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1、PLC基础知识,1.基本内容：PLC简介、基本功能、特点、应用范围、工作方式。,3.难点：工作方式、扫描时间。,2.重点：定义、基本功能、工作方式。,第一节 PLC基础知识,一、PLC的产生与历史二、可编程控制器的定义三、PLC的现状及发展趋势四、PLC的特点五、PLC的基本功能六、PLC与其他工业控制系统的比较,一、PLC的产生与历史,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（GE）的要求研制成功。背景：1968年美国通用汽车公司（GE），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控制器，它能做到尽可
2、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。,近年来PLC发展迅速 PLC集三电（电控、电仪、电传）为一体、性能价格比高、高可靠性的特点，已成为自动化工程的核心设备。PLC成为具备计算机功能的一种通用工业控制装置，其使用量高居首位。PLC成为现代工业自动化的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。,PLC三大流派欧洲：德国的西门子(SIEMENS)、AEG及法国的TI公司美国：A-B（Allen-Bradly）(其产品约占美国PLC市场50的份额。)、GE（General Electric）、莫迪康(MODICON)公司、德州仪器(T1)公司、歌德(Gould)公
3、司、西屋公司 日本：三菱电机（Mitsubishi Electric）、欧姆龙（OMRON）、FUJI（日本主要发展中小型PLC，在世界小型PLC市场上，日本产品约占有70的份额。在中国，OMRON产品的销量居首位。）目前国内市场还有韩国、台湾等PLC产品；现在市场上出现了系列化的国产PLC，其价格相对低廉，性价比较高。,西门子PLC外形图,S7-200系列PLC,S7-300系列PLC,S7-400系列PLC,三菱PLC外形图,Q系列PLC,FX2N系列PLC,FX1N系列PLC,FX1S系列PLC,欧姆龙PLC外形图,C200H系列PLC,CPM1A、CPM2A系列PLC,PLC的国内外状
4、况,1974年我国开始仿制美国的第二代PLC产品，但因元器件质量和技术问题等原因未能推广。直到1977年，我国才研制出第一台具有实用价值的PLC，并开始批量生产和应用于工业过程的控制。主要厂家有：北京和利时，科迪纳，张前苏。洛阳易达，无锡信捷，南京嘉华，兰州全志，广州科赛恩，中山智达，恒日等。,（1）向高速度、大存储容量方向发展（CPU处理速度nS级；内 存2M字节）（2）向多品种方向发展和提高可靠性（超大型和超小型）（3）产品更加规范化、标准化（硬件、软件兼容的PLC）（4）分散型、智能型、与现场总线兼容的I0（5）加强联网和通信的能力（6）控制的开放和模块化的体系结构OMAC（open M
5、odular Architecture for Control）,PLC的发展趋势,通用性强，使用方便 功能强，适应面广 可靠性高，抗干扰能力强控制程序可变具有很好的柔性编程方法简单，容易掌握 PLC控制系统的设计、安装、调试和维修工作少.极为方便。控制程序变化方便.具有很好的柔性。体积小、重量轻、功耗低,四、PLC的特点,五、PLC的基本功能,1 逻辑控制功能2 定时控制功能3 计数控制功能4 步进控制功能5 数据处理功能6 回路控制功能7 通讯联网功能8 监控功能9 停电记忆功能10 故障诊断功能,六、PLC与其他工业控制系统的比较,PLC与继电器控制系统比较 继电器控制采用硬接线方式装配
6、而成，只能完成既定的功能。PLC控制只要改变程序并改动少量的接线端子，就可适应生产工艺的改变。从适应性、可靠性及设计、安装、维护等各方面进行比较。传统的继电器控制大多数将被PLC所取代。,PLC与工业计算机比较工业控制机控制要求开发人员具有较高的计算机专业知识和微机软件编程的能力。PLC采用了采用面向控制过程、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，便于推广应用。PLC是专为工业现场应用而设计的，具有更高的可靠性。在模型复杂、计算量大且较难、实时性要求较高的环境中，工业控制机则更能发挥其专长。,第二节 PLC基本原理,2.1 PLC内部硬件框图及各部分作用2.2 P
7、LC工作过程特点及主要性能指标2.4 PLC分类,2.1 PLC内部硬件框图及各部分作用,2.1.1 PLC的组成 PLC由四部分组成：中央处理单元（CPU板）、存储部件、输入输出（I/O）部件和电源部件。,PLC的基本组成与一般的微机系统类似：是一种以微处理器为核心的、用于控制的特殊计算机PLC的基本组成包括硬件与软件两部分PLC的硬件：中央处理器（CPU）、存储器、输入接口、输出接口、通信接口、电源等PLC的软件：系统程序和用户程序,2.1.2 PLC内部主要部件功能,1.PLC中的CPU作用及分类CPU的作用：按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作。归纳起来主要有以下五个方面
8、：,1）接收并存储编程器或其它外设输入的用户程序或数据,2）诊断电源、PLC内部电路故障和编程中的语法错误等,3）接收并存储从输入单元（接口）得到现场输入状态或数据,4）逐条读取并执行存储器中的用户程序，将运算结果存入存储器,5）根据运算结果，更新有关标志位和输出内容，通过输出接口实现控制、制表打印或数据通讯等功能,PLC中常采用的CPU有三类：1)通用微处理器（如Z80、8086、80286等）2)单片微处理器（如8031、8096等）3)位片式微处理器(如AMD29W等)小型PLC：大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；中型PLC：大多采用16位通用微处理器或单片微处理器；大型PLC：大
9、多采用高速位片式微处理器（32位）；小型PLC为单CPU系统；中、大型PLC则大多为双CPU或多CPU系统；对于双CPU系统，一个为字处理器，一般采用8位、16位或32位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。,存储器的作用：PLC中，存储器主要用于系统程序、用户程序、数据存储器的类型：可读/写操作的随机存储器RAM 只读存储器ROM、PROM、EPROM、E2PROM,2.系统程序存贮器,4.输入/输出接口（I/O模块）,输入/输出接口通常也称I/O 单元或I/O 模块，是PLC与工业生产现场之间的连接通道。PLC输入接口-用户设备需输入PLC的各种控制信号，如限位开关、操
10、作按钮、选择开关、行程开关以及其它一些传感器输出的开关量或模拟量(要通过模数变换进入机内)等，通过输入接口电路将这些信号转换成中央处理单元能够接收和处理的信号，用这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据。PLC输出接口-路将中央处理单元送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、电机等被控设备的执行元件。,I/O 接口的作用：电平转换功能：由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信号是标准电平信号。光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力，通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。I/O 接口的类型：开关量输入/输出接口
11、 模拟量输入/输出接口,输入/输出（I/O）点数：PLC的I/O点数是指PLC的I/O接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数的总和。I/O点数是选择PLC的重要依据之一。当I/O点数不够时，可通过PLC的I/O扩展接口对系统进行扩展。,5.PLC编程器及作用,编程器的作用：是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的设备。,6.PLC中的电源及作用,PLC配有开关式稳压电源，以提供内部电路使用。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。因此，对于电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值15%
12、的范围内波动。许多PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感 器供电。电源的容量。,PLC配有各种通信接口与外部设备连接 与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印与监视器连接，可将控制过程图像显示出来与PLC连接，组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制与计算机连接，组成多级分布式控制系统，控制与管理相结合与人机界面（触摸屏）连接与智能接口模块连接。智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口。PLC的智能接口模块种类很多，如：高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。与编程器连接,编 程 器,编程器是PLC最
13、常用的外设，也是PLC中唯一不需要通过功能模块而直接与总线相联接的外设。它通过主机上的编程器接口直接与主机相连。编程器上有一个方式选择开关，用于控制PLC主机的工作方式。,掌上电脑编程器,可编程终端,8、其它功能模块功能模块,模拟量输入模块（即A/D模块）模拟量数字量 模拟量输出模块（即D/A模块）数字量模拟量 温度传感器模块 温度模拟量数字量 高速计数模块 高频脉冲信号 PID模块（比例、积分、微分）远程I/O模块 扩展I/O点的距离 通讯模块 与其它PLC、微机、互连网通讯,系统程序:系统程序，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用、管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能。系统程序，由P
14、LC的制造厂家编写的，在PLC使用过程中不会变动，它和PLC的硬件组成有关，它关系到PLC的性能。系统程序，由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。,2.1.4 PLC的软件系统,1 系统程序；2 用户程序；3 编程语言,用户程序:用户程序是用户根据控制对象生产工艺及控制的要求而编制的应用程序。它是由PLC控制对象的要求而定的。为便于读出、检查和修改，用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在EPROM中。现在有许多PLC直接采用
15、EEPROM作为用户存储器。,PLC的编程语言,在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。程序的表达方式基本有四种：梯形图（Ladder diagram）、指令表（STLSTatementList）、逻辑功能块（FBDFunctionBlockDiagram）和高级语言。梯形图是当前使用最广泛的一种编程方法。除了的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。,1.梯形图编程语言,两种梯形图的继电器符号图对
16、照,梯形图（Ladder diagram）编程语言是一种图形语言,类似于继电器控制线路图的一种编程语言，它面向控制过程，直观易懂，是PLC编程语言中应用最多的一种语言。,(1)名词解释软继电器,PC的继电器不是物理的电器，它是PC内部的寄存器位，因为它具有与物理继电器相似的功能，常称之为“软继电器”。,PLC每一个继电器都对应着内部的一个寄存器位，该位为“1”态时，相当于继电器接通；为“0”态时，则相当于继电器断开。,线圈,线圈,(2)两种控制的梯形图比较,物理继电器,继电器需硬接线连接,触点个数有限,PLC继电器,继电器用程序软连接,触点个数无限,继电器的接线改变控制功能改变,PLC的用户程
17、序改变 控制功能改变,(3)两种控制中继电器的区别,用PLC控制外部接线不变，改变用户程序。,用继电器控制要改变控制电路的实际接线。,1.继电器控制接线,2.PLC控制外部接线,输出设备,欲改变控制功能：,例如,2、语句表编程语言,用助记符表示指令的功能,多条指令语句的组合构成了语句表 程序,指令语句是PLC用户程序的基础元素,LD 00000；表示逻辑操作开始OR 01000；表示常开触点01000与前面的触 点并联 AND NOT 00001；表示常闭触点00001与前面 的触点串联OUT 01000；表示前面的逻辑运算结果输出给 01000END;表示程序结束,梯形图程序 语句表程序,F
18、X2N系列可编程序控制器的基本指令（语句表）,FX2N系列PLC有基本指令27条；步进梯形指令2条；应用指令128种，298条。本节介绍其基本顺控指令。,LD、LDI、OUT指令,LD、LDI指令分别用于将常开、常闭触点连接到母线上.OUT指令是对输出继电器、辅助继电器、状态器、定时器、计数器的线圈驱动指令。,LD、LDI、OUT指令的使用,AND、ANI指令,AND、ANI指令分别用于单个常开、常闭触点的串联，串联触点的数量不受限制，该指令可以连续多次使用。,AND、ANI指令的应用,OR、ORI指令,OR、ORI指令分别用于单个常开、常闭触点的并联，并联触点的数量不受限制，该指令可以连续多
19、次使用。,OR、ORI指令的应用,ORB、ANB指令,若有多个串联回路块按顺序与前面的回路并联时，对每个回路块使用ORB指令，则对并联的回路个数没有限制。若成批使用ORB指令并联连接多个串联回路块时，由于LD、LDI指令的重复次数限制在8次以下，因此这种情况下并联的回路个数限制在8个以下。,ORB指令的应用,（3）顺序功能图 顺序功能图常用来编制顺序控制程序，它包括步、动作、转换三个要素。顺序功能图法可以将一个复杂的控制过程分解为一些小的工作状态。对于这些小状态的功能依次处理后再把这些小状态依一定顺序控制要求连接成组合整体的控制程序。,（4）功能块图 功能块图是一种类似于数字逻辑电路的编程语言
20、，用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方块左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入端、输出端的小圆点表示“非”运算，信号自左向右流动。类似于电路一样，方框被“导线”连接在一起。,PLC基本指令编程举例,振荡电路,当输入X000接通时，输出Y000闪烁，接通与断开交替运行，接通时间为1s由定时器T0设定，断开时间为2s由定时器T1设定。,保持电路,当X000接通一下，辅助继电器M500接通并保持，Y000有输出。停电后再通电，Y000仍有输出，只有X001接通，其常闭触点断开，才能使M500自保持清除，使Y000无输出。,2.2 可编程控制器工作过程特点及主要性能指标,当PLC运行时
21、，需要进行众多的操作，而PLC的CPU不可能同时去执行多个操作，每一刻只能执行一个操作。解决的办法：采用分时操作原理 扫描工作方式：由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时完成的，这种分时操作的方法称为扫描工作方式。,2.2.1 循环扫描工作方式,PLC采用“顺序扫描、不断循环”工作方式，这个过程可分输入采样，程序执行、输出刷新三个阶段，整个过程扫描并执行一次所需的时间称为扫描周期。,输入采样,程序执行,输出刷新,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
22、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,2.2.2 PLC的工作过程分自诊断、与编程器或计算机等通信、输入采样、程序执行和输出刷新五个阶段。,PLC扫描工作各环节的功能,PLC上电后，首先检查硬件是否正常。,按自上而下的顺序，逐条读用户程序并执行。,对输入的数据进行处理，将结果存入元件映象寄存器。,计算扫描周期。,若正常，则进行下一步；若不正常，则报警并作处理。,母线,I/O刷新阶段,外设端口服务,读输入点的状态并写入输入映像寄存器。,将元件映像寄存器的状态经输出锁存器、输出电路送到输出点。,访问外设端口连接的外
23、部设备。,读,读,读,写,写,执行用户程序,01001,01000,00000,00001,01000,输入端子,输入电路,用户输入设备,输入映像寄存器,输出电路,输出端子,元件映像寄存器,输出锁存器,用户输出设备,从输入端子到输出端子的信号传递过程,(3)PC的循环扫描工作过程（信号传递过程）,输入继电器（X）（西门子用I）类似于按钮在PLC内部，与输入端子相连的输入继电器是光电隔离的电子继电器，采用八进制编号，用无数个常开和常闭触点。输入继电器不能用程序驱动。,三菱PLC 软元件（逻辑元件）,输出继电器（Y）（西门子用Q）类似于 线圈输出继电器采用八进制编号，有内部触点和外部输出触点（继电
24、器触点、双向可控硅、晶体管等输出元件）之分，由程序驱动。在PLC内部，外部输出触点与输出端子相连，向外部负载输出信号，且一个输出继电器只有一个常开型外部输出触点。输出继电器有无数个内部常开和常闭触点，编程时可随意使用。,辅助继电器（M）（类似于中间继电器）由内部软元件的触点驱动,常开和常闭触点使用次数不限，但不能直接驱动外部负载,采用十进制编号。1.通用辅助继电器M0M499（500点）2.掉电保持辅助继电器M500M1023（524点）3.特殊辅助继电器M8000M8255（256点）只能利用其触点的特殊辅助继电器可驱动线圈的特殊辅助继电器1.通用辅助继电器与2.掉电保持用辅助继电器的比例，
25、可通过外设设定参数进行调整。,只能利用其触点的特殊辅助继电器M8000：运行监控用，PLC运行时M8000接通。M8002：仅在运行开始瞬间接通的初始脉冲特殊辅助继电器。M8012：产生100ms时钟脉冲的特殊辅助继电器。可驱动线圈的特殊辅助继电器M8030：锂电池电压指示灯特殊继电器。M8033：PLC停止时输出保持特殊辅助继电器。M8034：止全部输出特殊辅助继电器。M8039：时扫描特殊辅助继电器。,定时器（T）类似时间继电器定时器实际是内部脉冲计数器，可对内部1ms、10ms和100ms时钟脉冲进行加计数，当达到用户设定值时，触点动作。定时器可以用用户程序存储器内的常数k或H作为设定值
26、，也可以用数据寄存器D的内容作为设定值。1.普通定时器（T0T245）100ms定时器T0T199共200点，设定范围0.13276.7s；10ms定时器T200T245共46点，设定范围0.01327.67s。2.积算定时器（T246T255）1ms定时器T246T249共4点，设定范围0.00132.767s；100ms定时器T250T255共6点，设定范围为0.13276.7s。,加法计数器,设定值,K、H或D,触点动作,Tx,Tx,时钟脉冲,驱动,相等比较器,普通定时器的工作原理,T10,T250,设定值K,计数器,1,100ms时钟脉冲,X2,X1,触点动作,Tx,相等比较器,积算定
27、时器的工作原理,计数器（C）计数器可分为通用计数器和高速计数器。16位通用加计数器，C0C199共200点，设定值：132767。设定值K0与K1含义相同，即在第一次计数时，其输出触点动作。32位通用加/减计数器，C200C234共135点，设定值：-2147483648+2147483647。高速计数器C235C255共21点，共享PLC上6个高速计数器输入（X000X005）。高速计数器按中断原则运行。,16位加计数器通用型：C0C99共100点 断电保持型：C100C199共100点,数据寄存器（D）1.通用数据寄存器D0D199共200点。只要不写入其它数据，已写入的数据不会变化。但是PLC状态由运行停止时，全部数据均清零。2.断电保持数据寄存器D200D511共312点，只要不改写，原有数据不会丢失。3.特殊数据寄存器D8000D8255共256点 这些数据寄存器供监视PLC中各种元件的运行方式用。4.文件寄存器D1000D2999共2000点。,本章小结,本章主要介绍了PLC的基本原理、FX系列PLC型号命名、PLC的组成。说明了FX系列PLC内部各类软元件资源，如输入继电器、输出继电器、定时器、计数器、辅助继电器等。,
