《PLC可编程逻辑控制器》课件-第一讲可编程控制器概论

1可编程控制器

第一讲概论课程目标了解和掌握可编程控制器的基本原理熟悉PLC程序的编制能进行基本的PLC控制系统的设计和实现课程目标了解和掌握可编程控制器的基本原理熟悉PLC程序的编制能进行基本的PLC控制系统的设计和实现4课程的基本情况专业课 先修课程：电路基础、微机原理、软件基础教材

《可编程序控制器原理及应用

》

郁汉琪郭键主编中国电力出版社5PLC是什么可编程序控制器（programmablelogiccontroller）一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，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，并通过数字的，模拟的输入和输出，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的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。(InternationalElectricalCommittee，IEC61131，1987)6OMRON

CPM1A7SiemensS7-200CPU221(10I/OPoints)CPU222(14I/OPoints)CPU226(40I/OPoints))CPU224(24I/OPoints)CPU224XP(24I/OPoints)8单片机、工控机、DSP、DCS

有何区别？发展Bigpicture14典型应用场景15典型输入16典型输出17继电器1-静触点；2-动触点；3-簧片；4-衔铁；5-极靴；6-空气气隙；7-反力弹簧；8-铁轭；9-线圈；10-铁芯电磁式继电器18继电器控制系统触点多可靠性差控制不及时接线固定，不能适应生产工艺变更的要求检测电路继电器控制电路执行部件生产现场19传统的继电器控制系统20继电器控制系统的困境

产品复杂化21继电器控制系统的困境

产品多样化22DickMorley

PLC之父

记者：您是怎么想到要发明PLC的？

DickMorley

：那年圣诞节我喝多了，真的！我不是骗你，这是真事。我再也不想干活了。我想发明一个一劳永逸的东西，不再想做客户解决方案了。所以我们发明了这么个大家伙，非常庞大，无论要完成什么功能，只要装进编辑器里就能实现。不用画图纸，我当时非常懒。23PLC替代电气控制电器控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组合成控制逻辑。其连线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能较为困难。PLC采用了计算机技术，其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中，要改变控制逻辑只需改变程序，因而很容易改变或增加系统功能。PLC所谓“软继电器”实质上是存储器单元的状态，所以“软继电器”的触点数量是无限的，PLC系统的灵活性和可扩展性好。24PLC替代电气控制从工作方式上看，在继电器控制电路中，当电源接通时，电路中所有继电器都处于受制约状态，即该吸合的继电器都同时吸合，不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合，这种工作方式称为并行工作方式。PLC的用户程序是按一定顺序循环执行，所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序，这种工作方式称为串行工作方式。25PLC替代电气控制从可靠性和可维护性上看，由于电器控制系统使用了大量的机械触点，其存在机械磨损、电弧烧伤等，寿命短，系统的连线多，所以可靠性和可维护性较差。而PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其寿命长、可靠性高，PLC还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。26六十年代的机遇集成电路计算机技术的发展第一代电子管计算机(1945-1956)第二代晶体管计算机(1956-1963)第三代集成电路计算机(1964-1971)

27PLC的提出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。因而设想把计算机的完备功能、灵活及通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种适合于工业环境的通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用“面向控制过程，面向对象”的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。即：硬件：减少软件：灵活简单28PLC的提出——“GM10条”针对上述设想，通用汽车公司提出了这种新型控制器所必须具备的十大条件：1编程简单，可在现场修改程序序2维护方便，最好是插件式3可靠性高于继电器控制柜4体积小于继电器控制柜5可将数据直接送入管理计算机6在成本上可与继电器控制柜竞争

7输入可以是交流115V8输出可以是交流115V，2A以上，可直接驱动电磁阀9在扩展时，原有系统只要很小变更10用户程序存储器容量至少能扩展到4K29这10点要求几乎成为当时各自动化仪表厂商生产PLC的基本规范。概括起来，PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点相继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。控制器和被控对象连接方便。随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是仅有逻辑(Logic)判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。30PLC的出现1969年，美国数字设备公司（GEC）首先研制成功第一台可编程序控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试车成功。Bedford联盟向福特提议制作模块化数字控制器。MODICON084是世界上第一块成为商品的PLC。MODICON=ModularDigitalController31PLC的发展历程第一代：从第一台可编程控制器诞生到70年代初期。其特点是：CPU由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器；第二代：70年代初期到70年代末期。其特点是：CPU采用微处理器，存储器采用EPROM；第三代：70年代末期到80年代中期。其特点是：CPU采用8位和16位微处理器，有些还采用多微处理器结构，存储器采用EPROM、EAROM、CMOSRAM等；第四代：80年代中期到90年代中期。PC全面使用8位、16位微处理芯片的位片式芯片，处理速度也达到1us/步；第五代：90年代中期至今。PC使用16位和32位的微处理器芯片，有的已使用RISC芯片。

32PLC市场

虽然我国在PLC生产方面非常弱，但在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30亿人民币。

全球PLC市场将以每年5％的速度稳步增长，并在2011年之前超过90亿美元。而在亚太地区将会有强劲的增长，预计每年的增长率可以达到7.9%33发展现状目前，世界上有200多家PLC厂商，400多品种的PLC产品。按地域分成三大流派：美国、欧洲、日本。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产品有明显的差异性。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，但日本的主推产品定位在小型PLC上。美国和欧洲以大中型PLC而闻名，而日本则以小型PLC著称。美国是PLC生产大国，有100多家PLC厂商，著名的有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司、德州仪器（TI）公司、西屋公司等。其中A-B公司是美国最大的PLC制造商，其产品约占美国PLC市场的一半。德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司、法国的TE公司是欧洲著名的PLC制造商。德国的西门子的电子产品以性能精良而久负盛名。在中、大型PLC产品领域与美国的A-B公司齐名。日本的小型PLC最具特色，在小型机领域中颇具盛名，某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制，日本的小型机就可以解决。在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机，所以格外受用户欢迎。日本有许多PLC制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等，在世界小型PLC市场上，日本产品约占有70％的份额。

发展现状35PLC的应用领域

钢铁、石油、化工、电力、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保、文化娱乐36应用场合输送系统灌装木工机械泵真空抽吸电梯照明工程污水处理厂油库生产线自动垃圾

收集系统照明光伏工程44PLC的用途

开关量逻辑控制：取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。工业过程控制：在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。一般使用PID调节。运动控制：PLC可以用于运动速度和角度的控制。一般使用专用的运动控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。数据处理：PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。通信及联网：PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。45闭环控制模块回路控制模块CS1W-LCU001Ｉ／Ｏ模块CPU电源46运动控制模块47PLC的特点

通用性强，使用方便PLC产品系列化、模块化，用户可方便地配置出满足不同控制规模的系统通过存储在存储器中的程序实现控制功能，如果控制功能需要改变的话，只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。4849

CPU模块+扩展模块50PLC的特点

抗干扰能力强，可靠性高硬件上采用光耦隔离设置多种滤波电路内部采用电磁屏蔽采用开关稳压电源软件上故障自诊断功能看门狗(WatchingDog)技术，避免死循环可方便地构成双机冗余热备系统51OMRON的CS1D双机冗余系统DuplicationofCPU,PSandCLKunit52PLC的特点

编程简单，容易掌握目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC内部增加了解释程序）。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。53PLC的特点

减少了控制系统的设计及施工的工作量由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。体积小、重量轻、功耗低、维护方便PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备54PLC控制系统与继电器控制系统的比较与继电器控制系统比较，PLC控制系统有什么优点？55PLC控制系统

与工业计算机控制系统的比较工业计算机总线标准化程度高、品种兼容性强、软件资源丰富、有实时操作系统支持，在要求快速、实时性高、模型复杂的工业控制中占有优势但工业计算机尚不能适应恶劣的工作环境，此外还要求操作人员具有一定的计算机知识，因此不如PLC那样容易维护56PLC控制系统与工业计算机控制系统的比较57

随着PLC更多地采用计算机技术，同时工业计算机向提高可靠性的方向发展，两者间相互渗透，差异越来越小。他们将继续共存，在一个控制系统中，使PLC集中在功能控制上，工业计算机集中在信息处理上，各显神通58PLC的发展趋势向高速度、大容量方向发展为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。59PLC的发展趋势向超大型、超小型两个方向发展

当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。

小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司α系列PLC。60小型化61PLC的发展趋势大力开发智能模块，加强联网通信能力

为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。PLC的联网通信有两类：一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。62网络化趋势PLC和计算机等可以构成多级分布式网络控制系统，实现工厂自动化（FA）网络化的分布式系统使现场设备层的执行、车间控制层的监控、工厂管理层的信息调度连成一个整体，进而创造出更高的经济效益63HUB中央控制室光纤适配器CS1DControllerLink光纤冗余环网DeviceNetCS1CS1CS1S……工厂自动化控制网络系统管理层控制层设备层Ethernet100M光纤以太环网

模拟屏NTProfibus……64PLC的发展趋势增强外部故障的检测与处理能力根据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。65PLC的发展趋势编程语言多样化在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。66PLC的性能指标1．存储容量存储容量是指用户程序存储器的容量。用户程序存储器的容量大，可以编制出复杂的程序。一般来说，小型PLC的用户存储器容量为几千字，而大型机的用户存储器容量为几万字。2．I/O点数输入/输出（I/O）点数是PLC可以接受的输入信号和输出信号的总和，是衡量PLC性能的重要指标。I/O点数越多，外部可接的输入设备和输出设备就越多，控制规模就越大。67PLC的性能指标3．扫描速度 扫描速度是指PLC执行用户程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标。一般以扫描1K字用户程序所需的时间来衡量扫描速度，通常以ms/K字为单位。PLC用户手册一般给出执行各条指令所用的时间，可以通过比较各种PLC执行相同的操作所用的时间，来衡量扫描速度的快慢。4．指令的功能与数量 指令功能的强弱、数量的多少也是衡量PLC性能的重要指标。编程指令的功能越强、数量越多，PLC的处理能力和控制能力也越强，用户编程也越简单和方便，越容易完成复杂的控制任务。68PLC的性能指标5．内部元件的种类与数量 在编制PLC程序时，需要用到大量的内部元件来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。这些元件的种类与数量越多，表示PLC的存储和处理各种信息的能力越强。6．特殊功能单元特殊功能单元种类的多少与功能的强弱是衡量PLC产品的一个重要指标。近年来各PLC厂商非常重视特殊功能单元的开发，特殊功能单元种类日益增多，功能越来越强，使PLC的控制功能日益扩大7．可扩展能力PLC的可扩展能力包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展、各种功能模块的扩展等。在选择PLC时，经常需要考虑PLC的可扩展能力。69PLC的分类——结构形式整体式PLC

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（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。模块式PLC

将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC的CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。70PLC的分类——功能低档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、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。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、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。高档PLC

除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC机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。71PLC的分类——I/O数量小型PLC——I/O点数<256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字以下。GE-I型

美国通用电气TI100

美国德洲仪器F、F1、F2

日本三菱C20C40

日本立石（欧姆龙）S7-200

德国西门子