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1、第五章 可编程序控制器及其工作原理,第一节 PLC的产生与发展,在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是以继电器控制占主导地位的。对生产工艺多变的系统适应性差，一旦生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构。1968年，美国通用汽车公司(GM公司)为了在每次汽车改型或改变工艺流程时不改动原有继电器柜内的接线，降低成本，缩短开发周期，而提出了研制新型逻辑顺序控制装置，并提出了10项招标技术指标。其主要内容如下：,10 项 指 标：,1、编程方便，现场可修改程序；2、维修方便，采用模块化结构；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、数据可直接送入管理计算机；6、
2、成本可与继电器控制装置竞争；7、输入可以是交流115V；8、输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；9、在扩展时，原系统只要很小变更；10、用户程序存储器容量至少能扩展到4K。,10项指标的核心为以下四点：,用计算机代替继电器控制盘。用程序代替硬件接线。输入/输出电平可与外部装置直接连接。结构易于扩展。,1969年第一台PLC在美国的数字设备公司(DEC)制成，并成功地应用到美国通用汽车公式(GM)的生产线上，它具有继电器控制系统的外部特性，又有计算机的可编程性、通用性和灵活性，开创了PLC的新纪元。20世纪70年代中期，美、日、德等国引进，引入了微处理器技术，形成了集自动化
3、技术、计算机技术、通信技术等为一体的新型自动控制装置，得到了迅速而广泛的应用。,什么是PLC?,PLC 是一种专门用于工业控制的计算机。,早期的PLC是用来替代继电器、接触器控制的。它主要 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),随着电子技术、计算机技术的迅速发展，可编程控制器的功能已远远超出了顺序控制的范围。被称为可编程控制器（Programmable controller，略写PC)。为区别于Personal Computer(PC)，故沿用PLC 这个略写。,PLC的定义,可编程序控制器是一
4、种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计；它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令；并通过数字式或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。,1、顺序逻辑控制2、闭环过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量IO模块，实现模拟量和数字量之间的AD转换利DA转换，并对模拟量实行闭环PID（比例-积分-微分)控制。,第二节 PLC的用途与特点,一、PLC的用途,3、数据处理 现代的PLC具
5、有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能，可以采集、分析和处理数据。4、通讯 为适应近几年兴起的工厂白动化(FA)系统发展的需要，许多厂家开发了PLC之间、PLC与上级计算机之间的通讯功能，从而实现了“集中管理，分散控制”的分布式控制。,二、PLC的特点,1、可靠性高，抗干扰能力强2、适应性强，应用灵活3、编程方便，易于使用4、功能强，扩展能力强5、设计安装调试方便6、维修方便，维修工作量少7、体积小，重量轻，易于实现机电一体化,二、PLC的分类,1、I/O点数容量分类,2、按结构形式分,（1）整体式：小型机（2）模块式：中、大型机,PLC的发展趋势,PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积
6、、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。,1、产品规模向大、小两个方向发展,大型PLC采用微处理器系统，可同时进行多任务操作，处理速度提高，特别是增强了过过程控制和数据处理功能。存储容量也大大增加。小型PLC的整个结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，操作使用十分简便。PLC功能不断增加，将原来大、中型PLC才有的功能移植到小型PLC上，但价格却不断下降，真正成为继电器控制系统的替代产品。,2、编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化,3、发展多样化,4、模块化,5、网络与通讯能力增强,编程工具有简易型和智能型，也可以采用微机辅助编程。编程语言有梯形图（LAD）、指令表（S
7、TL）和顺序功能流程图（SFC）。,PLC的扩展模块发展迅速，明确化、专用化的复杂功能由专门模块来完成，主机仅仅通过通讯设备向各模块发布命令和测试状态，这使得PLC的系统功能进一步增强，控制系统设计进一步简化。,6、工业软件发展迅速,第三节 PLC的硬件组成,PLC主要内中央处理器(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入输出单元（I/O）、电源和编程器等几部分组成。,一、PLC的组成,CPM2A,C200HE,OMRON 公司的组合式 PLC,CVM1,底版,OMRON 公司的组合式 PLC,整体式 PLC的基本组成框图,组合式 PLC的基本组成框图,1、中央处理器（CPU）,(1)按照系统
8、程序赋予的功能接收并存储由编程器键入的用户程序和数据，诊断电源及PLC内部电路的工作状态和编程中出现的语法错误。(2)用扫描方式工作。监视并接收现场输入信号，从存储器中逐渐读取并执行用户程序，完成用户程序所规定的逻辑或算术等操作，根据运算结果控制输出。小型机用8位微处理器，中型机用16位，大型机用高速位片机,系统程序存储器 存储系统系统程序,用户程序存储器 存储系统用户程序,工作数据存储器 存储工作数据,2.存储器,PLC与外部设备联系的桥梁,开关量输入单元,开关量输出单元,3.输入/输出单元,把现场各种开关信号变成PLC内部处理的标准信号。,它的作用是把PLC的内部信号转换成现场执行机构的各
9、种开关信号。,直流输入电路,光电耦合,外部开关,输入点的状态显示,输入点,公共端,交流输入电路,光电耦合,输入点的状态显示,外部开关,输入点,晶体管输出电路,光电耦合,输出点的状态显示,公共端,输出点,晶闸管输出电路,光电耦合,输出点的状态显示,公共端,输出点,继电器输出电路,输出点的状态显示,继电器,机械触点,公共端,输出点,4电源单元,电源单元是将交流电压信号转换成微处理器、存储器及输入、输出部件正常工作所需要的直流电源。供电电源的电压等级常见的有：AC：100V、200VDC：100V、48V、24V等。,5编程器,常用的编程器有：简易型编程器、智能型CRT编程器、微机,PLC的等效工作
10、电路可分为3部分，即输入部分、内部控制电路和输出部分。输入部分就是采集输入信号，输出部分就是系统的执行部件，这两部分与继电器控制电路相同。内部控制电路是通过编程方法实现的控制逻辑，用软件编程代替继电器电路的功能。,二、PLC系统的等效电路,输入部分由外部输入电路、PLC输入接线端子和输入继电器组成。外部输入信号经PLC输入端子去驱动输入继电器的线圈，每个输入端子与其相同编号的输入继电器有着惟一确定的对应关系。,1输入部分,2内部控制电路,由用户程序形成的用“软继电器”来代管继电器的控制逻辑。它的作用是按照用户程序规定的逻辑关系，对输入信号和输出信号的状态进行检测、判断、运算和处理，然后得到相应
11、的输出。,3输出部分,输出部分是由在PLC内部且与内部控制电路隔离的输出继电器的外部动合触点、输出接线端子和外部驱动电路组成，用来驱动外部负载。,三、PLC与继电器接触器控制系统的区别,继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串联或并联，及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高。另外，继电器触点数目有限，每只只有48对触点，因此灵活性和扩展性很差。PLC采出存储逻辑，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”。其接线少，体积小，因此灵活性和扩展性都很好。,1控制逻辑,2工作方式,电源接通时，继电器控制线路中
12、各继电器同时都处于受控状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都应受到某种条件限制不能吸合，它属于并联工作方式。PLC的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描中，属于串联工作方式。,3可靠性和可维护性,继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差；PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。,4控制速度,继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点的开闭动作一般在几十ms数量级。另外，机械触点还会出现抖动问题；PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，属于无触
13、点控制，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在s数量级，不会出现抖动。,5定时控制,继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制。一般来说，时间继电器定时精确度不高，定时范围窄等问题。PLC使用半导体集成电路做定时器，精度相当高，定时范围一般从0.001s到若干天或更长。,PLC的工作原理,当PLC启动后，先进行初始化操作，包括对工作内存的初始化、复位所有的定时器、将输入/输出继电器清零，检查I/O单元连接是否完好，如有异常则发出报警信号。初始化后，PLC就进入周期扫描过程。,1公共处理扫描阶段,公共处理包括PLC自检、执行来自外设命令、对警戒时钟又称监视定时器或看门狗定时器WDT(Watch D
14、og Timer)消零等。,PLC的工作过程,2输入采样扫描阶段,PLC按顺序逐个采集所有输入端子上的信号，不论输入端子上是否接线，CPU顺序读取全部输入端，将所有采集到的一批输入信号写入到输入映象寄存器中。,3执行用户程序扫描阶段,在执行用户程序阶段，CPU对用户程序按顺序进行打描，如果程序用梯形图表示，则总是按先上后下，从左到右的顺序进行扫描。每扫描到一条指令，所需要的输入信息的状态均从输入映像奇存器中去读取，对其他信息，则是从PLC的元件映象寄存器中读取。,4输出刷新扫描阶段,当CPU对全部用户程序扫描结束后，将元件映象寄存器中各输出继电器的状态同时送到输出锁存器中，再由输出锁存器经输出
15、端子去驱动各输出继电器所带的负载。,在输出刷新阶段结束后，CPU进入下一个扫描周期。,读,读,读,写,写,执行用户程序,2.PLC执行用户程序的过程,(1)输入映像寄存器中的数据，是在输入采样阶段扫描到的输入信号的状态集中写进去的，在本扫描周期内，它不随外部输入信号的变化而变化。(2)输出映像寄存器的状态，是由用户程序中输出指令的执行结果来决定。(3)锁存器中的数据是在输山刷新阶段，从输出映像寄存器中集中写进去的。(4)输出端子的输出状态，是由输出锁存器中的数据确定的。(5)执行用户程序时所需的输入、输出状态，是从输入映像寄存器和输出映像寄存器中读出的。,PLC为用户提供了完整的编程语言，以适
16、应编制用户程序的需要。PLC提供的编程语言通常有以下几种：梯形图、指令表、顺序功能流程图和功能块图。下面以S7-200系列PLC为例加以说明。一.梯形图(LAD)梯形图(LAD)编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。PLC的梯形图与继电器控制系统的梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。,第四节 PLC的编程语言,1.梯形图编程语言,两种梯形图的继电器符号图对照,物理继电器 PLC继电器,常开常闭,触 点,线 圈,梯形图编程语言是一种图形语言,（）,2.两种控制的梯形图比较,线圈,线圈,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
17、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。,继电器控制接线,PLC控制外部接线,输出设备,欲改变控制功能：,例如,二、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 I0.0O Q0.0 AN I0.1=Q0.0,梯形图程序 语句表程序,3.PLC控制的原理,等效电路图,SB1,公共端,公共端,输出端子,输入端子,主电路,线圈通电,SB1闭合,I0.0闭合,接点闭合,触点闭合,电动机转,触点闭合,线圈断电,I0.1 断开,接点断开,触点断开,电动停转,触点断开,SB2闭合,
