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1、授课计划,一、PLC概述（2 学时）二、西门子S-300/400硬件体系架构（4 学时）三、现代PLC STEP 7的编程与组态（4 学时）四、现代PLC控制工业以太网通讯技术（2 学时）五、现代PLC控制技术综合应用设计及典型举例（8学时）六、现代PLC控制系统设计步骤与抗干扰（2学时）七、现代PLC控制器特殊模块在工业中的应用（4学时）八、现代PLC控制技术与人机界面的应用（2学时）九、现代PLC控制技术与组态软件应用（2学时）十、现代PLC控制技术课程设计与实践（4学时）十一、期末考试（2学时）,研究生学习参考用书及网站,PLC之家 http:/；中国自动化网：http:/www.CA
2、三菱电机自动化：http:/；西门子：http:/或http:/编著：出 版 社：北京航天航空大学出版社出版时间：2008年02月2.PLC电气控制与组态设计作 者:周美兰,周封,王岳宇 出 版 社:科学出版 3.组态软件控制技术(附光盘21世纪高职高专规划教材)/4.作者:张文明，刘志军主编清华大学出版社5电气控制与PLC 应用（第3版）许缪王淑英等主编，机械工业出版社.考核方式：6.现代电气控制及PLC应用技术 出版社:北京航空航天大学出版社 王永华7.电气控制与PLC原理及应用(欧姆龙机型)(第2版)出版社:电子工业出版社 著者：程周主编8.常用PLC应用手册9.可编程控制器及应用 马小
3、军主编 东南大学出版10、西门子S7-300/400控制系统设计与应用 陈章平等主编 清华大学出版社11、西门子S7-300_PLC应用技术，秦益霖主编，电子工业出版社12、西门子人机界面（触摸屏）组态与应用技术、廖常初主编 机械工业出版社,一、可编程序控制器的产生、定义及发展,Programmable Controller,PLC是现代工业自动控制领域中重要技术主柱,通信技术,控制技术,计算机技术,现代PLC控制及应用概述,微电子技术,工业控制计算机,+Computer,+,1.1、PLC的产生,68年 美国GM,RC,69 DEC首研成功,PLC,1.2、PLC定义(IEC 1987.2)
4、,工业环境下控制器微机控制系统（有存储器、CPU等微机主要部件，进行逻辑运算和算术运算）数字式和模拟式输入输出,工业控制计算机,1.3 PLC应用系统实例,开关量逻辑控制闭环过程控制运动控制数据处理通信联网,1.3 PLC的应用,通信接口,可编程序控制器现代工业自动化支柱之一,可编程序控制器现代工业自动化支柱之一,综合自动化系统组成,工业控制DCS系统,DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在国内自控行业又称之为集散控制系统。即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式
5、控制系统的基础上发展、演变而来的。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。,PLC控制器系统,PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：a、电源 b.中央处理单元(CPU)c、存储器 d、输入输出接口电路 e、功能模块 f、通信模块,FCS-场总线控制系统,即现场总线控制系统，它是用现场总线这一开放的、具有互操作性的网络将现场各个控制器和仪表及仪表设备互联，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安
6、装成本和维修费用。因此，FCS实质上是一种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，有望成为21世纪控制系统的主流产品。FCS的关键要点有三点：1、FCS系统的核心是总线协议，即总线标准 2、FCS系统的基础是数字智能现场装置 3、FCS系统的本质是信息处理现场化,1.4 PLC、继电器、单片机系统比较,单片机：硬件需人工设计、焊接，需较强的电子技术技能，抗干扰能力差，程序控制方式，无触点，维护、使用需较强的专业知识，程序设计较难，系统更新换代周期长。,继电器：由开关、继电器、接触器等组成，靠硬接线实现逻辑运算，有触点，并行方式，易出现故障，排除难，不易系统更新换代。,PLC：CPU、
7、存储器等微机系统，软件程序控制方式，无触点，串行方式，成品组装，可靠性极强，安装、使用、维护、维修方便，易系统更新换代。,1.5 PLC与工业控制计算机相比 PLC继承了继电器系统的基本格式和习惯，对于有继电器系统方面知识和经验的人来说，尤其是现场的技术人员，学习起来十分方便。PLC一般是由电气控制器的制造厂家研制生产，各厂家的产品不通用。工业控制机是由通用计算机推广应用发展起来的，一般由微机厂、芯片及板卡制造厂开发生产。它在硬件结构方面的突出优点是总线标准化程度高，产品兼容性强。PLC的运行方式与工业控制机不同，微机的许多软件不能直接使用。工业控制机可使用通用微机的各种编程语言，对要求快速、
8、实时性强、模型复杂的工业对象的控制占有优势。但它要求使用者具有一定的计算机专业知识。,PLC和工业控制机都是专为工业现场应用环境而设计的。都具有很高的可靠性。PLC一般具有模块结构，可以针对不同的对象进行组合和扩展。PLC与单片机比较：硬件需人工设计、焊接，需较强的电子技术技能，抗干扰能力差，程序控制方式，无触点，维护、使用需较强的专业知识，程序设计较难，系统更新换代周期长。,1.6 可编程控制器的基本结构PLC的系统结构,1.7 PLC的输入输出接口电路（1）输入接口电路：采用光电耦合电路，将限位开关、手动开关、编码器等现场输入设备的控制信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。,PLC的输
9、入接口电路（直流输入型）,（2）输出接口电路：采用光电耦合电路，将CPU处理过的信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀等外部设备的通断电。有三种类型：,继电器输出型,继电器输出型：为有触点输出方式，用于接通或断开开关频率较低的直流负载或交流负载回路。,（b）晶闸管输出型,（c）晶体管输出型（NPN集电极开路）,（d）晶体管输出型（PNP集电极开路）,晶体管输出型：为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的直流电源负载。,晶闸管输出型：为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的交流电源负载。,（3）输入输出I0扩展接口 若主机单元的IO点数不能满足需要时，可通过此接口用扁
10、平电缆线将IO扩展单元与主机相连，以增加IO点数。PLC的最大扩展能力主要受CPU寻址能力和主机驱动能力的限制。,2.0 可编程控制器的原理及 技术性能PLC的基本工作原理 微机：等待命令的工作方式 PLC：循环扫描的工作方式 CPU从第一条指令开始按指令步序号作周期性的循环扫描，如果无跳转指令,则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。,一个扫描周期主要分为三个阶段：输入刷新阶段 程序执行阶段 输出刷新阶段,输入刷新,程序执行,输出刷新,一个扫描周期,PLC的扫描工作过程,PLC的基本工作原理 由于输入刷新阶段是紧
11、接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为IO刷新阶段。实际上，除了执行程序和IO刷新外，PLC还要进行各种错误检测(自诊断功能)并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”。扫描周期的长短主要取决于程序的长短。由于每一个扫描周期只进行一次I0刷新，故使系统存在输入、输出滞后现象。这对于一般的开关量控制系统不但不会造成影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。但对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后。,2.1 PLC的主要技术指标输入输出点数（I/O点数）内存容量 注意：“内存容量”实际是指用户程序容量，不
12、包括系统程序存储器的容量。扫描速度(单位：msk或s/步。)指令条数 内部继电器和寄存器数目 编程语言及编程手段 高级模块 主控模块可实现基本控制功能，高级模块可实现一些特殊的专门功能。如AD和DA转换模块等。,2.2 PLC的内存分配及IO点数I0继电器区：I0区的寄存器可直接与PLC外部的输入、输出端子传递信息，具有“继电器”的功能，有自己的“线圈”和“触点”。故常称为“I0继电器区”。内部通用继电器区：只能在PLC内部使用，其作用与中间继电器相似，在程序控制中可存放中间变量。数据寄存器区：只能按字使用，不能按位使用。一般只用来存放各种数据。特殊继电器、寄存器区：被系统内部占用，专门用于某
13、些特殊目的，一般不能由用户任意占用。系统寄存器区：用来存放各种重要信息和参数。通过用户程序，不能读取和修改系统寄存器的内容。,3 可编程控制器的编程语言 IEC-61131-3,梯形图（LD）指令语句表（IL）功能图（FBD）结构文本（ST）流程图（SFC）,4.PLC 工作原理,小结,5.其他常用PLC简介,8.1 西门子(SIEMENS)公司的PLC8.2 A-B(Allen-Bradley)公司的PLC8.3 三菱(MITSUBISHI)电机的PLC8.4 施耐德(SCHNEIDER)自动化公司的PLC8.5 GE-Fanuc公司的PLC8.6 松下(NATIONAL)电工的FP系列,8
14、.1 西门子(SIEMENS)公司的PLC,8.1.1 SIMATIC S5/505系列,SIMATIC S5是西门子公司较早推出的一种系列的可编程序控制器。它包括小型机S5-90U/95U/100U、中型机S5-115U及大型机S5-135U/155U/505，适合各种应用场合，在市场上占有一定的份额。表8.1.1列出了S5系列PLC的主要性能。,表8.1.1 S5系列PLC的主要性能,8.1.2 SIMATIC S7系列 SIMATIC S7系列PLC是西门子公司1996年推出的新产品，也是目前应用最多的PLC机型。其中，S7-200是微型PLC，S7-300/300C、M7-300和C7
15、-620属于中小型PLC，S7-400和M7-400则是大型PLC。从某种意义上来说，S7代表了西门子公司自动化产品的未来发展，即S7系列PLC将逐渐取代S5系列PLC。S7系列PLC的主要性能如表8.1.2所示。,表8.1.2 S7系列PLC的主要性能,S7系列具有的最大特点是：结构采用基板和背板总线方式，基板上有一个串行通信总线和一个并行I/O总线，PLC分解为模块，可按积木式结构自由配置系统，不同功能模块可灵活组合、扩展十分方便；PLC的核心-中央处理器可升级为INTEL80486乃至Pentium处理器；在编程手段上是开放的，可用WINDOWS平台下的STEP 7编制PLC程序，或作为
16、网络节点运行联网软件。,图8.1.1 S7-400系统配置,一个S7-400系统主要包括：电源模块PS，有交直流两种规格；中央处理器(CPU)模块，如表8.1.2中所列的各种CPU，不同的CPU有不同的组网功能，因为有些CPU带有内置的PROFIBUS-DP接口；信号模块SM，提供数字量输入/输出(DI/DO)信号及模拟量输入/输出(AI/AO)信号；通信处理模块CP，用于总线联网和点对点通信；功能模块FM，可用来完成如计数、定位等控制任务；接口模块IM，用于连接中央控制单元和扩展单元，沿袭了S5系列的扩展原则，可进行集中式扩展和分散式扩展，总扩展单元不超过21个。,8.1.3 基本编程指令,
17、8.1.3 常用命令语句对照表,8.1.4 过程控制系统简介 西门子Moore Process Automation 过程自动化公司在过程控制系统有性能卓越的SIMATIC PLCS7、APACS+和Procidia系统三种产品。过程控制系统(Process Control System)的概念由西门子公司提供。SIMATIC PLCS7过程控制系统是西门子公司开发的具有PLC功能的新型集散控制系统(DCS)，它是一个结构完整、功能完善、面向整个生产过程的全集成的过程控制系统。SIMATIC PLCS7系统是结合了最先进的计算机软、硬件技术，在SIMATIC-S5/S7系列PLC及TELEPE
18、RM系列集散系统的基础上开发出来的，面向所有过程控制应用场合的先进的过程控制系统。它的主要特点体现在以下几个方面：,SIMATIC PLCS7采用优秀的上位机软件WinCC作为操作和监控的人机界面，采用客户/服务器的结构，利用开放的现场总线PROFIBUS和工业以太网实现现场信息的采集和网络通信，采用S7等高速度、大容量的控制器完成现场控制单元的过程控制，以灵活多样的分布式I/O接收现场传感器的检测信号。SIMATIC PLCS7是基于全集成自动化思想上的系统，其集成的核心是统一的过程数据库和惟一的数据库管理软件，即所有的系统信息都存储于一个数据库中而且只需输入一次，这样就大大增强了系统的整体
19、性和信息的准确性。,SIMATIC PLCS7的通信系统采用开放的总线结构，可以同管理级进行通信，并具有高度的可靠性和稳定性。SIMATIC PLCS7采用符合IEC61131-3国际标准的编程软件和现场设备库，提供连续控制、顺序控制及高级编程语言。现场设备库提供大量的常用的现场设备信息及功能块，集中的、从上到下的组态方式使用户可根据自己的需要利用SIMATIC APT应用开发工具，自动生成组态程序，大大降低开发周期和工程费用，简化组态工作，缩短工程周期。SIMATIC PLCS7具有ODBC、OLE等标准接口，因而具有很强的开放性，可以很容易地连接上位机信息管理系统和其他厂商的控制系统。,8
20、.1.5 西门子公司的PLC网络简介,图8.1.2 西门子公司PLC网络配置,表8.1.4 西门子公司PLC网络系统的性能规格,8.2 A-B(Allen-Bradley)公司的PLC,8.2.1 微型PLC的性能指标,表8.2.1 微型PLC的性能指标,8.2.2 小型PLC的性能指标,表8.2.2 小型PLC性能指标,8.2.3 PLC-5系列PLC,表8.2.3 PLC-5系列PLC的性能指标,8.2.4 A-B公司的PLC网络简介 A-B公司的PLC以PI(Pyramid Integrator)机型为代表，其结构分为三层(如图8.2.1所示)：最低层称为设备网络层，如远程I/O和本地扩
21、展I/O，PROFIBUS的产品等；中间层称为控制网络层，凡是A-B公司的PLC产品均可通过高速链路DH(Data HighWay)及改进型DH+规约接入网络，实现过程监控；顶层是信息管理网络层，可选用Ethernet或MAP规约的MAP网，采用TCP/IP协议进行计算机互接和数据管理。,图8.2.1 A-B公司的PLC网络系统结构,8.3 三菱(MITSUBISHI)电机的PLC,8.3.1 F1、F2系列PLC简介,表8.3.1 F1、F2系列PLC的性能指标,表8.3.2 F1、F2系列PLC的继电器分配,8.3.2 FX系列,表8.3.3 FX系列PLC的性能指标,8.3.3 MELS
22、EC-A系列,表8.3.4 MELSEC-A系列PLC性能指标,8.3.4 三菱PLC的网络简介,图8.3.1 三菱公司PLC主要网络系统的组成,表8.3.5 三菱公司主要网络的性能指标,8.4 施耐德(SCHNEIDER)自动化公司的PLC,20世纪90年代初德国奔驰集团下的AEG公司全资收购了Modicon公司，现在称为AEG 施耐德自动化公司(AEG Schneider Automation)。该公司拥有三家著名PLC生产厂家，即美国Modicon(莫狄康)公司和Square D公司及法国的TE公司(Telemecanique)。在北美市场上，该公司所占份额居第二位，也是进入中国最早的国
23、外商家之一。Modicon公司的PLC主要有：Modicon TSX Nano和Micro，属于中小型PLC；84系列，包括0085、0185、M84、184、484、884等；984系列，它覆盖了大中小型各档PLC，共18种型号，是Modicon最具代表性的功能最完善的PLC产品。,表8.4.1 Modicon公司的PLC性能指标,图8.4.1 AEG公司PLC 网络系统的配置图,8.5 GE-Fanuc公司的PLC,表8.5.1 GE-Fanuc系列PLC的性能指标,表8.5.2 GE-Fanuc公司的PLC-90系列的性能指标,图8.5.1 GE-Fanuc公司PLC网络系统的组成,8.
24、6 松下(NATIONAL)电工的FP系列PLC,表8.6.1 FP系列PLC性能指标,松下电工的FP系列的主要优点表现为：(1)功能模块都以AFP*开头，后跟数字编号，可实现PID、逻辑控制、模糊控制、生产管理等多种功能，实现复杂控制系统。(2)指令功能强大，有高级指令200多条，某些CPU模块的FP-BASIC编程语言加上了组态汉化软件NPST-GR，使得系统开发更加方便容易。(3)FP系列配置速度快、性能好的RISC的CPU芯片，处理速度明显优于其他PLC产品，如FP5的速度为0.5 ms/千步，FP10S的速度为0.090.15 ms/千步。,(4)除采用周期循环扫描方式外，还有多条指
25、令采用中断方式工作，这为实现多任务调度与管理提供了巨大的方便。(5)所有继电器/寄存器宽度为16位，且输入继电器(用符号X表示)、输出继电器(用符号Y表示)、内部继电器(用符号R表示)、连接继电器(用符号L表示)能按字访问，即按WX，WY，WR，WL访问。(6)多种PLC都配有通信机制，应用层都采用松下专用通信协议MEWTOCOL，具有一致性，因此可以构建多级PLC网络。,图8.6.1 FP系列PLC网络系统的配置,它 所具有的特色表现在：(1)同一子网集成了几种通信方式，由用户根据需要选择。(2)各种PLC网络应用层保持一致，都选用松下电工专用的通信协议MEWTOCOL(包括MEWTOCOL-DATA和MEWTOCOL-COM两部分)，为用户学习和开发软件提供基础。(3)最高层管网采用包含TCP/IP技术的Ethernet-TCP/IP网，代表了工业局域网标准化发展的趋势。,表8.6.2 FP各级PLC网络的主要技术指标,
