ch3_PLC概述及基本原理

1、一、可編程控制器的產(chǎn)生一、可編程控制器的產(chǎn)生3.1可編程控制器概述使用數(shù)千個(gè)繼電器制成的使用數(shù)千個(gè)繼電器制成的8位計(jì)算機(jī)位計(jì)算機(jī)1 1、繼電器接觸器控制系統(tǒng)存在的問題、繼電器接觸器控制系統(tǒng)存在的問題= =體積大體積大= =接線復(fù)雜接線復(fù)雜= =動(dòng)作速度慢動(dòng)作速度慢= =功能弱功能弱= =可靠性差可靠性差2020世紀(jì)世紀(jì)2020年代起年代起一、可編程控制器的產(chǎn)生一、可編程控制器的產(chǎn)生3.1可編程控制器概述1 1、繼電器接觸器控制系統(tǒng)存在的問題、繼電器接觸器控制系統(tǒng)存在的問題= =靈活性差，生產(chǎn)工藝改變或?qū)ο蟾撵`活性差，生產(chǎn)工藝改變或?qū)ο蟾淖儠r(shí)須重新接線或更換控制柜變時(shí)須重新接線或更換控制柜M2M

2、1UV WUVWKM1KM1KM2KM2FR1FR1FR2FR2KM1KM1KTKTKM2KM2FR1FR1FR2FR2SB1SB1KM1KM1KTKTKM2KM2SB2SB2KM1KM1一、可編程控制器的產(chǎn)生一、可編程控制器的產(chǎn)生3.1可編程控制器概述IBM 1800IBM 1800數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)（5050萬美元）萬美元）2 2、小型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)存在的問題、小型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)存在的問題= =價(jià)格高價(jià)格高= =輸入、輸出電路信號(hào)及容輸入、輸出電路信號(hào)及容量不匹配量不匹配= =編程技術(shù)復(fù)雜編程技術(shù)復(fù)雜2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代末年代末一、可編程控制器的產(chǎn)生一、可編程控

3、制器的產(chǎn)生3.1可編程控制器概述3 3、第一臺(tái)、第一臺(tái)PLCPLC的誕生的誕生19681968年年GEGE公司液壓自動(dòng)分部工廠招標(biāo)公司液壓自動(dòng)分部工廠招標(biāo)使用使用PDP-8PDP-8計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程編程DECDEC公司公司 PDP-14編程方式：二進(jìn)制代碼編程方式：二進(jìn)制代碼提出了提出了1010項(xiàng)指標(biāo)項(xiàng)指標(biāo)19691969年年控制單元控制單元 一、可編程控制器的產(chǎn)生一、可編程控制器的產(chǎn)生3.1可編程控制器概述DEC PDP-14 DEC PDP-14 中的模塊中的模塊3 3、第一臺(tái)、第一臺(tái)PLCPLC的誕生的誕生M740 instruction decoder & contro

4、l M741 major states & timingM745 PDP-8 interface一、可編程控制器的產(chǎn)生一、可編程控制器的產(chǎn)生3.1可編程控制器概述DEC PDP-14 DEC PDP-14 中的模塊中的模塊3 3、第一臺(tái)、第一臺(tái)PLCPLC的誕生的誕生M743 K interface controlM744 register compare circuitM742 switch & power control 一、可編程控制器的產(chǎn)生一、可編程控制器的產(chǎn)生3.1可編程控制器概述3 3、第一臺(tái)、第一臺(tái)PLCPLC的誕生的誕生Bedford AssociateBedf

5、ord Associate公司公司084084型型PLCPLC及其研制者及其研制者19691969年年1111月誕生月誕生采用梯形圖編程采用梯形圖編程被被GEGE公司貼牌生產(chǎn)為公司貼牌生產(chǎn)為GE PC-45GE PC-45其特性成為其特性成為PLCPLC工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)二、可編程控制器的定義二、可編程控制器的定義3.1可編程控制器概述1 1、美國(guó)電氣制造協(xié)會(huì)（NEMA）19801980年年是一種數(shù)字式電子儀器，可以存儲(chǔ)某些邏輯、定序、定時(shí)、計(jì)數(shù)和四則運(yùn)算等特殊功能指令，用以控制機(jī)械和生產(chǎn)過程。2、國(guó)際電工委員會(huì) （IEC）19871987年年是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而

6、設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)，計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機(jī)械的生產(chǎn)過程。二、可編程控制器的定義二、可編程控制器的定義3.1可編程控制器概述3、定義中的三個(gè)概念PLC是什么PLC有什么功能（能干什么）PLC及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則定義強(qiáng)調(diào)了PLC直接用于工業(yè)環(huán)境，它必須具有很強(qiáng)的抗干擾能力、廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍。三、可編程控制器的特點(diǎn)三、可編程控制器的特點(diǎn)3.1可編程控制器概述可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)通用性強(qiáng)，使用方便采用模塊化結(jié)構(gòu)，接口種類多，便于現(xiàn)場(chǎng)連接、擴(kuò)充編程、程序修改方便，易掌握維護(hù)調(diào)試方便

7、（I/O指示）三、可編程控制器的特點(diǎn)三、可編程控制器的特點(diǎn)3.1可編程控制器概述抗干擾硬件措施：抗干擾硬件措施：屏蔽：對(duì)PLC的電源變壓器、內(nèi)部CPU、編程器等主要部件采用導(dǎo)電、導(dǎo)磁良好的材料進(jìn)行屏蔽，以防止外界的電磁干擾。濾波：對(duì)PLC的輸入輸出線路采用了多種形式的濾波，以消除或抑制高頻干擾。隔離：在PLC內(nèi)部的微處理器和輸入輸出電路之間，采用了光電隔離措施。模塊式結(jié)構(gòu)：快速更換故障模塊，修復(fù)系統(tǒng)。三、可編程控制器的特點(diǎn)三、可編程控制器的特點(diǎn)3.1可編程控制器概述抗干擾軟件措施：抗干擾軟件措施：故障檢測(cè)：設(shè)計(jì)故障檢測(cè)軟件定期地檢測(cè)外界環(huán)境，如掉電、欠電壓信號(hào)等，以便及時(shí)處理。信息保護(hù)和恢復(fù)：

8、信息保護(hù)和恢復(fù)軟件使PLC偶爾發(fā)生故障條件出現(xiàn)時(shí)，將PLC內(nèi)部信息進(jìn)行保護(hù)以免遭破壞。故障條件消失，則恢復(fù)工作。設(shè)置監(jiān)視定時(shí)器WDT：如PLC程序每次循環(huán)執(zhí)行時(shí)間超過WDT規(guī)定的時(shí)間，預(yù)示程序進(jìn)入死循環(huán)，立即報(bào)警。對(duì)程序進(jìn)行檢查和檢驗(yàn)：一旦程序有錯(cuò)，立即報(bào)警并停止執(zhí)行。四、可編程控制器的應(yīng)用范圍四、可編程控制器的應(yīng)用范圍3.1可編程控制器概述1 1、順序控制、順序控制PLC取代傳統(tǒng)的繼電器構(gòu)成順序控制系統(tǒng)，是PLC最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。 2 2、運(yùn)動(dòng)控制、運(yùn)動(dòng)控制PLC制造商目前已提供了拖動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。 3 3、過程控制、過程控制PLC能控制大量的物理參數(shù)，如溫度、

9、壓力、速度和流量等。常用到PID模塊 。 四、可編程控制器的應(yīng)用范圍四、可編程控制器的應(yīng)用范圍3.1可編程控制器概述4 4、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)處理隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，已把支持順序控制的PLC和CNC的設(shè)備緊密地結(jié)合了起來。5 5、通信和聯(lián)網(wǎng)、通信和聯(lián)網(wǎng)通過多臺(tái)PLC之間的聯(lián)網(wǎng)通信組建工廠自動(dòng)化系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)及集散控制系統(tǒng)。 五、可編程控制器的發(fā)展?fàn)顩r五、可編程控制器的發(fā)展?fàn)顩r3.1可編程控制器概述1 1、可編程控制器分類、可編程控制器分類（1 1）按）按I/OI/O點(diǎn)數(shù)容量點(diǎn)數(shù)容量五、可編程控制器的發(fā)展?fàn)顩r五、可編程控制器的發(fā)展?fàn)顩r3.1可編程控制器概述1 1、可編程控制器分類、可編程控制器

10、分類（2 2）按結(jié)構(gòu)形式）按結(jié)構(gòu)形式整體式整體式特點(diǎn)：基本單元上設(shè)有擴(kuò)展端口，通過擴(kuò)展電纜與擴(kuò)展單元（模塊）相連?；締卧ㄖ鳈C(jī)）可獨(dú)立工作；多見于微型、小型PLCPLC體積小，成本低，安裝方便。五、可編程控制器的發(fā)展?fàn)顩r五、可編程控制器的發(fā)展?fàn)顩r3.1可編程控制器概述1 1、可編程控制器分類、可編程控制器分類（2 2）按結(jié)構(gòu)形式）按結(jié)構(gòu)形式模塊式模塊式特點(diǎn)：多見于中型、大型PLC模塊式結(jié)構(gòu)的PLC由一些模塊單元構(gòu)成，這些標(biāo)準(zhǔn)模塊有CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊、各種功能模塊等。像堆積木一樣，使用時(shí)將這些模塊插在框架上或基板上即可。各模塊功能是獨(dú)立的，外形尺寸統(tǒng)一，可根據(jù)需要靈活配置

11、。由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊、各種功能模塊等標(biāo)準(zhǔn)模塊組成。各模塊功能獨(dú)立，外形尺寸統(tǒng)一，可根據(jù)需要靈活配置，插在框架或基板上使用。五、可編程控制器的發(fā)展?fàn)顩r五、可編程控制器的發(fā)展?fàn)顩r3.1可編程控制器概述2 2、廠商及產(chǎn)品、廠商及產(chǎn)品（1 1）國(guó)內(nèi)）國(guó)內(nèi)上海東屋電氣有限公司：CF系列杭州機(jī)床電器廠：DKK及D系列大連組合機(jī)床研究所：S系列蘇州電子計(jì)算機(jī)廠：YZ系列臺(tái)達(dá)電通股份有限公司：ES/EX/SS系列DVP-PLC（中、小型PLC）五、可編程控制器的發(fā)展?fàn)顩r五、可編程控制器的發(fā)展?fàn)顩r3.1可編程控制器概述2 2、廠商及產(chǎn)品、廠商及產(chǎn)品（2 2）國(guó)外）國(guó)外三菱三菱西門子西門子

12、ABBABB歐姆龍歐姆龍256256點(diǎn)以下點(diǎn)以下1K1K點(diǎn)以下點(diǎn)以下1 1萬點(diǎn)以下萬點(diǎn)以下FXFX系列系列AnSAnS、Q Q、Q Q、nAnA等等S7-200S7-200S7-300S7-300S7-400S7-400MicrologixMicrologixSCL500SCL500PLC5PLC5Mini Sk20Mini Sk20、CPM1ACPM1A等等C200C200、SYSMACSYSMAC、CQM1CQM1CVN1CVN1、CV500-2000CV500-2000六、可編程控制器的發(fā)展趨勢(shì)六、可編程控制器的發(fā)展趨勢(shì)3.1可編程控制器概述1 1、小型化、專用化、低成本化、小型化、專用

13、化、低成本化2 2、大容量、高速度、信息化、大容量、高速度、信息化3 3、模塊智能化（自帶、模塊智能化（自帶CPUCPU）4 4、人機(jī)界面（接口）人性化、人機(jī)界面（接口）人性化（1 1）編程工具更強(qiáng)大）編程工具更強(qiáng)大（2 2）人機(jī)界面硬件功能更強(qiáng)大、價(jià)格更低廉）人機(jī)界面硬件功能更強(qiáng)大、價(jià)格更低廉（3 3）基于）基于PCPC的組態(tài)軟件的組態(tài)軟件六、可編程控制器的發(fā)展趨勢(shì)六、可編程控制器的發(fā)展趨勢(shì)3.1可編程控制器概述5 5、更具安全性、冗余性、更具安全性、冗余性6 6、開放性和標(biāo)準(zhǔn)化（、開放性和標(biāo)準(zhǔn)化（IEC61131IEC61131）7 7、通信聯(lián)網(wǎng)功能增強(qiáng)和易用化、通信聯(lián)網(wǎng)功能增強(qiáng)和易用化8

14、 8、軟、軟PLCPLC概念和概念和PACPAC（可編程自動(dòng)化控制器）概念的出現(xiàn)（可編程自動(dòng)化控制器）概念的出現(xiàn)9 9、PLCPLC與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的結(jié)合與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的結(jié)合3.2可編程控制器的硬件構(gòu)成PLC在組成上與一般的微機(jī)系統(tǒng)基本相同在組成上與一般的微機(jī)系統(tǒng)基本相同一、一、CPUCPU3.2可編程控制器的硬件構(gòu)成1 1、CPUCPU的主要任務(wù)的主要任務(wù)（1 1）接收、存儲(chǔ)用戶程序和數(shù)據(jù)，顯示程序的內(nèi)容和地址）接收、存儲(chǔ)用戶程序和數(shù)據(jù)，顯示程序的內(nèi)容和地址（2 2）檢查、校驗(yàn)用戶程序）檢查、校驗(yàn)用戶程序（3 3）接收、調(diào)用現(xiàn)場(chǎng)信息）接收、調(diào)用現(xiàn)場(chǎng)信息（4 4）執(zhí)行用戶程序）執(zhí)行用戶程序（5

15、5）故障診斷）故障診斷2 2、CPUCPU的芯片的芯片（1 1）通用芯片）通用芯片（2 2）專用芯片）專用芯片二、存儲(chǔ)器二、存儲(chǔ)器3.2可編程控制器的硬件構(gòu)成1 1、系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器、系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器（1 1）系統(tǒng)管理程序）系統(tǒng)管理程序（2 2）用戶指令解釋程序）用戶指令解釋程序（3 3）標(biāo)準(zhǔn)程序模塊與系統(tǒng)調(diào)用程序）標(biāo)準(zhǔn)程序模塊與系統(tǒng)調(diào)用程序用于存儲(chǔ)用于存儲(chǔ)PLCPLC廠家編寫的系統(tǒng)程序，包括：廠家編寫的系統(tǒng)程序，包括：2 2、用戶程序存儲(chǔ)器、用戶程序存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)用戶編寫的程序用于存儲(chǔ)用戶編寫的程序3 3、工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)工作數(shù)據(jù)。用于存儲(chǔ)工作數(shù)據(jù)。如用戶程序中使用的如用戶

16、程序中使用的ON/OFFON/OFF狀態(tài)、數(shù)值數(shù)據(jù)等。狀態(tài)、數(shù)值數(shù)據(jù)等。三、輸入三、輸入/ /輸出接口輸出接口3.2可編程控制器的硬件構(gòu)成1 1、輸入接口、輸入接口（1 1）開關(guān)量輸入接口）開關(guān)量輸入接口來自按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)、繼電器、接近開關(guān)、光電開來自按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)、繼電器、接近開關(guān)、光電開關(guān)等。關(guān)等。按鈕開關(guān)等按鈕開關(guān)等PNP型集電極開路輸出的傳感器NPN型集電極開路輸出的傳感器漏型接法漏型接法源型接法源型接法三、輸入三、輸入/ /輸出接口輸出接口3.2可編程控制器的硬件構(gòu)成1 1、輸入接口、輸入接口（2 2）模擬量輸入接口）模擬量輸入接口來自電位器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和各種變送

17、器。來自電位器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和各種變送器。三、輸入三、輸入/ /輸出接口輸出接口3.2可編程控制器的硬件構(gòu)成2 2、輸出接口、輸出接口（1 1）開關(guān)量輸出接口）開關(guān)量輸出接口繼電器輸出回路繼電器輸出回路三、輸入三、輸入/ /輸出接口輸出接口3.2可編程控制器的硬件構(gòu)成2 2、輸出接口、輸出接口（1 1）開關(guān)量輸出接口）開關(guān)量輸出接口晶體管NPN回路接線法晶體管PNP回路接線法三、輸入三、輸入/ /輸出接口輸出接口3.2可編程控制器的硬件構(gòu)成2 2、輸出接口、輸出接口（2 2）模擬量輸出接口）模擬量輸出接口分為輸出電壓和輸出電流分為輸出電壓和輸出電流四、電源四、電源3.2可編程控制器的硬件構(gòu)成五、

18、各種接口五、各種接口3.2可編程控制器的硬件構(gòu)成接口：擴(kuò)展接口、通信接口、I/O接口等DVP-SX2 CPUDVP-SX2 CPU模塊外形示意圖模塊外形示意圖五、各種接口五、各種接口3.2可編程控制器的硬件構(gòu)成RS485RS485的連接的連接IEC 61131IEC 61131標(biāo)準(zhǔn)：希望統(tǒng)一編程語言標(biāo)準(zhǔn)：希望統(tǒng)一編程語言3.3可編程控制器的編程語言梯形圖（梯形圖（Ladder Diagram, LDLadder Diagram, LD）功能塊（功能塊（Function Block Diagram, FBDFunction Block Diagram, FBD）順序功能圖（順序功能圖（Seque

19、ntial Function Chart, SFCSequential Function Chart, SFC）指令列表（指令列表（Instruction List, ILInstruction List, IL）結(jié)構(gòu)化文本（結(jié)構(gòu)化文本（Structure Text, STStructure Text, ST）圖形語言圖形語言文本語言文本語言一、梯形圖一、梯形圖3.3可編程控制器的編程語言源自繼電器控制系統(tǒng)原理圖源自繼電器控制系統(tǒng)原理圖特點(diǎn)：直觀、清晰特點(diǎn)：直觀、清晰電氣邏輯關(guān)系的表示方法電氣邏輯關(guān)系的表示方法基本思想一致基本思想一致符號(hào)和表達(dá)方式有一定區(qū)別符號(hào)和表達(dá)方式有一定區(qū)別應(yīng)用：邏輯順

20、序控制應(yīng)用：邏輯順序控制聯(lián)系與區(qū)別：聯(lián)系與區(qū)別：二、指令列表語言二、指令列表語言3.3可編程控制器的編程語言類似于匯編語言，按順序編寫類似于匯編語言，按順序編寫PLCPLC控制程序并逐條控制程序并逐條列出指令。列出指令。LD X1OR Y1ANI X3 ANI Y2OUT Y1LD X2OR Y2ANI X4 ANI Y1OUT Y2END三、順序功能圖三、順序功能圖3.3可編程控制器的編程語言可以對(duì)具有并行、選擇等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)進(jìn)行編程，可以對(duì)具有并行、選擇等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)進(jìn)行編程，適合于復(fù)雜的順序控制系統(tǒng)。適合于復(fù)雜的順序控制系統(tǒng)。三要素：三要素：狀態(tài)（步）狀態(tài)（步）與狀態(tài)相關(guān)的動(dòng)作與狀態(tài)

21、相關(guān)的動(dòng)作與狀態(tài)相關(guān)的轉(zhuǎn)移與狀態(tài)相關(guān)的轉(zhuǎn)移交通燈控制的交通燈控制的SFCSFC四、功能塊圖四、功能塊圖3.3可編程控制器的編程語言類似于使用各種門電路，同時(shí)加上輸入、輸出，通類似于使用各種門電路，同時(shí)加上輸入、輸出，通過邏輯連接實(shí)現(xiàn)邏輯控制。過邏輯連接實(shí)現(xiàn)邏輯控制?？砂押瘮?shù)（可把函數(shù)（FUNFUN）和功能塊（）和功能塊（FBFB）連接到電路中，）連接到電路中，完成復(fù)雜的功能和計(jì)算。完成復(fù)雜的功能和計(jì)算。用戶可自定義函數(shù)（用戶可自定義函數(shù)（FUNFUN）和功能塊（）和功能塊（FBFB）。）。五、結(jié)構(gòu)化文本五、結(jié)構(gòu)化文本3.3可編程控制器的編程語言隨著PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，為了增強(qiáng)PLC的運(yùn)算、數(shù)

22、據(jù)處理及通信等功能，以上編程語言不能滿足要求。近年來推出的PLC，尤其是大型PLC，都可用高級(jí)語言，如BASCIC語言、C語言、PASCAL語言等進(jìn)行編程。一、工作方式一、工作方式3.4可編程控制器的工作原理繼電器-接觸器控制系統(tǒng)并行工作方式并行工作方式PLC控制系統(tǒng)串行工作方式串行工作方式（順序掃描式）二、工作過程二、工作過程3.4可編程控制器的工作原理開機(jī)開機(jī)內(nèi)部處理內(nèi)部處理通信服務(wù)通信服務(wù)輸入刷新輸入刷新程序執(zhí)行程序執(zhí)行輸出刷新輸出刷新上電和掉電處理、自診斷和出錯(cuò)處理等上電和掉電處理、自診斷和出錯(cuò)處理等外設(shè)、外設(shè)、CPU、總線等之間的通信、總線等之間的通信掃描過程：掃描過程：掃描周期：掃

23、描周期：執(zhí)行一次掃描操作所需要的時(shí)間執(zhí)行一次掃描操作所需要的時(shí)間掃描周期取決于掃描周期取決于I/O點(diǎn)數(shù)的多少和程序長(zhǎng)度點(diǎn)數(shù)的多少和程序長(zhǎng)度讀掃秒周期：通過讀取內(nèi)部的寄存器讀掃秒周期：通過讀取內(nèi)部的寄存器D1010D1010測(cè)掃秒周期：通過每個(gè)掃描周期觸發(fā)輸出，測(cè)測(cè)掃秒周期：通過每個(gè)掃描周期觸發(fā)輸出，測(cè)輸出脈沖的周期輸出脈沖的周期估算秒周期：根據(jù)每個(gè)指令的執(zhí)行時(shí)間估算秒周期：根據(jù)每個(gè)指令的執(zhí)行時(shí)間二、工作過程二、工作過程3.4可編程控制器的工作原理（1 1）輸入刷新（輸入信號(hào)再生）輸入刷新（輸入信號(hào)再生）集中輸入方式：集中輸入方式：將外部輸入信號(hào)的On/Off狀態(tài)一次性讀入輸入映像存儲(chǔ)區(qū)。（2 2）程序執(zhí)行）程序執(zhí)行從左到右、從上到下掃描各條指令讀輸入映像區(qū)、裝置映像區(qū)寫裝置映像區(qū)執(zhí)行期間，輸入映像區(qū)內(nèi)的狀態(tài)不隨外部輸入信號(hào)狀態(tài)變化（3 3）輸出刷新（輸出信號(hào)再生）輸出刷新（輸出信號(hào)再生）集中輸出方式：集中輸出方式：執(zhí)行完畢后，將裝置映像存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)Y的狀態(tài)輸出到輸出映像區(qū)鎖存（實(shí)際輸出）二、工作過程二