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1、可编程控制器的基础知识介绍第一课时：讲解PLC的背景，特点，应用及工作原理 1PLC的背景 20世纪20年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统继电接触器控制系统。由于它结构简单、容易掌握、价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广。在工业控制领域中占主导地位。但是继电接触器控制系统有明显的缺点：设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难于实现较复杂的控制。特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，连线复杂，当生产工序或对象需要改变时，原有的接线和控制柜就要更换，所以通用性和灵活性较差。 20世纪60
2、年代，由于小型计算机的出现和大规模生产及多机群控的发展，人们曾试图用小型计算机来实现工业控制的要求，但由于价格高，输入输出电路不匹配和编程技术复杂等原因。一直没能得到推广应用。 20世纪60年代末，美国的汽车制造业激烈竞争，各个厂家生产的汽车型号也不断更新，它必然要求生产线的控制系统也随之改变，以及对整个控制系统重新配置。为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，适应市场的竞争要求，1968年美国通用汽车公司（GM）公开招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求，就是著名的“GM十条”。这些要求实际上提出了将继电接触器控制的简单易懂、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
3、结合起来。将继电接触器的硬连线逻辑转变成计算机的软件逻辑变成的设想。1969年美国数据设备公司（DEC）根据上述要求，研制开发出世界上第一台可编程控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。当时人门把它称为可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)，简称PLC。它主要用来取代继电接触器逻辑控制，系统功能仅限于执行继电器逻辑，计时，计数等。 随着微电子技术的发展，20世纪70年代中期出现了微处理器和微计算机，人们把微机技术应用到PLC中，使它能够更多的发挥计算机的功能。不仅用逻辑编程取代硬连线逻辑，还增加了运算，数据传送和处理等功能，使它真正成为一种电子计算机工
4、业控制设备。国外工业界在1980年正式命名其为可编程控制器(ProgrammableController) 简称PC。但是为了避免与个人计算机(PersonalComputer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。2PLC的定义PLC一直在飞速的发展中，因此到现在为止，还未能够对其下一个十分确切的定义。国际电工委员会（IEC）曾与1982年11月颁布了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月发表了第二稿，1987年2月颁布了第三稿，该草案对PLC的定义是：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。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
5、、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输出，控制各种类型机械的生产过程。”PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单 指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学，调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序的编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。PLC实
6、质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。3PLC的特点和种类 PLC的特点： 抗干扰能力强，可靠性高工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化。PLC专门为工业环境下应用而设计的，因此人们在设计PLC的时候就从硬件和软件上都采取了抗干扰的措施，提高了其可靠性。A、硬件措施：B、软件措施： 控制系统结构简单，通用性强使用方便。 编程方便，易于使用。 功能完善 设计、施工、调试的周期短 体积小，维护操作方便 PLC的种类：目前，世界上有200多个厂家生产可编程控制器产品，比较著名的厂家有：美国的AB、通用（GE）、莫迪康（MODICON）、日本的三菱（MIT
7、SBISHI）、欧姆龙（OMRON）、富士电机（FUJI）、松下电工、德国西门子（SIEMENS）、法国的TE、施耐德（SCHNEIDER）、韩国的三星（SUMSUNG）、LG等4P LC的应用领域由于微处理器芯片及有关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降。并且PLC的功能大大增强，它也能够解决复杂的计算和通信问题。使得PLC的应用越来越广泛。目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、装卸、造纸、纺织、环保、和娱乐等行业。PLC成为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。1、顺序控制（开关量的逻辑控制）2、模拟量控制3、过程控制4、定
8、时和记数控制5、数据处理6、通信和连网5PLC的分类1、按照I/O点数容量分类 小型机一般以开关量为主，我们公司大多使用的都是小型机。输入输出总点数在256点一下，用户程序存储器容量在4K字左右。典型的小型机有西门子公司的S7-200、OMRON公司的CPM2A系列、三菱公司的FX系列和AB公司的SLC500系列等整体式PLC产品。 中型机中型机的输入输出总点数在2562048点之间，用户程序存储器容量达到8K字左右。典型的中型机有西门子公司的S7-300系列、欧姆龙公司的C200H系列、AB公司的SLC500系列等模块式PLC产品。 大型机大型机的输入输出总点数在2048点以上，用户程序存储
9、器容量达到16K字左右。典型的大型机有西门子公司的S7-400、欧姆龙公司的CVM1和CS1系列、AB公司的SLC5/05等系列产品。2.按结构形式分 整体式结构 例如：西门子的S7200系列 模块式结构 例如：西门子的S7-300和S7-400系列6PLC的基本组成 PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由CPU、输入/输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。PLC的硬件系统结构如下图所示：1、中央处理器CPU中央处理器（CPU）是PLC的核心，一般有控制器、运算器和寄存器组成。这些电路都集成在一个芯片内，CPU通过数据总线、地址总线和
10、控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。CPU按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊，按部就班的进行工作，用户程序和数据事先存于寄存器中，当PLC处于运行状态时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、做出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用
11、程序及各种暂存数据和中间结果。CPU的主要任务有控制用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I/O部件接收现场信号的状态和数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器中，诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，从积存器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制，制表打印或数据通信等功能。CPU的具体作用如下： 接收、存储用户程序； 以扫描的方式接收来自输入单元的数据和状态信息，并存入相应的数据存储区。 执行监控程序和用户程序，完成数据和信息的逻辑
12、处理，产生相应的内容控制信号，完成用户指令规定的各种操作； 响应外部设备（如编程器、打印机等）的请求；2、存储器可编程控制器配有两种存储器，即系统存储器（EPROM）和用户存储器（RAM）。系统存储器用来存储系统管理程序，用户不能够访问和修改这部分的内容。用户存储器用来存放编制的应用程序和工作数据状态。存放工作数据状态的用户存储器部分也称为数据存储区，它包括输入输出数据映像区，定时器/计数器预置数和当前值的数据区，存放中间结果的缓冲区。3、输入/输出（I/O）接口电路I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。输出接口是将主
13、机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。 开关量输入模块开关量的输入设备是各种开关、按钮、传感器等。其信号可能是交流电压（110V220V），直流电压（12V24V）等。为防止各种干扰信号和高电压信号进入PLC，影响其可靠性或造成设备损坏，现场输入接口电路一般有光电耦合电路进行隔离。光电耦合电路的关键器件是光耦合器，一般有发光二极管和光电三极管组成。输入电路中一般都设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干涉脉冲引起的错误输入信号。滤波电路延迟时间的典型值为1020ms（信号上升沿）和2050ms（信号下降沿），输入电流约为10mA。如 开关量输出模块输出模块的作用是将CPU执行用户程序所输出的TTL电平的控制信号转化为生产现场所需的，能够驱动特定设备的信号，以驱动执行机构的动作。通常开关量输出模块有三种形式，即，继电器输出、晶体管输出、双向晶闸管输出。A、 继电器输出：B、 晶体管输出（射极输出）：
