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第三章 PLC 概述

第三章 PLC 概述. 定义 分类 应用领域 国内外状况 发展趋势. 3.1 PLC 的产生与定义. 在 PLC 的发展历程中，有过几个不同的名称： 可编程序矩阵控制器 PMC （Programmable Matrix Controller） 可编程序顺序控制器 PSC （Programmable Sequence Controller） 可编程序逻辑控制器 PLC （Programmable Logic Controller）. 3.1 PLC 的产生与定义. PLC 的定义. PLC 的历史

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第三章 PLC 概述

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  1. 第三章 PLC概述 定义 分类 应用领域 国内外状况 发展趋势

  2. 3.1 PLC的产生与定义 • 在PLC的发展历程中，有过几个不同的名称： • 可编程序矩阵控制器PMC （Programmable Matrix Controller） • 可编程序顺序控制器PSC （Programmable Sequence Controller） • 可编程序逻辑控制器PLC （Programmable Logic Controller）

  3. 3.1 PLC的产生与定义 PLC的定义 • PLC的历史 • 1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号不断更新的需要，提出了十条技术指标在社会上公开招标，制造一种新型的工业控制装置。

  4. 3.1 PLC的产生与定义 • （1）容易编程，可现场修改程序； • （2）维修方便，采用模块式结构； • （3）可靠性高于继电器控制装置； • （4）体积小于继电器控制盘； • （5）能与管理计算机进行数据通讯； • （6）价格便宜，可与继电器控制盘竞争；

  5. 3.1 PLC的产生与定义 • （7）输入电源使用市电115V（美国标准）； • （8）输出电源为交流115V，容量为2A，可 • 驱动接触器、电磁阀等设备； • （9）扩展时原系统改变最小； • （10）存储设备可扩充至4K个存储字节。 • “GM”十条要求提出了将传统的继电接触控制的简单 • 易懂，使用方便，价格低的优点，与计算机的功能 • 完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电 • 控制的硬连接逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的 • 设想。

  6. 3.1 PLC的产生与定义 • 1969年美国数字设备公司（DEC）根据招标的要求，研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。 • 1980年美国电气制造商协会（NEMA）正式将其命名为编程序控制器（Programmable Controller），简称 PC。

  7. 3.1 PLC的产生与定义 国际电工委员会（ IEC）于 1982年11月1985年1月对可编程序控制器作了如下的定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，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命令，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，易于扩充功能的原则而设计”。

  8. 3.2 PLC的分类 • （1）按 I／O点数分类 • I／O点数小于 32为微型PLC； • I／O点数在32～128为微小型PLC； • I／O点数在128～256为小型PLC； • I／O点九在256～1024为中型PLC； • I／O点数大于1024为大型PLC； • I／O点数在4000以上为超大型PLC。 • 以上划分不包括模拟量I／0点数，且划分界限不是固定不变的。

  9. PLC的分类 • （2）按结构形式分类 • 整体式PLC： 又称单元式或箱体式。整体式PLC是将电源、CPU、I／0部件都集中装在一个机箱内。一般小型PLC采用这种结构。 • 模块式PLC：将PLC各部分分成若干个单独的模块，如 CPU模块、I／0模块、电源模块和各种功能模块。模块式PLC由框架和各种模块组成。模块插在插座上。一般大、中型PLC采用模块式结构，有的小型PLC也采用这种结构。 • 有的PLC将整体式和模块式结合起来，称为叠装式PLC。

  10. 模块式 底 板 电源模块 CPU模块 IO模块 Power in a Small Package!!

  11. 3.3 PLC的特点 优点 1、可靠性高(平均无故障时间3--5万小时）；2、编程简单；3、通用性强； 4、体积小、结构紧凑、安装、维护方便； 5、功能完善； 6、施工、设计、调试周期短。

  12. PLC的缺点 • 主要是PLC的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的：如专用总线、专家通信网络及协议，I/O模板不通用，甚至连机柜、电源模板亦各不相同。 • 编程语言虽多数是梯形图，但组态、寻址、语言结构均不一致，因此各公司的 PLC互不兼容。 • SIEMENS等公司已经开发出以个人计算机为基础，在Windows平台下，结合IEC1131－3国际标准的新一代开放体系结构的PLC。

  13. 3.4 PLC的应用领域 • PLC在工业自动化中起着举足轻重的作用，在国内外已广泛应 用于机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、 交通等行业。经验表明， 80 ％以上的工业控制可以使用PLC来完成。 • 在日本，凡8个以上中间继电器组成的控制系统都已采用PLC来取代。

  14. Programmable Logic Controller 发展趋势 国内外状况 品牌

  15. 3.5 PLC的国内外状况 • 1969年美国研制出世界上第一台PLC以后，日本、德国、法国等国相继研制了各自的PLC。 • 70年代中期，PLC进入了实用化阶段。 • 70年代末和 80年代初，PLC进入了成熟阶段。

  16. 3.5 PLC的国内外状况 美国PLC发展得最快： • 1984年有48家，生产150多种PLC； • 1987年有63家，生产243种PLC； • 1996年有70余家，生产近300种PLC。 • 著名厂家有A—B（Allen－Bradley）艾伦一布拉德利公司，MODICON莫迪康公司，GE－FSNUC公司，TI（Texas Instrument）德州仪器公司，WESTHOUSE Electric西屋电气公司， IPM（International Parallel Machines）国际并行机器公司等。

  17. 3.5 PLC的国内外状况 欧洲PLC的厂家有60余家: 西门子（Siemens）于1973年研制出第一台PLC。 • 金钟默勒 （Klockner Moeller Gmbh）， AEG， • 法国的TE(Telemecanique）(施耐德） • 瑞士的Selectron公司等。

  18. 3.5 PLC的国内外状况 1971年，日本从美国引进PLC技术，由日立公司研制成功日本第一台PLC。 日本生产PLC的厂家有40余家： • 三菱电机(MITSUBISHI),欧姆龙(OMRON), • 富士电机（Fuji Electric）,东芝（TOSHIBA）, • 光洋（KOYO),松下电工（MEW）, • 和泉（IDEC）,夏普(SHARP）, • 安川等公司。

  19. 3.5 PLC的国内外状况 • 我国在 70年代末和 80年代初开始引进PLC。我国早期独立研制PLC的单位有： • 北京机械工业自动化研究所， • 上海工业自动化仪表研究所， • 大连组合机床研究所， • 成都机床电器研究所， • 中科院北京计算机所及自动化所， • 长春一汽， • 上海起重电器厂， • 上海香岛机电公司， • 上海自力电子设备厂等单位。 • 以上诸单位都没有形成规模化生产。

  20. 3.5 PLC的国内外状况 • 辽宁无线电二厂引进德国西门子技术生产PLC； • 无锡电器和日本光洋合资生产的 PLC; • 中美合资的厦门 A—B公司生产的PLC； • 上海香岛机电公司引进技术生产的PLC; • 上海OMRON公司; • 西安Siemens公司等。

  21. PLC的发展趋势 • （1）向高速度、大存储容量方向发展 （CPU处理速度nS级；内存2M字节） • （2）向多品种方向发展和提高可靠性 （超大型和超小型） • （3）产品更加规范化、标准化 （硬件、软件兼容的PLC） • （4）分散型、智能型、与现场总线兼容的I／0 • （5）加强联网和通信的能力 • （6）控制的开放和模块化的体系结构OMAC（open Modular Architecture for Control）

  22. PLC著名品牌 • 1993年中国PLC市场排行榜上的世界十大厂家： • 美国 A－B公司 （Allen－Bradley） • 德国西门子公司（Siemens） • 美国GE－Fanuc公司 • 美国的莫迪康（Modicon）和法国的TE电器公司 • 日本欧姆公司（OMRON） • 日本三菱电机株式会社（MITSUBISHI） • 日本富士电机株式会社（Fuji Electric） • 日本东芝公司（TOSHIBA） • 日本的光洋电子（KOYO）和中国的华光电子(CKE） • 日本松下电工株式会社（MEW）：Matsushita Electric Works Ltd）

  23. PLC著名品牌 • 根据美国 Automation Research Co．（ARC）的商情调查，在1994年PLC市场上，最大的5家PLC制造商是: • SIEMENS， • Allen－Bradly，（Rockwell) • AEG Schneider， • 三菱电机, • OMRON(立石电机） • （1996年中国PLC市场）

  24. 3.6 P LC控制系统与电器控制系统的较电器控制系统组成

  25. PLC控制系统组成

  26. PLC等效电路 • 例：三相异步电动机单向运行电器控制系统 输入设备 输出设备

  27. PLC等效电路 • 三相异步电动机单向运行PLC控制系统

  28. PLC控制系统与电器控制系统的区别 ①控制方法上： 硬 ： 软 ②工作方式上：并行工作方式 ： 串行工作方式 ③控制速度上：速度 慢 ： 快 ④定时和计数控制上： 精度 低 ： 高 ⑤可靠性和可维护性上： 可靠性 低 ： 高

  29. 3.7 PLC基本组成和工作原理 ● PLC的基本组成 ●　PLC的工作原理

  30. 一、PLC的基本组成

  31. 1.中央处理单元（CPU） (1)从程序存储器读取程序指令，编译、执行指令 (2)将各种输入信号取入 (3) 把运算结果送到输出端 (4) 响应各种外部设备的请求 （1）通用处理器：8086、80286、80386 （2）单片机芯片：8031、8096 （3）位片式微处理器：AMD-2900 小型PLC多采用8位微处理器或单片机作为CPU 中型PLC多采用16位微处理器或单片机作为CPU 大型PLC多采用高速位片式微处理器

  32. 2. 存储器 RAM：存储各种暂存数据、中间结果、用户正调 试的程序。 ROM：存放监控程序和用户已调试好的程序。

  33. 3. 输入、输出接口 采用光电隔离，实现了PLC的内部电路与外部电路的电气隔离，减小了电磁干扰。 输入接口作用：将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。 输出接口作用：将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。 输出三种形式：继电器 -- 低速大功率 可控硅 -- 高速大功率 晶体管 -- 高速小功率

  34. Xn 24V + – – + （1）输入接口电路：采用光电耦合器，防止强电干扰。 输入端子 发光二极管 PLC 发光二极管 COM 光电三极管 直流电源

  35. Y 内 部 电 路 内 部 电 路 J COM - （2）输出接口电路： 继电器输出 以继电器形式为例： PLC + 交流电源或直流电源

  36. 4.电源单元 • 把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。 • 有的电源单元还向外提供24v隔离直流电源，可供开关量输入单元连接的现场无源开关等使用。 可编程序控制器的电源一般采用开关式电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。

  37. 5. 各种接口、高功能模块 便于扩展 小型机：一体机。有接口可扩展。

  38. 中、大型机：模块式。可根据需要在主板上随意组合。中、大型机：模块式。可根据需要在主板上随意组合。 电源模块 底 板 CPU模块 IO模块 Power in a Small Package!!

  39. PC FP PROGRAMMER ST XWX FN/P FL AN YWY OR RWR OT LWL NOT DT/Ld STK IX/IY TM TSV CT CEV (BIN) K/H C D E F SC A B 8 9 (-) OP 4 5 6 7 SRC  2 0 1 3 READ  ACLR ENT WRT (HELP) CLR (DELT) CLR 手持式的编程器 6. 编程设备 编程设备可以是专用的手持式的编程器；也可以是安装了专门的编程通讯软件的个人计算机。 用户可以通过键盘输入和调试程序；另外在运行时，还可以对整个控制过程进行监控。

  40. 二、PLC的工作原理—建立I/O映像区 I/O映象区的大小与系统控制的规模有关 输入点总有输入映象区的某一位与之相对应 PLC工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映象区对应的位上；将运算的结果存放到输出映象区对应的位上。PLC在执行用户程序时所需“输入继电器”、“输出继电器”的数据取用于I/O映象区，而不直接与外部设备发生关系 。

  41. PLC工作过程 清除内部继电器区，复位定时器等，并进行自诊断，对电源、PLC内部电路、用户程序的语法进行检查。 定期检查用户程序存储器、I/O单元的连接、I/O总线是否正常，定期复位监控定时器WDT PLC之间以及PLC与PC之间； PLC与其他带微处理器的智能装置通信 编程器、终端设备、彩色图形显示器、打印机 以扫描的方式按顺序逐句扫描处理，运算结果存入输出映象区对应位中 扫描的方式输入信号的状态存入输入映象区；结果存入输出映象区，直至传送到外部被控设备。

  42. 用户程序的循环扫描过程 可编程序控制器对用户程序进行循环扫描可分为三个阶段进行，即输入采样阶段，程序执行阶段和输出刷新阶段。

  43. 输入、输出延迟响应 ① 输入电路滤波时间，它由RC滤波电路的时间常数决定。改变时间常数可调整输入延迟时间。 ② 输出电路的滞后时间，它与输出电路的输出方式有关。继电器输出方式的滞后时间为10ms左右；双向晶闸管输出方式，在接通负载时滞后时间约为1ms，切断负载时滞后时间小于10ms；晶体管输出方式的滞后时间小于1ms。 ③ PLC循环扫描的工作方式 ④ PLC对输入采样、输出刷新的集中处理方式 ⑤ 用户程序中语句的安排

  44. 输入输出延迟时间——最短响应时间 输入/输出刷新时间 CPU读输入 最短响应时间=输入延迟时间+一个扫描周期+输出延迟时间

  45. 输入输出延迟时间——最长响应时间 输入/输出刷新时间 CPU读输入 最长响应时间=输入延迟时间+两个扫描时间+输出延迟时间

  46. 　3.8 PLC编程语言和程序结构 　一、编程语言 • 1. 语句表 • 2. 梯形图 • 3. 功能块图 • 4. 其他编程语言

  47. 1. 语句表 • 语句表（STL）语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员。用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言，STEP 7 Micro/Win32的语句表如图所示。 语句表举例

  48. 2. 梯形图 梯形图举例

  49. 3. 功能块图 • 功能块图（FBD）的图形结构与数字电子电路的结构极为相似，如图所示。

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