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1、11/3/2016 1第四章 章 本功能、特点、应用范围、工作方式。难点：工作方式、扫描时间。重点：定义、基本功能、工作方式。11/3/2016 2第四章 可编程控制器的定义三、 11/3/2016 3第四章 世界上第一台 根据美国通用汽车公司（ 的要求研制成功 。 背景：1968年美国通用汽车公司（ 为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。11/3/2016 4第四章 设计思想：吸取继电器和计算机两者的优点 继电器控制系统体积大、可靠性低、接线复杂、不易更
2、改、查找和排除故障困难，对生产工艺变化的适应性差， 但简单易懂、价格便宜； 计算机 功能强大、灵活（可编程）、通用性好 ， 但编程困难； 采用 面向控制过程、面向问题的“自然语言” 进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。（梯形图）11/3/2016 5第四章 70年代初期： 仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能 ，只是用来取代传统的继电器控制 ,通常称为可编程逻辑控制器（ 70年代中期： 微处理器技术 应用到 增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能 80年代以后： 随着 大规模、超大规模集成电路 等微电子技术的迅速发展， 16位和 32位微处理器应用于 制功能增强 ，同时 可靠性提
3、高 ， 功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测 更加灵活方便，而且具有 通信和联网、数据处理和图象显示 等功能。11/3/2016 6第四章 近年来 控、电仪、电传）为一体、性能价格比高、高可靠性的特点， 已成为自动化工程的核心设备。使用量高居首位。器人、 之一。11/3/2016 7第四章 定义：国际电工委员会（ 于 1987年颁布了可编程控制器标准草案第三稿。在草案中对可编程控制器定义如下：“可编程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，并通过数字式和模拟式的输入和输
4、出，控制各种类型的机械或生产过程。 可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计 ”。二、 可编程控制器的定义11/3/2016 8第四章 研制了第一台 此 我国改革开放后 ， 美国 日本三菱 、 富士 ， 德国西门子等厂家的产品不断进入我国 ， 并在各行各业的工控系统中占据重要地位 。11/3/2016 9第四章 欧洲： 德国的西门子 ( 美国： (其产品约占美国 0的份额。 )、 、莫迪康 (司、德州仪器(司、 歌德 (司、西屋公司 日本： 三菱电机（ 欧姆龙（ （ 日本主要发展中小型 在世界小型 日本产品约占有 70的份额。在中国， 目前国内市
5、场还有 韩国、台湾 等 现在市场上出现了 系列化的国产 价格相对低廉，性价比较高。11/3/2016 10第四章 711/3/2016 11第四章 11/3/2016 12第四章 11/3/2016 13第四章 因元器件质量和技术问题等原因未能推广。直到 1977年，我国才研制出第一台具有实用价值的 开始批量生产和应用于工业过程的控制。主要厂家有： 北京和利时，科迪纳，张前苏。洛阳易达，无锡信捷，南京嘉华，兰州全志，广州科赛恩，中山智达，恒日等。11/3/2016 14第四章 11/3/2016 15第四章 （ 1）向高速度、大存储容量方向发展（ 存 2 （ 2）向多品种方向发展和提高可靠性（
6、超大型和超小型） （ 3）产品更加规范化、标准化（硬件、软件兼容的 （ 4）分散型、智能型、与现场总线兼容的 I 0 （ 5）加强联网和通信的能力 （ 6）控制的开放和模块化的体系结构 11/3/2016 16第四章 动化市场的过去、现在和可以预见的未来而言，在最近出现在美国、欧洲和国内有关探讨 这个结论是众口一词的，尽管对年来 了引人注目的进展，但毕竟只能对高端的 小型、超小型互融合。11/3/2016 17第四章 通用性强，使用方便 功能强，适应面广 可靠性高，抗干扰能力强 控制程序可变具有很好的柔性 编程方法简单，容易掌握 装、调试和维修工作少 制程序变化方便 体积小、重量轻、功耗低四、
7、 11/3/2016 18第四章 逻辑控制功能2 定时控制功能3 计数控制功能4 步进控制功能5 数据处理功能6 回路控制功能7 通讯联网功能8 监控功能9 停电记忆功能10 故障诊断功能11/3/2016 19第四章 11/3/2016 20第四章 辑控制功能逻辑控制功能是 是 应用领域 ，可 取代传统的继电器控制系统 ，实现 逻辑控制和顺序 控制。在 单机控制、多机群控和自动生产线控制 方面都有很多成功的应用实例。例如： 机床电气控制、起重机、皮带运输机和包装机械的 控制 、注塑机 控制 、电梯控制 、饮料灌装 生产线 、家用电器 (电视机、冰箱、洗衣机等 )自动装配线控制 、汽车、化工、
8、造纸、轧钢 自动生产线控制等。11/3/2016 21第四章 时控制功能定时控制功能是 基本功能之一 。用户使用 的 定时器 ，功能类似于继电器线路中的 时间继电器。定时器的 设定值 (定时时间 )可以在 编程时设定 ，也可以在 运动过程中根据需要进行修改 ，使用方便灵活。同时 精度 的 时钟脉冲 ，用于 准确实时控制。11/3/2016 22第四章 数控制功能计数控制功能是 基本功能之一。多计数器 ，计数器 计数到某一数值 时，产生一个 状态信号 (计数值到 )，利用该状态信号 实现对某个操作的计数控制。 计数器的 设定值 可以在 编程时设定 ，也可以在运行过程中 根据需要进行修改。传感器
9、旋转编码器变频器等计数输入输入复位00000 00001 0000211/3/2016 23第四章 据处理功能据处理功能 ，可以实现 算术运算、数据比较、数据传送、数据移位、数制转换译码编码 等操作。 中、大型 加齐全，可完成 开方、 点运算 等操作，还可以 和 打印机相联，实现程序、数据的显示和打印。11/3/2016 24第四章 控功能控功能。利用 编程器或监视器 ， 操作人员 可以对 运行状态进行监视。利用 编程器 ，可以 调整 定时器、计数器的设定值和当前值，并可以 根据需要 改变 调整和维护 提供了极大的方便。11/3/2016 25第四章 电记忆功能分存储器 所使用的 用电池等）
10、，以 保证断电 后 这部分存储器中 的 信息能够长期保存。利用某些 记忆指令 ，可以对 工作状态 进行 记忆 ，以 保持 数据内容不变。可以在 原工作基础 上继续工作。11/3/2016 26第四章 障诊断功能统构成、某些硬件状态、指令的合法性 等进行 自诊断 ，发现 异常 情况，发出 报警 并 显示错误类型 ，如属严重错误则 自动中止运行。障自诊断功能 ，大大 提高 了 全和可维护性。11/3/2016 27第四章 继电器控制采用硬接线方式装配而成，只能完成既定的功能。 可适应生产工艺的改变。 从适应性、可靠性及设计、安装、维护等各方面进行比较。传统的继电器控制大多数将被 工业计算机比较 工
11、业控制机控制要求开发人员具有较高的计算机专业知识和微机软件编程的能力。 向问题的 “ 自然语言 ” 进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用 ，便于推广应用。 有更高的可靠性。 在模型复杂、计算量大且较难、实时性要求较高的环境中，工业控制机则更能发挥其专长。11/3/2016 28第四章 11/3/2016 29第四章 中央处理单元（ 输入输出（ I/O） 部件和电源部件 。11/3/2016 30第四章 是一种 以微处理器为核心的、用于控制的 特殊计算机 括 硬件与软件 两部分 中央处理器（ 存储器、输入接口、输出接口、通信接口、电源等 系统程序和用户程序11/3/2016 31第四章
12、按系统程序赋予的功能，指挥 纳起来主要有以下五个方面：1）接收并存储编程器或其它外设输入的用户程序或数据2）诊断电源、 收并存储从输入单元（接口）得到现场输入状态或数据4）逐条读取并执行存储器中的用户程序，将运算结果存入存储器5）根据运算结果，更新有关标志位和输出内容，通过输出接口实现控制、制表打印或数据通讯等功能11/3/2016 32第四章 ) 通用微处理器（如 8086、 80286等）2) 单片微处理器（如 8031、 8096等）3) 位片式微处理器 (如 小型 大多采用 8位通用微处理器和单片微处理器 ； 中型 大多采用 16位通用微处理器或单片微处理器 ； 大型 大多采用高速位片
13、式微处理器（ 32位） ； 小型 中、大型 多为双 对于双 个为 字处理 器，一般采用 8位、 16位或 32位处理器 ；另一个为 位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。11/3/2016 33第四章 储器的作用：储器主要用于 系统程序、用户程序、数据存储器的类型： 可读 /写操作的随机存储器 只读存储器 11/3/2016 34第四章 输入 /输出接口（ I/ 输入 /输出接口通常也称 I / O 单元或 I / O 模块，是 入 限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其它一些传感器输出的 开关量或模拟量 (要通过模数变换进入机内 )等，通过 输入接口电路将 这些信号 转换成 中央处
14、理单元 能够 接收和处理 的 信号 ， 用这些 数据 作为 制对象进行控制 的 依据 。 央处理单元送出 的 弱电控制信号 转换成现场需要 的 强电信号输出 ，以 驱动电磁阀、接触器、电机 等被控设备的执行元件。11/3/2016 35第四章 I / O 接口的作用： 电平转换功能： 由于 外部输入设备 和 输出设备 所需的 信号电平 是 多种多样的 ， 而 理的信号 是 标准电平信号 。 光电隔离和滤波功能 ， 以 提高 干扰能力 ， 通常还有 状态指示 ， 工作状况直 观 ， 便于维护 。 I / O 接口的类型：开关量输入 /输出接口模拟量输入 /输出接口11/3/2016 36第四章
15、输入 /输出（ I/O） 点数： 。 I/ 选择 要依据之一 。 当 I/，可通 过 。11/3/2016 37第四章 是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控 是开发、应用、维护 11/3/2016 38第四章 关式 稳压电源 ，以提供 内部电路 使用。 与 普通电源 相比， 定性好、抗干扰能力强。因此，对于 电网提供 的 电源稳定度要求不高 ，一般 允许电源电压 在其 额定值 15%的 范围内波动。 许多 外提供直流 24用于对 外部传感器供电。 电源的容量。11/3/2016 39第四章 与 打印机 连接，可将过程信息、系统参数等输出打印 与 监视器 连接，可将控制过程图像显示出来 与
16、成多机系统或连成网络，实现更大规模控制 与 计算机 连接，组成多级分布式控制系统，控制与管理相结合 与 人机界面（触摸屏） 连接 与 智能接口模块 连接。 智能接口模块 是一 独立 的计算机系统，它有自己的 系统程序、存储器以及与 线相连的接口 。 如： 高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块 等。 与 编程器 连接11/3/2016 40第四章 号扩展机主机程扩展方式2号扩展机1号近程扩展机远程从站扩展机远程从站程扩展方式 C）连网方式11/3/2016 41第四章 程扩展方式11/3/2016 42第四章 程扩展方式11/3/2016 43第四章 网方式11/3/2016
17、44第四章 器编程器是 是一不 需要 通过功能模块 而 直接与总线相联接 的 外设。它通过 主机上 的 编程器接口直接与主机相连。编程器 上有 一个方式选择开关，用于 控制 工作方式。11/3/2016 45第四章 编程终端11/3/2016 46第四章 11/3/2016 47第四章 它功能模块功能模块 模拟量输入模块（即 A/拟量 数字量 模拟量输出模块（即 D/字量 模拟量 动态输入 /输出模块 自带动态扫描功能 温度传感器模块 温度 模拟量 数字量 高速计数模块 高频脉冲信号 远程 I/展 I/通讯模块 与其它 机、互连网通讯11/3/2016 48第四章 统程序 : 系统程序 ， 完
18、成 系统诊断、命令解释、功能子程序调用、管理、逻辑运算、通信及各种参数设定 等功能。系统程序 ， 由 它和 它关系到 统程序 ， 由 制造厂家直接固化在只读存储器 用户不能访问和修改。统程序 ； 2 用户程序 ； 3 编程语言11/3/2016 49第四章 用户程序 : 用户程序 是用户根据 控制对象生产工艺 及 控制的要求 而 编制的应用程序 。它是由 要求而定的 。 为 便于读出、检查和修改 ，用 户程序 一般 存于 用 锂电池 作为 后备电源 ，以 保证掉电 时 不会丢失信息。 为 防止干扰对 序 的 破坏 ，当 用户程序 经过 运行正常 ，不需要改变， 可将其固化在 现在有许多 户存储
19、器。11/3/2016 50第四章 同时 ， 越来越丰富 ， 功能也不断提高 。程序的表达方式基本有四种： 梯形图 、 指令表 、 逻辑功能图和高级语言 。 梯形图 是当前使用 最广泛的一种编程方法 。除了的 梯形图语言外 ，为了 适应各种控制要求 ，出现了 面向顺序控制 的 步进编程语言 、 面向过程控制 的 流程图语言 、与计算机兼容的 高级语言（ 等。多种编程语言 的 并存、互补与发展 是 11/3/2016 51第四章 梯形图编程语言两种梯形图的继电器符号图对照梯形图 （ 编程语言 是一种 图形语言 ,类似于 继电器控制线路图 的 一种编程语言 ，它 面向 控制过程， 直观易懂 ，是
20、多的一种语言。物理继电器 11/3/2016 52第四章 )名词解释 软继电器是 物理 的 电器 ，它是 存器位 ，因为它具有与物理继电器 相似的功能 ，常称之为 “软继电器”。对应着内部的 一个寄存器位 ，该位为“ 1” 态 时，相当于 继电器接通 ； 为“ 0” 态时 ，则相当于 继电器断开。常闭触点线圈 常开触点说明：11/3/2016 53第四章 圈线圈常开触点 常闭触点(2)两种控制的梯形图比较11/3/2016 54第四章 点个数有限点个数无限继电器的接线改变 控制功能改变 控制功能改变(3) 两种控制中继电器的区别11/3/2016 55第四章 外部接线不变，改变用户程序。用继电
21、器控制 要改变控制电路的实际接线。 电路相同例如11/3/2016 56第四章 语句表编程语言用助记符表示指令的功能多条指令语句的组合构成了语句表 程序指令语句是 0000， 表示逻辑操 作开始1000 ； 表示常开触点 01000与前面的触点并联0001； 表示常闭触点 00101与前面的触点串联1000； 表示前面的逻辑运算结果输出给 01000表示程序结束梯形图程序 语句表程序0000001000010000000111/3/2016 57第四章 3）顺序功能图顺序功能图常用来编制顺序控制程序，它包括步、动作、转换三个要素。顺序功能图法可以将一个复杂的控制过程分解为一些小的工作状态。对于
22、这些小状态的功能依次处理后再把这些小状态依一定顺序控制要求连接成组合整体的控制程序。步 1步 2步 3动作 1动作 2转换 1转换 2图 顺序功能图11/3/2016 58第四章 1能块图（ 4）功能块图功能块图是一种类似于数字逻辑电路的编程语言，用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方块左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入端、输出端的小圆点表示“非”运算，信号自左向右流动。类似于电路一样，方框被“导线”连接在一起。11/3/2016 59第四章 编程控制器工作过程特点及主要性能指标 当 要进行众多的操作 ， 而 执行多个操作， 每一刻 只能 执行一个操作。 解决的办法： 采用
23、分时操作 原理 扫描工作方式 ： 由于 算处理速度 很快 ， 所以 从宏观上 来看 ， 结果似乎 是 同时完成的 ，这种 分时操作 的方法称为 扫描工作方式 。环扫描工作方式11/3/2016 60第四章 顺序扫描、不断循环” 工作方式，这个过程可分输入采样，程序执行、输出刷新三个阶段 ， 整个过程扫描 并 执行一次所需 的 时间 称为 扫描周期。输入端子输入锁存器输入状态寄存器输出锁存器输出状态寄存器输出端子程序执行读读写输入采样 程序执行 输出刷新11/3/2016 61第四章 监视定时器（ 复位以及其它工作与其它智能装置（如编程器、计算机等）实现通信按顺序对所有输入端的状态进行采样，并存
24、入相应寄存器对用户程序扫描执行 ，并将结果存入相应的寄存器将寄存器中与输出有关状态，转到输出锁存器，编程器或计算机等通信、输入采样、程序执行和输出刷新五个阶段。11/3/2016 62第四章 先检查硬件是否正常。 按自上而下的顺序，逐条读用户程序并执行。对输入的数据进行处理， 将结果存入元件映象寄存器。 计算扫描周期。若正常，则进行下一步；若不正常，则报警并作处理。母线11/3/2016 63第四章 I/外设端口服务读输入点的状态并写入输入映像寄存器。将元件映像寄存器的状态经输出锁存器、输出电路送到输出点。访问外设端口连接的外部设备。11/3/2016 64第四章 按梯形图自左向右、自上而下逐
25、次执行程序 执行程序时所需数据取自于：输入映像寄存器 元件映像寄存器 输入映像寄存器和元件映像寄存器中的数据元件映像寄存器：在一个扫描周期中可读可写输入映像寄存器：在一个扫描周期中保持不变 每个扫描周期 I/中 读入 /读出数据11/3/2016 65第四章 刷新 I/0001 01000输入端子输入电路用户输入设备输入映像寄存器输出电路输出端子元件映像寄存器输出锁存器用户输出设备从输入端子到输出端子的信号传递过程(3)号传递过程）11/3/2016 66第四章 共端输入部分输出端子输入端子用户程序 输出部分主电路 Q00000100000001000020100011/3/2016 67第四
26、章 合 接点闭合 00000100000001000020100011/3/2016 68第四章 开 接点断开 00000100000001000020100011/3/2016 70第四章 产生 I/1） 由于 ，导致输出信号相对输入信号滞后。（ 2） 输入滤波器对信号的延迟作用。滤波器时间常数越大，对输入信号的延迟作用越强。有的 11/3/2016 71第四章 输出 3） 输出继电器的动作延迟（继电器输出型 从输出锁存器 输出触点 4）用户程序的长短及语句编排。要求有较快响应的场合最好不要使用继电器输出型 ，对慢速控制系统影响不大。要求快速响应的场合，需要解决 I/11/3/2016 72
27、第四章 I/0点的继电器输出型 输入 毫秒公共处理和 I/毫秒执行用户程序时间为 14毫秒输出 5毫秒输入状态经过一个扫描周期后在输出得到响应 最小 I/ 最大 I/11/3/2016 73第四章 + （ 公共处理 + I/+ 执行程序时间 + 输出 8 + 2 + 14 + 15 = 39 行程序 其他 刷新 执行程序 其他扫描周期 (扫描周期 (入 响应时间11/3/2016 74第四章 + (公共处理 + I/执行程序 ) 2+ 输出 8 +（ 2 +14） 2 + 15 = 55 大 I/出 响应时间刷新 执行程序 其他 刷新 执行程序 其他扫描周期 (扫描周期 (新 执行程序 其他扫
28、描周期 (11/3/2016 75第四章 过输入滤波，设第一个扫描周期 I/N。第一个扫描周期结束时， 01000为 1000只能在第二个扫描周期结束后才能 11/3/2016 76第四章 过输入滤波，设第一个扫描周期 00000的映像寄存器 1000 在第一个扫描周期结束后就能 如果将梯形图的第一与第二梯级交换，如下图：显然，程序语句的安排对 I/B 11/3/2016 77第四章 算1 上电后初始处理2 共同处理 时间：程序自检。 位链接服务 （处理微机与 8 4 运算处理 执行用户程序 平均速度 ： 输入 个输出 个远程 扩展机：以通道数计算， 11/3/2016 78第四章 设服务 （
29、 装有外设时 ） （ T=l+r13o= T（ T=l+r 13、共同处理、上位链接服务、外设服务、运算处理、 I/s=l+p+11/3/2016 79第四章 1、 用户程序越短、系统构成越简单，扫描周期越短。 2、 0这样普通输入点的信号频率应不大于 50使用时一般在 1011/3/2016 80第四章 1某 主机和远程扩展机 构成。主机上装有 3个 16点输入 模块， 2个 12点输出 模块。 远程扩展机 上装有 3个 16点输入模块，一个 12点输出 模块。程序有 5000条指令 ，假定程序中使用的指令均为 基本指令 ，平均执行时间为 计算不与微机构成网络且不带编程器时的扫描时间。11/3/2016 81第四章 同处
