可编程控制器的原理与应用

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1、2018/9/16,1,教师：葛根波 2010.3,可编程控制器的原理及应用,2018/9/16,2,可编程序控制器问世于1969年。是美国汽车制造工业激烈竞争的结果。更新汽车型号必然要求加工生产线改变。正是从汽车制造业开始了对传统继电器控制的挑战。1968年美国General Motors公司，要求制造商为其装配线提供一种新型的通用程序控制器，并提出10项招标指标。这就是著名的GM 10条。,第一章 可编程控制器的基本知识,第一节 可编程控制器的产生和发展,一、可编程控制器的产生,2018/9/16,3,编程简单，可在现场修改程序； 可靠性高于继电器控制柜； 体积小于继电器控制柜； 维护方便

2、，最好是插件式； 可将数据直接送入管理计算机； 在成本上可与继电器控制柜竞争； 输入可以是交流115V； 输出为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀等； 在扩展时，原系统只需很小变更； 用户程序存贮器容量至少能扩展到4K。,GM10条是可编程序控制器出现的直接原因：,2018/9/16,4,可编程控制器的发展及定义1969年，美国数据设备公司(DEC)研制出世界上第一台可编程控制器，并成功地应用在GM公司的生产线上。这一时期它主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC(Programmable Logic Controller)。70年代后期，随着微电子技术和计

3、算机技术的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制领域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC(Programmable Controller)。但由于PC容易和个人计算机 (Personal Computer)相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。,2018/9/16,5,1985年1月国际电工委员会的定义：“可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在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，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产

4、过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充的原则设计”。,2018/9/16,6,PLC与传统的继电器逻辑相比 可靠性高、逻辑功能强、体积小。 在需要大量中间继电器、时间继电器及计数继电器的场合，PLC 无需增加硬设备。 随着要求的变更PLC对程序修改方便。继电器线路要想改变控制功能，必须变更硬接线，灵活性差。 具有网络通讯功能，可附加高性能模块对模拟量进行处理，实现各种复杂控制功能。,2018/9/16,7,PLC与工业控制计算机相比 PLC继承了继电器系统的基本格式和习惯，对于有继电器系统方面知识和经验的人来说，尤其是现场的技术人员，学习起来十分方便。

5、 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。工业控制机是由通用计算机推广应用发展起来的，一般由微机厂、芯片及板卡制造厂开发生产。它在硬件结构方面的突出优点是总线标准化程度高，产品兼容性强。 PLC的运行方式与工业控制机不同，微机的许多软件不能直接使用。工业控制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的计算机专业知识。,2018/9/16,8,PLC和工业控制机都是专为工业现场应用环境而设计的。 都具有很高的可靠性。 PLC一般具有模块结构，可以针对不同的对象进行组合和扩展。,2018/9/16,9,第二

6、节 可编程控制器的基本结构 PLC的系统结构,2018/9/16,10,PLC各部分的作用 CPU 诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。 采集现场的状态或数据，并送人PLC的寄存器中。 逐条读取指令，完成各种运算和操作。 将处理结果送至输出端。 响应各种外部设备的工作请求。,2018/9/16,11,PLC各部分的作用 存储器 系统程序存储器：用以存放系统管理程序、监控程序及系统内部数据。PLC出厂前已将其固化在只读存储器ROM或PROM中，用户不能更改。 用户存储器：包括用户程序存储区及工作数据存储区。这类存储器一般由低功耗的CMOS-RAM构成，其中的存储内容可读出并

7、更改。 注意： PLC产品手册中给出的“存储器类型”和“程序容量”是针对用户程序存储器而言的。,2018/9/16,12,PLC各部分的作用 输入输出接口电路 输入接口电路：采用光电耦合电路，将限位开关、手动开关、编码器等现场输入设备的控制信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。,PLC的输入接口电路（直流输入型）,2018/9/16,13,PLC各部分的作用 输出接口电路：采用光电耦合电路，将CPU处理过的信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀等外部设备的通断电。有三种类型：,继电器输出型,继电器输出型：为有触点输出方式，用于接通或断开开关频率较低的直流负载或交流负载回路。

8、,2018/9/16,14,（b） 晶闸管输出型,（c） 晶体管输出型 （NPN集电极开路）,（d） 晶体管输出型 （PNP集电极开路）,晶体管输出型：为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的直流电源负载。,晶闸管输出型：为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的交流电源负载。,2018/9/16,15,电源 PLC的电源是指将外部输入的交流电处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输人输出接口等内部电路工作需要的直流电源电路或电源模块。许多PLC的直流电源采用直流开关稳压电源，不仅可提供多路独立的电压供内部电路使用，而且还可为输入设备提供标准电源。,2018/9/16,16,手持编

9、程器 手持编程器采用助记符语言编程，具有编辑、检索、修改程序、进行系统设置、内存监控等功能。可一机多用，具有使用方便、价格低廉的特点。 缺点：不够直观可通过PLC的RS232外设通讯口(或RS422口配以适配器)与计算机联机，利用专用工具软件（NPSTGR、FPSOFT、FPWINGR）对PLC进行编程和监控。利用计算机进行编程和监控比手持编程工具更加直观和方便。,2018/9/16,17,输入输出I0扩展接口 若主机单元的IO点数不能满足需要时，可通过此接口用扁平电缆线将IO扩展单元与主机相连，以增加IO点数。PLC的最大扩展能力主要受CPU寻址能力和主机驱动能力的限制。,2018/9/16

10、,18,第三节 可编程控制器的原理及技术性能 PLC的基本工作原理微机：等待命令的工作方式PLC：循环扫描的工作方式CPU从第一条指令开始按指令步序号作周期性的循环扫描，如果无跳转指令,则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。,2018/9/16,19,一个扫描周期主要分为三个阶段： 输入刷新阶段 程序执行阶段 输出刷新阶段,PLC的扫描工作过程,2018/9/16,20,PLC的基本工作原理由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为IO刷新阶段。实际上，除了执行程序和IO刷新外，PL

11、C还要进行各种错误检测(自诊断功能)并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”。一般在程序执行后进行。 扫描周期的长短主要取决于程序的长短。由于每一个扫描周期只进行一次I0刷新，故使系统存在输入、输出滞后现象。这对于一般的开关量控制系统不但不会造成影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。但对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后。,2018/9/16,21,PLC的主要技术指标 输入输出点数（I/O点数） 内存容量 注意： “内存容量”实际是指用户程序容量，不包括系统程序存储器的容量。 扫描速度 (单位：msk或s

12、/步。 ) 指令条数 内部继电器和寄存器数目 编程语言及编程手段 高级模块 主控模块可实现基本控制功能，高级模块可实现一些特殊的专门功能。如AD和DA转换模块等 。,2018/9/16,22,PLC的内存分配及IO点数 I0继电器区： I0区的寄存器可直接与PLC外部的输入、输出端子传递信息，具有“继电器”的功能，有自己的“线圈”和“触点”。故常称为“I0继电器区”。 内部通用继电器区：只能在PLC内部使用，其作用与中间继电器相似，在程序控制中可存放中间变量。 数据寄存器区 ：只能按字使用，不能按位使用。一般只用来存放各种数据。 特殊继电器、寄存器区 ：被系统内部占用，专门用于某些特殊目的，一

13、般不能由用户任意占用。 系统寄存器区：用来存放各种重要信息和参数。通过用户程序，不能读取和修改系统寄存器的内容。,2018/9/16,23,第四节 PLC的分类及功能 PLC的分类 按结构形式分类 整体式 模块式 按功能分类 低档机 中档机 高档机,3. 按IO点数和程序容量分类,2018/9/16,24,PLC的主要功能 条件控制功能 定时计数控制功能 数据处理功能 步进控制功能 AD与DA转换功能 运动控制功能 过程控制功能 扩展功能 远程I0功能 通信联网功能 监控功能,2018/9/16,25,第五节 PLC的特点、应用场合和发展趋势 PLC的主要特点 可靠性高、抗干扰能力强。主要有以

14、下几个方面： 隔离(采用光电耦合器 ) 滤波 对PLC的内部电源采取了屏蔽、稳压、保护等措施。 设置了连锁、环境检测与诊断、Watchdog等电路。 利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测。 对用户程序及动态工作数据进行电池备份。 采用密封、防尘、抗振的外壳封装结构。 以集成电路为基本元件，内部处理过程不依赖于机械触点。采用循环扫描的工作方式，也提高了抗干扰能力。,2018/9/16,26,可实现三电一体化将电控(逻辑控制)、电仪(过程控制)和电结(运动控制)集于一体，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统。 编程简单、使用方便、柔性好 体积小、重量轻、功耗低,

15、2018/9/16,27,PLC的应用场合 逻辑控制 ：可取代传统继电器系统和顺序控制器。如各种机床、自动电梯、装配生产线、电镀流水线、运输和检测等的控制。 运动控制 ：可用于精密金属切削机床、机械手、机器人等设备的控制。 过程控制 ：通过配用AD、DA转换模块及智能PID模块实现对生产过程中的温度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量进行闭环调节控制。 数据处理 多级控制 ：利用PLC的网络通信功能模块及远程IO控制模块实现多台PLC之间、PLC与上位计算机的链接，以完成较大规模的复杂控制。,2018/9/16,28,可编程控制器的发展趋势 在系统构成规模上向大、小两个方向发展； 功能不断增强

16、，各种应用模块不断推出 ； 产品更加规范化、标准化 。,2018/9/16,29,第六节 PLC的几种编程语言不采用微机的编程语言，采用梯形图语言、指令助记符语言、控制系统流程图语言、布尔代数语言等。其中梯形图、指令助记符语言最为常用。PLC的设计和生产至今尚无国际统一标准，不同厂家所用语言和符号也不尽相同。但它们的梯形图语言的基本结构和功能是大同小异的。,2018/9/16,30,梯形图语言梯形图是在原继电器接触器控制系统的继电器梯形图基础上演变而来的一种图形语言。它是目前用得最多的PLC编程语言。注意：梯形图表示的并不是一个实际电路而只是一个控制程序，其间的连线表示的是它们之间的逻辑关系，即所谓“软接线”。常开触点 ： 常闭触点：线圈：注意：它们并非是物理实体，而是“软继电器”。每个“软继电器”仅对应PLC存储单元中的一位。该位状态为“1”时，对应的继电器线圈接通，其常开触点闭合、常闭触点断开；状态为“0”时，对应的继电器线圈不通，其常开、常闭触点保持原态。,