021可编程序控制器的组成及原理

课程号：课程号：09366027程志华程志华13311862099021-可编程序控制器的组成及原理可编程序控制器的组成及原理p了解了解PLC pPLC的基本原理的基本原理1968年 GM(美国通用汽车)为改造控制设备控制设备招标的技术要求1.编程方便，可现场修改程序；2.维修方便，采用插件式结构；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.数据可直接送入管理计算机；6.成本可与继电器控制系统竞争；7.输入可为市电；8.输出可为市电，输出电流要求在2A以上，可直接驱动电磁阀、接触器等；9.系统扩展时，原系统变更最小；10.用户存储器容量大于4KB1969年 DEC研制出第一台PLC-PDP-14招标技术要求了解了解PLC PLC的诞生 定义定义:了解了解PLC 国际电工委员会国际电工委员会(IEC)于于1987年对可编程序控制器作了如下定义：年对可编程序控制器作了如下定义：“可编程序可编程序控制器是一种控制器是一种数字运算操作数字运算操作的电子系统，专为在的电子系统，专为在工业环境工业环境下应用而设计。它采下应用而设计。它采用用可编程可编程序的存储器，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、模拟的输入和输出，数和算术运算等操作的指令，并通过数字、模拟的输入和输出，控制控制各种类型各种类型的的机械或生产过程机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体、统联成一个整体、易于扩充易于扩充功能的原则设计功能的原则设计”。新型工业自动控制装置新型工业自动控制装置自动化技术自动化技术计算机技术计算机技术通信技术通信技术微处理器微处理器继电器控制和计算机控制继电器控制和计算机控制 早期的可编程序控制器在功能上只能进行逻辑早期的可编程序控制器在功能上只能进行逻辑控制，因而称为可编程序逻辑控制器控制，因而称为可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称，简称PLC。随着技术的进步，其控制功能不断增强，现在随着技术的进步，其控制功能不断增强，现在的可编程序控制还可进行算术运算、模拟量控制，的可编程序控制还可进行算术运算、模拟量控制，因此因此美国电气制造协会美国电气制造协会(NEMA)于于1980年将它正式年将它正式命名命名为可编程序控制器为可编程序控制器(Programmable Controller)简称为简称为PC。但是近年来但是近年来PC又成为个人计算机又成为个人计算机(Personal Computer)的简称，为了加以区别，现在把可编程的简称，为了加以区别，现在把可编程序控制器又称为序控制器又称为PLC。-始于始于60年代末年代末 美国首先研制和使用可编程序控制器美国首先研制和使用可编程序控制器以后，世界各国特别是以后，世界各国特别是日本和日本和联邦德国也相继开发了各自的联邦德国也相继开发了各自的PLC（70年代中期出现了微处理器并被应年代中期出现了微处理器并被应用到可编程序控制器后，用到可编程序控制器后，PLC的功能日趋完善，特别是它的小型化、高的功能日趋完善，特别是它的小型化、高可靠性和低价格，使它在现代工业控制中崭露头角）。可靠性和低价格，使它在现代工业控制中崭露头角）。-展于到展于到80年代初年代初 PLC的应用已在工业控制领域中的应用已在工业控制领域中占主导地位占主导地位。PLC控制技术已在世控制技术已在世界范围内广为流行，国际市场竞争相当激烈，产品更新很快，换代周期界范围内广为流行，国际市场竞争相当激烈，产品更新很快，换代周期约为约为35年。年。-成于成于90年代后年代后 工业控制领域工业控制领域几乎全被几乎全被PLC占领。国外专家预言，占领。国外专家预言，PLC技术将在工技术将在工业自动化的三大支柱业自动化的三大支柱(PLC、机器人和、机器人和CADCAM)中中跃居首位跃居首位。发展发展:(现状，方向（现状，方向（小型化、大型化、机电一体化、通讯和网络标准化）小型化、大型化、机电一体化、通讯和网络标准化）我国：我国：80年代初才开始使用年代初才开始使用PLC，目前从国外引进的，目前从国外引进的PLC中使用较为普遍的有日本欧中使用较为普遍的有日本欧姆龙姆龙(OMRON)公司公司C系列、三菱公司系列、三菱公司FX系列、美国系列、美国GE公司的公司的GE系列和德国系列和德国西门子公司西门子公司S系列等。系列等。同时，国内也在消化和引进同时，国内也在消化和引进PLC技术的基础上，研制产品。目前国内使用的技术的基础上，研制产品。目前国内使用的PLC主要还是靠进口和合资企业生产，但逐步实现国产化是必然趋势。主要还是靠进口和合资企业生产，但逐步实现国产化是必然趋势。PLC的著名品牌：的著名品牌：美国 AB公司（AllenBradley）德国西门子公司（Siemens）美国GEFanuc公司美国的莫迪康（Modicon）法国的TE电器公司日本欧姆公司（OMRON）日本三菱电机株式会社（MITSUBISHI）日本富士电机株式会社（Fuji Electric）日本东芝公司（TOSHIBA）PLC的国内状况：的国内状况：辽宁无线电二厂引进德国西门子技术生产PLC；无锡电器和日本光洋合资生产的 PLC;中美合资的厦门 AB公司生产的PLC；上海香岛机电公司引进技术生产的PLC;上海OMRON公司;西安Siemens公司等。-方便灵活和小型化方便灵活和小型化:工业上大多数的单机自动控制只需要监测控制参数和工业上大多数的单机自动控制只需要监测控制参数和有限的动作有限的动作，不需要，不需要使用大型、强功能的使用大型、强功能的PLC。为了满足这一需要，。为了满足这一需要，PLC生产厂家几乎都开发了生产厂家几乎都开发了结构简单、使用方便灵活的小型机，这是结构简单、使用方便灵活的小型机，这是80年代以来发展最快的一类产品，年代以来发展最快的一类产品，小型机几乎占了小型机几乎占了PLC市场的市场的l4。就应用范围和数量而言，小型机的应用还。就应用范围和数量而言，小型机的应用还远未达到饱和，今后还会有更大的应用市场。远未达到饱和，今后还会有更大的应用市场。-大容量和强功能化：大容量和强功能化：大容量大容量PLC输入输出点数在输入输出点数在2048点以上点以上，甚至有的达到，甚至有的达到500010000点。点。这类产品可以满足钢铁工业、化学工业等大型企业的这类产品可以满足钢铁工业、化学工业等大型企业的生产过程生产过程自动控制的需自动控制的需要。这类产品大部分采用有高速运算能力的片位式微处理器或强功能的要。这类产品大部分采用有高速运算能力的片位式微处理器或强功能的16位、位、32位微处理器，而且常常采用多位微处理器，而且常常采用多CPU结构，用不同的结构，用不同的CPU分别处理不同的控分别处理不同的控制任务以提高整机处理速度和增加各种功能。制任务以提高整机处理速度和增加各种功能。大型大型PLC一般具有较强的一般具有较强的科学计算、数据处理能力和数据通讯及联网能力科学计算、数据处理能力和数据通讯及联网能力，有很高的运行速度，并且有大量不同功能的智能模块供选用，能方便地与计有很高的运行速度，并且有大量不同功能的智能模块供选用，能方便地与计算机及别的控制器连成控制、管理网络。它所配用的用户存储器容量都在算机及别的控制器连成控制、管理网络。它所配用的用户存储器容量都在16K以上，有的已达到几百以上，有的已达到几百K。在总体上，。在总体上，PLC功能正在向通用计算机靠近。功能正在向通用计算机靠近。-机电一体化机电一体化:可编程序控制器在机械行业得到了广泛应用，开发大量机电技术相结合可编程序控制器在机械行业得到了广泛应用，开发大量机电技术相结合的产品和设备，是的产品和设备，是PLC发展的发展的重要方向重要方向。机电一体化技术是机械、电子、信息技术的融合，它的产品通常由机械本机电一体化技术是机械、电子、信息技术的融合，它的产品通常由机械本体、微电子装置、传感器、执行机构等组成。机械本体和微电子装置是机电体、微电子装置、传感器、执行机构等组成。机械本体和微电子装置是机电一体化的基本构成要素。一体化的基本构成要素。为了适应机电一体化产品的需要，为了适应机电一体化产品的需要，PLC应该增强应该增强功能功能，增大，增大存储量存储量和加快和加快处理处理速度速度，并且进一步缩小，并且进一步缩小体积体积，加强，加强坚固坚固性和性和密封密封性，进一步提高可靠性性，进一步提高可靠性及易及易维护维护性。性。-通讯和网络标准化：通讯和网络标准化：随着生产技术的发展，必然会使随着生产技术的发展，必然会使PLC从单机自动化向全厂生产自动化过从单机自动化向全厂生产自动化过渡渡。这就要求各个。这就要求各个PLC之间以及之间以及PLC与计算机或其他控制设备之间能迅速、与计算机或其他控制设备之间能迅速、准确、及时地互通信息，以便能步调一致地进行控制和管理。准确、及时地互通信息，以便能步调一致地进行控制和管理。80年代初，美国通用汽车公司倡议采用制造自动化通讯的协议标准年代初，美国通用汽车公司倡议采用制造自动化通讯的协议标准(MAP)。MAP作为一种高效能、低价格的通讯标准，在生产自动化、管理自作为一种高效能、低价格的通讯标准，在生产自动化、管理自动化中已确立了自己的地位。通讯和网络标准化将会进一步发展。动化中已确立了自己的地位。通讯和网络标准化将会进一步发展。-软件国际标准化软件国际标准化:IEC61131-3 (北美及欧洲约北美及欧洲约50%客户要求客户要求)了解了解PLC 分类分类:(按容量和功能来分，大致可分为按容量和功能来分，大致可分为小型、中型和大型三类小型、中型和大型三类)-小型机小型机:（=2048点）点）大型大型PLC已经与工业控制计算机相近已经与工业控制计算机相近，它具有计算、控制和调节的功能，它具有计算、控制和调节的功能，还具有还具有网络结构和通讯联网能力网络结构和通讯联网能力。这类机型的控制点数一般都在。这类机型的控制点数一般都在1000以上，以上，内存容量超过内存容量超过640K，监视系统采用，监视系统采用CRT显示，能够表示过程的动态流程、各显示，能够表示过程的动态流程、各种记录曲线，种记录曲线，PID调节参数选择图，配备多种智能板，构成一台多功能系统。调节参数选择图，配备多种智能板，构成一台多功能系统。这种系统还可以和其他型号的控制器互连，和上位机相连，这种系统还可以和其他型号的控制器互连，和上位机相连，组成一个集中分组成一个集中分散的生产过程和产品质量控制系统。散的生产过程和产品质量控制系统。大型机适用于设备自动化控制、过程自大型机适用于设备自动化控制、过程自动化控制和过程监控系统。动化控制和过程监控系统。-整体式结构整体式结构 一般小型机都采用整体式结构。一般小型机都采用整体式结构。它的中央处理单元、存储器、输入它的中央处理单元、存储器、输入输出接口和电源都装在一个金属或塑料机壳中，结构非常紧凑。机箱的上、输出接口和电源都装在一个金属或塑料机壳中，结构非常紧凑。机箱的上、下两侧分别安装输入、输出接线端子及电源进线，并有相应的发光二极管下两侧分别安装输入、输出接线端子及电源进线，并有相应的发光二极管显示输入输出状态。面板上留有编程器插座、显示输入输出状态。面板上留有编程器插座、EPROM插座、扩展单元插座、扩展单元的接口插座等。基本单元和扩展单元之间用扁平电缆连接。的接口插座等。基本单元和扩展单元之间用扁平电缆连接。整体式整体式PLC一般还配备许多专用的特殊功能单元，如位置控制单元、一般还配备许多专用的特殊功能单元，如位置控制单元、数据输入单元等，使数据输入单元等，使PLC的功能得到扩展。的功能得到扩展。分类分类:(按硬件结构来分，大致可分为按硬件结构来分，大致可分为整体式、插件式和叠装式三类整体式、插件式和叠装式三类)-插件式结构插件式结构:大中型大中型PLC，为了扩展方便，大多采用插件式结构，部分小型机也采用此，为了扩展方便，大多采用插件式结构，部分小型机也采用此结构。这种结构。这种PLC由框架和模块组成，框架上有电源和开关，对整个系统供电。由框架和模块组成，框架上有电源和开关，对整个系统供电。模块插在模块插座上，而后者焊在框架中的总线连接板上。模块插在模块插座上，而后者焊在框架中的总线连接板上。PLC的电源可能是的电源可能是单独的模块，也可能做在单独的模块，也可能做在CPU模块中。如果一个框架容纳不下所选用的模块，模块中。如果一个框架容纳不下所选用的模块，可利用扩展插座连接多个框架，各框架之间用可利用扩展插座连接多个框架，各框架之间用IO扩展电缆相连。框架上有地扩展电缆相连。框架上有地址开关以便系统识别。址开关以便系统识别。S7-400模块式模块式PLC了解了解PLC -叠装式结构叠装式结构:这种结构形式这种结构形式吸收了整体式和插件式吸收了整体式和插件式PLC的优点的优点。它的基本单元、扩展单。它的基本单元、扩展单元的模块宽、高相等，但长度不同。它们不采用基板，仅用扁平电缆连接。紧元的模块宽、高相等，但长度不同。它们不采用基板，仅用扁平电缆连接。紧密拼装后组成一个整齐的长方体，输入、输出点数的配置也相当灵活。采用这密拼装后组成一个整齐的长方体，输入、输出点数的配置也相当灵活。采用这种结构形式的有三菱公司的种结构形式的有三菱公司的FX2系列等。系列等。PLC的应用领域的应用领域:开关量的逻辑控制；位置控制；过程控制；数据处理；通信联网；了解了解PLC 运动控制及运动控制及安全控制安全控制PLC的基本原理的基本原理p PLC的结构示意图的结构示意图PLC的基本原理的基本原理1中央处理单元中央处理单元(CPU)-整个整个PLC的核心的核心PLC的基本原理的基本原理 通用通用CPU:如如8位（位（8080/8085/6800/Z80/51）,16/32位位,及奔腾及奔腾 CPU（S7-400）;单片单片CPU:三菱三菱FX2系列采用系列采用16位位8098MCU位片式位片式CPU:4位一片，相连可组成任意长度MCU2存储器存储器(RAM,ROM,EPROM)存储器主要用于存放系统程序、用户程序以及工作数据存储器主要用于存放系统程序、用户程序以及工作数据。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器；存放应用软件存放系统软件的存储器称为系统程序存储器；存放应用软件的存储器称为用户程序存储器；存放工作数据的存储器称为的存储器称为用户程序存储器；存放工作数据的存储器称为数据存储器。数据存储器。PLC的输出接口电路的输出接口电路 3输入、输出接口电路输入、输出接口电路输入、输出接口电路是输入、输出接口电路是PLC与现场与现场IO设备或其他外设之间的连接设备或其他外设之间的连接部件，它起着部件，它起着PLC和外围设备之间传递信息的作用。和外围设备之间传递信息的作用。输入接口电路接收从按钮开关、选择开关、行程开关等来的开关量输入接口电路接收从按钮开关、选择开关、行程开关等来的开关量输入信号和由电位器、热电偶、测速发电机等来的连续变化的模拟输入信号和由电位器、热电偶、测速发电机等来的连续变化的模拟量输入信号，然后送入量输入信号，然后送入PLC。输入接口电路一般由光电耦合电路。输入接口电路一般由光电耦合电路。PLC的基本原理的基本原理负载电源：负载电源：AC250/DC30V DC5-30V AC85-242V负载电流：负载电流：2A 0.5A 0.3A响应时间：响应时间：10ms 0.2ms 1/10ms(断断-通通/通通-断断)PLC的输入接口电路的输入接口电路PLC的基本原理的基本原理输入、输出接线示例输入、输出接线示例 4电源单元电源单元 PLC的电源单元包括系统的电源及备用电池的电源单元包括系统的电源及备用电池。系统电源。系统电源220V允许在额定值的允许在额定值的1015的范围内波动（有些的范围内波动（有些PLC还可为输入电路和少量的外部电平检测装置提供还可为输入电路和少量的外部电平检测装置提供24V直流电直流电源）。备用电池源）。备用电池(一般为锂电池一般为锂电池)用于掉电情况下保存程序存储用于掉电情况下保存程序存储器、内部保持标志、定时器和计数器并带电池故障指示。器、内部保持标志、定时器和计数器并带电池故障指示。5编程单元编程单元小型小型PLC常用简易编程器，大、中型常用简易编程器，大、中型PLC多用智能多用智能CRT编程器。编程器。(1)在线在线(联机联机)编程方式编程方式 编程器与编程器与PLC上的专用插座直接相连，程序可直接通过键上的专用插座直接相连，程序可直接通过键盘输入到盘输入到PLC的用户程序存储器中。这种编程方式不但调试程的用户程序存储器中。这种编程方式不但调试程序方便，而且还可监视序方便，而且还可监视PLC内部工作状态。内部工作状态。(2)离线离线(脱机脱机)编程方式编程方式 离线编程方式不影响离线编程方式不影响PLC的现行工作。的现行工作。p工作方式工作方式:PLC的基本原理的基本原理 输入处理又叫输入采样输入处理又叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通断状态，。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映像寄存器。在此输入映像寄存器被刷并将读入的信息存入内存中所对应的映像寄存器。在此输入映像寄存器被刷新，接着进入程序执行阶段。在程序执行时，输入映像寄存器与外界隔离，新，接着进入程序执行阶段。在程序执行时，输入映像寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映像寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一即使输入信号发生变化，其映像寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。程序执行阶段程序执行阶段根据根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右，先上后下的梯形图程序扫描原则，按先左后右，先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满步序，逐句扫描，执行程序。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。足来决定程序的跳转地址。输出处理也叫输出刷新输出处理也叫输出刷新，程序执行完毕后，将输出映像寄存器中的寄存，程序执行完毕后，将输出映像寄存器中的寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。PLC的基本原理的基本原理 PLC采用循环扫描工作方式，在采用循环扫描工作方式，在PLC中，中，用户程序按先后顺序存放，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。第一条，如此周而复始不断循环。PLC的扫的扫描过程如图所示。描过程如图所示。这个这个工作过程分为内部处理、通信操作工作过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行和输出处理几个、程序输入处理、程序执行和输出处理几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫扫描周期描周期。内部处理阶段，内部处理阶段，PLC检查检查CPU模块的硬模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。件是否正常，复位监视定时器等。通信操作服务阶段，通信操作服务阶段，PLC与一些智能模与一些智能模块通信，响应编程器键入的命令，更新编程块通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等。器的显示内容等。当当PLC处于停处于停(STOP)状态时状态时，只进行内，只进行内部处理和通信操作服务等内容。当部处理和通信操作服务等内容。当PLC处于处于运行运行(RUN)状态时状态时，PLC的扫描过程从内部的扫描过程从内部处理、通信操作，到程序输入、程序执行、处理、通信操作，到程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。程序输出，一直循环扫描工作。PLC的扫描过程的扫描过程p工作原理工作原理:PLC的基本原理的基本原理PLC归纳归纳:特点特点:1功能完善，结构模块化；功能完善，结构模块化；2硬、软件开发周期短；硬、软件开发周期短；3扩展容易，维护操作方便扩展容易，维护操作方便；4性能稳定，可靠性高；性能稳定，可靠性高；5具有较高的性能价格比；具有较高的性能价格比；常用常用PLC性能一览表性能一览表五个基本技术指标：五个基本技术指标：1 CPU类型类型2.存储器容量存储器容量3.编程语言编程语言4.扫描速度扫描速度5.IO点数点数。思考题二思考题二1 可编程控制器的定义是什么可编程控制器的定义是什么?和一般的计算机系和一般的计算机系统相比，统相比，PLC有哪些特点有哪些特点?2 PLC有哪几种开关量有哪几种开关量IO接口形式，各有什么接口形式，各有什么特点，如何接线特点，如何接线?