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可编程序控制器原理及应用

可编程序控制器原理及应用. 宫淑贞 王东青 徐世许 编著. 人民邮电出版社. 主要参考书. 《 可编程序控制器原理与程序设计 》. 谢克明 夏路易 主编. 电子工业出版社. 《 可编程序控制器原理 应用 网络 》. 徐世许 主编. 中国科学技术大学出版社. 回到 主目录. 第一章. 可编程控制器概述. 基本要求. PLC 控制的基本概念； PLC 的基本组成及各部分的作用； PLC 的工作原理（ PLC 的循环扫描工作过程、 PLC 的程序执行过程、 PLC 的 I/O 滞后现象等）；梯形图的概念。.

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可编程序控制器原理及应用

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  1. 可编程序控制器原理及应用 宫淑贞 王东青 徐世许 编著 人民邮电出版社 主要参考书 《可编程序控制器原理与程序设计》 谢克明 夏路易 主编 电子工业出版社 《可编程序控制器原理 应用 网络》 徐世许 主编 中国科学技术大学出版社 回到主目录

  2. 第一章 可编程控制器概述

  3. 基本要求 PLC控制的基本概念；PLC的基本组成及各部分的作用；PLC的工作原理（PLC的循环扫描工作过程、PLC的程序执行过程、PLC的I/O滞后现象等）；梯形图的概念。

  4. §1-1 PLC的产生与发展 §1-2 PLC的特点 §1-3 PLC的基本组成 目 录 §1-4PLC的编成语言 §1-5 PLC的工作方式 §1-6PLC的主要性能指标 §1-7 国内外主要PLC产品概述

  5. §1-1 PLC的产生和发展 §1-1-1 什么是可编程序控制器（PC） 可编程序控制器是一种以计算机（微处理器）为核心的，集微机技术、自动化技术、通信技术与一体的通用工业控制装置。 可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，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，控制各种机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

  6. §1-1-2 PLC的产生与发展 • . 产生 在PLC出现之前，工业生产控制是用继电器实现的。复杂的控制系统中，可能要使用成百上千个各式各样的继电器，接线、安装的工作量很大。且可靠性差，灵活性差。 世界上第一台PC的诞生 美国的汽车制造厂家通用汽车公司（GM公司） 美国数字设备公司（DEC公司）

  7. . PLC 的 发展 第一代：从第一台PLC诞生到上个世纪70年代初。 ● CPU使用中小规模集成电路，采用磁芯存储器。 ● 功能简单（只有计数/定时功能）。 ● 可靠性较差，略强于继电器控制。 ● 机种单一，没形成系列。 第二代： 70年代初至70年代末。 ● CPU使用微处理器，采用半导体存储器EPROM。 ● 功能增强（增加逻辑/数据运算、数据处理、自诊断等功能）。 ● 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。

  8. 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。

  9. 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（1s/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/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。

  10. §1-1-3 PLC的发展趋势 PLC及其控制系统的发展趋势 PLC的性能 对小型PLC 向着体积更小、速度更高、功能增强、价格低廉的方向发展。使之更利于取代继电器控制。 对大中型PLC 向着更大容量、更高速度、更多的功能、更高的可靠性、易于连络通信的方向发展。使之更利于对大规模、复杂系统的控制。

  11. PLC控制系统的性能 ★ CPU处理速度进一步加快。 ★ I/O模块将直接安装在现场，CPU与现场I/O通过数据通信实现控制，使系统控制更有效、可靠性更高。 ★ 随着硬件冗余技术的应用，各种单元、甚至整个系统都可应用冗余技术，使系统具有更高的可靠性。 ★ 进一步应用计算机的信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使系统的生产控制功能与信息管理功能一体化。

  12. §1-2 PLC的特点 PLC可对开关量进行控制，又可对模拟量进行控制；既可控制一台单机、一条生产线，又可控制一个机群，多条生产线：既可现场控制，又可远距离控制；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。 §1-2-1 PLC的特点 继电器控制系统 PLC控制系统 1. 灵活性和通用性强 由于PLC是通过程序进行控制，可以在实验室进行设计和程序调试，更为方便的是可在实验室进行系统的模拟运行调试。 PC采用半导体集成电路，因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点，易于装入机械设备内部实现机电一体化。 2. 可靠性高、抗干扰能力强 硬件方面 PC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。 软件方面 3. 编程简单，使用方便 4. 接线简单 5. 功能强、功能的扩展能力强 PC的接线只需将输入设备与PC输入端子连接；将输出设备与PC输出端子连接。接线工具仅为螺丝刀，接线工作极其简单、工作量极少。 6. 系统设计、调试周期短 7. 体积小、重量轻、易于实现机电一体化

  13. §1-2-2 PLC的应用领域 PLC的通信联网能力很强。PLC和PLC之间；PLC和计算机之间；PLC和智能仪表之间都可以实现通信。利用PLC强大的通信联网功能，把PLC分布到控制现场。并实现各站间的通信，上、下层间的通信，达到分散控制、集中管理。即构成了现在的PCS系统。 PLC具有A/D、D／A转换及算术运算等功能．因此可以实现模拟量控制。有的PLC还具有PID控制或模糊控制的功能，可用于闭环的位置控制、速度控制和过程控制等 1. 开关量控制 利用PLC能接受和输出高速脉冲的功能，在配备相应的传感器(如旋转编码器)或脉冲伺服装置(如环型分配器、功放、步进电机)就能实现数字量的智能控制。 2. 模拟量控制 开关量的逻辑控制是PLC的最基本控制功能 PLC能把现场数据实时显示并记录下来，供进一步研究分析使用。 3. 数字量智能控制 4. 数据采集与监控 5. 通信、集散及智能控制 返回

  14. （a）控制线路 （b）电机主电路 图1.1 继电器控制电路 § 1-2-3 PLC控制的基本概念 例：用继电器控制电路实现两个电机分时启动. KT是时间继电器，KM1、KM2是两个接触器。分别控制电机M1、M2的运转。SB1为启动按钮，SB2为停止按钮。控制功能如下；按下启动按钮SB1 ，电机M1开始运转，过10秒钟后，电机M2开始运转；按下停止按钮SB2 ，电机M1、M2同时停止运转。

  15. 输入端子 输出端子 图1.2 PLC控制接线图 用PLC来实现上述的控制功能

  16. 输入部分 控制部分 输出部分 图1.3 PLC控制的等效电路图 工作原理

  17. 内部继电器的线圈用 表示 常开触点用 表示 表示 常闭触点用 概念： 1. PLC的内部继电器：并不是实际的硬继电器，每个内部继电器是PLC内部存储单元的一位，因此称为“软继电器”。 2. 梯形图：是从继电器控制电路的原理图演变而来的。梯形图是由 “软继电器”组成的控制线路。它们并不是真正的物理连接。而是逻辑关系上的连接，称为“软接线”。 返回

  18. §1-3 PLC的基本组成与各部分的作用 PLC的基本分类 整体式 小型机常采用整体式 组合式 中、大型机常采用组合式

  19. 主机 电 源 输出设备 输入设备 输入单元 输出单元 C P U I/O扩展 单元 编程器 I/O 扩 展 口 存 储 器 盒式磁带机 打印机 EPROM写入器 上位计算机 PLC 外设接口 系统程序 存储器 特殊功 能单元 用户程序 存储器 可编程终端PT … 整体式 PLC的基本组成框图

  20. 系 统 总 线 CPU单元 通信单元 输出单元 输入单元 智能I/O单元 编程器 … … PLC或 上位计算机 控 制 系 统 现 场 过 程 组合式 PLC的基本组成框图

  21. §1-3-1中央处理器（CPU） CPU指挥PLC完成各种预定的功能 • . 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。（编程） • . 诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误。（诊断） • . 用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来。（输入） • . 读取用户程序，解释和执行，完成程序中规定的操作。（执行程序） • . 将用户程序的执行结果送至输出端。（输出结果）

  22. §1-3-2存储器 元件映象寄存器：用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。 数据表：存放各种数据。每一个数据占一个字。可变参数、定时器/计数器的当前值和设定值、 A/D转换结果、运算结果等。 数据保持区：停电时可以保持数据的储器区域称为数据保持区。

  23. 直流输入单元 交流输入单元 晶体管输出单元 晶闸管输出单元 继电器输出单元 §1-3-3 输入/输出单元 PLC与外部设备联系的桥梁 开关量输入单元 开关量输出单元

  24. → → → → R1 S +5V 内 部 电 路 T 滤波 R2 C → → A COM R3 LED 直流输入电路 输入点 限流电阻 外部开关 公共端 输入点的状态显示 滤波电路 去高频抖动 光电耦合

  25. LED +5V → → → → 内 部 电 路 R1 S T → → R2 A ～ C R3 滤波 COM 交流输入电路 输入点 外部开关 输入点的状态显示 光电耦合 隔直电容 R1 R2构成分压电路

  26. +5V 内 部 电 路 T1 负载 → → R2 T2 LED → → D R3 R1 FU COM 晶体管输出电路 输出点的状态显示 光电耦合 输出点 保护二极管 公共端 续流二极管

  27. 负载 T 内 部 电 路 → → R2 ～ C → → LED R1 COM FU 晶闸管输出电路 输出点的状态显示 光控双向晶闸管 输出点 公共端 阻容吸收电路

  28. 内 部 电 路 负载 J LED → → ～ R COM 继电器输出电路 输出点的状态显示 机械触点 继电器 输出点 公共端

  29. §1-3-4电源单元 PLC由开关式稳压电源为内部电路供电 开关电源 输入电压范围宽 体积小 重量轻 效率高 抗干扰性能好 有的PLC能向外部提供24V的直流电源 可作为输入单元连接的外部设备的电源

  30. §1-3-5 I/O扩展端口 C28P I/O扩展端口

  31. I/O扩展端口 CPM1A的外设端口和I/O扩展端口

  32. I/O扩展端口可以连接的设备举例 I/O扩展单元 A/D转换单元

  33. 连接电缆 I/O扩展器 主机 CPM1A主机与I/O扩展器的连接

  34. I/O扩展端口连接扩展器的示意图

  35. §1-3-6其它外设端口 编程器 盒式磁带机 打印机 EPROM写入器 上位计算机 PLC 可编程终端PT … 外设端口

  36. §1-3-7编程工具 编程器是对PLC进行操作的工具 专 用 编 程 器 简易编程器 直插式、便携式 图形编程器 计算机辅助编程 在装有专用编程软件的计算机上编程

  37. 直插式编程器 指令键 显示屏 编程器 主机 运行位 编辑键 工作方式选择开关 清除键 监控位 数字键 键盘 编程位

  38. 工作方式选择开关 显示屏 便携式编程器 键盘

  39. CPM1A主机与编程器的连接

  40. CPM1A主机与编程器的连接

  41. 专用电缆 编程 软件 编程 软件 PLC PLC 计算机 RS-232电缆 计算机 通 信适配器 计算机辅助编程

  42. §1-3-8智能单元 智能单元本身是一个独立的系统 具有CPU、系统程序、存储器、接口 对组合式PLC： 智能单元是PLC系统的一个模块 与CPU单元通过系统总线相连接 在CPU单元的协调管理下独立地进行工作 对整体式PLC： 主机通过I/O扩展接口与智能单元连接

  43. A/D、D/A单元 高速计数单元 位置控制单元 智能单元 PID控制单元 速度控制单元 通信单元 智能单元的工作不参加循环扫描过程，按它自己的规律工作。由其本身的CPU控制。

  44. §1-4 PLC的编程语言 梯形图 编 程 语 言 语句表 逻辑功能图 逻辑方程式 布尔代数式

  45. 常开触点 常闭触点 线圈 并联连接 串联连接 常开触点闭合 常开触点打开 1：线圈通电 0：线圈断电 常闭触点打开 常闭触点闭合 §1-4-1 梯形图 由电气控制原理图演变而来。梯形图最左边是起始母线，最右边是结束母线。（可以省略） 梯形图的特点 • 梯形图中的继电器不是物理继电器，每个继电器实际上是映象寄存器中的一位，因此称为“软继电器”。 梯形图中继电器线圈是广义的 ，除了输出继电器、辅助继电器线圈外，还包括定时器、计数器、移位寄存器以及各种算术运算等。

  46. 每个继电器对应映象寄存器中的一位。其状态可以反复读取，因此可以认为继电器有无限多个常开触点和常闭触点，在程序中可以被反复引用。每个继电器对应映象寄存器中的一位。其状态可以反复读取，因此可以认为继电器有无限多个常开触点和常闭触点，在程序中可以被反复引用。 3. 梯形图的母线中无电流。 4. 梯形图中只出现输入继电器的触点，而不出现输入继电器的线圈。输入继电器的触点表示相应的输入信号。 5. 输出继电器供PLC作输出控制用。 6. PLC运行的顺序是“从左到右，从上到下”，逐一处理，扫描方式工作。 7. 用户程序执行时，输入触点和输出线圈的状态是从I/O映象寄存器中读取的，不是执行时现场开关的实际状态。梯形图中前面程序执行的结果马上可以被后面的程序执行所利用。

  47. §1-4-2 语句表 是一种与汇编语言类似的助记符编程表达式 PLC的语句：操作码 +操作数 操作码：用来指定要执行的功能，告诉CPU该进行什么操作。 操作数：包含为执行该操作所必须的信息。告诉CPU用什么地方的数据来执行此操作。 操作数的分配原则 为了让CPU区别不同的编程元件，每个独立的元件应指定一个互不重复的地址。 所指定的地址必须在该型机器允许的范围之内。超出机器允许的操作参数，PLC不响应，并以出错处理。 特点：键入方便，编程灵活。不如梯形图形象直观。

  48. §1-4-3 逻辑功能图 用基本逻辑关系表达控制功能。 §1-4-4 逻辑方程式或布尔代数式 用基本方程式或布尔代数式表达控制功能。 返回

  49. §1-5 PLC的工作原理 继电器控制电路是一种并行工作方式 §1-5-1 PLC的循环扫描工作过程 PLC机上电 初始化 公共处理 CPU对梯形图按自上而下，自左向右的逐次扫描、执行。PLC梯形图中各线圈的状态的变化在时间上是串行的，不会出现多个线圈同时改变状态的情况 循环扫描过程 执行程序 扫描周期计算处理 I/O刷新 外设端口服务 扫描周期：一次循环所需的时间。其长短与PC机性能、用户程序的长短有关。通常为几十ms

  50. 1. 公共处理 执行用户程序 硬件检查 正常 异常：PC停止运行 不正常 用户程序内存检查 警告：报警、继续执行 监视时间预置（WDT）：WDT时间预置

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