PLC自动化控制原理基础教学课件

PLC自动化控制原理基础教学课件一、绪论：走进PLC的世界1.1PLC的定义与概述可编程逻辑控制器，通常简称PLC，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。简单来说，PLC就是一个工业用的“专用计算机”，它能够根据我们预先编写好的程序，接收来自现场的各种信号，经过内部处理后，发出控制命令，驱动各种执行机构，从而实现对生产过程的自动化控制。1.2PLC的产生与发展PLC的诞生源于工业控制的实际需求。在PLC出现之前，工业控制主要依赖继电器接触器控制系统。这种系统虽然简单直观，但存在体积大、功耗高、可靠性差、接线复杂、不易修改、维护困难等缺点。尤其是当生产工艺发生变化时，往往需要重新设计电路、更换继电器，费时费力。为解决这些问题，20世纪60年代末，美国通用汽车公司（GM）提出了著名的“十条要求”，旨在寻找一种新型的工业控制器。随后，第一台PLC应运而生。经过几十年的发展，PLC在技术上日臻成熟，功能不断强大，从最初的逻辑控制，发展到如今能够实现模拟量控制、运动控制、过程控制、网络通信等多种复杂控制任务，已成为工业自动化领域的核心控制设备。1.3PLC的主要特点与优势PLC之所以能在工业控制领域得到广泛应用，与其自身的诸多优点密不可分：*高可靠性与强抗干扰能力：PLC专为工业环境设计，采用了大量的抗干扰措施，如光电隔离、滤波、电源稳压、密封防尘等，使其能够在恶劣的工业环境下稳定工作。平均无故障工作时间（MTBF）长。*编程简单易学：PLC的编程语言通常采用与继电器控制电路相似的梯形图语言，这种语言形象直观，易于理解和掌握，对于熟悉电气控制的技术人员来说，上手很快。此外，还有指令表、功能块图、顺序功能图、结构化文本等多种编程语言可供选择。*功能强大，应用灵活：PLC不仅能实现基本的逻辑运算、定时、计数功能，还能完成复杂的算术运算、数据处理、模拟量控制、运动控制、过程控制以及网络通信等功能。通过更换模块或扩展单元，可以方便地改变或扩展其控制功能。*控制系统构成简单，通用性强：PLC产品已系列化、标准化，用户可以根据控制需求选择不同型号的PLC，并通过扩展模块组成各种规模的控制系统。系统的设计、安装、调试周期短。*体积小，重量轻，能耗低：与传统的继电器控制系统相比，PLC体积大大减小，重量轻，安装维护方便，同时能耗也较低。*在线修改方便，操作维护简单：PLC的程序可以通过编程器在线修改，修改后的程序可以立即生效，无需改变硬件接线。其自诊断功能可以帮助用户快速查找故障，提高了系统的可维护性。1.4PLC的应用领域PLC凭借其卓越的性能，已被广泛应用于各个工业领域及部分民用领域：*机械制造行业：这是PLC应用最广泛的领域，如机床、生产线、机器人、包装机械、印刷机械等的控制。*过程控制行业：如石油化工、冶金、电力、水处理、建材等行业的过程参数（温度、压力、流量、液位等）的控制。*汽车制造行业：汽车整车及零部件的生产线上大量使用PLC进行控制。*轻工行业：如食品、饮料、制药、家电等行业的生产过程控制。*电力行业：用于变电站、发电厂的自动化控制。*交通运输行业：如地铁、轻轨、港口机械、自动扶梯等的控制。*环保与市政工程：如污水处理、垃圾处理、城市照明等的控制。二、PLC的基本组成与工作原理2.1PLC的基本组成PLC作为一种专用的工业控制计算机，其基本组成与一般计算机相似，主要包括中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出接口（I/O模块）、电源以及编程器等外部设备。*中央处理单元（CPU）：CPU是PLC的核心部件，相当于人的大脑。它负责接收并存储用户程序和数据，诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误，以及按照一定的顺序读取输入信号、执行用户程序、更新输出状态。CPU的性能直接影响PLC的工作速度和处理能力。*存储器：PLC的存储器用于存放程序和数据，主要分为系统程序存储器和用户程序存储器。*系统程序存储器：通常为只读存储器（ROM或EPROM），存放PLC的系统管理程序、监控程序、模块化应用功能程序等。这些程序由PLC制造商编写并固化，用户无法修改。*用户程序存储器：通常为随机存取存储器（RAM），并配有后备电池或EEPROM/Flash，用于存放用户根据控制需求编写的应用程序及运行过程中产生的中间数据。用户可以对其进行读写操作。*输入/输出接口（I/O模块）：I/O模块是PLC与工业现场之间连接的桥梁，负责将现场设备的状态信号（如按钮、传感器、行程开关等的信号）送入PLC（输入），或将PLC的控制命令传送给现场执行机构（如接触器、电磁阀、指示灯等）（输出）。*输入模块：将外部设备的直流或交流信号转换为PLC内部CPU能够处理的数字信号。通常具有光电隔离和滤波功能。常见的输入类型有直流输入（如24VDC）、交流输入（如110VAC、220VAC）。*输出模块：将CPU处理后的数字信号转换为外部执行机构能够接收的控制信号。同样具有隔离功能。常见的输出类型有继电器输出（交直流通用，带载能力强，但响应速度较慢）、晶体管输出（直流，响应速度快，带载能力较弱）、晶闸管输出（交流，响应速度较快）。*电源模块：为PLC的CPU、存储器、I/O模块等内部电路提供稳定的直流工作电源。通常PLC的电源模块能适应较宽的电压输入范围（如AC____V），以提高其适应性。*编程器/编程软件：编程器是PLC开发应用、监控运行状态和维护的必备设备。早期多为专用手持编程器，现在多采用安装有专用编程软件的个人计算机（PC）作为编程工具，通过专用的通信电缆与PLC连接。编程软件功能强大，除了编写程序外，还可以进行程序的调试、监控、参数设置等。*其他外部设备：根据需要，PLC还可以配置人机界面（HMI）、打印机、条码阅读器、通信模块等外部设备，以实现更复杂的人机交互和数据交换功能。2.2PLC的工作原理PLC的工作方式与传统的继电器接触器控制系统的“并行工作方式”（即所有电器同时受输入信号控制而动作）不同，它采用“循环扫描工作方式”。这种工作方式是PLC最基本、最重要的工作特性。简单来说，PLC通电后，在系统程序的控制下，周而复始地按一定的顺序对用户程序进行扫描，并根据程序的逻辑关系进行运算处理，最后输出控制信号。一个扫描周期主要包括以下几个阶段：*1.输入采样阶段（InputSampling）：PLC以扫描方式依次读入所有输入端子的当前状态（接通或断开），并将这些状态信息存入输入映象寄存器（InputImageRegister）中。在本扫描周期内，即使输入信号发生变化，输入映象寄存器中的相应状态也不会改变，这些变化只能在下一个扫描周期的输入采样阶段才被读入。这就保证了在一个扫描周期内，输入信号的状态是稳定的。*2.程序执行阶段（ProgramExecution）：PLC根据用户程序存放的先后顺序，从第一条指令开始逐条执行，直至遇到结束指令。在执行过程中，PLC根据指令的要求，从输入映象寄存器、输出映象寄存器或内部标志寄存器、定时器、计数器等中读取数据，并进行相应的逻辑运算或算术运算，运算结果再写入输出映象寄存器或相应的内部寄存器中。需要注意的是，在程序执行阶段，只有输入映象寄存器中的数据是不变的，而输出映象寄存器和内部寄存器中的数据会随着程序的执行而发生变化。*3.输出刷新阶段（OutputRefresh）：当所有用户程序执行完毕后，PLC将输出映象寄存器中所有输出继电器的状态（接通或断开）一次性传送到输出锁存器中，再通过输出端子驱动外部执行机构。因此，输出信号的变化也是在一个扫描周期结束时才一起发生的。*4.内部处理与通信服务阶段：除了上述三个主要阶段外，在每个扫描周期内，PLC还会进行一些内部处理工作，如检查内部硬件是否正常、Watchdog定时器复位等。同时，还会与编程器、人机界面等外部设备进行通信，响应它们的请求。扫描周期（ScanCycleTime）：PLC完成一次输入采样、程序执行、输出刷新的全过程所需的时间称为一个扫描周期。扫描周期的长短主要取决于用户程序的长短、指令的复杂程度以及PLC的运算速度。一般来说，小型PLC的扫描周期较短，大型PLC的扫描周期相对较长，但通常都在毫秒级。PLC的这种循环扫描工作方式，使得其能够可靠地、有序地处理各种复杂的控制任务。理解PLC的扫描工作原理，对于正确编制用户程序、分析程序运行结果和排查故障都具有重要意义。三、PLC的编程语言为了适应不同用户的需求和习惯，国际电工委员会（IEC）制定了PLC编程语言的标准（IEC____），规定了五种标准化的编程语言：梯形图（LD）、指令表（IL）、功能块图（FBD）、顺序功能图（SCL或SFC）和结构化文本（ST）。3.1梯形图（LadderDiagram,LD）梯形图是目前应用最广泛的PLC编程语言，它起源于继电器接触器控制电路的电气原理图。梯形图的图形符号与继电器控制电路中的符号相似，如常开触点、常闭触点、线圈、串联、并联等，因此非常直观易懂，深受电气技术人员的欢迎。*基本结构：梯形图由多个“梯级”（Rung）组成，每个梯级从左侧母线（PowerRail，通常表示逻辑“1”或高电平）开始，经过一系列触点的串并联组合（表示逻辑条件），连接到右侧的线圈（Coil，表示逻辑结果）或指令盒。最右侧通常也有一条母线，但有些编程软件中可以省略。*编程规则：*触点应画在水平线上，不能画在垂直分支上。*线圈或指令盒必须画在梯形图的最右侧，不能直接接在左侧母线上。*同一编号的线圈在一个程序中通常只能出现一次，否则会引起误动作。*梯形图的逻辑运算是从左到右、从上到下进行的。*可以有多个并联的输出线圈。*常用符号：*常开触点（NOContact）：表示当对应的物理输入或内部继电器为“ON”（接通）状态时，该触点闭合。*常闭触点（NCContact）：表示当对应的物理输入或内部继电器为“ON”（接通）状态时，该触点断开；反之则闭合。*线圈（Coil）：表示输出继电器、内部辅助继电器、定时器、计数器等的线圈。当线圈“得电”（其控制条件满足）时，其对应的触点状态会发生改变。*指令盒（FunctionBlock/Box）：用于表示一些复杂的功能指令，如定时器、计数器、算术运算、数据处理等。指令盒通常有输入参数和输出参数。例如，一个简单的电动机启保停控制的梯形图，会包含启动按钮（常开触点）、停止按钮（常闭触点）、接触器线圈以及接触器的自锁触点（常开）。3.2指令表（InstructionList,IL）指令表编程语言类似于计算机汇编语言，它是由一系列指令组成的程序。每条指令由一个操作码（Opcode，即指令名称）和一个或多个操作数（Operand，即操作对象的地址或数据）组成。指令表通常与梯形图一一对应，可以相互转换。对于熟悉汇编语言的用户来说，指令表编程可能更为高效。例如，与上述电动机启保停控制梯形图对应的指令表可能包含：LD（取常开触点）、OR（或运算）、ANI（与非，即与常闭触点）、OUT（输出线圈）等指令。3.3功能块图（FunctionBlockDiagram,FBD）功能块图编程语言采用图形化的功能块来表示PLC的各种功能指令，如逻辑运算、定时器、计数器、算术运算等。每个功能块有规定的输入引脚和输出引脚，通过连线将功能块的输出连接到其他功能块的输入，从而构成控制逻辑。功能块图适用于描述复杂的控制逻辑和模块化编程。3.4顺序功能图（SequentialFunctionChart,SFC）顺序功能图也称为状态转移图，它是一种基于状态机思想的图形化编程语言，特别适用于描述具有明显顺序动作特征的控制过程，如自动上料、自动装配、自动包装等。SFC将一个复杂的控制过程分解为若干个“步”（Step），每个步代表一个稳定的工作状态。步与步之间通过“转换”（Transition）连接，转换的实现需要满足特定的“转换条件”。当转换条件满足时，上一步被“复位”，下一步被“激活”。在每个步中，可以定义该步激活时应执行的“动作”（Action）。SFC的优点是结构清晰，逻辑性强，易于理解和维护，能够清晰地表达整个控制过程的顺序和联锁关系。3.5结构化文本（StructuredText,ST）结构化文本是一种高级文本编程语言，其语法类似于Pascal或C语言。它采用语句、表达式、函数、变量等来描述控制逻辑，可以实现复杂的数学运算、数据处理和逻辑控制。结构化文本适用于编写复杂的算法和大型程序，尤其受到具有计算机编程背景的用户欢迎。例如，可以使用IF-THEN-ELSE、CASE、FOR、WHILE等语句结构来实现复杂的逻辑判断和循环控制。在实际应用中，通常会根据控制任务的复杂程度、编程人员的习惯以及PLC的支持情况，选择合适的编程语言。对于简单的逻辑控制，梯形图和指令表较为常用；对于顺序控制，顺序功能图非常有效；对于复杂的算法和模块化设计，功能块图和结构化文本则更具优势。许多PLC编程软件支持多种语言混合编程，以充分发挥各种语言的特长。四、PLC控制系统的典型结构一个完整的PLC控制系统通常由被控对象、输入设备、输出设备、PLC主机及其扩展模块、人机交互设备、以及必要的电源和连接线等组成。4.1被控对象（ControlledObject/Process）被控对象是PLC控制系统的控制目标，它可以是一台机器、一条生产线、一个生产过程或一个设备单元，如机床、输送皮带、反应釜、温度箱等。PLC通过控制被控对象的各种执行机构，使其按照预定的工艺要求运行。4.2输入设备（InputDevices）输入设备是将被控对象或生产过程的各种状态信息（如位置、温度、压力、流量、开关状态等）转换为PLC能够识别的电信号的装置。这些信号是PLC进行逻辑判断和控制决策的依据。常见的输入设备包括：*开关量输入设备：按钮（启动、停止、急停、复位