§3 可编程序控制器

1. §3 可编程序控制器

2. 一、概 述 可编程逻辑控制器 Programmable Logical Controller PLC 可编程序控制器 ProgrammableController PC

3. 1、 PLC的产生 • 在PLC问世以前，继电器控制在顺序控制领域中占有主导地位，但由继电器构成的控制系统对生产工艺多变的适应性极差： • 需要使用大量的继电器，继电器间通过硬 接线相连接。 • 一旦工艺发生变化或控制要求变化，需要 改变控制柜内继电器系统的硬件结构，甚 至需要重新设计系统。

4. 原动力：60年代末期，美国汽车工业迅速发展，开发新的可编程序的控制设备取代继电器控制系统已十分迫切。原动力：60年代末期，美国汽车工业迅速发展，开发新的可编程序的控制设备取代继电器控制系统已十分迫切。 起源：美国数字设备公司DEC于1969年根据通用汽车的要求，研制出了世界上第一台可编程序控制器PDP-14，并在的汽车生产线上获得成功应用

5. 早期的PLC虽然采用了计算机的设计思想，但实际上它只能完成顺序控制，仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能。早期的PLC虽然采用了计算机的设计思想，但实际上它只能完成顺序控制，仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能。 • 在经历了30年的发展，现代PLC产品已经成为了名符其实的多功能控制器，如逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理等功能都得到了很大的加强和完善。 • 与此同时，PLC的网络通信功能也得到飞速发展，PLC及PLC网络成为了工厂企业中不可或缺的一类工业控制装置。 • PLC与DCS逐步渗透和熔合。

6. 2、PLC的特点 • 可靠性高、抗干扰能力强 • 功能完善，通用、灵活 • 编程简单、使用方便 此外，PLC还具有接线简单、系统设计周期短、体积小、重量轻、易于实现机电一体化等特点，使得PLC在设计、结构上具有其它许多控制器所无法相比的优越性。

7. 超小型<64 小型 65-128 中型 128-512 大型 >512 按I/O点数 一体化 模块化 按结构 3、PLC的分类

8. 一体化PLC 图10－7 Siemens S7-200一体化PLC

9. 模块式PLC 图10－8 Siemens S7-300模块式PLC

10. 系统总线 PLC、IPC、OP…… CPU 通信接口 RAM 编程器、打印机…… 外设接口 EPROM 变送器、现场仪表等 E2PROM PIO接口 主机 图10.9 PLC组成的原理框图 二、 PLC的组成

11. 编程器、PLC、IPC、OP等 系统总线 电源线 电源 模块 CPU 模块 通信接口模块 I/O 模块 I/O 模块 智能I/O 模块 …… 图10.10 模块化PLC结构原理示意图

12. 中央处理单元CPU • 存储器 • 电源模块 • 智能模块和通信模块 • 接口和扩展接口模块 • I/O接口 • 模拟量输入模块 • 模拟量输出模块 • 开关量输入模块 • 开关量输出模块

13. 1、CPU —PLC的核心 基本功能： 通过输入装置读入外设的信号和状态，用户程序根据输入信号、状态进行处理，处理结果通过输出装置去控制外设。 外设包括：I/O模块、编程器等。

14. 其它功能— 网络(通信)功能 例如：三菱FX系列—串口(19.2kbps、38.4kbps等) Q系列－USB接口，RS232串口 AB ControlLogix—串口、Ethernet Siemens S7 CPU315－2DP Profibus-DP(≤12Mbps)

15. 2、存储器 • PLC常用的存储器主要有： • EPROM、E2PROM、RAM等几种，多数都直接集成在CPU单元内部。用于存放： • 系统程序 • 用户程序 • 工作数据

16. 系统程序：指PLC的操作系统，用户不能直 接访问或修改，一般存储在只读存储器 ROM、EPROM或E2PROM中。 用户程序：指用户根据系统功能编制的应用 程序，在正式投运之前往往需要经常调试和 改动，多存放于RAM中，并配有后备电池以防 止电源断电丢失程序；调试完毕，可以将其 转存于EPROM或E2PROM之中，以免用户程序被 随意改动。

17. 工作数据：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。这些数据包括不同的类型。

18. 3、I/O接口 I/O模块的主要类型包括： • 模拟量输入模块AI • 模拟量输出模块AO • 开关量输入模块DI • 开关量输出模块DO

19. D1 K +5V R1 T 数 据 锁 存 器 + C 数据 总线 滤 波 DW R2 R （1）直流电压输入DI 图10－11 DI模块原理图

20. ⒈ 当开关K闭合以后，输入现场信号“1” ⒉ 外部电压经R1、R2分压，稳压二极管 DW形成稳定的输入电压。 ⒊ 输入指示二极管D1和光电耦合器 T的 发光二极管点亮，并驱动光电三极管 导通，把现场开关量信号转换为CPU需 要的TTL标准信号。 ⒋ 电容C和R2构成了输入滤波电路，可以 滤除输入信号的高频干扰

21. 数 据 锁 存 器 DC AC 数据总线 D1 J R1 负载 （2）继电器输出DO 图10－12 继电器输出模块原理图

22. D1是输出指示二极管，J是小型直流继电器，输出一对无源触点D1是输出指示二极管，J是小型直流继电器，输出一对无源触点 1、当输出状态为“1”时，输出指示二极 管D1点亮，继电器J的线圈上电，继 电器触点吸合，负载回路闭合。 2、输出状态为“0”时，D1指示灯灭，J 触点断开，负载回路断开 。

23. 数 据 锁 存 器 T 数据总线 D2 负载 R2 D1 24VDC D3 T1 R3 R1 （3）晶体管输出DO 图10－13 晶体管输出模块原理图

24. D1是输出指示二极管，D2是负载续流二极管，D3是保护二极管。D1是输出指示二极管，D2是负载续流二极管，D3是保护二极管。 1、当输出状态为“1”时，输出指示二极 管D1点亮，光电耦合器T导通，三极 管T1饱和导通，负载电源接通。 2、当输出状态为“0”时，D1指示灯灭， T、T1均截止，负载电源断开。

25. 4、电源模块 电源模块：PLC一般配有开关式稳压电（24VDC） 供内部电路使用。 与普通电源相比：开关电源的输入电压范围宽、 稳定性好、体积小，重量轻，效率高，抗干扰能力 强。 说明：专用24VDC开关电源，可以给二线制变送 器等现场仪表供电。 普通24VDC开关电源一般不可 以给变送器供电。

26. 5、编程工具 专用编程器：由PLC生产厂家提供，只能适用于特 定PLC的软件编程装置。专用编程器一般有简易型 和图形编程器二种 ： 简易编程器：一般只能编辑语句表指令程序，不能 直接编辑梯形图程序，多用于小型PLC的编程或用 于PLC控制系统的现场调试和维修 。 图形编程器 ：本质上是一台便携式专用计算机系 统，可以编制多种指令程序，功能强。

27. 专用编程软件：世界上各主要PLC生产厂家 都提供了在个人计算机上运行的，借助于 相应的通信接口装置，用户可以在个人计 算机上通过专用编程软件进行程序编辑、 调试等各种功能，而且专用编程软件一般 可适用于一系列的PLC系统，专用编程软件 是多数用户首选的编程装置。

28. 编程软件 • 三菱：GX developer • A-B: Rslogix5000 • Siemens: Step 7 • Modicon:concept • Omron:CPT 为了方便离线测试和调试程序，还有PLC仿真软件。

29. 图10－14 三菱GX DeveloperPLC编程软件

30. 三、 PLC的基本工作原理 工作方式：周期扫描 CPU从首条指令开始顺序逐条地执行，到用户程序结束，然后开始新一轮扫描。 扫描过程： (1)上电初始化 (2) 一般处理扫描 (3) 数据I/O操作 (4) 用户程序的扫描 (5) 外设端口服务

31. 元件状态的清零或复位、检查I/O单元的连接等 上电 初始化 检查存储器、硬件单元 正确？ N Y 置位故障标志、显示故障指示灯 复位监视定时器 性质？ 数据I/O操作 报警 错误 执行用户程序 外设端口服务 图10－15 PLC程序扫描过程

32. 监视定时器 监视定时器也称“看门狗”WDT(Watch-Dog Timer)，它是用来监视程序执行是否正常的。正常时，执行完用户程序所用的时间不会超过T1。在程序执行前复位WDT，然后执行程序并计时。执行完用户程序后再立即复位WDT，表示程序执行正常。当程序执行过程中因某种干扰使扫描失控或进入死循环，则WDT会发出超时报警，使系统重新开始执行。若是偶然因素，重新启动后系统会正常工作；若是不可恢复性故障，系统自动停止执行程序并切断外部负载、报警。

33. 扫描周期：每一次扫描所用的时间 PLC扫描周期与PLC的硬件特性和用户程序长短有关，典型值一般为几十ms。功能越强大的PLC其扫描周期越短。

34. I/O刷新 I/O刷新包括两种操作：采样输入信号和送出处理结果，该过程如图10－16所示。PLC的存储器中，有专门区域存放I/O数据，称为I/O映像存储区。只有在采样时刻，输入映像区中的内容才与输入信号一致。PLC处理的结果放在输出映像区中，在程序执行结束或下次扫描用户程序前，才将输出映像区中的内容通过锁存寄存器输出到端子上。

35. 图10－16 PLC I/O处理示意图

36. 用户程序的扫描 用户程序扫描机制：PLC根据先左后右、先上后下的顺序扫描执行,也可以有条件地利用各种跳转指令来决定程序的走向，直到执行END指令才结束对用户程序的扫描。 在第n次扫描时，所依据的输入数据是该次扫描前的值Xn-1，输出数据是Yn-1及本次扫描的结果Yn，送往输出端子的是本次扫描的结果Yn，但执行过程中它并不输出。

37. 四、PLC的程序设计语言 IEC（国际电工委员会）在1994年5月公布了PLC标准IEC－1131，鼓励不同的PLC制造商提供在外观和操作上相似的指令，其中的第三部分就是编程语言标准。并定义了5种编程语言的句法、语义及表达方式。

38. 顺序功能图（SFC） • 梯形图（LAD） • 功能块图（FBD） • 指令表（SL），也称语句表 • 结构文本（ST） 其中LD和FBD是图形编程，而IL、ST是文字语言，而SFC是一种结构块控制顺序流程图。

39. 1、梯形图 是在继电控制系统电气原理图基础上开发出来的一种图形编程语言，沿用了继电器、接点、串并联等术语和类似的图形符号，是多数PLC的第一用户语言。PLC梯形图的编程元素主要有： 、 、 等， 分别表示: 常开触点、常闭触点、继电器线圈等,PLC梯形图按从左到右、自上而下的顺序排列，左起起始母线，右至结束母线。

40. 电源线 结束母线 起始母线 Q0.0 SB2 SB1 SB3 I0.2 I0.1 I0.0 C 串联 Q0.0 C 并联 （A）电气控制梯形图 （B）PLC梯形图 图10－17 梯形图编程

41. 2、顺序功能图 提供了一种组织程序的图形方法，在顺序功能图中可以用别的语言嵌套编程。步、转换和动作是SFC中的三个主要元件。可以用SFC来描述系统的功能，根据它可以很容易地画出梯形图。

42. 3、功能块图 功能块图是在数字逻辑电路基础上开发出的一种图形编程语言，它采用了数字电路的图符，用“与”、“或”、“非”等逻辑方框组合来描述控制功能。方框的左侧为逻辑运算的输入，右侧为输出，输入和输出端的圆点表示“非”。方框被“导线”连接在一起，信号从左向右流动。 SIEMENS 的LOGO用此方法编程，其他用的很少。

43. 电源线 SB2 SB1 SB3 C C （A）电气控制梯形图 & I0.0 Q3.0 >=1 Q3.0 = I0.1 I0.2 图10－18 功能块图编程

44. 4、指令表 电源线 结束母线 起始母线 Q0.0 SB2 SB1 SB3 I0.2 I0.1 I0.0 C 串联 Q0.0 C 并联 （A）电气控制梯形图 （B）PLC梯形图 指令表是一种类似于汇编语言的助记符编程语言 A I0.0 O Q0.0 AN I0.1 AN I0.2 = Q0.0

45. 5、结构文本 ST是为IEC1131-3标准创建的一种专用的高级编程语言。与梯形图相比，它能实现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。

46. 五、可编程控制器应用系统设计 设计原则可以归纳为四点： ①最大限度地满足工业生产过程或机械设备的控制 要求——完整性原则； ②确保计算机控制系统的可靠性——可靠性原则； ③力求控制系统简单、实用、合理——经济性原 则； ④适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I/O接 口、通信能力等方面要留有余地——扩展性原 则。

47. 1、PLC系统的硬件设计 （1）了解工艺过程，分析系统要求 （2）创建设计任务书 （3）硬件设备的选型 （a）CPU的选型 （b）I/O的配置 （c）I/O站点的分配与通信接口模块的选择 （d）电源模块和其它附属硬件的选择 （4）安全回路的设计

48. 2、PLC系统的软件设计 制定控制方案 制定抗干扰措施 前期工作 编制I/O分配表 定义程序及数据结构 定义模块功能 编写指令程序 开发调试 软件调试和投运 在软件设计过程中，前期工作内容往往会被设计人员所忽视，事实上这些工作对提高软件的开发效率、保证应用软件的可维护性、缩短调试周期都是非常必要的，特别是对较大规模的PLC系统更是如此。

49. 3、PLC程序设计常用方法 经验法 根据具体要求，凭借经验设计。这种方法对简单系统比较有效，但对设计人员经验要求高。对于复杂逻辑，采用这种方法很难设计出高质量的控制程序

50. 逻辑设计法 当一个逻辑函数用逻辑变量的基本运算式表达出来后，实现该逻辑的线路也确定了。采用该方法，首先要列出执行元件动作节拍表，绘制出电气控制系统的状态转移图，然后进行系统的逻辑设计，编写程序和调试。