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1、课程名称:可编程控制器及应用课程性质:选修学时:36，包括实验6学时（3次实验）参考书目：可编程控制器原理及应用李希胜，孙昌国，舒雄鹰编S7-300/400PLC应用技术廖常初主编 S7-300PLC 和MM440变频器的原理与应用 马宁、孔红著深入浅出西门子S7-300西门子自动化与驱动集团编等,课程考核方式：理论：考察可编程控制器的基本概念，占50%实验：考察实际的动手能力，对于给出的基本功能能否设计出一个较完整的控制系统。占50%。平时实验课要认真做，实验考试均是曾经做过的类似的实验。答疑时间：周二下午2：00-3：00 地点：信息楼1021联系方式：手机13693631281 emai
2、l:QQ：877055941,第1章 可编程序控制器概述,1.1 可编程序控制器产生与发展 1.2 可编程序控制器的特点与分类1.3 网络型PLC与DCS的关系1.4 可编程控制器的基本组成1.5 梯形图1.6 可编程控制器的工作原理1.7 可编程控制器的性能指标1.8 可编程控制器的发展趋势,1.1 可编程序控制器产生与发展 1.接线程序控制系统 按钮、开关、时间继电器、压力继电器、温度继电器、过流过压继电器 接触器、继电器、电磁阀 压力传感器、温度传感器、湿度传感器 伺服电机、电动阀、距离、速度等控制信号。,1.接线程序控制系统,以往的电气控制装置主要采用继电器、接触器或电子元件来实现，由
3、连接导线将这些器件按照一定的工作程序组合在一起，以完成一定的控制功能，这种控制叫做接线程序控制。接线程序控制的电气装置体积大，生产周期长，接线复杂，故障率高，可靠性差。控制功能略加变动，就需重新组合、改变接线。,继电器控制系统,先进自动控制系统,2.可编程序控制器产生编程简单方便，可在现场修改程序；硬件维护方便，最好是插件式结构；可靠性要明显高于继电器控制系统；体积要明显小于继电器控制柜；价格便宜，其性能价格比要高于继电器控制系统；,输入可以是AC 115 V；输出为AC 115 V，2 A以上，能直接驱动电磁阀；具有数据通信功能；扩展时，原有系统只需做很小改动；用户程序存储器容量至少可以扩展
4、到4 KB。,对先进自动控制装置提出设想：,工业控制单板机（计算机）继电器控制系统 先进控制装置,美国数字设备公司（DEC）1969年研制成功了第一台可编程序控制器PDP14，由于当时主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）。,3.存贮程序控制系统例如，有两个开关K1、K2。控制要求，只有两个开关都接通时小灯D1才亮。当D1亮秒钟后小灯D2开始亮。当开关K3切断时两个小灯就同时熄灭。1)接线程序控制2）存贮程序控制（PLC控制）,进入80年代，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，也使得可编程序控制器
5、逐步形成了具有特色的多种系列产品。系统中不仅使用了大量的开关量，也使用了模拟量，其功能已经远远超出逻辑控制、顺序控制的应用范围。故称为可编程序控制器（Programmable Controller，简称PC）。但由于PC容易和个人计算机（Personal Computer）混淆，所以人们还沿用PLC作为可编程控制器的英文缩写名字。,4.可编程序控制器发展简史,4.可编程序控制器发展简史,4.可编程序控制器发展简史,4.可编程序控制器发展简史,2 可编程序控制器的特点与分类国际电工委员会（IEC）对可编程控制器的定义：可编程序控制器是一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
6、可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备、都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”,1.可编程序控制器的特点,归纳起来，可编程序控制器主要具有以下特点。可靠性高 例如三菱和可编程序控制器平均无故障时间可以达到30万小时（约34年）。环境适应性强 在环境温度-2065、相对湿度为3585情况下可正常工作。灵活通用 使用方便、维护简单 整个连接过程仅需要一把螺丝刀即可完成。,2.可编程序控制器的分类(1)按控制规模分类 可编程序控制
7、器可以分为大型机、中型机和小型机。小型机:小型机的控制点一般在256点之内,适合于单机控制或小型系统的控制。日本OMRON公司CQM1 德国SIEMENS S7-200,中型机:中型机的控制点一般不大于2048点,可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控，它适合中型或大型控制系统的控制。日本OMRON公司 C200HG 数字量1184点德国SIEMENS S7-300 数字量1024点，模拟量128路 网络:PROFIBUS/工业以太网/MPI,大型机大型机的控制点一般大于2048点,不仅能完成较复杂的算术运算还能进行复杂的矩阵运算。它不仅可用于对设备进行直接控制，
8、还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控。德国SIEMENS S7-400 存贮器512k I/O点12672,（2）按控制性能分类 低档机工作速度比较低，能带的输入和输出模块的数量比较少。中档机具有较强的控制功能和较强的运算能力。工作速度比较快，能带的输入输出模块的数量也比较多，输入和输出模块的种类也比较多。高档机 具有强大的控制功能和强大的运算能力。工作速度很快，能带的输入输出模块的数量很多，输入和输出模块的种类也很全面。在联网中一般做主站使用。,（3）按结构去划分 整体式 整体式结构的可编程序控制器把电源、CPU、存储器、I/O系统都集成在一个单元内，该单元叫做作基本单元。一个基本单元
9、就是一台完整的PLC。控制点数不符合需要时，可再接扩展单元。整体式结构的特点是非常紧凑、体积小、成本低、安装方便。,组合式 组合式结构的可编程序控制器是把PLC系统的各个组成部分按功能分成若干个模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等等。其中各模块功能比较单一，模块的种类却日趋丰富。比如，一些可编程序控制器，,分布式 特点是CPU自成独立的基本单元（由CPU和一定的I/O点组成），其它I/O模块为扩展单元。在安装时不用基板，仅用电缆进行单元间的联接，各个单元可以一个个地叠装。使系统达到配置灵活、体积小巧。,例：SIEMENS S7系列PLC分类小型机:中型机:大型机,1.3 网络型P
10、LC与DCS的关系,DCS（DistributedContorlSystem）,集散控制系统，又称分布式控制系统。PLC（ProgramLogicControl）,可编程逻辑控制器。FCS（FieldBusContorlSystem），现场总线控制系统,1.3 网络型PLC与DCS的关系,DCS从传统的仪表盘监控系统发展而来，强调的是在运算放大器的基础上用计算机代替原来的模拟运算能力。PLC从传统的继电器回路发展而来，强调的是逻辑运算能力 二者相互渗透、取长补短，功能上日趋接近，使数字世界、模拟世界更加模糊决定DCS与PLC应用面大小的是其性能/价格比,1.4 可编程序控制器的组成,1.4 可
11、编程序控制器的组成,中央处理单元（CPU）存贮器单元电源单元输入输出单元功能模块：温度检测模块、位置检测模块、位置控制模块、PID控制模块等。接口单元：扩展接口、编程器接口、存贮器接口和通讯接口外部设备：编程器、文本显示器、操作面板、打印机,1、存贮器单元存贮器单元:系统程序存储器和用户程序存储器 用户程序存储器可分为三部分：用户程序区、数据区、系统区所谓PLC的内存大小，一般是指用户程序存储器的容量 当用户程序很长或需存储的数据较多时，可考虑进行存储器扩展。,PLC的内部电源系统一般有三类：第一类是供PLC中的TTL芯片和集成运算放大器使用的基本电源(如+5 V和15 V DC电源)；第二类
12、电源是供输出接口使用的高压大电流的功率电源；第三类电源是锂电池及其充电电源。,2、电源单元,3、输入输出接口电路,输入输出接口电路实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。输入输出接口电路要有良好的电隔离和滤波作用。,1)输入接口电路,输入接口电路提高抗干扰能力的方法主要有：（1）利用光电耦合器提高抗干扰能力。（2）利用滤波电路提高抗干扰能力。,2)输出接口电路,(1)小型继电器输出形式(2)大功率晶体管或场效应管输出形式(3)双向晶闸管输出形式作用:转换电平,隔离,抗干扰和滤波,（1）数字量输入/输出模块,交流输入模块,直流输出模块 直流输出模块的输出电路,交流输出模块 交流输出
13、模块的输出电路,继电器输出模块 继电器输出模块的输出电路,(2)模拟量输入/输出模块模拟量输入模块：模拟量输入模块又叫A/D模块。A/D模块把模拟信号转换成数字信号。转换速度和分辨率是A/D模块的重要指标。,(2)模拟量输入/输出模块模拟量输出模块：模拟量输出模块又叫D/A模块。D/A模块把数字信号转换成模拟信号。数字量的位数和转换速度是D/A模块的重要指标。,4、功能模块高速计数器模块：高速计数器可以对CPU 扫描速度无法控制的高速 事件进行计数，可设置多种不同操作模式。（单向计数器，双向计数器，正交计数器 等多种工作模式。）CT001-V1高速计数器有六种工作模式。线性计数方式，循环计数方
14、式，予置方式，门式，锁式，采样方。输入的控制和8路输出通过I/O接口连接。门式:控制门IN1=ON时计数。锁式：控制门IN1脉冲到计数，控制门IN2脉冲到锁定当前计数值。采样方式：控制门IN1脉冲到计数，采样时间到停止计数。,PID模块：PID控制器管理输出数值，以便将偏差(e)为零，使系统达到稳定状态。PID01可以有两路输入（电压电流均可），可以通过程序也可以通过参数设定器设定参数。两路输出量通过输出口输出。,扩展接口模块 扩展接口模块的作用是扩大可编程序控制器规模 的接口。一般来说扩展接口模块可以分为两种，一种 是近程扩展接口，一种是远程扩展接口。近程扩展接 口是为了扩大可编程序控制器的
15、控制规模，远程扩展 接口是为了增大可编程序控制器的控制距离。通讯接口模块 通讯接口模块是微机和可编程序控器之间、可编 程序控制器和可编程序控制器之间的通讯接口。,5、编程器,编程器是PLC的重要外围设备。利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态。常见的给PLC编程的装置有手持式编程器和计算机编程方式。,1.5 梯形图,1）常见的PLC的梯形图符号,2）梯形图与继电器的区别,继接控制：并行工作方式,PLC控制：循环扫描的串行方式,1.6可编程控制器的工作原理,1可编程序控制器的工作过程,PLC最主要的方式是周期扫描方式。,PLC的工作过程,上
16、电处理过程 PLC上电后，要进行上电的初始化处理。占用的时间为T0。共同处理过程 共同处理的主要任务是复位监视计时器、检查I/O总线、检查扫描周期、检查程序存储器。该过程占用的时间为T1。通讯服务过程 当PLC和微机构成通讯网络或由PLC构成网络时，需要有通讯服务过程。该过程占用的时间为T2。外设服务过程 当PLC接有外部设备如编程器、打印机等，则需要进行外设服务过程。该过程占用的时间为T3。,程序执行过程 该过程用于执行用户程序。从输入映像区读入输入信息，根据用户程序进行运算操作，并向输出映像区送出控制信息。该过程占用的时间为T4。显然T4和PLC的速度、用户程序长短及指令种类有关。I/O刷
17、新过程 这个过程可分为输入信号刷新和输出信号刷新。输入信号刷新为输入处理过程，输出信号刷新为输出处理过程。该过程占用时间为T5。显然T5和可编程序控制器所带的输入输出模块的种类和点数多少有关。可编程序控制器的扫描周期T和上述各个过程的关系录为：T=T1+T2+T3+T4+T5,PLC的扫描过程,2、PLC对输入/输出的处理规则,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，在本扫描周期中，它不随外部输入信号的变化而变化。输出映像寄存器(它包含在元件映像寄存器中)的状态，是由用户程序中输出指令的执行结果来决定。输出锁存器中的数据是在输出刷新阶段，从输出映像寄存器中集
18、中写进去的。输出端子的输出状态，是由输出锁存器中的数据确定的。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。,3 PLC的扫描周期及滞后响应,响应时间或滞后时间：从PLC的输入端有一个输入信号发生变化到PLC的输出端对该输入变化做出反应，需要一段时间，这段时间称为响应时间或滞后时间。,响应时间的快慢与以下因素有关：,(1)输入滤波器的时间常数(输入延迟)(2)输出继电器的机械滞后(输出延迟)(3)PLC的循环扫描工作方式(4)PLC对输入采样、输出刷新的集中批处理方式(5)用户程序中语句顺序安排不当,最短响应时间=输入延迟时间+1个扫描周期+输出延迟时间。,最
19、长响应时间=输入延迟时间+两个扫描周期+输出延迟时间,为了确保PLC在任何情况下都能正常无误地工作，一般情况下，输入信号的脉冲宽度必须大于一个扫描周期T。还应该注意一个问题是输出信号的状态是在输出刷新时才送出的。因此，在一个程序中若给一个输出端多次赋值时，中间状态只改变输出映像区。只有最后一次赋的值才能送到输出端。,4、PLC的中断处理过程响应问题：一般微机系统的CPU，在每一条指令执行结束时都要查询有无中断申请。而PLC对中断的响应则是在相关的程序块结束后查询有无中断申请，或者在执行用户程序时查询有无中断申请，如有中断申请，则转入执行中断服务程序。如果用户程序以块式结构组成，则在每块结束或执
20、行块调用时处理中断。,中断源先后顺序及中断嵌套问题：在PLC中，中断源的信息是通过输入点而进入系统的，PLC扫描输入点是按输入点编号的先后顺序进行的，因此中断源的先后顺序只要按输入点编号的顺序排列即可。多中断源可以有优先顺序，但无嵌套关系。,PLC的中断处理过程中断服务程序执行结果的信息输出问题：PLC按巡回扫描方式工作，正常的输入/输出在扫描周期的一定阶段进行，这给外设希望及时响应带来了困难。采用中断输入可解决对输入信号的高速响应问题。当中断申请被响应且中断子程序被执行后，有关信息应当尽早送到相关外设，而不希望等到扫描周期的输出传送阶段，就是说对部分信息的输入或输出要与系统CPU的扫描周期脱
21、离。,1.输入/输出点数,可编程控制器的I/O点数指外部输入、输出端子数量的总和。它是描述的PLC大小的一个重要的参数。,17可编程控制器的性能指标,2.存储容量,PLC的存储器由系统程序存储器，用户程序存储器和数据存储器三部分组成。PLC存储容量通常指用户程序存储器和数据存储器容量之和，表征系统提供给用户的可用资源，是系统性能的一项重要技术指标。,3.扫描速度,可编程控制器采用循环扫描方式工作，完成1次扫描所需的时间叫做扫描周期。影响扫描速度的主要因素有用户程序的长度和PLC产品的类型。PLC中CPU的类型、机器字长等直接影响PLC运算精度和运行速度。,4.指令系统,指令系统是指PLC所有指
22、令的总和。可编程控制器的编程指令越多，软件功能就越强，但掌握应用也相对较复杂。用户应根据实际控制要求选择合适指令功能的可编程控制器。,5.通信功能,通信有PLC之间的通信和PLC与其他设备之间的通信。通信主要涉及通信模块，通信接口，通信协议和通信指令等内容。PLC的组网和通信能力也已成为PLC产品水平的重要衡量指标之一。,1.8 可编程控制器的发展趋势,1.人机界面更加友好 2.网络通讯能力大大加强3.开放性和互操作性大大发展 1）IEC形成了现场总线标准 2）IEC制订了基于Windows的编程语言标准IEC61131-3，它规定了指令表（IL）、梯形图（LD）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）、结构化文本（ST）五种编程语言。3）OPC基金会推出了OPC（OLE for Process Control）标准，这进一步增强了软硬件的互操作性，通过OPC一致性测试的产品，可以实现方便的和无缝隙数据交换。,1.8 可编程控制器的发展趋势,4.PLC的功能进一步增强，应用范围越来越广泛。使原来PLC（顺序控制）DCS（过程控制）的模式变成PLCIPC模式。5.工业以太网的发展对PLC有重要影响。6.小型机功能强化，中、大型机高速度、高功能、大容量,
