可编程控制器的基本结构和工作原理专题培训课件.ppt

可编程控制器的基可编程控制器的基本结构和工作原理本结构和工作原理一、一、可编程序控制器的产生可编程序控制器的产生继电接触器控制系统的缺点：继电接触器控制系统的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差，一高，尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差，一旦生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并旦生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，这造成了时间和资金的严重浪费。改变硬件结构，这造成了时间和资金的严重浪费。3.1 3.1 可编程控制器的概述可编程控制器的概述PLCPLC的产生的产生 1968年，美国通用汽车公司年，美国通用汽车公司(GM公司公司)为了为了在每次汽车改型或改变工艺流程时不改动原在每次汽车改型或改变工艺流程时不改动原有继电器柜内的接线，以便降低生产成本，有继电器柜内的接线，以便降低生产成本，缩短新产品的开发周期，而提出了研制新型缩短新产品的开发周期，而提出了研制新型逻辑顺序控制装置，逻辑顺序控制装置，并提出了该装置的研制并提出了该装置的研制指标要求，即指标要求，即10项招标技术指标。项招标技术指标。o1969年，美国数字设备公司（年，美国数字设备公司（DEC公司）首先研公司）首先研制成功第一台可编程控制器制成功第一台可编程控制器PDP14。接着，美。接着，美国国MODICON公司也开发出可编程控制器公司也开发出可编程控制器084。o1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制成了日本第一台可编程控制器制成了日本第一台可编程控制器DSC8；o1973年，西欧国家也研制出他们的第一台可编程年，西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器；控制器；o我国从我国从1974年也开始研制可编程控制器，年也开始研制可编程控制器，1977年开始工业应用。年开始工业应用。二、二、二、二、PLCPLC的名称由来的名称由来的名称由来的名称由来 早期的早期的PLC是用来替代继电器、接触器控制的。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，它主要用于顺序控制，只能实现逻辑运算。因此，被称为被称为可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器（Programmable logic controller，略写略写 PLC)随着电子技术、计算机技术的迅速发展，可编程随着电子技术、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。被称控制器的功能已远远超出了顺序控制的范围。被称为为可编程控制器可编程控制器（Programmable controller，略写略写PC)。为区别于。为区别于Personal Computer(PC)，故沿用，故沿用PLC 这个略写。这个略写。三、可编程序控制器的定义三、可编程序控制器的定义 PLC是是一一种种专专门门为为在在工工业业环环境境下下应应用用而而设设计计的的进进行行数数字字运运算算操操作作的的电电子子装装置置。它它采采用用可可以以编编制制程程序序的的存存储储器器，用用来来在在其其内内部部存存储储执执行行逻逻辑辑运运算算、顺顺序序运运算算、定定时时、计计数数和和算算术术运运算算等等操操作作的的指指令令，并并能能通通过过数数字字式式或或模模拟拟式式的的输输入入和和输输出出，控控制制各各种种类类型型的的机机械械或或生生产产过过程程。PLC及及其其有有关关的的外外围围设设备备都都应应按按照照易易于于与与工工业业控控制制系系统统形形成成一一个个整整体体和和易易于于扩扩展展其其功能的功能的原则而设计。原则而设计。”四、四、PLC的分类的分类 o1.按可编程序控制器的结构分类：按可编程序控制器的结构分类：o 整体式整体式结构和结构和模块式模块式结构结构o1)整体式结构的整体式结构的PLCo 把把CPU、存储器、输入输出接口电路、电源、存储器、输入输出接口电路、电源都装入一个金属或塑料外壳的机箱之中，称为主都装入一个金属或塑料外壳的机箱之中，称为主机。机。机箱上有输入输出接线端子排及电源进线端机箱上有输入输出接线端子排及电源进线端子；机箱上还有发光二极管，反映子；机箱上还有发光二极管，反映PLC运行模式运行模式和输入输出点状态。和输入输出点状态。o 整体式结构的整体式结构的PLC的的I/O点数是点数是固定的，而固定的，而且数量不多且数量不多。如。如10点、点、24点、点、32点、点、40点、点、60点等。点等。2)模块式结构的模块式结构的PLC 把把PLC系统的各组成部分分成各个独立的模系统的各组成部分分成各个独立的模块，使用时把各部分模块在一个框架上组装块，使用时把各部分模块在一个框架上组装在一起；或通过各模块的插口，把各模块依在一起；或通过各模块的插口，把各模块依次插接在一起，形成一个完整的次插接在一起，形成一个完整的PLC系统进系统进行工作。行工作。一般模块有一般模块有CPU模块、输入模块、输出模块、输入模块、输出模块、模块、I/O混合模块、电源模块。混合模块、电源模块。S7-200PLCS7-300PLC 2.按按I/O点数分类点数分类 一般将一路信号叫做一个点，将一般将一路信号叫做一个点，将输入点数和输出点数输入点数和输出点数的总和称为机器的点的总和称为机器的点。按照点数的多少，可将。按照点数的多少，可将PLC分为超分为超小、中、大等类型。小、中、大等类型。(1)小型小型PLC：I/O点数为点数为 2048点；多点；多CPU，16位、位、32位处理器，用户存储器容量位处理器，用户存储器容量816K。上述划分方式并不十分严格，也不是一成不变的。随上述划分方式并不十分严格，也不是一成不变的。随着着PLC的不断发展，划分标准已有过多次的修改。的不断发展，划分标准已有过多次的修改。第1章 概 述PLC的主要生产厂家的主要生产厂家五、五、PLC的特点的特点o可靠性高、抗干扰能力强可靠性高、抗干扰能力强ooPLCPLC的平均的平均的平均的平均无无无无故障时间可达几十万个小时故障时间可达几十万个小时故障时间可达几十万个小时故障时间可达几十万个小时 。o 硬件方面硬件方面：I/O接口采用接口采用光电隔离光电隔离，有效地抑制了外部干，有效地抑制了外部干扰源的影响；对供电电源及线路扰源的影响；对供电电源及线路采用多种形式的滤波采用多种形式的滤波，从而消，从而消除或除或抑制了高频干扰抑制了高频干扰；对；对CPU等重要部件采用良好的导电、导等重要部件采用良好的导电、导磁材料磁材料进行屏蔽进行屏蔽，以减少空间电磁干扰；对有些模块设置了联，以减少空间电磁干扰；对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等。锁保护、自诊断电路等。(光电隔离：消除高频、电磁干扰）光电隔离：消除高频、电磁干扰）o 软件方面软件方面：采用：采用扫描工作方式扫描工作方式，减少了外界的干扰；，减少了外界的干扰；设有设有故障检测和自诊断程序，故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路等故障实现检测和能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；当由干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，判断；当由干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦正常后，便可恢复到故障发禁止任何不稳定的读写操作，一旦正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。生前的状态，继续原来的工作。PLC的特点：的特点：o 编程简单、操作使用简单编程简单、操作使用简单o 目前，各种目前，各种PLC都采用梯形图语言为第一编程都采用梯形图语言为第一编程语言，它是一种面向生产、面向用户的编程语言。语言，它是一种面向生产、面向用户的编程语言。o 梯形图与电器控制线路图相似，形象、直观，梯形图与电器控制线路图相似，形象、直观，不需要掌握计算机知识，很容易让广大工程技术人不需要掌握计算机知识，很容易让广大工程技术人员掌握员掌握。当生产流程需要改变时，可以现场改变程。当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活。序，使用方便、灵活。o 同时，同时，PLC编程器的操作和使用也很简单。这编程器的操作和使用也很简单。这也是也是PLC获得普及和推广的主要原因之一。获得普及和推广的主要原因之一。o 许多许多PLC还针对具体问题，设计了各种专用编还针对具体问题，设计了各种专用编程指令及编程方法，进一步简化了编程。程指令及编程方法，进一步简化了编程。PLC的特点：的特点：o 功能完善、通用性强，便于使用功能完善、通用性强，便于使用o 现代现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有还具有A/D和和D/A转换、数值运算、数据处理、转换、数值运算、数据处理、PID控制、通信联网控制、通信联网以等许多功能。同时，由于以等许多功能。同时，由于PLC产品的系列化、模块化，有品种齐全的产品的系列化、模块化，有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成满足各种要求的控制系统。各种硬件装置供用户选用，可以组成满足各种要求的控制系统。o 设计安装简单、维护方便设计安装简单、维护方便o 由于由于PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件，控制柜的设计、用软件代替了传统电气控制系统的硬件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。安装接线工作量大为减少。PLC的用户程序大部分可在实验室进行模拟的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。调试，缩短了应用设计和调试周期。o 在维修方面，由于在维修方面，由于PLC的故障率极低，维修工作量很小；而且的故障率极低，维修工作量很小；而且PLC具很强的自诊断功能，如果出现故障，可根据具很强的自诊断功能，如果出现故障，可根据PLC上指示或编程器上提上指示或编程器上提供的故障信息，迅速查明原因，维修极为方便。供的故障信息，迅速查明原因，维修极为方便。o体积小、重量轻、能耗低体积小、重量轻、能耗低 PLC结构紧凑、体积小、能耗低，是实现机电一体化的理想控制设结构紧凑、体积小、能耗低，是实现机电一体化的理想控制设备备。六、六、PLC的应用领域的应用领域顺序控制顺序控制 运动控制运动控制过程控制过程控制数据处理数据处理 通信联网通信联网七、七、PLC的主要性能指标的主要性能指标（六）（六）智能单元的数量智能单元的数量（一）（一）存储容量存储容量（二）（二）输入输入输出点数输出点数（三）（三）扫描速度扫描速度（四）（四）编程指令的种类和数量编程指令的种类和数量（五）（五）扩展能力扩展能力八、八、PLC控制系统与继电接触控制系统的区别控制系统与继电接触控制系统的区别控制方法上：控制方法上：硬硬硬硬 ：软软软软工作方式上：工作方式上：并行工作方式并行工作方式并行工作方式并行工作方式 ：串行工作方式串行工作方式串行工作方式串行工作方式控制速度上：控制速度上：速度速度速度速度 慢慢慢慢 ：快快快快 定时和计数控制上：定时和计数控制上：精度精度精度精度 低低低低 ：高高高高 可靠性和可维护性上：可靠性和可维护性上：可靠性可靠性可靠性可靠性 低低低低 ：高高高高九、九、PLC的发展趋势的发展趋势1.在系统构成规模上在系统构成规模上向大、小两个方向发展；向大、小两个方向发展；2.功能不断增强，各种应用模块不断推出功能不断增强，各种应用模块不断推出；3.产品更加产品更加规范化、标准化规范化、标准化 。3.2 PLC的硬件组成的硬件组成3.2.1 PLC的硬件系统组成（的硬件系统组成（6部分）部分）（一）中央处理器（一）中央处理器CPUCPU 1.CPU在系统程序的配合下，做以下工作在系统程序的配合下，做以下工作：（1）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。（2）诊断电源、）诊断电源、PLC内部电路工作状态和编程过程中的语内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。法错误。（3）从程序存储器中读取用户程序，经编译程序解释后转化）从程序存储器中读取用户程序，经编译程序解释后转化为相应的机器码，按机器码产生相应的控制信号完成用户为相应的机器码，按机器码产生相应的控制信号完成用户程序规定的运算任务和控制任务。程序规定的运算任务和控制任务。（4）主要用扫描方式，也用中断方式，接收现场输入设备的）主要用扫描方式，也用中断方式，接收现场输入设备的状态信息，并存入相应的存储单元。状态信息，并存入相应的存储单元。（5）按要求输出相应的运算结果和控制信号。）按要求输出相应的运算结果和控制信号。（6）控制打印、显示、通讯等工作的执行。）控制打印、显示、通讯等工作的执行。PLC的的CPU由一般微处理器芯片，或由单片机芯片等担任。由一般微处理器芯片，或由单片机芯片等担任。3.2.1 PLC的硬件系统组成（的硬件系统组成（6部分）部分）（二）存储器（二）存储器 存储器有存储器有ROM和和RAM两种，用来保存程序和数据两种，用来保存程序和数据。1系统程序存储器系统程序存储器 系统程序是系统的监控管理、故障检测、指令解释程序，它不需系统程序是系统的监控管理、故障检测、指令解释程序，它不需用户干预，由厂家直接固化到用户干预，由厂家直接固化到EPROM中。中。系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序模块与系统调用程序系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序模块与系统调用程序 2用户程序存储器用户程序存储器 用来存放用户程序。用户编好程序后，先输入到用来存放用户程序。用户编好程序后，先输入到PLC中带有后备中带有后备电源的电源的RAM中，经调试修改后，可以固化到中，经调试修改后，可以固化到EPROM、EPROM中长期使用。中长期使用。3数据存储器数据存储器 数据存储器用来存放数据存储器用来存放I/O状态，中间开关量状态，定时器、计数状态，中间开关量状态，定时器、计数器的设定值和现在值器的设定值和现在值,各种运算的源数据和结果数据，状态标志位等。各种运算的源数据和结果数据，状态标志位等。分为元件映像寄存器和数据表。分为元件映像寄存器和数据表。3.2.1 PLC的硬件系统组成（的硬件系统组成（6部分）部分）（三）输入（三）输入/输出接口输出接口 1.控制用控制用I/O接口接口 是是CPU与现场的被控与现场的被控I/O设备之间的连接部件。设备之间的连接部件。2.外设用外设用I/O接口接口 是是CPU与保证与保证CPU正常工作的外部设备进行联系正常工作的外部设备进行联系接口。外部设备通过一个或多个外设用接口。外部设备通过一个或多个外设用I/O接口与接口与PLC的的CPU进行联系或通讯。通过外设用进行联系或通讯。通过外设用I/O接口还可以实接口还可以实现现PLC之间、之间、PLC与上位机之间的通讯。与上位机之间的通讯。必备的外部设备是编程器必备的外部设备是编程器,外部设备还有：打印机、外部设备还有：打印机、EPROM写入器、专用彩色图形监控器、外部写入器、专用彩色图形监控器、外部RAM、ROM单元、盒式磁带机。单元、盒式磁带机。3.2.1 PLC的硬件系统组成（的硬件系统组成（6部分）部分）3.扩展用扩展用I/O接口接口 可用来外接扩展的控制用可用来外接扩展的控制用I/O接口，增加接口，增加PLC的输入的输入输出能力。输出能力。输入输入/输出接口电路输出接口电路直流输入电路图直流输入电路图内部电路COM输入1输入 n交流输入电路图交流输入电路图（四）电源（四）电源 电源用来提供电源用来提供PLC正常工作的各种电压。正常工作的各种电压。交流电源：交流电源：PLC的外接功率电源是的外接功率电源是220V/110V电压的交流电电压的交流电源，有的源，有的PLC的电源电压的适用范围可达到的电源电压的适用范围可达到85V264V。电源。电源电压的平稳可靠是电压的平稳可靠是PLC正常工作的首要条件。正常工作的首要条件。直流电源：直流电源：有的有的PLC还可以向外部提供一定功率的直流还可以向外部提供一定功率的直流24V电压，提供给电压，提供给PLC I/O接口使用接口使用,或提供给适量的负载使用。或提供给适量的负载使用。注意：注意：为了保证为了保证RAM芯片在芯片在PLC断电后仍保持数据，断电后仍保持数据，PLC内内部装有干电池或锂电池做后备电源。这样的电池两年左右要更部装有干电池或锂电池做后备电源。这样的电池两年左右要更换一次。有的换一次。有的PLC存储器不用存储器不用RAM，而使用，而使用E2PROM。而。而E2PROM可以不用后备电池。可以不用后备电池。（五）（五）编程器编程器 供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视3.2.2 PLC的软件系统（的软件系统（2部分）部分）oPLC的软件系统：是指的软件系统：是指PLC使用的各种程序的集合，包括系统程序和使用的各种程序的集合，包括系统程序和用户应用程序。用户应用程序。o（一）系统程序（一）系统程序o系统程序又称为系统软件。它包括系统程序又称为系统软件。它包括PLC整个系统及各部分的管理程序，整个系统及各部分的管理程序，监控程序，系统故障检测程序或故障诊断程序，监控程序，系统故障检测程序或故障诊断程序，PLC指令系统的解释指令系统的解释程序。程序。系统程序一般由系统程序一般由PLC采用的微处理器相应的汇编语言编写，由采用的微处理器相应的汇编语言编写，由厂家提供，固化在厂家提供，固化在EPROM中。中。系统程序一般不能也不需要由用户干系统程序一般不能也不需要由用户干预。预。o（二）用户程序（二）用户程序o用户程序是用来实现用户的控制要求的应用程序，由用户编制。编制用户程序是用来实现用户的控制要求的应用程序，由用户编制。编制用户程序，用户程序，使用的不是原来的汇编语言，而是使用的不是原来的汇编语言，而是PLC的指令系统，的指令系统，这是这是由原来的汇编语言开发出来的由原来的汇编语言开发出来的PLC的程序语言。用户程序由用户使用的程序语言。用户程序由用户使用专用编程器或通用微机输入到专用编程器或通用微机输入到PLC内存中。内存中。oPLC的程序语言或指令系统，当前主要是梯形图语言及与梯形图相对的程序语言或指令系统，当前主要是梯形图语言及与梯形图相对应的助记符语句指令。也有应的助记符语句指令。也有PLC采用流程图语言采用流程图语言(GRAFACET)、顺序功、顺序功能图语言能图语言(SFC)或专用高级语言，也有使用像或专用高级语言，也有使用像BASIC这样高级语言的。这样高级语言的。3.3 PLCPLC的编程语言的编程语言（一）梯形图（一）梯形图（LAD）编程）编程符号对照符号对照 典型梯形图示意典型梯形图示意 典型的梯形图示意图典型的梯形图示意图（二）指令表（二）指令表（STL）编程）编程指令表编程举例指令表编程举例 a）梯形图）梯形图 b）指令表）指令表（三）状态流程图（功能图）编程（三）状态流程图（功能图）编程 钻孔顺序的状态流程图钻孔顺序的状态流程图