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1、可 编 程 控 制 器 原 理 及 应 用,Programmable Logic Controller(PLC)Programmable Controller(PC),可编程控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上，逐步发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。,1 概 述,一、发展概况,PLC 可编程控制器,世界上第一台PLC 1969年由美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司（GM）的要求研制成功 背景：1968年美国通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业
2、控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。,设计思想：吸取继电器和计算机两者的优点 继电器控制系统体积大、可靠性低、接线复杂、不易更改、查找和排除故障困难，对生产工艺变化的适应性差，但简单易懂、价格便宜；计算机功能强大、灵活（可编程）、通用性好，但编程困难；采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。（梯形图）,二、PLC的品牌产品,三 菱：FX1S、FX1N、FX2N、Q、A系列日 立：E、EC、EM、EMII、H、EH-150、MICRO-EH系列东 芝：EX20 EX40系列富 士：NB、NJ、NS、SPB
3、系列松 下：FP0、FP1、FP2、FP2SH、FP3、FPM、FPC、FP5、FP10、FP10S、FP10SH系列欧姆龙：CPM1A、CPM2A、C200H、CQM1、CQM1A、CJ系列,SIEMENS：SIMATIC S7-200 S7-300 S7-400系列施 耐 德：Twido系列通 用：GE-I系列德洲仪器：TI100系列LG：K10、K30、K60、K80、K100、K120、K120S（E）、K200、K300、K1000系列,二、PLC的品牌产品,FX-PLC,FX0S,FX0N,FX1S/FX1N,FX2N,AnS,QnA/AnA,QnS,S7-200,S7-300,S
4、7-400,LOGO,C,SP,C200H,CS,三、主要功能,1.逻辑控制 可编程序控制器具有逻辑运算功能，它设置有“与”、“或“、“非”等逻辑运算指令，能够描述继电器触点的串联、并联、串并联、并串联等各种连接。因此它可以代替继电器进行组合逻辑和顺序逻辑控制。,2.定时控制 可编程序控制器具有定时控制功能。它为用户提供若干个定时器并设置了定时指令。定时时间可由用户在编程时设定，并能在运行中被读出与修改，定时时间的最小单位也可在一定的范围内进行选择，因此，使用灵活，操作方便。,3.计数控制 可编程序控制器具有计数控制功能。它为用户提供若干个计数器并设置了记数指令。计数值可由用户在编程时设定，并
5、能在运行中被读出与修改，有些可编程序控制器还设置了加计数、减计数两种不同的记数方式。,4.A/D、D/A转换 大多数可编程序控制器还具有摸/数（A/D）和数/摸（D/A）转换功能，能完成对模拟量的检测与控制。,三、主要功能,5.定位控制 有些可编程序控制器具有步进电动机和伺服电动机控制功能，能组成开环系统或闭环系统，实现位置控制。,6.通信与联网 有些可编程序控制器具有联网和通信功能，可以进行远程I/O控制，多台可编程序控制器之间还可以进行同位链接，还可以与计算机进行上位链接。由一台计算机和多台可编程序控制器可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以完成较大规模的复杂控制。,三、主要功
6、能,7.数据处理功能 大多数可编程序控制器都具有数据处理功能，能进行数据并行传送、比较运算；BCD码的加、减、乘、除等运算；还能进行字的按位“与”、“或”、“异或”、求反、逻辑移位、算术移位、数据检索、比较、数制转换等操作。,随着科学技术的不断发展，可编程序控制器的功能还在不断拓宽和增强。,三、主要功能,四、主要特点,1.可靠性高、抗干扰能力强、适用于恶劣工作环境 2.编程简单易学 3.应用灵活方便 4.通用性强 5.具有完善的监视和诊断功能 6.体积小、重量轻、功耗小、安装维护方便、性价比高,1）各种机械行业，可实现设备、自动线的自动化控制；,2）顺序控制、过程控制、位置控制、生产过程的监控
7、和管理、结合网络技术；,3）数字量、模拟量的数据采集；,五、应用范围,六、P LC控制系统与电器控制系统的比较,控制方法上：硬：软工作方式上：并行工作方式：串行工作方式控制速度上：速度 慢：快 定时和计数控制上：精度 低：高 可靠性和可维护性上：可靠性 低：高,学习要求：了解可编程控制器的基本结构与基本工作原理搞清楚PLC内部等效继电器电路的等效思路熟悉PLC的指令系统掌握PLC的编程方法和开发步骤,一、PLC的基本结构,三菱PC基本单元外形,2 可编程控制器的硬件结构与工作原理,2.存储器,系统程序存储区：存放系统软件，固化在ROM或EPROM等只读存储器中。,用户程序存储区：存放用户程序,
8、变量（数据）存储区：存放内部变量或数据,通常采用低功耗的CMOS-RAM存储器加备用电池，可读写,1.中央处理单元CPU,计算和控制中心。它的性能（位数和主频）决定了PLC的运算速度和信息处理量的大小。,PLC中的存储器及作用,PLC的编程语言（IEC61131-3中的5种PLC基本语言）顺序功能图（SFC）：不仅仅是一种语言，更是一种组 织控制程序的图形化方式。梯 形 图（L D）：以图形方式表达触点和线圈以及 特殊指令块的梯级。指 令 表（I L）：类似汇编程序的基于文本的语言 与其相对应的是LD。结 构 文 本（S T）：类似Pascal的基于文本的语言 功 能 块 图（FBD）：一种对
9、应于线路图的图形语言。FBD广泛地用于过程工业。,3.输入/输出接口：是CPU连接工业现场设备的桥梁。,CPU：标准电平弱电数字量,外部设备：开关量、模拟量不同电压等级的交流、直流量高速、低速信号远程、本地信号,输入/输出接口,PC厂家为用户提供各种类型的I/O接口电路。,直流开关量输入接口电路,光耦的作用:,电气隔离，抗干扰,电平转换,开关量输入接口：将工业现场的开关量信号转变成CPU能接受的标准逻辑电平。,(图),直流开关量输入接口,交流开关量输入接口,内部直流电源,发光二极管,光电耦合器,输出方式,开关量输出接口：通过该接口实现对外部设备的驱动控制,继电器输出,晶体管输出,晶闸管输出,继
10、电器输出：输出接口由继电器构成。,晶体管输出：输出接口由晶体管构成。,晶闸管输出：输出接口由晶闸管构成。,适于大功率、低速、交、直流负载,适合于小功率、高速、直流负载,适合于大功率、高速、交流负载,(图),负载电源由外部提供,继电器输出接口电路,Y0,COM1,晶体管输出接口电路,+5V,+24V,+24V或+5V,6.编程器：是PLC的主要外设。用于用户程序的编制、编辑、调试、检查和监视。,便携式：本身不带CPU，只能联机编程。体积小、重量轻、便于生产现场调试。,CRT智能式：带有显示屏的图形编程器，有CPU，可联机编程也可脱机编程，可用多种语言编程。,4.扩展接口：是用于扩展I/O单元或特
11、殊功能单元。,通用微机作为编程器：个人电脑，配上厂家提供的编程软件和通讯线。有效利用资源。,5.电源：是PLC的供电电源一般为市电（也有24V供电的）。PLC内部设计有电路进行稳压和变换。以适应内部电路的需要。,PLC编程器及作用,二、PLC的基本工作原理,PLC的工作方式：循环扫描工作方式,例如：用户程序的执行（用户程序的扫描工作过程）扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行执行程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行，并周而复始地重复进行。,PLC的扫描工作过程,检查CPU等内部硬件，对监视定时器（WDT）复位以及其它工作,与其它智能装置（如编程
12、器、计算机等）实现通信,按顺序对所有输入端的状态进行采样，并存入相应寄存器,对用户程序扫描执行，并将结果存入相应的寄存器,将寄存器中与输出有关状态，转到输出锁存器，输出驱动外部负载,PLC的扫描工作过程,整个过程包括内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理五个阶段,整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期,扫描周期与CPU运行速度、PLC硬件配置及用户程序长短有关。,典型值为1100ms,PLC执行程序的过程,PLC扫描工作方式的特点,集中采样：在一个扫描周期中，对输入状态的采样只在输入处理阶段进行。当PLC进入程序处理阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入处理阶段才对输入状
13、态进行重新采样。,集中输出：在用户程序中如果对输出结果多次赋值，则最后一次有效。在一个扫描周期内，只在输出处理阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出，对输出接口进行刷新。在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。,提高了抗干扰能力，增强了系统可靠性，降低了系统的响应速度 PLC工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性,产品检测传送带如图示，用PLC来检测产品数量。为确保不漏检，对PLC扫描周期有何要求？,产品通过检测点的时间间隔为：T=0.025m/(50m/60s)=30ms,所以，PLC的扫描周期必须小于30ms,PLC的分类按I/
14、O点数分小型PLC：入出总点数256中型PLC：入出总点数2562048大型PLC：入出总点数2048按结构类型分整体式模块式（积木式）按功能分低档机中档机高档机,三、PLC分类、主要技术指标,PLC的主要技术指标入/出点数扫描速度内存容量指令条数内部元件功能模块编程语言,3 可编程控制器的软件和用户环境,一、PLC的软件结构,软件结构,监控程序,用户程序,1.监控程序,监控程序是可编程控制器产品必须包括的部分，由生产厂家提供。其功能如下：,1）系统管理 运行管理：何时输入、何时输出、何时运算、何时自检、何时通讯等进行时间上的分配管理。程序空间的管理：生成用户环境。系统自检程序：系统出错检验、
15、用户程序语法检验、句法检验等。,2）用户指令解释程序 编辑程序和解释程序。,3）标准程序和系统调用,2.用户程序,用户在PLC提供的编程环境下编制的完成控制功能的程序。,1.用户数据结构,1）位数据 这是一类逻辑量，其值只有“0”或“1”。,2）字数据 其数制、字长有很多形式。单字或双字、十进制（K）或十六进制(H)等。,3）位和字的混合。,二、用户环境,2、PLC的内部等效电路,输入设备,输出设备,输入部分：等效输入继电器。逻辑控制部分：由用户程序实现的逻辑关系。构成逻辑电路的元件是等效编程元件。输出部分：等效输出继电器。,三菱F系列PLC的基本情况 日本三菱的早期产品，小型机，整体式结构，包括：基本单元，扩展单元、特殊单元三种。,3.PLC的元件,用户可以使用的输入输出接口、内部存储单元统称元件。,
