电气控制与PLC.讲述.ppt

1、第3章 可编程序控制器概述,3.1 PLC的产生和定义 3.2 PLC的发展与分类 3.3 PLC的主要特点 3.4 PLC的应用领域 3.5 PLC的系统组成 3.6 PLC的工作原理 3.7 PLC的编程语言和程序结构,在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是以继电器控制占主导地位的。对生产工艺多变的系统适应性差，一旦生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构。 1968年，美国通用汽车公司(GM公司)为了在每次汽车改型或改变工艺流程时不改动原有继电器柜内的接线，降低成本，缩短开发周期，而提出了研制新型逻辑顺序控制装置，并提出了10项招标技术指标。其主要内容如下：,3.1.1

2、 PLC的产生,3.1 PLC的产生和定义,1、 在工厂里能迅速方便地对其控制系统进行编程。 2、 所有系统单元必须能在工厂内独立运行。 3、 系统的维修必须简单易行。 4、 装置的体积、能耗小于继电器控制系统。 5、 必须具有通信功能。 6、 输入开关量可以是已有的交流115 V电压信号。 7、 输出必须设计为能驱动具有115 V、2 A以上的负载。 8、 具有灵活的扩展能力。 9、 在购买和安装费用上，应具有较高的性能价格比。 10、用户存储器容量至少在4 KB以上。,根据指标要求，美国数字设备公司（DEC）于1969年研制出第一台控制器（型号为PDP-14） ，并在美国GM公司的汽车自动

3、装配生产线上获得试用成功。 它的开创性意义在于引入了程序控制功能，为计算机技术在工业控制领域的应用开辟了空间。从此，可编程序控制气器这一新的控制技术迅速发展起来，而且，在工业发达国家发展很快。 1971年，日本开始生产PLC。1973年，原西德和法国也研制出自己的PLC。随着微电子技术的迅猛发展，到20世纪80年代中期，PLC的处理速度和可靠性大大提高，不仅增加了多种特殊功能，而且体积进一步缩小，成本大幅度下降。到20世纪90年代中期之后，PLC几乎完全计算机化，其速度更快，功能更强，PLC的各种智能化模块不断被开发出来。为了推动PLC的应用，一些厂家还推出了PLC的计算机辅助编程软件。,世界

4、上现有200多个厂家生产PLC产品，可按地域分成三大流派：一个流派是美国产品（著名的厂家有AB、GE、MODICON)，一个流派是欧洲产品(德国的SIEMENS，法国的SCHNEIDER)，一个流派是日本产品(MISUBISHI、OMRON、FUJI)。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。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，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。,国际电工委员会（IEC）1987年颁布的可编程逻辑控制器的定义如下： “可编程控制器

5、是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。它能够存储和执行命令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则设计”。,3.1.2 PLC的定义,3.2.1 PLC的发展,3.2 PLC的发展与分类,目前，世界上一些著名电器生产厂家几乎都在生产PLC，产品功能日趋完善，换代周期越来越短。为了进一步扩大PLC在工业自动化领域的应用范围，适应大、中、小型企业的不同需要，PLC产品大致向两个方向

6、发展：小型PLC向体积缩小，功能增强，速度加快，价格低廉的方向发展，使之能更加广泛地取代继电器控制，更便于实现机电一体化；大、中型PLC向高可靠性、高速度、多功能、网络化的方向发展，将PLC系统的控制功能和信息管理功能融为一体，使之能对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。,按I/O点数可分为大、中、小型三大类，通常可以定义为： 小型：I/O点数在256点以下； 中型：I/O点数在2562048点之间； 大型：I/O点数在2048点以上。,3.2.2 PLC的分类,按结构形式可分为整体式、模块式。,模块式：将PLC各部分分成若干个单独的模块，如电源模块、 CPU模块、I/O模块和各种功能模块。

7、模块式PLC由机架和各种模块组成。模块插入机架内的插座上。模块式PLC配置灵活、装配方便，便于扩展和维修。一般大、中型PLC易采用。,整体式：将PLC的基本部件，如电源、CPU、I/O部件都集中在一个机箱内，组成PLC的一个基本单元（主机）。其结构紧凑、体积小、价格低。一般小型PLC采用这种结构。整体式PLC由不同的I/O点数的基本单元和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O和电源。扩展单元内只有I/O和电源。整体式PLC一般配有特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使得PLC的功能得以扩展。,三菱PLC外形图,Q系列PLC,FX2N系列PLC,FX1N系列PLC,FX1S系列PLC,

8、西门子PLC外形图,S7-200系列PLC,S7-300系列PLC,S7-400系列PLC,欧姆龙PLC外形图,C200H系列PLC,CPM1A、CPM2A系列PLC,3.3 PLC的主要特点,（1）编程简单，使用方便。 梯形图是使用得最多的PLC的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似。梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器的电气技术人员只要花几天的时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。 （2）控制灵活，程序可变，具有很好的柔性 。,（3）功能强，扩充方便，性能价格比高。 一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现复杂的控制功能。与相同

9、功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。 （4）控制系统设计及施工的工作量少，维修方便 。 PLC用软件功能取代了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，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。 PLC程序的设计比设计相同功能的继电器系统电路图的时间要少很多，用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管就可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少很多。,（5）可靠性高，抗干扰能力强 PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平

10、均无故障时间可达数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。 1) 硬件方面的抗干扰措施 对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，均采用严格措施进行屏蔽，以防外界干扰。 对供电系统及输入电路采用多种形式的滤波，以消除或抑制高频干扰，也削弱了各部分之间的相互影响。 采用光电隔离措施，有效地隔离了内部与外部电路间的直接电联系，以减少故障和误动作。, 对PLC内部所需的+5 V电源采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以消除由于交流电网的波动引起的过电压、欠电压的影响。 采用模块式结构的PLC，一旦某一模块有故障，可以迅速更换模块，从而尽可能缩短系统的故障停机时间。 2) 软件方面的抗干

11、扰措施 PLC通过监控程序定时地对电源及强干扰信号等进行检测。当检测到故障时，立即转入故障处理程序，保存当前状态，禁止对程序的任何操作，以防存储信息被破坏。待故障排除后，立即恢复到故障前的状态，继续执行程序。,PLC设置了监视定时器，如果程序每次循环的执行时间超过了规定值，表明程序已进入死循环，则立即报警。 加强对程序的检查和校验，发现错误立即报警，并停止程序的执行。 利用后备电池对用户程序及动态数据进行保护，确保停电时信息不丢失。 （6）体积小、重量轻、能耗低，是“机电一体化”特有的产品,3.4 PLC的应用领域,如果按应用类型来划分，可编程序控制器的应用可分为以下几个类型： (1) 开关逻

12、辑和顺序控制：这是可编程序控制器最基本的控制功能，在工业场合应用最广泛，可代替继电器控制系统。开关量逻辑控制不但能用于单台设备，而且可用于生产线上。 (2) 过程控制：PLC通过模拟量I/O模块，可对温度、流量、压力等连续变化的模拟量进行控制。大中型PLC都具有PID闭环控制功能并已广泛地用于电力、化工、机械、冶金等行业。,(3) 运动控制：PLC可应用于对直线运动或圆周运动的控制，如数控机床、机器人、金属加工、电梯控制等。 (4) 多级控制网络系统：PLC之间、PLC与计算机之间及其他智能控制设备之间可以联网通信，实现远程数据处理和信息共享，从而构成工厂CIMS系统。,3.5.1 基本组成,

13、3.5 PLC的系统组成,3.5.2 PLC各组成部分的功能,与一般的计算机控制系统一样，CPU是整个系统的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作。其主要任务有：控制从编程器键入的用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过输入部件接收现场的状态或数据，并存入输入状态表或数据存储器中；诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出寄存器表的内容，再经由输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。,1中央处

14、理器(CPU),PLC中存储器的功能与普通微机系统中的存储器功能相似，用来存储系统程序和用户的程序与数据。目前主要采用的系统程序存储器是指用来存放系统管理、用户指令解释及标准程序模块、系统调用等程序的存储器，常用ROM构成。用户存储器用来存储用户编制的梯形图程序或用户数据。存储用户程序的叫用户程序存储器，存储用户数据的叫用户数据存储器，常用RAM构成，为防止掉电时信息的丢失，有后备电池作保护。,2. 存储器,由于PLC系统程序关系到PLC的性能，不能由用户直接存取，因而，PLC产品样本或使用手册中所列存储器形式及其容量一般都是指用户存储器而言。 PLC中已提供一定容量的存储器供用户使用，但对有

15、些用户，可能还不够用，因此大部分PLC都提供了存储器扩展(EM)功能，用户可以将新增的存储器扩展模板直接插入CPU 模板中，也有的是插入中央基板中。,输入部件是PLC与工业生产现场被控对象之间的连接部件，是现场信号进入PLC的桥梁。该部件接收由主令元件、检测元件来的信号。,3输入/输出部件（I/O模块）,输入部件,输入部件均带有光电耦合电路，其目的是把PLC与外部电路隔离开来，以提高PLC的抗干扰能力。为了与现场信号连接，输入部件上设有输入接线端子排。为了滤除信号的噪声和便于PLC内部对信号的处理，输入部件内部还有滤波、电平转换、信号锁存电路。 各PLC生产厂家都提供了多种形式的I/O部件或模

16、块，供用户选用。,图示为某直流输入模块的内部电路和外部接线图（一路），COM是同一组输入点各内部输入电路的公共点。外接的直流电源极性可任意，虚线框内是PLC内部输入电路，虚线框外为外部用户接线。图中，T为一光电耦合器，发光二极管与光电三极管封装在一个管壳中。当二极管中有电流时其发光，此时光电三极管导通。R1为限流电阻，R2和C构成滤波电路，可滤除输入信号中的高频干扰。LED显示该输入点的状态。,PLC的输入电路有共点式、分组式和隔离式之别。输入单元只有一个公共端子(COM)的称为共点式，外部各输入元件都有一个端子与COM相接；分组式是将输入端子分为若干组，每组各共用一个公共端子；隔离式输入电路

17、是具有公共端子的各组输入点之间互相隔离，可各自使用独立电源。,输出部件也是PLC与现场设备之间的连接部件，其功能是控制现场设备进行工作(如电机的启、停、正/反转，阀门的开、关，设备的转动、移动、升降等)。对于PLC，希望它能直接驱动执行元件，如电磁阀、微电机、接触器、灯和音响等，因此，输出部件中的输出级常是一些大功率器件，如机械触点式继电器、无触点交流开关(如双向可控硅)及直流开关(如晶体三极管)等。 与输入部件类似，输出部件上也有输出状态锁存、显示、电平转换和输出接线端子排。输出部件或模块也有多种类型供选用。,输出部件,(1) 在晶体管输出电路中，负载电源只能是直流，由用户提供。输出电路负载

18、能力小(工作电流仅0.30.5A)，为无触点开关。晶体管输出接口使用寿命长，响应速度快，其延迟一般为0.51ms。 (2) 在双向晶闸管输出电路中，输出电路采用的开关器件是光控双向晶闸管，负载电源由用户提供，选用交流电源。输出电路负载能力较大(工作电流约1A左右)，响应速度较快，一般导通延迟为12ms，关断延迟为810ms。,按输出电路所用开关器件的不同，PLC的开关量输出可分为晶体管输出、双向晶闸管输出和继电器输出三种模式。,(3) 继电器输出电路(如图所示）中，负载电源由用户提供，可以是交流也可以是直流，视负载情况而定。输出电路抗干扰能力强，负载能力大(工作电流可达25A)，但信号响应速度

19、较慢，其延迟一般为810 ms。,PLC输出电路也有共点式、分组式和隔离式之分。输出只有一个公共端子的称为共点式；分组式是将输出端子分为若干组，每组共用一个公共端子；隔离式是具有公共端子的各组输出点之间互相隔离，可各自使用独立的电源。,由于继电器触点电气寿命一般仅为1030万次，因此在需要输出点频繁通断的场合(如高频脉冲输出)，应选用晶体管或晶闸管输出型的PLC。另外，继电器从线圈通电到触点动作存在延迟时间，是造成输出滞后于输入的原因之一。,编程器的作用是供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视。有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在磁带上。磁带上的信息可以重

20、新装入PLC。 编程器有简易型和智能型两类。简易型编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后才能送入，简易编程器一般由简易键盘和发光二极管矩阵或其他显示器件组成。智能编程器又称图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD(液晶显示器)或CRT图形显示功能，可直接输入梯形图和通过屏幕对话。 也可以利用微机作为编程器，这时微机应配有相应的软件包。,4. 编程器,电源部件将交流电源转换成PLC的中央处理器、存储器等电路工作所需要的直流电源，使PLC能正常工作。PLC内部使用的电源是整机的供电中心，它的优劣直接影响到PLC的功能和可靠性，因此目前大部分PLC采用开关式稳压电

21、源供电。开关式稳压电源的输入电压范围宽，体积小，效率高，重量轻，抗干扰性能好。有的PLC还能向外部提供24 V的直流电源，给输入单元所连接的外部开关或传感器供电。,5. 电源部件,用PLC替代继电器控制系统就是替代电气控制电路图中的控制电路部分，而主电路部分基本保持不变。控制电路又可分为三个组成部分：输入部分、逻辑部分和输出部分。 输入部分：由电路中全部的输入信号构成，这些信号来自被控对象上的各种开关信息，如控制按钮、操作开关等。 逻辑部分：由各种继电器、接触器等电器的触点和线圈组成，各电器触点之间以固定的方式接线，其控制逻辑就编制在硬接线中。 输出部分：由电路中的全部输出元件构成，如接触器线

22、圈、电阀线圈等执行电器及信号灯。,3.6 PLC的工作原理,可编程控制器是基于电子计算机的工业控制器，从PLC产生的背景来看，PLC系统与继电器控制系统有着极深的渊源，因此可以比照着继电器系统来学习PLC的工作原理。,3.6.1 PLC对继电器控制系统的仿真,PLC的基本组成也可大致分为三部分：输入部分、逻辑部分和输出部分，这与继电器控制系统很相似。其输入、输出部分与继电器控制系统所用的电器大致相同，不同的是PLC增加了输入、输出部件，多了光耦合、电平转换、功率放大等功能。PLC的逻辑部分是由微处理器、存储器组成，由计算机软件替代继电器控制电路，实现了“软接线”，可灵活编程。,尽管PLC与继电

23、器控制系统的逻辑部分组成不同，但在控制系统中所起的逻辑条件作用是一致的。因而我们可以把PLC内部看成有许多“软继电器”，这样，就可以模拟继电器控制系统的编程方法，仍按设计继电器控制电路的形式来编制程序，这就是梯形图编程法。,梯形图是与继电器控制电路图相呼应的，使用起来极为方便。由于PLC的输入、输出部分与继电器控制系统大致相同，因而在安装、使用时也完全可按照常规的继电器控制设备那样进行。,3.6.2 可编程控制器的工作模式,（1）RUN模式 通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。在CPU模块的面板上用“RUN”LED显示当前的工作模式。 （2）STOP模式 CPU不执行用户程序，可以用

24、编程软件创建和编辑用户程序，设置PLC的硬件功能，并将用户程序和硬件设置信息下载到PLC。 如果有致命错误，在消除它之前不允许从STOP模式进入RUN模式。PLC操作系统存储非致命错误供用户检查，但不会从RUN模式自动进入STOP模式。,改变工作模式的方法 ：,1）用CPU模块上的模式开关来手动切换，模式开关有3个挡位，在STOP或TERM（终端）位置时，电源通电后CPU自动进入STOP模式 。 2）用STEP 7-Micro/Win32编程软件改变工作模式，在编程软件与PLC之间建立起通信连接后，应首先把主机的模式开关置于TERM或RUN位置，然后在此软件平台用鼠标单击STOP和RUN模式按

25、钮或执行相应的菜单命令即可。 3）在用户程序中用指令由RUN模式转换到STOP模式。,3.6.3 可编程控制器的工作过程,PLC的工作过程以循环扫描的方式进行，当PLC处于运行状态时，它的运行周期可以划分为以下几个基本阶段：,输入采样阶段；PLC逐个扫描每个输入端口，将所有输入设备的当前状态保存到相应的输入映像寄存，此时，输入映像寄存器被刷新。 程序执行阶段；从输入/输出映像寄存器或别的位元件的映像寄存器读取其状态，并根据系统程序的指示，CPU从用户程序存储区逐条取指令，经解释后执行相应的逻辑运算，运算的结果写入相应的映像寄存器。因此，各映像寄存器的状态（只读的输入映像寄存器除外）的内容随着程

26、序的执行而变化。 在程序的执行阶段，即使外部的输入信号的状态发生了变化，输入过程映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号的变化只有在下一个扫描周期的输入采用阶段才能被读入。,通信请求处理阶段：CPU处理从通信接口和智能模块接收到的信息 CPU自诊断测试阶段：检查CPU模块的操作和扩展模块的状态是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些内部操作。 输出刷新阶段：系统程序将输出映像寄存器中的内容传送到输出锁存器中，经过输出接口、输出端子输出，驱动外部负载。,（1）输入处理 （2）执行程序 （3）处理通信请求 （4）执行CPU自诊断测试 （5）写数字输出,中断程序处理：如果在程序中使用了中断，中断事件

27、发生时，CPU停止正常的扫描工作模式，立即执行中断程序。 立即I/O处理：在程序执行的过程中使用立即I/O指令可以直接存取I/O点。读输入点的值时，相应的输入过程映像寄存器的值不会被更新，写输出点的值时，相应的输出过程映像寄存器的值会被更新。,输入、输出延时响应 由于PLC采用循环扫描的工作方式，即对信息采用串行处理方式，必定会导致输入、输出延时响应。当PLC的输入端有一个输入信号发生变化到PLC的输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间的，这段时间称为响应时间（滞后时间）。 对于一般工业控制要求，这种滞后现象是可以允许的，但是对那些要求响应时间小于一个扫描周期的控制系统则不能满足，这时可以使

28、用智能输入输出单元或专门指令，通过与扫描周期脱离的方式来加以解决。,3.7 PLC的编程语言和程序结构,IEC （国际电工委员会）于1994年公布了PLC的标准IEC61131其中的第三部分是PLC的编程语言标准，61131-3标准的5种编程语言： (1) 顺序功能图(Sequential Function Chart)； (2) 梯形图(Ladder Diagram)； (3) 功能块图(Function Block Diagram)； (4) 指令表(Instruction List)； (5) 结构文本(Structured Text)（专用的高级编程语言）。,1.7.1 PLC编程语言

29、的国际标准,梯形图（LAD）编程语言,梯形图（LAD）是与电气控制电路相呼应的图形语言。它沿用了继电器、触头、串并联等术语和类似的图形符号，并简化了符号，还增加了一些功能性的指令。梯形图按自上而下，从左到右的顺序排列，最左边的竖线称为起始母线也叫左母线，然后按一定的控制要求和规则连接各个接点，最后以继电器线圈（或再接右母线）结束，称为一逻辑行或叫一“梯级”。通常一个梯形图中有若干逻辑行（梯级），形似梯子，如图所示。,右母线省略,梯形图（LAD）,触点：代表逻辑控制条件，触点闭合时表示能量可以流过。分常开触点（| |）和常闭触点（| / |）两种形式。 线圈：通常代表逻辑“输出”的结果。能量流到

30、，则该线圈被激励。 方框：代表某种特定功能的指令。能量通过方框时，则执行方框所代表的功能。方框所代表的功能有多种，例如：定时器、计数器、数据运算等。 梯形图中，每个输出元素（线圈或方框）可构成一个梯级。,梯形图是PLC模拟继电器控制系统的编程方法。 基本编程元素有触点、线圈和方框。,1、PLC采用梯形图编程是模拟继电器控制系统的表示方法，因而梯形图内各种元件也是沿用继电器的叫法，我们称之为“软继电器”。每个“软继电器”各为存储器中的一位，相应位为“1”时，表示该继电器线圈“通电”。用“软继电器”就可以按继电器控制系统的形式来设计梯形图。 2、梯形图中通过的是“能流”而不是物理电流。 “能流”是梯形图的一个关键的概念，它的引入是为了和继电器控制系统相比较，只是概念上的并非实际存在， “能流”只能从左到右、自上而下流动，不允许倒流。而继电器控