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1、可编程控制器原理与应用 电气控制与PLC技术,信电学院自动化所朱美强,第一节 可编程序控制器系统的产生与定义,一 、PLC 产生,20世纪60年代，计算机已价格昂贵，抗干扰性差，工业控制仍然以继电接触器控制为主。1968年，美最大的汽车制造商通用汽车制造公司（GM），为适应汽车型号的不断翻新，试图寻找一种新型的工业控制器，以尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件及接线、减少时间，降低成本。提出GM十条招标,第三章 可编程序控制器概述,第三章 可编程序控制器,第一节 可编程序控制器系统的产生与定义,一 、PLC 产生,1969年，美国数字设备公司（DEC）根据GM十条研制出第一台可编程控制
2、器（PLC）。早期的PLC主要用于顺序控制，只能实现逻辑运算。因此，被称为可编程逻辑控制器(Programmable logic controller，略写 PLC )。随着微处理器和微型计算机技术的发展，PLC技术迅猛发展，已不仅具有逻辑操作功能。,可编程控制器的名称说明,1980年美国电气制造商协会NEMA正式命名：Programmable Controller 可编程控制器，为区别于Personal Computer (PC)，故沿用PLC 这个略写。现在PLC是指可编程控制器Programmable Controller，而不是可编程逻辑控制器（Programmable Logic C
3、ontroller）。注意PLC、PC和IPC的区别,第一节 可编程序控制器系统的产生与定义,二、可编程控制器的定义,1-8,国际电工委员会(IEC)在可编程控制器标准IEC1131中做了如下定义： 可编程控制器是一种数字运算的电子系统，专门为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在其内部执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的面向用户的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。 可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。,第一节 可编程序控制器系统的产生与定义,第二节 可编程序控制器的发展,1
4、968年GM公开招标， 1969年DEC公司推出了世界上第一台可编程序控制器。70年代中期，美日一些厂家将微处理器引入可编程控制器，从而彻底打破了可编程控制器作为继电控制系统替代品的框框。70年代末期到80年代初，为解决各厂家的可编程控制器系统各自为政、无法互联的局面，GM开始制订MAP(Manufacturing Automation Protocol)，可编程控制器网络走上标准化道路。90年代，迅速发展的各种网络和现场总线技术被广泛地集成在可编程控制器系统中，可编程控制器及其相关系统为工厂自动化提供一种全集成自动化TIA的解决方案。,一、历史,向小型化、专用化、低成本方向发展向大容量、高速
5、度、信息化方向发展智能化模块的发展人机界面的发展在过程控制领域使用以及PLC的冗余特性开放性和标准化通讯联网功能的增强和易用性软PLCPAC（Programmable Automation Controller）, “80-20”原则，基于PC,第二节 可编程序控制器的发展,二、发展趋势,第三节 可编程序控制器的应用领域,单机电气控制系统制造业自动化运动控制过程工业自动化,第四节 可编程序控制器的特点,抗干扰能力强，可靠性高控制系统结构简单，通用性强编程方便,易于使用功能强大，成本低设计、施工、生产调试的周期短维护方便,第五节 跟其他控制系统比较,控制逻辑工作方式可靠性和可维护性控制速度定时控
6、制设计和施工,与继电器控制系统的区别,本质区别使用场合使用过程使用成本学习难易程度就业方向,与单片机控制系统的区别,第五节 跟其他控制系统比较,与IPC、DCS、FCS控制系统的区别,DCS：大系统概念，用于连续过程控制系统,PLC：用于开关量控制为主的控制系统,FCS：使用总线协议为核心的控制系统,第五节 跟其他控制系统比较,IPC：抗干扰、编程语言难易程度,第六节 PLC的分类,PLC系统组成,分类标准：I/O点数结构性能,SF2,C,B,SF1,继电器-接触器系统电路结构说明,QA,QA,BB,输入部分,逻辑部分,输出部分,输入部分：由各类按钮开关、行程开关、接近开关、 转换开关等主令电
7、器构成。逻辑部分：由各种继电器触电、接触器触点组成的实 现一定逻辑功能的控制线路。输出部分：由各种电磁阀线圈，接通电动机的各种接 触器和信号指示灯等执行电器构成。,1、按I/O点数容量分类,可编程控制器的规模以所配置的输入/输出点数来衡量小型：I/O点数2048 应该指出大、中、小的规模主要是指I/O点数，程序容量在目前的多数可编程控制器中是可以扩展，扩展后可达数十兆。,第六节 PLC的分类,2、按结构形式分类：,它将电源、CPU和少量I/O(开关量)组装在一个机壳内，称为基本单元。当I/O点数不足或需要诸如模拟量I/O等功能时就需要通过扁平电缆(并行内部总线)连接扩展单元。小型可编程控制器较
8、多地采用这种形式，其结构紧凑，便于安装，成本降低。,整体式,第六节 PLC的分类,模块式,可编程控制器的各个功能模块在结构上也以单独的模块形式出现，如电源模块，中央处理模块，各种I/O模块，他们通过一个共同的基板或者机架上的内部总线构成一个完整的控制系统。这种结构一般在中大型、高档产品中采用。随着近年来小型产品高档化的发展趋势，在小型系统中也有出现。,Series 90-70,S7-200,基本单元,扩展模块,扩展模块,3、根据性能分类,低档：性能主要局限于原来的继电器控制系统的替代品。功能主要是各种逻辑运算，定时，计数，移位等。主要配置开关量输入/输出模块。中档：除了低档可编程控制器具备的功
9、能外，中档产品具备了诸如数据运算、传递、比较、代码转换等功能，开关量I/O点数也较多，另外有模拟量I/O和远程I/O，其中远程I/O借助于通讯功能来实现。,第六节 PLC的分类,高档：除了中低档产品的功能外，高档产品借助于其一个或多个高性能的微处理器为工业应用提供了大量的高级功能，诸如浮点运算、文件管理，往往提供了对上，对下的多种网络通讯方式，高档产品是一个完整系列产品，为整个工厂自动化提供了一个完整的解决方案。,根据性能分类,Example:SIEMENS,Example:Matsushita,Series 90-30,Example:Schneider,TSX Neza Modicon T
10、SX Quantum TSX Premium,TSX Momentum TSX Micro TSX Compact,第七节 PLC的系统组成,1. 中央处理单元,中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。 CPU的主要功能：1）从存储器中读取指令 2）执行指令 3）顺序取指令 4）处理中断,第七节 PLC的系统组成,2. 存储器,1）只读存储器ROM 2）随机存储器RAM3）可电擦除的可编程只读存储器（EEPROM）。,第七节 PLC的系统组成,分为用户存储器和系统存储器，用户存储器又分为用户程序存储器和用户数据存储器 ，常有类型,3. 输入/输出单元
11、,分为模拟量单元和数字量单元，这里主讲数字单元。（1）输入接口电路 为了防止各种干扰信号和高电压信号进入PLC，影响其可靠性或造成设备损坏，现场输入电路一般有光电耦合器电路进行隔离。 输入类型有直流、交流、交直流。,第七节 PLC的系统组成,2）输出接口电路,PLC输出电路用来驱动被控负载（电磁铁、继电、接触器线圈等）。分为继电器式，晶体型和晶闸管式三种。,三种形式特点：继电器 - 低速大功率 晶闸管- 高速大功率 晶体管 - 高速小功率,I/O电路的外部接线（输入模块）,汇点式,分隔式,输出模块的外部接线 （输出模块）,汇点式,分隔式,4. 其它,电源、扩展接口、通信接口编程设备、附件。,4
12、. 其它,第八节 PLC的工作原理,1、PLC的工作方式,电气控制梯形图：并行工作方式,PLC梯形图：串行工作方式,PLC梯形图：串行工作方式,2、PLC的运行方式PLC的工作按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。工作过程 上电处理扫描过程出错处理,第八节 PLC的工作原理,读输入,执行程序,处理通讯,写输出,自诊断,第八节 PLC的工作原理,2、PLC的运行方式,周期性循环扫描，集中输入、集中输出，与单片机系统的区别？怎样增强抗干扰能力？,输出刷新阶段,用户程序执行阶段,输入采样阶段,扫描周期,输入、输出映像寄存器，内存或缓存中,（M100）,（Y430),输出刷新阶段,用户
13、程序执行阶段,输入采样阶段,输入端子,输入映象寄存器,元件映象寄存器,输出锁存器,输出端子,扫描周期,X4,读出,(Y430),写入,读出,第八节 PLC的工作原理,3、PLC工作的中心内容,输入信号要求持续一个扫描周期，影响扫描周期的因素？,（1）、输入映像寄存器的数据取决于输入采样阶段 所刷新的数据。 （2）、输出映像寄存器的数据取决于程序执行结果。 （3）、输出锁存电路中的数据，由上一个工作周期的输出刷新阶段存入到输出锁存电路中数据确定。 （4）、输出端子上的输出状态，由锁存电路中数据确定。 （5）、程序执行中所需的输入、输出状态，由输入映像寄存器和输出状态映像寄存器中读出。 （6）、立
14、即执行指令除外,第八节 PLC的工作原理,4、PLC对输入/输出的处理原则,IEC1131为可编程控制器定义了四种编程语言：梯形图Ladder Diagram指令列表Instruction List功能图Function Diagram结构化文本Structure Text,第九节 PLC的编程语言,一 PLC梯形图,可编程控制器的梯形图程序类似于继电器控制线路梯形图的形式。 传统的继电器控制线路是通过硬接线来实现控制逻辑，而可编程控制器的梯形图通过软件实现相应的控制。 梯形图编程方法简单，修改灵活方便，保留了继电器控制线路形象、直观的特点。,第九节 PLC的编程语言,继电控制线路梯形图,主回
15、路,控制回路,继电控制线路梯形图,起停控制PLC等效电路,梯形图中的基本元素：电源母线 Power rails连线（连接元素）Link Elements接点 Contacts线圈 Coils功能和功能块 Functions and Function Blocks,右母线可以被明确表示，也可以在图中省略。,一 PLC梯形图,第九节 PLC的编程语言,在形式上类似计算机汇编语言，用指令的助记符来编程的，不同的使用的助记符不一样。如：，语句表达式由操作码和操作数两部分组成的，其格式操作码操作数（指令） （数据）,二 指令表,第九节 PLC的编程语言,三、控制系统流程图 在形式上类似与、或、非等逻辑图。西门子的叫FBD（Function Block Diagram Programming Language ）四、结构化文本 类似与高级编程语言,第九节 PLC的编程语言,几点说明,PLC作为一个控制器，需要与其他低压电器一起构成电气控制系统。PLC与主电路之间、其他控制电器之间需要隔离。PLC的输入输出一般是DC24V，AC120V/230V,晶闸管输出电压等级可以高一些,
