第1章-可编程控制器概述

S7-300可编程控制器(PLC)教程第1章可编程控制器概述重点与难点：可编程序控制器的工作原理。基本要求：1．熟悉可编程序控制器的定2．理解可编程序控制器的工作原理；3．掌握可编程序控制器的分类和特点；4．熟练可编程序控制器的编程语言。本章内容：1．PLC的产生和定义；2．PLC的分类和特点；3．PLC的工作原理；4．PLC的功能和应用；5．PLC与微机系统和继电器系统的区别；6．PLC的发展；7．PLC的性能指标；8．PLC的编程语言。可编程控制器的分类和特点1.2PLC的功能及应用1.4可编程控制器的产生和定义1.1PLC与微型计算机系统和继电器系统的区别1.5PLC的工作原理1.3PLC的编程语言1.8本章小结1.9PLC的性能指标1.7PLC的发展1.61.1可编程控制器的产生和定义可编程序控制器（ProgrammableController，PC）在其早期主要应用于开关量的逻辑控制，因此也称为可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）。可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、编程简单、功能强、抗干扰能力强、可靠性高、灵活通用、维护方便等优点，目前在冶金、化工、交通、电力等工业控制领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制的四大支柱（可编程序控制器技术、机器人技术、CAD/CAM和数控技术）之一。1.1.1可编程控制器的产生1968年通用汽车公司提出了新型控制器所必须具备的10大条件（有名的“GM10条”）。①编程简单，可在现场修改程序；②维护方便，最好是插件式；③可靠性高于继电器控制柜；④体积小于继电器控制柜；⑤可将数据直接送入管理计算机；⑥在成本上可与继电器控制柜竞争；⑦输入可以是交流115V；⑧输出可以是交流115V，2A以上，可直接驱动电磁阀；⑨在扩展时，原有系统只要很小变更；⑩用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。1969年，美国数字设备公司（GEC）研制成功第一台可编程序控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面。进入20世纪70年代，随着微电子技术的发展，PLC采用了通用微处理器，这种控制器就不再局限于当初的逻辑运算了，功能不断增强。因此，实际上应称之为可编程序控制器（PC）。至20世纪80年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PC得到了惊人的发展。使PC在概念、设计、性能、价格、应用等方面都有了新的突破。不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图像显示的发展，使PC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。1.1.2可编程控制器的定义在第三稿中，对PLC作了如下定义：可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。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、算术运算等操作指令，并通过数字的，模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。定义强调了PLC有以下特点。①PLC是数字运算操作的电子系统，也是一种计算机。②PLC专为在工业环境下应用而设计。③PLC使用面向用户指令—编程方便。④PLC进行逻辑运算、顺序控制、定时计算和算术操作。⑤PLC进行数字量或模拟量输入输出控制。⑥PLC易与控制系统联成一体。⑦PLC易于扩充。1.2可编程控制器的分类和特点1.2.1可编程控制器的分类由于PLC的品种、型号、规格和功能各不相同，要按统一的标准对它们进行分类十分困难。通常，按I/O点数可划分成大、中、小型三类；按功能强弱又可分为低档机、中档机和高档机三类。1．按组成结构形式分类（1）一体化整体式PLC（2）模块式结构化PLC2．按I/O点数分类（1）小型PLC（2）中型PLC（3）大型PLC3．按输出形式可以分类（1）继电器输出为有触点输出方式，适用于低频大功率直流或交流负载。典型的继电器输出电路如图1-1所示。图1-1继电器输出（2）晶体管输出为无触点输出方式，适用于高频小功率直流负载。典型的NPN和PNP晶体管输出电路如图1-2所示。图1-2晶体管输出（3）晶闸管输出为无触点输出方式，适用于高速大功率交流负载。典型的晶闸管输出电路如图1-3所示。图1-3晶闸管输出1.2.2可编程控制器的特点为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，PLC有以下一些特点。（1）可靠性高，抗干扰能力强。工业生产对控制设备的可靠性要求如下。①平均故障间隔时间长。②故障修复时间（平均修复时间）短。电子设备产生的故障，通常为以下两种。①偶发性故障。②永久性故障。①硬件措施主要模块均使用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作由无触点的电子存储器完成，I/O系统设计有完善的通道保护和信号调理电路。屏蔽滤波电源调整与保护隔离采用模块式结构②软件措施有极强的自检及保护功能。故障检测信息保护与恢复设置警戒时钟WDT（看门狗）加强对程序的检查和校验对程序及动态数据进行电池后备（2）通用性强，控制程序可变，使用方便。（3）功能强，适应面广。（4）编程简单，容易掌握。（5）减少了控制系统的设计及施工的工作量。（6）体积小、重量轻、功耗低、维护方便。1.3PLC的工作原理1.3.1PLC的工作过程图1-4PLC的工作过程图1．输入采样阶段2．程序执行阶段3．输出刷新阶段1.3.2PLC的I/O滞后现象造成I/O响应滞后的原因有以下3种。（1）扫描方式：一个扫描周期内对所有输出只刷新一次。（2）电路惯性：输入滤波时间常数和输出继电器触点的机械滞后。（3）与程序设计安排有关。PLC的等效电路如图1-5所示。图1-5PLC的等效电路示意图1.3.3PLC的组成结构PLC的基本组成可归为4大部件。整体结构的PLC的4部分装在同一机壳内，模块式结构的PLC的各部件独立封装，称为模块，通过机架和总线连接而成。I/O的能力可按用户的需要进行扩展和组合。另外，还必须有编程器来将用户程序写进规定的存储器内。PLC的基本结构框图如图1-6所示。图1-6PLC的基本结构框图1．中央处理单元（CPU）一般PLC使用下列CPU芯片。（1）通用微处理器，如Intel公司的8086、80186到Pentium系列芯片。（2）单片微处理器（单片机），如Intel公司的MCS-96系列单片机。（3）位片式微处理器，如AMD2900系列位片式微处理器。一般的中型可编程控制器多为双微处理器系统，一个是字处理器，另一个为位处理器，也称布尔处理器，CPU处理速度是指PLC执行1000条基本指令所花费的时间。CPU是PLC的核心部分。与通用微机CPU一样，CPU在PC系统中的作用类似于人体的神经中枢。2．存储器存储器主要存放系统程序，用户程序及工作数据。存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序存储器用来存放PLC的系统软件，用户程序存储器用来存放I/O状态及用户程序。系统程序存储器——存放系统工作程序（监控程序）、模块化应用功能子程序、命令解释、功能子程序的调用管理程序和系统参数。（系统程序存储器不能由用户直接存取）用户程序存储器——存放用户程序。即用户通过编程器输入的用户程序。功能存储器（数据区）——存放用户数据。用户存储器PLC的用户存储器通常以字（16位/字）为单位来表示存储容量。PLC所用的存储器基本上由PROM，EPROM，EEPROM、RAM等组成的。（1）随机存取存储器（RAM）（2）只读存储器（ROM）（3）可电擦除可编程的只读存储器（EEPROM）用户数据有以下类型（1）位数据（bit）（2）字节数据（Byte）（3）字数据（Word）（4）双字数据（Dword）（5）混合数据（位与字节或字）3．输入/输出部件输入/输出部件又称I/O模块。输入模块用来接收和采集输入信号。数字量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等处来的数字量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流、电压信号。数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置、报警装置等输出设备；模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。PLC通过I/O接口可以检测被控对象或被控生产过程的各种参数，以这些现场数据作为PLC对被控对象进行控制的信息依据。同时PLC又通过I/O接口将处理结果送给被控设备或工业生产过程，以实现控制。（1）输入模块（2）输出模块4．编程装置和编程软件编程装置用来生成用户程序，并对它进行编辑、检查和修改。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试和维修。编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的工具。可用于用户程序的编制、编辑、调试、检查和监视；通过键盘和显示器去检测PLC内部状态和参数；通过通信端口与CPU联系，实现与PLC的人机对话。编程器可分为简单型——只能联机编程，只能用指令清单编程；智能型——既可联机编程，也可脱机编程，还可以采用指令清单（语句表）、梯形图等语言编程。一般可直接以计算机作为编程器，安装相关的编程软件编程。5．电源部件PLC使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供5V、±12V、24V等直流电源。小型PLC一般都可以为输入电路和外部的电子传感器（如接近开关）提供24V直流电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。内部电源。外部电源。1.4PLC的功能及应用PLC产生初期，由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。但最近几年来，随着PLC性能价格比的不断提高，PLC的应用面越来越广，其主要原因是：一方面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；另一方面PLC的功能大大增强，使它能解决复杂的计算和通信问题。目前，PLC已广泛用于包括从单机自动化到工厂自动化，从机器人、柔性制造系统到工业局部网络的工业控制的各个领域。1.4.1PLC的主要功能1．开关量逻辑控制功能2．定时/计数控制功能3．数据处理功能4．监控、故障诊断功能5．步进控制功能6．A/D、D/A转换功能7．停电记忆功能8．远程I/O功能9．通信连网功能10．扩展功能1.4.2PLC的应用随着PLC的性能价格比的不断提高，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、汽车、装卸、造纸、纺织、环保等各行各业。其应用范围大致可归纳为以下几种。（1）开关量的逻辑控制（2）运动控制（3）闭环过程控制（4）数据处理（5）通信连网1.4.3PLC控制系统的分类1．集中式控制系统图1-7集中式控制系统2．远程式控制系统图1-8远程式控制系统3．分布式控制系统图1-9分布式控制系统1.5PLC与微型计算机系统和继电器系统的区别1.5.1PLC与微型计算机控制系统的区别可编程控制器与微型计算机的主要差异及各自的特点主要表现为以下几个方面。（1）应用范围（2）使用环境（3）输入/输出（4）程序设计（5）系统功能（6）运算速度和存储容量（7）价格1.5.2PLC与继电器接触器系统的区别可编程控制器是在传统的继电器控制系统上发展起来的，可编程控制器的编程语言中的梯形图与继电器控制线路十分相似。但是可编程控制器与继电器控制系统还是有一些区别的，主要表现在以下几方面。（1）控制逻辑（2）工作方式（3）控制速度（4）限时控制（5）计数限制（6）设计和施工（7）可靠性和可维护性（8）价格1.6PLC的发展PLC的发展与计算机技术、半导体集成技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关。这些高新技