电气控制与S7-1200 PLC应用技术教程课件-可编程控制器概述

可编程控制器概述提纲电气控制与S7-1200应用技术教程2可编程控制器的产生和发展可编程控制器的特点可编程控制器的分类可编程控制器的应用领域可编程控制器的产生和发展电气控制与S7-1200应用技术教程3可编程控制器的由来1.传统的工业控制装置可编程控制器诞生之前，工业控制设备的主流是以继电器、接触器为主体的控制装置。存在问题：（1）故障率高，复杂的系统需要使用成百上千个各种各样的继电器和成千上万根导线，只要有一个电器，一根导线出现故障，系统就不能正常工作,这大大降低了系统的可靠性。（2）维护困难，查找和排除故障困难，维修及改造很不容易，改造工期长、费用高。（3）接线困难，控制柜的安装、接线工作量大。可编程控制器的产生和发展电气控制与S7-1200应用技术教程4可编程控制器的由来2.可编程控制器的产生1968年美国通用汽车公司为适应汽车型号的不断更新，希望能有一种新型工业控制器，它能解决继电器、接触器控制系统存在的问题。同年，GM公司面向全球招标，提出“通用十条”：（1）编程简单，可在现场修改和调试程序；（2）维护方便，采用插入式模块结构；（3）可靠性高于继电器控制系统；（4）体积小于继电器控制装置；（5）可将数据直接送入管理计算机；（6）成本可与继电器控制系统竞争；（7）可直接使用115V交流电压输入；（8）输出为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀、接触器等；（9）通用性强，扩展方便，原有系统只需做很小变更；（10）能存储程序，用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB。可编程控制器的产生和发展电气控制与S7-1200应用技术教程5可编程控制器的由来2.可编程控制器的产生DEC公司于1969年6月就交付了第一台原型机PDP-14。信息仪表公司（3-I）交付的设备PDQ-II。最后是贝德福德协会（BedfordAssociates）带来的Modicon084，首创的梯形图逻辑编程与继电器逻辑类似，成为工厂工程师和电工的首选控制器。DEC的PDP-14被业界公认为世界上第一台PLC。Modicon084推出梯形图的编程方式，取得胜利。Modicon084控制器提示：可编程控制器的核心设计思想是使用软件编程代替硬连线继电器控制，从而建立程序控制系统。可编程控制器的产生和发展电气控制与S7-1200应用技术教程6可编程控制器的名称演变可编程控制器早期名称为“ProgrammableLogicController”（可编程逻辑控制器），简称PLC。1980年，美国电气制造商协会（NEMA）给他一个新的名称“ProgrammableController”，简称PC。但为了避免与个人计算机（personalcomputer，PC）这一简写名称术语混乱，现在仍沿用早期的PLC表示可编程控制器，但现在的PLC并不意味只具有逻辑功能。可编程控制器的产生和发展电气控制与S7-1200应用技术教程7可编程控制器的定义国际电工委员会（internationalelectrotechnicalcommission，IEC）在1985年1月的PLC标准草案第3稿中对PLC作的定义：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。注意：可编程控制器是“数字运算操作的电子系统”；可编程控制器是“专为在工业环境下应用”而设计的；可编程控制器能控制“各种类型”的机械或生产过程。可编程控制器的产生和发展电气控制与S7-1200应用技术教程8可编程控制器的发展趋势1．运算高速化，性能更可靠。SoC（System-on-a-Chip）芯片在时钟频率越来越高的同时而功耗却显著减小，为开发更小体积、更高I/O密度、更多功能的PLC奠定了基础。多核SoC的发展，可以进行高速的处理等。以西门子为例，上一代S7-200PLC的位逻辑指令执行时间为0.22μs，而新一代的S7-1200PLC的位逻辑指令执行时间仅为0.1μs。有些PLC甚至可以达到ns级别。不少PLC厂商采用了多CPU并行处理方式。统计表明，在所有故障中，CPU和I/O口故障仅占两成，其余都为外部故障，其中传感器45%、执行器30%、接线5%。另外，许多厂家的PLC都提供故障诊断功能，大大提高了系统的故障自诊断和处理能力。可编程控制器的产生和发展电气控制与S7-1200应用技术教程9可编程控制器的发展趋势2．高度集成化、模块化、小型化。现在的PLC产品体积更小，功耗更低，功能更强。近几年，很多PLC厂商推出了超小型PLC，用于单机自动控制或组建分布式控制系统。例如，西门子的LOGO!系列PLC，将CPU、I/O模块、操作显示单元集成到一起。此外，很多原先需要扩展的功能如ProfiNet也被集成到CPU模块上，使系统成本大大降低。可编程控制器的产生和发展电气控制与S7-1200应用技术教程10可编程控制器的发展趋势3．标准化、开放性。早期PLC的一个重大缺点就是各厂家的体系是封闭的，各种总线、协议、指令、接口规范、电源等级等都不是一致的，互不通用，互不兼容。如今的PLC采用了各种的工业标准，例如IEC61131-3、IEEE802.3以太网、TCP/IP协议、OPC等等。可编程控制器的产生和发展电气控制与S7-1200应用技术教程11可编程控制器的发展趋势4．网络化与无线化。PLC厂家都加强了通信联网的信息处理能力。例如，西门子的S7-1200支持PROFINET、点对点（PtP）、Modbus、自由口等通信功能，可以方便的与多种设备进行信息交互。在智能制造系统中，PLC不仅仅是机械装备和生产线的控制器，而且还是制造信息的采集器和转发器。以太网更高速度数据传输满足了视频数据、视觉识别、图像处理等工业数据传输的应用。实时以太网满足了对于机器人、计算机数控、运动控制方面的数据交换能力需求。随着5G的部署，迎来“万物互联”的无线时代，PLC也将进入无线通信时代。不远的将来，PLC的I/O部分可以与CPU分离，传感器、执行器等均可单独布置，直接留在现场底层，大大减少现场布线的烦恼。此外，PLC将可以与智能手机、电脑等互联，用户可以随时随地查看系统状态、实时数据等重要信息。可编程控制器的特点电气控制与S7-1200应用技术教程12可靠性高，抗干扰能力强硬件配套齐全、使用方便，适应性强、应用灵活编程简单、易学易用系统的设计、安装、调试工作量少维修工作量小，维修方便体积小，重量轻，能耗低性价比高可编程控制器的分类电气控制与S7-1200应用技术教程13按结构形式分类根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式、模块式和叠装式三种。西门子S7-1200系列整体式PLC及其扩展单元整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元和扩展单元组成。图为西门子S7-1200系列整体式PLC及其扩展单元，PLC具体型号为CPU1214CDC/DC/DC，其右侧连接了一个SM1223扩展模块，用于扩展PLC的数字量I/O，其左侧连接了一个CM1241RS485通信扩展模块。可编程控制器的分类电气控制与S7-1200应用技术教程14按结构形式分类根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式、模块式和叠装式三种。西门子S7-1500系列模块式PLC模块式PLC是将PLC各组成部分，分成若干个独立的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块以及各种功能模块。用户可根据需要自行配置I/O点数和所需模块等，直接安装在机架或导轨上。模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统。大、中型PLC一般采用模块式结构。可编程控制器的分类电气控制与S7-1200应用技术教程15按结构形式分类根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式、模块式和叠装式三种。永宏叠装式PLC叠装式PLC将整体式和模块式的特点结合起来。其CPU、电源、I/O接口等依然是各自独立的模块，但它们之间连接不用基板，仅用电缆进行连接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，既保留了模块式可灵活配置的特点，又体现了整体式体积小巧的优点。可编程控制器的分类电气控制与S7-1200应用技术教程16按功能分类根据PLC的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。低档PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较及通信等功能，主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。可编程控制器的分类电气控制与S7-1200应用技术教程17按功能分类根据PLC的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。中档PLC除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序及通信联网等功能；有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂的控制系统。可编程控制器的分类电气控制与S7-1200应用技术教程18按功能分类根据PLC的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。高档PLC除具有中档PLC的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其他特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。可编程控制器的分类电气控制与S7-1200应用技术教程19按I/O点数分类PLC的控制规模主要指数字量I/O点数及模拟量I/O点数。按I/O点数，可将PLC分为小型、中型和大型三类。小型PLC：小型PLC的I/O点数小于256，用户存储器容量为4KB以下。中型PLC：中型PLC的I/O点数在256～2048，用户存储器容量为4～8KB。大型PLC：大型PLC的I/O点数大于2048，用户存储器容量为8～16KB。可编程控制器的分类电气控制与S7-1200应用技术教程20世界上，PLC产品可按地域分成三大流派，一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，一个流派是日本产品。美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离情况下独立研究开发的，因此美国和欧洲的PLC产品有明显差异性。而日本的PLC技术是由美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性。美国和欧洲以大中型PLC而闻名，日本则以小型PLC著称。国外PLC品牌和厂家有德国西门子（Siemens），瑞士ABB，法国施耐德（Schneider），美国罗克韦尔（Rockwell），日本欧姆龙（Omron）以及三菱