Transcript 可编程控制器的分类

第一章 可编程控制器基础
1.1 PLC的定义
1.2 PLC的结构和工作原理基本组成
1.3 PLC的工作方式
1.4 PLC的主要性能指标
1.5 PLC的优点
1.6 PLC的应用
1968年 美国通用汽车公司提出的替代继
电器控制系统的新型控制器的十项指标：
1） 编程简单、现场可
修改程序；
2）维护方便、采用插
件式结构；
3）可靠性高于继电器
控制系统；
4）体积小于继电器控
制系统；
5）数据可以直接送入
计算机；
6）成本可与继电器系
统竞争；
7）输入可为市电；
8）输出可为市电，能
直接驱动电磁阀、交
流接触器等；
9）通用性强、易于扩
展；
10）用户存储器大于
4K。
什么是PLC ?
PLC 是一种专门用于工业控制的计算机。
 早期的PLC是用来替代继电器、接触器控制的。
它主要用于顺序控制，只能实现逻辑运算。因此，
被称为可编程逻辑控制器（Programmable logic
controller，略写 PLC )
 随着电子技术、计算机技术的迅速发展，可编程
控制器的功能已远远超出了顺序控制的范围。被称
为可编程控制器（Programmable controller，略写
PC)。为区别于Personal Computer (PC)，故沿用
PLC 这个略写。
1987年2月，国际电工委员会（IEC）
PLC的定义：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子
系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用
一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、
执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术
操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟
式输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。
教材定义
• 可编程控制器是一种专为工业控制而设计
的计算机控制系统,它通过开关量\模拟量的
输入和输出完成各种机械或生产过程的控
制,具有丰富的输入/输出接口,并且具有较强
的驱动能力,其硬件根据实际需要选配,其软
件则需根据控制要求设计.
• 它不仅可以进行逻辑控制,还可以进行模拟
量的控制.
国际市场上流行的PLC厂家:
目前，世界上有200多个厂家生产PLC，较有名的：
（1）美国：AB通用电气、莫迪康公司；
（2）德国：西门子公司;
（3）日本：三菱、富士、欧姆龙、松下电工；
（4）法国：TE 施耐德公司；
（5）韩国：三星、LG公司等。
1.1可编程控制器的发展过程及基本功能
一、国内PLC发展及应用概况:
我国的PLC产品的研制和生产经历了三个阶段：
顺序控制器（1973～1979）：一位处理器为主的；
工业控制器（1979～1985）：8位微处理器为主的；
可编程序控制器（1985以后）。
在对外开放政策的推动下，国外PLC产品大量进入我国市
场，一部分随成套设备进口。如宝钢一、二期工程就引进了
500多套，还有咸阳显象管厂、秦皇岛煤码头、汽车厂等。现
在，PLC在国内的各行各业也有了极大的应用，技术含量也越
来越高。
PLC的发展过程分四个阶段:
• 第一阶段:功能简单,主要是逻辑运算、定时和计数功能，
没有形成系列。
• 第二阶段：增加了数字运算功能，能完成模拟量的控制，
开始具备自诊断功能，存储器采用EPROM
• 第三阶段：PLC的功能和处理速度大大增强，具有通信功
能和远程I/O能力。
• 第四阶段：可将多台PLC连接起来与大系统连成一体，实
现网络资源共享。
二、可编程控制器的基本功能
• 1、逻辑控制
能够描述继电器触点的串联、并联等各种连接，因此可以代
替继电器进行组合逻辑控制和顺序逻辑控制
2、定时与计数控制
3、步进控制
4、A/D、D/A转换，能完成对模拟量的控制和调节
5、数据处理
6、通信与联网
7、控制系统监控
PLC配置有较强的监控功能，它能记忆某些异常情况，或
当发生异常情况时自动终止运行。
1.2 可编程控制器的特点、性能指标及分类
一、可编程控制器的特点
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1、高可靠性
2、灵活性
3、便于改进和修正
4、节点利用率高，节点在程序中可不受限制的使用。
5、丰富的I/O接口
6、模拟调试
7、对现场进行微观监视
8、快速动作
9、梯形图及布尔代数并用
10、编程简单、使用方便
二、 PLC的主要技术性能指标
1.编程语言：PLC常用的编程语言有梯形图、指令表、流
程图和某些高级语言。
2、输入/输出点数 ( I/O点数 )：开关量I/O用最大I/O点数
表示，模拟量I/O点数则用最大I/O通道数表示。
3、内部继电器的种类和点数
4. 内存容量。（16位二进制数为一个字）
5、扫描速度。 单位： ms /1000步 或 s /步
6. 指令条数。（PLC的编程和控制功能）
7. 高功能模块。
8. 工作环境
三、可编程控制器的分类
• 1、按结构形式分：整体式和模块式
• 整体式PLC：将电源、中央处理器、输入/输出部件等集中
配置在一起，有的甚至全部安装在一块印刷电路板上
• 特点：结构紧凑、体积小、质量小、价格低、I/O点数固
定，使用不灵活。（小型）
• 模块式：把电源模板、CPU模板、输入模板、输出模板等
插入机架底版上，组装在一个机架内。
• 特点：配置灵活、装配方便、便于扩展（中型或大型）
• 2、按输入、输出点数分：大（2048以上）、中（256到
2048）、小型（256以下）
• 3、按功能分：低档机、中档机、高档机
§1.3 PLC的基本结构和工作原理
• 传统继电器控制系统称为“硬接线”程序控制系
统，在“硬接线”控制系统中，控制功能的改变
必须通过修改控制器件和接线来实现。
• 而可编程控制系统是通过修改PLC的程序来实现
的。
• 可编程控制系统也称之为“软接线”程序控制系
统，由硬件和软件两部分组成。
一、 PLC结构示意图
地址总线 控制总线
各种开关
继电器接点
行程开关
模拟量输入
输
入
接
口
中
央
处
理
单
元
程
序
存
储
器
数
据
存
储
器
数据总线
编程
单元
输
出
接
口
灯光指示
警报器
电磁阀门
接触器
电机
电源
•
S7系列PLC分为S7-400、S7-300和S7-200等大、
中、小（微）三个子系列。
以S7-200系列PLC为例，叙述小型PLC系统的构成
• 1、 S7-200 系列PLC的构成
S7-200小型可编程控制系统由主机（基本单
元）、I/O扩展单元、功能单元（模块）和外部设
备（文本／图形显示器、编程器）等组成。
CPU 224主机的结构外形
• 工作方式开关，模拟电位器，I/O扩展接口，工作状态指
示和用户程序存储卡，I/O接线端子排及发光指示等。
• 主机箱体外部的RS-485通讯接口，用以连接编程器（手
持式或PC机）、文本／图形显示器、PLC网络等外部设
备。
CPU 224外部电路接线电路图
•
输入电路采用了双向光电耦合器，24V DC极性
可任意选择， 1M、2M为输入端子的公共端。1L、
2L为输出公共端。
•
CPU224另有24V、280mA电源供PLC输入点使用。
（2）主机I/O及扩展
小型PLC系统
由（主机箱）、
I/O扩展单元、
文本、图形显
示器、编程器
等组成。
S7-300是模块式的：P6 图1-1
二、各组成部分的作用
• 1、导轨：是安装可编程控制器各类模板的
机架，可根据实际需要选择。
• 2、电源模板：用于对PLC内部电路供电
3. CPU：系统的运算控制核心
(1) 从程序存储器读取程序指令，编译、执行指令。
(2) 将各种输入信号取入。
(3) 把运算结果送到输出端。
(4) 响应各种外部设备的请求。
4. 存储器
ROM： 存放管理、监控、指令解释等系统管理程
序。（用户不能访问和修改该部分内容）
RAM： 存放用户编制的控制程序。
图4-3 S7-200 CPU的存储区域
5. 输入、输出模板： PLC与现场输入/输出元件或
设备连接的桥梁；一般PLC均配置I/O电平转换及
电气隔离。
输入电压转换是用来将输入端不同电压或电流信号
转换成微处理器所能接收的低电平信号；
输出电平转换是用来将微处理器控制的低点平信号
转换为控制设备所需的电压或电流信号。
光电隔离在微处理器与I/O回路之间采用的防干扰措
施。
输入接口作用：将按钮、行程开关或传感器等产生的
信号，转换成数字信号送入主机处理。
输出接口作用：将主机向外输出的信号转换成可以
驱动外部执行电路的电信号，以便控制电磁阀、
接触器、接触器线圈等电器通断电；另外输出电
路也使主机与外部强电隔离。
输出三种形式： 继电器 － 交直流输出方式，低速大功率
晶闸管 － 交流输出方式，高速大功率
晶体管 － 直流输出方式，高速小功率
（1）输入接口电路：采用光电耦合器，防止强电干扰。
输入端子
3.3k
发光二极管
PLC
Xn
部
1000PF
24V
电
470
– +
+ –
直流电源
内
COM
光电三极管
路
（2）输出接口电路：均采用模块式。
以继电器形式为例：
内
部
电
路
PLC
继电器输出
Y
内
部
电
路
J
COM
+
交流电源或
直流电源
4. 各种接口、高功能模块：便于扩展。
小型机：一体机。有接口可扩展。
中、大型机：模块式。可根据需要在主板上随意组合。
PLC在90年代已经形成微、小、中、大、巨型多
种PLC。按I/O点数分，可分为:
 微型PLC : 32 I/O
 小型PLC : 256 I/O
 中型PLC : 1024 I/O
 大型PLC : 4096 I/O
 巨型PLC : 8195 I/O
PC
FP1-C16
小型机
POWER
CPU
中、大型机
5. 编程设备
PC
FP PROGRAMMER
编程设备可以是专用
的手持式的编程器；也可
以是安装了专门的编程通
讯软件的个人计算机。
用户可以通过键盘输
入和调试程序；另外在运
行时，还可以对整个控制
过程进行监控。
ST
XWX
AN
YWY
OR
RWR
OT
LWL
NOT
DT/Ld
STK
IX/IY
TM
TSV
CT
CEV
(BIN)
K/H
C
D
E
F
SC
8
9
A
B
(-)
OP
4
5
6
7
SRC

0
1
2
3
READ

ENT
WRT
(HELP) ACLR (DELT)
CLR
CLR
FN/P
FL
手持式的编程器
三、 PLC的工作原理
CPU：等待命令。
PLC：循环扫描。
 PLC从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，
在无中断或跳转的情况下，按存储地址号递增的方向顺
序执行用户程序，直到END指令结束。然后再从头开始
执行，并周而复始，直到停机或切换到STOP停止状态。
即：CPU从第一条指令开始执行，遇到结束符又返回第一条，
不断循环。
PLC扫描工作方式
PLC扫描过程：
X0
X1
Xn
输
入
端
子
输
入 X0
映 X1
象
寄
存 Xn
器
输入采样
输入采样－程序执行－输出刷新
X0
Y0
X1
Y1
输
出
映
象
寄
存
器
输
出
锁
存
输
出
端
子
执行用户程序
程序执行
图：PLC扫描过程
输出刷新
Y0
Y0
Yn
图4-4 S7-200 CPU的扫描周期
PLC控制电机正反转接线图（I）
（a）PLC接口图
（b）内部寄存器
(c)
SB1：正转启动按钮
SB2：反转启动按钮
SB3：停止按钮
KM1：正转接触器
KM2：反转接触器
梯
形
图
PLC控制电机正反转接线图（II）
梯形图
序号
助记符
梯形图以指令的形式存储在PLC的
用户程序存储器中，其指令表为：
操作数
Q0.0=（I0.0+Q0.0)·/I0.2·/Q0.1
Q0.1=（I0.1+Q0.1)·/I0.2·/Q0.0
序号
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
助记符
LD
O
AN
AN
=
LD
O
AN
AN
=
END
操作数
I0.0
Q0.0
I0.2
Q0.1
QO.0
I0.1
Q0.1
I0.2
Q0.0
Q0.1
指
令
表
1.4 可编程控制器与其他工业控制装置的比较
一、 PLC的优点
1. 性能稳定可靠，抗干扰能力强。
2. 模块化组合式结构，通用性好，使用灵活方便。
3. 编程简单，便于普及。
4. 可进行在线修改。
5. 网络通讯功能，便于实现分散式测控系统。
6. 与传统的控制方式比较，线路简单。
7. 体积小，重量轻，功耗低。
二、PLC与继电器控制系统的比较
• 继电器控制系统采用硬接线方式装配而成，
一旦生产工艺过程改变，则控制柜必须重
新设计。
• PLC是通过软件来实现的，只要改变程序并
改动少量的接线端子，就可以适应生产工
艺的改变。
• 三、PLC与集散控制系统的比较
• PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来，主
要侧重于开关量顺序控制方面；
• 集散控制系统（DCS）是由单回路仪表控制
系统发展而来，主要侧重于回路调节功能。
• PLC与集散控制系统的发展越来越近，很多
工业生产过程既可以用PLC，也可以用集散
控制系统来实现其功能。把PLC系统和DCS
系统各自的优势有机地结合起来，可形成一
种新型的分布式计算机控制系统。
• 四、PLC与工业控制计算机的比较
• 工业控制计算机是采用通用计算机实现的一
种控制设备，速度快、是实时强，对模型复
杂、计算量大的工业对象的控制占优势。
• PLC使用技术人员熟悉的梯形图语言编程,
易学易懂,便于推广.
• PLC软件方面的抗干扰措施在监控程序里已
经考虑很周全，而工控机用户程序必须考虑
抗干扰问题。
§1.5 PLC的应用
广泛应用于各种控制系统中，主要用于有大
量开关量和少数模拟量的控制系统：
1. 用于开关量逻辑控制。
2. 用于机械加工的数字控制。
3. 用于机器人控制。
3. 用于闭环过程控制。
4. 用于组成多级控制系统。
5. 数据处理、 通信和联网
1.6 PLC的发展趋势
•
•
•
•
•
•
1、网络化
2、多功能
3、高可靠性
4、兼容性
5、小型化简单易用
6、编程语言向高层次发展
试 题
1、可编程序控制器采用微处理器作为中央处理单元，可以
对
进行控制，也可以对
进行控制。
逻辑量 模拟量
2、PLC具有逻辑运算功能，能够描述继电器触点的
各种连接。
和
等
•串联 并联
3、PLC具有
和
功能，完成对模拟量的控制与调节。
模数转换（A/D转换） 数模转换（D/A转换）
4、按结构形式分类，PLC可分为
式和
式两种。
整体式 模块式
模块是可编程序控制器系统的运算控制核心。
5、
CPU
是安装可编程控制器各类模板的机架，可根据实际需要
6、
选择。
导轨
模板用于对PLC内部电路供电。
7、
•电源
8、
是用来将输入端不同电压或电流信号转换成微处理器所能接收的
低电平信号。
•输入电压转换
9、输出电平转换是用来将
电压或电流信号。
控制的低电平信号转换为控制设备所需的
•微处理器
10、
电气隔离
是在微处理器与I/O回路之间采用的防干扰措施。
11、可编程序控制器是一种专为工业环境下应用而设计的计算机控
制系统，通过
、
的输入和输出完成各种机械生产过程
的控制。
开关量 模拟量
12、PLC可以代替
进行组合逻辑与顺序逻辑控制。
•继电器
13、PLC的工作过程一般可分为三个主要阶段
执行阶段和
。
、程序
输入采样阶段 输出刷新阶段
14、可编程序控制器系统也称之为“软接线”程序控制系统，
由
和
两大部分组成。
•硬件 软件
15、PLC的输入和输出量有
和
两种。
•开关量 模拟量
16、PLC可以代替继电器进行
与
控制。
组合逻辑 顺序逻辑
17、PLC重复执行输入采样阶段、
三个阶段，每重复一次的时间称为一个
和输出刷新阶段
。
程序执行阶段 扫描周期
18、把可编程序控制器系统和
系统各自的优势结合起来，
可形成一种新型的分布式计算机控制系统。
集散控制（DCS）
二、判断题（正确的打√，错误的打×）
1、PLC的输入和输出量有开关量和模拟量两种。开关量I/O用
最大I/O点数表示，模拟量I/O点数用最大I/O通道数表示。 （ √ ）
2、PLC具有模数转换和数模转换功能，完成对逻辑量的控制
与调节。 （ × ）
3、PLC配置有较强的监控功能，能记忆某些异常情况，
或当发生异常情况时自动中止运行。 （ √ ）
4、传统继电器接触器控制系统的控制功能必须通过修改
控制器件和接线来实现。 （ √ ）
5、可编程控制系统的控制功能必须通过修改控制器件和接线来
实现。 （ × ）
6、输入输出模板必须与CPU模板放置在一起。 （ × ）
7、集散控制系统由单回路仪表控制系统发展起来，主要侧重于
回路调节功能。 √
8、PLC的扫描周期因程序的长度不同而不同。 （ √ ）
9、PLC的扫描周期仅取决于程序的长度。 （ × ）
10、PLC的扫描周期仅取决于CPU模板的运算速度。
（ •× ）
11、PLC的输入和输出量有开关量和模拟量两种。开关量I/O用
最大I/O通道数表示，模拟量I/O点数用最大I/O点数表示。 （ × ）
12、电气隔离是在微处理器与I/O回路之间采用的防干扰措施（ √ ）
13、PLC具有模数转换和数模转换功能，完成对模拟量的控制
与调节。 （ √ ）
14、PLC在一个工作周期中，输入采样和输出刷新的时间一般
为秒级。 （ •× ）
15、工控机应用系统比PLC应用系统可靠性较高。 （
×
）
16、集散控制系统由单回路仪表控制系统发展起来，主要侧重
于开关量顺序控制方面。 （ × ）