可编程器件.pdf

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1、1第1章 可编程控制器概述内容：可编程控制器的产生、定义和分类可编程控制器的特点及主要功能可编程控制器的应用、发展及趋势要求：2012-03-151要求：了解可编程控制器发展过程和发展趋势理解可编程控制器的特点及应用、分类掌握可编程控制器与继电器控制系统的异同2学时1.1 可编程控制器的产生、定义和分类一、可编程控制器的产生可编程控制器之前的工业控制装置2012-03-152图1-1 接触器控制异步电动机单向运转电路图1-2 接触器控制异步电动机可逆运转电路说明：说明：通过继电器、接触器及其他控制元件的线路连接,可以实现一定控制逻辑,从而实现生产设备的各种操作控制。（连接式控制系统）通过继电器

2、、接触器及其他控制元件的线路连接,可以实现一定控制逻辑,从而实现生产设备的各种操作控制。（连接式控制系统）复杂的系统维修及改造很不容易。对生产工艺多变的系统适应性差，一旦生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构。缺陷缺陷2012-03-153继电器控制系统继电器控制系统2012-03-154先进自动控制系统先进自动控制系统 1968年，GMGM对先进自动控制装置提出设想GMGM的1010条(1)编程简单方便，可在现场修改程序。(2)硬件维护方便，采用插件式结构。(3)可靠性要高于继电器控制系统。(4)体积小于继电器控制系统。(5)可将数据直接送入管理计算机2012-03-155(

3、5)可将数据直接送入管理计算机。(6)成本可与继电器控制系统竞争。(7)输入可以是AC115V。(8)输出在AC115V、2A以上，能直接驱动电磁阀和接触器等。(9)扩展时，原有系统只需要很小的改动。(10)用户程序存储器的容量至少可扩展到4KB。GMGM对先进自动控制装置提出设想工业控制单板机（计算机）继电器控制系统先进控制装置工业控制单板机（计算机）继电器控制系统先进控制装置2012-03-156把计算机的功能完善、通用、灵活等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置。把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，采用面向控制过程、面向对象的语言编

4、程。说明：把说明：把实现一定控制逻辑的控制线路采用程序的方式存储在存储器中,通过运行程序实现的生产设备的各种操作控制。（实现一定控制逻辑的控制线路采用程序的方式存储在存储器中,通过运行程序实现的生产设备的各种操作控制。（存储式控制系统）2世界上第一台可编程控制器1969年，美国数字设备公司(DEC)根据上述要求研制出，型号为PDP-14在GM公司的汽车生产线上首次应用成功称为可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller，2012-03-157(gg简称)二、可编程控制器的定义1、1980年，美国电气制造商协会(NEMA)定义可编程控制器是一种带有指令存储器，数

5、字的或模拟的输入输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数算术运算等功能控制机或生产过的自动控制2012-03-158数和算术运算等功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置。命名为 Programmable Controller（）。可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、2、1987年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义2012-03-159用编程存储，用在其部存储执逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字的、模拟的输入和输出来控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其

6、有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。可编程控制器是“数字运算操作的电子装置”。可编程控制器是“为在工业环境下应用”而设计的计算机。可编程控制器能控制“各种类型”的工业设备及生产过程。定义中值得注意的几点：可编程控制器实质上是种工业控制装置2012-03-1510可编程控制器实质上是一种工业控制装置PLC是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为 以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置是经过一次开发的工业控制用计算机，它不仅具有计算机的内核，还配置了许多使其适用于工业控制的器件。不经过二次开发,不能

7、在任何具体的工业设备上使用。二次开发十分容易且具有体积小、工作可靠性高、抗干扰能力强、控制功能完善，适应性强，安装接线简单等众多优点注可编程控制器的简称为与个人计算机 是完全不同2012-03-1511可编程控制器的简称为，与个人计算机()是完全不同的概念。国内外很多杂志以及在工业现场的工程技术人员，仍然把可编程控制器称为。三、可编程控制器的分类1、根据I/O点数分类（1）微型机：点数小于在64点（2）小型机：点数在65256点之间中型机点数在点之间2012-03-1512（3）中型机：点数在2561024点之间（4）大型机：点数在大于10243整体式模板式分散式2、根据结构形式分类2012-

8、03-1513（1）整体式PLC的CPU、电源、I/O单元等都集中配置在一起结构紧凑，体积小，重量轻，容易装配在设备的内部，适合于设备的单机控制。缺点是主机的I/O点数固定，使用不够灵活，维修也不够方便（2）模块式各个部分以单独的模块分开设置，通常由机架底板联结各模块(也有的PLC为串行连接，没有底板)。配置灵活，装备方便，维修简单，易于扩展，可根据控制要求灵活配置所需模板，构成功能不同的各种控制系统。2012-03-1514缺点是结构较复杂，各种插件多，因而增加了造价。（3）分散式将可编程控制器的、电源、存储器集中放置在控制室将各模板分散放置在各个工作站，由通信接口进行通信连接，由集中指挥。

9、2012-03-1515 根据用途分类（1）用于顺序逻辑控制（2）用于闭环过程控制（3）用于多级分布式和集散控制系统（4）用于机械加工的数字控制和机器人控制2012-03-1516（1）用于顺序逻辑控制完成如顺序、联锁、计时和计数等开关量的控制，是可编程控制器的最基本的控制功能，和应用最多的场合。比较典型的应用如自动电梯的控制、自动化仓库的自动存取、各种管道上的电磁阀的自动开启和关闭等。（4）用于机械加工的数字控制和机器人控制（2）用于闭环过程控制用模拟量的I/OI/O点，实现过程控制中的PIDPID调节，形成闭环过程控制系统。如：连轧机的速度和位置控制、加热炉的温度控制等。（3）用于多级分布

10、式和集散控制系统2012-03-1517（3）用于多级分布式和集散控制系统要求PLC具有顺序和闭环控制外，还具有较强的通信功能，以实现各工作站之间的通信、上位机与下位机的通信，最终实现全厂自动化，形成通信网络。（4）用于机械加工的数字控制和机器人控制可编程控制器与CNC(Computer Number Control)技术有机地结合起来，可以进行数值控制。德国西门子(SIEMENS)公司的S5系列、S7系列。日本欧姆龙(OMRON)公司的C系列。三菱(MITSUBISHI)公司的FX系列。4根据生产厂家分类2012-03-1518日本松下(PANASONIC)公司的FP系列。法国施耐德（SCH

11、NEIDER）公司的TWIDO系列。美国通用电气(GE)公司的GE-FANUC系列。美国A-B公司的-5系列41.2 可编程控制器的特点及主要功能一、可编程控制器的特点1抗干扰能力强，可靠性极高硬件方面：I/O接口采用采用光电隔离；对供电电源及线路采用多种形式的滤波；对CPU等重要部件采用良好的导电导2012-03-1519用多种形式的滤波；对CPU等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽；有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等 软件方面：采用扫描工作方式，减少了外界的干扰；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。2编程简单、使用方便PLC程序设计大多采用类似于继电器控

12、制线路的梯形图语言梯形图语言具有形象、直观，容易让广大工程技术人员掌握针对具体问题，设计了各种专用编程指令及编程方法。2012-03-1520具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID控制、通信联网以等许多功能PLC产品的系列化、模块化，可以组成满足各种要求的控制系统。3功能完善、通用性强PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。PLC的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。4设计安装简单、维护方便PLC的故障率极低，维修工作量很小；而且PLC具很强的自诊断功能，可根据PLC上指示或编

13、程器上提供的故障信息，迅速查明原因，维修极为方便2012-03-15215体积小、重量轻、能耗低PLC结构紧凑、体积小、能耗低，是实现机电一体化的理想控制设备二、可编程控制器的主要功能 逻辑控制 定时控制 计数控制1、控制功能2012-03-1522 顺序控制 运动控制 步进控制数学运算功能数据处理模拟数据处理2、数据采集、存储与处理功能2012-03-1523模拟数据处理具有A/D、D/A转换功能，位数和精度可以根据用户要求选择3、输入/输出接口调理功能2012-03-1524和精度可以根据用户要求选择通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节。具有温度测量接口，直接连接各种热电阻或热电偶。5具

14、有RS-232、RS-422、RS-485或现场总线等通信接口，可进行远程I/O控制，可实现多台PLC联网和通信。外部设备与一台或多台PLC之间可实现程序和数据的传输。4、通信、联网功能2012-03-1525PROFIBUSDPPROFIBUSDPPROFIBUSPA(Ex)PROFIBUSPA(Ex)PROFIBUSPAPROFIBUSPA5、人机界面功能2012-03-1526使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站和操作屏，进行编程、调试、监视、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件6、编程、调试等功能2012-03-1527MPI cable有MPI接口的PG 或PC有MP

15、I接口的PG 或PC三、PLC的性能指标反映PLC性能高低的一些相关的技术指标1、I/O点数I/O点数即输入/输出继电器的数量。2012-03-1528实际应用中最关心的一个技术指标。2、处理速度一般用基本指令的执行时间来衡量，取决于所采用的CPU的性能。存储器容量是指保存用户程序的存储器大小3.存储器容量定时器、计数器的点数和精度从一个方面反映了PLC的性能4.定时/计数器的点数和精度2012-03-15295.处理数据的范围PLC处理的数值类型和位数。如整型、浮点、16位、32位。6.指令种类及条数基本指令高级指令(也叫功能指令或应用指令)四、PLCPLC的与继电器控制系统、其他工业控制器

16、的比较在PLCPLC出现以前，继电器硬接线电路是逻辑控制、顺序控制的唯执行者它结构简单价格低廉直被广泛应1 1、可编程控制器的与继电器控制系统的比较2012-03-1530制的唯一执行者，它结构简单，价格低廉，一直被广泛应用。它与PLCPLC控制相比有许多缺点。6比较项目比较项目继电器逻辑继电器逻辑可编程控制器可编程控制器控制逻辑控制逻辑接线逻辑接线逻辑,体积大体积大,接线复杂，修改困难接线复杂，修改困难存储逻辑，体积小、连线少存储逻辑，体积小、连线少,控制灵活，易于扩展控制灵活，易于扩展控制速度控制速度通过触点的开闭实现控制作用。动作速度为几十毫秒，易出现触点抖动通过触点的开闭实现控制作用。

17、动作速度为几十毫秒，易出现触点抖动由半导体电路实现控制作用由半导体电路实现控制作用,每条指令执行时间在微秒级，不会出现触点抖动每条指令执行时间在微秒级，不会出现触点抖动限时控制限时控制由时间继电器实现，精度差，易受环境、温度影响由时间继电器实现，精度差，易受环境、温度影响用半导体集成电路实现用半导体集成电路实现,精度高，时间设置方便，不受环境、温度影响精度高，时间设置方便，不受环境、温度影响触点数量触点数量对对，易磨损易磨损任意多个任意多个，永不磨损永不磨损2012-03-1531触点数量触点数量对对，易磨损易磨损任意多个任意多个，永不磨损永不磨损工作方式工作方式并行工作并行工作串行循环扫描串

18、行循环扫描设计与施工设计与施工设计、施工、调试必须顺序进行，周期长，修改困难设计、施工、调试必须顺序进行，周期长，修改困难在系统设计后，现场施工与程序设计可同时进行，周期短，调试、修改方便在系统设计后，现场施工与程序设计可同时进行，周期短，调试、修改方便可靠性与可维护性可靠性与可维护性寿命短可靠性与可维护性差寿命短可靠性与可维护性差寿命长，可靠性高，有自诊断功能，易于维护寿命长，可靠性高，有自诊断功能，易于维护价 格价 格使用机械开关、继电器及接触器等，价格便宜使用机械开关、继电器及接触器等，价格便宜使用大规模集成电路，初期投资较高使用大规模集成电路，初期投资较高可编程控制器也是由CPU、RA

19、M、ROM、接口等构成的，与微机有相似的构造，但又不同于一般的微机特别是它采用了特殊的抗干扰技术有着很强的接口能力2 2、可编程控制器与通用的微型计算机的比较2012-03-1532特别是它采用了特殊的抗干扰技术，有着很强的接口能力，使它更能适用于工业控制。PLC与微型计算机的比较比较项目比较项目可编程控制器可编程控制器微型计算机微型计算机应用范围应用范围工业控制工业控制科学计算、数据处理、通信等科学计算、数据处理、通信等使用环境使用环境工业现场工业现场具有一定温度、湿度的机房具有一定温度、湿度的机房输入输出输入输出控制强电设备控制强电设备,有光电隔离有光电隔离,有大量的口有大量的口与主机采用

20、微电联系与主机采用微电联系,没有光电隔离没有光电隔离,没有专用的口没有专用的口程序设计程序设计般为梯形图语言般为梯形图语言易于学习和易于学习和程序语言丰富程序语言丰富，2012-03-1533程序设计程序设计一一般为梯形图语言般为梯形图语言，易于学习和易于学习和掌握掌握程序语言丰富程序语言丰富，需专门计算机的硬件和软件知识需专门计算机的硬件和软件知识系统功能系统功能自诊断、监控等自诊断、监控等配有较强的操作系统配有较强的操作系统工作方式工作方式循环扫描方式及中断方式循环扫描方式及中断方式中断方式中断方式可靠性可靠性极高，抗干扰能力强，长期运行极高，抗干扰能力强，长期运行抗干扰能力差抗干扰能力差

21、,不能长期运行不能长期运行体积与结构体积与结构结构紧凑结构紧凑,体积小外壳坚固，密封体积小外壳坚固，密封结构松散，体积大，密封性差键盘大，显示器大结构松散，体积大，密封性差键盘大，显示器大PLCPLC是由继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在开关量处理，顺序控制方面具有自己的绝对优势。DSCDSC是由仪表过程控制系统发展而来所以它在模拟量处理3 3、可编程控制器与集散控制系统(DSC)的比较（1）发展基础不同2012-03-1534DSCDSC是由仪表过程控制系统发展而来，所以它在模拟量处理、回路调节方面具有一定的优势。（2）扩展方向不同PLC在初期逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算及闭环调节

22、功能。运算速度，控制规模越来越大，并开始与网络或上位机相连，构成了以PLC为核心部件的分布式控制系统。DSC逐渐的把顺序控制装置，数据采集装置，回路控制仪表，过程监控装置有机的结合在一起，构成了能满足各种不同控制要求的集散控制系统。与从各自的基础出发在发展过程中互相渗透互中小型DCS将被PLC构成的DCS所替代2012-03-1535PLC与DCS从各自的基础出发，在发展过程中互相渗透，互为补偿，两者的功能越来越近，颇有殊路同归之感。很多工业生产过程既可以用PLC实现控制，也可以用DCS实现控制。由于PLC是专为工业环境下应用而设计的，其可靠性要比一般的小型计算机高得多，以PLC为控制器的DC

23、S必将逐步占领以小型计算机为控制器的中小型DCS市场。工控机是由通用微型计算机推广应用发展起来的，在硬件方面具有标准化总线结构，各种机型间兼容性强。3 3、可编程控制器与工业控制计算机（IPC）的比较(1)硬件方面2012-03-1536PLC由电气控制厂家研制发展起来的，其硬件结构专用，各个厂家产品不通用，标准化程度较差。PLC的信号采集和控制输出的功率强，直接和现场的测量信号及执行机构对接。结构上、工艺上和电路上采取了一系列的抗干扰措施。PLC的可靠性更能满足工业现场环境下的要求。7工控机可借用通用微型计算机丰富的软件资源，对算法复杂，实时性强的控制任务能较好的适应。PLC在顺序控制的基础

24、上，增加了PID等控制算法，它的编程梯被熟熟(2)软件方面2012-03-1537采用梯形图语言，易于被熟悉电气控制线路而不太熟悉微机软件的工厂电气技术人员所掌握。说明：说明：任何一种控制设备都有自己最适合的应用领域。熟悉、了解PLC与通用微型计算机、集散控制系统、工业控制计算机的异同，将有助于根据控制任务和应用环境来恰当地选用最合适的控制设备，最好的发挥其效用。1.3可编程控制器的应用、发展及趋势一、PLC发展历程1969第一台 PLC问世，美国数字设备公司（DEC）研制成功PLC的发展与计算机技术、微电子技术、自动控制技术、数字通信技术、网络技术等密切相关、互相促进其发展过程大致可分3个阶

25、段。2012-03-1538其发展过程大致可分 个阶段。1)第一代PLC(20世纪60年代末70年代中期)早期的PLC作为继电器控制系统的替代物其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制和定时/计数控制等任务。在硬件上以准计算机的形式出现，对I/O接口电路上作了改进，以适应工业控制现场的要求。在软件上吸取了的继电器控制线路的特点，形成了特有的编程语言梯形图(Ladder Diagram)，并一直沿用至今。2)第二代PLC(20世纪70年代中期80年代后期)2012-03-15392)第二代PLC(20世纪70年代中期80年代后期)各个PLC厂商先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元使P

26、LC的功能大大增强。在软件方面，除了原有功能外，还增加了算术运算、数据传送和处理、通信、自诊断等功能。在硬件方面，除了原有的开关量I/O以外，还增加了模拟量I/O、远程I/O和各种特殊功能模块，如高速计数模块、PID模块、定位控制模块和通信模块等。并扩大了存储器容量和各类继电器的数量，并提供一定数量的数据寄存器，进一步增强了PLC的功能。2012-03-15403)第三代PLC(20世纪80年代后期至今)PLC的软件和硬件功能发生了巨大变化，体积更小，成本更低，I/O模块更丰富，处理速度更快，指令功能更强。在70年代末和80年代初，我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外的PLC。我国不少科

27、研单位和工厂在研制和生产PLC，如辽宁无线电二厂无锡华光电子公司上海香岛电机制造公司等我国PLC发展情况2012-03-1541二厂、无锡华光电子公司、上海香岛电机制造公司等。目前，国内PLC生产厂家有30余家，但在目前上市的众多PLC产品中，还没有形成规模化的生产和名牌产品。从技术角度来看，国内外的小型PLC差距正在缩小。PLC在我国的应用越来越广泛。二、PLC发展趋势PLC中采用更高性能的微处理器作为CPU，功能进一步增强，逐步缩小了与工业控制计算机之间的差距。同时I/O模块更丰富，网络功能进一步增强，以满足工业控制的实际需要。2012-03-1542编程语言除了梯形图外，还可采用指令表、

28、顺序功能图及高级语言(如C语言)等。发展趋势体现如下1.系列化、模板化、2.小型机功能强化3.中、大型机高速度、高功能、大容量4.低成本、5.5.多功能8三、可编程控制器应用现状PLC主要厂商美国的A-B公司，GE-FANUC公司德国的SIEMENS公司，法国的Schneider MODICON公司2012-03-1543日本的MITSUBISHI公司，OMRON公司控制整个市场60 以上份额市场份额指标SIEMENS公司，约占有30 AB公司,约占有18 Schneider，约占有12 一流厂商：SIEMENS，AB，Schneider MODICON，GEFanuc二流厂商：Mitsubi

29、shi，Omron，Panasonic和Fujiton；三流厂商：SunsongLG台达厂商分类三流厂商：Sunsong，LG，台达2012-03-1544国内市场现状几乎被国外的产品占领，在大、中型中，主要以前边所提到的6家公司中的前4家为主，小型则由日本的MITSUBISHI公司、OMRON公司和德国的SIEMENS公司占据主要地位四、可编程控制器的应用2012-03-15452012-03-15462012-03-15472012-03-154892012-03-15492012-03-15502012-03-15512012-03-15522012-03-15532012-03-155

30、4102012-03-1555简单的结论2012-03-1556PLC已成为自动化工程的核心设备。控制技术代表了当今电气控制技术的世界先进水平。PLC成为现代工业自动化的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。小结PLC是“专为在工业环境下应用而设计的”工业控制计算机，是标准的通用工业控制器，它集3C技术于一体，功能强大，可靠性高，编程简单，使用方便、维护容易，应用广泛，是当代工业生产自动化的三大支柱之一。1PLC的产生是计算机技术与继电器控制技术相结合的产物2012-03-1557 2从结构上，PLC可分为整体式、模板式和分散式；从控制规模上，PLC可分为大型中型和小型，并有向微型和巨型PLC发展之势。3通用控制器（PLC、DCS、PID、IPC）都有自己最适合的应用领域。4.PLC总的发展趋势是：高功能、高速度、高集成度、大容量，小体积，低成本、通信组网能力强习题1.可编程控制器是如何产生的？2.整体式与模板式各有什么特点？3.可编程控制器如何分类？4.列举可编程控制器可能应用的场合。2012-03-1558