第四章可编程控制器基础

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1、电气控制及PLC应用,李 辉2018年8月22日,第四章 可编程控制器原理及结构,第四章可编程控制器原理及结构,4.1 PLC的基本知识,4.2 PLC的特点及应用,4.3 PLC的分类、主要技术指标及生产厂家,4.4 可编程控制器的结构组成和工作原理,4.5 PLC的软件及编程语言,目的：了解可编程控制器的产生、发展、原理、结构、编程语言的特点，熟悉PLC的工作原理及主要性能指标，掌握PLC的软硬件组成。要求：掌握可编程控制器控制与继电器控制的不同及PLC在自动控制中的应用。,第四章可编程控制器原理及结构,2018年8月22日,4.1 PLC的基本知识,4.1.1 PLC的产生与定义 PLC

2、产生以前，继电接触器控制在工业控制领域中占有主导地位。特点:体积大、耗电多、可靠性差、情况发生变化不易改变等。 最初的PLC只能完成顺序控制，仅有逻辑运算、定时、计数等简单控制功能，所以当时称其为可编程序逻辑控制器，简称PLC（Programmable Logical Controller）。 特点: 编程简单、维护方便、可靠性高、体 积小、价格低、具有数据通信功能 。,4.1.1 PLC的产生与定义,随着微处理器技术的发展，20世纪70年代末至80年代初，可编程序控制的处理速度大大提高，增加了许多特殊功能，不仅可以进行逻辑控制，而且可以进行模拟量控制。因此，美国电器制造协会（NEMA）将可编

3、程序控制器命名为PC（Programmable Controller），但个人计算机（Personal Computer）的简称也是PC，为了将两者相区别，习惯上仍将可编程序控制器称为PLC。,4.1.1 PLC的产生与定义,为了规范PLC的生产和发展，统一PLC的标准，国际电工委员会（IEC）在1987年2月颁布的第三稿中给PLC做了如下定义：“PLC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、计数和算术运算操作等面向用户的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。PLC及其有关设备

4、，都应按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。”,回顾PLC的发展历程，大致可以将其分为以下几个阶段:,4.1.2 PLC的发展,1数字电路构成的初创阶段（20世纪60年代末期第一台PLC问世到20世纪70年代中期）。2微处理器构成的实用型产品扩展阶段(20世纪70年代中后期到80年代初期)。3大规模应用的成熟产品阶段（20世纪80年代初到80年代末）。,4通用的网络产品开放阶段（20世纪80年末到现在）。 为了适应现代化生产需求，扩大PLC在工业领域的应用范围，PLC的发展趋势一是向超小型、专用化和低价格的方向发展；二是向大型化、高速、多功能和分布式全自动化网络方向发展，

5、以适应现代企业自动化的需要。,4.1.2 PLC的发展,5.2.1 PLC的主要特点1可靠性高、抗干扰能力强；2功能完善、扩展方便、组合灵活、实用性强；3编程简单、使用方便；4体积小、重量轻，是实现“机电一体化“的理想产品；5. 性价比高；,4.2 PLC的特点及应用,4.2 PLC的特点及应用,5.2.2 PLC的主要应用PLC在机械、电力、冶金、能源、化工、交通等领域中有着广泛的应用，已成为现代工业控制的三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）之一。根据PLC在工业控制中特点，可将其应用形式归纳为以下几种类型：,4.2.2 PLC的主要应用,1.开关量逻辑控制2.机械运动控制3.过程

6、控制及构成集散控制系统（DCS）4.数据处理5.通信和联网,可编程控制器与微机的区别,学习难易程度不同PLC继承了继电器系统的基本格式和习惯，对于有继电器控制经验的人，学习起来容易。微机需要更多的知识储备。 通用性不同PLC一般是由电气控制器的制造厂家研制生产，各厂家的产品不通用。微机是由通用计算机推广应用发展起来的，标准化程序高，兼容性强。 运行方式不同PLC不能直接使用微机的许多软件。PLC一般具有模块结构，可针对不同对象进行组合和扩展。微机可使用通用微机的各种编程语言，对要求快速，实时性强、模型复杂的工业对象的控制占有优势，但它要求使用者具有一定计算机专业知识。 相同点：PLC和微机都是

7、专为工业现场应用环境而设计的，都具有很高的可靠性，,可编程控制与继电接触器控制的区别,控制逻辑不同PLC为“软接线”技术，继电接触为硬接线逻辑。 控制逻辑方面PLC：同一个器件的线圈和它的各触点动作不同时发生。继电接触：同一继电器的所有触点与线圈通电或断电同时发生 控制速度PLC：速度极快； 继电接触：速度慢 定时/计数PLC定时精度高，范围大，有计数功能，继电接触：定时精度不高，范围小，无计数功能,可编程控制与继电接触器控制的区别续,设计与施工PLC：现场施工与程序设计同步进行，周期短，调试和维修方便。继电接触：设计、现场施工、调试必须依次进行，周期长，而且修改困难 可靠性和维护性PLC连线

8、少，使用方便，并具有自诊断作用等 价格PLC：贵（长远利益）继电接触：便宜（短期利益）,PLC控制与继电器控制的比较,继电器控制为接线程序控制，它是由分离元件（继电器、接触器等）用导线连接起来加以实现的，它的程序就在接线之中，对控制程序的修改必须通过改变接线来实现,PLC为存储程序控制，其工作程序放在存储器中，系统要完成的控制任务是通过执行存储器中的程序来实现的，控制程序的修改不需要改变PLC的接线，只需改变存储器中的某些程序语句即可,一、系统框图的比较,1. 继电器控制系统框图,2. PLC控制系统框图,3. 继电器控制系统与PLC控制系统的具体电路见图5-5,继电器控制电路,PLC控制电路

9、,5.3.1 PLC的分类目前PLC的产品种类很多，型号规格也不统一，通常可按以下三种形式分类:1按I/O点数和程序容量分类 :小型机、中型机和大型机 小型机:输入输出点数在256点以下的PLC称为小型机。有时把64点以下的叫微型机，其用户程序容量一般小于4K字。以开关量输入/输出为主，主要功能有逻辑运算、定时、计数和算术运算。其特点是价格低廉、体积小巧，结构紧凑，适合于替代继电器、接触器控制的单机控制场合。,5.3 PLC的分类、主要技术指标及生产厂家,4.3.1 PLC的分类,中型机:中型PLC的I/O点数在2562048点之间，也以开关量输入/输出为主，用户程序容量一般小于32K字。它除

10、了具有小型机功能外，还具有模拟量控制功能和通信联网功能，有较丰富的指令系统、更大的内存容量和更快的扫描程度。可应用于较为复杂的连续生产过程控制。,大型机:大型PLC的I/O点数在2048点以上，用户程序容量大于32K字，并可扩展。除一般类型的输入/输出模块外，还有特殊类型的信号处理模块和智能控制单元，能进行数学计算、PID调节、整数、浮点运算和二进制、十进制转换运算等；还具有自诊断功能、通信联网功能，可构成三级通信网，适合于自动化控制、过程控制和过程监控系统，实现生产管理的自动化。,4.3.1 PLC的分类,4.3.1 PLC的分类,2按硬件结构划分：整体式、模块式和混合式。 整体式：整体式结

11、构又称箱体式或单元式结构，把PLC的 CPU、存储器、I/O接口、电源、通信端口等都合装在一个金属或塑料机壳内，结构紧凑。机壳的两侧安装输入、输出接线端子和电源进线，并有相应的指示灯（发光二极管）显示。面板上有编程器插座、通信口插座、外存储器插座和扩展单元接口插座等，同时也配有多种功能扩展单元。体积小、重量轻、价格低，适用于工业生产中的单机控制。,如西门子公司的S7-200系列PLC，其整体式结构外形如图5-1所示，另外还有A-B公司的MicroLogix1000系列、三菱公司的F1/F2和FX系列、欧姆龙公司的C系列P型机等多种。,4.3.1 PLC的分类,S7-200 型PLC外形图,整体

12、式PLC(LG),整体式PLC(西门子S7-200),模块式结构：大中型PLC和部分小型PLC为了扩展方便，常采用模块式结构， PLC由机架和模块两部分组成，模块安插在插座上，模块插座焊在机架总线连接板上，有不同槽数的机架供用户选用，各机架之间用接口模块和电缆相连。模块式结构的PLC通常把CPU、存储器、输入/输出接口等均做成各自相立的模块，功能单一、品种繁多。系统规模可根据实际要求配置。这种结构PLC具有较多的输入/输出点数、且有扩展方便和模块组合灵活的特点，适用于复杂的过程控制。,4.3.1 PLC的分类,这种系统有A-B公司的SLC500系列、PLC-2、PLC-3、PLC-5系列，西门

13、子公司的S5-100系列、S7-300、400系列，三菱公司的A系列和Q系列，欧姆龙公司的CVM、CSI系列，MODICOND的TSX Quantum和三菱公司的FX2系列等。图4-2为西门子公司的S7-400模块化结构。,4.3.1 PLC的分类,S7-400型PLC模块化结构,模块式PLC,模块式PLC,混合式PLC：这种结构吸收了整体式和模块式PLC的优点，也称为叠装式结构。它的基本单元、扩展单元和I/O扩展模块之间不采用基板，仅用扁平电缆连接，经紧密拼装后可组成一个整齐的长方体，I/O点数的配置也很灵活。如三菱的FX2系列就采用这种结构形式。,4.3.1 PLC的分类,1. I/O点数

14、 2. 内存容量 3. 扫描速度 4. 指令种类和数量 5. 内部寄存器种类和数量 6. 扩展能力 7. 智能模块 8. 编程语言与编程工具,4.3.2 PLC的主要性能技术指标,4.3.2 PLC的主要性能技术指标,1. I/O点数I/O点数是PLC最重要的一项技术指标，是指PLC能够处理的输入、输出端子的总数（通常开关量的输入、输出用点数表示，模拟量的输入、输出用通道数表示）。它决定了PLC在实际应用中的规模大小， I/O点数包括主机的I/O点数和最大可扩展的点数，I/O点数越多，能够控制的器件和设备越多。,4.3.2 PLC的主要性能技术指标,2.内存容量PLC的存储器包括系统软件存储器

15、和用户应用存储器两部分，主要用来存储程序和系统参数。系统软件是生产厂家编制并已固化在内部的存储器中。PLC的存储容量通常指用户应用存储器的容量，即所谓的“内存容量”。,4.3.2 PLC的主要性能技术指标,在PLC中，程序指令是按“步”存放的， 一“步”占用一个地址单元，一个地址单元一般占两个字节。如一个内存容量为2KB的PLC，可存放指令1000步。用户程序容量与最大I/O点数大体成正比，其大小决定了用户所能编写程序的最大长度。因此，用户必须根据实际情况来选择足够的内存容量。绝大多数PLC都配置有较大容量的存储器，一般能够满足实际控制要求。,4.3.2 PLC的主要性能技术指标,3.扫描速度

16、PLC是以循环扫描方式运行的，它在一个扫描 周期内，执行系统内部处理、输入采样、输出刷新，所需时间是基本固定的，但它执行用户程序所需的时间随程序长短和指令复杂程度而变化，扫描速度一般以扫描KB的用户程序（典型指令）所需时间来衡量，其单位为ms/KB，也有用一步指令的执行时间计，用s/步为单位。有时也用扫描时间表述，即CPU按逻辑顺序，从开始到结束扫描一次所需的时间。,4.3.2 PLC的主要性能技术指标,4.指令种类和数量这是衡量PLC软件功能强弱的重要指标。指令 的种类和数量决定了用户编制程序的方式和PLC的 处理能力和控制能力。指令的种类和数量越多，控制能力越强。,4.3.2 PLC的主要性能技术指标,5.内部寄存器种类和数量PLC内部寄存器用以存放变量状态、中间结果、数据等，还有许多辅助寄存器可供用户使用。内部寄存器主要有定时器、计数器、中间继电器、数据寄存器和特殊寄存器等。PLC寄存器种类和数量配置情况是衡量PLC硬件功能的一个指标。,4.3.2 PLC的主要性能技术指标,