第1讲：PLC 基本原理

2020/1/171PLC自动控制培训2012-10-312020/1/1722002年毕业加入伊利集团工作2007年开始从事项目建设工作，接触自动控制先后完成沈阳前处理、成都前处理、滦县前处理、宁夏前处理、兰州前处理等新建工厂的前处理自动控制自我介绍2020/1/173第1讲－可编程控制器的基本原理第2讲－STEP7编程软件第3讲－PLC指令系统介绍第4讲－IEC61131-3编程语言标准第5讲－现场总线第6讲－WinCC组态软件练习培训计划2020/1/174PLC的发明和发展过程PLC（可编程控制器）是上个世纪60年代发展起来的一种新型自动化控制装置。最早是用于替代传统的继电器控制装置，功能上只有逻辑计算、计时、计数以及顺序控制等，而且只能进行开关量控制。因此，其英文原名为“ProgrammableLogicController”，简称PLC，中文称“可编程逻辑控制器”。后来，随着技术的进步，其控制功能已经远远超出逻辑控制的范畴，其名称也就改为“ProgrammableController”，简称PC。但PC又容易与个人计算机“PersonalComputer”的简称PC产生混淆，所以近年来人们又倾向于使用PLC这一简称，中文仍然称“可编程控制器”。2020/1/175PLC的发明过程上个世纪60年代，由于美国汽车工业需要进行大规模的技术改造和设备更新，由传统的继电器控制装置来进行控制，不仅体积庞大，故障率高，柔性差，不灵活，耗能，而且调试困难，可靠性也差．１９６８年由美国通用汽车公司提出使用新一代控制器的设想．从用户的角度考虑，该公司对新一代控制器提了１０点要求，为各大公司提供了明确的开发目标．次年，就由美国DEC（数字设备公司）首先研制成功第一台可编程逻辑控制器PDP-14．差不多同时，美国MODICON公司也研制出084控制器．它们的问世，引起了全世界的瞩目，美国的其他公司和西欧，日本等工业发达国家，也相继研究开发出类似的产品．2020/1/176PLC的发展过程由于PLC吸取微电子技术和计算机技术的最新成果，因此，发展十分迅速，从单机自动化到整条生产线的自动化，乃至整个工厂的生产自动化，从柔性制造系统，工业机器人到大型分散型控制系统，PLC均担当着重要角色。PLC技术代表了当今电气程序控制的最先进水平。通过PLC与各种单元自动化装置（例如，智能仪表、数字化传动装置、智能的液压和气动阀组等）以及现场总线、计算机网络系统，构成了车间和工厂自动化的完整体系。2020/1/177PLC的应用范围广泛可编程控制器应用非常广泛，近年来对国内进行的调查，在各个领域应用分布大致如下：钢铁和有色冶金＿35％汽车和机械制造＿20%轻工，食品，包装，造纸＿16%化工，石油，工艺过程＿13%交通运输，矿山＿7%能源，电站，泵站，水处理＿7%科研试验，教学＿2%2020/1/178PLC发明之前传统控制装置的缺点在PLC发明之前，在工业控制的顺序控制领域内，常常采用诸如继电器，鼓式开关，纸带阅读器等机械，电气式器件作为控制元件，尤其是控制继电器，在离散制造过程控制领域内，成为＂开关控制系统＂中最广泛使用的器件．但是，随着工业现代化的发展，生产规模越来越大，劳动生产率及产品质量的要求在不断提高，对于控制系统的可靠性也提出了更高的要求，原有＂继电器控制系统＂已不适应需要，究其原因是：动作缓慢，寿命短，可靠性差，体积大，耗电多，设计制造周期长，程序修改费时，不能实现与计算机对话2020/1/179在工业控制领域需要一种新的控制器到60年代后期，虽然小型计算机已日趋完善，应用领域也在不断扩大，但小型计算机用于开关控制系统，又显然存在着＂大马拉小车＂的状态，这是由于小型计算机：编程复杂，要求有较高水平的编程人员和操作人员，需要配套非标准的外部接口，对环境和现场条件的要求过高，功能过剩，机器资源未能充分利用，造价高昂。2020/1/1710PLC适合于新的控制要求需要与可能，促使人们寻求新的出路，PLC即应运而生．它首先应用于美国的汽车工业，这时的PLC，用了固态（集成）电路来代替继电器逻辑电路，用存储器电路中的存储数位（程序）来代替继电器系统的布线，以程序来规定逻辑关系；用固态I/O电路来检测按钮和限位开关的信号，给出输出以控制电机和其它执行机构．2020/1/1711PLC控制器具有一些新的特点这时的PLC系统已开始具有如下一些特点：环境适应性较强，可以使用于车间现场,有较高的可靠性和诊断能力，维修容易,基本能适应不同的制造过程所需，柔性度有了较大提高，只要改变系统中的程序即可改变控制逻辑，而无需改造或更换控制硬件等．2020/1/1712微处理器开始引入PLC领域自1976年以来，微处理器开始引入PLC领域，大大加强了PLC的作用，使PLC由简单地代替继电器电路，而发展为先进的控制装置．当今PLC具有采集与处理大量数据，完成数学运算，与其它智能器件通信的能力，以及具有先进的人－机对话手段（如键盘，CRT和语音对话）,近年来由于现场总线理念的出现和相关标准的建立，以及产品的迅速发展，PLC成为现场总线的一个重要组成部分，进一步扩大了PLC的应用领域．2020/1/1713PLC的应用迅速得到扩大由于PLC同时提高了功能和柔性度，使其应用迅速增长，并普及到许多其它离散零件制造工业领域．以及随后又扩展到批量生产和连续生产过程有关的工业领域．随着CIMS（计算机集成制造系统）的发展，PLC当前还被人们用于工厂通信网络之中，与其它智能控制器和计算机系统一起，成为计算机综合控制系统中的重要组成部分，特别是单元级和工作站级．2020/1/1714PLC的发展经历了三个阶段第一阶段：开发的PLC容量较小，I/O点数小于120点．用户存储区容量在2KB左右，扫描速率为20—50ms/KB,指令较为简单，只有逻辑运算，计时，计数等，编程语言采用简单的语句表语言．使用上，主要用来作开关量控制．第二阶段：PLC的容量有所扩展，I/O点数从512点至1024点，用户程序存储区扩展到8KB以上，速率也有提高，扫描速率达到5—6ms/KB,指令功能除了基本的逻辑运算，计时，计数外，还增加了算术运算指令，比较指令，以及模拟量处理指令等，输入／输出类型也由纯开关量I/O，扩展为带模拟量的I/O．编程语言除了使用语句表外，还可以使用梯形图编程语言．2020/1/1715PLC的发展经历了三个阶段第三阶段：进入80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的PLC得到惊人的发展，其功能远远超出了上述两阶段的产品．使PLC在概念，设计，性能／价格比以及应用方面都有了新的突破．这一阶段的产品向大型和小型两个方向发展．大型产品的I/O点数，超出4000点，有些产品达到8000个I/O点，用户存储区容量超过32KB，配置有各种智能模块（例如，温度控制模块，轴定位模块，过程控制模块等）和通信模块，扫描速率也大大提高，达到0.47ms/KB。2020/1/1716PLC的发展经历了三个阶段第三阶段PLC的指令功能，除了基本的逻辑运算，计时，计数，顺序控制外，还有算术浮点运算指令，PID调节功能指令，图形组态功能指令，网络和通信指令等．编程语言普遍采用梯形图语言，同时也使用语句表和顺序功能图语言（典型的有GRAFCET语言）．为了提高系统的可靠性，设计上考虑了容错技术和冗余技术等．这一阶段的小型产品向超小型化和加强型功能发展，有16点I/O，24点I/O的整体型小型PLC，在小型PLC上配置模拟量I/O，通信口，高速计数，指令上也设置有算术运算，比较指令以及PID调节指令．小型PLC使用的手握式编程器使用大面积液晶显示器，也可以用梯形图和GRAFCET语言进行编程．2020/1/1717PLC的软件也得到进一步的改进这一阶段PLC的软件设计也有很大改进，普遍实现了软件模块化设计，在PLC产品上提供大量的通用和专用软件功能模块，用户通过简单的功能调用就可实现复杂的控制任务，给使用带来极大的方便．使用的编程器越来越完善，专用编程器实际上已经是一台个人计算机，可以实现离线编程或在线编程及监控，程序打印以及程序固化，实现图形组态，可以联网（即挂在PLC网络上）。有些编程器还可以使用高级语言。2020/1/1718PLC已经成为控制领域的最重要手段除了专用编程器外，很多PLC可以使用通用的笔记本电脑实现编程，开发一些专用软件，充分利用个人计算机的能力，完成各种高级的编程功能，省却了专用编程器，既便于推广又节省投资．随着技术的进步，PLC的功能越来越强，应用范畴越来越广，与其它工业控制机，例如，分散型控制系统（DCS）的界限已经不十分明显，很多以往必须由分散型控制系统来完成的控制，现在用PLC都能实现，因此在应用上＂交错＂已经成为普遍现象．2020/1/1719PLC的定义和硬件、软件的基本构成根据IEC标准，给PLC下的定义：它是在工业环境中使用的数字操作的电子系统，它使用可编程存储器内部储存用户设计的指令，这些指令用来实现特殊的功能，诸如逻辑运算，顺序操作，定时，计数以及算术运算和通过数字或模拟输入／输出来控制各种类型的机械或过程。2020/1/1720PLC控制器的特点1.控制程序可变，具有很好的柔性，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改变程序就可满足要求．因此，除单机控制外，PLC在柔性制造单元（FMC）,柔性制造系统（FMS），以致工厂自动化（FA）中也被大量采用．2.具有高度可靠性，适用于工业环境，PLC产品的平均故障间隔时间（MTBF）一般可达到5年以上，因此是一种高度可靠的工业产品，大大提高了生产设备的运行效率．PLC不要求专用设备的机房，这为工业现场的大量直接使用提供了方便．2020/1/1721PLC控制器的特点3.功能完善现代PLC具有数字和模拟量输入／输出，逻辑和算术运算，定时，计数，顺序控制，PID调节，各种智能模块，远程I/O模块，通信，人－机对话，自诊断，记录和图形显示，组态等功能．除了适用于离散型开关量控制系统外，现在也能应用于连续的流程控制系统，从而使设备的控制水平大大提高。2020/1/1722PLC控制器的特点4.易于掌握，便于维修，由于PLC使用编程器进行编程和监控，使用人员只需掌握工程上通用的梯形图语言（或语句表，流程图）就可进行用户程序的编制和测试．因此，即使不太懂得计算机的操作人员，也能掌握和使用PLC．也由于PLC有完善的自诊断功能，输入／输出均有明显的指示，在线监控软件的功能很强，因此，很容易进行维修，能很快查找出故障的原因．PLC本身高可靠性也保证了故障的几率是很低的．体积小，省电，与传统的控制系统相比，PLC的体积很小，一台收录机一样大小的PLC具有相当于三个1.8m高继电器控制柜的功能．PLC消耗的电能只是传统控制系统的1/3至1/2。2020/1/1723PLC控制器的特点5.价格低廉随着集成电路芯片功能的提高，价格的降低，可编程控制器硬件的价格也一直不断地在下降．根据最近市场统计，国外小型PLC平均每一个I/O点为14-20美元，中型PLC折算每个I/O点为20-35美元，大型PLC折算每个I/O点为40-80美元．虽然PLC的软件价格在系统中所占的比重在不断提高，但由于缩短了整个工程项目的设计，编程和投运费用以及缩短了整个投运周期，因此，使用PLC的总造价是低廉的，而且还呈不断下降的趋势．2020/1/1724PLC的硬件体系执行机构过程或机械传感器HMIOP操作面板打印机通信接口连接其它PLC或上位计算机编程单元键盘显示器外部存储单元中央处理单元　CPU外部设备接口输出接口输入接口为永久性连线为暂时性连线为选择性连线图2.1　　PLC及其外部设备联系框图2020/1/1725PLC的工作原理PLC控制的对象是“过程”或“机械”，由传感器采集“过程”或“机械”的信息，送入PLC的输入单元，经PLC的中央处理单元处理，结果通过P