可编程序控制器(PLC)原理及应用.ppt

可编程序控制器(PLC)原理及应用 主 讲 汤立刚1/2第一章可编程序控制器概述 引言 可编程控制器（Programmable Controller）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。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PLC。1.1PLC的产生 在60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的，当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即：1、编程方便，现场可修改程序；2、维修方便，采用模块化结构；3、可靠性高于继电器控制装置；4、体积小于继电器控制装置；5、数据可直接送入管理计算机；6、成本可与继电器控制装置竞争；7、输入可以是交流115V；8、输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；9、在扩展时，原系统只要很小变更；10、用户程序存储器容量至少能扩展到4K。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，实际上就是计算机技术的应用。很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。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。1.2 PLC的定义 PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（National Electrical Manufactory Association）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为 PC（Programmable Controller），并给PC作了如下定义：“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能着，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。”以后国际电工委员会(IEC)又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿,并在1987年2月通过了对它的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用了可编程序的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式的输入/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部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，具有通用性，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。PLC的发展阶段 虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：1、早期的PLC（60年代末70年代中期）早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义.其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现。在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言梯形图一直沿用至今。2、中期的PLC（70年代中期80年代中，后期）在70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元(CPU)。这样，使PLC得功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC的应用范围得以扩大。3、近期的PLC（80年代中、后期至今）进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。1.3 PLC的功能1、开关量控制；2、模拟量控制；3、定时控制；4、条件控制；5、步进控制；6、计数控制；7、定位控制；8、数据处理；9、自诊断功能；10、通讯与联网；11、冗余控制；12、监控、显示、打印等功能。1.4PLC的特点 1、高可靠性（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms.（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。（4）采用性能优良的开关电源。（5）对采用的器件进行严格的筛选。（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。2、丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。3、采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4、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。5、安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。1.5 PLC的分类按点数分和结构分1、微型 PLC1）至多有32个 I/O 点数；2）8位处理器；3）存储容量为 1 KB；4）数字量 I/O 接口；5）压缩单元中内部I/O接口；6）主控继电器（MCR）指令；7）定时器和计数器；8）手持式编程器编程；9）可代替大多数继电器。2、小型 PLC 1）至多有128个 I/O 点数；2）8位微处理器；3）存储容量为 2 KB；4）数字量 I/O 接口；5）只有本地 I/O 接口；6）定时器、计数器和移位寄存器（TCS）；7）主控继电器（MCR）指令；8）便携式编程器编程；9）可代替大多数继电器；10）编程语言有梯形图或布尔语言；11）磁鼓定时器或顺序发生器。3、中型 PLC（1/2）1）至多有1024个 I/O 点数；2）8位处理器；3）存储容量达 4 KB，可扩展至 8 KB；4）数字量 I/O 接口；5）本地和远地 I/O 接口；6）主控继电器（MCR）指令；7）定时器、计数器和移位寄存器（TCS）；8）CRT编程器编程；9）继电器置换和模拟控制；。10）编程语言有梯形图或布尔语言；11）磁鼓定时器或顺序发生器；3、中型 PLC（2/2）12）模拟 I/O 接口；13）功能模块与高级语言；14）跳转指令JUMP；15）数学运算功能有加减乘除；16）有限的数据处理功能，包括比较、数据转换、移位寄存器与文件、矩阵功能；17）特殊功能 I/O 模块；18）RS-232 通信接口；19）局部网络（LAN）。4、大型 PLC（1/2）1）至多有2048个 I/O 点数；2）8位处理器或16位处理器；3）存储容量达 12 KB，可扩展至 32 KB；4）数字量 I/O 接口；5）本地和远地 I/O 接口；6）主控继电器（MCR）指令；7）定时器、计数器和移位寄存器（TCS）；8）CRT编程器编程；9）继电器置换和模拟控制；。10）编程语言有梯形图或布尔语言；11）磁鼓定时器或顺序发生器；4、大型 PLC（2/2）12）模拟 I/O 接口；13）功能模块与高级语言；14）跳转指令JUMP；15）数学运算功能有加减乘除、平方根、双精度；16）扩充数据处理功能包括比较、数据转换、移位寄存器与文件、矩阵、块传送、二进制表、ASC码表；17）特殊功能 I/O 模块；18）一个或多个 RS-232 通信接口；19）局域网（LAN)；20）子程序与中断功能；21)PID模块或系统软件PID;22)22）主机通信模块。5、超大型 PLC（1/3）1）可达到8192个及以上 I/O 点数；2）16位处理器或32位处理器或多处理器；3）存储容量达 64 KB，可扩展至 1000 KB；4）数字量 I/O 接口；5）本地和远地 I/O 接口；6）主控继电器（MCR）指令；7）定时器、计数器和移位寄存器（TCS）；8）CRT编程器编程；9）继电器置换和模拟控制；。10）编程语言有梯形图或布尔语言；11）磁鼓定时器或顺序发生器；5、超大型 PLC（2/3）12）模拟 I/O 接口；13）功能模块与高级语言；14）跳转指令JUMP；15）数学运算功能有加减乘除、平方根、双精度、浮点、COS 函数；16）强大的数据处理功能包括比较、数据转换、移位寄存器与文件、矩阵、块传送、二进制表、ASC码表、LIFO(队列)、FIFO(队列)；17）特殊功能 I/O 模块；18）两个或多个 RS-232 通信接口；5、超大型 PLC（3/3）19）局域网（LAN)；20）子程序与中断功能；21)PID模块或系统软件PID;22)22）主机通信模块。23)23）远程模拟 I/O；24)24）远程特殊模块；25)25）机器诊断。按结构分有：箱体式、模块式、平板式。1.6 PLC的应用 广泛应用于：矿山、冶金、钢铁、石油、化工、机械、机床、锅炉、电力、电子、造纸、纺织、印刷、木材加工、电镀、塑料、橡胶、食品、包装、建材、输送线控制、飞机、汽车、船舶、交通运输、造船、通信、电讯、邮政、水处理、水塔、液压泵、风机、公用设施、电梯、交通灯、仓库管理。第二章PLC控制系统与其他工业控制系统的比较PLC控制系统与继电器控制系统的比较比较项目 继电器控制系统 PLC控制系统控制功能的实现 由许多继电器，采用接线的方式来完成控制功能。并行工作 各种控制功能是通过编制的程序来完成的。循环扫描工作 对生产工艺过程变更的适应性适应性差。需要重新设计，改变继电器和接线适应性强。只需对程序进行修改控制速度 低。靠机械动作实现 极快。靠微处理器进行处理计数及其他特殊功能 一般没有 有安装，施工 连线多，施工繁 安装容易，施工方便可靠性 差，触点多，故障多 高。因元器件采取了筛选和老化等可靠性措施寿命 短 长可扩展性 困难 容易维护 工作量大，故障不易查找 有自诊断能力，维护工作量小比较项目 通用计算机系统 PLC控制系统工作目的 科学计算，数据管理等 工业自动控制工作环境 对工作环境的要求较高 对环境要求低，可在恶劣的工业现场工作工作方式 中断处理方式 循环扫描方式系统软件 需配备功能较强的系统软件 一般只需简单的监控程序采用的特殊措施掉电保护等一般性措施 采用多种抗干扰措施，自诊断，断电保护，可在线维修编程语言 汇编语言、高级语言 梯形图，助记符语言，SFC标准化语言对操作人员的要求需专门培训，并具有一定的计算机基础一般的技术人员，稍加培训即可操作使用对内存的要求 容量大 容量小价格 价格高 价格较低其他 若用于控制，一般需自行设计 机种多，模块种类多，易于集成系统PLC控制系统与通用计算机系统的比较PLC控制系统与集散型控制系统的比较比较项目 集散型控制系统（Distribution Control System DCS）PLC控制系统工作特点 连续量的模拟控制和回路调节等方面为优势主要应用场合是开关量的逻辑控制系统组成 网络化 可以并正在向网络化发展工作方式 主要是按用户的程序指令工作 循环扫描方式工作环境 主要是按照安装在控制室设计的 按照安装在现场工作来设计对存储容量的要求相对要大（大量的数学运算）相对要小（大量的是逻辑运算）优势 不相上下，各有长处