可编程序控制器概论

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1、可编程序控制器主讲：张波本章内容包括：v PLC的发展、分类及应用 v 结构及工作原理 v 主要技术性能指标 v 西门子SIMATIC控制器简介返回本章首页第1章 可编程序控制器基础知识第1章 可编程序控制器基础知识PLC的发展与特点1.1结构和工作原理1.2西门子SIMATIC控制器简介31.31.1 PLC的发展与特点 v 1.1.1 产生 v 1.1.2 特点 v 1.1.3 分类 v 1.1.4 性能指标 v 1.1.5 应用 与发展趋势返回本章首页1.1.1 产生与现状v国际电工委员会IEC定义PLC (programmable logic controller)：可编 程序控制器是

2、一种数字运算操作的电子系 统，专为工业环境下应用而设计。 v采用可编程序的存储器存储执行逻辑运算 、顺序控制、定时、计数和算术运算等操 作的指令，并通过数字式、模拟式的输入 和输出，控制各种类型的机械或生产过程 。 v可编程序控制器及其有关设备，都应按易 于使工业控制系统形成一个整体，易于扩 充其功能的原则设计。v继电接触器控制系统（布线逻辑）：由 导线、继电器、接触器、开关和触点等器 件按一定的逻辑关系连接起来。 v优点：电路图直观形象、价格低廉、容易 操作 v缺点：设备体积大、开关动作慢、组合复 杂、功能较少、维修不便、可靠性差、系 统接线固定，没有通用性和灵活性。适用于 要求不高的专用逻

3、辑控制场合。v 半导体元件逻辑控制装置：利用半导体二极管 、三极管和中小规模集成电路构成的一种无触 点逻辑顺序控制器。 v 优点：体积小、无触点、可靠性高、反应速 度快、寿命长 v 缺点：控制规模小、编织程序不够灵活、对 使用环境要求高。外部接线第一台PLC产生于1969年，由美国数字设备公 司研制并应用于美国通用汽车生产线。 其发展经历了五代：返回本节处理器存储器功能第一代一位磁性材料只有逻辑控制第二代8位半导体逻辑控制、定时、计数第三代8位和位片 式CPU半导体控制功能与处理速度提高第四代16、32逻辑、过程、运动、数据处理、通信第五代16、32 增加现场总线的结构标准v1.功能强大：基本

4、功能、扩展功能、其他辅 助功能。 v2.抗干扰能力强、可靠性高 ：软件、硬件 技术。v3.控制系统组合灵活：本机模块和功能扩展 模块组成。v4.现场信号接线简单v5.编程简单v6.维修维护方便返回本节1.1.2 特点1.1.3 可编程控制器的分类 v 1. 从结构上:可分为整体式和模块式。 整体式：CPU、存储器及I/O接口等基 本部件装在一块电路板上，并连同电源 装成一个整体。 模块式：把CPU（包括存储器）单元、 电源单元、 I/O单元等做成独立的模块 ，即做成CPU模块、电源模块、 I/O模块 等，组装在一个框架内。返回本节v2. 按I/O点数分类: v分为小型、中型和大型。 小型PLC

5、： I/O点数为256 点以下（ 包括256点），如S7-200. 中型PLC： I/O点数为256 点以上、 2048点以下，如S7-300。 大型PLC： I/O点数为2048 点以上（ 包括2048点），如S7-400。n 按功能强弱分类v 可分为低档、中档和高档。 低档:实现基本的逻辑控制。如S7-200。 中档：具有低档PLC的基本功能，更多的数 字I/O点数和较强的模拟量I/O接口，并具有中 断控制、数据传送和比较、数制转换、远程I/O 、网络通信。 高档：具有中档PLC的功能，带符号算术运 算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及特 殊功能函数的运算和表格传送。具有更强的扩 展能力

6、和网络通信功能。1.1.4 可编程控制器的性能指标v编程语言与指令条数：常用编程语言有梯 形图、语句表、控制流图和功能图等。编 程语言种类越多，某种语言的指令种数越 多，则功能越强，编程越方便。 v用户程序存储容量：以字节为单位计算， 每条指令所占存储容量是1个或2个字节。 vI/O接口总数：分开关量和模拟量。开关量 用最大点数表示，模拟量用最大通道数表 示。返回本节v内部软继电器：其种类和点数标志PLC功能 强弱。包括辅助继电器、计时器、计数器 、移位寄存器、特殊功能继电器。 v扫描速度：以ms/KB表示。代表了其对瞬时 信号的控制能力。 v其他指标：系统开展能力、I/O方式、特殊 功能模块

7、、自诊断功能、网络通信及远程 I/O能力、监控功能。1.1.5 可编程控制器的应用与发展 v 1、应用工业：开关量控制、模拟量控制、监控、建立 工业网络、其他行业：轻工食品、冶金、机械加工、汽车 制造、石油化工、烟草加工、能源、交通等。 v 2、发展趋势过程控制领域、网络功能、具有现场总线标准 接口和串行通信接口及网络通信功能、智能I/O模 块的发展、编程语言、智能诊断能力返回本节1.2 可编程控制器的基本结构和工作原理 v1.2.1 基本概念 v1.2.2 工作原理 v1.2.3 基本结构返回本章首页1.2.1 PLC程序控制的基本概念v继电接触器控制系统（如图a）：支配控 制系统的程序是由

8、分立元件用导线连接起 来实现的，控制程序的修改必须通过改变 接线来实现。v存储器程序控制系统（如图b）：控制系统 要完成的控制任务是通过存储器中的程序 来实现。如PLC。返回本节输入设备程序接线输出设备被控系统输入设备程序存储器输出设备被控系统继电-接触控制系统 PLC控制系统 继控制与PLC控制方案比较实例图1：定子绕组串电阻降压起动、反接制动并行执行 PLC控制图输入- PLC内部 -输出v例:两个开关X1、X2，要求其中任何一个 接通都可立即点亮红灯，两秒钟后自动熄 灭红灯并点亮绿灯。 v1、继电-接触器控制方式v2、PLC控制方式1.2.2 PLC工作原理vPLC控制系统由输入、控制、

9、输出3部分组成。对 应的“器件”是内部“软继电器”，对应的“导 线”是“程序”。PLC是通过“程序”控制内部 “软继电器”的“软件程序”控制系统。返回本节n PLC的软继电器 硬件组成：微处理器、存储器、接口 芯片、各种模块。可看成由许多软继电 器组成的控制器。 PLC内部等效软继电器分为：输入继 电器、中间继电器、输出继电器。 中间继电器包括：辅助继电器、特殊 功能继电器、移位寄存器、计时器、计 数器等。v2、PLC工作过程 信号输入（输入采样） 程序执行 结果输出（输出刷新）v 输入采样：按扫描方式读入所有输入端子上的输 入信号状态，并将其存入输入缓冲区。 v 程序执行：对梯形图方式编写的

10、程序按从上到下 、从左到右的顺序逐一扫描各条指令，然后从输 入映像区取出本循环扫描周期读入的输入数据或 从输出映像区读取上个循环扫描周期输出的有关 数据，再进行由程序确定的逻辑运算或其他运算 ，最后根据程序指令将运算结果存入确定的输出 映像区对应的单元。 v 输出刷新：将输出映像区的内容送到输出锁存器 ，并驱动输出继电器线圈，使输出端子的信号变 为被控设备所能接受的电压或电流信号，驱动被 控设备。v3、扫描周期与响应滞后 扫描周期：信号输入、程序执行、结 果输出3个批处理阶段的工作过程。大小 主要取决于：程序长短、CPU的工作速度 。 PLC的输出对输入的响应存在滞后现 象，滞后时间与扫描周期

11、有关。 减少滞后措施：采用快速响应模块、 高速计数模块、中断处理等。1.2.3 PLC基本结构vPLC由输入部件、中央控制单元、存储器单 元、输出部件、电源部件等构成。图为一 典型PLC结构简图。返回本节v1、输入部件： v输入接口电路和输入寄存器。输入模 块包含数字量输入模块和模拟量输入 模块。 v（1）数字量输入模块：其输入信号 为开关量信号，分为直流开关量输入 模块和交流量输入模块。直流输入模块v交流输入模块：由输入滤波电路、限流电 路、整流滤波电路和光电隔离电路组成。v（3）模拟量输入模块 v处理方式：由传感器检测并转换成连续变 化的电信号，再由模拟输入模块的A/D转换 器转换成数字量

12、送入总线接口。 v模拟输入模块是以A/D转换器为主要器件， 配以相关扩展芯片，一般有4通道、8通道 、16通道。v2、中央控制单元 v一般由微处理器（CPU）、系统程序 存储器ROM或EPROM、用户程序存储器 RAM或EEPROM、编程器接口组成。微 处理器模块是PLC的核心模块。 v主要功能：1）从存储器中读取指令 2）执行指令 3）顺序取指令 4）处 理中断 CB译码电路复位 电路C P UAB振荡 电路总 线 驱 动P L C总 线RAMEEPROM地址总线DB控制总线DBDBv（1）CPU及其外围电路外围电路有时钟震荡电路和复位电路。 v（2）ROM和EEPROM系统存储器：存储PL

13、C内部信息。用户存储器：存储用户的应用程序。 v（3）总线及译码电路总线分DB、AB、CB。译码电路由地址译码 器和地址锁存器及相关器件组成。v 3、存储器模块 存储器扩展模块一般含 系统程序存储器、用户 程序存储器和数据存储 器。v 4、输出接口模块输出部件包括：输出寄存器输出锁存器功率放大器等 分为数字输出部件和模拟输出部件。数字输出部件包括：晶体管输出方式（直流负载）晶闸管输出方式（交流负载）继电器输出方式（交、直流均可）模拟输出部件包括：电流输出模块电压输出模块KA输 出 寄 存 器VccR1LEDY0R2C2电源COMQ0.0Q0.7负载继电器输出模块电路Q0.7 PLC+24VD/

14、 AVref+ -+ -+ -RRR/4 RR电流输出电压电流转换电压输出缓存电压输出缓存功率放大模拟输出部件： 由控制电路、 D/A转换器、电 压/电流转换器 、输出保持和功 率放大电路组成 。v5、电源部件将交流电源转换成CPU、I/O模块和存储器模 块等部件所需要的直流电源。 v6、编程器对PLC进行程序编辑、调试、监视，将程序 固化在EPROM中。分为简易型和通用型。简 易型编程器可在线编程，通用型编程器既可 在线编程，又可离线编程，PC也作为一种编 程器，通过RS232通信口与PLC相连，在PC上 进行梯形图编辑、调试和监控。手持式编程器PC编程编程语言梯形图语句表LD I0.0 O

15、 I0.0 AN T101 = Q0.0 TON T101，#20 LD T101 = Q0.1功能块图顺序流程图状态图连续功能图v与计算机的异同 v相同点： （1）基本结构相同 （2）程序执行原理相同 v不同点： 两者的不同点主要体现在工作方式 上。vPLC与继电接触控制系统的比较 v继电接触控制全部用硬器件、硬触点和 “硬”线连接，为全硬件控制；PLC内部 大部分采用“软”电器、“软”接点和 “软”线连接，为软控制。 v继电接触控制系统体积大；PLC系统结构 紧凑，体积小。 v继电接触控制全为机械式触点，动作慢 ；PLC内部全为“软接点”，动作快。v继电接触控制功能改变，需拆线，接线乃 至

16、更换元器件，比较麻烦；PLC控制功能改 变，一般仅修改程序即可，及其方便。 vPLC控制系统的设计、施工与调试比继电接 触控制系统周期短。 vPLC控制的自检和监控功能比继电接触控制 的强。 vPLC的使用范围比继电接触控制的广泛。 vPLC可靠性比继电接触控制的高。1.3 西门子SIMATIC控制器简介v1.3.1 西门子SIMATIC系统v1.3.2 西门子SIMATIC控制器返回本章首页1.3.1 西门子SIMATIC系统v 西门子SIMATIC系统由SIMATIC硬件和 SIMATIC软件组成。结构硬件构成图如下 。SIMATCI软件包括标准工具、工程工具 、运行时软件和人机界面。PLC 系统组成1.3.2 西门子SIMATIC控制器v 西门子SIMATIC控制器包括SIMATIC S7、 SIMATIC M7、 SIMATIC C7三个PLC系列和WinAC。 v SIMATIC S7系列包括S7-200、S7-