1、電氣控制與PLC應用（第三章）主 講 ：王洪泉第3章 可編程控制器基礎 了解可編程控制器產生的背景、特點、性能指標以及今后的發(fā)展方向掌握可編程控制器的硬件組成形式 熟悉可編程控制器的軟件及工作過程 學習目標： 教學內容： 3.1 可編程控制器概述 3.2 可編程控制器的組成 3.3 可編程控制器的工作原理 3.4 可編程控制器的硬件基礎 3.5 可編程控制器的軟件基礎 3.6 可編程控制器的性能指標及分類 第3章 可編程控制器基礎 3.1 可編程控制器概述可編程控制器的英文名稱是Programmable Controller，早期簡稱PC，后來為了與個人計算機（PC）區(qū)分，在行業(yè)中多稱之為Pr

2、ogrammable Logic Controller，即可編程邏輯控制器，簡稱PLC，而這種稱呼又與可編程控制器的起源和它本身的特點有關。 返回3.1.1 可編程控制器的產生與發(fā)展 美國數字設備公司（DEC）根據美國通用汽車公司（GM）提出的10項指標，于1969年研制出第一臺控制器，型號為PDP-14，它的開創(chuàng)性意義在于引入了程序控制功能，為計算機技術在工業(yè)控制領域的應用開辟了空間。 返回至上世紀70年代，PLC技術已經進入成熟期。推動PLC技術發(fā)展的動力主要來自于兩個方面：其一是企業(yè)對高性能、高可靠性自動控制系統(tǒng)的客觀需要和追求；其次，大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術的飛速發(fā)展，微處理器性能

3、的不斷提高，為PLC技術的發(fā)展奠定了基礎并開拓了空間 。 3.1.1 可編程控制器的產生與發(fā)展 3.1.1 可編程控制器的產生與發(fā)展PLC對高性能的追求主要體現在：增強網絡通信功能。 發(fā)展智能模塊。 高可靠性。 編程軟件標準化。 編程軟件和語言向高層次發(fā)展。 3.1.3 可編程控制器的應用領域1、開關量邏輯控制 用價格較低，僅有開關量控制功能的可編程序控制器作為繼電器控制系統(tǒng)的替代物。開關量邏輯控制可以用于單臺設備，也可以用于自動生產線，如機床電氣控制、沖壓、鑄造機械、運輸帶、包裝機械的控制，電梯的控制，化工系統(tǒng)中各種泵和電磁閥的控制，冶金系統(tǒng)的高爐上料系統(tǒng)，以及各種生產線上。3.1.3 可編

4、程控制器的應用領域2、運動控制 可編程控制器可用于對直線或圓周運動的控制，如金屬切削機床、裝配機械、機器人、電梯等。3、閉環(huán)過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制?？删幊炭刂破魍ㄟ^模擬量I/O模塊實現A/D、D/A轉換并實行閉環(huán)PID控制。如加熱爐、熱處理爐等設備。3.1.3 可編程控制器的應用領域4、數據處理 具有數學運算、數據傳送、轉換、排序和查表、位操作等功能，可以實現數據的采集、分析和處理。一般應用在大型控制系統(tǒng)如無人柔性制造系統(tǒng)，大型過程控制系統(tǒng)。5、通信 可以與計算機聯(lián)網，構成網絡系統(tǒng)，組成分級控制，實現DCS（集散控制系統(tǒng)）所完成的功能模擬量I/O、

5、高速計數輸入、中斷輸入、機械運動控制、熱電偶輸入、條形碼閱讀器、多路BCD輸入/輸出、模糊控制器、PID回路控制、通信模塊。7、大力開發(fā)智能I/O模塊基金會現場總線（Foundation Field bus）過程現場總線 （ProfiBus）局域操作網絡（LonWorks）控制器局域網絡 （ CAN ）可尋址遠程變送器數據通路協(xié)議 （HART）8、PLC與現場總線相結合基于現場總線的現場級與車間級自動化系統(tǒng)9、增強通信聯(lián)網能力根據結構形式的不同，PLC分為：整體式模塊式疊裝式 整體式PLC的結構緊湊、體積小，小型機常采用這種結構。將中央處理單元(CPU)、存儲器、輸入單元、輸出單元，電源、通信

6、端口、IO擴展端口等組裝在一個箱體內構成主機。模塊式PLC系統(tǒng)配置靈活，大中型機常用這種結構。3.2 可編程控制器的組成整體式PLC（S7-200）3.2 可編程控制器的組成模塊式PLC（S7-400）3.2 可編程控制器的組成 三菱公司的FX2N系列可編程序控制器吸收了整體式和模塊式的優(yōu)點,它的基本單元、擴展單元和擴展模塊等高等寬，但是長度不同。它們不用基板，僅用扁平電纜連接，緊密組裝成一個長方形。疊裝式PLC3.2 可編程控制器的組成3.2.1 中央處理單元（CPU） 中央處理單元是PLC的核心部件，負責完成邏輯運算、數字運算以及協(xié)調系統(tǒng)內各部分的工作。它在系統(tǒng)程序的管理下運行，主要功能有

7、 ： 接受并存儲由編程器鍵入的用戶程序和數據；診斷電源故障以及用戶程序的語法錯誤；讀取輸入狀態(tài)和數據并存儲到相應的存儲區(qū)；讀取用戶程序指令，解釋執(zhí)行用戶程序，完成邏輯運算、數字運算、數據傳遞等任務，刷新輸出映像，將輸出映像內容送至輸出單元。 返回3.2.2 存儲器單元PLC的存儲器單元分成兩個部分： 系統(tǒng)程序存儲器；用于存放PLC生產廠家編寫的系統(tǒng)程序，系統(tǒng)程序在出廠時已經被固化在PROM或EPROM中。 用戶程序存儲器?？煞譃槌绦虼鎯^(qū)和數據存儲區(qū)，程序存儲器用于存放用戶編寫的控制程序，數據存儲區(qū)存放的是程序執(zhí)行過程中所需要的或者所產生的中間數據。 3.2.4 輸入輸出單元 輸入/輸出單元是

8、PLC與外部設備相互聯(lián)系的窗口。3.2.4 輸入輸出單元 PLC的輸入、輸出單元也叫I/O單元，對于模塊式的PLC來說，I/O單元以模塊形式出現，所以又稱為I/O模塊。 I/O單元是PLC與工業(yè)現場的接口，現場信號與PLC之間的聯(lián)系通過I/O單元實現。 工業(yè)現場的輸入和輸出信號包括數字量和模擬量兩類，因此I/O單元也有數字I/O和模擬I/O兩種，前者又稱為DI/DO，后者又稱為AI/AO。PLC的輸入、輸出單元還應包括一些功能模塊，所謂功能模塊就是一些智能化了的輸入和輸出模塊。 3.2.4 輸入輸出單元 輸入單元接收現場設備向PLC提供的信號， 例如由按鈕、操作開關、限位開關、繼電器觸點、接近

9、并關、撥碼器等提供的開關量信號。這些信號經過輸入電路的濾波、光電隔離、電平轉換等處理，變成CPU能夠接收和處理的信號。直流輸入電路3.2.4 輸入輸出單元 輸出單元將經過CPU處理的微弱電信號通過光電隔離、功率放大等處理，轉換成外部設備所需要的強電信號，以驅動各種執(zhí)行元件，如接觸器、電磁閥、電磁鐵、調節(jié)閥、調速裝置等。繼電器輸出電路雙向晶閘管輸出電路內部電路T負載FUCOMR1LED晶體管輸出電路 3.2.4 輸入輸出單元 輸入單元類型：直流、交流、交直流3種。輸出單元類型：繼電器、晶體管、晶閘管3種方式。三種輸出方式的區(qū)別：繼電器既可用于直流，又可用于交流，晶體管輸出只能用于直流輸出 ，晶閘

10、管用于交流輸出。繼電器較晶體管及晶閘管壽命短。 繼電器較晶體管及晶閘管相應速度慢。在需要頻繁通斷的場合，應選用晶體管及晶閘管輸出。3.2.5 接口單元（對外部設備） 接口單元包括I/O擴展接口、通信接口、編程器接口和存儲器接口及其它外部設備接口等。 PLC的I/O單元也屬于接口單元的范疇，它完成PLC與工業(yè)現場之間電信號的往來聯(lián)系。除此之外，PLC與其它外界設備和信號的聯(lián)系都需要相應的接口單元 。 3.2.5 接口單元（對外部設備）接口單元通常有以下5種：I/O擴展接口 。用于擴展輸入輸出點數 。通信接口 。通常集成有RS232或RS422口，用于與PLC、上位機、遠程I/O、監(jiān)視器、編程器等

11、外部設備相連。 編程器接口 。PLC本體通常是不帶編程器的，編程器接口是連接編程器的。存儲器接口。存儲器接口是為了擴展存儲區(qū)而設置的。 其它外部設備接口。包括條碼讀入器的接口、打印機接口等等。 3.2.6 外部設備 PLC的外部設備種類很多，可以概括為以下四類：編程設備；除了用于編程，還可對系統(tǒng)作一些設定，以確定PLC的工作方式。 監(jiān)控設備；將現場數據動態(tài)實時顯示出來，以便操作人員隨時掌握系統(tǒng)運行的情況。 存儲設備；用于保存用戶數據，避免程序丟失。 輸入輸出設備。用于接受信號和輸出信號的專用設備，例如條碼讀入器、打印機等。 返回3.3 可編程控制器的工作原理可編程控制器是基于電子計算機的工業(yè)控

12、制器，從PLC產生的背景來看，PLC系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)有著極深的淵源，因此可以比照著繼電器系統(tǒng)來學習PLC的工作原理。 返回3.3.1 可編程控制器的等效電路 PLC的等效電路如下圖所示：3.3.2 可編程控制器的工作過程 PLC的工作過程以循環(huán)掃描的方式進行，當PLC處于運行狀態(tài)時，它的運行周期可以劃分為3個基本階段：輸入采樣階段；PLC逐個掃描每個輸入端口，將所有輸入設備的當前狀態(tài)保存到相應的存儲區(qū)。程序執(zhí)行階段；在系統(tǒng)程序的指示下，CPU從用戶程序存儲區(qū)逐條讀取用戶指令，經解釋后執(zhí)行相應動作，產生相應結果，刷新相應的輸出映像寄存器，期間需要用到輸入映像寄存器、輸出映像寄存器的相應狀態(tài)。

13、 輸出刷新階段。系統(tǒng)程序將輸出映像寄存器中的內容傳送到輸出鎖存器中，經過輸出接口、輸出端子輸出，驅動外部負載。 返回3.3.2 可編程控制器的工作過程PLC工作過程的特點總結如下： PLC采用集中采樣、集中輸出的工作方式，這種方式減少了外界干擾的影響。 PLC的工作過程是循環(huán)掃描的過程，循環(huán)掃描時間的長短取決于指令執(zhí)行速度、用戶程序的長度等因素。 輸出對輸入的響應有滯后現象。PLC采用集中采樣、集中輸出的工作方式，當采樣階段結束后，輸入狀態(tài)的變化將要等到下一個采樣周期才能被接收，因此這個滯后時間的長短又主要取決于循環(huán)周期的長短。此外，影響滯后時間的因素還有輸入電路濾波時間、輸出電路的滯后時間等

14、。 3.3.2 可編程控制器的工作過程當系統(tǒng)規(guī)模較大，I/O點數眾多，用戶程序比較長時，單純采用上面的循環(huán)掃描工作方式會使系統(tǒng)的響應速度明顯降低，甚至會丟失、錯漏高頻輸入信號，因此大多數大中型PLC在盡量提高程序指令執(zhí)行速度的同時，也采取了一些其它措施來加快系統(tǒng)響應速度。例如采用定周期輸入采樣、輸出刷新，直接輸入采樣、直接輸出刷新，中斷輸入、輸出，或者開發(fā)智能I/O模塊，模塊本身帶有CPU，可以與主機的CPU并行工作，分擔一部分任務，從而加快整個系統(tǒng)的執(zhí)行速度。 輸出映像寄存器的內容取決于用戶程序掃描執(zhí)行的結果。 輸出鎖存器的內容，由上一次輸出刷新期間輸出映像寄存器中的數據決定。 PLC當前實

15、際的輸出狀態(tài)，由輸出鎖存器的內容決定。 3.3.2 可編程控制器的工作過程在一個掃描周期，PLC的操作：3.3.2 可編程控制器的工作過程可編程控制器執(zhí)行程序的本質:用觸點和線圈實現邏輯運算線圈的通電、觸點的閉合邏輯1（高電平）線圈的斷電、觸點的斷開邏輯0（低電平)1. 與邏輯I0.0I0.1Q0.0000010100111IO.O( )I0.1Q0.0邏輯表達式：Q0.0=I0.0 I0.12. 或邏輯I0.2I0.3Q0.1000011101111邏輯表達式：Q0.1=I0.2 + I0.3IO.2Q0.1I0.3( )3. 非邏輯( )I0.4Q0.2邏輯表達式：Q0.2 = I0.4I

16、0.4Q0.20110SB1KMSB2KM繼電器控制系統(tǒng)的梯形圖PLC梯形圖IO.O( )I0.1Q0.0Q0.0邏輯表達式： Q0.0=（I0.0 Q0.0) I0.13.4 可編程控制器的硬件基礎 I/O單元是組成PLC系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，本節(jié)以介紹I/O單元的硬件電路為主，在此基礎上簡單介紹PLC系統(tǒng)的硬件配置。應當說明的是，不同PLC在硬件的具體實現方案上總是有區(qū)別的，本節(jié)的任務是討論一般性的原理，而非某一具體型號的結構特征，本書后續(xù)章節(jié)將針對不同型號的PLC，分別介紹其特點。 返回3.4.1 可編程控制器的I/O模塊 PLC的輸入輸出部分，可以分為數字I/O（DI/DO）和模擬I/O（A

17、I/AO）兩大類：數字量I/O（DI/DO）：數字量輸入單元（直流的分源型和漏型）； 數字量輸出單元（繼電器、晶體管、晶閘管）。 模擬量I/O（AI/AO）：模擬量輸入單元 ； 模擬量輸出單元 。 3.4.1 可編程控制器的I/O模塊數字量輸入單元（直流）：圖3-4 漏型數字量輸入電路示意圖 電阻R2和電容C構成RC濾波電路，光耦將現場信號與PLC內部電路隔離。3.4.1 可編程控制器的I/O模塊數字量輸入單元（交流）：圖3-5 帶整流橋的交流輸入電路示意圖 也可使用雙向光電耦合器和雙向發(fā)光二極管，去了橋式整流電路。 3.4.1 可編程控制器的I/O模塊數字量輸出單元（繼電器式）：圖3-6 繼

18、電器輸出電路示意圖 3.4.1 可編程控制器的I/O模塊模擬量輸入單元： 模擬量輸入信號可以是電壓或電流，在選型時要考慮輸入信號的范圍（DC10V，010V，20mA，420mA）以及系統(tǒng)要求的A/D轉換精度。 圖3-7 8通道模擬輸入單元原理框圖 3.4.1 可編程控制器的I/O模塊模擬量輸出單元： 模擬量輸出的過程與輸入正相反，它將PLC運算處理過的二進制數字轉換成相應的電量（例如420mA、010V等）。 圖3-8 模擬量輸出單元原理框圖 3.4.2 可編程控制器的配置 PLC的品種繁多，其結構型式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方法、價格等各有自已的特點，適用場合也各有側重。站在硬件選型的

19、角度，首先需要考慮的是設備容量與性能是否與任務相適應；其次要看PLC運行速度是否能夠滿足實時控制的要求。所謂設備容量，主要是指系統(tǒng)I/O點數的多少以及擴充的能力。對于純開關量控制的應用系統(tǒng)，如果對控制速度的要求不高，比如單臺機械的自動控制，可選用小型一體化PLC（如S7-200系列 ）。對于比較復雜，控制功能要求較高的系統(tǒng)（如需要PID調節(jié) ，應當選用中、大型PLC（S7-300/400系列 ）。返回3.5 可編程控制器的軟件基礎 PLC是一種通用的、商業(yè)化的工業(yè)控制計算機，與個人計算機相仿，用戶程序必須在系統(tǒng)程序的管理下才能運行。本節(jié)首先介紹PLC系統(tǒng)監(jiān)控程序的運行情況，然后再介紹用戶指令系

20、統(tǒng)的相關內容。 返回3.5.1 系統(tǒng)監(jiān)控程序 系統(tǒng)監(jiān)控程序執(zhí)行過程分為以下幾部分：初始化程序；CPU自診斷； 通信信息處理；輸入刷新；用戶程序執(zhí)行；輸出刷新；外部設備服務。 第一大類：公共操作第二大類：現場輸入/輸出第三大類：用戶程序操作第四大類：服務外部設備3.5.1 系統(tǒng)監(jiān)控程序初始化程序：作用是清零各個標志寄存器，清零輸入、輸出映像寄存器，清零各計數器，復位定時器等，為PLC開始正常工作“清理現場”。CPU自診斷 ：自診斷主要包括檢查電源電壓是否正常，I/O單元的連接是否正常，用戶程序是否存在語法錯誤，對監(jiān)控定時器定期復位等。 通信信息處理 ：這個階段PLC要完成與網絡及總線上其它設備的

21、通信任務，包括與PLC、計算機、智能I/O模塊、數字處理器（DPU）等設備之間的信息交換。 外部設備服務 ：PLC在這個階段與外部設備交換信息，包括編程器、圖形監(jiān)視器（監(jiān)控設備）、打印機等。 3.5.2 用戶應用程序 用戶程序是由用戶編寫的，能夠完成系統(tǒng)控制任務的指令序列。不同廠家的PLC會提供不同的指令集，但基本的編程元件和編程形式有許多共同之處。返回1. PLC的編程元件 （1）繼電器 輸入、輸出映像寄存器里的每一位，在指令系統(tǒng)中都對應一個固定的編號，在圖形編程語言（例如梯形圖語言）中形象的用繼電器線圈來表示，因此也常稱之為輸入繼電器、輸出繼電器。同時為了滿足對復雜邏輯關系的編程要求，還提

22、供大量的中間輔助繼電器，它們也對應存儲器中的某一固定區(qū)域。這些繼電器都是所謂的“軟元件”，它們的狀態(tài)用一個二進制位就可以表示，1對應ON狀態(tài)，0對應OFF狀態(tài)，在用戶程序中可以無限次使用它們的常開、常閉觸點。 3.5.2 用戶應用程序 (2)定時器 類似于繼電器邏輯電路中的時間繼電器，有延時接通、延時斷開、脈沖定時等多種形式，可以組成復雜的時間順序邏輯。定時器指令一般由線圈、定時時間設定值和當前計時值組成，PLC專門在存儲器中開辟出一個區(qū)域，用以保存各個定時器線圈當前的狀態(tài)（ON或OFF）以及時間的設定值和當前值。定時器的常開、常閉觸點可以在用戶程序中無限次使用。 3.5.2 用戶應用程序（4

23、）觸發(fā)器 該指令用于對狀態(tài)位的置1和清零，狀態(tài)位即為觸發(fā)器線圈，它的ON狀態(tài)一旦觸發(fā)可以自保持，直至復位條件滿足才變?yōu)镺FF狀態(tài)。觸發(fā)器的常開、常閉觸點同樣可以無限次使用。（5）其它元件及指令 除上述4種邏輯元件之外，PLC指令系統(tǒng)一般還提供移位寄存器、數據寄存器、邊沿檢測、比較、運算、ASCII碼處理以及數制轉換等等多種指令。 3.5.2 用戶應用程序2. PLC的編程語言（1）梯形圖語言（LAD） 這是一種使用最廣泛的語言，與繼電器電路圖非常相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被工廠里熟悉電氣控制的工程技術人員掌握。繼電器邏輯電路 梯形圖語言程序 3.5.2 用戶應用程序（2）語句表語言（STL） 語句表語言類似于微機中匯編語言的助記符語言，由多條語句組成一個程序段，適合于經驗豐富的程序員使用，可以實現某些用梯形圖難以實現的功能。例如： （3）其它編程語言 0 LD X400 6