第一章-PLC背景知识

可编程控制器可编程控制器•教材：可编程控制器原理及应用(第2版)宫淑贞徐世许人民邮电出版社2009.4参考书：PLC电气控制----CPM1A系列和S7-200夏田陈婵娟等化学工业出版社2008.2可编程控制器原理及应用实例张进秋等机械工业出版社20031.1PLC的产生、命名与发展第一章可编程序控制器的基础知识1.2PLC的特点与应用1.3PLC的基本组成与各部分的作用1.4PLC的工作原理1.5PLC的编程语言1.6PLC的性能指标与分类第一节可编程序控制器(PLC)的出现、命名与发展1、可编程序控制器(PLC)的出现在PLC出现以前，继电器控制得以广泛应用，曾在工业界占主导地位。其明显缺点是：体积大、可靠性低、查找故障困难，特别是它接线复杂对工艺变化适应性差。这样汽车的每次改型都必须对继电器控制重新设计和安装。随着生产的发展汽车更新的周期越来越短，使得继电器控制装置要经常的重新设计。十分费时、费力、费工、费料，延长了开发周期。1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM)为了用新的控制装置取代继电器控制装置通用汽车公司在公开招标中提出了十项招标指标．(1)编程方便，现场可修改程序；(2)维修方便，采用模块化结构；(3)可靠性高于继电器控制装置；(4)体积小于继电器控制装置；(5)数据可直接送入计算机；(6)成本可与继电器控制装置竞争；(7)可直接用115V交流输入；(8)输出为115v，2A以上，能直接驱动电磁阀、接触器等(9)通用性强，要能扩展；(10)用户程序存储器容量可扩展到4KB。这实际上是为未来可编程控制器勾画出了一个基本轮廓。1969年美国数字设备公司（DEC）根据招标要求，设计出世界上第一台可编程控制器（当时简称PLC：可编程逻辑控制器），仅具有逻辑控制、定时、计数等功能。20世纪70年代，微控制技术应用到PLC中，使其又具有了运算、数据传输和处理功能。后来经过不断发展功能日趋成熟。2、可编程序控制器(PLC)的命名和定义可编程控制器是以计算机为基础的新型工业控制装饰，被国际电工委员会（IEC）命名为：programmablecontroller,因而许多厂商和论文都称其为PC。1980年，美国电气制造协会（NEMC）正式将其命名为可编程控制器（programmablecontroller--PC）。后来，由于与个人计算机（personalcomputer--PC）名字相同，产生混淆，大家又沿用“PLC”这个名称。习惯而已，从功能上讲早已不是原来意义上的PLC。在PLC发展过程中，曾出现以下不同的名称：可编程矩阵控制器（programmablematrixcontroller,PMC)可编程顺序控制器（programmablesequencecontroller,PSC)可编程逻辑控制器（programmablelogiccontroller,PLC)国际电工委员会(IEC)曾于1982年11月颁布了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月又发表了第二稿，1987年2月颁布了第三稿．该草案中对可编程控制器的定义是：可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器．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，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程．可编程控制器及其有关外围设备，都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．3、可编程序控制器(PLC)的发展及趋势3.1可编程序控制器(PLC)的发展状况1969年美国制造出第一台PLC，其后，日、德、法相继研制出。20世纪70年代PLC进入实用化阶段，功能并不断完善；80年代为成熟阶段，向大规模、高速度、高性能方向发展，产品系列化。美国发展最快，著名的制造商有：艾伦--布拉德利公司、莫迪康公司、GE公司、德州仪器公司、西屋电气公司。欧洲有：西门子、AEG、BBC（德）；TE、LSTOM（法）；Selectron公司（瑞士）。日本有：欧姆龙、三菱电机、富士电机、东芝、日立、松下电工。第一代：从第一台可编程序控制器诞生到70年代初期。第二代：70年代初期到70年代末期第三代：70年代末期到80年代中期第四代：80年代中期到90年代中期第五代：90年代中期至今我国70年代末、80年代初引进PLC，80年代中期于各行业广泛应用，后来也有PLC生产厂商，规模不大，多为合资或技术引进。发展历程：3.2可编程序控制器(PLC)的发展趋势小型PLC向体积缩小、功能增强、速度加快、价格低廉的方向发展，使之能更加广泛地取代继电器控制。大中型PLC向大容量、高可靠性、高速度、多功能、网络化、智能化的方向发展，使之能对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制四大发展趋势：高速度、大容量方向发展。多品种方向发展和提高可靠性。特别是向超大型和超小型方向发展。产品更加规范化、标准化。现有PLC严重缺点是软硬件系统结构的封闭性，用户将促进PLC生产厂商做成兼容的PLC产品。发展分散型、智能型I/O系统，发展与现场总线兼容的I/O系统。第二节可编程序控制器(PLC)的特点与应用1、PLC的特点1、可靠性高、抗干扰能力强2、编程简单、使用方便3、设计、安装容易，维护工作量少4、功能完善、通用性强5、体积小、能耗低6、性能价格比高PLC系统的基本特点是：可靠、方便、通用、价廉．可靠性高、抗干扰能力强PLC的平均故障间隔时间可达几十万小时。PLC的循环扫描工作方式能在很大程度上减少软故障的发生PLC采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施除了其良好的综合设计（综合考虑整体的可靠性）、选用优质器件和先进电源以及先进的制造工艺外还具体：硬件方面：光电隔离措施——有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响，同时还可以防止外部高电压进入CPU模块．滤波——对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，可消除或抑制高频干扰．屏蔽———可减弱空间电磁干扰。联锁保护、自诊断电路等．软件方面：①设置故障检测与诊断程序．②当软故障条件出现时，立即把现状态重要信息存入指定存储器，软硬件配合封闭存储器，禁止对存储器进行任何不稳定的读写操作，以防存储信息被冲掉．这样，一旦外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的程序工作．提高可靠性的措施：编程简单、使用方便PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，这是一种面向生产、面向用户的编程方式，与常用的微机语言相比形象直观、容易被操作人员所接受并掌握，不需要专门的计算机知识。还可现场操作改变程序，使用方便、灵活。2、PLC的应用(1)开关量的逻辑控制(2)位置控制(3)过程控制(4)数据处理(5)通信联网(6)在计算机集成制造系统(CIMS)中的应用第三节可编程序控制器(PLC)的基本组成及各部分的作用1、PLC的基本组成PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同.PLC种类繁多,但结构和工作原理大同小异,一般由中央处理单元(CPU)、存储器、输入/输出单元、编程器、电源等部分组成，入图所示：中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢，类似于人的大脑。根据PLC的预定指令完成各种任务。CPU可以完成以下任务：(1)接收并存储从编程器输入的用户程序和数据：(2)诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误：(3)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；(4)PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作；(5)将用户程序的执行结果送至输出端。2、中央处理单元（CPU）3、存储器PLC存储器分为三部分：①系统程序存储器在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的性能。②用户程序存储器主要用来存储用户编写的程序，输入输出状态、计数、计时值以及系统运行必要的初始值。一般用户程序经常变动，所以程序必须可读写，一般还要后备电池进行掉电保护。也有更先进的PLC采用随时可读写的快闪存储器作为用户程序存储器，它一般不需要后备电源。③工作数据存储器用来存储工作数据的，因为工作数据也要经常变动，故它也要求可读写。工作数据开辟有元件映象存储器和数据表。元件映象寄存器用来存储开关量输入/输出状态，以及定时器、计数器、辅助继电器等内部器件的状态。数据表用来存储各种数据，如用户程序执行时的某些变参数值、A/D转换的结果、运算结果。4、输入/输出单元4.1开关量输入单元输入单元接收操作指令和现场的状态信息，如控制按钮、操作开关和限位开关、光电管、继电器触点、行程开关、接近开关等信号，并通过输入电路的滤波、光电隔离和电平转换等将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。直流输入交流输入汇点式分组式分隔式4.1.1直流输入单元工作原理：S闭合时……S断开时……S闭合，LED亮表示接通。光耦合器T导通，A点高电平，经滤波电路送入内部电路。当CPU程序访问该路信号时，该点对应的输入映射寄存器的状态为1；相反为0。4.1.2交流输入单元工作原理与直流输入电路基本相同。(汇点式)(分组式)(分隔式)4.2开关量输出单元输出单元将CPU送出的弱电控制信号通过输出电路的光电隔离和功率放大等转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀、电磁铁等执行元件。汇点式分组式分隔式4.2.1晶体管输出单元晶体管无触点开关，其使用寿命长，响应速度快。4.2.2双向晶闸管输出单元负载电源可根据需要选择直流或交流。4.2.3继电器输出单元负载可直流或交流。但是由于继电器使用寿命为10—30万次，因此频繁通断场合（高频脉冲）应该选用晶体管或晶闸管。PLC内部输出电路5、电源*开关式稳压电源输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。PLC一般配有开关式稳压电源6、编程器专用编程器图形编程器简易编程器计算机辅助编程不能输入梯形图程序，只能输入语句表程序可直接输入梯形图程序。利用计算机，通过硬件接口和专用软件包，使用户直接在计算机上编程。既可以用梯形图也可以用助记符编程，具有很强的监控能力。是近几年的发展新趋势，大大提高了程序编写和调试的效率第四节可编程序控制器(PLC)的工作原理PLC控制程序控制在可编程序控制器构成的控制系统中，支配控制系统工作的程序存放在存储器中，利用程序来实现控制逻辑，完成控制任务。PLC是一种微机控制系统，其工作原理也与微机相同，但在应用时，可不必用计算机的概念去做深入的了解，只需将它看成是由普通的继电器、定时器、计数器、移位器等组成的装置，从而把PLC等效成输入、输出和内部控制电路三部分，1）输入部分作用：接受被控设备的信息或操作命令等外部输入信息。2）内部控制电路作用：运算和处理由输入部分得到的信息，并判断应产生哪些输出。3）输出部分作用：驱动外部负载。机电控制系统循环扫描工作方式微机原理PLC的工作过程是周期性的循环扫描的工作过程。每一个循环称为一个扫描周期。一个扫描周期中除了执行指令外，还有I/O刷新、故障诊断等操作。PLC的循环扫描工作方式输出刷新：将输出继电器的元件映象寄存器的状态传送到相应的输出锁存电路，再经输出电路的隔离和功率放大部分传送到PLC的输出端，驱动外部（负载）执行元件动作。I/O刷新阶段：输入刷新：CPU从输入电路中读出各输入点状态，并将此状态写入输入映象寄存器中,刷新输入映象寄存器的内容。程序执行阶段：CPU按先左后右，先上后下的顺序对每条指令进行逐条调出并解释、执行，CPU从输入映象寄存器和元件映象寄存器中读出各继电器的状态，根据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算，运算结果再写入元件映象寄存器中。第五节可编程序控制器(PLC)的编程语言一、梯形图二、语句表三、逻辑功能图四、逻辑方程式或布尔代数式一、梯形图物理继电器PLC继电器二、语句表语句表是一种与汇编语言类似的