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1、第15章,可编程控制器,15.1 概述,Programmable ControllerPC （20实际7080年代）,美国AB公司首次将可编程控制器定名为： Programmable Logic ControllerPLC,PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置 。,什么是可编程控制器PLC ？,20世纪60年代。汽车生产线的自动控制系统基本上是继电器接触器控制系统，当汽车的每一次改型都直接导致自动控制系统的重新设计和安装，这不仅费时、费工、费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。,1968年，美国通用汽车（G
2、M）公司为实现“多品种、小批量、不断翻新汽车品牌型号”的战略，试图寻找一种新型工业控制器，以尽可能减少重新设计和更换继电控制系统的硬件及接线、减少时间、降低成本。,15.1.1 PLC的产生及发展,20世纪60年代，计算机技术已经开始应用于工业控制，但由于计算机技术本身的复杂性和编程的难度高，难以适应恶劣的工业环境以及价格等因素。当时的控制还是主要采用继电器接触器控制系统。,GM公司设想把计算机的完备功能、灵活及通用等优点和继电控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种适合工业环境的通用控制器，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用“面向控制过程、面向对象”的“自然
3、语言”进行编程，是不熟悉计算机的人也能方便地使用。,新型工业控制装置的十项指标 “GM10条”,编程方便，可在现场修改程序； 维护方便，采用插件式结构； 可靠性高于继电器控制系统； 体积小于继电器控制系统； 可将数据直接送入计算机； 成本可与继电器控制系统竞争； 输入可为市电； 输出可为市电，要求电流2A以上，可直接驱动电磁阀、接触器等； 通用性强，扩展方便，扩展时原系统变更少； 能存储程序，存储器容量可扩展到4K字节。,这种新型的工控装置，以其体积小、可变性好、可靠性高、使用寿命长、简单易懂、操作维护方便等一系列优点，很快在美国得到推广应用。 到1971年，已经成功地应用在食品、饮料、冶金、
4、造纸等行业。,1969年，美国数字公司（GEC）成功研制出第1代可编程控制器，并在通用公司的自动装配线上试用成功。从而开创了工业控制的新局面。,1971年日本从美国引进技术，很快研制出他们的第1台PLC，1973年，西欧国家也研制出他们的第1台PLC。我国从1974年开始研制，到1977年开始应用于工控领域。,PLC的四个发展阶段：,第1代：用一位机开发，磁芯存储器存储，只具有单一的逻辑控制功能；,早期的PLC基本上是继电控制装置的替代物，主要用于实现由继电控制系统完成的顺序控制、定时、计数等功能。,硬件：以“准计算机”的形式出现，装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，采用磁芯存储器
5、，另外采用了一些措施以提高抗干扰能力。 软件：采用类似继电控制线路的方式梯形图语言（至今仍在使用）。,第2代：使用8位微处理器及半导体存储器，产品开始系列化。,20世纪80年代，美国、日本、德国等一些厂家先后控制采用微处理器作为PLC的CPU，使PLC的功能大大增强。,硬件：除保持原有的开关模块外，还增加了模拟量模块，远程I/O模块。各种特殊功能模块，并扩大了存储器容量，而且还提供一定数量的数据寄存器。 软件：除了保持原有的逻辑运算、定时、计数等功能外，还增加了算术运算、数据处理、网络通讯、子诊断等功能。,第3代：高性能微处理器的使用，使PLC的处理速度大大提高，从而促使它向多功能及联网通讯方
6、向发展。,20世纪80年代，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器档次普遍提高。从早期采用的8位CPU，到现在的PLC一般采用16位或32位的CPU。,第4代：不仅全面使用16位、32位高性能微处理器，精简指令系统CPU（RISC）等高级CPU，而且在一台PLC中配置多个微处理器，进行多道处理。同时，生产了大量内含微处理器的智能模板，使得第4代PLC成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通讯功能的真正名副其实的多功能产品。,15.1.2 PLC的组成与工作原理,1. 基本组成,（1）CPU模块,CPU模块：
7、由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。,输入处理：从输入模块将输入信号和数据读入输入映象寄存器和数据寄存器。 执行用户程序：读入和解释用户程序，完成数据的存取、传送和处理，并用运算结果更新输出映象寄存器的内容，产生相应的控制信号。 输出处理：将输出映象寄存器的内容送到输出模块。,CPU模块采用扫描工作方式。,（2） 输入、输出模块,采用光电隔离，实现了PLC的内部电路与外部电路的电气隔离，减小了电磁干扰。,输入模块的作用： 将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。,输入接口电路,COM,光电三极管,发光二极管,输入端子,PLC,典型输入电路的动作原理,输出电路的动作原理,
8、输出接口电路：,继电器输出,PLC,内 部 电 路,J,Y,COM,+,-,交流电源或直流电源,输出三种形式：,继电器 - 低速大功率，驱动交、直流负载； 可控硅 - 高速大功率，驱动交流负载； 晶体管 - 高速小功率，驱动直流负载。,继电器输出电路,晶体管输出电路,晶闸管输出电路,（3） 编程器,用于输入和编辑用户程序，监视PLC运行时各种编程元件的工作状态。,2. PLC工作原理,扫描周期：每扫描一个循环所用的时间称为 扫描周期。,PLC的工作方式：循环扫描工作方式。 CPU从第一条指令开始执行，遇到结束符又返回第一条，不断循环。,工作模式,PLC：运行（Run）和停止（Stop）工作模式
9、。,（1）运行（Run）,说明,PLC在运行（Run）状态下，通常将执行一次扫描操作的5个阶段所需的时间称为扫描周期。 扫描周期与CPU的运行速度、PLC硬件配置及用户程序的长短有关，典型值为1 ms100ms。,PLC通过设置CPU内部的监视定时器来监视每次扫描的时间是否超过规定时间，以避免程序进入死循环。,（2）停止（Stop）模式,“自诊断处理”阶段,PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，复位监控定时器（WDT）； 检查程序执行结果是否正确，进行奇偶校验； 判断程序执行时间是否超时； 刷新具有断电保持功能的继电器现有值以及完成其它一些内部工作。 如果出现故障，则停止中央处理工作并报警提
10、示。,“通信信息处理”阶段,PLC与编程器交换信息； PLC与别的带微处理器的智能装置通信（如数字处理器）； PLC与网络通讯，当PLC配有网络通讯模块时，应与通讯对象进行数据交换。,“输入处理”阶段（采样）,采样：PLC以扫描工作方式按顺序将所有的输入信号读入到输入映象寄存器中进行存储。,输入映象寄存器从PLC的存储器中划分出来专门用来存放输入信号状态的存储区。,当外接的输入触点电路接通时，对应的输入映象寄存器为“1”状态； 外接的输入触点电路断开时，对应的输入映象寄存器为“0”状态。,注意,在一个扫描工作周期内，采样结果的内容不会改变，它是PLC程序执行时使用的输入量的依据。 外部输入信号
11、状态在被采样后发生的变化，只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。,“程序执行”阶段,CPU从用户程序的第一条指令开始，逐条执行，直到程序结束。,在执行某条指令时，先从映象寄存器中将有关数据读出来，然后根据指令的要求执行相应的运算、处理，最后将运算的结果写入到对应的元件映象寄存器中，供后面指令程序执行时使用。,输出映象寄存器从PLC的存储器中划分出来专门用来存放输除信号状态的存储区。,注意,除输入映象寄存器外，各编程元件的映象寄存器的内容随着程序的执行而变化； 输出映象寄存器的状态在整个程序执行完毕之前不会送到输出端子上去影响输出电路状态的改变。,“输出刷新”阶段,PLC将输出映象寄存器的“
12、0”/“1”状态传送到输出锁存器进行锁存，以驱动PLC系统输出端的用户设备。 当某输出映象寄存器为“1”状态时，系统外部负载通电工作； 当某输出映象寄存器为“0”状态时，则使外部负载断电，停止工作。,锁存器中的内容将保持到下一次“输出处理”阶段才会被更新，PLC外部的实际输出状态也随之改变。,说明,PLC属于一种“串行”工作方式。 以循环扫描工作方式顺序执行各个阶段的工作，,继电控制系统可视为“并行”工作方式。 由实际硬件设备组成的，当某个继电器的线圈通电或断电时，该继电器的所有常开或常闭触点无论处在控制线路的任何位置，都会立即同时动作。,由于PLC处理速度很快，采用“串行”的处理方式所造成的
13、输出对输入在时间响应上的滞后并不影响PLC在一般实际工程中的应用，同时还可避免继电接触器控制系统中的触点竞争和时序失控的问题。,15.1.3 西门子S7-200系列可编程序控制器简介,S7-200是西门子公司的产品之一，其注册商标为SIMATIC。,西门子S7系列PLC的主要种类,西门子S7系列PLC体积小、速度快，具有网络通讯的能力。,S7系列PLC产品可分为： 微型PLCS7-200 小规模性能要求S7-300 中、高性能要求S7-400,15.2 S7-200PLC程序设计,15.2.1 PLC的编程语言和程序结构,1. 编程语言,国际电工委员会（IEC）1994年公布的IEC1131-
14、3标准包括五种编程语言： 顺序功能图（Sequential function chart） 梯形图（Ladder diagram）； 功能块图（Function block diagram） 指令表（Instruction list） 结构文本（Structured text）,顺序功能图（SFC）,顺序功能图：是一种位于其它四种编程语言之上的图形语言。 SFC不是一种独立的编程语言，而是作为PLC的辅助编程工具。它提供了一种组织程序的图形方法，主要用来编制顺序控制程序。,功能块图（FBD）,功能块图FBD是一种类似于数字逻辑电路的图形语言，但在FBD中允许嵌入别的语言。 FBD用类似数字逻辑
15、电路与、或、非门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，信号是自左向右流动的。它适合于具有数字电路基础的设计人员使用。,结构文本（ST）,结构文本是为IEC1131-3标准创建的一种专用的高级编程语言。 ST能实现更复杂的数学运算，同时，编写的程序更简洁和紧凑,结构文本（ST）是用结构化的描述文本来描述程序的一种编程语言，它类似于高级语言。 大多数PLC制造商采用的结构文本编程语言与BASIC或C语言相似。但为了应用方便，在语句的表达式及语句的种类等方面进行了简化。,梯形图（LD）,梯形图与继电器控制系统的电路图很相似，特别适用于开关量逻辑控制。,梯形图：由触
16、点、线圈和用方框表示的功能块图组成。,公共母线 （Bus bar）,触点,线圈,触点,功能块,梯形图的构成,梯形图按自上而下，从左到右的顺序排列。 从左母线开始，按一定的控制要求和规则连接每个触点，最后以继电器线圈结束。,逻辑行,指令表（IL）,PLC指令表又称为语句表（Statement List） 指令表与微机的汇编语言相似，采用助记符表达式来表示操作功能，若干条指令组成了指令表程序。,LD I0.0 O Q0.0 AN I0.1 = Q0.0,指令表比较适合经验丰富的程序员，可以实现某些不能用梯形图或功能块图实现的功能。,2. 编程语言的相互转换和选用,梯形图：用于设计复杂的开关量控制程序。 指令表：处理某些不能用梯形图解决的问题。如数学运算，通讯设计等。,梯形图编程的程序能转换成指令表； 指令表编程的程序不一定能转换成梯形图。,3. PLC的程序结构,S7-200的用户程序：包括主程序、子程序和中断程序3种。,每个用户程序只能有一个主程序，主程序通过指令控制整个应用程序的执行，每次CPU扫
