掌握可编程控制器的工作原理了解PLC的编程语言.ppt

主 编：黄云龙副主编：郁 炜 吴国强审 阅：陈国定制 作：廖东进 出 版：科学出版社 2007年1月可编程控制器可编程控制器教育部普通高等教育教育部普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材第第1章章 可编程控制器概论可编程控制器概论1.1 可编程控制器的产生、特点、现状和发展趋势可编程控制器的产生、特点、现状和发展趋势 1.2 PLC的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理 1.3 PLC的主要性能指标的主要性能指标 1.4 PLC的编程语言的编程语言 本章要点本章要点 1理解可编程控制器的基本结构，掌握可编程控制器理解可编程控制器的基本结构，掌握可编程控制器的工作原理、了解的工作原理、了解PLC的编程语言。的编程语言。2了解了解PLC的主要技术性能指标、扫描工作方式和的主要技术性能指标、扫描工作方式和PLC的响应时间。的响应时间。本章难点本章难点 1可编程控制器基本结构的理解。可编程控制器基本结构的理解。2各种编程语言的理解。各种编程语言的理解。3扫描工作方式和响应时间的理解。扫描工作方式和响应时间的理解。1.1 可编程控制器的产生、特点、现状和发展趋势可编程控制器的产生、特点、现状和发展趋势本节主要介绍 PLC的产生的产生 PLC的特点的特点 PLC的现状的现状 PLC的发展趋势的发展趋势可编程控制器（可编程控制器（Programmable Controller）简称）简称PC(PLC)1.1.1 PLC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）提出了研制新型逻）提出了研制新型逻辑顺序控制装置的辑顺序控制装置的十项招标指标十项招标指标：编程方便，可现场修改程序；编程方便，可现场修改程序；维修方便，采用模块化结构；维修方便，采用模块化结构；可靠性高于继电器控制装置；可靠性高于继电器控制装置；体积小于继电器控制装置；体积小于继电器控制装置；数据可直接送入管理计算机；数据可直接送入管理计算机；成本可与继电器控制装置竞争；成本可与继电器控制装置竞争；输入可以是交流输入可以是交流115V；输出为交流输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；在扩展时，原系统只要很小变更；在扩展时，原系统只要很小变更；用户程序存储器容量至少能扩展到用户程序存储器容量至少能扩展到4K。这些要求实际上提出了将继电这些要求实际上提出了将继电器控制的简单易懂、使用方便、价器控制的简单易懂、使用方便、价格低的优点与计算机的功能完善、格低的优点与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电接触控制的硬连线逻辑转变将继电接触控制的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。为计算机的软件逻辑编程的设想。1.1.2 PLC的特点的特点定义：定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序计。它采用了可编程序的存储器，用来在其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或模拟式的输入控制、定时、计数和算术运算等操作的指令并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。PLCPLC的主要特点是的主要特点是：1 1可靠性高，抗干扰能力强可靠性高，抗干扰能力强 PLC是专为工业环境设计的，其可靠性高，抗干扰能力强，其平均是专为工业环境设计的，其可靠性高，抗干扰能力强，其平均故障间隔时间可达故障间隔时间可达5年以上，主要体现在：年以上，主要体现在：对元器件进行严格筛选和老化，对元器件进行严格筛选和老化，I/O接口电路采用光电隔离；接口电路采用光电隔离；结构上考虑耐热、防潮、防尘和抗震的要求；结构上考虑耐热、防潮、防尘和抗震的要求；硬件上采用隔离、屏蔽、滤波和接地等措施；硬件上采用隔离、屏蔽、滤波和接地等措施；软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施；软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施；工作方式采用循环扫描方式。工作方式采用循环扫描方式。2 2功能完善功能完善 PLC除基本逻辑处理功能外，配合特殊的功能模块可用于数字控制领除基本逻辑处理功能外，配合特殊的功能模块可用于数字控制领域，并可实现与上位机的通讯。域，并可实现与上位机的通讯。3 3易操作易操作 程序输入和更改方便；程序输入和更改方便；多种程序设计语言可供使用；多种程序设计语言可供使用；自诊断功能使维修方便。自诊断功能使维修方便。4 4灵活性和可扩展性强灵活性和可扩展性强 PLC的灵活性表现在下列三个方面：的灵活性表现在下列三个方面：采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、菜单图、功能模块图采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、菜单图、功能模块图和语言描述编程语言，只要掌握其中一种语言就可以进行编程；和语言描述编程语言，只要掌握其中一种语言就可以进行编程；根据应用规模的不断扩展，即可进行容量的扩展、功能的扩展、根据应用规模的不断扩展，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展；应用和控制范围的扩展；设计、编程和安装的工作量减少，易实现过程监视和控制。设计、编程和安装的工作量减少，易实现过程监视和控制。1.1.3 PLC的现状的现状PLC产品可按地域分成三大流派：产品可按地域分成三大流派：美美国国产产品品：代代表表性性厂厂商商有有A-B公公司司、通通用用电电气气（GE）公公司司、莫莫迪迪康康（MODICON）公公司司、德德州州仪仪器器（TI）公公司司、西西屋屋公公司司等等。其其中中A-B公公司是美国最大的司是美国最大的PLC制造商，其产品约占美国制造商，其产品约占美国PLC市场的一半。市场的一半。欧欧洲洲产产品品：代代表表性性厂厂商商有有德德国国的的西西门门子子（SIEMENS）公公司司、AEG公公司司、法法国国的的TE公公司司是是欧欧洲洲著著名名的的PLC制制造造商商。德德国国的的西西门门子子的的电电子子产产品品以以性性能能精精良良而而久久负负盛盛名名。在在中中、大大型型PLC产产品品领领域域与与美美国国的的A-B公司齐名。公司齐名。日日本本产产品品：日日本本的的小小型型PLC最最具具特特色色，在在小小型型机机领领域域中中颇颇具具盛盛名名，某某些些用用欧欧美美的的中中型型机机或或大大型型机机才才能能实实现现的的控控制制，日日本本的的小小型型机机就就可可以以解解决决。在在开开发发较较复复杂杂的的控控制制系系统统方方面面明明显显优优于于欧欧美美的的小小型型机机，所所以以格格外外受受用用户户欢欢迎迎。日日本本有有许许多多PLC制制造造商商，如如三三菱菱、欧欧姆姆龙龙、松松下下、富富士士、日日立立、东东芝芝等等，在在世世界界小小型型PLC市市场场上上，日日本本产产品品约约占占有有70的份额。的份额。我我国国PLC产产品品:我我国国有有许许多多厂厂家家、科科研研院院所所从从事事PLC的的研研制制与与开开发发，如如中中国国科科学学院院自自动动化化研研究究所所的的PLC-0088，北北京京联联想想计计算算机机集集团团公公司司的的GK-40，上上海海机机床床电电器器厂厂的的CKY-40，上上海海起起重重电电器器厂厂的的CF-40MR/ER，苏苏州州电电子子计计算算机机厂厂的的YZ-PC-001A，原原机机电电部部北北京京机机械械工工业业自自动动化化研研究究所所的的MPC-00l/20、KB-20/40，杭杭州州机机床床电电器器厂厂的的DKK02，天天津津中中环环自自动动化化仪仪表表公公司司的的DJK-S-84/86/480，上上海海自自立立电电子子设设备备厂厂的的KKI系系列列，上上海海香香岛岛机机电电制制造造有有限限公公司司的的ACMY-S80、ACMY-S256，无无锡锡华华光光电电子子工工业业有有限限公公司司（合合资资）的的SR-10、SR-20/21等。等。1.1.4 PLC的发展趋势的发展趋势 目前，目前，PLC技术正在不断地向综合性的工业控制发展。随着科学技术技术正在不断地向综合性的工业控制发展。随着科学技术的迅速发展，未来的迅速发展，未来PLC将朝两极化、多功能、智能化和网络化的模式方向将朝两极化、多功能、智能化和网络化的模式方向发展。发展。1 1向高速度、大容量方向发展向高速度、大容量方向发展2 2向超大型、超小型两个方向发展向超大型、超小型两个方向发展3 3PLCPLC大力开发智能模块，加强联网通信能力大力开发智能模块，加强联网通信能力4 4增强外部故障的检测与处理能力增强外部故障的检测与处理能力5 5编程语言多样化编程语言多样化1.2 PLC的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理1.2.1 PLC的基本结构的基本结构中央处理单元（中央处理单元（CPU）它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据。检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。存储空间：系统程序存储区:存放着相当于计算机操作系统的系统程序 系统RAM存储区（包括I/O映象区以及各类软设备)用户程序存储区：存放用户编制的用户程序 PLC存储空间存储空间 电源部分电源部分存储器类型：RAM EPROM EEPROM1.2.2 PLC的工作原理早期的早期的PLC与传统由继电器接触器构成的控制装置的区别：与传统由继电器接触器构成的控制装置的区别：（1 1）继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式）继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式（2 2）PLCPLC的的CPUCPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式 考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms100ms以上，而以上，而PLCPLC扫扫描用户程序的时间一般均小于描用户程序的时间一般均小于100ms100ms，因此，因此，PLCPLC采用了一种不同于一般微型采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式计算机的运行方式扫描技术。扫描技术。（3 3）扫描技术）扫描技术 工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLCPLC的的CPUCPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。PLCPLC的扫描工作周期的扫描工作周期 输入采样阶段输入采样阶段 PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映映象区中的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶象区中的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。读入。PLC的扫描工作周期的扫描工作周期 PLCPLC顺顺序序依依次次地地扫扫描描用用户户程程序序（梯梯形形图图），然然后后根根据据逻逻辑辑运运算算的的结结果果，刷刷新新该该逻逻辑辑线线圈圈在在系系统统RAMRAM存存储储区区中中对对应应位位的的状状态态；或或者者刷刷新新该该输输出出线线圈圈在在I/OI/O映映象象区区中中对对应应位位的的状状态态；或或者者确确定定是是否否要要执执行行该该梯梯形形图图所所规规定定的的特特殊殊功功能指令。能指令。用户程序执行阶段PLCPLC的扫描工作周期的扫描工作周期 当扫描用户程序结束后，当扫描用户程序结束后，PLCPLC就进入输出刷新阶段。就进入输出刷新阶段。CPUCPU按照按照I/OI/O映象映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是的外设。这时，才是PLCPLC的真正输出。的真正输出。一般来说，一般来说，PLCPLC的扫描周期还包括自诊断、通讯等，即一个扫描周期的扫描周期还包括自诊断、通讯等，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行和输出刷新等所有时间的总等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行和输出刷新等所有时间的总和。和。输出刷新阶段（4 4）PLCPLC的的I/OI/O响应时间响应时间光电隔离等技术光电隔离等技术 扫描技术扫描技术 PLCPLC的的I/OI/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统慢的多，其响应响应比一般微型计算机构成的工业控制系统慢的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。1.3 PLC的主要性能指标的主要性能指标1 1输入输出点数输入输出点数:2 2扫描速度扫描速度:3 3存储器容量：存储器容量：4 4编程语言：编程语言：PLCPLC采采用用梯梯形形图图、布布尔尔助助记记符符、菜菜单单图图、功功能能模模块块图图和和语语言言描描述述等等编编程程语言。不同的语言。不同的PLCPLC产品可能拥有其中一种、两种或全部的编程方式。产品可能拥有其中一种、两种或全部的编程方式。5 5指令功能指令功能 指指令令种种类类越越多多，则则其其软软件件的的功功能能就就越越强强，使使用用这这些些指指令令完完成成一一定定的的控控制制目的就越容易。目的就越容易。此此外外，PLCPLC的的可可扩扩展展性性、使使用用条条件件、可可靠靠性性、易易操操作作性性及及经经济济性性等等性性能能指标也是用户在选择指标也是用户在选择PLCPLC时须注意的指标。时须注意的指标。表示表示PLC组成控制系统时可能的最大规模。组成控制系统时可能的最大规模。扫描速度是指扫描速度是指PLCPLC执行用户程序的速度。执行用户程序的速度。包括系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器。包括系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器。程程序序指指令令是是按按“步步”存存放放的的，一一“步步”占占用用一一个个地地址址单单元，一个地址单元一般占用两个字节。元，一个地址单元一般占用两个字节。1.4 PLC1.4 PLC的编程语言的编程语言 PLCPLC中有多种程序设计语言，它们是梯形图语言、布尔助记符语言、中有多种程序设计语言，它们是梯形图语言、布尔助记符语言、菜单图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。菜单图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它们通常由一系梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它们通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能。列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能。菜单图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去菜单图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执行更有效的操作。执行更有效的操作。功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在求的控制功能，它不仅在PLCPLC中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组态时也常常被采用，由于它具有连接方便、操作简单和易于掌握等程和组态时也常常被采用，由于它具有连接方便、操作简单和易于掌握等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。1.4.1 1.4.1 梯形图语言梯形图语言梯形图语言梯形图语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。这种程是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系，在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示果关系，在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在右面。在右面。梯形图程序设计语言的特点是：梯形图程序设计语言的特点是：（1 1）与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性。）与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性。（2 2）与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于掌）与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于掌握和学习握和学习（3 3）与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流）与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流（Power FlowPower Flow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器。因此，应用时需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待。电器。因此，应用时需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待。（4 4）与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互的转换和程）与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互的转换和程序的检查。序的检查。1.4.2 布尔助记符语言布尔助记符语言布尔助记符语言布尔助记符语言是用布尔助记符来描述程序的一种程序设计语言，它与计算是用布尔助记符来描述程序的一种程序设计语言，它与计算机中的汇编语言非常相似，采用布尔助记符来表示操作功能。机中的汇编语言非常相似，采用布尔助记符来表示操作功能。布尔助记符程序设计语言具有下列特点：布尔助记符程序设计语言具有下列特点：（1 1）采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于掌握的特点。）采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于掌握的特点。（2 2）在编程器的键盘上采用助记符表示，具有便于操作的特点，可在）在编程器的键盘上采用助记符表示，具有便于操作的特点，可在无计算机的场合进行编程设计。无计算机的场合进行编程设计。（3 3）与梯形图有一一对应关系，其特点与梯形图语言基本类同。）与梯形图有一一对应关系，其特点与梯形图语言基本类同。PLCPLC是一种标准的工业设备，经过近是一种标准的工业设备，经过近4040年的发展，制造厂商众多，产品年的发展，制造厂商众多，产品不断更新，功能不断强大。就其工作原理而言，有许多共同之处。不断更新，功能不断强大。就其工作原理而言，有许多共同之处。1 1PLCPLC是专为工业环境设计的，其可靠性高，功能强大，简便易学，适是专为工业环境设计的，其可靠性高，功能强大，简便易学，适用面广。特别适合工程技术人员使用。用面广。特别适合工程技术人员使用。2 2PLCPLC的不断发展和其所具有的一系列优点，使其从简单的开关量控制的不断发展和其所具有的一系列优点，使其从简单的开关量控制发展到模拟量、数字量控制，并不断向多功能、大容量、大规模及网络化发展到模拟量、数字量控制，并不断向多功能、大容量、大规模及网络化等方向发展。等方向发展。3 3PLCPLC采用集中采样、集中输出，按顺序循环扫描用户程序的方式工作。采用集中采样、集中输出，按顺序循环扫描用户程序的方式工作。当当PLCPLC处于正常运行时，它将不断重复扫描过程，其工作过程的中心内容分处于正常运行时，它将不断重复扫描过程，其工作过程的中心内容分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。4 4PLCPLC的性能指标较多，不同厂家的的性能指标较多，不同厂家的PLCPLC产品技术性能各不相同，且各有产品技术性能各不相同，且各有特色。常用的主要性能指标有输入输出点数、扫描速度、存储器容量、特色。常用的主要性能指标有输入输出点数、扫描速度、存储器容量、编程语言、指令功能与数量、内部元件的种类与数量、特殊功能单元、可编程语言、指令功能与数量、内部元件的种类与数量、特殊功能单元、可扩展能力等。扩展能力等。5 5PLCPLC采用多种形式的编程语言来编写采用多种形式的编程语言来编写PLCPLC的用户程序，其中，梯形图和的用户程序，其中，梯形图和语句表是最常用的编程语言。语句表是最常用的编程语言。小小 结结