第三章可编程序控制器

可编程控制器及其系统是实现工厂自动化的重要手段，是综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的工业控制计算机系统。可编程控制器广泛地应用于冶金、化工、交通、电力、制造等领域。是现代工业控制的支柱技术之一。本部分使学生初步了解可编程控制器在工厂自动化中的应用，掌握基本的工作原理和编程方法，了解和掌握在工厂自动化实践中使用可编程控制器进行应用系统设计的基本方法。

第三章可编程序控制器第一节可编程序控制器系统的产生与定义一PLC产生上世纪60年代，计算机技术已开始应用于工业控制了。但由于计算机技术本身的复杂性，编程难度高、难以适应恶劣的工业环境以及价格昂贵等原因，未能在工业控制中广泛应用。当时的工业控制，主要还是以继电—接触器组成控制系统。1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车制造公司（GM），为适应汽车型号的不断翻新，试图寻找一种新型的工业控制器，以尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件及接线、减少时间，降低成本。可编程控制器的名称1980年美国电气制造商协会NEMA正式命名：ProgrammableController可编程控制器早期的PLC是用来替代继电器、接触器控制的。它主要用于顺序控制，只能实现逻辑运算。因此，被称为可编程逻辑控制器（Programmablelogiccontroller，略写PLC)。随着电子技术、计算机技术的迅速发展，可编程控制器的功能已远远超出了顺序控制的范围。被称为可编程控制器（Programmablecontroller，略写PC)。为区别于Personalputer(PC)，故沿用PLC这个略写。现在PLC是指可编程控制器ProgrammableController，而不是可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）。注意PC，PLC，IPC（IndustrialPersonalputer）的区别二、可编程控制器的定义1-8国际电工委员会(IEC)在可编程控制器标准IEC1131中做了如下定义：可编程控制器是一种数字运算的电子系统，专门为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在其执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的面向用户的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按工业控制系统形成一个整体，充其功能的原则设计。第二节可编程序控制器的发展1968年美国通用汽车公司GM公开招标，寻求一种新的控制装置。1969年DEC公司推出了世界上第一台可编程序控制器，并试用成功。接着，美国MODICON公司也开发出可编程序控制器，我国74年开始研制，77年开始应用。70年代中期，美日一些厂家将微处理器引入可编程控制器，从而彻底打破了可编程控制器作为继电控制系统替代品的框框。70年代末期到80年代初，为解决各厂家的可编程控制器系统各自为政、无法互联的局面，GM开始制订MAP(ManufacturingAutomationProtocol)，可编程控制器网络走上标准化道路。90年代，迅速发展的各种网络和现场总线技术被广泛地集成在可编程控制器系统中，可编程控制器及其相关系统为工厂自动化提供一种全集成自动化TIA的解决方案。一、历史二、发展趋势向小型化、专用化、低成本方向发展向大容量，高速度方向发展智能化模块的发展人机界面的发展在过程控制领域使用以及PLC的冗余特性开放性和标准化通讯联网功能的增强和软PLCPACPLC在现场总线控制中位置第三节可编程序控制器的应用领域单机电气控制系统制造业自动化运动控制过程工业自动化第四节可编程序控制器的特点抗干扰能力强，可靠性高控制系统结构简单，通用性强编程方便,用功能强大，成本低设计、施工、生产调试的维护方便第五节跟其他控制系统比较控制逻辑工作方式可靠性和可维护性控制速度定时控制设计和施工与继电器控制系统的区别本质区别使用场合使用过程使用成本学习难就业方向与单片机控制系统的区别与DCS、FCS控制系统的区别DCS：用于连续过程控制系统PLC：用于开关量控制为主的控制系统FCS：使用总线协议为核心的控制系统1、按I/O点数容量分类可编程控制器的规模以所配置的输入/输出点数来衡量小型：I/O点数<128中型：I/O点数128-2048大型：I/O点数>2048应该指出大、中、小的规模主要是指I/O点数，程序容量在目前的多数可编程控制器中是可以扩展，扩展后可达数十兆。第六节PLC的分类2、按结构形式分类：整体式它将电源、CPU和少量I/O(开关量)组装在一个机壳内，称为基本单元。当I/O点数不足或需要诸如模拟量I/O等功能时就需要通过扁平电缆(并行总线)连接扩展单元。小型可编程控制器较多地采用这种形式，其结构紧凑，便于安装，成本降低。模块式可编程控制器的各个功能模块在结构上也以单独的模块形式出现，如电源模块，中央处理模块，各种I/O模块，他们通过一个共同的基板或者机架上的总线构成一个完整的控制系统。这种结构一般在中大型、高档产品中采用。随着近年来小型产品高档化的发展趋势，在小型系统中也有出现。Series90™-70S7-200基本单元扩展模块扩展模块根据性能分类低档：性能主要局限于原来的继电器控制系统的替代品。功能主要是各种逻辑运算，定时，计数，移位等。主要配置开关量输入/输出模块。中档：除了低档可编程控制器具备的功能外，中档产品具备了诸如数据运算、传递、比较、代码转换等功能，开关量I/O点数也较多，另外有模拟量I/O和远程I/O，其中远程I/O借助于通讯功能来实现。高档：除了中低档产品的功能外，高档产品借助于其一个或多个高性能的微处理器为工业应用提供了大量的高级功能，诸如浮点运算、文件管理，往往提供了对上，对下的多种网络通讯方式，高档产品是一个完整系列产品，为整个工厂自动化提供了一个完整的解决方案。SIEMENSMatsushitaSeries90™-30SchneiderTSXNezaModiconTSXQuantum

TSXPremium

TSXMomentumTSXMicroTSXpact第七节PLC的系统组成1.中央处理单元

中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。

CPU的主要功能：1）从存储器中读取指令

2）执行指令3）顺序取指令4）处理中断2.存储器

1）只读存储器ROM

2）随机存储器RAM

3.输入/输出单元

（1）输入接口电路

为了防止各种干扰信号和高电压信号进入PLC，影响其可靠性或造成设备损坏，现场输入电路一般有光电耦合器电路进行隔离。输入类型有直流、交流、交直流。源型输入是指输入点接入直流正极有效

漏型输入是指输入点接入直流负极有效直流开关量输入接口电路2）输出接口电路

PLC输出电路用来驱动被控负载（电磁铁、继电、接触器线圈等）。PLC输出电路结构形式分为继电器式，晶体型和晶闸管式三种。三种形式特点：继电器--低速大功率 晶闸管--高速大功率 晶体管--高速小功率NPN集电极开路型漏型输出是指输出的是直流负极

PNP集电极开路型源型输出是指输出的是直流正极I/O电路的外部接线汇点式分隔式输出模块的外部接线汇点式

分隔式SINK输入接线（漏入）SINK输出接线(漏出)SOURCE输入接线(源入)

SOURCE输出接线(源出)源入：电流由输入点流入。漏入：电流由输入点流出。源出：电流由输出点流出。漏出：电流由输出点流入I/O电路的电流方向4.其它

电源扩展接口、电源、扩展接口编程设备、附件。第八节PLC的工作原理1、PLC的工作方式与运行框图电气控制梯形图：并行工作方式PLC梯形图：串行工作方式2PLC的基本工作原理一、扫瞄CPU分时操作------扫瞄

扫瞄：从存储器存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按地址号递增的顺序逐条扫瞄用户程序，也就是顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。每扫瞄完一次程序就构成一个扫瞄，然后再从头开始扫瞄，并始地重复。理解PLC扫瞄的含义，与PC机工作方式有什么不同，扫瞄。影响因数二、程序执行过程

理解三个阶段的作用1、输入采样阶段（输入处理）

在此阶段，PLC以扫描方式顺序将所有输入端的输入信号状态(ON或OFF)读入到输入映像寄存器中寄存起来，称为对输入信号的采样或输入刷新。在程序执行阶段即使输入状态发生了变化，输入映像寄存器的内容也不会改变。输入状态的变化只能在下一个工作输入采样阶段才被重新读入。2、程序执行阶段（程序处理）

PLC按顺序扫描执行程序。每扫描到一条指令时，所需的输入状态或其他元素状态分别由输入映像寄存器和元素映像寄存器中读出，而将执行结果写入到元素映像寄存器中。这就是说，对于每个元素来说，元素映像寄存器中寄存的内容会随程序执行的进程而变化。3、输出刷新阶段

（输出处理）

当程序执行完后，进入输出刷新阶段。此时将元素映像寄存器中所有输出继电器的状态转存到输出锁存电路，再去驱动用户输出设备(或负载)，这就是PLC的实际输出。三、对输入输出的处理规则1、输入映像寄存器的数据取决于输入采样阶段所刷新的数据。2、输出映像寄存器的数据取决于程序执行结果。3、输出锁存电路中的数据，由上一个工作输出刷新阶段存入到输出锁存电路中数据确定。4、输出端子上的输出状态，由锁存电路中数据确定。5、程序执行中所需的输入、输出状态，由输入映像寄存器和输出状态映像寄存器中读出。四、信息刷新方式信息刷新方式有多种一般来说，输入刷新在采样阶段，输出刷新在输出阶段。有的PLC可以定时刷新，有的有专门的刷新指令。五、输入/输出滞后现象产生原因：1、PLC的工作方式2、输入滤波器的滞后作用和输出继电器的机械滞后作用IEC1131为可编程控制器定义了四种编程语言：梯形图LadderDiagram指令列表InstructionList功能图FunctionDiagram结构化文本StructureText第九节PLC的编程语言一PLC梯形图可编程控制器的梯形图程序类似于继电器控制线路梯形图的形式。传统的继电器控制线路是通过硬接线来实现控制逻辑，而可编程控制器的梯形图通过软件实现相应的控制。梯形图编程方法简单，修改灵活方便，保留了继电器控制线路形象、直观的特点。起停控制PLC等效电路接点母线线圈连线梯形图中的基本元素：电源母线Powerrails连线（连接元素）LinkElements接点Contacts线圈Coils功能和功能块FunctionsandFunctionBlocks梯形图元素-母线Powerrails梯形图被限制在左右两根竖线内，这两根竖线被分别称之为左、右母线。右母线可以被明确表示，也可以某省市略。梯形图元素-连线LinkElements连线元素又分为水平连线和垂直连线。

水平连线垂直连线连线-水平连线水平连线元素用一个水平线表示。水平连线元素将其左侧元素状态传递到其右侧元素。水平连线连线-垂直连线垂直连线梯形图元素-接点Contacts常开接点常闭接点梯形图元素-线圈Coils线圈将其左侧连线状态或变化的某个函数赋予其对应的布尔变量。线圈梯形图特点：1、梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每个继电器线圈为一个逻辑行，每一个逻辑行起于左母线，然后是接点的各种连接，最后终于继电器线圈。

2、图中的继电器不是继电器控制电路中的物理继电器，它实质上是存储器中的每位触发器，它是软继电器。3、梯形图中，一般情况下，某个编号的继电器线圈只能出现一次，而继电器接点则可以无限引用，可以是常开接点，也可以是常闭接点。

4、梯形图是PLC形象化的编程手段，梯形图两端是没有任何电源可接的。梯形图中没有真实的物理电流流动，而仅是“概