鄭海春2022年1月第三章可編程控制器概述提綱電氣控制與S7-1200應(yīng)用技術(shù)教程鄭海春2可編程控制器的產(chǎn)生和發(fā)展可編程控制器的特點(diǎn)可編程控制器的分類可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域可編程控制器的產(chǎn)生和發(fā)展電氣控制與S7-1200應(yīng)用技術(shù)教程鄭海春3可編程控制器的由來1.傳統(tǒng)的工業(yè)控制裝置可編程控制器誕生之前，工業(yè)控制設(shè)備的主流是以繼電器、接觸器為主體的控制裝置。存在問題：（1）故障率高，復(fù)雜的系統(tǒng)需要使用成百上千個(gè)各種各樣的繼電器和成千上萬根導(dǎo)線，只要有一個(gè)電器，一根導(dǎo)線出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就不能正常工作,這大大降低了系統(tǒng)的可靠性。（2）維護(hù)困難，查找和排除故障困難，維修及改造很不容易，改造工期長(zhǎng)、費(fèi)用高。（3）接線困難，控制柜的安裝、接線工作量大?？删幊炭刂破鞯漠a(chǎn)生和發(fā)展電氣控制與S7-1200應(yīng)用技術(shù)教程鄭海春4可編程控制器的由來2.可編程控制器的產(chǎn)生1968年美國(guó)通用汽車公司為適應(yīng)汽車型號(hào)的不斷更新，希望能有一種新型工業(yè)控制器，它能解決繼電器、接觸器控制系統(tǒng)存在的問題。同年，GM公司面向全球招標(biāo)，提出“通用十條”：（1）編程簡(jiǎn)單，可在現(xiàn)場(chǎng)修改和調(diào)試程序；（2）維護(hù)方便，采用插入式模塊結(jié)構(gòu)；（3）可靠性高于繼電器控制系統(tǒng)；（4）體積小于繼電器控制裝置；（5）可將數(shù)據(jù)直接送入管理計(jì)算機(jī)；（6）成本可與繼電器控制系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)；（7）可直接使用115V交流電壓輸入；（8）輸出為交流115V、2A以上，能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器等；（9）通用性強(qiáng)，擴(kuò)展方便，原有系統(tǒng)只需做很小變更；（10）能存儲(chǔ)程序，用戶程序存儲(chǔ)器容量至少可以擴(kuò)展到4KB。可編程控制器的產(chǎn)生和發(fā)展電氣控制與S7-1200應(yīng)用技術(shù)教程鄭海春5可編程控制器的由來2.可編程控制器的產(chǎn)生DEC公司于1969年6月就交付了第一臺(tái)原型機(jī)PDP-14。信息儀表公司（3-I）交付的設(shè)備PDQ-II。最后是貝德福德協(xié)會(huì)（BedfordAssociates）帶來的Modicon084，首創(chuàng)的梯形圖邏輯編程與繼電器邏輯類似，成為工廠工程師和電工的首選控制器。DEC的PDP-14被業(yè)界公認(rèn)為世界上第一臺(tái)PLC。Modicon084推出梯形圖的編程方式，取得勝利。Modicon084控制器提示：可編程控制器的核心設(shè)計(jì)思想是使用軟件編程代替硬連線繼電器控制，從而建立程序控制系統(tǒng)?？删幊炭刂破鞯漠a(chǎn)生和發(fā)展電氣控制與S7-1200應(yīng)用技術(shù)教程鄭海春6可編程控制器的名稱演變可編程控制器早期名稱為“ProgrammableLogicController”（可編程邏輯控制器），簡(jiǎn)稱PLC。1980年，美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)（NEMA）給他一個(gè)新的名稱“ProgrammableController”，簡(jiǎn)稱PC。但為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī)（personalcomputer，PC）這一簡(jiǎn)寫名稱術(shù)語混亂，現(xiàn)在仍沿用早期的PLC表示可編程控制器，但現(xiàn)在的PLC并不意味只具有邏輯功能。可編程控制器的產(chǎn)生和發(fā)展電氣控制與S7-1200應(yīng)用技術(shù)教程鄭海春7可編程控制器的定義國(guó)際電工委員會(huì)（internationalelectrotechnicalcommission，IEC）在1985年1月的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案第3稿中對(duì)PLC作的定義：可編程序控制器是一種數(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)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(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、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。注意：可編程控制器是“數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)”；可編程控制器是“專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用”而設(shè)計(jì)的；可編程控制器能控制“各種類型”的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破鞯漠a(chǎn)生和發(fā)展電氣控制與S7-1200應(yīng)用技術(shù)教程鄭海春8可編程控制器的發(fā)展趨勢(shì)1．運(yùn)算高速化，性能更可靠。SoC（System-on-a-Chip）芯片在時(shí)鐘頻率越來越高的同時(shí)而功耗卻顯著減小，為開發(fā)更小體積、更高I/O密度、更多功能的PLC奠定了基礎(chǔ)。多核SoC的發(fā)展，可以進(jìn)行高速的處理等。以西門子為例，上一代S7-200PLC的位邏輯指令執(zhí)行時(shí)間為0.22μs，而新一代的S7-1200PLC的位邏輯指令執(zhí)行時(shí)間僅為0.1μs。有些PLC甚至可以達(dá)到ns級(jí)別。不少PLC廠商采用了多CPU并行處理方式。統(tǒng)計(jì)表明，在所有故障中，CPU和I/O口故障僅占兩成，其余都為外部故障，其中傳感器45%、執(zhí)行器30%、接線5%。另外，許多廠家的PLC都提供故障診斷功能，大大提高了系統(tǒng)的故障自診斷和處理能力。可編程控制器的產(chǎn)生和發(fā)展電氣控制與S7-1200應(yīng)用技術(shù)教程鄭海春9可編程控制器的發(fā)展趨勢(shì)2．高度集成化、模塊化、小型化?，F(xiàn)在的PLC產(chǎn)品體積更小，功耗更低，功能更強(qiáng)。近幾年，很多PLC廠商推出了超小型PLC，用于單機(jī)自動(dòng)控制或組建分布式控制系統(tǒng)。例如，西門子的LOGO!系列PLC，將CPU、I/O模塊、操作顯示單元集成到一起。此外，很多原先需要擴(kuò)展的功能如ProfiNet也被集成到CPU模塊上，使系統(tǒng)成本大大降低?？删幊炭刂破鞯漠a(chǎn)生和發(fā)展電氣控制與S7-1200應(yīng)用技術(shù)教程鄭海春10可編程控制器的發(fā)展趨勢(shì)3．標(biāo)準(zhǔn)化、開放性。早期PLC的一個(gè)重大缺點(diǎn)就是各廠家的體系是封閉的，各種總線、協(xié)議、指令、接口規(guī)范、電源等級(jí)等都不是一致的，互不通用，互不兼容。如今的PLC采用了各種的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，例如IEC61131-3、IEEE802.3以太網(wǎng)、TCP/IP協(xié)議、OPC等等。可編程控制器的產(chǎn)生和發(fā)展電氣控制與S7-1200應(yīng)用技術(shù)教程鄭海春11可編程控制器的發(fā)展趨勢(shì)4．網(wǎng)絡(luò)化與無線化。PLC廠家都加強(qiáng)了通信聯(lián)網(wǎng)的信息處理能力。例如，西門子的S7-1200支持PROFINET、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（PtP）、Modbus、自由口等通信功能，可以方便的與多種設(shè)備進(jìn)行信息交互。在智能制造系統(tǒng)中，PLC不僅僅是機(jī)械裝備和生產(chǎn)線的控制器，而且還是制造信息的采集器和轉(zhuǎn)發(fā)器。以太網(wǎng)更高速度數(shù)據(jù)傳輸滿足了視頻數(shù)據(jù)、視覺識(shí)別、圖像處理等工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。實(shí)時(shí)以太網(wǎng)滿足了對(duì)于機(jī)器人、計(jì)算機(jī)數(shù)控、運(yùn)動(dòng)控制方面的數(shù)據(jù)交換能力需求。隨著5G的部署，迎來“萬物互聯(lián)”的無線時(shí)代，PLC也將進(jìn)入無線通信時(shí)代。不遠(yuǎn)的將來，PLC的I/O部分可以與CPU分離，傳感器、執(zhí)行器等均可單獨(dú)布置，直接留在現(xiàn)場(chǎng)底層，大大減少現(xiàn)場(chǎng)布線的煩惱。此外，PLC將可以與智能手機(jī)、電腦等互聯(lián)，用戶可以隨時(shí)隨地查看系統(tǒng)狀態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等重要信息?？删幊炭刂破鞯奶攸c(diǎn)電氣控制與S7-1200應(yīng)用技術(shù)教程鄭海春12可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)硬件配套齊全、使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用靈活編程簡(jiǎn)單、易學(xué)易用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少維修工作量小，維修方便體積小，重量輕，能耗低性價(jià)比高可編程控制器的分類電氣控制與S7-1200應(yīng)用技術(shù)教程鄭海春13按結(jié)構(gòu)形式分類根據(jù)PLC的結(jié)構(gòu)形式，可將PLC分為整體式、模塊式和疊裝式三種。西門子S7-1200系列整體式PLC及其擴(kuò)展單元整體式PLC是將電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價(jià)格低的特點(diǎn)。小型PLC一般采用這種整體式結(jié)構(gòu)。整體式PLC由不同I/O點(diǎn)數(shù)的基本單元和擴(kuò)展單元組成。圖為西門子S7-1200系列整體式PLC及其擴(kuò)展單元，PLC具體型號(hào)為CPU1214CDC/DC/DC，其右側(cè)連接了一個(gè)SM1223擴(kuò)展模塊，用于擴(kuò)展PLC的數(shù)字量I/O，其左側(cè)連接了一個(gè)CM1241RS485通信擴(kuò)展模塊?？删幊炭刂破鞯姆诸愲姎饪刂婆cS7-1200應(yīng)用技術(shù)教程鄭海春14按結(jié)構(gòu)形式分類根據(jù)PLC的結(jié)構(gòu)形式，可將PLC分為整體式、模塊式和疊裝式三種。西門子S7-1500系列模塊式PLC模塊式PLC是將PLC各組成部分，分成若干個(gè)獨(dú)立的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊以及各種功能模塊。用戶可根據(jù)需要自行配置I/O點(diǎn)數(shù)和所需模塊等，直接安裝在機(jī)架或?qū)к壣稀ＤK式PLC的特點(diǎn)是配置靈活，可根據(jù)需要選配不同規(guī)模的系統(tǒng)。大、中型PLC一般采用模塊式結(jié)構(gòu)?？删幊炭刂破鞯姆诸愲姎饪刂婆cS7-1200應(yīng)用技術(shù)教程鄭海春15按結(jié)構(gòu)形式分類根據(jù)PLC的結(jié)構(gòu)形式，可將PLC分為整體式、模塊式和疊裝式三種。永宏疊裝式PLC疊裝式PLC將整體式和模塊式的特點(diǎn)結(jié)合起來。其CPU、電源、I/O接口等依然是各自獨(dú)立的模塊，但它們之間連接不用基板，僅用電纜進(jìn)行連接，并且各模塊可以一層層地疊裝。這樣，既保留了模塊式可靈活配置的特點(diǎn)，又體現(xiàn)了整體式體積小巧的優(yōu)點(diǎn)?？删幊炭刂破鞯姆诸愲姎饪刂婆cS7-1200應(yīng)用技術(shù)教程鄭海春16按功能分類根據(jù)PLC的功能不同，可將PLC分為低檔、中檔、高檔三類。低檔PLC具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入/輸出、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和比較及通信等功能，主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機(jī)控制系統(tǒng)?？删幊炭刂破鞯姆诸愲姎饪刂婆cS7-1200應(yīng)用技術(shù)教程鄭海春17按功能分類根據(jù)PLC的功能不同，可將PLC分為低檔、中檔、高檔三類。中檔PLC除具有低檔PLC的功能外，還具有較強(qiáng)的模擬量輸入/輸出、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程I/O、子程序及通信聯(lián)網(wǎng)等功能；有些還可增設(shè)中斷控制、PID控制等功能，適用于復(fù)雜的控制系統(tǒng)?？删幊炭刂破鞯姆诸愲姎饪刂婆cS7-1200應(yīng)用技術(shù)教程鄭海春18按功能分類根據(jù)PLC的功能不同，可將PLC分為低檔、中檔、高檔三類。高檔PLC除具有中檔PLC的功能外，還增加了帶符號(hào)算術(shù)運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、位邏輯運(yùn)算、平方根運(yùn)算及其他特殊功能函數(shù)的運(yùn)算、制表及表格傳送功能等。高檔PLC具有更強(qiáng)的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大規(guī)模過程控制或構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化?？删幊炭刂破鞯姆诸愲姎饪刂婆cS7-1200應(yīng)用技術(shù)教程鄭海春19按I/O點(diǎn)數(shù)分類PLC的控制規(guī)模主要指數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)及模擬量I/O點(diǎn)數(shù)。按I/O點(diǎn)數(shù)，可將PLC分為小型、中型和大型三類。小型PLC：小型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)小于256，用戶存儲(chǔ)器容量為4KB以下。中型PLC：中型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)在256～2048，用戶存儲(chǔ)器容量為4～8KB。大型PLC：大型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)大于2048，用戶存儲(chǔ)器容量為8～16KB。可編程控制器的分類電氣控制與S7-1200應(yīng)用技術(shù)教程鄭海春20世界上，PLC產(chǎn)品可按地域分成三大流派，一個(gè)流派是美國(guó)產(chǎn)品，一個(gè)流派是歐洲產(chǎn)品，一個(gè)流派是日本產(chǎn)品。美國(guó)和歐洲的PLC技術(shù)是在相互隔離情況下獨(dú)立研究開發(fā)的，因此美國(guó)和歐洲的PLC產(chǎn)品有明顯差異性。而日本的PLC技術(shù)是由美國(guó)引進(jìn)的，對(duì)美國(guó)的PLC產(chǎn)品有一定的繼承性。美國(guó)和歐洲以大中型PLC而聞名，日本則以小型PLC著稱。國(guó)外PLC品牌和廠家有德國(guó)西門子（Siemens），瑞士ABB，法國(guó)施耐德（Schneider），美國(guó)羅克韋爾（Rockwell），日本歐姆龍（Omron）以及三菱（Mitsubishi）等