设备控制基础第1章-资料课件

第一章第一章 概论概论参考书：参考书：1)可编程控制器原理及应用路林吉可编程控制器原理及应用路林吉 编编 清华清华大学出版社大学出版社2）可编程控制器基础及编程技巧陈宇编）可编程控制器基础及编程技巧陈宇编 华华南理工大学出版社南理工大学出版社3）小型可编程控制器原理与实践常斗南）小型可编程控制器原理与实践常斗南 主主编编 辽宁科学技术出版社辽宁科学技术出版社4）可编程控制器原理与应用）可编程控制器原理与应用 吴秀凤吴秀凤 主编主编 冶金工业出版社冶金工业出版社5)工业电脑的安装与使用陆岛工业电脑的安装与使用陆岛 编著编著 印刷工业出版社印刷工业出版社初识初识PLC第一节第一节 可编程控制器的产生可编程控制器的产生 可编程控制器（简称可编程控制器（简称PLC）的设计）的设计规范于规范于1968年由美国通用汽车公司提出，年由美国通用汽车公司提出，当时的目的是设计一种新的控制装置以当时的目的是设计一种新的控制装置以取代继电器盘。要求简单易懂、操作方取代继电器盘。要求简单易懂、操作方便、价格便宜。并且时间响应快、控制便、价格便宜。并且时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等。改变、易于与计算机接口、维修方便等。1969年，美国数字设备公司（年，美国数字设备公司（DEC公司）研制出第一台可编程控制器，并公司）研制出第一台可编程控制器，并在美国通用汽车公司的自动生产线上安在美国通用汽车公司的自动生产线上安装调试成功。装调试成功。1971年，日本从美国引进技术。年，日本从美国引进技术。1973年，西欧国家也研制出了第一台年，西欧国家也研制出了第一台可编程控制器。可编程控制器。1974年我国开始研制可编程控制器，年我国开始研制可编程控制器，1977年开始工业应用。年开始工业应用。早期的可编程控制器为了取代早期的可编程控制器为了取代继电器控制，他的功能有限，常常继电器控制，他的功能有限，常常用于开关量的控制。所以早期的可用于开关量的控制。所以早期的可编程控制器被称为可编程逻辑控制编程控制器被称为可编程逻辑控制器，简称器，简称PLC（Programmable Logic Controller)。70年代可编程控制器采用通用微年代可编程控制器采用通用微处理器后，功能得到大大的加强，处理器后，功能得到大大的加强，不仅仅局限于逻辑控制。所以不仅仅局限于逻辑控制。所以1980年正式命名为可编程控制器年正式命名为可编程控制器（Programmable Controller)，简称，简称PC。但是。但是PC已成为个人计算机已成为个人计算机（Personal Computer）的简称，为）的简称，为了区别仍把可编程控制器简称为了区别仍把可编程控制器简称为PLC。目前，以目前，以16位和位和32位微处理位微处理器构成的器构成的PLC，体积小、功能强、，体积小、功能强、价格低，且编程方便，具有远程价格低，且编程方便，具有远程I/O和通信网络、数据处理和图和通信网络、数据处理和图象显示，已用于连续生产过程的象显示，已用于连续生产过程的控制，成为实现工厂自动化的一控制，成为实现工厂自动化的一大支柱。大支柱。1987年年2月国际电工委员会月国际电工委员会（IEC）对）对PLC作了如下定义：作了如下定义：可编程控制器是一种数字运算的可编程控制器是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，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、用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、运算等操顺序控制、定时、计数、运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的作指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种类型的生产过输入输出，控制各种类型的生产过程。可编程控制器及外围设备，都程。可编程控制器及外围设备，都易于工业系统联成一个整体、易于易于工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。扩充其功能的原则设计。第二节第二节 可编程控制器的特点可编程控制器的特点一、硬件的可靠性高一、硬件的可靠性高 PLC专为在工业环境的恶劣条件专为在工业环境的恶劣条件下应用而设计下应用而设计，一个设计良好的，一个设计良好的PLC能置于有很强的电噪声、电磁能置于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中。很大的环境中。在硬件设计方面采取的措施：在硬件设计方面采取的措施：1）选用优质器件。）选用优质器件。2）采用合理的系统结构，使它抗振动冲击。）采用合理的系统结构，使它抗振动冲击。3）在输入输出电路中都采用了光电隔离，做）在输入输出电路中都采用了光电隔离，做到电浮空。到电浮空。4）IO端口除采用模拟器滤波以外，还加上数端口除采用模拟器滤波以外，还加上数字滤波。字滤波。5）采用了电磁屏蔽措施。）采用了电磁屏蔽措施。6）先进的电源电路防止由电源串入干扰信号。）先进的电源电路防止由电源串入干扰信号。7）合理的电路程序，一旦某模块出现故障，进）合理的电路程序，一旦某模块出现故障，进行在线插拔、调试时不会影响各机的正常运行。行在线插拔、调试时不会影响各机的正常运行。在硬件设计方面采取的措施：在硬件设计方面采取的措施：1）选用优质器件。）选用优质器件。2）采用合理的系统结构，使它抗振动冲击。）采用合理的系统结构，使它抗振动冲击。3）在输入输出电路中都采用了光电隔离，做）在输入输出电路中都采用了光电隔离，做到电浮空。到电浮空。4）IO端口除采用模拟器滤波以外，还加上数端口除采用模拟器滤波以外，还加上数字滤波。字滤波。5）采用了电磁屏蔽措施。）采用了电磁屏蔽措施。6）先进的电源电路防止由电源串入干扰信号。）先进的电源电路防止由电源串入干扰信号。7）合理的电路程序，一旦某模块出现故障，进）合理的电路程序，一旦某模块出现故障，进行在线插拔、调试时不会影响各机的正常运行。行在线插拔、调试时不会影响各机的正常运行。二、编程简单，使用方便二、编程简单，使用方便 PLC采用面向控制过程、面向问题的采用面向控制过程、面向问题的自然语言，容易掌握。这种编程方式虽自然语言，容易掌握。这种编程方式虽然在然在PLC内部增加了解释程序，增加了内部增加了解释程序，增加了程序执行的时间，但对大多数机电控制程序执行的时间，但对大多数机电控制设备来说，这是微不足道的。设备来说，这是微不足道的。三、接线简单，通用性好三、接线简单，通用性好 PLC的接线只需将输入信号的设备的接线只需将输入信号的设备(按钮、开关等按钮、开关等)与与PLC输入端子连接，将输入端子连接，将接受输出信号执行控制任务的执行元件接受输出信号执行控制任务的执行元件(接触器、电磁阀等接触器、电磁阀等)与与PLC输出端子连接。输出端子连接。接线简单、工作量少，省去了传统的继接线简单、工作量少，省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦。电器控制系统接线和拆线的麻烦。四、丰富的四、丰富的IO接口模块接口模块 由于工业控制机只是一个控制中枢，由于工业控制机只是一个控制中枢，为了实现对工业生产过程的自动控制，为了实现对工业生产过程的自动控制，它还必须与各种工业现场的设备相连接，它还必须与各种工业现场的设备相连接，才能完成控制任务。因此，才能完成控制任务。因此，PLC除了具除了具有计算机的基本部件如有计算机的基本部件如CPU、存储器以、存储器以外，还必须具有丰富的外，还必须具有丰富的IO接口模块。接口模块。PLC针对不同的工业现场信号针对不同的工业现场信号(如交如交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等流、脉冲或电位、强电或弱电等)，有相，有相应的应的IO模块与工业现场的器件或设备模块与工业现场的器件或设备(如按钮、行程开关、接近开关、传感器如按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、电机启动器、控及变送器、电磁线圈、电机启动器、控制阀等制阀等)直接连接。直接连接。五、采用模块化结构五、采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，绝大为了适应各种工业控制需要，绝大部分部分PLC均采用模块化结构。均采用模块化结构。PLC的各的各个部件，包括个部件，包括CPU、直流电源、直流电源、IO(含含特殊功能的特殊功能的IO)等均采用模块设计，由等均采用模块设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据实际控制需要自行组规模和功能可根据实际控制需要自行组合。合。六、安装、维修方便六、安装、维修方便 PLC不需要专门的机房，可以在各不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与现场的各种设备与PLC的相应的的相应的IO端端相连接，系统便可以投入运行。相连接，系统便可以投入运行。各种模块上均设有运行和故障指示装各种模块上均设有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和检查故障。置，便于用户了解运行情况和检查故障。由于采用模块化结构，因此一旦某个由于采用模块化结构，因此一旦某个模块发生故障，用户可以通过更换模块模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。大部分的方法，使系统迅速恢复运行。大部分PLC还允许带电插拔还允许带电插拔IO模块模块七、系统设计、调试周期短七、系统设计、调试周期短 PLC控制功能主要是通过软件编程来控制功能主要是通过软件编程来实现，因为硬件的设计任务仅仅是根据实现，因为硬件的设计任务仅仅是根据控制对象的要求，选配适当的模块，因控制对象的要求，选配适当的模块，因而大大的简化了系统的硬件设计工作，而大大的简化了系统的硬件设计工作，缩短了整个系统的设计、调试周期。缩短了整个系统的设计、调试周期。八、体积小、重量轻、功耗低八、体积小、重量轻、功耗低 一台体积很小的一台体积很小的PLC具有相当于三具有相当于三个个18m高的继电器柜的控制功能，一般高的继电器柜的控制功能，一般节电可达节电可达50以上。以上。PLC是专为工业控制而设计的专用是专为工业控制而设计的专用计算机，特别是小型机，其结构紧凑、计算机，特别是小型机，其结构紧凑、坚固、体积小巧，易于装入机械内部，坚固、体积小巧，易于装入机械内部，是是“机电一体化机电一体化”较理想的控制设备。较理想的控制设备。九、可连接为控制网络系统九、可连接为控制网络系统 PLC可连成功能很强的网络系统。可连成功能很强的网络系统。网络可分为两类：一类是低速网络，采网络可分为两类：一类是低速网络，采用主从方式通信，传输速率从几千波特用主从方式通信，传输速率从几千波特到上万波特，传输距离为到上万波特，传输距离为5002500m；另一类为高速网络，采用令牌传送方式另一类为高速网络，采用令牌传送方式通信，传输速率为通信，传输速率为1M10Mbps，传输，传输距离为距离为5001000m，网上结点可达网上结点可达1024个。这两类网络可以级连，网上可个。这两类网络可以级连，网上可兼容不同类型的可编程控制器和计算机，兼容不同类型的可编程控制器和计算机，从而组成控制范围很大的局部网络。从而组成控制范围很大的局部网络。第三节第三节 可编程控制器的应用可编程控制器的应用 从从PLC诞生以来，诞生以来，PLC的特点越来的特点越来越为广大工业界人士所认识和接受。另越为广大工业界人士所认识和接受。另外，近年来外，近年来PLC的价格下降，功能增强，的价格下降，功能增强，使得使得PLC迅速渗透到工业控制的各个领迅速渗透到工业控制的各个领域，包括从单机控制到工厂自动化；从域，包括从单机控制到工厂自动化；从机器人、柔性制造系统到工业局部网络。机器人、柔性制造系统到工业局部网络。当前，当前，PLC已广泛用于冶金、机械、汽已广泛用于冶金、机械、汽车制造、电力、石油、化工、交通、运车制造、电力、石油、化工、交通、运输、纺织、建材、采矿以及家用电器等输、纺织、建材、采矿以及家用电器等领域，并取得了明显的技术经济效益。领域，并取得了明显的技术经济效益。从从PLC的功能来看，它的应用范围的功能来看，它的应用范围大致可分为以下几个大类：大致可分为以下几个大类：1逻辑控制逻辑控制 PLC具有逻辑控制功能，特别适用具有逻辑控制功能，特别适用于开关量控制系统、它可以实现各种通于开关量控制系统、它可以实现各种通断控制。断控制。2定时控制定时控制 PLC具有定时控制功能。它为用户具有定时控制功能。它为用户提供几十个甚至上千个定时器，其定时提供几十个甚至上千个定时器，其定时时间设定值既可以由用户在编制用户程时间设定值既可以由用户在编制用户程序时设定，也可以由操作人员在工业现序时设定，也可以由操作人员在工业现场通过人场通过人机对话装置实时地设定，完机对话装置实时地设定，完成定时和延时控制。定时器的实际定时成定时和延时控制。定时器的实际定时值也可以通过人值也可以通过人机对话装置实时地读机对话装置实时地读出和修改。出和修改。3计数控制计数控制 PLC具有计数控制功能。它为用户具有计数控制功能。它为用户提供几十个甚至上千个计数器，其计数提供几十个甚至上千个计数器，其计数设定值的设定方式同定时器的定时时间设定值的设定方式同定时器的定时时间设定值一样。一般计数器的计数频率较设定值一样。一般计数器的计数频率较低，为了能对频率较高的信号进行计数，低，为了能对频率较高的信号进行计数，可选用小型可选用小型PLC的内部高速计数器或选的内部高速计数器或选用大型用大型PLC的高速计数器模块进行计数。的高速计数器模块进行计数。计数器的实际计数值也可以通过人计数器的实际计数值也可以通过人机机对话装置实时的读出和修改。对话装置实时的读出和修改。4顺序顺序(步进步进)控制控制 这是这是PLC应用最广泛的一个领域，应用最广泛的一个领域，它取代传统的继电器顺序控制。它取代传统的继电器顺序控制。PLC可可应用于单机控制，多机群控制，或生产应用于单机控制，多机群控制，或生产自动线控制。例如：注塑机，组合机床，自动线控制。例如：注塑机，组合机床，装配、包装流水线，电梯控制等。在步装配、包装流水线，电梯控制等。在步进控制的应用中，进控制的应用中，PLC广泛使用的一种广泛使用的一种标准化语言标准化语言顺序功能图顺序功能图(Sequential Function Chart，以下简称为，以下简称为SFC)来编来编制用户程序。使得程序设计更简捷、方制用户程序。使得程序设计更简捷、方便。便。5过程过程(PID)控制控制 PLC具有具有PID控制功能。控制功能。PLC可以接可以接收模拟量输入和输出模拟量信号。如：收模拟量输入和输出模拟量信号。如：温度、速度、压力和流量。在过程控制温度、速度、压力和流量。在过程控制中中PLC可以使用专用的可以使用专用的PID模块实现对模模块实现对模拟量的控制。当某个被控变量出现偏差拟量的控制。当某个被控变量出现偏差时，时，PID能计算出正确的输出，自动调整能计算出正确的输出，自动调整系统把被控变量稳定在设定值上。系统把被控变量稳定在设定值上。6数据处理数据处理 PLC有较强的数据处理能力。它能有较强的数据处理能力。它能进行算术运算、数据比较、数据传送、进行算术运算、数据比较、数据传送、数据转换；且具有数据显示和打印等功数据转换；且具有数据显示和打印等功能。新一代的大、中型能。新一代的大、中型PLC还可以进行还可以进行函数运算、浮点运算等。函数运算、浮点运算等。7通信与联网通信与联网 为了适应工厂自动化为了适应工厂自动化(FA)系统发展的系统发展的需要，需要，PLC还具有与还具有与PLC之间、之间、PLC与与上级计算机之间的通信功能。使用上级计算机之间的通信功能。使用PLC可以很方便地构成可以很方便地构成“集中管理，分散控制集中管理，分散控制”的分布式控制系统，因此，的分布式控制系统，因此，PLC是实现是实现工厂自动化的理想控制器。工厂自动化的理想控制器。第四节第四节 可编程控制器与微机及可编程控制器与微机及继电器控制的区别继电器控制的区别一、一、PLC与微机与微机(MC)的区别的区别1PLC与微机的相同点与微机的相同点 (1)控制核心部件均采用微处理器及计算控制核心部件均采用微处理器及计算机技术。机技术。(2)硬件基本结构、工作的基本原理也大硬件基本结构、工作的基本原理也大体相同。体相同。(3)控制程序可编，都不必修改硬接线即控制程序可编，都不必修改硬接线即可改变控制内容。但可改变控制内容。但PLC在这方面更灵在这方面更灵活、更方便。活、更方便。1PLC与微机的相同点与微机的相同点 (1)控制核心部件均采用微处理器及计算控制核心部件均采用微处理器及计算机技术。机技术。(2)硬件基本结构、工作的基本原理也大硬件基本结构、工作的基本原理也大体相同。体相同。(3)控制程序可编，都不必修改硬接线即控制程序可编，都不必修改硬接线即可改变控制内容。但可改变控制内容。但PLC在这方面更灵在这方面更灵活、更方便。活、更方便。2PLC与微机的不同点与微机的不同点 (1)PLC的可靠性高。这是由于的可靠性高。这是由于PLC在设计制造时在设计制造时已充分考虑到工业现场环境恶劣。已充分考虑到工业现场环境恶劣。(2)PLC编程简单。编程简单。PLC为了适应工业现场，考虑为了适应工业现场，考虑现场维修人员熟悉继电器线路图，采用简单易现场维修人员熟悉继电器线路图，采用简单易懂的梯形图等符号式语言，避免了计算机的汇懂的梯形图等符号式语言，避免了计算机的汇编语言，以及高级编程语言，这给编语言，以及高级编程语言，这给PLC的普及的普及应用创造了条件。应用创造了条件。(3)PLC易于维护，而微机控制系统维护工作量大。易于维护，而微机控制系统维护工作量大。(4)PLC的输入输出响应速度慢，有较大的滞后现的输入输出响应速度慢，有较大的滞后现象象(一般为一般为ms级级)，的输入输出响应速度快，一，的输入输出响应速度快，一般为微秒级。般为微秒级。2PLC与微机的不同点与微机的不同点 (1)PLC的可靠性高。这是由于的可靠性高。这是由于PLC在设计制造时在设计制造时已充分考虑到工业现场环境恶劣。已充分考虑到工业现场环境恶劣。(2)PLC编程简单。编程简单。PLC为了适应工业现场，考虑为了适应工业现场，考虑现场维修人员熟悉继电器线路图，采用简单易现场维修人员熟悉继电器线路图，采用简单易懂的梯形图等符号式语言，避免了计算机的汇懂的梯形图等符号式语言，避免了计算机的汇编语言，以及高级编程语言，这给编语言，以及高级编程语言，这给PLC的普及的普及应用创造了条件。应用创造了条件。(3)PLC易于维护，而微机控制系统维护工作量大。易于维护，而微机控制系统维护工作量大。(4)PLC的输入输出响应速度慢，有较大的滞后现的输入输出响应速度慢，有较大的滞后现象象(一般为一般为ms级级)，的输入输出响应速度快，一，的输入输出响应速度快，一般为微秒级。般为微秒级。二、二、PLC与继电器控制装置的区别与继电器控制装置的区别1.PLC与继电器控制装置的相同点与继电器控制装置的相同点 均能大量地应用于顺序控制领域；均能大量地应用于顺序控制领域；均能在恶劣的环境下，对生产机械、生均能在恶劣的环境下，对生产机械、生产过程进行控制；产过程进行控制；PLC的梯形图与继电的梯形图与继电器控制线路图基本相同，易懂。器控制线路图基本相同，易懂。2PLC与继电器控制装置的不同点与继电器控制装置的不同点(1)组成器件不同组成器件不同 继电器控制线路是由许多真正的继电器控制线路是由许多真正的“硬硬”继继电器组成，而电器组成，而PLC大量使用大量使用“软软”继电器。继电器。这些这些“软软”继电器实质是继电器实质是PLC内部存储器内部存储器中的某一位触发器，它可以被置中的某一位触发器，它可以被置“0”或置或置“1”。“硬硬”继电器易磨损，而继电器易磨损，而“软软”继电器继电器则无磨损现象。则无磨损现象。(2)触点数目不同触点数目不同 “硬硬”继电器的触点数目有限，用于控继电器的触点数目有限，用于控制的触点一般只有几个；而制的触点一般只有几个；而“软软”继电器继电器供编程使用的触点数有无数多个。因为供编程使用的触点数有无数多个。因为“软软”继电器的触点是指存贮器中的某一位，继电器的触点是指存贮器中的某一位，它可以被控制程序无限次的读取。它可以被控制程序无限次的读取。3)实施控制的方法不同实施控制的方法不同 在继电器控制线路中，实现某种控在继电器控制线路中，实现某种控制功能是通过各继电器间的硬接线来解制功能是通过各继电器间的硬接线来解决，其功能固定。而决，其功能固定。而PLC控制是通过软控制是通过软件编程来实现，外部接线简单，且灵活件编程来实现，外部接线简单，且灵活多变。特别是当要改变生产过程，修改多变。特别是当要改变生产过程，修改控制内容时控制内容时PLC就极为方便，只要修改就极为方便，只要修改一下程序就可以了，硬接线基本不须改一下程序就可以了，硬接线基本不须改动。动。4)PLC采用积木式结构，易扩充，易维护，采用积木式结构，易扩充，易维护，同时占地面积小，工期短。但同时占地面积小，工期短。但PLC使用使用了计算机，一方面价格高，另一方面要了计算机，一方面价格高，另一方面要求操作人员进行知识更新，需经短期培求操作人员进行知识更新，需经短期培训。训。习题：习题：1.什么叫什么叫PLC？什么叫？什么叫PC？它们有什么？它们有什么区别？区别？2.PLC与计算机有什么不同？与继电器盘与计算机有什么不同？与继电器盘有什么不同？有什么不同？3.例举例举PLC可能应用的场合，并简述理由。可能应用的场合，并简述理由。谢谢！谢谢！44