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1、1可编程序控制器原理及应用备课笔记上海应用技术学院电子电工教研室叶 真2PLC 原理及应用学习 PLC 课程的基本要求：一、基本原理及 PLC 的组成 二、硬件接线，I/O 口如何连接 三、扩展方法如何配置 四、应用软件、梯形图编程方法及应用实例参考书籍：1.现代电气及可编程控制技术北京：航空航天大学出版社 王永华主编2.可编程序控制器及常用控制电器 冶金工业出版社 何友华主编3.PLC 编程及应用 机械工业出版社 廖常初主编4.工厂电气控制技术 机械工业出版社 方承远主编5.SIEMENS SIMATIC S7-200 可编程序控制器 CPU22X 系统手册 北京：西门子（中国）有限公司绪
2、论可编程序控制器PC以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和通讯技术，用面向控制过程，面向用户的“自然语言”编程，适应工业环境，简单易懂，操作方便，可靠性高的新一代通用工业控制装置。 （见教材 P5 最后一段话）表示成 PLC与个人电脑 PC 相区别。事实上，已不再局限于逻辑控制，其运算功能，接口功能都越来越强了。第一节 可编程序控制器的定义及特点一、可编程序控制器的产生上世纪 60 年代，计算机技术已开始应用于工业控制了。但由于计算机技术本身的复杂性，编程难度高、难以适应恶劣的工业环境以及价格昂贵等原因，未能在工业控制中广泛应用。当时的工业控制，主要还是以继电接触器组成控制系统。1
3、968 年，美国最大的汽车制造商通用汽车制造公司（GM） ，为适应汽车型号的不断翻新，试图寻找一种新型的工业控制器，以尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件及接线、减少时间，降低成本。因而设想把计算机的完备功能、灵活及通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种适合于工业环境的通用控制装置，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3向对象”的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。即：硬件： 减少软件： 灵活 简单针对上述设想，通用汽车公司提出了这种新型控制器所必须具备的十大条件：1 编程简单，可在现场修改程序
4、2 维护方便，最好是插件式3 可靠性高于继电器控制柜4 体积小于继电器控制柜5 可将数据直接送入管理计算机6 在成本上可与继电器控制柜竞争 有名的“GM10 条” 7 输入可以是交流 115V8 输出可以是交流 115V，2A 以上，可直接驱动电磁阀9 在扩展时，原有系统只要很小变更10 用户程序存储器容量至少能扩展到 4K 字节1969 年，美国数字设备公司（GEC）首先研制成功第一台可编程序控制器，并在通用汽车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。接着，美国 MODICON 公司也开发出可编程序控制器 084。1971 年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一
5、台可编程序控制器DSC-8。1973 年，西欧国家也研制出了他们的第一台可编程序控制器。我国从 1974 年开始研制，1977 年开始工业应用。早期的可编程序控制器是为取代继电器控制线路、存储程序指令、完成顺序控制而设计的。主要用于：1. 逻辑运算 2. 计时，计数等顺序控制，均属开关量控制。所以，通常称为可编程序逻辑控制器（PLCProgrammable Logic Controller） 。 进入 70 年代，随着微电子技术的发展，PLC 采用了通用微处理器，这种控制器就不再局限于当初的逻辑运算了，功能不断增强。因此，实际上应称之为 PC可编程序控制器。至 80 年代，随大规模和超大规模集
6、成电路等微电子技术的发展，以 16 位和 32 位微处理器构成的微机化 PC 得到了惊人的发展。使 PC 在概念、设计、性能、价格以及应用等方面都有了新的突破。不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程 I/O 和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PC 向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。4二、可编程序控制器的定义可编程序控制器一直在发展中，所以至今尚未对其下最后的定义。国际电工学会（IEC）曾先后于 1982.11；1985.1 和 1987.2 发布了可编程序控制器标准草案的第一，二，三稿。在第三稿
7、中，对 PLC 作了如下定义：可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的，模拟的输入和输出，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的外围设备，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。 （见教材 P1）定义强调了 PLC 是：1 数字运算操作的电子系统也是一种计算机2 专为在工业环境下应用而设计3 面向用户指令编程方便4 逻辑运算、顺序控制、定时计算和算术操作5 数字量或模拟量输入输出控制6 易与控制系统联成一体7 易于
8、扩充三、可编程序控制器的特点为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，PC 机有以下特点：1. 可靠性高，抗干扰能力强工业生产对控制设备的可靠性要求：平均故障间隔时间长故障修复时间（平均修复时间）短任何电子设备产生的故障，通常为两种：偶发性故障。由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。这类故障，只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统也随之恢复正常。但对 PC 而言，受外界影响后，内部存储的信息可能被破坏。永久性故障。由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。如果能限制偶发性故障的发生条件，如果能使 PC 在恶劣环境中不受影响或能把影响的后果限制在
9、最小范围，使 PC 在恶劣条件消失后自动恢复正常，这样就能提高平均故障间隔时间；如果能在 PC 上增加一些诊断措施和适当的保护手段，在永久性故障出现时，能很快查出故障发生点，并将故障限制在局部，就能降低 PC 的平均修复时间。为此，各 PC 的生产5厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，使 PC 除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使 PC 具有了很强的抗干扰能力。硬件措施：主要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作由无触点的电子存储器完成，I/O 系统设计有完善的通道保护和信号调理电路。 屏蔽对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，采用导电、导磁良
10、好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。 滤波对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，如 LC 或 型滤波网络，以消除或抑制高频干扰，也削弱了各种模块之间的相互影响。 电源调整与保护对微处理器这个核心部件所需的+5V 电源，采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。 隔离在微处理器与 I/O 电路之间，采用光电隔离措施，有效地隔离 I/O 接口与 CPU之间电的联系，减少故障和误动作；各 I/O 口之间亦彼此隔离。 采用模块式结构这种结构有助于在故障情况下短时修复。一旦查出某一模块出现故障，能迅速更换，使系统恢复正常工作；同时也有助于加快查找故障原因。软件措
11、施：有极强的自检及保护功能。故障检测软件定期地检测外界环境，如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等。以便及时进行处理。信息保护与恢复当偶发性故障条件出现时，不破坏 PC 内部的信息。一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续原来的程序工作。所以，PC 在检测到故障条件时，立即把现状态存入存储器，软件配合对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何操作，以防存储信息被冲掉。设置警戒时钟 WDT（看门狗）如果程序每循环执行时间超过了 WDT 规定的时间，预示了程序进入死循环，立即报警。加强对程序的检查和校验一旦程序有错，立即报警，并停止执行。对程序及动态数据进行电池后备停电后，利用后备电池供电，有关状态及
12、信息就不会丢失。PC 的出厂试验项目中，有一项就是抗干扰试验。它要求能承受幅值为 1000V，上升时间61nS，脉冲宽度为 1S 的干扰脉冲。一般，平均故障间隔时间可达几十万上千万小时；制成系统亦可达 45 万小时甚至更长时间。2 .通用性强，控制程序可变，使用方便PLC 品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变 PC 的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PC 除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。3.功能强，适应面广现代 PLC 不仅有逻辑运算、计时、计
13、数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。4.编程简单，容易掌握目前，大多数 PC 仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式” 。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读 PLC 的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。PLC 在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇
14、编语言然后执行（PC 内部增加了解释程序） 。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。5.减少了控制系统的设计及施工的工作量由于 PLC 采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC 的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于 PLC 的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便PLC 是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，
15、重量轻，功耗低。并且由于 PLC 的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。以三菱公司的 F1-40M 型 PLC 为例：其外型尺寸仅为 305110110mm，重量 2.3kg，功耗小于 25VA；而且具有很好的抗振、适应环境温、湿度变化的能力。现在三菱公司又有 FX系列 PLC，与其超小型品种 F1 系列相比：面积为 47%,体积为 36%，在系统的配置上既固定7又灵活，输入输出可达 24128 点。第二节 可编程序控制器的应用随着 PLC 的性能价格比的不断提高：微处理器的芯片及有关的元件价格大大降低，PC的成本下降PLC 的功能大大增强，因而 PLC 的应用日益
16、广泛。目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保等各行各业。其应用范围大致可归纳为以下几种：1. 开关量的逻辑控制这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域。它取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制。开关量的逻辑控制可用于单机控制，也可用于多机群控，亦可用于自动生产线的控制等等。 （参见教材 P3）2. 运动控制PLC 可用于直线运动或圆周运动的控制。早期直接用开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机械，现在一般使用专用的运动模块。目前，制造商已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。即：把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴或多轴到目标位置。当每个轴运动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。运动的程序可用 PLC 的语言完成，通过编程器输入。3. 闭环过程
