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1、第三章 可编程序控制器概述,3/8/20192023/1/10,1,本章主要内容,3.1 PLC的产生和定义3.2 PLC的主要功能及特点 3.3 PLC的应用和发展3.4 PLC的分类 3.5 PLC的系统组成3.6 PLC与其它控制系统的区别3.7 PLC的工作原理3.8 PLC的编程语言,3/8/20192023/1/10,2,311 PLC的产生-GM10条(1)编程简单，可现场修改程序；(2)维修方便，最好是插件式结构；(3)可靠性高于继电器控制装置；(4)体积小于继电器控制装置；(5)数据可以直接输入管理计算机；(6)可以直接用交流115V；(7)输出为交流115V,容量要求2A以
2、上,可直接驱动电磁阀、接触器等负载；(8)通用性强，易扩展，扩展时原系统只需很少变更；(9)用户存贮器容量大于4KB；(10)性能价格比可与继电器控制装置竞争。,31 PLC的产生与定义,3/8/20192023/1/10,3,3.1.2 PLC的定义,早期的可编程控制器主要是用来替代继电器控制系统的，因此功能较为简单，只能进行开关量逻辑控制，称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）,简称PLC。“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计.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、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的
3、指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出,控制各种类型机械的生产过程。而有关的外围设备,都应按易于与工业系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计.”可以认为PLC实质是一台工业控制用计算机。,3/8/20192023/1/10,4,(一)PLC的功能1.开关逻辑和顺序控制 2.模拟控制（A/D和D/A控制）3.定时/计数控制 4.步进控制5运动控制6.数据处理 7.通信联网,32 PLC的功能特点,3/8/20192023/1/10,5,（二）PLC的特点,1.编程简单,易于使用；2可靠性高，抗干扰能力强；3.控制系统结构简单，通用性强；4.功能完善；5.设计、施工和调试的周期短；6.体积小、
4、重量轻、功耗低，维护操作方便；7.易于实现机电一体化。,3/8/20192023/1/10,6,硬件方面措施：(1)隔离(2)滤波(3)在PLC内部对CPU供电电源采取屏蔽、稳压、保护等措施.(4)内部设置连锁、故障检测与诊断等电路，一旦发生故障就报警。(5)外部采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，以适应恶劣环境。软件方面措施：设置数字滤波、故障检测与诊断程序，发现错误立即处理（封锁输出、报警、保护数据）.,3/8/20192023/1/10,7,3.3 PLC的应用与发展,3.3.1 PLC的发展状况,3.3.2 PLC的发展趋势1.向小型化、专业化、低成本方向发展;2.向大容量,高速度方向
5、发展;3.智能型I/O模块的发展;4.基于PC的编程软件取代编程器;5.PLC编程语言的标准化;6.PLC通信的易用化;7.组态软件与PLC的软件化;8.PLC与现场总线相结合,3/8/20192023/1/10,8,一方面向着大型化的方向发展，一方面则向着小型化的方向发展。PLC向大型化方向发展，主要表现在大中型PLC高功能、大容量、智能化、网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合的自动控制。PLC向小型化方向发展，主要表现在下列几个方面：为了减小体积、降低成本，向高性能的整体型发展；在提高系统可靠性的基础上，产品的体积越来越小，功能越来越强；应用的专业性，使得
6、控制质量大大提高。,可编程序控制器的发展趋势,3/8/20192023/1/10,9,常用PLC的生产厂家,日本立石（OMRON）公司的C系列可编程序控制器；日本三菱（MITSUBISHI）公司的F、F1、F2、FX2系列可编程序控制器；日本松下（PANASONIC）电工公司的FP1系列可编程序控制器；美国通用电气（GE）公司的GE系列可编程序控制器；美国艾论布拉德利（A-B）公司的PLC-5系列可编程序控制器；德国西门子（SIEMENS）公司的S5、S7系列可编程序控制器。,3/8/20192023/1/10,10,国产SOC-48NE2型PLC,国产JH120H型PLC,日本FX型PLC,
7、美国通用PLC,日本松下PLC,合资产品欧姆龙PLC,德国西门子PLC,3/8/20192023/1/10,11,3.3.3 PLC的应用领域,PLC已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、纺织、环保和娱乐等行业。PLC的应用范围可分成5种类型。（1）顺序控制如印刷机械、包装机械、机床装配生产线及电梯控制等。（2）运动控制PLC把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。（3）过程控制PLC还能控制大量的过程参数，如温度、流量、压力和液位。一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。（4）数据处理在机械加工中,PLC作为主要的控制与管理系统可以
8、完成大量的数据处理工作。（5）通信网络,3/8/20192023/1/10,12,PLC的应用领域,传送带生产线控制,灌装及包装机械,木材加工,电梯控制,空调控制,纺织机械,印刷机械,3/8/20192023/1/10,13,3.4 PLC的分类,一、按点数和功能分类（1）超小型机：I/O点数为64点以内，内存容量为2561000字节；（2）小型机：I/O点数为64256，内存容量为13.6K字节；（3）中型机：I/O点数为2561024，内存容量为3.613K字节；（4）大型机：I/O点数为1024以上，内存容量为13K字节以上；,3/8/20192023/1/10,14,二、按结构形式分类
9、,（1）整体式结构 一般的小型及超小型PLC多为整体式结构，这种可编程序控制器是把CPU、RAM、ROM、I/O接口及与编程器或EPROM写入器相连的接口、输入/输出端子、电源、指示灯等都装配在一起的整体装置。西门子公司的S7-200系列PLC为整体式结构。（2）模块式结构 模块式结构又叫积木式。这种结构形式的特点是把PLC的每个工作单元都制成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块、通信模块等。常见产品有OMRON公司的C200H、C1000H、C2000H，西门子公司的S5-115U、S7-300、S7-400系列等。,3/8/20192023/1/10,15,3/8/201
10、92023/1/10,16,3.5 PLC的系统组成,PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。PLC的结构框图如图所示：,图3.1 PLC结构框图,3/8/20192023/1/10,17,1.中央处理单元(CPU),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通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。它的主要功能有以下几点：接收从编程器输入的用户程序和数据，送入存储器存储；用扫描方式接收输入设备的状态信号，并存入相应的数据区；监测和诊断电
11、源、PLC内部电路工作状态和用户程序编程过程中的语法错误；执行用户程序，完成各种数据的运算、传递和存储等功能；根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器表的内容，以实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。PLC常用的CPU芯片有通用微处理器、单片机和位片式微处理器。PLC的档次越高，所用的CPU的位数也越多，运算速度也越快，功能越强。,3/8/20192023/1/10,18,2.存储器,PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器存放系统程序，并固化到ROM内，用户不能直接更改。它使PLC具有基本功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。其内容主要包括三部分。第一
12、部分为系统管理程序；第二部分为用户指令解释程序；第三部分为标准程序模块与系统调用。用户存储器用来存放用户编制的控制程序。它包括用户程序存储器（程序区）和数据存储器（数据区）两部分。PLC常用的存储器类型三种：（1）随机存取存储器（RAM）（2）只读存储器（ROM）（3）可电擦除可编程只读存储器EPROM、EEPROM,3/8/20192023/1/10,19,3.输入/输出单元,PLC的输入/输出信号类型可以是开关量和模拟量。输入单元接收来自用户设备的各种控制信号，通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处
13、理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点相对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动被控设备的执行元件。常用开关量输入/输出接口电路有：（1）输入接口电路 通常PLC的输入类型可以是直流、交流和交直流。输入电路的电源可由外部供给，有的也可由PLC内部提供。,3/8/20192023/1/10,20,图3.2 直流输入接口电路,图3.3 交流输入接口电路,3/8/20192023/1/10,21,(2)输出接口电路 输出接口电路按输出开关器件的种类分通常有三种类型:继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。每种输出电路都采用电气隔离技术，
14、电源由外部提供，输出电流一般为0.52A。,它只能带直流负载，属于直流输出方式，直流电源由用户提供。特点：寿命长、无噪音、可靠性高、可以高速通断，频率响应快，响应时间为0.2ms能满足一些直流负载的特殊要求.如直流电机、电器和高速电磁阀的驱动等，但其价格高，过载能力差。,晶体管输出：如图示,3/8/20192023/1/10,22,晶闸管输出：如图示,晶闸管输出也是无触点输出，它采用光触发型双向晶闸管。它属于交流输出方式，只能带交流负载。交流电源由用户提供。特点：响应速度快,响应时间为1ms以下,寿命长,可驱动交流负载,但过载能力差.,特点:它耐受电压范围宽,导通压降小,价格便宜。即可控制交流
15、负载，也可控制直流负载，但其机械触点寿命短，转换频率低，响应时间平均为10ms，触点断开时有电弧产生，容易产生干扰。,继电器输出:如图示,4.电源部件 5.编程器,6.扩展接口 7.通信接口8.其它部件,3/8/20192023/1/10,23,1.控制逻辑 继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，故称为“软接线”。2.工作方式前者属于并行工作方式，PLC属于串行工作方式。3.可靠性和可维护性4.控制速度5.定时控制6.设计和施工,PLC与继电器控制系统的比较PLC与单片机的比较PLC与工业控制计算机的比较,3.
16、6 PLC与其他控制系统的区别,3/8/20192023/1/10,24,3.7 PLC的工作原理,3.7.1 PLC的工作方式与运行框图,3/8/20192023/1/10,25,PLC是以分时操作方式来处理各项任务的,程序的执行是按顺序依次完成相应各电器的动作,它属于串行工作方式.PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环顺序扫描的方式工作的,每一次扫描所用的时间为扫描周期或工作周期.PLC工作的全过程可用如图3-7所示的运行框图来表示.一个扫描周期的五个阶段：内部处理与编程器等的通信处理输入扫描 执行用户程序输出处理。,PLC运行正常时,扫描周期与CPU的运算速度、I/O点的情况、用户应用
17、程序的长短等有关。,3/8/20192023/1/10,26,PLC的运行框图:,3/8/20192023/1/10,27,3.7.2 PLC工作过程的中心内容,输入采样、程序执行、输出刷新这三个阶段是PLC工作过程的中心内容。PLC典型的扫描工作过程如图所示：,3/8/20192023/1/10,28,1.输入采样阶段：,在输入采样阶段，PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态（“0”或“1”，表现在接线端子上是否承受外加电压）读入输入映像寄存器中，这个过程称为对输入信号的采样，接着转入程序执行阶段。在输入采样阶段结束后，即使输入信号状态发生改变，输入映像寄存器中的状态也不会发生改变
18、。,3/8/20192023/1/10,29,2程序执行阶段:,在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描，又称程序处理阶段。如果程序用梯形图表示，则总是按先上后下、先左后右的顺序对由接点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新输出映像寄存器区或系统RAM区对应位的状态。在程序执行阶段，只有输入映像寄存器区存放的输入采样值不会发生改变，其他各种元素在输出映像寄存器区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能随着程序的执行随时发生改变。3.输出刷新阶段：当程序执行后进入输出刷新阶段。此时将输出映像寄存器中所有输出继电器的状态转存到输出锁存器中，再通过输出端驱动用户输出设备（负载）。
19、,3/8/20192023/1/10,30,3.7.3 PLC对输入、输出的处理原则,PLC在输入/输出处理方面必须遵守的一般原则：(1)输入映像寄存器中的数据，取决于输入端子板上各输入点在上一刷新期间的接通和断开的状态。(2)程序执行结果取决于用户所编程序和输入/输出映像寄存器的内容及其他各元件映像寄存器的内容。(3)输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果。(4)输出锁存器中的数据，由上一个扫描周期输出刷新阶段输出映像寄存器中的数据决定。(5)输出端子的接通和断开状态，由输出锁存器决定。,3/8/20192023/1/10,31,3.8 PLC的编程语言,3.8.1 PLC的编程语言P
20、LC提供的编程语言通常有以下几种:梯形图、指令表、功能块图、顺序功能图、结构化文本。1.梯形图（LD）语言简单,易于理解,是所有编程语言的首选.2.指令表(IL)类似于计算机的助记符语言,是最基础的编程语言.用一个或几个字符来代表PLC的某种操作功能.,1.梯形图示例:,3/8/20192023/1/10,32,2.指令表,指令表（IL）语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员。用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言，STEP7 Micro/Win32的指令表如图所示。,图 指令表举例,3/8/20192023/1/10,33,图 PLC控制三相交流异步电动机的
21、电路连接电路,3/8/20192023/1/10,34,本 章 小 结,（1）PLC从结构上可分为整体式和模块式；从容量上可分为小型、中型和大型。（2）PLC的组成部件有中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口和电源等。（3）PLC按集中采样、集中输出，按顺序周期性循环扫描用户程序的方式工作。其工作过程的中心内容为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。（4）PLC是为取代继电接触式控制系统而产生的，因而两者存在一定的联系。PLC与继电接触式控制系统具有相同的逻辑关系，但PLC使用的是计算机技术，其逻辑关系用程序实现，而不是实际电路。（5）可用多种形式的编程语言来编写PLC的用户程序，而梯形图和语句表是两种最常用的编程语言。,3/8/20192023/1/10,35,
