電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)(第2版)課件：可編程序控制器概述

可編程序控制器概述3.1PLC的產(chǎn)生及定義

3.2PLC的發(fā)展與應(yīng)用

3.3PLC的特點

3.4PLC的分類

3.5PLC的硬件結(jié)構(gòu)和各部分的作用3.6PLC的工作原理3.1PLC的產(chǎn)生及定義3.1.1PLC的產(chǎn)生（1968年美國通用汽車公司GM）1)編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序。

2)系統(tǒng)的維護方便，采用插件式結(jié)構(gòu)。

3)體積小于繼電器控制柜。

4)可靠性高于繼電器控制柜。

5)成本較低，在市場上可以與繼電器控制柜競爭。

6)可將數(shù)據(jù)直接送入計算機。

7)可直接用交流115V輸入(注：美國電網(wǎng)電壓是110V)。

8)輸出采用交流115V，可以直接驅(qū)動電磁閥、交流接觸器等。

9)通用性強，擴展方便。

10)程序可以存儲，存儲器容量可以擴展到4KB。1968年“GM十條”就是可編程邏輯控制器出現(xiàn)的技術(shù)要求基礎(chǔ)，也是當(dāng)今PLC最基本的功能。1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制成功了世界上第一臺PLC，并在通用汽車公司的自動裝配線上試用，效果很好。早期的PLC僅有邏輯運算、定時、計數(shù)等順序控制功能，現(xiàn)在還增加了算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)處理等功能。ProgrammableLogicController，簡稱PLC。3.1PLC的產(chǎn)生及定義3.1.2PLC的定義

1987年2月，國際電工委員會(IEC)對PLC的定義：PLC是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計。它采用一類可編程序的存儲器，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)和算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)外部設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)系統(tǒng)連成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。3.1.2PLC的定義

1987年，美國電氣制造協(xié)會(NEMA)對PLC的定義：PLC是一種帶有指令存儲器、數(shù)字或模擬I/O接口，以位運算為主，能完成邏輯、順序、定時、計數(shù)和算術(shù)運算功能，用于控制機器或生產(chǎn)過程的自動控制裝置。3.2PLC的發(fā)展與應(yīng)用3.2.1PLC的發(fā)展歷程

3.2.2PLC的發(fā)展趨勢

3.2.3PLC的應(yīng)用領(lǐng)域

3.2.1PLC的發(fā)展歷程誕生于20世紀60年代末：MODICON084是世界上第一種投入生產(chǎn)的PLC。崛起于20世紀70年代：首先在汽車流水線上大量應(yīng)用。成熟于20世紀80年代：全面采用微電子處理器技術(shù)，得到大量推廣應(yīng)用，年銷售始終以高于20%的增長率上升，奠定了其在工業(yè)控制中不可動搖的地位。突破于20世紀90年代：從傳統(tǒng)的單機向多CPU和分布式及遠程控制系統(tǒng)發(fā)展；編程語言和應(yīng)用多樣化。3.2.1PLC的發(fā)展歷程開放與標(biāo)準于20世紀90年代末期至今：隨著可編程序控制器國際標(biāo)準IEC61131的逐步完善和實施，特別是標(biāo)準編程語言的推廣，使得PLC真正走入了一個開放性和標(biāo)準化的時代，為在工業(yè)自動化中實現(xiàn)互換性、互操作性和標(biāo)準化帶來了極大的方便。3.2.2PLC的發(fā)展趨勢1.PLC通信的網(wǎng)絡(luò)化和無線化

2.開放性和編程軟件標(biāo)準化、平臺化

3.體積小型化、模塊化、集成化

4.運算速度高速化，性能更可靠5.向超大型、超小型兩個方向發(fā)展6.軟PLC的發(fā)展3.2.3PLC的應(yīng)用領(lǐng)域1.中小型單機電氣控制系統(tǒng)

2.制造業(yè)自動化

3.運動控制

4.過程控制5.數(shù)據(jù)處理3.3PLC的特點1.可靠性高、抗干擾能力強

2.控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、通用性強

3.豐富的I/O接口模塊

4.編程簡單、使用方便

5.設(shè)計安裝簡單、維修方便

6.體積小、重量輕、能耗低7.功能完善，適應(yīng)面廣、性價比高3.4PLC的分類3.4.1按結(jié)構(gòu)形式分類

3.4.2按功能分類

3.4.3按I/O點數(shù)分類3.4.4按生產(chǎn)廠家分類3.4.1按結(jié)構(gòu)形式分類1.整體式PLC

2.模塊式PLC

3.疊裝式PLC

4.分布式PLC整體式固定I/O型PLC模塊式PLC疊裝式PLC1)疊裝式PLC的基本單元本身具有集成、固定點數(shù)的I/O點，基本單元可獨立使用。

2)疊裝式PLC自成單元，不需要安裝基板(或機架)，因此，在控制要求變化時，可在原有基礎(chǔ)上，很方便地對PLC的配置進行改變。

3)疊裝式PLC可以使用功能模塊，由于基本單元具有擴展接口，因此可以連接其他功能模塊。分布式PLC

圖3-4分布式PLC的組成示意圖3.4.2按功能分類1)低檔PLC：具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入／輸出、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能，主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機控制系統(tǒng)。

2)中檔PLC：除具有低檔PLC的功能外，還具有較強的模擬量輸入／輸出、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、遠程I/O、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能，有些還可增設(shè)中斷控制、PID控制等功能，適用于復(fù)雜控制系統(tǒng)。

3)高檔PLC：除具有中檔PLC的功能外，還增加了帶符號算術(shù)運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其他特殊功能函數(shù)的運算、制表及表格傳送功能等。3.4.3按I/O點數(shù)分類1)小型PLC：I/O點數(shù)在256點以下的為小型PLC；

如S7-200，S7-200SMART，S7-1200。2)中型PLC：I/O點數(shù)在256～2048點之間的為中型；

如S7-300，S7-1500。3)大型PLC：I/O點數(shù)在2048點以上的為大型PLC。如S7-400。3.4.4按生產(chǎn)廠家分類1)德國西門子(Siemens)公司的S7系列可編程控制器；

2)美國RockwellAllen-Bradley(AB)自動化公司的Micro800系列、MicroLogix系列和CompactLogix系列PLC；3)美國通用電氣(GE)公司的GE系列可編程控制器。4)日本三菱(Mitsubishi)公司的F、F1、F2、FX2系列可編程控制器。5)日本歐姆龍(Omron)公司的C系列可編程控制器。3.4.4按生產(chǎn)廠家分類6)日本松下(Panasonic)電工公司的FP1系列可編程控制器；

7)日本日立(HitachiLimited)公司的箱體式的E系列和模塊式的EM系列可編程控制器；8)法國施耐德(Schneider)公司的TM218、TWD、TM2、BMX、M340\258\238系列PLC；9)國產(chǎn)PLC主要有臺灣的臺達、永宏、豐煒、北京和利時、無錫信捷、上海正航等。3.5

PLC的硬件結(jié)構(gòu)和各部分的作用1.中央處理器(CPU)

2.存儲器

3.輸入/輸出單元

4.通信接口

5.智能接口模塊

6.編程設(shè)備

7.電源

8.其他外部設(shè)備圖3-5整體式PLC的組成框圖3.5

PLC的硬件結(jié)構(gòu)和各部分的作用PLC各組成部分的作用1.中央處理單元（CPU）

★微處理器：實現(xiàn)邏輯運算、數(shù)學(xué)運算，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)部各部分的工作。★按照系統(tǒng)程序所賦予的任務(wù)運行★任務(wù)：1.控制用戶程序和數(shù)據(jù)的接收與存儲2.進行自診斷3.

執(zhí)行用戶程序微處理器控制接口電路CPUPLC的核心控制接口電路是微處理器與主機內(nèi)部其他單元進行聯(lián)系的部件。數(shù)據(jù)緩沖單元選擇信號匹配中斷管理功能2.存儲器系統(tǒng)程序存儲器

用戶程序存儲器

存儲器系統(tǒng)程序存儲器存放：系統(tǒng)監(jiān)控程序用戶指令解釋標(biāo)準程序模塊系統(tǒng)調(diào)用管理程序各種系統(tǒng)參數(shù)系統(tǒng)程序關(guān)系到PLC的性能，不能由用戶訪問和修改。

用戶程序存儲器用戶程序區(qū)數(shù)據(jù)區(qū)系統(tǒng)區(qū)用戶程序存儲器用戶程序工作數(shù)據(jù)系統(tǒng)參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)（CPU組態(tài)數(shù)據(jù)）：*輸入輸出組態(tài)

*功能的設(shè)置

3.輸入、輸出單元PLC的CPU與現(xiàn)場I/O裝置或其它外部設(shè)備之間連接的接口（單元）電路。電平轉(zhuǎn)換功率放大光電耦合

電平轉(zhuǎn)換光電耦合

輸入單元直流輸入接口電路（如下圖）交流輸入接口電路交直流輸入接口電路輸入單元類型輸入單元交流輸入接口電路輸出單元類型晶體管輸出方式晶閘管輸出方式繼電器輸出方式

(如下圖)輸出單元4.編程器*程序的編制、編輯、調(diào)試、監(jiān)視······*簡易型*智能型5.電源單元◆把外部電源變換成系統(tǒng)內(nèi)部各單元所需的電源◆采用開關(guān)電源◆電源的性能直接影響PLC的抗干擾能力

◆掉電保護電路◆后備電池電源

3.6PLC的工作原理3.6.1PLC控制系統(tǒng)的組成

3.6.2PLC循環(huán)掃描的工作過程

3.6.3PLC用戶程序的工作過程

3.6.4PLC工作過程舉例說明

3.6.5輸入、輸出延遲響應(yīng)

3.6.6PLC對輸入、輸出的處理規(guī)則3.6.1PLC控制系統(tǒng)的組成圖3-6PLC控制系統(tǒng)的組成輸入部分邏輯部分輸出部分3.6.1PLC控制系統(tǒng)的組成圖3-7

PLC控制系統(tǒng)與繼電器-接觸器控制系統(tǒng)的比較3.6.1PLC控制系統(tǒng)的組成圖3-6PLC控制系統(tǒng)的組成梯形圖

觸點線圈功能方框左母線

右母線？梯形圖由觸點、線圈或功能方框構(gòu)成梯形圖網(wǎng)絡(luò)每個輸出元素（線圈或方框）可以構(gòu)成一個梯級每個網(wǎng)絡(luò)由一個或多個梯級組成3.梯形圖與繼電器控制電路的①“軟繼電器”不是物理繼電器，看不見，摸不著②“能流”的表示方式差異能流掃描方向不許倒流

從左至右③常開、常閉觸點不是現(xiàn)場物理開關(guān)的觸點④梯形圖中的輸出線圈不是物理線圈⑤梯形圖中的接點原則上可無限次使用，線圈通常只引用一次PLC認為：常開觸點是取位狀態(tài)操作；常閉觸點是位取反操作

I/O映象寄存器

I/O映象寄存器

3.6.2PLC循環(huán)掃描的工作過程圖3-8PLC的工作流程第一部分是上電處理。對系統(tǒng)進行初始化工作，包括硬件初始化，I/O模塊配置運行方式檢查，停電保持范圍設(shè)定及其他初始化處理等。上電處理3.6.2PLC循環(huán)掃描的工作過程圖3-8PLC的工作流程第二部分是主要工作過程。先完成輸入處理，其次完成與其他外設(shè)的通信處理，再次進行時鐘、特殊寄存器更新。當(dāng)CPU處于STOP方式時，轉(zhuǎn)入執(zhí)行自診斷檢查。當(dāng)CPU處于RUN方式時，完成用戶程序的執(zhí)行和輸出處理，再轉(zhuǎn)入執(zhí)行自診斷檢查。主要工作過程3.6.2PLC循環(huán)掃描的工作過程圖3-8PLC的工作流程第三部分是出錯處理。PLC每掃描一次，執(zhí)行一次自診斷檢查，確定PLC自身的動作是否正常，如CPU、電池電壓、程序存儲器、I/O、通信等是否異?；虺鲥e。出錯處理第二部分是主要工作過程。先完成輸入處理，其次完成與其他外設(shè)的通信處理，再次進行時鐘、特殊寄存器更新。當(dāng)CPU處于STOP方式時，轉(zhuǎn)入執(zhí)行自診斷檢查。當(dāng)CPU處于RUN方式時，完成用戶程序的執(zhí)行和輸出處理，再轉(zhuǎn)入執(zhí)行自診斷檢查。主要工作過程第一部分是上電處理。對系統(tǒng)進行初始化工作，包括硬件初始化，I/O模塊配置運行方式檢查，停電保持范圍設(shè)定及其他初始化處理等。上電處理3.6.3PLC用戶程序的工作過程PLC在RUN方式下，主要工作過程包括1.輸入采樣階段

2.用戶程序執(zhí)行階段

3.輸出刷新階段圖3-9PLC主要工作過程的中心內(nèi)容3.6.4PLC工作過程舉例說明圖3-10PLC控制電動機起停外部接線圖與梯形圖3.6.5輸入、輸出延遲響應(yīng)由于PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，即對信息采用串行處理方式，必定導(dǎo)致輸入、輸出延遲響應(yīng)。當(dāng)PLC的輸入端有一個輸入信號發(fā)生變化時到PLC輸出端對該輸入變化作出反應(yīng)，需要一段時間，這段時間就稱為響應(yīng)時間或滯后時間(通常滯后時間為幾十毫秒)，這種現(xiàn)象稱為輸入、輸出延遲響應(yīng)或滯后現(xiàn)象。3.6.5輸入、輸出延遲響應(yīng)響應(yīng)時間與以下因素有關(guān)：1)輸入電路的濾波時間，它由RC濾波電路的時間常數(shù)決定。

2)輸出電路的滯后時間，它與輸出電路的輸出方式有關(guān)。

3)PLC循環(huán)掃描的工作方式。

4)用戶程序中語句的安排。

1.最短響應(yīng)時間圖3-11PLC的最短響應(yīng)時間2.最長響應(yīng)時間圖3-12PLC的最長響應(yīng)時間輸入信號至少應(yīng)持續(xù)一個掃描周期的時間，才能保證被系統(tǒng)捕捉