（中职）可编程控制器技术与应用（西门子系列）第1章PLC基础知识 教学课件工信版.ppt

YCF（中职）可编程控制器技术与应用（西门子系列）第1章 PLC基础知识 教学课件工信版第1章 PLC基础知识 1.1 PLC的产生、定义与发展的产生、定义与发展1.2 PLC的特点、应用与分类的特点、应用与分类1.3 PLC的基本组成和工作原理的基本组成和工作原理1.4 PLC主要性能指标和产品主要性能指标和产品1.5 PLC与其他控制系统的比较与其他控制系统的比较1.1 PLC的产生、定义与发展的产生、定义与发展1.1.1 PLC的产生的产生1968年美国通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。并提出了10项招标指标：1969年，美国数字设备公司（DEC）按照这10项指标制成了世界上第一台可编程序逻辑控制器（PLC）PDP-14，在美国通用汽车公司生产线上应用并取得了成功，从此开创了可编程序逻辑控制器的时代。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974年开始研制，于1977年开始工业应用。1.1 PLC的产生、定义与发展的产生、定义与发展1.1.2 PLC的定义的定义可编程控制器是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC（Programmable Controller）。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称为PLC。1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能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。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。1.1 PLC的产生、定义与发展的产生、定义与发展1.1.3 PLC的发展的发展1PLC的发展过程的发展过程第一阶段：在20世纪60年代末至70年代中期，PLC一般称为可编程逻辑控制器。此时的PLC为计算机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。第二阶段：20世纪70年代末期，PLC进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。第三阶段：20世纪80年代中后期以后。从控制规模上来说，发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。2西门子西门子PLC发展概况发展概况3.PLC发展展望发展展望.从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上；从产品规模上看，将进一步向超小型及超大型方向发展；将会使用国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。1.2 PLC特点、应用与分类特点、应用与分类1.2.1 PLC的特点的特点 PLC之所以能成为当今增长速度最快的工业自动控制设备，是由于它具备了许多独特的优点，较好地解决了工业控制领域普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。PLC主要特点有：1.可靠性高，抗干扰能力强可靠性高，抗干扰能力强 可靠性高、抗干扰能力强是PLC最重要的特点之一。由于工业生产过程往往是连续的，工业现场环境恶劣，各种电磁干扰特别严重，因此PLC采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施，使得PLC的平均无故障时间可达几十万个小时。（1）硬件方面 I/O通道采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响；对供电电源及线路采用多种形式的滤波，从而消除或抑制了高频干扰；对CPU等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，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。（2）软件方面 PLC采用扫描工作方式，减少了由于外界环境干扰引起故障；在PLC系统程序中设有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判断；当由外界干扰引起故障时，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，一旦外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。1.2 PLC特点、应用与分类特点、应用与分类2.编程简单易学编程简单易学 PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。3.配套齐全，功能完善，适用性强配套齐全，功能完善，适用性强 PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。4.控制系统的设计、安装工作量小，维护方便，容易改造控制系统的设计、安装工作量小，维护方便，容易改造 PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及安装的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5体积小，重量轻，能耗低体积小，重量轻，能耗低 以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。1.2 PLC特点、应用与分类特点、应用与分类1.2.2 PLC的应用的应用 目前，PLC已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保等行业。其应用范围大致可归纳为以下几种：1.逻辑控制逻辑控制2.运动控制运动控制3.闭环过程控制闭环过程控制4.数据处理数据处理5.通讯联网通讯联网 不过并不是所有的PLC都具有上述的全部功能，有的小型PLC只具上述部分功能，但价格比较便宜。1.2 PLC特点、应用与分类特点、应用与分类1.2.3 PLC的分类的分类1按结构形式分根据结构形式的不同按结构形式分根据结构形式的不同PLC可分为整体式和模可分为整体式和模块式两种。块式两种。（1）整体式）整体式PLC这种结构的这种结构的PLC将各组成部分将各组成部分(I/O接口电接口电路、路、CPU、存储器等）安装在一块或少数几块印刷电路板、存储器等）安装在一块或少数几块印刷电路板上，并连同电源一起装在机壳内。如西门子的上，并连同电源一起装在机壳内。如西门子的S7-200系列产系列产品、松下电上的品、松下电上的FP1型产品、型产品、OMRON公司的公司的CPM1A型产型产品、三菱公司的品、三菱公司的FX系列产品。系列产品。（2）模块式）模块式PLC模块式模块式PLC也称为积木式，也称为积木式，PLC的各个组的各个组成部分以模块的形式存在，如电源模块、成部分以模块的形式存在，如电源模块、CPU模块、输入模块、输入/输出模块等等，通常把这些模块插在底板上，安装在机架输出模块等等，通常把这些模块插在底板上，安装在机架上。如西门子公司的上。如西门子公司的S7-300、S7-400的的PLC，OMRON公司公司的的C200H、C2000H系列产品、三菱公司的系列产品、三菱公司的QnA/AnA等系列等系列产品。产品。1.2 PLC特点、应用与分类特点、应用与分类（a）整体式 （b）模块式图1.1 PLC按结构形式分类1.2 PLC特点、应用与分类特点、应用与分类2按控制规模分按控制规模分（1）小型）小型PLC小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其中I/O点数小于64点的为超小型或微型PLC。（2）中型）中型PLC中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在2562048点之间（3）大型）大型PLC一般I/O点数在2048点以上的称为大型PLC。I/O点数超过8192点的为超大型PLC。3.按功能分按功能分（1）低档）低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。（2）中档）中档PLC 具有低档PLC功能外，增加模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还增设中断、PID控制等功能。（3）高档）高档PLC 具有中档机功能外，增加带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数运算、制表及表格传送等。高档PLC机具有更强的通信联网功能。1.3 PLC的组成和工作原理的组成和工作原理 1.3.1 PLC的基本组成的基本组成 PLC是一种工业控制用的专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。PLC是专为工业环境厂应用而设计的，为便于接线、扩充功能，便于操作与维护，以及提高系统的抗干扰能力，其组成又与一般计算机有所区别。1PLC的硬件组成的硬件组成 PLC从结构上可分为整体式和模块式两种，但其内部组成基本相似的。PLC的硬件系统由CPU模块（主机系统）、输入/输出（IO）扩展环节及外部设备组成。其中CPU模块主要包括CPU、存储器、输入输出（IO）接口、电源等，如图1.2所示。1.3 PLC的组成和工作原理的组成和工作原理（a）整体式PLC组成1.3 PLC的组成和工作原理的组成和工作原理（b）模块式PLC组成 1.3 PLC的组成和工作原理的组成和工作原理（1）CPU CPU是PLC的核心部分，它包括微处理器和控制接口电路。微处理器是PLC的运算控制中心，由它实现逻辑运算，协调控制系统内部各部分的工作。它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的。PLC在CPU的控制下使整机有条不紊地协调工作，实现对现场各个设备的控制。在PLC中CPU主要完成下列工作：PLC本身的自检，以扫描方式接收来自输入单元的数据和状态信息，并存入相应的数据存储区；执行监控程序和用户程序，进行数据和信息处理；输出控制信号，完成用户指令规定的各种操作；响应外部设备（如编程器、可编程终端）的请求。1.3 PLC的组成和工作原理的组成和工作原理（2）存储器）存储器 PLC中的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和工作状态数据。常用的存储器主要有PROM、EPROM、EEPROM、RAM等几种，多数都直接集成在CPU单元内部。根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括系统程序存储区、系统RAM存储区、用户程序存储区三个区域。系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。它包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能够直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的各项性能。系统RAM存储区也称工作数据存储器，指PLC在工作过程中经常变化、需要经常存取的数据，如：参数测量结果、运算结果、设定值等，这部分数据一般存放在RAM之中。在工作数据区中开辟有元件映像寄存器和数据表，包括I/O映象区以及各类系统软设备存储区(例如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等)。用户程序存储区存放用户程序，即用户通过编程器输入的用户程序。1.3 PLC的组成和工作原理的组成和工作原理（3）输入）输入/输出接口模块输出接口模块 PLC主要是通过各类接口模块的外接线，实现对工业设备和生产过程的检测与控制。为了使PLC有很好的信号适应能力和抗干扰性能，在输入/输出接口模块单元中，一般均配有电子变换、光耦合器和阻容滤波等电路，以实现外部现场的各种信号与系统内部统一信号的匹配和信号的正确传递。并在接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，有各种各样功能的I/O接口供用户选用，主要类型有I/O分为开关量输入(DI)，开关量输出(DO)，模拟量输入(AI)，模拟量输出(AO)等模块。1.3 PLC的组成和工作原理的组成和工作原理 输入接口模块图1.3 开关量输入单元1.3 PLC的组成和工作原理的组成和工作原理 输入接口模块图1.4 开关量输出模块的三种方式(a)继电器输出方式 （b）晶体管输出方式 （c）晶闸管输出方式1.3 PLC的组成和工作原理的组成和工作原理（6）电源）电源 PLC一般使用220V的交流电源。内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V等直流电源。（5）I/O扩展接口扩展接口 I/O扩展接口是PLC主机为了扩展输入/输出点数和类型的部件，输入/输出扩展单元、远程输入/输出扩展单元、智能输入/输出单元等都通过它与主机相连。（6）外设）外设I/O接口接口 外设I/O接口是PLC主机实现人机对话、机机对话的通道。（7）编程器其他外设）编程器其他外设 编程器是编制、调试PLC用户程序的外部设备，是人机交互的窗口。通过编程器可以把新的用户程序输入到PLC的RAM中，或者对RAM中已有程序进行编辑。通过编程器还可以对PLC的工作状态进行监视和跟踪。1.3 PLC的组成和工作原理的组成和工作原理 2.PLC的软件组成的软件组成 软件系统是PLC的重要组成部分，它和硬件相辅相成，缺一不可，共同构成PLC。PLC的软件系统由系统程序(又称系统软件)和用户程序(又称应用软件)两部分组成。（1）系统程序）系统程序 系统程序由PLC的制造商编制，固化在PROM或EPROM中，安装在PLC上，随产品提供给用户。系统程序包括系统管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模块等。（2）用户程序）用户程序 用户程序是根据生产过程控制的要求由用户使用制造企业提供的编程语言自行编制的应用程序。用户程序包括开关量逻辑控制程序、模拟量运算程序、闭环控制程序和操作站系统应用程序等。1.3 PLC的组成和工作原理的组成和工作原理 1.3.2 PLC的工作原理的工作原理1.PLC的扫描工作方式的扫描工作方式 当PLC运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作，但CPU不可能同时去执行多个操作，它只能按分时操作（串行工作）方式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时（并行）完成的。这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。扫描工作方式在执行用户程序时，是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行，周而复始重复运行。1.3 PLC的组成和工作原理的组成和工作原理 2.PLC扫描工作过程扫描工作过程 PLC的扫描工作过程中除了执行用户程序外，在每次扫描工作过程中还要完成内部处理、通信服务工作。如图1.5所示，整个扫描工作过程包括内部处理、通信服务、输入采样、程序执行、输出刷新五个阶段。整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期。扫描周期与CPU运行速度、PLC硬件配置及用户程序长短有关，典型值为1100ms。在内部处理阶段，PLC进行自检，检查内部硬件是否正常，对监视定时器（WDT）复位以及完成其它一些内部处理工作。在通信服务阶段，PLC与其它智能装置实现通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等。当PLC处于停止（STOP）状态时，只完成内部处理和通信服务工作。当PLC处于运行（RUN）状态时，除完成内部处理和通信服务工作外，还要完成输入采样、程序执行、输出刷新工作。PLC的扫描工作方式简单直观，便于程序的设计，并为可靠运行提供了保障。当PLC扫描到的指令被执行后，其结果马上就被后面将要扫描到的指令所利用，而且还可通过CPU内部设置的监视定时器来监视每次扫描是否超过规定时间，避免由于CPU内部故障使程序执行进入死循环。1.3 PLC的组成和工作原理的组成和工作原理 3PLC执行程序的过程执行程序的过程 PLC执行程序的过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段.（1）输入采样阶段）输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样，并存入输入映象寄存器中，此时输入映象寄存器被刷新。接着进入程序处理阶段，在程序执行阶段或其它阶段，即使输入状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会改变，输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。1.3 PLC的组成和工作原理的组成和工作原理（2）程序执行阶段）程序执行阶段 在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描执行。若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器和元件映象寄存器中读出，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入元件映象寄存器中。对于元件映象寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。（3）输出刷新阶段）输出刷新阶段 当所有程序执行完毕后，进入输出处理阶段。在这一阶段里，PLC将输出映象寄存器中与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。因此，PLC在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。当PLC进入程序执行阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。这方式称为集中采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入状态进行采样。1.3 PLC的组成和工作原理的组成和工作原理 4PLC对输入对输入/输出的处理原则输出的处理原则（1）输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上各输入点在上一刷新期间的接通和断开状态。（2）程序执行结果取决于用户所编程序和输入/输出映像寄存器的内容及其他各元件映像寄存器的内容。（3）输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果。（4）输出锁存器中的数据，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定。（5）输出端子的接通和断开状态，由输出锁存器决定。1.4 PLC主要性能指标和产品主要性能指标和产品1.4.1 PLC主要性能指标主要性能指标1I/O点数点数 输入/输出（I/O）点数是PLC可以接受的输入信号和输出信号的总和。2存储容量存储容量 存储容量是指用户程序存储器的容量。用户程序存储器的容量大，可以编制出复杂的程序。3扫描速度扫描速度 扫描速度是指PLC执行用户程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标。一般以扫描1K字用户程序所需的时间来衡量扫描速度，通常以ms/K字为单位。4指令的功能与数量指令的功能与数量 指令功能的强弱、数量的多少也是衡量PLC性能的重要指标。5内部元件的种类与数量内部元件的种类与数量 这些元件的种类与数量越多，表示PLC的存储和处理各种信息的能力越强。6特殊功能单元特殊功能单元 特殊功能单元种类的多少与功能的强弱是衡量PLC产品的一个重要指标。7可扩展能力可扩展能力 PLC的可扩展能力包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展、各种功能模块的扩展等。在选择PLC时，经常需要考虑PLC的可扩展能力。1.4 PLC主要性能指标和产品主要性能指标和产品1.4.2 PLC主要产品主要产品 从70年代初开始，不到三十年时间里，PLC生产发展成了一个巨大的产业，据不完全统计，现在世界上生产PLC及其网络的厂家有200多家，生产大约有400多个品种的PLC产品。PLC产品大体可以按地域分成三个流派：一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，还有一个流派是日本产品。1美国美国PLC产品产品2欧州欧州PLC产品产品3日本日本PLC产品产品4我国我国PLC产品产品1.5 PLC与其他控制系统的比较与其他控制系统的比较 1.5.1 PLC与继电器控制系统的比较与继电器控制系统的比较 PLC最初是为了取代继电器控制系统而出现的一种新型的工业控制装置，与继电器控制系统相比，有许多相似之处，也有许多不同。主要体现在以下：1继电器控制线路是由许多实际的继电器组成，俗称硬继电器。而PLC控制系统由许多“软件继电器”组成，实质上是存储器单元的状态，是通过存储器置1，或置0，实现其用户控制功能。2触点的数量。实际的继电器的触点数较少。而PLC，软继电器的触点数为无限对。3控制方法。继电器控制系统采用硬件接线，缺乏灵活性，体积庞大，安装维修不方便。而PLC采用了计算机技术，要改变控制逻辑只需改变程序。4工作方式。继电器控制为并行工作方式。而PLC是串行工作方式。5.控制速度6.定时和计数控制7.可靠性和可维护性1.5.2 PLC与微型计算机的比较与微型计算机的比较1.应用范围2.使用环境3输入和输出4程序设计5系统功能6运算速度和存储容量 1.5 PLC与其他控制系统的比较与其他控制系统的比较 1.5.3 PLC与单片机控制系统的比较与单片机控制系统的比较 单片机具有结构简单、价格便宜、响应速度快和适应范围广等优点，通常用于工作环境较好的工业控制领域。PLC与单片机相比有以下几点优势：1PLC比单片机容易掌握2PLC使用比单片机更为简单3PLC系统比单片机系统工作可靠1.5 PLC与其他控制系统的比较与其他控制系统的比较