電氣控制與可編程控制技術(shù)-8次課

可編程控制器概述電氣控制與可編程控制技術(shù)課程內(nèi)容PLC的產(chǎn)生、發(fā)展PLC的定義、分類PLC的硬件組成基本結(jié)構(gòu)各組成部分及其功能在PLC產(chǎn)生以前，生產(chǎn)自動控制過程主要由以繼電器為主要元件的電氣控制線路完成的連接復雜，導線眾多繼電器柜，占用空間噪音大，耗能高維護和改造困難運算能力差不適應柔性制造要求GM公司的通用控制器招標1968年，美國通用汽車公司(GM公司)為了在每次汽車改型或改變工藝流程時不改動原有繼電器柜內(nèi)的接線，降低成本，縮短開發(fā)周期，而提出了研制新型邏輯順序控制裝置，并提出了10項招標技術(shù)指標。

1、在工廠里能迅速方便地對其控制系統(tǒng)進行編程。

2、所有系統(tǒng)單元必須能在工廠內(nèi)獨立運行。

3、系統(tǒng)的維修必須簡單易行。

4、裝置的體積、能耗小于繼電器控制系統(tǒng)。

5、必須具有通信功能。

6、輸入開關(guān)量可以是已有的交流115V電壓信號。

7、輸出必須設(shè)計為能驅(qū)動具有115V、2A以下的負載。

8、具有靈活的擴展能力。

9、在購買和安裝費用上，應具有較高的性能價格比。

10、用戶存儲器容量至少在4KB以上。用計算機代替繼電器控制盤。用程序代替硬件接線。輸入/輸出電平可與外部裝置直接連接。結(jié)構(gòu)易于擴展。1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)招標的要求，研制出世界上第一臺可編程序控制器，并在GM公司汽車生產(chǎn)線上首次應用成功。GOULD公司將PLC商品化71年后日本研制出第一臺PLCSIEMENS在73年研制出PLC74年我國開始研制PLC，77年開始工業(yè)應用PLC已經(jīng)在冶金、機械、石油、化工、紡織、輕工、建筑、運輸、電力等部門得到廣泛應用可編程控制器的定義“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計?！?1987.2，國際電工委員會（IEC）PLC的發(fā)展階段

第一階段是初創(chuàng)階段。主要用于邏輯運算和定時、計數(shù)，它的控制功能比較簡單。第二階段是擴展階段。它的主要功能是邏輯運算，同時增加了模擬運算。第三階段是PLC通信功能的實現(xiàn)階段。第四階段是PLC的開放階段。通信協(xié)議的標準化。第一階段

從第一臺可編程序控制器問世到20世紀70年代中期。這一階段的產(chǎn)品主要用于邏輯運算和定時、計數(shù)，它的CPU由中小規(guī)模的數(shù)字集成電路組成，它的控制功能比較簡單。這一階段的典型產(chǎn)品有MODICON公司的084、ALLEN-BRADLEY(AB)公司的PDQII、DEC的PDP-14、日立公司的SCY-022等。第二階段

從20世紀70年代中期到末期。這一階段產(chǎn)品的主要控制功能得到了較大的發(fā)展。它的發(fā)展主要來自兩方面，一是從可編程序控制器發(fā)展而來的控制器，它的主要功能是邏輯運算，同時擴展了其他運算功能；二是從模擬儀表發(fā)展而來的控制器，其主要功能是模擬運算，同時擴展了邏輯運算功能。這一階段的產(chǎn)品有MODICON公司的184、284、384，西門子公司的SYMATICS3系列，富士電機公司的SC系列等。第三階段

從20世紀70年代末期到80年代中期，是PLC通信功能的實現(xiàn)階段。與計算機通信的發(fā)展相聯(lián)系，PLC也在通信方面有了很大的發(fā)展，初步形成了分布式的通信網(wǎng)絡體系，但是，由于制造企業(yè)各自為政，通信系統(tǒng)自成系統(tǒng)，因此，各產(chǎn)品互相通信是較困難的。在該階段，由于生產(chǎn)過程控制的需要，對PLC的需求大大增加，產(chǎn)品的功能也得到了發(fā)展，數(shù)學運算的功能得到了較大的擴充，產(chǎn)品的可靠性進一步提高。這一階段的產(chǎn)品有西門子公司的SYMATICS6系列、富士電機公司的MI-CREX和德州儀器公司的TI530等。第四階段

從20世紀80年代中期開始，是PLC的開放階段。由于開放系統(tǒng)的提出，使PLC也得到了較大的發(fā)展。主要表現(xiàn)為通信系統(tǒng)的開放，使各制造企業(yè)的產(chǎn)品可以互相通信，通信協(xié)議的標準化使用戶得到了好處。在這一階段，產(chǎn)品的規(guī)模增大，功能不斷完善，大中型產(chǎn)品多數(shù)有CRT屏幕的顯示功能，產(chǎn)品的擴展也因通信功能的改善而變得方便，此外，還采用了標準的軟件系統(tǒng)，增加了高級編程語言等。這一階段的產(chǎn)品有西門子公司的SYMATICS5和S7系列、AB公司的PLC-5等。PLC分類分類有助于PLC的選型及應用按控制規(guī)模分類（輸入/輸出端子數(shù)）小型機：256點以下（F1、S7-200）中型機：256-1024點大型機：1024點以上按結(jié)構(gòu)形式分類整體式：S7-200模板式：S7-300分散式按用途分類用于順序邏輯控制用于閉環(huán)過程控制用于多級分布式和集散控制系統(tǒng)用于機械加工的數(shù)字控制和機器人控制根據(jù)生產(chǎn)廠家分類OMRONMITSUBISHITOSHIBAGE-FUNACA-B(Allen－Bradley)SIEMENSPLC的特點與功能一般特點可靠性高，抗干擾能力強；平均無故障時間（MTBF）10萬小時以上編程方便；梯形圖語言繼承了傳統(tǒng)繼電器線路圖的表達形式使用方便；接線簡單、升級維修工作量小、體積小，能耗低維護方便；設(shè)計、施工、調(diào)試周期短；易于實現(xiàn)機電一體化功能強、性能價格比高PLC的主要功能順序邏輯控制運動控制定時控制計數(shù)控制步進控制數(shù)據(jù)處理模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換通信及聯(lián)網(wǎng)PLC的發(fā)展趨勢系列化、模板化小型機功能強化中、大型機高速度、高功能、大容量功能高度集成PLC與PC的集成PLC與DCS的集成PLC與CNC的集成分散型I/O、智能型I/O、現(xiàn)場總線型I/O低成本多功能PLC的基本組成和各部份的作用基本組成（最小系統(tǒng)）中央處理單元(CPU)2．存儲器3．輸入／輸出單元4．電源適配器程序存儲器中央處理單元(CPU)接收與存儲用戶由編程工具輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。以掃描的方式接受輸入設(shè)備狀態(tài)和數(shù)據(jù)。執(zhí)行用戶程序，輸出控制信號。

---用掃描方式工作，接收來自現(xiàn)場的輸入信號，并輸入到輸入映像寄存器和數(shù)據(jù)存儲器中；

---在進入運行方式后，從存儲器中逐條讀取并執(zhí)行用戶程序，完成用戶程序所規(guī)定的邏輯運算、算術(shù)運算及數(shù)據(jù)處理等操作；

---根據(jù)運算結(jié)果，更新有關(guān)標志位的狀態(tài)，刷新輸出映像寄存器的內(nèi)容，再經(jīng)輸出部件實現(xiàn)輸出控制、打印制表或數(shù)據(jù)通信等功能。故障診斷通信CPU的實現(xiàn)專用電路通用處理器：8086、80286、80386單片機芯片：8051、8096位片式微處理器：AMD-2900一個或多個CPU一個或多個算術(shù)邏輯單元（ALU）存儲器系統(tǒng)程序存儲器有了系統(tǒng)程序，單片機組成的系統(tǒng)就變成了PLC用戶程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器只讀存儲器ROM隨機訪問存儲器RAM可擦寫存儲器E2PROMPLC存儲空間的分配（3）用戶程序存儲區(qū)（1）系統(tǒng)程序存儲區(qū)（2）系統(tǒng)RAM存儲區(qū)（包括I/O映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等）

用戶程序存儲區(qū)存放用戶編制的用戶程序。不同類型的PLC，其存儲容量各不相同。

在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當于計算機操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等。由制造廠商將其固化在EPROM中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該PLC的性能。

系統(tǒng)RAM存儲區(qū)包括I/O映象區(qū)以及各類軟設(shè)備，如：邏輯線圈；數(shù)據(jù)寄存器；計時器；計數(shù)器；變址寄存器；累加器等存儲器。I/O映象區(qū)：PLC投入運行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應的外設(shè)。因此，它需要一定數(shù)量的存儲單元(RAM)以存放I/O的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些單元稱作I/O映象區(qū)。整個I/O映象區(qū)可看作兩個部分組成：開關(guān)量I/O映象區(qū)；模擬量I/O映象區(qū)。一個開關(guān)量I/O占用存儲單元中的一個位（bit）一個模擬量I/O占用存儲單元中的一個字（16個bit）軟設(shè)備存儲區(qū)邏輯線圈計時器計數(shù)器數(shù)據(jù)寄存器和累加器等

該存儲區(qū)又分為具有失電保持的存儲區(qū)域和無失電保持的存儲區(qū)域，前者在PLC斷電時，由內(nèi)部的鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會遺失；后者當PLC斷電時，數(shù)據(jù)被清零。

邏輯線圈

與開關(guān)輸出一樣，每個邏輯線圈占用系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中的一個位，但不能直接驅(qū)動外設(shè)，只供用戶在編程中使用，其作用類似于電器控制線路中的繼電器。另外，不同的PLC還提供數(shù)量不等的特殊邏輯線圈，具有不同的功能。

數(shù)據(jù)寄存器

與模擬量I/O一樣，每個數(shù)據(jù)寄存器占用系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中的一個存儲單位(？Bits依數(shù)據(jù)類型而不同)。另外，PLC還提供數(shù)量不等的特殊數(shù)據(jù)寄存器（類似單片機的狀態(tài)字或控制字），具有不同的功能。輸入/輸出單元是PLC與現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備直接連接的端口用于接收現(xiàn)場的輸入信號，輸出控制信號開關(guān)量輸入單元開關(guān)量輸出單元PLC按鈕繼電器觸點行程開關(guān)通過各種輸入/輸出單元，PLC既可檢測到所需的過程信息，又可將處理結(jié)果傳送給外部過程，驅(qū)動各種執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的控制。通過輸入模板單元，PLC能夠得到生產(chǎn)過程的各種參數(shù)；通過輸出模板單元，PLC能夠把運算處理的結(jié)果送至工業(yè)過程現(xiàn)場的執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)控制。實際生產(chǎn)中的信號電平多種多樣，外部執(zhí)行機構(gòu)所需電流也是多種多樣，而PLC的CPU所處理的只能是標準電平，由于輸入/輸出模板單元與工業(yè)過程現(xiàn)場的各種信號直接相連，這就要求它有很好的信號適應能力和抗干擾性能。因此，在輸入/輸出模板單元中，一般均配有電子變換、光耦合器和阻容濾波等電路，以實現(xiàn)外部現(xiàn)場的各種信號與系統(tǒng)內(nèi)部統(tǒng)一信號的匹配和信號的正確傳遞。數(shù)字信號：PLC內(nèi)部標準的電平/電流水平的點開關(guān)信號電源PLC的內(nèi)部電源系統(tǒng)一般有三類：供PLC中的TTL芯片和集成運算放大器使用的基本電源(＋5V和±15V直流電源)；供輸出接口使用的高壓大電流的功率電源；鋰電池及其充電電源。對于在PLC的輸出端子上接的負載所需的負載工作電源，必須由用戶提供。編程器編程器用于用戶程序的輸入、編輯、調(diào)試和監(jiān)視，還可以通過其鍵盤去調(diào)用和顯示PLC的一些內(nèi)部繼電器狀態(tài)和