電氣控制與可編程控制技術(shù)-8次課

可編程控制器概述電氣控制與可編程控制技術(shù)課程內(nèi)容PLC的產(chǎn)生、發(fā)展PLC的定義、分類PLC的硬件組成基本結(jié)構(gòu)各組成部分及其功能在PLC產(chǎn)生以前，生產(chǎn)自動(dòng)控制過(guò)程主要由以繼電器為主要元件的電氣控制線路完成的連接復(fù)雜，導(dǎo)線眾多繼電器柜，占用空間噪音大，耗能高維護(hù)和改造困難運(yùn)算能力差不適應(yīng)柔性制造要求GM公司的通用控制器招標(biāo)1968年，美國(guó)通用汽車公司(GM公司)為了在每次汽車改型或改變工藝流程時(shí)不改動(dòng)原有繼電器柜內(nèi)的接線，降低成本，縮短開(kāi)發(fā)周期，而提出了研制新型邏輯順序控制裝置，并提出了10項(xiàng)招標(biāo)技術(shù)指標(biāo)。

1、在工廠里能迅速方便地對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行編程。

2、所有系統(tǒng)單元必須能在工廠內(nèi)獨(dú)立運(yùn)行。

3、系統(tǒng)的維修必須簡(jiǎn)單易行。

4、裝置的體積、能耗小于繼電器控制系統(tǒng)。

5、必須具有通信功能。

6、輸入開(kāi)關(guān)量可以是已有的交流115V電壓信號(hào)。

7、輸出必須設(shè)計(jì)為能驅(qū)動(dòng)具有115V、2A以下的負(fù)載。

8、具有靈活的擴(kuò)展能力。

9、在購(gòu)買和安裝費(fèi)用上，應(yīng)具有較高的性能價(jià)格比。

10、用戶存儲(chǔ)器容量至少在4KB以上。用計(jì)算機(jī)代替繼電器控制盤。用程序代替硬件接線。輸入/輸出電平可與外部裝置直接連接。結(jié)構(gòu)易于擴(kuò)展。1969年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)招標(biāo)的要求，研制出世界上第一臺(tái)可編程序控制器，并在GM公司汽車生產(chǎn)線上首次應(yīng)用成功。GOULD公司將PLC商品化71年后日本研制出第一臺(tái)PLCSIEMENS在73年研制出PLC74年我國(guó)開(kāi)始研制PLC，77年開(kāi)始工業(yè)應(yīng)用PLC已經(jīng)在冶金、機(jī)械、石油、化工、紡織、輕工、建筑、運(yùn)輸、電力等部門得到廣泛應(yīng)用可編程控制器的定義“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)?！?1987.2，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）PLC的發(fā)展階段

第一階段是初創(chuàng)階段。主要用于邏輯運(yùn)算和定時(shí)、計(jì)數(shù)，它的控制功能比較簡(jiǎn)單。第二階段是擴(kuò)展階段。它的主要功能是邏輯運(yùn)算，同時(shí)增加了模擬運(yùn)算。第三階段是PLC通信功能的實(shí)現(xiàn)階段。第四階段是PLC的開(kāi)放階段。通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化。第一階段

從第一臺(tái)可編程序控制器問(wèn)世到20世紀(jì)70年代中期。這一階段的產(chǎn)品主要用于邏輯運(yùn)算和定時(shí)、計(jì)數(shù)，它的CPU由中小規(guī)模的數(shù)字集成電路組成，它的控制功能比較簡(jiǎn)單。這一階段的典型產(chǎn)品有MODICON公司的084、ALLEN-BRADLEY(AB)公司的PDQII、DEC的PDP-14、日立公司的SCY-022等。第二階段

從20世紀(jì)70年代中期到末期。這一階段產(chǎn)品的主要控制功能得到了較大的發(fā)展。它的發(fā)展主要來(lái)自兩方面，一是從可編程序控制器發(fā)展而來(lái)的控制器，它的主要功能是邏輯運(yùn)算，同時(shí)擴(kuò)展了其他運(yùn)算功能；二是從模擬儀表發(fā)展而來(lái)的控制器，其主要功能是模擬運(yùn)算，同時(shí)擴(kuò)展了邏輯運(yùn)算功能。這一階段的產(chǎn)品有MODICON公司的184、284、384，西門子公司的SYMATICS3系列，富士電機(jī)公司的SC系列等。第三階段

從20世紀(jì)70年代末期到80年代中期，是PLC通信功能的實(shí)現(xiàn)階段。與計(jì)算機(jī)通信的發(fā)展相聯(lián)系，PLC也在通信方面有了很大的發(fā)展，初步形成了分布式的通信網(wǎng)絡(luò)體系，但是，由于制造企業(yè)各自為政，通信系統(tǒng)自成系統(tǒng)，因此，各產(chǎn)品互相通信是較困難的。在該階段，由于生產(chǎn)過(guò)程控制的需要，對(duì)PLC的需求大大增加，產(chǎn)品的功能也得到了發(fā)展，數(shù)學(xué)運(yùn)算的功能得到了較大的擴(kuò)充，產(chǎn)品的可靠性進(jìn)一步提高。這一階段的產(chǎn)品有西門子公司的SYMATICS6系列、富士電機(jī)公司的MI-CREX和德州儀器公司的TI530等。第四階段

從20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始，是PLC的開(kāi)放階段。由于開(kāi)放系統(tǒng)的提出，使PLC也得到了較大的發(fā)展。主要表現(xiàn)為通信系統(tǒng)的開(kāi)放，使各制造企業(yè)的產(chǎn)品可以互相通信，通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化使用戶得到了好處。在這一階段，產(chǎn)品的規(guī)模增大，功能不斷完善，大中型產(chǎn)品多數(shù)有CRT屏幕的顯示功能，產(chǎn)品的擴(kuò)展也因通信功能的改善而變得方便，此外，還采用了標(biāo)準(zhǔn)的軟件系統(tǒng)，增加了高級(jí)編程語(yǔ)言等。這一階段的產(chǎn)品有西門子公司的SYMATICS5和S7系列、AB公司的PLC-5等。PLC分類分類有助于PLC的選型及應(yīng)用按控制規(guī)模分類（輸入/輸出端子數(shù)）小型機(jī)：256點(diǎn)以下（F1、S7-200）中型機(jī)：256-1024點(diǎn)大型機(jī)：1024點(diǎn)以上按結(jié)構(gòu)形式分類整體式：S7-200模板式：S7-300分散式按用途分類用于順序邏輯控制用于閉環(huán)過(guò)程控制用于多級(jí)分布式和集散控制系統(tǒng)用于機(jī)械加工的數(shù)字控制和機(jī)器人控制根據(jù)生產(chǎn)廠家分類OMRONMITSUBISHITOSHIBAGE-FUNACA-B(Allen－Bradley)SIEMENSPLC的特點(diǎn)與功能一般特點(diǎn)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）10萬(wàn)小時(shí)以上編程方便；梯形圖語(yǔ)言繼承了傳統(tǒng)繼電器線路圖的表達(dá)形式使用方便；接線簡(jiǎn)單、升級(jí)維修工作量小、體積小，能耗低維護(hù)方便；設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試周期短；易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化功能強(qiáng)、性能價(jià)格比高PLC的主要功能順序邏輯控制運(yùn)動(dòng)控制定時(shí)控制計(jì)數(shù)控制步進(jìn)控制數(shù)據(jù)處理模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換通信及聯(lián)網(wǎng)PLC的發(fā)展趨勢(shì)系列化、模板化小型機(jī)功能強(qiáng)化中、大型機(jī)高速度、高功能、大容量功能高度集成PLC與PC的集成PLC與DCS的集成PLC與CNC的集成分散型I/O、智能型I/O、現(xiàn)場(chǎng)總線型I/O低成本多功能PLC的基本組成和各部份的作用基本組成（最小系統(tǒng)）中央處理單元(CPU)2．存儲(chǔ)器3．輸入／輸出單元4．電源適配器程序存儲(chǔ)器中央處理單元(CPU)接收與存儲(chǔ)用戶由編程工具輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。以掃描的方式接受輸入設(shè)備狀態(tài)和數(shù)據(jù)。執(zhí)行用戶程序，輸出控制信號(hào)。

---用掃描方式工作，接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的輸入信號(hào)，并輸入到輸入映像寄存器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中；

---在進(jìn)入運(yùn)行方式后，從存儲(chǔ)器中逐條讀取并執(zhí)行用戶程序，完成用戶程序所規(guī)定的邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理等操作；

---根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)，刷新輸出映像寄存器的內(nèi)容，再經(jīng)輸出部件實(shí)現(xiàn)輸出控制、打印制表或數(shù)據(jù)通信等功能。故障診斷通信CPU的實(shí)現(xiàn)專用電路通用處理器：8086、80286、80386單片機(jī)芯片：8051、8096位片式微處理器：AMD-2900一個(gè)或多個(gè)CPU一個(gè)或多個(gè)算術(shù)邏輯單元（ALU）存儲(chǔ)器系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器有了系統(tǒng)程序，單片機(jī)組成的系統(tǒng)就變成了PLC用戶程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器ROM隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器RAM可擦寫(xiě)存儲(chǔ)器E2PROMPLC存儲(chǔ)空間的分配（3）用戶程序存儲(chǔ)區(qū)（1）系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)（2）系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)（包括I/O映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等）

用戶程序存儲(chǔ)區(qū)存放用戶編制的用戶程序。不同類型的PLC，其存儲(chǔ)容量各不相同。

在系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等。由制造廠商將其固化在EPROM中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該P(yáng)LC的性能。

系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)包括I/O映象區(qū)以及各類軟設(shè)備，如：邏輯線圈；數(shù)據(jù)寄存器；計(jì)時(shí)器；計(jì)數(shù)器；變址寄存器；累加器等存儲(chǔ)器。I/O映象區(qū)：PLC投入運(yùn)行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。因此，它需要一定數(shù)量的存儲(chǔ)單元(RAM)以存放I/O的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些單元稱作I/O映象區(qū)。整個(gè)I/O映象區(qū)可看作兩個(gè)部分組成：開(kāi)關(guān)量I/O映象區(qū)；模擬量I/O映象區(qū)。一個(gè)開(kāi)關(guān)量I/O占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)位（bit）一個(gè)模擬量I/O占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)字（16個(gè)bit）軟設(shè)備存儲(chǔ)區(qū)邏輯線圈計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)寄存器和累加器等

該存儲(chǔ)區(qū)又分為具有失電保持的存儲(chǔ)區(qū)域和無(wú)失電保持的存儲(chǔ)區(qū)域，前者在PLC斷電時(shí)，由內(nèi)部的鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會(huì)遺失；后者當(dāng)PLC斷電時(shí)，數(shù)據(jù)被清零。

邏輯線圈

與開(kāi)關(guān)輸出一樣，每個(gè)邏輯線圈占用系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中的一個(gè)位，但不能直接驅(qū)動(dòng)外設(shè)，只供用戶在編程中使用，其作用類似于電器控制線路中的繼電器。另外，不同的PLC還提供數(shù)量不等的特殊邏輯線圈，具有不同的功能。

數(shù)據(jù)寄存器

與模擬量I/O一樣，每個(gè)數(shù)據(jù)寄存器占用系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中的一個(gè)存儲(chǔ)單位(？Bits依數(shù)據(jù)類型而不同)。另外，PLC還提供數(shù)量不等的特殊數(shù)據(jù)寄存器（類似單片機(jī)的狀態(tài)字或控制字），具有不同的功能。輸入/輸出單元是PLC與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備直接連接的端口用于接收現(xiàn)場(chǎng)的輸入信號(hào)，輸出控制信號(hào)開(kāi)關(guān)量輸入單元開(kāi)關(guān)量輸出單元PLC按鈕繼電器觸點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)通過(guò)各種輸入/輸出單元，PLC既可檢測(cè)到所需的過(guò)程信息，又可將處理結(jié)果傳送給外部過(guò)程，驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制。通過(guò)輸入模板單元，PLC能夠得到生產(chǎn)過(guò)程的各種參數(shù)；通過(guò)輸出模板單元，PLC能夠把運(yùn)算處理的結(jié)果送至工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)控制。實(shí)際生產(chǎn)中的信號(hào)電平多種多樣，外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需電流也是多種多樣，而PLC的CPU所處理的只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，由于輸入/輸出模板單元與工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)的各種信號(hào)直接相連，這就要求它有很好的信號(hào)適應(yīng)能力和抗干擾性能。因此，在輸入/輸出模板單元中，一般均配有電子變換、光耦合器和阻容濾波等電路，以實(shí)現(xiàn)外部現(xiàn)場(chǎng)的各種信號(hào)與系統(tǒng)內(nèi)部統(tǒng)一信號(hào)的匹配和信號(hào)的正確傳遞。數(shù)字信號(hào)：PLC內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)的電平/電流水平的點(diǎn)開(kāi)關(guān)信號(hào)電源PLC的內(nèi)部電源系統(tǒng)一般有三類：供PLC中的TTL芯片和集成運(yùn)算放大器使用的基本電源(＋5V和±15V直流電源)；供輸出接口使用的高壓大電流的功率電源；鋰電池及其充電電源。對(duì)于在PLC的輸出端子上接的負(fù)載所需的負(fù)載工作電源，必須由用戶提供。編程器編程器用于用戶程序的輸入、編輯、調(diào)試和監(jiān)視，還可以通過(guò)其鍵盤去調(diào)用和顯示PLC的一些內(nèi)部繼電器狀態(tài)和