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1、第三章 可编程序控制器工作原理,回顾：传统继电接触器控制系统的优缺点,优点,结构简单、容易掌握、价格低廉等；,缺点,可靠性差,动作速度慢,功能少，难于实现较复杂的控制,设备体积大,靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，维护困难,通用性和灵活性较差,随着计算机技术的发展，为抛弃传统的继电接触控制系统的束缚，适应市场的竞争要求，各生产厂家对控制系统提出了要求，要求实际上提出了将继电器控制的简单易懂、使用方便、价格低廉的优点，与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电接触控制的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。 可编程序控制器（Programmable Logic Contro
2、ller,PLC）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。,可编程序控制器（PLC）的产生,3.1 PLC的基本概念,国际电工委员会（IEC）在1985年的PLC标准草案第3稿中，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。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。,一、PLC的基本概念,二、PLC的发展史,P
3、LC是集自动控制技术、计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。,1968年 美国通用汽车公司提出的替代继电器控制系统的新型控制器的十项指标（基本设想）：,编程简单、现场可修改程序； 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； 数据可以直接送入计算机； 成本可与继电器系统竞争； 输入可为市电； 输出可为市电，能直接驱动电磁阀、交流接触器等； 通用性强、易于扩展； 用户存储器大于4K。,PLC诞生,1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界第一台可编程控制器PDP14。,第一代
4、：从第一台PLC诞生到上个世纪70年代初,第二代： 70年代初至70年代末,CPU使用中小规模集成电路，采用磁芯存储器。,CPU使用微处理器，采用半导体存储器EPROM。,可靠性较差，略强于继电器控制。,机种单一，没形成系列。,有了计算机接口和模拟量控制功能。,可靠性提高。,整机功能向系列化、标准化发展，并由专用向通用方向过渡。,功能简单（只有计数/定时功能）。,功能增强（增加逻辑/数据运算、数据处理、自诊断等功能）。,70年代后期，随着微电子技术和计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（PLC）,
5、第三代：70年代末到80年代中期,CPU使用8或16位微处理器甚至多微处理器，采用半导体存储器EPROM、CMOSRAM等。,增加浮点数运算，平方、三角函数等运算。,增加查表、列表功能。,自诊断及容错技术提高。,梯形图语言及语句表成熟。,小型PLC体积减小、可靠性提高、成本下降。,大型PLC向模块化、多功能方向发展。,第四代：80年代中期到90年代中期,增加高速计数、中断、A/D、D/A、PID等功能。,处理速度进一步提高（1s/步）。,连网功能增强。,编程语言进一步完善，开发了编程软件。,第五代： 90年代中期之后,CPU使用16位或32位微处理器。,PLC的I/O点增加，最多可达32K个I
6、/O点。,处理速度进一步提高（1ns/步）。,PLC都可以与计算机通信。,具有强大的数值运算、函数运算、大批量数据处理的功能。,开发了大量的特殊功能模块。,编程软件功能更强大。,不断开发出功能强大可编程终端。,当前在发达的工业国家，PLC已经广泛地应用在所有的工业部门，其应用已经扩展到楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域。,PLC的发展趋势,向高性能、高速度、大容量发展 大力发展微型PLC 大力开发智能型I/O模块和分布式I/O子系统 基于个人计算机的编程软件取代手持式编程器,PLC编程语言的标准化 PLC通信的易用化和“傻瓜化” PLC的软件化和PC化 组态软件引发的
7、上位计算机编程革命 PLC与现场总线相结合,三、PLC的特点,编程方法简单易学 功能强、性能价格比高 硬件配套齐全、用户使用方便、适应性强 可靠性高、抗干扰能力强 系统的设计、安装、调试工作量少 维修工作量小、维修方便 体积小、能耗低,1、数字量逻辑控制； 2、运动控制； 3、闭环过程控制； 4、定时控制 5、计数控制 6、数据处理； 7、通信联网； 8、自诊断；,四、PLC的功能,1. 工业 1）开关量控制，如逻辑、定时、计数、顺序等； 2）模拟量控制，部分PLC或功能模块具有PID控制功能，可实现过程控制； 3）监控，用PLC可构成数据采集和处理的监控系统； 4）建立工业网络，为适应复杂的
8、控制任务且节省资源，可采用单级网络或多级分布式控制系统。 2. 其他行业 可编程序控制器在其他行业的应用也日益广泛：在国防和民用，如建筑，环保，家用电器等。,五、PLC的应用领域,PLC主要由CPU模块（包含存储器）、输入模块、输出模块、电源和编程装置组成。,3.2 PLC的基本结构,CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。 CPU模块功能： 接收、存储有编程工具输入的用户程序和数据。 检查、校验用户程序。 接收、调用现场信息， 执行用户程序。驱动PLC外部的负载。 故障诊断。,1）CPU模块,小型PLC：8位微处理器或单片机芯片 Z80A 8031 中型PLC: 16位微处理器或
9、单片机芯片 intel8086 大型PLC：高速位片式微处理器,微处理器,PLC使用的几种物理存储器： 随机存取存储器：RAM，读/写存储器 只读存储器：ROM 可以电擦除可编程的只读存储器：EEPROM,存储器,存储器用来存储程序和数据，根据工作原理，存储空间一般包括三个区： 系统程序存储区 用户程序存储区：用户程序区、系统区。 工作数据存储区 RAM,2）I/O模块,输入模块用来接收和采集输入信号，输入模块分为开关量输入模块和模拟量输入模块； 输出模块用来输出信号和驱动执行元件。输出电路都采用电气隔离技术。,各I/O点的通/断状态用发光二极管（LED）显示，外部接线一般接在模块面板的接线端
10、子上。,I/O模块的工作原理,输入模块,设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起错误的输入信号。 下图是某直流输入模块的内部电路和外部接线示意图：,S7-200的CPU模块的数字量输出电路的功率元件有驱动直流负载的场效应晶体管和小型继电器,后者既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载,负载电源由外部提供。,输出模块,编程器用来生成用户程序，并用它进行编辑、检查、修改和监视用户程序的执行情况。 手持式编程器和编程软件；,3）编程器,4）电源,结论,PLC是一种计算机。与一般计算机比较具有更强的与工业过程想连接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言。,体积小，价格低，小型PLC一般
11、采用这种结构； 将CPU模块、I/O模块和电源装在一个箱形机壳内；通常将此整体称为CPU模块； 配有许多专用的特殊功能模块，使PLC的功能得到扩展，如模拟量I/O模块、通信模块等。,PLC的硬件结构,整体式PLC,S7-200 CPU模块的外形图,大、中型的，较复杂的，要求较高的系统一般选用模块式结构的PLC； 由机架和模块组成；模块插在模块插座上，模块插座焊在机架中的总线连接板上，有不同槽数的机架供用户选用，还有扩展机架； 组态方便灵活：用户可以选用不同档次的CPU模块、品种繁多的I/O模块和特殊功能模块，对硬件配置的选择余地较大，维修时更换模块也很方便。,模块式PLC,S7-400 PLC
12、的外形图,在数字量控制系统中，变量仅有两种相反的工作状态，如高电平和低电平、继电器线圈的通电和断电、触点的接通和断开，可以用逻辑代数中的1和0来表示，一般在波形图中，用高电平表示1状态，用低电平表示0状态。,3.3 PLC的工作原理,一、 用触点和线圈实现逻辑运算,逻辑运算关系表,a)与 b)或 c)非 基本逻辑运算,例：异步电动机控制电路逻辑关系分析,电路实现的逻辑关系可用逻辑代数式表示为：,二、PLC的继电器,PLC可看成是由普通继电器、定时器、计数器等组合而成的电气控制系统。 PLC内部的继电器实际上是指存储器中的存储单元，称为软继电器。 软继电器体积小、功耗低、无触点、速度快、寿命长，
13、并且具有无限多的常开、常闭触点供程序使用。,1、读取输入； 2、执行用户程序； 程序执行阶段，输入值固定，系统地运行稳定。 可以提供程序的执行速度。 灵活。 3、通信处理； 4、CPU自诊断测试； 5、改写输出； 6、中断程序的处理； 7、立即I/O处理；,三、PLC的工作原理,扫描工作模式,PLC的工作过程,对应的指令表(语句表)程序: LD I0.1 O Q0.0 AN I0.2 = Q0.0,输入采样 执行用户程序 输出刷新,I/O处理过程（三个阶段）,PLC扫描周期一般仅几十ms，两次采样之间的间隔时间很短，对一般的开关量而言，可以认为采样是连续的。,两次刷新的间隔仅几十ms，即使考虑
14、电路的电气惯性（延迟）时间，仍可认为输出是及时的。,初始操作（上电处理） 运行：（顺序）周期循环扫描扫描 工作特点：集中输入，集中输出（小型PLC）,PLC工作过程的特殊性,输入输出滞后时间,输入电路滤波时间 输出电路的滞后时间 扫描工作方式引起的滞后时间,外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间时间间隔。,扫描工作方式引起最长的滞后时间可达两个扫描周期,PLC与计算机的异同,相同点： （1）基本结构相同 （2）程序执行原理相同 不同点： （1）两者的不同点主要体现在工作方式上。 （2）应用范围不同。 （3）对使用环境耐受力不同。 （4）编程语言简单、容易掌握。
15、（5）输入输出接口电路已经备好。 （6）对电源要求不高，允许电压波动范围较宽。,PLC与继电接触器的异同,相同点： 图形结构和逻辑关系相同。 不同点： （1）实现原理不同：软元件 逻辑运算 （2）工作方式不同：串行,返回本节,PLC对输入输出的处理规则,输入映像寄存器的内容，由上一个扫描周期输入端子的状态决定： 输出映像寄存器的状态，由程序执行期间输出指令的执行结果决定 输出锁存器的状态，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器的状态决定 输出端子板上各输出端子的状态由输出锁存器决定 执行程序时所采用的输入输出状态值取用于输入输出映像寄存器的状态,返回本节,四、技术性能指标,外形尺寸 输入输出点数 机器字长 速度 指令系统 存储器容量 扩展性 通信功能,返回本章首页,课程特点及学习要求,特点： 本课程实践性很强，突出可编程控制器的应用。 要求： 掌握可编程控制器原理，从自动化产品的角度，了解其使用，包括产品选型，控制系统设计，安装调试。认真做好每一次实验。,
