第1章-可編程序控制器概述

第一章可編程序控制器概述

萬(wàn)嘉萍

二教323PLC技術(shù)及應(yīng)用（三菱）本章主要內(nèi)容1.1PLC的產(chǎn)生和發(fā)展1.2PLC的特點(diǎn)及應(yīng)用1.3PLC的組成及分類1.4PLC的編程語(yǔ)言1.5PLC的工作原理1.6PLC的性能指標(biāo)2024/3/22本章學(xué)習(xí)要求

重點(diǎn)內(nèi)容：

PLC的定義、功能、分類、組成及工作原理了解內(nèi)容：

PLC產(chǎn)生、發(fā)展、性能指標(biāo)難點(diǎn)內(nèi)容：

PLC的編程語(yǔ)言2024/3/23一、可編程序控制器的產(chǎn)生

美國(guó)通用汽車公司(GM公司)1969年提出了研制新型控制裝置的十項(xiàng)指標(biāo)，其主要內(nèi)容如下：(1)編程簡(jiǎn)單，可在現(xiàn)場(chǎng)修改和調(diào)試程序；(2)價(jià)格便宜，性價(jià)比高于繼電器控制系統(tǒng)；(3)可靠性高于繼電器控制系統(tǒng)；(4)體積小于有繼電器控制柜的體積，能耗少；(5)能與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信；

1.1PLC的產(chǎn)生和發(fā)展2024/3/24(6)輸入量是交流115V電壓信號(hào)（美國(guó)電網(wǎng)電壓是110V）；(7)輸出量是交流115V電壓信號(hào)、輸出電流在2A以上，能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥等；(8)具有靈活的擴(kuò)展能力；(9)硬件維護(hù)方便，采用插入式模塊結(jié)構(gòu)；(10)用戶存儲(chǔ)器容量至少在4KB以上

1.1PLC的產(chǎn)生和發(fā)展2024/3/25

1969年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)上述要求研制出第一臺(tái)可編程序控制器，型號(hào)為PDP-14

。1.1PLC的產(chǎn)生和發(fā)展2024/3/26

發(fā)展階段

時(shí)

間

控制功能第一階段(初始階段)1969年至20世紀(jì)70年代中期邏輯運(yùn)算，計(jì)時(shí).計(jì)數(shù)運(yùn)算第二階段(擴(kuò)展階段)20世紀(jì)70年代中期至70年代末期擴(kuò)展了其他運(yùn)算功能第三階段(成熟階段)20世紀(jì)70年代末期至80年代中期實(shí)現(xiàn)了PLC的通信功能，初步形成分布式通信網(wǎng)絡(luò)體系；數(shù)學(xué)運(yùn)算功能也得到了較大擴(kuò)充第四階段(開放階段)20世紀(jì)80年代中期開始通信系統(tǒng)開放，通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，采用了標(biāo)準(zhǔn)的軟件體系，增加了高級(jí)語(yǔ)言，大中型產(chǎn)品多數(shù)有CRT顯示功能等二、PLC的發(fā)展階段1.1PLC的產(chǎn)生和發(fā)展PLC的發(fā)展趨勢(shì)1.向微小型化和大型化兩端發(fā)展2.大力開發(fā)智能模塊，提高PLC的適應(yīng)性.可靠性3.編程語(yǔ)言向高層次.標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展4.PLC與PC機(jī)日益緊密結(jié)合5.PLC通信與聯(lián)網(wǎng)能力不斷增強(qiáng)1.1PLC的產(chǎn)生和發(fā)展2024/3/281.2PLC的特點(diǎn)及應(yīng)用一、PLC基本應(yīng)用介紹

1.數(shù)字量邏輯控制

2.運(yùn)動(dòng)控制

3.模擬量閉環(huán)過(guò)程控制

4.數(shù)據(jù)處理

5.通信聯(lián)網(wǎng)

6.在計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)中的應(yīng)用2024/3/29二、PLC的優(yōu)點(diǎn)

1.高可靠性和強(qiáng)抗干擾能力

2.靈活性好

3.編程簡(jiǎn)單直觀，易學(xué)易用4.系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單、維修方便5.體積小、能耗低、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化

1.2PLC的特點(diǎn)及應(yīng)用2024/3/210一、PLC的組成1.3PLC的組成及分類

PLC是微機(jī)技術(shù)與繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種工業(yè)控制用的專用計(jì)算機(jī)。作為一種以微處理器為核心的用作數(shù)字控制的特殊計(jì)算機(jī)，它的硬件配置與一般微機(jī)裝置類似，主要由中央處理單元(CPU模塊)、存儲(chǔ)器(RAM/ROM)、輸入/輸出模塊(I/0單元)、電源和編程器幾大部分組成。2024/3/211外設(shè)接口輸入接口編程裝置計(jì)算機(jī)…其他外設(shè)接發(fā)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)ROMCPU電源后備電池I/O擴(kuò)展口輸出接口RAMI/O擴(kuò)展單元

PLC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖1.3PLC的組成及分類2024/3/2121.中央處理器(CPU)CPU是PLC的控制核心，包括微處理器和控制接口電路。微處理器是PLC的運(yùn)算控制中心，由它實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)部各部分的工作。它的運(yùn)行是以循環(huán)掃描的方式采集現(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)信號(hào)，執(zhí)行用戶控制程序，并將運(yùn)算結(jié)果傳送到相應(yīng)的輸出裝置，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載工作。CPU芯片性能關(guān)系到PLC處理控制信號(hào)的能力與速度，CPU位數(shù)越高，運(yùn)算速度越快，系統(tǒng)處理的信息量就越大，系統(tǒng)的性能越好?？刂平涌陔娐肥俏⑻幚砥髋c主機(jī)內(nèi)部其他單元進(jìn)行聯(lián)系的部件，主要有數(shù)據(jù)緩沖、單元選擇、信號(hào)匹配、中斷管理等功能。微處理器通過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn)與各個(gè)單元之間的可靠的信息交換和最佳的時(shí)序配合。1.3PLC的組成及分類2024/3/2132.存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是存放程序及數(shù)據(jù)的地方，通常存儲(chǔ)器插裝在CPU模塊中。PLC的存儲(chǔ)器有兩部分：系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器(ROM)和用戶程序存儲(chǔ)器(RAM)。系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器(ROM)是由生產(chǎn)PLC的廠家事先編寫并固化好的，它關(guān)系到PLC的性能，不能由用戶直接存取和修改，其內(nèi)容主要為監(jiān)控程序、模塊化應(yīng)用功能子程序，能進(jìn)行命令解釋和功能子程序的調(diào)用，管理程序和各種系統(tǒng)參數(shù)等。1.3PLC的組成及分類2024/3/2143.輸入/輸出接口(I/O)輸入/輸出接口是PLC的CPU模塊與外部控制現(xiàn)場(chǎng)相聯(lián)系的橋梁，通過(guò)輸入模塊單元，PLC能夠得到生產(chǎn)過(guò)程的各種參數(shù)；通過(guò)輸出模塊單元，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，由于輸入輸出模塊單元與工業(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，在輸入輸出模塊單元中，一般均配有電平變換.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，PLC正是通過(guò)這種接口實(shí)現(xiàn)了信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換。1.3PLC的組成及分類2024/3/2154.電源PLC通常使用交流220V或直流24V工作電源。它的電源模塊為其他各功能模塊提供DC5V、DCl2V、DC24V等各種內(nèi)部直流工作電源。一般情況下，許多PLC可以為輸入電路和外部的傳感器提供直流24V的工作電源，但是驅(qū)動(dòng)PLC負(fù)載的直流電源或交流電源一般由用戶提供。1.3PLC的組成及分類2024/3/2165.編程器及其他可選外部設(shè)備編程器是編制、編輯、調(diào)試、監(jiān)控PLC的用戶程序的必備設(shè)備，它主要由鍵盤、顯示器、工作方式選擇開關(guān)和外存儲(chǔ)器安插器等部件組成。它通過(guò)通信接口與PLC的CPU模塊相聯(lián)系，完成人機(jī)對(duì)話。1.3PLC的組成及分類2024/3/2171、按硬件組成分類

（1)整體式一般的小型及超小型PLC多為整體式結(jié)構(gòu)，這種可編程序控制器是把CPU、RAM、ROM、I/O接口及與編程器或EPROM寫入器相連的接口、輸入/輸出端子、電源、指示燈等都裝配在一起的整體裝置。西門子公司的S7-200系列PLC為整體式結(jié)構(gòu)。（2)模塊式模塊式結(jié)構(gòu)又叫積木式。這種結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)是把PLC的每個(gè)工作單元都制成獨(dú)立的模塊，如CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊、通信模塊等。常見產(chǎn)品有OMRON公司的C200H、C1000H、C2000H，西門子公司的S5-115U、S7-300、S7-400系列等。（3）疊裝式整體式PLC的靈活性和可擴(kuò)展性較差，模塊式PLC的靈活性強(qiáng)，但較復(fù)雜。將兩種形式相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，就構(gòu)成了疊裝式PLC。例如三菱公司的FX系列PLC。二、PLC的分類2024/3/218

2、按點(diǎn)數(shù)和功能分類二、PLC的分類（1）超小型機(jī)：I/O點(diǎn)數(shù)為64點(diǎn)以內(nèi)，內(nèi)存容量為256～1000字節(jié)；（2）小型機(jī)：I/O點(diǎn)數(shù)為64～256，內(nèi)存容量為1～3.6K字節(jié)；（3）中型機(jī)：I/O點(diǎn)數(shù)為256～1024，內(nèi)存容量為3.6～13K字節(jié)；（4）大型機(jī)：I/O點(diǎn)數(shù)為1024以上，內(nèi)存容量為13K字節(jié)以上；2024/3/2192024/3/220PLC的編程語(yǔ)言與一般計(jì)算機(jī)語(yǔ)言相比，具有明顯的特點(diǎn)，它既不同于高級(jí)語(yǔ)言，也不同與一般的匯編語(yǔ)言，它既要滿足易于編寫，又要滿足易于調(diào)試的要求。目前，還沒(méi)有一種對(duì)各廠家產(chǎn)品都能很好兼容的編程語(yǔ)言。1.4PLC的編程語(yǔ)言2024/3/2211.4PLC的編程語(yǔ)言PLC采用面向控制過(guò)程、面向問(wèn)題的“自然語(yǔ)言”編程，國(guó)際電工委員會(huì)制訂的5種標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言如下。這些編程語(yǔ)言有梯形圖、指令表、順序功能圖、功能塊圖、結(jié)構(gòu)化文本。2024/3/2221.梯形圖梯形圖是一種圖形化的編程語(yǔ)言，沿用了傳統(tǒng)的電氣控制原理圖中的繼電器觸點(diǎn).線圈.串聯(lián)和并聯(lián)等術(shù)語(yǔ)和一些圖形符號(hào)構(gòu)成，左右的豎線稱為左右母線。在程序中，最左邊是主信號(hào)流，信號(hào)流總是從左向右流動(dòng)的。梯形圖由觸點(diǎn).線圈和指令框等構(gòu)成。1.4PLC的編程語(yǔ)言2024/3/223一、梯形圖由來(lái)與比較繼電控制梯形圖PLC梯形圖電源線母線2024/3/224梯形圖的特點(diǎn)

(1)梯形圖中的繼電器是“軟繼電器”。(2)“軟繼電器”的常開觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)，在程序中可以被反復(fù)引用。

(3)梯形圖中的“概念電流”只能從左向右流。

(4)當(dāng)梯形圖中輸出繼電器線圈滿足接通條件時(shí)，就表示在對(duì)應(yīng)的輸出點(diǎn)有輸出信號(hào)。25梯形圖的特點(diǎn)(6)當(dāng)PLC處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，PLC就開始按照梯形圖符號(hào)排列的先后順序(從上到下、從左到右)逐一處理，也就是說(shuō)，PLC對(duì)梯形圖是按掃描方式順序執(zhí)行程序。(7)執(zhí)行用戶程序時(shí)，輸入觸點(diǎn)和輸出線圈的狀態(tài)是從I/O映象寄存器中讀取的，不是現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)的實(shí)際狀態(tài)。梯形圖中前面程序解算的結(jié)果馬上可以被后面程序的解算所利用。262.指令表適合于簡(jiǎn)單文本的程序設(shè)計(jì)。指令表是一種類似于計(jì)算機(jī)匯編語(yǔ)言的一種文本編程語(yǔ)言，即用特定的助記符來(lái)表示某種邏輯運(yùn)算關(guān)系。1.4PLC的編程語(yǔ)言2024/3/2272.指令表一般由多條語(yǔ)句組成一個(gè)程序段。指令表適合于經(jīng)驗(yàn)豐富的程序員使用，可以實(shí)現(xiàn)某些梯形圖不易實(shí)現(xiàn)的功能。此外，梯形圖和指令表之間可以相互轉(zhuǎn)換，例如圖(a)所示梯形圖，可以轉(zhuǎn)換為如圖(b)所示指令表。1.4PLC的編程語(yǔ)言

（a）梯形圖語(yǔ)言（b）指令表語(yǔ)言2024/3/228

語(yǔ)句表與梯形圖是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；語(yǔ)句表將梯形圖控制邏輯描述出來(lái)，并通過(guò)編程器輸入到PLC中去。29語(yǔ)句表

PLC的語(yǔ)句：操作碼+操作數(shù)

●操作碼用助記符表示，指示CPU要執(zhí)行的某種操作功能，稱為“編碼指令”●操作數(shù)給出了操作碼執(zhí)行某種操作的對(duì)象或所需的數(shù)據(jù)；通常是編程元件的編號(hào)語(yǔ)句表編程有鍵入方便、編程靈活的優(yōu)點(diǎn)，但不如梯形圖形象、直觀。

303.順序功能圖適合于時(shí)序混合型的多進(jìn)程復(fù)雜控制。順序功能圖也是一種圖形化的編程語(yǔ)言，用來(lái)編寫順序控制的程序(如機(jī)械手控制程序)。在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，工藝過(guò)程被劃分為若干個(gè)順序出現(xiàn)的步，每步中包括控制輸出的動(dòng)作，從一步到另一步的轉(zhuǎn)換由轉(zhuǎn)換條件來(lái)控制，特別適合于生產(chǎn)制造過(guò)程。1.4PLC的編程語(yǔ)言2024/3/2314.功能塊圖適合于典型固定復(fù)雜算法控制，如PID調(diào)節(jié)等。功能塊圖使用類似于布爾代數(shù)的圖形邏輯符號(hào)來(lái)表示控制邏輯，一些復(fù)雜的功能用指令框表示，適合于有數(shù)字電路基礎(chǔ)的編程人員使用。功能塊圖采用類似于數(shù)字電路中邏輯門的形式來(lái)表示邏輯運(yùn)算關(guān)系。一般一個(gè)運(yùn)算框表示一個(gè)功能。運(yùn)算框的左側(cè)為邏輯運(yùn)算的輸入變量，右側(cè)為輸出變量。輸入.輸出端的小圓圈表示“非”運(yùn)算，方框用“導(dǎo)線”連在一起。2024/3/2325.結(jié)構(gòu)化文本適合于自編專用的復(fù)雜程序，如特殊的模型算法。結(jié)構(gòu)化文本是為IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建的一種PLC專用的高級(jí)語(yǔ)言。與梯形圖相比，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，編寫的程序非常簡(jiǎn)潔和緊湊。西門子公司的PLC使用的STEP7中的S7SCL屬于結(jié)構(gòu)化控制語(yǔ)言，程序結(jié)構(gòu)與C語(yǔ)言和Pascal語(yǔ)言相似，特別適合習(xí)慣使用高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的技術(shù)人員使用。1.4PLC的編程語(yǔ)言2024/3/2331.PLC的循環(huán)掃描工作方式PLC要完成控制任務(wù)是在其硬件的支持下，通過(guò)執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來(lái)完成的，這和計(jì)算機(jī)的工作原理是一致的。1.5PLC的工作原理2024/3/234PLC的運(yùn)行方式是循環(huán)掃描方式，簡(jiǎn)單直觀，簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)，并為PLC的可靠運(yùn)行提供了保障。一方面，掃描到的指令被執(zhí)行后，其結(jié)果馬上就可以被將要掃描到的指令所利用；另一方面，通過(guò)CPU設(shè)置的定時(shí)器監(jiān)視每次掃描是否超過(guò)規(guī)定時(shí)間，可以避免由于CPU內(nèi)部故障使程序執(zhí)行進(jìn)入死循環(huán)。1.5PLC的工作原理2024/3/2352.PLC的循環(huán)掃描工作過(guò)程一個(gè)掃描周期內(nèi)基本上要執(zhí)行以下6大任務(wù)（1）運(yùn)行監(jiān)控任務(wù)(系統(tǒng)監(jiān)視計(jì)時(shí)器WDT)（2）與編程器交換信息任務(wù)（3）與數(shù)字處理器(DPU)交換信息任務(wù)（4）與外部設(shè)備接口交換信息任務(wù)（5）執(zhí)行用戶程序任務(wù)（6）輸入輸出信息處理任務(wù)1.5PLC的工作原理2024/3/236在PLC的一個(gè)掃描周期內(nèi)，用戶程序掃描和I/O操作是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制功能的兩個(gè)重要過(guò)程。2024/3/2371.5PLC的工作原理用戶程序輸入映像區(qū)輸出映像區(qū)輸入端子輸出端子輸入信號(hào)輸入信號(hào)用戶程序執(zhí)行輸入采樣與輸出刷新PLC用戶程序掃描和I/O操作的工作過(guò)程

2024/3/238掃描的具體工作過(guò)程輸入采樣階段

PLC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)輸入信息的采集一般是在一個(gè)循環(huán)掃描周期的某個(gè)時(shí)段將現(xiàn)場(chǎng)全部有關(guān)信息采集到控制器內(nèi)，存放在系統(tǒng)準(zhǔn)備好的一個(gè)區(qū)域，稱之為輸入映像區(qū)。2024/3/239程序處理階段CPU按先左后右、先上后下的順序?qū)γ織l指令進(jìn)行逐條調(diào)出并解釋、執(zhí)行，CPU從輸入映象寄存器和元件映象寄存器中讀出各繼電器的狀態(tài)，根據(jù)用戶程序給出的邏輯關(guān)系進(jìn)行邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再寫入元件映象寄存器中。40影響執(zhí)行用戶程序階段的掃描時(shí)間的幾方面因素：執(zhí)行用戶程序階段的掃描時(shí)間是影響掃描周期時(shí)間長(zhǎng)短的主要因素。①用戶程序中所用語(yǔ)句條數(shù)的多少。用戶程序中語(yǔ)句條數(shù)的多少不同，所用的掃描時(shí)間必然不同。則要減少掃描時(shí)間，應(yīng)使所編寫的用戶程序盡量簡(jiǎn)潔；②每條指令的執(zhí)行時(shí)間不同。對(duì)同一控制功能若選用不同的指令進(jìn)行編程，掃描時(shí)間會(huì)有很大差異。少則幾個(gè)微秒，多大上百個(gè)微秒。③程序中有改變程序流向的指令。如：跳轉(zhuǎn)指令、連鎖指令、子程序調(diào)用指令等等。41I/O刷新階段：輸出刷新：將輸出繼電器的元件映象寄存器的狀態(tài)傳送到相應(yīng)的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路的隔離和功率放大部分傳送到PLC的輸出端，驅(qū)動(dòng)外部（負(fù)載）執(zhí)行元件動(dòng)作。輸入刷新：CPU從輸入電路中讀出各輸入點(diǎn)狀態(tài)，并將此狀態(tài)寫入輸入映象寄存器中,刷新輸入映象寄存器的內(nèi)容。423.I/O響應(yīng)時(shí)間定義：從PLC系統(tǒng)的某一輸人信號(hào)變化開始到系統(tǒng)有關(guān)輸出端信號(hào)的改變所需的時(shí)間為I/O響應(yīng)時(shí)間。1.5PLC的工作原理2024/3/2433.I/O響應(yīng)時(shí)間由PLC的循環(huán)掃描過(guò)程可知，外界信息必須在前一個(gè)掃描周期的I/O掃描階段之前準(zhǔn)備好，并由PLC讀入到輸入映像區(qū)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)經(jīng)歷一掃描周期的時(shí)間，在本掃描周期的I/O掃描階段輸出給外設(shè)，這是系統(tǒng)必須有的掃描時(shí)間，如圖所示：1.5PLC的工作原理2024/3/244I/O操作

掃描時(shí)間

掃描時(shí)間

程序掃描

程序掃描

輸入接通延時(shí)

輸出接通延時(shí)

周期掃描過(guò)程

外部輸入信號(hào)

輸入端子信號(hào)

輸入映像區(qū)

外部輸出信號(hào)I/O響應(yīng)時(shí)間PLC的I/O響應(yīng)時(shí)間1.5PLC的工作原理2024/3/2454.PLC的中斷輸入處理PLC的中斷處理原理與計(jì)算機(jī)中斷處理的原理基本相同。即當(dāng)有中斷請(qǐng)求信號(hào)輸入時(shí)，系統(tǒng)要中斷正在執(zhí)行的相關(guān)程序而轉(zhuǎn)向執(zhí)行中斷處理子程序；1.5PLC的工作原理2024/3/2464.PLC的中斷輸入處理當(dāng)有多個(gè)中斷源申請(qǐng)時(shí)，它們將按中斷的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排隊(duì)后順序處理；系統(tǒng)處理完中斷子程序后回復(fù)到原程序中斷點(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行原程序。系統(tǒng)可通過(guò)程序設(shè)置中斷允許或中斷禁止。1.5PLC的工作原理2024