第三章可编程控制器技术概述.

1第三章可编程控制器概述2本章内容●PLC的特点、应用和发展●PLC的分类●PLC的系统组成●PLC的工作原理●PLC的编程语言和程序结构33-1可编程控制器概述可编程控制器：是专门为工业现场应用而设计制造的计算机。4逻辑运算顺序控制计时计数1969年美国数字设备公司(DEC)研制开发出世界上第一台可编程序控制器。装置的主要功能命名为可编程逻辑控制器—PLC(ProgrammableLogicalController)5计算机技术的融入，使PLC功能极大地丰富PLC的功能1980年正式命名为可编程序控制器(ProgrammableController)—PC→PLC数据运算数据处理过程控制通讯联网原有功能6PLC的特点抗干扰能力强，可靠性高体积小，维护操作方便控制系统结构简单、通用性强编程方便，易于使用设计、施工、调试的周期短功能完善3-2可编程控制器的特点7★控制系统结构简单8缺点：●PLC的硬件体系是封闭的：如专用总线、专用通信网络及协议，I/O模板不通用，甚至连机柜、电源模板亦各不相同。●软件体系结构也是封闭的：编程语言的组态、寻址等均不同，互不兼容。9运算速度快存储容量大性能价格比高功能丰富体积小巧故障检测容易编程简单现代PLC的特性3-3.可编程序控制器的发展趋势10高性能、高速度、大容量发展采用多CPU结构进行多通道、多任务处理CPU采用32位微处理器增加智能控制功能（如PID控制、模糊控制、自适应控制，参数自整定等功能）支持组态设计今后可编程序控制器的发展趋势：11向小型化、专用化、低成本方向发展大力发展微型PLC、专用PLC，不断增强PLC的功能，降低成本，使得能在更广泛的领域里代替电气控制系统。掌上PLC高性能支持多种编程方式12大力开发智能模块如模拟量I/O、高速计数输入、机械运动控制、热电偶输入、条形码阅读器、模糊控制器、PID回路控制、通信模块等。智能模块本身带有CPU和存储器，有很强的信息处理能力和控制功能，它的CPU与可编程序控制器的主CPU并行工作，完成一些特殊的控制功能。13PLC编程语言标准化1994年IEC公布了PLC标准—IEC61131-3顺序功能图（SFC）●梯形图功能块图●指令表结构文本PLC的硬件、软件的体系结构都是封闭的。各厂家的PLC编程语言、指令系统的功能、表达方式有很大的差异，通信网络和通信协议是专用的。互不兼容。14PLC通信的易用化和“傻瓜化”开发针对不同外部设备、现成的通讯程序，用户使用时，只要作一些硬件或软件上的初始化设置，不需要编程，使得通信功能易于使用。PLC的软件化开发在PC机上运行的实现可编程控制器功能的软件包（称软件PLC）。可在PC机上用梯形图、顺序功能图等图形语言来编程，程序输入后，在PC上作过程模拟仿真。15PLC与现场总线（Fieldbus）相结合将现场的各种智能测控装置(如传感器、仪表、执行机构、PLC等)通过数字现场总线连为一体，按照公开、规范的通信协议，实现彼此间的数据传输与信息交换，共同实现自动控制功能。增强通信联网能力16基于现场总线的现场级与车间级自动化系统17PLC著名品牌世界几大PLC生产厂家：•美国A－B公司（Allen－Bradley）•德国西门子公司（Siemens）•美国GE－Fanuc公司•美国的莫迪康（Modicon）和法国的TE电器公司•日本欧姆公司（OMRON）•日本三菱电机株式会社（MITSUBISHI）•日本富士电机株式会社（FujiElectric）•日本东芝公司（TOSHIBA）•日本松下电工株式会社（MEW）：MatsushitaElectricWorksLtd）18▲按I／O点数和存储器容量来分●小型PLCI／O总点数:128点以下;用户程序存储器容量:4K字以下;以开关量控制为主，有少量的模拟量处理能力和一定的通讯功能。§3-4可编程控制器的分类19●中型PLCI/O总点数:128～2048点之间;用户程序存储器容量:2～8K字。具有很强的逻辑处理能力、数据运算、数据处理、模拟量处理及通讯能力。用于复杂的逻辑控制及连续生产的过程控制。20●大型PLCI/O总点数:2048点以上;用户程序存储器容量:8～16K字;大型PLC的功能与工业控制计算机相当，具有计算、控制和调节功能，还具有很强的网络结构和通讯联网等功能。21●整体式：小型PLC都采用整体式结构。特点：将PLC的基本部件CPU、存储器、输入/输出电路、电源等集中地安装在一个机壳内，构成一个可以完成一定控制任务的PLC基本单元。▲按照结构形式来分22●叠装式特点：由整体式PLC+扩展单元组成的PLC系统，构成叠装式PLC控制系统。CPU单元扩展单元23●模块式特点：是把组成PLC的基本部件CPU、存储器、输入/输出电路、电源及各种功能控制单元都作成标准模块，将这些模块插接在基板上，构成PLC控制系统。24电源模块CPU模块信号模块底板中、大型PLC多采用模块式，可根据需要在主板上随意组合。模块式PLC通信模块25§3-5可编程控制器的系统组成不同厂家PLC的组成结构和工作原理基本相同，主要是由CPU﹑电源﹑存储器、输入输出单元组成。26CPU由控制器、运算器和寄存器构成；各部件通过总线连接。输入/输出设备通过I/O接口与系统相连；存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU1.中央处理单元（CPU）27▲CPU的作用●接收编程器输入用户程序，送存储器存储;●用扫描方式接收现场输入设备的状态和数据，并存入输入映像寄存器中;●监视电源、PLC内部电路的工作状态；●诊断编程过程中的语法错误，对用户程序进行编译；28●完成用户程序中规定的逻辑运算、算术运算和数据处理等任务；●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，实现输出控制、制表打印或数据通讯等功能；●响应各种外部设备的请求。29●小型PLC的CPU多采用8位微处理器或单片机●中型PLC的CPU多采用16位微处理器或单片机●大型PLC多采用高速位片式微处理器30存储器系统存储器用户存储器存放系统程序、用户程序、系统组态及用户程序运行过程中产生的各种工作数据存放由PLC厂家编写的系统程序，固化在ROM中＝＋2.存储器用户程序存储器存放用户编写的应用程序用户数据存储器存放用户程序用到或产生的工作数据。31▲PLC存储单元的类型●随机存取存储器（RAM）●只读存储器（ROM）●电可擦写式存储器（E2PROM）●快闪存储器（FEPROM）PLC的存储器多数都直接集成在CPU模块内部。32（1）输入/输出单元的组成●与被控设备相连的接口电路●输入和输出映像寄存器（2）输入/输出信号的类型PLC的I/O信号分为：开关量、模拟量。3.输入、输出单元33（3）输入接口电路的作用●开关量：接收外部开关的通/断信号，经隔离、并转化为PLC内部的“0”、“1”信号，存入输入映像寄存器中。●模拟量：接收外部传感器、变送器送来的模拟量信号。通过接口电路进行A/D转换，变成数字量信号，存入模拟量输入映像寄存器中。34（4）输出接口电路的作用●开关量：保存、隔离、将PLC内部的“1”、“0”信号转化为外部负载电路通断状态，驱动开关量执行元件。●模拟量：将PLC内部的数字量信号进行D/A转换，变成标准模拟量信号，驱动模拟量负载。（5)开关量输入接口电路▲开关量输入信号分类:交直流输入●直流输入●交流输入35▲直流输入接口电路工作原理开关量直流输入接口电路图限流电阻滤波电路光电偶合器发光二极管光敏三极管直流输入接口电路延迟时间短，可直接与接近开关、光电开关等电子输入装置相连。36▲交流输入接口电路工作原理开关量交流输入接口电路图交流输入电路适合于有油雾、粉尘的恶劣环境。37（6)开关量输出接口电路PLC的开关量输出类型有三种:●继电器输出型（常用）●晶体管输出型（通断频率要求高的场合）●晶闸管输出型（通断频率要求高的场合，使用较少）38继电器输出型PLC的内、外部电路之间通过输出继电器相连（磁电隔离）。特点●可带交流、直流负载;●输出点的容量较大,最大负载电流为2A/点。●输出响应速度慢，继电器输出型PLC的动作频率低。39晶体管输出型PLC的内、外部电路之间通过光电耦合器相连。特点●只能带直流负载;●输出点的容量较小,最大负载电流为0.75A/点。●输出响应速度快，晶体管输出型PLC的动作频率高(可达几十KHZ)。40可控硅输出型PLC的内、外部电路之间通过光电耦合器相连。特点●只能带交流负载;●输出点的容量较小,最大负载电流为1.2A/点。●输出响应速度快，晶闸管输出型PLC的动作频率高。光触发双向可控硅双向晶闸管41▲作用•把PLC外部工作电源变换成系统内部各单元所需的直流电源。PLC的电源一般采用开关式电源。4.电源单元（一般使用交流220V或直流24V电源）425、通讯接口：与监视器、打印机、其他的PLC或计算机相连。6、扩展接口：将I/O扩展单元、功能模块与基本单元相连。通讯接口扩展接口扩展电缆43可编程控制器的基本组成CPU存储器I/O单元电源通讯接口扩展接口44▲作用:供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视▲编程器分类:●简易型（手持式）编程器：由简易键盘和显示器件组成，只能联机编程，且只能采用指令表语言输入。●智能型编程器（图形编程器）：它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRT图形显示功能，可以直接输入梯形图，并通过屏幕对话。简易型编程器7、PLC的外设--编程设备45可以通过键盘输入和调试程序；程序运行时，可通过编程器的屏幕对整个控制过程进行监控。●用安装了编程软件的PC机8、其他部件PLC还可配有存储器卡、远程I/O、智能模块等其他外部设备远程I/O46•继电器控制系统---1）PLC的工作方式并行工作方式§3-7PLC的工作原理47•PLC的工作方式串行方式----集中输入数据顺序执行程序集中输出数据循环扫描工作方式48循环扫描工作方式•PLC按集中输入数据、顺序执行用户程序、集中输出结果，周而复始、重复循环的方式工作,称为循环扫描工作方式。•每一次循环扫描所用的时间称为扫描周期。•扫描周期的长短与下列因素有关：●用户程序的长短●采用的指令类型●CPU的运行速度492.PLC的工作框图▲上电处理初始化--硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定及其它初始化处理等。PLC的工作全过程包括:▲扫描过程：▲出错处理：50在一个扫描周期中，PLC一般将完成部分或全部的以下操作：读输入处理通信请求执行逻辑控制程序写输出执行CPU自诊断513.PLC工作过程的中心内容★★★PLC的主要工作过程52●输入采样阶段输入采样阶段，PLC首先扫描所有输入端子，并将各输入端子的状态存入相对应的输入映像寄存器中，然后进入程序执行阶段。此后输入信号变化，必须保持到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新刷新输入映像寄存器的内容。故输入信号的宽度要大于一个扫描周期。PLC主要工作过程★★★53●程序执行阶段PLC根据用户程序从输入映像寄存器中“读入”对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应软元件的当前状态，并按照从左到右、从上到下的步骤顺序执行用户程序。运算结果存入元件映像寄存器中。执行完最后一条指令后，转入输出刷新阶段。54●输出刷新阶段将元件映像寄存器中所有输出继电器的状态通过输出锁存器，写到输出端子上，最后驱动外部负载。554.PLC对输入/输出的处理原则•输入映像寄存器的数据取决于输入端子上各输入点在上一刷新期间的接通和断开状态。•程序执行结果取决于用户所编程序和输入/输出映像寄存器的内容及其他各元件映像寄存器的内容。•输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果。•输出锁存器中的数据，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定。•输出端子的接通和断开状态，由输出锁存器决定。56§3-8PLC的编程语言▲梯形图语言（LAD--Ladder）能流只能从左向右流动，不能反