储器是存放程序及数据的地方，通常存储器插装在CPU模块中。PLC的存储器有两部分：系统程序存储器(ROM)和用户程序存储器(RAM)。系统程序存储器(ROM)是由生产PLC的厂家事先编写并固化好的，它关系到PLC的性能，不能由用户直接存取和修改，其内容主要为监控程序、模块化应用功能子程序，能进行命令解释和功能子程序的调用，管理程序和各种系统参数等。1.3PLC的组成及分类2024/3/2143.输入/输出接口(I/O)输入/输出接口是PLC的CPU模块与外部控制现场相联系的桥梁，通过输入模块单元，PLC能够得到生产过程的各种参数；通过输出模块单元，PLC能够把运算处理的结果送至工业过程现场的执行机构实现控制。实际生产中的信号电平多种多样，外部执行机构所需电流也是多种多样，而PLC的CPU所处理的只能是标准电平，由于输入输出模块单元与工业过程现场的各种信号直接相连，这就要求它有很好的信号适应能力和抗干扰性能。因此，在输入输出模块单元中，一般均配有电平变换.光耦合器和阻容滤波等电路，以实现外部现场的各种信号与系统内部统一信号的匹配和信号的正确传递，PLC正是通过这种接口实现了信号电平的转换。1.3PLC的组成及分类2024/3/2154.电源PLC通常使用交流220V或直流24V工作电源。它的电源模块为其他各功能模块提供DC5V、DCl2V、DC24V等各种内部直流工作电源。一般情况下，许多PLC可以为输入电路和外部的传感器提供直流24V的工作电源，但是驱动PLC负载的直流电源或交流电源一般由用户提供。1.3PLC的组成及分类2024/3/2165.编程器及其他可选外部设备编程器是编制、编辑、调试、监控PLC的用户程序的必备设备，它主要由键盘、显示器、工作方式选择开关和外存储器安插器等部件组成。它通过通信接口与PLC的CPU模块相联系，完成人机对话。1.3PLC的组成及分类2024/3/2171、按硬件组成分类

（1)整体式一般的小型及超小型PLC多为整体式结构，这种可编程序控制器是把CPU、RAM、ROM、I/O接口及与编程器或EPROM写入器相连的接口、输入/输出端子、电源、指示灯等都装配在一起的整体装置。西门子公司的S7-200系列PLC为整体式结构。（2)模块式模块式结构又叫积木式。这种结构形式的特点是把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、电源模块、通信模块等。常见产品有OMRON公司的C200H、C1000H、C2000H，西门子公司的S5-115U、S7-300、S7-400系列等。（3）叠装式整体式PLC的灵活性和可扩展性较差，模块式PLC的灵活性强，但较复杂。将两种形式相结合，取长补短，就构成了叠装式PLC。例如三菱公司的FX系列PLC。二、PLC的分类2024/3/218

2、按点数和功能分类二、PLC的分类（1）超小型机：I/O点数为64点以内，内存容量为256～1000字节；（2）小型机：I/O点数为64～256，内存容量为1～3.6K字节；（3）中型机：I/O点数为256～1024，内存容量为3.6～13K字节；（4）大型机：I/O点数为1024以上，内存容量为13K字节以上；2024/3/2192024/3/220PLC的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言，也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。目前，还没有一种对各厂家产品都能很好兼容的编程语言。1.4PLC的编程语言2024/3/2211.4PLC的编程语言PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，国际电工委员会制订的5种标准编程语言如下。这些编程语言有梯形图、指令表、顺序功能图、功能块图、结构化文本。2024/3/2221.梯形图梯形图是一种图形化的编程语言，沿用了传统的电气控制原理图中的继电器触点.线圈.串联和并联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。在程序中，最左边是主信号流，信号流总是从左向右流动的。梯形图由触点.线圈和指令框等构成。1.4PLC的编程语言2024/3/223一、梯形图由来与比较继电控制梯形图PLC梯形图电源线母线2024/3/224梯形图的特点

(1)梯形图中的继电器是“软继电器”。(2)“软继电器”的常开触点和常闭触点，在程序中可以被反复引用。

(3)梯形图中的“概念电流”只能从左向右流。

(4)当梯形图中输出继电器线圈满足接通条件时，就表示在对应的输出点有输出信号。25梯形图的特点(6)当PLC处于运行状态时，PLC就开始按照梯形图符号排列的先后顺序(从上到下、从左到右)逐一处理，也就是说，PLC对梯形图是按扫描方式顺序执行程序。(7)执行用户程序时，输入触点和输出线圈的状态是从I/O映象寄存器中读取的，不是现场开关的实际状态。梯形图中前面程序解算的结果马上可以被后面程序的解算所利用。262.指令表适合于简单文本的程序设计。指令表是一种类似于计算机汇编语言的一种文本编程语言，即用特定的助记符来表示某种逻辑运算关系。1.4PLC的编程语言2024/3/2272.指令表一般由多条语句组成一个程序段。指令表适合于经验丰富的程序员使用，可以实现某些梯形图不易实现的功能。此外，梯形图和指令表之间可以相互转换，例如图(a)所示梯形图，可以转换为如图(b)所示指令表。1.4PLC的编程语言

（a）梯形图语言（b）指令表语言2024/3/228

语句表与梯形图是一一对应关系；语句表将梯形图控制逻辑描述出来，并通过编程器输入到PLC中去。29语句表

PLC的语句：操作码+操作数

●操作码用助记符表示，指示CPU要执行的某种操作功能，称为“编码指令”●操作数给出了操作码执行某种操作的对象或所需的数据；通常是编程元件的编号语句表编程有键入方便、编程灵活的优点，但不如梯形图形象、直观。

303.顺序功能图适合于时序混合型的多进程复杂控制。顺序功能图也是一种图形化的编程语言，用来编写顺序控制的程序(如机械手控制程序)。在进行程序设计时，工艺过程被划分为若干个顺序出现的步，每步中包括控制输出的动作，从一步到另一步的转换由转换条件来控制，特别适合于生产制造过程。1.4PLC的编程语言2024/3/2314.功能块图适合于典型固定复杂算法控制，如PID调节等。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。功能块图采用类似于数字电路中逻辑门的形式来表示逻辑运算关系。一般一个运算框表示一个功能。运算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。2024/3/2325.结构化文本适合于自编专用的复杂程序，如特殊的模型算法。结构化文本是为IEC61131-3标准创建的一种PLC专用的高级语言。与梯形图相比，易于实现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。西门子公司的PLC使用的STEP7中的S7SCL属于结构化控制语言，程序结构与C语言和Pascal语言相似，特别适合习惯使用高级语言进行程序设计的技术人员使用。1.4PLC的编程语言2024/3/2331.PLC的循环扫描工作方式PLC要完成控制任务是在其硬件的支持下，通过执行反映控制要求的用户程序来完成的，这和计算机的工作原理是一致的。1.5PLC的工作原理2024/3/234PLC的运行方式是循环扫描方式，简单直观，简化了程序设计，并为PLC的可靠运行提供了保障。一方面，扫描到的指令被执行后，其结果马上就可以被将要扫描到的指令所利用；另一方面，通过CPU设置的定时器监视每次扫描是否超过规定时间，可以避免由于CPU内部故障使程序执行进入死循环。1.5PLC的工作原理2024/3/2352.PLC的循环扫描工作过程一个扫描周期内基本上要执行以下6大任务（1）运行监控任务(系统监视计时器WDT)（2）与编程器交换信息任务（3）与数字处理器(DPU)交换信息任务（4）与外部设备接口交换信息任务（5）执行用户程序任务（6）输入输出信息处理任务1.5PLC的工作原理2024/3/236在PLC的一个扫描周期内，用户程序扫描和I/O操作是实现系统控制功能的两个重要过程。2024/3/2371.5PLC的工作原理用户程序输入映像区输出映像区输入端子输出端子输入信号输入信号用户程序执行输入采样与输出刷新PLC用户程序扫描和I/O操作的工作过程

2024/3/238扫描的具体工作过程输入采样阶段

PLC对现场输入信息的采集一般是在一个循环扫描周期的某个时段将现场全部有关信息采集到控制器内，存放在系统准备好的一个区域，称之为输入映像区。2024/3/239程序处理阶段CPU按先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行逐条调出并解释、执行，CPU从输入映象寄存器和元件映象寄存器中读出各继电器的状态，根据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算，运算结果再写入元件映象寄存器中。40影响执行用户程序阶段的扫描时间的几方面因素：执行用户程序阶段的扫描时间是影响扫描周期时间长短的主要因素。①用户程序中所用语句条数的多少。用户程序中语句条数的多少不同，所用的扫描时间必然不同。则要减少扫描时间，应使所编写的用户程序尽量简洁；②每条指令的执行时间不同。对同一控制功能若选用不同的指令进行编程，扫描时间会有很大差异。少则几个微秒，多大上百个微秒。③程序中有改变程序流向的指令。如：跳转指令、连锁指令、子程序调用指令等等。41I/O刷新阶段：输出刷新：将输出继电器的元件映象寄存器的状态传送到相应的输出锁存电路，再经输出电路的隔离和功率放大部分传送到PLC的输出端，驱动外部（负载）执行元件动作。输入刷新：CPU从输入电路中读出各输入点状态，并将此状态写入输入映象寄存器中,刷新输入映象寄存器的内容。423.I/O响应时间定义：从PLC系统的某一输人信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间为I/O响应时间。1.5PLC的工作原理2024/3/2433.I/O响应时间由PLC的循环扫描过程可知，外界信息必须在前一个扫描周期的I/O扫描阶段之前准备好，并由PLC读入到输入映像区，在计算机内经历一扫描周期的时间，在本扫描周期的I/O扫描阶段输出给外设，这是系统必须有的扫描时间，如图所示：1.5PLC的工作原理2024/3/244I/O操作

扫描时间

扫描时间

程序扫描

程序扫描

输入接通延时

输出接通延时

周期扫描过程

外部输入信号

输入端子信号

输入映像区

外部输出信号I/O响应时间PLC的I/O响应时间1.5PLC的工作原理2024/3/2454.PLC的中断输入处理PLC的中断处理原理与计算机中断处理的原理基本相同。即当有中断请求信号输入时，系统要中断正在执行的相关程序而转向执行中断处理子程序；1.5PLC的工作原理2024/3/2464.PLC的中断输入处理当有多个中断源申请时，它们将按中断的优先级进行排队后顺序处理；系统处理完中断子程序后回复到原程序中断点，继续执行原程序。系统可通过程序设置中断允许或中断禁止。1.5PLC的工作原理2024