可编程控制器技术及应用 课件 模块1 可编程控制器概述

可编程控制器技术及应用新编21世纪高等职业教育精品教材·装备制造类主编周航刘娜PART01模块1可编程控制器概述PART02模块2了解S7-200SMART系列PLCPART03模块3S7-200SMARTPLC基本指令的编程及应用目录CONTENTSPART04模块4功能指令的编程及应用PART05模块5西门子S7-200SMARTPLC的高级应用PART06模块6网络通信的编程及应用PART01模块1可编程控制器概述任务一可编程控制器基础任务二PLC的结构与工作过程任务一可编程控制器基础任务一可编程控制器基础知识目标（1）掌握可编程控制器的产生及定义；（2）了解可编程控制器的功能、应用及特点；（3）了解可编程控制器的优缺点；（4）了解可编程控制器的类别与发展。技能目标（1）能够认识可编程控制器；（2）能够确定应用可编程控制器的项目。任务一可编程控制器基础一、可编程控制器的产生及定义1.PLC的发展简史早期的工业控制采用电气器件作为控制元件，属于硬件布线逻辑控制系统，如电磁继电器构成的继电器控制系统。这种固定接线控制系统的功能与具体的机械动作相对应，控制柜的结构因系统功能不同而异。如果控制要求改变，则硬接线结构也随之改变，对于复杂的控制系统，这给工程师带来极大的挑战。此外，维修起来也困难，如果某一个继电器损坏，甚至仅仅是接触不良，就可能造成系统瘫痪，而故障的查找和排除需要花费很长时间。机械电气式器件本身的不足影响了控制系统的各种性能，无法适应现代化工业的发展需求。任务一可编程控制器基础PLC的产生源于汽车制造业。20世纪60年代末，汽车型号不断推新，原有的控制系统已不能满足其发展需求，因此，在1968年，美国通用汽车公司设想将继电器控制与计算机控制两者结合起来，要求制造商为其装配线提供一种新型的通用程序控制器，并提出了以下项目指标：（1）编程简单，可在线程内修改程序。（2）维护方便，采用插件式模块结构。（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系统媲美。（7）输入可以是交流115V。（8）输出为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀。（9）系统扩展时，原系统只需做很小的改动。（10）用户程序存储器容量至少4KB。任务一可编程控制器基础2.可编程控制器的定义美国电气制造协会（NEMA）将其正式命名为可编程控制器（ProgrammableController），简称PC。但鉴于“PC”在我国一般指个人计算机，为避免学术名词混淆，在我国仍沿用PLC来表示可编程控制器。国际电工委员会（IEC）于1982年颁布了可编程控制器标准草案；接着，于1985年发表了第二版；1987年，颁布了第三版，给出了可编程控制器的定义：可编程控制器是专为工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子系统。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出，控制各种类型的机械设备或生产过程。可编程序控制器及相关外部设备，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。任务一可编程控制器基础二、可编程控制器的功能、应用及特点可编程控制器是一种以微处理器为核心，带有存储器和输入输出接口，融合计算机技术、电子技术、自动控制技术、通信技术于一体的新一代工业控制装置。可编程控制器以其丰富的功能、简单实用的特点得到了广泛的应用。1.可编程控制器的功能可编程控制器有丰富的功能指令和功能模块，主要功能有：（1）逻辑运算和定时计数功能。PLC具有基本逻辑运算功能，进行“与”“或”“非”的运算，能够实现继电器触点的串联、并联、复合并串联等连接关系，还具有定时器、计数器，可以进行定时和对外部事件计数，定时值和计数值可以通过程序进行设定。（2）数据处理和数字量与模拟量的转化功能。PLC可以对模拟量进行控制，PLC设置有数据传送、比较、加减乘除运算、移位、位操作、数制转换等数据处理指令和打印输出指令，并可对存储器间接寻址。（3）通信功能。PLC具有通信接口，可与计算机、其他PLC建立连接，进行通信。任务一可编程控制器基础（4）实时处理功能。PLC内部具有中断系统，通过中断响应，及时对内、外部事件进行处理，能够进行故障检测，提高运行速度，提高实时处理能力。（5）监控和自诊断功能。PLC具有报警和显示运行信息的功能。在系统发生异常时自动停止运行并发出报警信号，能够保护和恢复现场，还能通过程序设计进行故障检测和程序校验。（6）扩展功能。PLC主机上设有输入输出扩展接口，通过专用模块配置可扩大信息处理范围和实现功能扩展。例如，配置I/O扩展模块，增加输入输出点数，配置I/O智能模块可使PLC增加闭环过程控制、温度控制等专项特殊功能。2.可编程控制器的应用可编程控制器在国内外已广泛应用于采矿、冶金、水泥、石油、化工、电力、汽车、机械制造、轻工及环保等行业。它的应用大致可分为以下几种控制领域：（1）逻辑控制。逻辑控制是PLC最基本的功能，也是最为广泛的应用。采用PLC可以很方便地实现各种开关量的控制，用来取代继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。PLC既可用于单机或多机控制，又可用于自动化生产线的控制。PLC可根据操作按钮、开关和传感器等获取输入信号控制执行机构完成相应的控制。任务一可编程控制器基础（2）位置控制和运动控制。具有脉冲输出功能的单轴或多轴位置控制功能模块，可对步进电动机及直流伺服电动机进行控制，依靠脉冲数量和频率实现其位置控制和速度控制，在设定的轨迹下达到目标位置。（3）过程控制。具有多路模拟量输入输出模块及PID模块的PLC可通过对模拟量的控制实现其过程控制，具有PID模块的PLC可实现闭合控制，提高其控制精度。（4）集散控制。PLC与PLC、PLC与上位机之间可以联网，通过电缆或光缆传送信息，构成多级分布式控制系统，以实现集散控制。3.可编程控制器的特点（1）可靠性高。设备的高可靠性指的是平均无故障工作时间和故障平均修复时间短。可编程控制器在恶劣的工作环境中应用的可靠性高。（2）编程简单。PLC采用梯形图进行编程，与传统的继电接触器接线图有许多相似之处，对于具有一定电工知识和文化水平的人员，可以在较短时间内学会PLC的编程方法。任务一可编程控制器基础（3）通用性好。PLC种类多，可由各种组件灵活组成不同的控制系统，以满足不同的控制要求。同一台PLC，只要改变程序就可实现控制不同的对象或满足不同的控制要求。（4）功能强。PLC能进行逻辑、定时、计数和步进等控制，能实现模拟量的控制，能完成对数据进行处理和通信联网等任务，具有丰富的功能。随着PLC技术的迅猛发展，PLC的功能日益强大，应用领域也进一步拓展。（5）项目开发周期短。PLC以程序设计取代硬件接线，构成控制系统结构简单，安装使用方便，工作量大大减少。此外，PLC模块功能齐全，程序编制、调试和修改方便，可缩短项目开发周期。任务一可编程控制器基础三、可编程控制器与其他工业控制装置的比较可编程控制器是在传统继电器控制基础上发展起来的，能替代继电器控制，二者之间有共同特点也有不同之处。图1-1为电动机单向连续运行控制示意图，其中图1-1（a）为继电器控制电路图，图1-1（b）为PLC控制梯形图，两者均表示输入与输出之间的逻辑关系。图1-1（a）中的KM=（SB1+KM）·SB2·FR，图1-1（b）中的Q0.0=（I0.0+Q0.0）·I0.1·I0.2，从逻辑关系表达式上看也是非常一致的。但是，它们之间最大的区别在于：在继电器控制方案中，输入与输出信号间的逻辑关系是由实际的布线来实现的；在PLC控制方案中，输入与输出信号间的逻辑关系是由程序（梯形图）来实现的。具体区别如下：任务一可编程控制器基础1.组成器件不同继电器控制电路中的继电器是真实存在的，电路由真实器件组成；而PLC控制梯形图中的继电器则是虚拟的，通过PLC内部存储单元的一位二进制来虚拟实现，故称为“软继电器”。2.触点情况不同继电器控制电路中的动合、动断触点由实际的结构决定，而PLC中的动合、动断触点则由软件决定，即由存储器中相应的状态“1”或“0”来决定。因此，继电器控制电路中每个继电器的触点数量是有限的，而PLC中每个软继电器的触点是无限的；继电器控制线路中的触点寿命是有限的，而PLC中软继电器的触点寿命取决于存储器的寿命，存储器寿命要长一些。3.工作电流不同继电器控制电路中的电流是真实存在的，而PLC控制梯形图中的电流是假想的，是一种信息流，称之为“软电流”或“能流”。4.接线方式不同继电器控制电路中的所有接线都必须逐根连接，缺一不可，而PLC控制电路中的接线，除输入输出点外，梯形图中的软接线都是通过程序来实现的。任务一可编程控制器基础5.工作方式不同继电器控制线路中，当电源接通时，各继电器都处于受约状态，一旦继电器或接触器线圈得电，其所提供的触点无论在电路中的任何位置都能动作，是一种并行工作方式。而PLC的工作方式是循环扫描，属于串行工作方式，从第一阶梯形图开始，依次执行到最后一阶梯形图，再重复上述过程，周而复始，从激励到响应有滞后。PLC的最大优点就是用程序控制，使整个控制逻辑能够根据需要灵活改变，省去传统继电器控制电路中拆线、接线的大量烦琐、费时的工作。四、可编程控制器的类别、发展与应用1.可编程控制器的类别可编程控制器产品的种类很多，根据外部特性可将其进行分类。（1）按点数和功能分为小型、中型、大型三类。可编程控制器实现对外部设备的控制，其输入端子与输出端子的数量总和，称为PLC的输入输出点数，简称I/O点数。为了适应信息处理量和系统复杂程度的不同需求，PLC具有不同的I/O点数、用户程序存储器容量和功能范围，由此可将其分为小型、中型和大型三类。任务一可编程控制器基础小型PLC的I/O点数小于128点，用户程序存储器容量小于4K字节。功能简单，以开关量控制为主，可实现条件控制、顺序控制、定时计数控制，适用于单机或小规模生产过程。中型PLC的I/O点数在128～512点，用户程序存储器容量为4～8K字节。功能较丰富，兼有开关量和模拟量控制能力。它具有浮点数运算、数制转换、中断控制、通信联网和PID调节等功能，适用于小型连续生产过程的逻辑控制和闭环过程控制。大型PLC的I/O点数在512点以上，软硬件功能较强，运算和控制功能丰富。它具有多种自诊断功能，一般都有多种网络功能，有的还可以采用多个CPU结构，具有冗余能力。（2）按结构特点分为整体式和模块式两类。整体式PLC多为微型、小型，特点是将电源、CPU、存储器及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、价格低和安装简单等特点，I/O点数通常为10～60点。模块式PLC是将CPU、输入输出单元、电源单元以及各种功能单元集成一体。各模块结构上相互独立，构成系统时则根据要求搭配组合，灵活性强。任务一可编程控制器基础（3）按控制性能分为低档、中档和高档三类。低档PLC具有基本的控制功能和一般运算能力，工作速度比较慢，能带的输入输出模块数量及种类也比较少。中档PLC具有较强的控制能力和较强的运算能力，它不仅能完成一般的逻辑运算，也能完成比较复杂的数据运算，工作速度比较快。高档PLC具有强大的控制功能和较强的数据运算能力，能带的输入输出模块数量很多，种类也很全面。这类PLC不仅能完成中等规模的控制工程，还可以完成规模很大的控制任务，在联网中一般作为主站使用。2.可编程控制器的发展趋势PLC自问世以来，经过40多年的发展，在机械、冶金、化工、轻工及纺织等行业得到了广泛的应用，在美、德、日等工业发达的国家已成为重要的产业之一。目前，世界上有200多个生产PLC的厂家，国外比较有名的有：美国的AB公司、通用电气（GE）公司等；日本的三菱（MITSUBISHI）公司、富士（FUJI）公司、欧姆龙（OMRON）公司、松下电工公司等；德国的西门子（SIEMENS）公司等；法国的TE公司、施耐德（SCHNEIDER）公司等；韩国的三星（SAMSUNG）公司、LG公司等。国产PLC有：中国科学院自动化研究所的PLC-008、北京联想计算机集团公司的GK-40、上海机床电器厂的CKY-40、上海香岛机电制造有限公司的ACMY-S80和ACMY-S256、无锡华光电子工业有限公司（合资）的SR-10和SR-20/21等。任务一可编程控制器基础PLC主要朝以下方向发展：（1）产品规模向大、小两个方向发展；中、高档PLC向大型、高速、多功能方向发展；低档PLC向小型、模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本。（2）PLC在闭环过程控制中应用日益广泛。（3）集中控制与网络连接能力加强。（4）不断开发适应各种不同控制要求的特殊PLC控制模块。（5）编程语言趋向标准化。（6）发展容错技术，不断提高可靠性。（7）追求软硬件的标准化。3.PLC的应用（1）数字量控制。PLC用“与”“或”“非”等逻辑控制指令实现触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制。（2）运动量控制。PLC使用专用的运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可以实现单轴、双轴、三轴和多轴的位置控制。任务一可编程控制器基础（3）闭环过程控制。闭合过程控制是对温度、压力和流量等连续变化的模拟量进行控制。PLC通过模拟量I/O模块，实现模拟量和数字量之间的相互转换，并对模拟量实现闭合PID控制。（4）数据处理。现代PLC具有数字运算、数据传送、转换、排序、查表和位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。（5）通信联网。PLC可以实现PLC与外设、PLC与PLC、PLC与其他工业设备、PLC与上位机、PLC与工业网络设备等之间的通信，实现远程通信。任务二PLC的结构与工作过程任务二PLC的结构与工作过程知识目标（1）掌握可编程控制器的结构；（2）理解可编程控制器的工作过程；（3）掌握可编程控制器的工作原理；（4）了解PLC的编程语言。技能目标能够说出可编程控制器的工作过程。任务二PLC的结构与工作过程（3）闭环过程控制。闭合过程控制是对温度、压力和流量等连续变化的模拟量进行控制。PLC通过模拟量I/O模块，实现模拟量和数字量之间的相互转换，并对模拟量实现闭合PID控制。（4）数据处理。现代PLC具有数字运算、数据传送、转换、排序、查表和位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。（5）通信联网。PLC可以实现PLC与外设、PLC与PLC、PLC与其他工业设备、PLC与上位机、PLC与工业网络设备等之间的通信，实现远程通信。任务二PLC的结构与工作过程一、PLC的基本组成PLC的基本组成框图如图1-2所示。任务二PLC的结构与工作过程PLC由硬件系统和软件系统两大部分组成。1.硬件系统硬件系统是指PLC的所有具体设备，其基本单元由中央处理器（CPU）、总线、存储器、输入/输出单元、通信接口和电源等部分组成，此外，还有编程器、扩展设备和EPROM读写板和打印机等选配设备。为了维护与修理方便，许多PLC采用模块化结构。由中央处理器、存储器组成主控模块，由输入单元组成输入模块，由输出单元组成输出模块，三者通过专用总线构成主机，并由电源模块对其供电。（1）中央处理器（CPU）。CPU是PLC的核心部件，控制所有设备的操作。CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。这些电路和元件一般都集成在一个芯片上。地址总线、数据总线和控制总线三种总线将CPU与存储单元、输入/输出单元连接，形成一个整体。CPU的主要功能是从存储器中读取指令、执行指令、准备取下一条指令和中断处理。其主要任务是：接收、存储由编程工具输入的用户程序和数据，并通过显示器显示出程序的内容和存储地址；检查、校验用户程序；接收、调用现场信息；执行用户程序和故障诊断。任务二PLC的结构与工作过程（2）总线。总线是为了简化硬件电路设计和系统结构，用一组线路，配置合适的接口电路，使CPU与各部件和外围设备连接的共用连接线路。总线分为内部总线、系统总线和外部总线。内部总线是计算机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连；而外部总线是计算机和外部设备之间的总线。从传送的信息看，系统总线又分为地址总线、控制总线和数据总线。（3）存储器。存储器是具有记忆功能的半导体器件，用于存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他信息。根据存放信息性质的不同，在PLC中常使用以下类型的存储器：1）只读存储器（ROM）：只能由PLC制造厂家写入程序，并永久驻留；PLC掉电后，ROM中的内容不会丢失，用户只能读取，不能改写，因此ROM存放于系统程序。2）随机存取存储器（RAM）：信息读出时，RAM中的内容保持不变；写入时，新写入的信息覆盖原始内容。它用来存放既要读出又要写入的内容。因此RAM常用于存放数据等信息，PLC掉电后，RAM中的内容会丢失。PLC为保持信息不丢失，提供锂电池为RAM持续供电，保证其内容不丢失。3）可擦除可编程只读存储器（EPROM）：属于只读存储器，PLC失电后，写入的信息不会丢失，但是要改写程序，则需用紫外线擦除原信息，之后再写入新程序。一些小型PLC厂家也常将系统程序驻留在EPROM中，用户调好的用户程序也可固化在EPROM中。EEPROM写入的信息可用电擦除。任务二PLC的结构与工作过程（4）输入/输出单元（I/O单元）。输入/输出单元简称I/O单元，是PLC与外部设备交流的通道，进行工业控制的输入信号与输出信号的转换接口。输入单元需要将控制对象的状态信号通过输入接口转换成标准电平，输出单元将CPU处理结果输出的标准电平通过输出接口转换成执行机构所需的信号形式。为确保PLC的正常工作，I/O单元应具备如下功能：1）能可靠地从现场获得有关信号，能对输入信号进行滤波、整形，转换成控制器可接收的电平信号，输入电路与控制器隔离。2）把控制器的输出信号转换成有较强驱动能力的、执行机构所需的信号，输出电路与控制器隔离。（5）通信接口。为了实现“人—机”或“机—机”之间的对话，PLC配有通用RS-232、RS-422/485、USB通信接口和多种专用通信接口，通过这些接口可以与监视器、打印机、其他PLC或计算机相连。PLC还备有扩展接口，用于将扩展单元与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活。（6）电源。小型整体式PLC内部有一个开关式稳压电源，该电源一方面可为CPU板、I/O板及扩展单元提供5V的直流工作电源，另一方面也为外部输入元件提供24V直流电源输出。电源性能的好坏直接影响PLC的可靠性，因此对电源隔离、抗干扰、功耗、输出电压波动范围和保护功能等方面都提出了较高的要求。为保持RAM中的内容不丢失，一般PLC都配有锂电池作为RAM的后备电源。任务二PLC的结构与工作过程2.软件系统软件系统是管理、控制PLC，确保PLC正常运行的程序。软件系统分为系统程序和用户程序。系统程序一般来自PLC厂家，是控制和完成PLC各种功能的程序，侧重于管理PLC的各种资源，控制各硬件的正常动作，协调各硬件组成间的关系，充分发挥整个可编程控制器的使用效率，方便广大用户直接使用。用户程序是指使用者根据生产工艺要求编写的控制程序，侧重于使用。它包括开关量逻辑控制程序、模拟量运算控制程序、闭环控制程序和初始化程序等。二、PLC的工作过程PLC采用循环扫描的工作方式，其工作过程主要分为3个阶段：输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段，如图1-3所示。任务二PLC的结构与工作过程1.输入采样阶段PLC在开始执行程序之前，首先按顺序将所有输入端子信号读入的输入映像寄存器中存储，这一过程称为采样。PLC在运行程序时，所需要的输入信号不是取自输入端子上的信息，而是取自输入映像寄存器中的信息。在本工作周期内，这个采样的内容不会改变，只有到下一个输入采样阶段才会被刷新。2.程序执行阶段PLC按顺序进行扫描，即从上到下、从左到右地扫描每条指令，并分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中获得所需的数据进行运算和处理；再将程序执行的结果写入输出映像寄存器中保存。但这个结果在全部程序未被执行完毕之前不会被传送到输出端子上。3.输出刷新阶段在执行完用户所有程序后，PLC将输出映像寄存器中的内容传送到用于寄存器输出状态的输出锁存器中，输入采样阶段和输出刷新阶段的时间一般为毫秒级，而程序执行阶段的时间因用户程序的长度不同而不同，容量为1KB的程序扫描时间一般为10ms左右。任务二PLC的结构与工作过程三、PLC的工作原理为了更好地理解PLC的工作原理，现以一个最简单的电动控制电路为例，说明其工作方式及原理。三相异步电动机起动/停止控制电路如图1-4所示。其中左侧是主电路，右侧是控制电路。任务二PLC的结构与工作过程在控制电路中，输入信号有SB1、SB2和热继电器FR，输出信号是接触器KM。当按下起动按钮SB2时，接触器KM得电，则主电路中动合触点KM合上，电动机旋转；同时，与SB2并联的接触器常开辅助触点闭合，即使SB2断开，接触器KM的线圈通过其辅助触点仍保持通电，维持吸合状态，电动机持续运转。当按下停止按钮SB1时，接触器KM线圈失电，其主触点和辅助触点均断开，电动机脱离电源，停止转动。图1-4中的控制电路可用PLC实现，拆除右侧控制电路，连接PLC如图1-5所示。任务二PLC的结构与工作过程图1-5中，SB2是起动按钮，SB1是停止按钮，其梯形图如图1-6所示。任务二PLC的结构与工作过程图1-6中，I0.0、I0.1、I0.2为PLC接收输入端，Q0.0为PLC输出端。PLC接收输入端信号后，执行存储在PLC内的用户程序，通过输入、输出信号间的逻辑关系，实现输入、输出的控制关系，完成控制任务。从图1-6可以看出，PLC控制系统中，接在输入端向PLC输入信号的器件与继电器系统基本相同，接在输出端接收PLC输出信号的器件也与继电器系统基本相同。两者不同的是，PLC中输入、输出信号间的逻辑关系控制功能，是由存储在PLC内的软接线决定的；而继电器控制电路中，其输入、输出信号间的逻辑关系控制功能，则是由实际的布线来实现的。由于PLC采用软件建立输入、输出信号间的控制关系，因此能灵活、方便地通过改变用户程序来实现控制功能的改变。任务二PLC的结构与工作过程四、PLC的编程语言PLC有5种常用编程语言：梯形图（LAD）、语句表（IL）、功能块图（FBD）、顺序功能图（SFC）、结构文本（ST）。其中最常用的是梯形图和语句表。1.梯形图梯形图是使用最多的PLC图形编程语言。梯形图与继电器控制系统的电路图相似，具有直观易懂的优点，很容易被工程技术人员所熟悉和掌握。梯形图程序设计语言具有以下特点：（1）梯形图由触点、线圈和用方框表示的功能块组