79第3章PLC概述

山东轻工业学院电气教研室1本章内容PLC的产生和定义PLC的发展和应用PLC的特点PLC与其他控制系统的区别PLC的分类PLC的系统组成PLC的工作原理PLC的编程语言山东轻工业学院电气教研室23.1PLC的产生和定义PLC的产生背景情况传统的继电器控制系统的优点；传统的继电器控制系统的缺点；当时小型计算机的不足；工业生产过程激烈竞争的要求。山东轻工业学院电气教研室3GM公司的招标1968年，GM10条：编程方便，可现场修改程序；维修方便，采用插件式结构；可靠性高于继电器控制装置；体积小于继电器控制盘；数据可直接送入管理计算机；成本可与继电器控制盘竞争；输入可以是交流115V（美国电压标准）；输出为交流115V，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器、电磁阀等；扩展时原系统改变最小；用户存储器至少能扩展到4kB。山东轻工业学院电气教研室43.1PLC的产生和定义PLC的产生1969年DEC（美国数字设备公司）公司生产出第一台PLC。名字ProgrammableLogicController－PLCProgrammableController－PC原因：计算机的发展，增加了许多功能山东轻工业学院电气教研室53.1PLC的产生和定义PLC的定义可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，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出，控制各种类型机械的生产过程。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。山东轻工业学院电气教研室63.2PLC的发展PLC的发展概述MODICON的084、日本的DS-80（71年）、欧洲（73年）；总体发展情况（功能方面）。PLC发展的五个阶段初级阶段从第一台PLC问世到20世纪70年代中期。（简单功能、梯形图编程）崛起阶段从20世纪70年代中期到80年代初期。（功能增强、推广应用）成熟阶段从20世纪80年代初期到90年代初期。（大规模应用、通信联网）飞速发展阶段从20世纪90年代初期到90年代末期。（过程控制、复杂控制系统）开放性、标准化阶段从20世纪90年代中期以后。（IEC61131）山东轻工业学院电气教研室73.2PLC的发展PLC的发展趋势向小型化、专用化、低成本方向发展向大容量、高速度、信息化方向发展智能化模块的发展；典型的智能化模块主要有：高速计数模块，定位控制模块，温度控制模块，以太网通信模块和各种现场总线协议通信模块。人机界面（接口）的发展编程工具的发展功能强大、价格低廉的HMI(Human-MachineInterface)基于PC的组态软件山东轻工业学院电气教研室8在过程控制领域的使用以及PLC的冗余特性冗余包括：CPU系统，I/O模块以及热备份冗余软件等。开放性和标准化通信联网功能的增强和易用化山东轻工业学院电气教研室9软PLC的概念所谓软PLC就是在PC机的平台上，外Windows操作环境下，用软件来实现PLC的功能。PAC的概念PLC的“80-20”法则：（1）80%的PLC应用场合都是使用简单的低成本的小型PLC；（2）78%的PLC都是使用的开关量；（3）80%的PLC应用使用20个左右的梯形图指令就可解决问题。其余的20%的应用要求或控制功能要求使用PLC无法轻松满足，而需要使用别的控制手段或PLC配合其他手段来实现。于是，一种能结合PLC的高可靠性和PC机的高级软件功能的新产品应运而生，这就是PAC。山东轻工业学院电气教研室10PLC在现场总线控制系统中的位置现场总线是“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线，是当前工业自动化的热点之一。优点：（1）节约硬件数量和投资；（2）节省安装费用；（3）节省维护费用；（4）提高了系统的控制精度和可靠性；（5）提高了用户的自主选择权。山东轻工业学院电气教研室113.3PLC的应用领域PLC为什么能得到广泛使用价格越来越低功能越来越强与时俱进地发展山东轻工业学院电气教研室12PLC的应用领域中小型单机电气控制系统制造业自动化运动控制流程工业自动化山东轻工业学院电气教研室133.4PLC的特点PLC的特点如下：抗干扰能力强，可靠性高控制系统结构简单，通用性强编程方便，易于使用功能强大，成本低设计、施工、调试的周期短维护方便山东轻工业学院电气教研室143.5PLC与其他控制系统的区别与继电器控制系统的区别控制逻辑：软－硬工作方式：并行－串行可靠性和可维护性控制速度定时控制设计和施工山东轻工业学院电气教研室15与IPC控制系统的区别与单片机控制系统的区别本质区别使用场合使用过程使用成本学习的难易程度山东轻工业学院电气教研室163.5PLC与其他控制系统的区别与DCS、FCS的区别DCS（集散控制（DCS，即Distributedcontrolsystem，直译为分散控制系统））的特点PLC的特点FCS的特点三者之间的融合山东轻工业学院电气教研室173.6PLC的分类按I/O容量分小型机:I/O点数在128点一下。中型机：点数在128~2048。大型机：点数在2048以上。山东轻工业学院电气教研室18按结构形式分整体式整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。山东轻工业学院电气教研室19模块式模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。山东轻工业学院电气教研室203.7PLC的系统组成1.CPU2.存储器3.I/O单元4.电源5.通信接口6.扩展接口7.编程设备8.其他部件山东轻工业学院电气教研室211、CPU当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。组成：CPU由控制器、运算器和寄存器组成。这些电路集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。山东轻工业学院电气教研室222、存储器具有记忆功能的半导体电路。分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为3~5年。山东轻工业学院电气教研室233、I/O单元（1）输入接口：光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。发光二级管：在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。山东轻工业学院电气教研室24（2）输出接口PLC的继电器输出接口电路工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。三种类型：继电器输出：有触点、寿命短、频率低、交直流负载晶体管输出：无触点、寿命长、直流负载晶闸管输出：无触点、寿命长、交流负载山东轻工业学院电气教研室254、电源部分PLC配有开关式稳压电源的电源模块，用来对PLC的内部电路供电。PLC一般使用220V的交流电源或者24V的直流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、±12V，24V等直流电源。整体式的小型PLC还提供一定容量的直流24V电源，供外部有源传感器使用。山东轻工业学院电气教研室265、扩展接口扩展接口用于将扩展单元或功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要。6、通信接口7、编程设备8、其他部件山东轻工业学院电气教研室273.8PLC的工作原理PLC的运行方式理解PLC的运行过程（和继电器系统比较）山东轻工业学院电气教研室283.8PLC的工作原理PLC的运行方式形象理解典型例子山东轻工业学院电气教研室293.8PLC的工作原理PLC的运行方式PLC的工作方式PLC的工作按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。工作过程上电处理扫描过程出错处理山东轻工业学院电气教研室303.8PLC的工作原理PLC的运行方式形象理解PLC的工作方式山东轻工业学院电气教研室313.8PLC的工作原理PLC扫描过程的中心内容输入采样阶段一般情况下，PLC对输入信号的要求程序执行阶段输出刷新阶段山东轻工业学院电气教研室323.8PLC的工作原理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板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。山东轻工业学院电气教研室333.9PLC的编程语言PLC的编程语言概述IEC61131-3五种编程语言梯形图（LadderDiagram，LD）、功能块图（FunctionBlockDiagram，FBD）顺序功能图（SequentialFunctionChart，SFC）结构化文本（StructuredText，ST）指令表（InstructionList，IL）山东轻工业学院电气教研室34梯形图（LadderDiagram，LD）梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。梯形图编程中，用到以下四个基本概念：山东轻工业学院电气教研室351.软继电器PLC梯形图中