天津大学PLC课件第一章(张).ppt

1、2022-12-251 课程目的 可编程控制器(PLC)是自动控制技术、计算机技术和通讯技术三者结合的产品，它作为一种通用的工业自动化装置，在工业控制各个领域已得到了广泛的应用。通过本课程的学习，了解可编程控制器硬件结构和软件设计方法等有关内容，培养学生应用PLC进行简单工业控制设计的能力。课程特点 可编程控制器是一门实践性非常强的课程，实践环节至关重要 （模拟实验）课程安排和教学形式 4学时832学时 每次课:基础知识实践 课程教材及参考 PLC电气控制与组态设计（周美兰等，科学出版社）松下可编程控制器（FP系列）硬件手册、编程手册 课程考核 （笔试80平时20）可编程序控制器问世于1969

2、年。是美国汽车制造工业激烈竞争的结果。更新汽车型号必然要求加工生产线改变。正是从汽车制造业开始了对传统继电器控制的挑战。1968年美国General Motors公司，要求制造商为其装配线提供一种新型的通用程序控制器，并提出10项招标指标。这就是著名的GM 10条。第一章 可编程控制器的基本知识第一节第一节 可编程控制器的产生和发展可编程控制器的产生和发展一、可编程控制器的产生2022-12-255编程简单，可在现场修改程序编程简单，可在现场修改程序；维护方便，最好是插件式；维护方便，最好是插件式；可靠性高于继电器控制柜；可靠性高于继电器控制柜；体积小于继电器控制柜；体积小于继电器控制柜；可将

3、数据直接送入管理计算机；可将数据直接送入管理计算机；在成本上可与继电器控制柜竞争；在成本上可与继电器控制柜竞争；输入可以是交流输入可以是交流115V115V；输出为交流输出为交流115V115V、2A2A以上，能驱动电磁阀等；以上，能驱动电磁阀等；在扩展时，原系统只需很小变更；在扩展时，原系统只需很小变更；用户程序存贮器容量至少能扩展到用户程序存贮器容量至少能扩展到4K4K。GM10条是可编程序控制器出现的直接原因：一、可编程控制器的产生2022-12-256 1969年，美国数据设备公司(DEC)研制出世界上第一台可编程控制器，并成功地应用在GM公司的生产线上。这一时期它主要用于顺序控制，只

4、能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC(Programmable Logic Controller)PLC(Programmable Logic Controller)70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制领域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器可编程控制器，简称PC(Programmable Controller)。但由于PC容易和个人计算机(Personal Computer)相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。一、可编程控制器的产生2022-12-257 1985年1月：

5、“可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充的原则设计”。二、可编程控制器的定义2022-12-258第二节第二节 可编程控制器的特点及分类可编程控制器的特点及分类 PLCPLC的主要特点的主要特点 可靠性高、抗干扰能力强。可靠性高、抗干扰能力强。隔离隔离(采用光电耦合器采用光电耦合器 )滤波 对PLC的内部电源采取了屏蔽、稳压、保护等措施

6、。设置了连锁、环境检测与诊断、Watchdog等电路。利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测。对用户程序及动态工作数据进行电池备份。采用密封、防尘、抗振的外壳封装结构。采用密封、防尘、抗振的外壳封装结构。一以集成电路为基本元件，内部处理过程不依赖于机械触点。采用循环扫描的工作方式采用循环扫描的工作方式，也提高了抗干扰能力。2022-12-259 可实现三电一体可实现三电一体 三电是指电控、电仪、电传。根据工业自动化系统的分类，对于开关量的控制，即逻辑控制系统，继电接触器控制装置，为电控装置。对于慢的连续控制，即过程控制系统，采用是电动仪表控制，为电仪装置。对于快的连续量控制

7、，即运动控制系统，采用的是电传装置。PLC集电控、电仪和电传于一体。一台控制装置既有逻辑控制功能，又有过程控制功能，还有运动控制功能，可以方便、灵活地适应各种工业控制的需要。第二节 可编程控制器的特点及分类2022-12-2510 3.PLC与传统的继电器逻辑相比 可靠性高、逻辑功能强、体积小。在需要大量中间继电器、时间继电器及计数继电器的场合，PLC 无需增加硬设备。随着要求的变更随着要求的变更PLC对程序修改方便。继电器对程序修改方便。继电器线路要想改变控制功能，必须变更硬接线，线路要想改变控制功能，必须变更硬接线，灵活性差。灵活性差。1.具有网络通讯功能，可附加高性能模块对模拟量进行处理

8、，实现各种复杂控制功能。第二节 可编程控制器的特点及分类2022-12-25114、PLC与工业控制计算机相比 PLCPLC继承了继电器系统的基本格式和习惯继承了继电器系统的基本格式和习惯，对于有继电器系统方面知识和经验的人来说，尤其是现场的技术人员，学习起来十分方便。PLC一般是由电气控制器的制造厂家研制生产，各各厂家的产品不通用。厂家的产品不通用。工业控制机工业控制机是由通用计算机推广应用发展起来的，一般由微机厂、芯片及板卡制造厂开发生产。它在硬件结构方面的突出优点是总总线标准化程度高，产品兼容性强。线标准化程度高，产品兼容性强。1.PLC的运行方式与工业控制机不同，微机的许多软微机的许多

9、软件不能直接使用。件不能直接使用。工业控制机可使用通用微机的各种编程语言，对要求快速、实时性强、模型复杂的工业对象的控制占有优势。但它要求使用者具有一定的计算机专业知识。第二节 可编程控制器的特点及分类2022-12-2512 PLC和工业控制机都是专为工业现场应用环境而设计的。都具有很高的可靠性。都具有很高的可靠性。PLC一般具有模块结构，可以针对不同的对可以针对不同的对象进行组合和扩展。象进行组合和扩展。第二节 可编程控制器的特点及分类2022-12-25二、PLC的分类按结构形式分类按结构形式分类整体式模块式 单板式 按功能分类低档机中档机 1.高档机 分分 类类I0点数点数程序容量程序

10、容量超小型机超小型机64点以内点以内2561000字节字节小型机小型机6425613.6K字节字节中型机中型机25620483.613K字节字节大型机大型机2048以上以上13K字节以上字节以上 3.按按I IO O点数和程序容量分类点数和程序容量分类第二节 可编程控制器的特点及分类2022-12-2514一、PLC的应用场合逻辑控制逻辑控制：可取代传统继电器系统和顺序控制器。如各种机床、自动电梯、装配生产线、电镀流水线、运输和检测等的控制。运动控制运动控制：通过配合PLC使用的专用智能模块，可以对步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴系统实现位置控制，可用于精密金属切削机床、机械手、机器人等设备

11、的控制。过程控制过程控制：通过配用AD、DA转换模块及智能PID模块实现对生产过程中的温度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量进行闭环调节控制。机械加工的数字控制机械加工的数字控制 PLC和计算机数控（CNC）装置组合成一体，可以实现数值控制，组成数控机床。第三节第三节 可编程控制器的应用场合和发展趋势可编程控制器的应用场合和发展趋势 2022-12-25155 5机器人控制机器人控制 应用PLC可实现对机器人的控制。德国西门子制造的机器人就是采用本公司生产的16位PLC组成的控制装置进行控制的。6 6多级控制多级控制 多级控制是指利用PLC的网络通信功能模块及远程IO控制模块实现多台PLC之

12、间的链接、PLC与上位计算机的链接，这种方式，能够完成较大规模的复杂控制，甚至实现整个工厂生产的自动化。第三节第三节 可编程控制器的应用场合和发展趋势可编程控制器的应用场合和发展趋势 2022-12-2516 二、可编程控制器的发展趋势 1、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；3、产品更加规范化、标准化规范化、标准化。第三节第三节 可编程控制器的应用场合和发展趋势可编程控制器的应用场合和发展趋势 2022-12-2517 第四节 可编程控制器的基本结构PLCPLC的系统结构的系统结构I I/O O扩扩展展单单元元I I/O O扩扩展

13、展接接口口 中中央央处处理理单单元元 (C CP PU U)输输入入接接口口输输出出接接口口限限位位开开关关手手动动开开关关编编码码器器数数字字开开关关电电源源外外部部设设备备接接口口存存储储器器系系统统程程序序用用户户程程序序数数据据编编程程器器上上位位计计算算机机图图形形监监控控系系统统打打印印机机E EP PR RO OM M写写入入器器盒盒式式磁磁带带机机条条码码判判读读机机电电源源电电磁磁阀阀继继电电器器指指示示灯灯蜂蜂鸣鸣器器2022-12-2518 PLC各部分的作用 CPU 诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。采集现场的状态或数据，并送人PLC的寄存器中。

14、逐条读取指令，完成各种运算和操作。将处理结果送至输出端。响应各种外部设备的工作请求。PLC中所用的中所用的CPU多为单片机多为单片机第四节 可编程控制器的基本结构2022-12-2519PLC各部分的作用存储器存储器 系统程序存储器系统程序存储器：用以存放系统管理程序、监控程序及系统内部数据。PLC出厂前已将其固化在只读存储器ROM或PROM中，用户不能更改。用户存储器：用户存储器：包括用户程序存储区用户程序存储区及工作数据工作数据存储区存储区。这类存储器一般由低功耗的CMOS-RAM构成，其中的存储内容可读出并更改。PLC产品手册中给出的“存储器类型”和“程序容量”是针对用户程序存储器而言的

15、。第四节 可编程控制器的基本结构2022-12-2520PLC各部分的作用输入输出接口电路输入输出接口电路输入接口电路输入接口电路：采用光电耦合电路，将限位开关、手动开关、编码器等现场输入设备的控制信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。PLC的输入接口电路（直流输入型）第四节 可编程控制器的基本结构2022-12-2521PLC各部分的作用输出接口电路：输出接口电路：采用光电耦合电路，将将CPUCPU处理过的信处理过的信号转换成现场需要的强电信号输出，号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀等外部设备的通断电。有三种类型：内内部部电电路路L LE ED DL L:负负载载C C

16、O OM ML LL L输输出出端端子子继电器输出型 继电器输出型继电器输出型：为有触点输出方式，用于接通或断开开关频率较低的开关频率较低的直流负载直流负载或或交流负载交流负载回路回路。第四节 可编程控制器的基本结构2022-12-2522内内部部电电路路L LE ED D输输出出端端子子L L:负负载载C CO OM ML LL L（b）晶闸管输出型L L:负负 载载输输 出出 端端 子子L LE ED D内内部部电电路路C CO OM ML LL L（c）晶体管输出型（NPN集电极开路）输输 出出 端端 子子L LE ED D内内部部电电路路C CO OM ML L:负负 载载L LL L

17、（d）晶体管输出型（PNP集电极开路）晶体管输出型晶体管输出型：为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的直流电源负载。晶闸管输出型：晶闸管输出型：为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的交流电源负载。第四节 可编程控制器的基本结构2022-12-2523电源电源 PLC的电源的电源是指将外部输入的交流电处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输人输出接口等内部电路工作需要的直流电源电路或电源模块。许多PLC的直流电源采用直流开关稳压电源，不仅可提供多路独立的电压供内部电路使用，而且还可为输入设备提供标准电源。第四节 可编程控制器的基本结构2022-12-2524手持编程器手持编程器

18、 手持编程器采用助记符语言编程助记符语言编程，具有编辑、检索、修改程序、进行系统设置、内存监控等功能。可一机多用，具有使用方便、价格低廉的特点。缺点：缺点：不够直观不够直观 可通过PLC的RS232外设通讯口(或RS422口配以适配器)与计算机联机，利用专用工具软利用专用工具软件件（NPSTGR、FPSOFT、FPWINGR）对对PLCPLC进行编程和监控进行编程和监控。利用计算机进行编程和监控比手持编程工具更加直观和方便。第四节 可编程控制器的基本结构2022-12-2525输入输出输入输出I I0 0扩展接口扩展接口 若主机单元的IO点数不能满足需要时，可通过此接口用扁平电缆线将IO扩展单

19、元与主机相连，以增加IO点数。PLC的最大扩展能力主要受CPU寻址能力和主机驱动能力的限制。第四节 可编程控制器的基本结构 思考 PLC和单片机的区别和关系单片机是PLC的核心PLC是单片机应用系统的一个特例第四节 可编程控制器的基本结构2022-12-2527 第五节 可编程控制器的工作原理及 技术性能PLCPLC的基本工作原理的基本工作原理 微机：“事件处理事件处理”的工作方式（等待命令）PLC：“循环扫描循环扫描”的工作方式 CPU从第一条指令开始按指令步序号作周期性的循环扫描，如果无跳转指令,则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，周而复始不断循环，每

20、一个循环称为一个扫描周期。2022-12-2528 一个扫描周期主要分为三个阶段：一个扫描周期主要分为三个阶段：输入刷新阶段 程序执行阶段 1.输出刷新阶段 输入刷新 程序执行输出刷新一个扫描周期输入刷新 PLC的扫描工作过程用户输出设备输入端子输入锁存器输入映象寄存器输出映象寄存器输出锁存器输出端子程序执行用户输入设备写读读 PLC的基本工作原理第五节 可编程控制器的工作原理及技术指标2022-12-2529PLC的基本工作原理 由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为IO刷新阶段。实际上，除了执行程序和IO刷新外，PLC还要进行各种错误检测(自诊断功能)并与

21、编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”。一般在程序执行后进行。扫描周期的长短主要取决于程序的长短。第五节 可编程控制器的工作原理及技术指标一.PLC的基本工作原理由于每一个扫描周期只进行一次I0刷新，故使系统存在输入、输出滞后现象。存在输入、输出滞后现象。即当PLC输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间。对于一般的开关量控制系统，这种滞后是完全允许的。注意：这种响应滞后不仅是由于PLC扫描工作方式造成，更主要是PLCPLC输入接口滤波环节带来的输入延迟和输出接输入接口滤波环节带来的输入延迟和输出接口中驱动器件动作时间带来的输出延迟口中驱动器件动作时间带来的输出延迟，

22、还与程序设计有关。对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后。第五节 可编程控制器的工作原理及技术指标 PLCPLC扫描工作方式的优点：扫描工作方式的优点：PLC工作时大多数时间与外部输入输出设备隔离，提高了抗干扰能力，增强了系统可靠性 PLC的基本工作原理第五节 可编程控制器的工作原理及技术指标2022-12-2532PLC的主要技术指标输入输出点数（I/O点数）包括基本点数及最大可扩展点数输出形式内存容量 注意：注意：“内存容量”实际是指用户程序容量，不包括系统程序存储

23、器的容量。4.扫描速度(单位：msk或s/步。)5.指令条数 6.内部继电器和寄存器数目 7.编程语言及编程手段 8.高级模块 主控模块可实现基本控制功能，高级模块可实现高级模块可实现一些特殊的专门功能。一些特殊的专门功能。如AD和DA转换模块等。第五节 可编程控制器的工作原理及技术指标2022-12-2533PLC的内存分配及IO点数I I0 0继电器区：继电器区：I0区的寄存器可直接与可直接与PLCPLC外部的外部的输入、输出端子传递信息，输入、输出端子传递信息，具有“继电器”的功能，有自己的“线圈”和“触点”。故常称为“I0继电器区”。以上说法不完全正确内部通用继电器区：内部通用继电器区

24、：只能在只能在PLCPLC内部使用，内部使用，其作用与中间继电器相似，在程序控制中可存放中间变量。数据寄存器区数据寄存器区：只能按字使用只能按字使用，不能按位使用。一般只用来存放各种数据存放各种数据。特殊继电器、寄存器区特殊继电器、寄存器区：被系统内部占用被系统内部占用，专门用于某些特殊目的，一般不能由用户任意占用不能由用户任意占用。系统寄存器区：系统寄存器区：用来存放各种重要信息和参数。存放各种重要信息和参数。通过用户程序，不能读取和修改系统寄存器的内容。第五节 可编程控制器的工作原理及技术指标2022-12-2534 第六节 PLC的几种编程语言 不采用微机的编程语言，采用梯形图语言、指令

25、助记符语言、控制系统流程图语言、布尔代数语言等。其中梯形图、指令助记符语言最为常梯形图、指令助记符语言最为常用。用。PLC的设计和生产至今尚无国际统一标准，不不同厂家所用语言和符号也不尽相同。同厂家所用语言和符号也不尽相同。但它们的梯形图语言的基本结构和功能是大同小异大同小异的。2022-12-2535梯形图语言梯形图语言 梯形图是梯形图是在原继电器接触器控制系统的继电器梯形图基础上演变而来的一种图形语言一种图形语言。它是目前用得最多的它是目前用得最多的PLCPLC编程语言。编程语言。注意注意梯形图表示的并并不是一个实际电路而只是一个不是一个实际电路而只是一个控制程序，控制程序，其间的连线表示

26、的是它们之间的逻辑关系，即所谓“软接线”。常开触点：常闭触点：线圈：它们并非是物理实体，而是它们并非是物理实体，而是“软继电器软继电器”。每每个个“软继电器软继电器”仅对应仅对应PLCPLC存储单元中的一位。存储单元中的一位。该位状态为“1”时，对应的继电器线圈接通，其常开触点闭合、常闭触点断开；状态为“0”时，对应的继电器线圈不通，其常开、常闭触点保持原态。第六节 PLC的几种编程语言2022-12-2536指令助记符语言助记符语言类似于计算机汇编语言助记符语言类似于计算机汇编语言，用一些简洁易记的文字符号表达PLC的各种指令。同一厂家的PLC产品，其助记符语言与梯形图语言是相互对应的，可互

27、相转换。助记符语言常用于手持编程器中，梯助记符语言常用于手持编程器中，梯形图语言则多用于计算机编程环境中。形图语言则多用于计算机编程环境中。第六节 PLC的几种编程语言 继电器 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统和被控制系统，通常应用于自动控制电路中。它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。继电器分类 继电器的分类有多种。按工作原理：电磁继电器、热继电器、光电继电器等等。按触点负载：微功率、小功率、大功率等。按外型尺寸：按防护特征：继电器需要理解的概念：常开触点常开触点 常闭触点常闭触点 动作线圈动作线圈 继电器线圈未通电

28、时处于断开状态的静触点，称为“常开触点常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常常闭触点闭触点”。继电器触点形式继电器触点形式 单刀单掷、单刀双掷、双刀双掷。指在对生产过程运行状态检测的基础上，依据预先编制好的操作规则，对输入状态进行逻辑运算、计数、或定时、或对某些变化参量进行判断等，然后根据这些结果作出控制决策，控制执行机构协调动作，完成以开关量控制为主开关量控制为主的生产过程的自动控制。输入，输出都是开关量输入，输出都是开关量 onon或或offoff两种状态两种状态 (如如:热水器工作热水器工作)分析方法：真值表分析方法：真值表逻辑函数逻辑函数 实现方法：继电器，实现方法：继电器，PLCP

29、LC什么是逻辑控制？使用继电器可实现各种逻辑门电路，起到逻辑控制的功能。下图为：非门电路和与门电路继电器实现逻辑控制2022-12-2542逻辑控制例子工厂生产控制中经常会遇到的液位控制问题：2022-12-2543C CB BA AMSMSMLML00011001010111011100逻辑控制真值表)()(ABCBAABCBACABCMSBCAABCABCABCML)(逻辑控制例子2022-12-2544逻辑控制如何实现？逻辑控制如何实现？1.继电器实现需要思考的问题：是否容易实现、是否容易修改、是否易于维修以及功耗等。逻辑控制例子2022-12-25452.PLC实现PLCX0X1Y0逻辑控制例子X2Y12022-12-2546例2：水罐的高低液位控制逻辑控制例子2022-12-2547逻辑控制真值表R0R0R1R1Y0Y000101?110逻辑表达式怎么写？*注意用注意用什么什么保持保持什么什么复杂逻辑表达式的简化问题：卡诺图逻辑控制例子2022-12-25481、问题分析：输入，输出，逻辑函数2、梯形图程序编写：FPWIN-GR（松下PLC编程软件）3、将程序下载到PLC中运行。（串口）4、PLC和组态王软件通信（串口）5、在组态软件中观察虚拟控制设备的运行状态PLC仿真实验一：储水罐水位控制实验