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1、可 编 程 序 控 制 器,基础知识,可编程序控制器概述,可编程序控制器的产生 可编程序控制器的定义 可编程序控制器的主要功能 可编程序控制器的特点 PLC与其它工业控制装置的比较 PLC的发展趋势,首页基础知识,可编程序控制器的产生,首页基础知识产生,可编程序控制器的产生一方面是由于传统的机械控制越来越难以满足现代工业生产的要求，严重制约着生产力的发展；另一方面随着电子技术的迅速发展，使计算机控制应用成为可能。二者结合，导致了可编程序控制器的产生。,产生背景：,首页基础知识产生,在上世纪60年代初期，顺序控制器还主要是由继电器组成，由此构成的控制系统都是按预先规定的时间或条件顺序地工作，若要
2、改变控制顺序就必须改变控制器的硬件接线，这不仅阻碍了产品更新换代的周期，而且对于比较复杂的控制来说，不但设计制造困难，其可靠性不高，查找和排除故障也往往是费时和困难的。,产生契机：,1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号的不断翻新，想寻求一种新方法，以便尽可能地减少重新设计和重新接线的工作，从而降低成本、缩短周期。为了用新的控制装置取代继电器控制装置，通用汽车公司在公开招标中提出了十项招标指标。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制成功第一台PLC，应用于美国通用汽车自动装配线上，取得了极大的成功。,首页基础知识产生,十大招标指标：,编程方便，现场可修改程序维
3、修方便，采用模块化结构可靠性高于继电器控制装置体积小于继电器控制装置数据可直接送入管理计算机,成本可与继电器控制装置竞争可直接用115V交流输入输出为115V,2A以上，能直接驱动电磁阀、接触 器等通用性强，要能扩展用户程序存储器容量可扩展到4KB,首页基础知识产生,可编程控制器因早期主要应用于开关量的逻辑控制，故其最初被称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）,简称PLC。现代的可编程控制器已发展到以微处理器为基础高度集成化的工业控制装置，它是计算机技术与工业控制技术相结合的控制设备。,可编程序控制器的定义7,首页基础知识定义,NEMA的定义,为了
4、使这一新型工业控制装置的生产和发展标准化，美国电气制造商协会（National Electrical Manufacturers Association,简称NEMA）于1980年将它正是命名为可编程控制器（Programmable Controller,简称PC）。其定义如下：“PC是一种数字式的电子装置，它使用了可编程序的存储器以存储指令，能完成逻辑、顺序、记时、记数和算术运算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或生产过程。”,首页基础知识定义,IEC的定义,国际电工委员会(IEC)于1985年在其颁布的可编程控制器标准草案第二稿中，给PC作了如下定义：“可编程序控制器
5、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，它采用可编程序的存储器，用于其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器极其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”,首页基础知识定义,PLC主要生产厂家,我国有不少的厂家研制和生产过PLC，但是还没有出现有影响力和较大市场占有率的产品，目前我国使用的PLC几乎都是国外品牌的产品。在全世界上百个PLC制造厂中，有几家举足轻重的公司。它们是美国Rockwell自动化公司所属的A-B（Allen&Bradl
6、y）公司、GE-Fanuc公司，德国的西门子（Siemens）公司和法国的施耐德（Schneider）自动化公司，日本的三菱公司、松下公司和欧姆龙（OMRON）公司。这几家公司控制着全世界80以上的PLC市场，它们的系列产品有其技术广度和深度，从微型PLC到有上万个I/O（输入/输出）点的大型PLC应有尽有。,首页基础知识定义,A-B（Allen&Bradly）公司,GE-Fanuc公司,西门子（Siemens）公司,施耐德（Schneider）自动化公司,日本的三菱公司,欧姆龙（OMRON）公司,松下公司,可编程序控制器的主要功能,随着PLC的不断发展，它与3C技术(Computer,Con
7、trol,Communication)逐渐融为一体。目前已从小规模的单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域，能组成工厂自动化的PLC综合控制系统。PLC的主要功能如下:1.开关量的逻辑控制 2.定时控制3.计数控制4.过程控制5.位置控制6.步序控制7.数据处理8.通讯和联网9.监控功能,首页基础知识功能,可编程序控制器的特点,可靠性高、抗干扰能力强 编程简单易学 设计、安装容易，调试周期短，维护简单 模块品种丰富、通用性好、功能强大 体积小、能耗低,首页基础知识特点,可靠性高、抗干扰能力强,高可靠性是PLC最突出的特点之一，PLC的平均无故障时间可达几十万小时。由于工
8、业生产过程常昼夜连续，工业现场环境恶劣，各种电磁干扰特别严重。针对这些情况，PLC采用了一系列措施，其主要方法是对所有输入/输出（I/O）接口电路均采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源对PLC影响。各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10-20ms，对一些高速输入端则采用数字滤波，其滤波时间常数可用指令设定；模块均采用屏蔽措施，防止辐射干扰；具有自诊断功能，一旦电源或软件、硬件发生异常情况，CPU 立即采取措施防止故障扩大；大型PLC还采用双CPU构成冗余结构或由三CPU构成表决系统；目前的PLC可以承受幅值为1000V，上升时间为1ns，脉冲宽度为1s的干扰脉冲。,首页基础知识特
9、点,编程简单易学,PLC编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图,对于企业中一般的电气技术人员和技术工人,这种面向生产、面向用户的编程方式，与常用的微机语言相比更容易被接受，故梯型图被称为面向“蓝领的编程语言”，PLC也被称为“蓝领计算机”。尽管现代的PLC也可用高级语言编制复杂的程序，但梯形图仍广泛地被使用。,首页基础知识特点,设计、安装容易,PLC已实现了产品的系列化、标准化、通用化，设计者可在规格繁多、品种齐全的PLC产品中选用高性价比的产品。PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、记数器等器件，从而使控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。,首页基础知识特点,
10、调试周期短，维护简单,用户程序的大部分可以在实验室模拟进行，调试好后再将PLC控制系统放到生产现场联机调试，这样既快速又安全方便，从而就大大缩短了设计和调试周期。在用户维修方面，由于PLC本身的故障率极低，维护的工作量很小，而各种模块上均有运行状态和故障状态指示灯，便于用户了解运行情况和查找故障。又由于许多PLC采用模块式结构，因此一旦某模块发生故障，用户可通过更换模块的办法，使系统迅速恢复运行。,首页基础知识特点,模块品种丰富、通用性好、功能强大,除了单元式小型PLC外，多数PLC均采用模块式结构，并形成大、中、小系列产品。常见的模块有各类电源模块、CPU模块、直流I/O模块、温度模块、数字
11、量混合模块、模拟量混合模块、网络模块、接口模块、定位模块、PID模块、空模块、高速记数模块、鼓序列发生器模块等。现代的PLC具有工业控制所要求的各种控制功能，它既可控制单台设备，又可控制一条生产线或全部生产工艺过程。PLC具有通讯联网功能，可与相同或不同厂家和类型的PLC联网，并可与上位机通信构成分布式控制系统。,首页基础知识特点,体积小、能耗低,以奥地利贝加莱公司2005系列的PLC机为例，若选用电源模块PS794，开关量模块DI477（32路输入，功耗1.5W），DO479（16路输出，功耗1W），模拟量模块AI350（8路输入，功耗5W），AO350（8路输出，功耗5W），整个外形尺寸为
12、165mm 360mm 123mm。由于体积小，重量轻，很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。,首页基础知识特点,PLC与其它工业控制装置的比较,PLC与继电器控制系统的比较 PLC与微型计算机的比较 PLC与单片机的比较 PLC与集散系统(DCS)的比较,首页基础知识比较,PLC与继电器控制系统的比较,首页基础知识比较与继电器,以下几个方面说明了PLC取代传统的继电器控制系统以成必然趋势：,控制方式 延时控制 设计与施工 价格,控制速度其它控制功能可靠性和可维护性,PLC与继电器控制系统的比较（一）,控制方式,继电器的控制是采用硬件接线实现的，它是利用继电器机械触点的串联或
13、并联及延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，它只能完成既定的逻辑控制。其连线多而复杂，且体积大，功耗大，一旦系统设计制造完成后，再想改变或增加功能将十分困难。此外继电器触点数目有限，其灵活性和扩展性也很差。而PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是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“软接线”。其连线少，体积小，且PLC中每只软继电器的触点理论上可使用无限次，因而灵活性和扩展性极佳。又由于PLC是由大规模集成电路组成，所以功耗很小。,首页基础知识比较与继电器,PLC与继电器控制系统的比较（二）,控制速度,继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，其工作频率低，触点的开合动
14、作一般在几十毫秒，此外机械触点还会出现抖动现象。而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微秒数量级。PLC内部还有严格的同步，不会出现抖动问题。,首页基础知识比较与继电器,PLC与继电器控制系统的比较（三）,延时控制,继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，易受环境温度和湿度的影响，调整时间困难。PLC用半导体集成电路作定时器，时基脉冲由晶体振荡器产生，精度高，用户可根据需要在程序中设定定时值，定时精度小于10 s，定时时间不受环境影响。,首页基础知识比较与继电器,PLC与继电器控制系统的比较（四）,其它控制功能
15、,继电器控制系统一般只能进行开关量的逻辑控制，且没有记数功能。PLC除了能进行开关量逻辑控制外，还能对模拟量进行控制，包括逻辑、顺序条件、PID在内的等多种复杂控制。除了普通计数功能，还有高达20KHz的高速计数功能。PLC还具有可调占空比的脉冲输出功能。,首页基础知识比较与继电器,PLC与继电器控制系统的比较（五）,设计与施工,用继电器实现一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行。周期长，且修改困难，工程越大，这一点就越突出。用PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。,首页基础知识比较与继电器,PLC与继电器控制系统
16、的比较（六）,可靠性和可维护性,继电器控制系统使用了大量的机械触点，连线也多。触点的开闭会受到电弧的损坏，还有机械磨损，寿命短，可靠性和维护性都差。而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，因此寿命长，可靠性高。又由于PLC的自检和检测功能，为现场调试和维护提供了方面。,首页基础知识比较与继电器,PLC与继电器控制系统的比较（七）,价格,使用继电器控制价格便宜，而用PLC价格较高。,首页基础知识比较与继电器,PLC与微型计算机的比较,首页基础知识比较与微机,PLC与微型计算机的比较（续）,首页基础知识比较与微机,PLC与单片机的比较,单片机的优点：单片机结构简单、价格便
17、宜，一般用于数据采集、数据处理和工业控制，在数据采集和数据处理方面优于PLC。,首页基础知识比较与单片机,PLC与单片机的比较（续）,单片机的缺点：（1）不如PLC容易掌握：单片机一般用机器指令或助记符编程，要求设计者具有一定的计算机硬件和软件知识。（2）不如PLC使用简单：用单片机来实现自动控制，一般要在输入、输出接口上做大量的工作。例如要考虑现场与单片机的连接、接口的扩展、输入/输出信号的处理、接口的工作方式等。其调试也比较麻烦。（3）不如PLC可靠：用单片机进行工业控制，其突出问题在于抗干扰能力差，可靠性低。,首页基础知识比较与单片机,PLC与集散系统的比较,首页基础知识比较与DCS,P
18、LC的发展趋势,高性能、高速度、大容量大力发展微型可编程序控制器智能型I/O模块的出现基于个人计算机的编程软件编程语言的标准化,首页基础知识趋势,PLC的发展趋势,PLC通信的易用化和“傻瓜化”PLC的软件化与PC化组态软件引发上位计算机编程革命PLC与现场总线相结合,首页基础知识趋势,高性能、高速度、大容量,大型可编程序控制器大多采用多CPU结构。不断地向高性能，高速度和大容量方向发展。三菱的AnA系列可编程序控制器使用了世界上第一个在一块芯片上实现可编程序控制器全部功能的32位微处理器，即顺序控制专用芯片，其扫描时间为0.15s每条基本指令。松下公司的FP10SH系列可编程序控制器采用32
19、位5级流水线RISC结构的CPU，可以同时处理5条指令，顺序指令的执行速度高达0.04s/步，高级功能指令的执行速度也有很大的提高。在有2个通信接口、256个I/O点的情况下，FP10SH总的扫描时间为0.270.42ms。在模拟量控制方面，除了专门用于模拟量闭环控制的PID指令和智能PID模块，某些可编程序控制器还具有模糊控制、自适应、参数自整定等功能，使调试时间减少，控制精度提高。,首页基础知识趋势,大力发展微型可编程序控制器,微型可编程序控制器的价格便宜，性能价格比不断提高，很适合于单机自动化或组成分布式控制系统。例如西门子公司的LOGO!通用逻辑模块是主要面向民用的超小型、一体化的可编
20、程序控制器。它采用整体式结构，价格便宜，体积小巧，集成控制功能、实时时钟和操作显示单元，可用装置面板上的小型液晶显示屏和6个键来编程。也有一些没有操作显示单元的模块。LOGO！使用功能块图(FBD)编程语言，有在个人计算机上运行的Windows 95/NT编程软件。LOGO！可供家用、民用和工业控制，也可以直接安装在现场。集成有AS-i（执行器传感器总线）通信接口的模块可接人AS-i总线网络，以实现对现场设备和过程的集中控制。,首页基础知识趋势,智能型I/O模块的出现,智能I/O模块是以微处理器和存储器为基础的功能部件，它们的CPU与可编程序控制器的主CPU并行工作，占用主CPU的时间很少，有
21、利于提高可编程序控制器的扫描速度。它们本身就是一个小的微型计算机系统，有很强的信息处理能力和控制功能，有的模块甚至可以自成系统，单独工作。它们可以完成可编程序控制器的主CPU难以兼顾的功能，简化了某些控制领域的系统设计和编程，提高了可编程序控制器的适应性和可靠性。智能I/O模块主要有模拟量I/O、高速计数输入、中断输入、机械运动控制、热电偶输入、热电阻输入，条形码阅读器、多路BCD码输入/输出、模糊控制器、PID回路控制、通信等模块。,首页基础知识趋势,基于个人计算机的编程软件,随着计算机的日益普及，越来越多的用户使用基于个人计算机的编程软件。目前有的可编程序控制器厂商或经销商向用户提供免费的
22、或限时试用的编程软件，有的编程软件可通过修改计算机实时时钟的日期来解决限时的问题。几乎不需要什么费用，用户就可以得到高性能的可编程序控制器程序开发系统。对于不同厂家和不同型号的可编程序控制器，只需要更换编程软件就可以了。当前笔记本电脑和移动式电脑的价格已降到数千元，为在现场调试时使用编程软件提供了物质条件。编程软件可以对可编程序控制器控制系统的硬件组态，即设置硬件的结构和参数。编程软件的调试和监控功能远远超过手持式编程器。,首页基础知识趋势,编程语言的标准化,与个人计算机相比，可编程序控制器的硬件，软件的体系结构都是封闭的而不足开放的。在硬件方面，各厂家的CPU模块和I/O模块互不通用，通信网
23、络和通信协议往往也是专用的。各厂家的可编程序控制器的编程语言和指令系统的功能和表达方式也不一致，有的甚至有相当大的差异，因此各厂家的可编程序控制器互不兼容。为了解决这一问题，IEC(国际电工委员会)制定了可编程序控制器标准(IEC1131)，其中的第3部分(IEC1131-3)是可编程序控制器的编程语言标准。标准中共有五种编程语言，其中的顺序功能图(SFC)是一种结构块控制程序流程图，梯形图和功能块图是两种图形语言，还有两种文字语言指令表和结构文本。除了提供儿种编程语言供用户选择外，标准还允许编程者在同一程序中使用多种编程语言，这使编程者能够选择不同的浯言来适应特殊的工作。,首页基础知识趋势,
24、PLC通信的易用化和“傻瓜化”,可编程序控制器的通信联网功能使它能与个人计算机和其他智能控制设备交换数字信息，使系统形成一个统一的整体，实现分散控制和集中管理。通过双绞线、同轴电缆或光纤联网，信息可以传送到几十公里远的地方，通过Modem和互联网可以与世界上其他地方的计算机装置通信。目前有的厂商的可编程序控制器使用专用的通信协议来通信，或使用有较多厂商支持的通信协议和通信标准，如使用现场总线。为了尽量减少用户在通信编程方面的负担，可编程序控制器厂商做了大量的工作，使设备之间的通信自动地周期性地进行，不需要用户为通信编程，用户的工作只是在组成系统时作一些硬件或软件上的初始化设置。可编程序控制器与
25、计算机通信时，如采用可编程序控制器厂家提供的通信协议，可编程序控制器的编程工作量很小。,首页基础知识趋势,PLC的软件化与PC化,个人计算机(PC)的价格便宜，有很强的数学运算、数据处理、通信和人机交互的功能。过去个人计算机主要用作可编程序控制器的编程器、操作站或人机接门终端，如果用于工业控制现场，必须使用加固型的工业控制计算机。目前已有多家厂商推出了在PC上运行的可实现可编程序控制器功能的软件包。如北京同拓公司等推出的eMbiz低成本开放式控制与自动化方案套装软件，包含通用及嵌入式人机界面、符合IEC1131-3标准的软逻辑控制及Internet功能。GE-Fanuc公司推出了一种外形上类似
26、于笔记本电脑的个人计算机，它用液晶显示器(LCD)作为人机界面，以Windows CE为操作系统，可实现可编程序控制器的CPU模块的功能，可与以太网和I/O模块通信，可用于工业现场，这可能是今后高档可编程序控制器的发展方向。,首页基础知识趋势,组态软件引发上位计算机编程革命,相当多的大中型控制系统都采用上位计算机加可编程序控制器的方案，通过串行通信接口或网络通信模块交换数据信息，以实现分散控制和集中管理。上位计算机主要完成数据通 信、网络管理，人机界面(HMI)和数据处理的功能。数据的采集和设备的控制一般由可编程序控制器等现场设备完成。与种类繁多的现场设备的通信仍然比较麻烦，实现人机界面与现场
27、设备互动，用于工业控制的组态软件应运而生。国际上比较著名的组态软件有 Intouch、Fix等，国内也涌现出了组态王、力控等一批组态软件。有的可编程序控制器厂商也推出了自己的组态软件。如西门子公司的WINCC和GE-Fanuc公司的CIMPLICITY等。组态软件的出现降低了系统集成的难度，节约了大量的设计时间，提高了系统的可靠性。,首页基础知识趋势,PLC与现场总线相结合,IEC对现场总线(Fieldbus)的定义是“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自 动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线”。它是当前工业自动化的热点之一。现场总线以开放的、独立的、全数字化的双向多变量通信代替010mA或420mA现场电动仪表信号。现场总线I/O集检测、数据处理、通信为一体，可以代替变送器、调节器、记录仪等模拟仪表。它不需要框架、机柜、可以直接安装在现场导轨槽上，现场总线I/O的接线极为简单，只需一根电缆，从主机开始，沿数据链从一个现场总线I/O连接到下一个现场总线I/O。使用现场总线后，自控系统的配线、安装、调试和维护等方面的费用可以节约2/3左右，现场总线I/O与可编程序控制器可以组成廉价的DCS系统。,首页基础知识趋势,
