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1、PLC控制系统原理与编程简介,一、PLC的发展概况,1、PLC的由来 在PLC问世以前，工业控制领域中是以继电器控制占主导地位。这种由继电器构成的控制系统存在明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差。如果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，这不仅影响了产品更新换代的周期，而且对于比较复杂的控制系统来说，不但设计制造困难，而且其可靠性不高，查找和排除故障也往往是费时和困难的。,1968年，美国通用汽车公司根据市场形式与生产发展需要，提出了“多品种、小批量、不断翻新汽车品牌型号”的战略。为了尽可能地减少重新设计和重新接线的
2、工作，从而减低成本、缩短周期，提出了研制新型逻辑顺序控制装置来取代继电器控制装置。通用汽车公司对该新型控制装置的研制提出了以下10项技术指标要求：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.可直接用115V交流输入；8.输出为115V、2A以上，能直接驱动电磁阀、接触器等；9.通用性强、易于扩展；10用户程序存储器容量可扩展到4KB。这10项技术指标也是当今可编程控制器的最基本的功能。1969年，美国数字设备公司（DEC）就研制出了第一台PLC，将其应用于
3、美国通用汽车公司自动装配生产线上，并取得了极大的成功。,PLC的概念 可编程序控制器是一种以微处理器为核心器件的逻辑和顺序控制装置。由于可编程序控制器在不断发展，对它下一个确切定义比较困难。目前公认的是1980年美国电气制造协会NEMA对他下的定义：可编程序控制器是一种数字式的垫子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序运算、计算、计时和算术运算等功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。,可编程序控制器最早出现于1969年，当时叫可编程序逻辑控制器，即PLC（Programmable Logic Controller)，1976年NEMA将其命名为可编程序控制器，缩写PC（
4、Programmable Controller)。由于可编程序控制器英文缩写PC和个人计算机英文缩写PC（Personal Computer）容易混淆，所以大家仍将可编程序控制器成为PLC。,2、PLC的发展简史 PLC的发展与计算机技术、半导体集成技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关。这些高新技术的发展推动了PLC的发展，而PLC的发展又对这些高新技术提出了更高、更新的要求，促进了它们的发展。从PLC的控制功能来分，PLC的发展经历了以下4个阶段：,第阶段，从第一台PLC问世到20世纪70年代中期，是PLC的初创阶段 该阶段的PLC产品主要用于逻辑运算、定时和记数，
5、它的CPU由中小规模的数字集成电路组成，他的控制功能比较简单。该阶段的代表产品有MODICON公司的084、AB工地的PDQII、DEC的PDP-14和日立公司的SCY-022等。,第2阶段，从20世纪70年代中期到末期，是PLC的实用化发展阶段。该时期的PLC产品的主要控制功能得到了较大的发展。随着多种8位微处理器的相继问世，PLC技术产生了飞跃。在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算、闭环调节功能，提高了运算速度，扩大了输入/输出规模。该阶段的代表产品有MODICON公司的184、284、384，西门子工地的SYMATIC S3系列，富士电机公司的SC系列等。,第3阶段，从20世纪70年代
6、末期到80年代中期，是PLC通信功能的实现阶段。与计算机通信的发展相联系，PLC也在通信方面有了很大的发展，初步形成了分布式的通信式的网络体系。但是，由于生产厂家各自为政，通信系统自成系统，因此各产品互相通信是较困难的。在该阶段，由于生产控制的需要，对PLC的需求大大增加，产品的功能也得到了发展，数学运算的功能得到了较大的扩充，产品的可靠性进一步提高。该阶段的代表产品有富士电机公司的MI-CREX和德州仪器公司的TI530等。,第4阶段，从20世纪80年代中期开始，是PLC的开放阶段。由于开放系统的提出，使PLC也得到了较大的发展。主要表现为通信系统的开放，使各生产厂家的产品可以互相通信，通信
7、协议的标准化使用户得到了好处。在这一阶段，产品的规模增大，功能不断完善，大中型产品多数CRT屏幕的显示功能，产品的扩展也因通信功能的改善而变得方便，此外，还采用了标准的软件系统，增加了高级编程语言等。该阶段的代表产品有西门子公司的SYMATIC SY5和S7系列和AB公司的PLC-5等。,3、PLC的发展趋势,PLC从诞生至今，发展势头十分迅猛。如今在工业自动化领域中，PLC已经无处不在。随着技术的发展和市场需求的增加，PLC的结构和功能得到不断改进，生产厂家不断推出功能更强的PLC产品，平均3-5年更新换代一次。今后，PLC的发展可归纳为以下几个方面：,1）小型化、专用化、低成本,微电子技术
8、的发展，新型器件被大幅度地提高功能和减低价格。PLC的功能不断增强，。PLC的结构更为紧凑、小巧，体积更小，而安装和操作使用十分简便。由于PLC中主要部件成本的不断下降，这样在大幅度提高PLC功能的同时，也大幅度降低了PLC的整体成本。价格的不断下降，使得PLC真正成为继电器控制系统的替代产品。,2）系列化、标准化、模块化,每个生产PLC的厂家几乎都有自己的系列化产品，同一系列的产品指令及使用上兼容，以满足新机型的推广和使用。为了推动技术标准化的进程，一些国际性组织不断为PLC的发展制定一些新的标准，对各种类型的产品作一定的归纳或定义，对PLC未来的发展制定一种方向。模块式结构使系统的构成更加
9、灵活、方便；功能明确化，专用化的复杂功能由专门模块来完成。一般的PLC可分为主模块、扩展模块、I/O模块以及各种高性能模块等，每种模块的体积都较小，相互连接方便，使用更简单，通用性更强。主机仅仅通过通信设备向模块发布命令和测试状态，这使得PLC的系列功能进一步增强，控制系统设计进一步简化。,3）高速化、大容量和高性能,大型PLC采用多微处理器系统，如有的 采用32位微处理器，可同时进行多任务操作，处理速度提高，存储容量大大增加。PLC的功能进一步加强，以适应各种控制需要，使计算、处理功能进一步完善，特别是增强了过程控制和数据处理的功能。另外，PLC可以代替计算机进行管理、监控。智能I/O组件也
10、将进一步发展，用来完成各种专门的任务（如位置控制、PID调节、远程通信等）。,4）网络化,计算机与PLC之间，以及各个PLC之间的连网和通信能力的不断增强，使工业网络可以有效地节省资源、降低成本、提高系统可靠性和灵活性，使网络的应用有普遍化的趋势。工业中普遍采用金字塔结构的多极工业网络。与可编程控制器硬件技术的发展相适应，工业软件的发展非常迅速，它使系统应用更加简单易行，大大方便了PLC系统开发人员和操作使用人员。,二、PLC的功能,随着计算机技术、工业控制技术、电子技术和通信技术的发展，PLC已从小规模的单机顺序控制，发展到包括工程控制、位置控制等场合的所有控制领域，能组成工厂自动化的PLC
11、综合控制系统。现在的PLC一般具有如下主要功能。,1、开关量逻辑控制功能,这是PLC的最基本功能之一。逻辑控制功能实际上就是位处理功能，它是PLC的与、或、非指令取代继电器触点串联、并联和其他逻辑连接，实现开关控制、逻辑控制和顺序控制。它即可用于单机控制或多机控制，又可用于自动化生产线的控制。PLC可根据操作按钮、限位开关及其他现场给出的指令信号或检测信号，控制机械运动不见进行相应的动作。,2、定时/计数控制功能,定时/计数控制功能是指利用PLC提供的定时器、计数器指令实现对某种操作的定时或计数操作，以玉带时间继电器和计数继电器。定时器和计数器的设定值可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需
12、要进行修改，使用方便灵活。,3、数据处理功能,数据处理是指PLC能进行数据传送、数据比较、数据位移、数制转换、算术运算与逻辑运算以及编码和译码等操作。中、大型PLC数据处理功能更加齐全，可完成开方、PID运算、浮点运算等操作，还可以和CRT显示器、打印机相连，实现程序、数据的显示和打印。,4、监控、故障诊断功能,PLC设置了较强的监控、故障诊断功能。利用编程器或监视器，操作人员可监视PLC各部分的运行状态和进程；也可以在线调整和修改控制程序中定时器、计数器的设定值或强制置I/O的状态。PLC可以对系统构成、某些硬件状态，指令的合法性等进行自诊断，发现异常情况，发出报警并显示错误类型，如遇严重错
13、误，则自动中止运行。PLC的故障自诊断功能，大大提高了PLC控制系统的安全性和可维护性。,5、步进控制功能,步进控制功能是用步进指令来实现有多道加工工序的控制，只有前一道工序完成后，才能进行下一道工序操作的控制，以取代由硬件构成的步进控制器。PLC为用户提供了多个移位寄存器，可以实现由时间、计数或其他指定逻辑信号为转步条件的步进控制。PLC能通过移位寄存器方便地完成步进控制功能。有些PLC专门设有步进控制指令，使得编程更为方便。此功能在进行顺序控制时非常有效。,6、A/D、D/A转换功能,有些PLC具有A/D、D/A转换功能，可以方便地完成对模拟量的控制和调节。一般情况下，模拟量为420mA的
14、电流，或15V、010V的电压；数字量为8位或12位的二进制数。通过A/D、D/A转换功能，可对温度、压力、速度、流量等连续变化的模拟量进行控制，而且编程和使用都很方便。大、中型的PLC还具有PID闭环控制功能，运用PID子程序或使用专用的智能PID模块，可以实现对模拟量的闭环过程控制。,7、停电记忆功能,PLC内部的部分存储器所使用的RAM设置了停电保持期间（如备用电池等），以保证断电后这部分存储器中的信息能够长期保存。利用某些记忆指令可以对工作状态进行记忆，以保持PLC断电后的数据内容不变。PLC电源恢复后，可以在原工作状态基础上继续工作。,8、远程I/O功能,远程I/O功能是指通过远程I
15、/O单元将分散在远距离的各种输入、输出设备与PLC主机相连接，进行远程控制，接受输入信号、传出输出信号。,9、通信联网功能,新一代的PLC具有通信功能。PLC但通信包括PLC相互、PLC与上位计算机间的通信，PLC与其他智能设备间的通信。PLC系统与计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转接器相连接构成网络，从而实现信息的交换，也可构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统，满足工厂自动化系统的发展要求。,10、扩展功能,扩展功能是指通过连接I/O扩展单元模块来增加I/O点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高PLC度控制功能。,三、PLC的特点,PLC能如此迅速发展的原因，除了工业
16、自动化的客观需要外，还有许多独特点有点。它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。它具有以下特点：,1可靠性高，抗干扰能力强。,PLC是专门为工业环境而设计的，从硬件设计元件选择到工艺制作均极为严格，具有很多可靠性，且采用了一系列的抗干扰措施，如I/O电路中采用尖电隔离，常规模拟器滤波，软件数字滤波。内部采用电磁屏蔽措施，防止辐射干扰，采用了较先进的电源电路，以防止由电源回路串入的干扰信号：有些模块还设置了连锁保护，自诊断电路等。PLC采用周期循环扫描的工作方式，只有一小段时间进行I/O处理，也只有这一小段输入采样时间，干扰才会被引入PLC内部，因此，这种工作方
17、式本身就有利于屏蔽干扰。PLC是专门为工业环境而设计的，从硬件设计元件选择到工艺制作均极为严格，具有很多可靠性蔽干扰。,2 通用性好，I/O接口丰富。,PLC是一种通用工业控制装置，绝大多数PLC系统特别是模块式结构均是按用户需要配置，变更、扩展均很方便，有丰富的I/O接口模块以满足不同工业现场信号和不同的器件或设备的需要并直接连接。,3编程简单，使用方便。,PLC有不同的编程语言以适应不同对象的需要，如梯形图就很容易被大多数人所掌握，配套的简易编程器的操作和使用也很简单。,4设计、安装容易，维修工作量小。,PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制
18、柜的设计、安装接线工作量大为减少，PLC的程序大部分可以在实验室进行模拟调试，即安全又快速方便，大大缩短了应用设计和调试周期，特别是在控制的技术改造中更能发挥优点。在维护方面，由于PLC本身的故障率极低，维护工作量很小，并且PLC有完善的诊断和显示功能，可以在出现故障时为维护人员提供故障信息，迅速查明原因，排除故障，提高工作效率。,5体积小、能耗低。,以西门子中型PLC S7-300为例：CPU314模块可扩展为512点开关量，64路模拟量，其外形尺寸为80mm125mm130mm，重量仅为0.53Kg，消耗功率为8W，因此，便于安装且节省能源。,6联网方便、便于系统集成,生产过程控制和生产管
19、理结合起来实现管-控一体化已越来越显现出它的重要性。PLC联网通信能力也在不断提高，不少PLC都配置有各种通信接口模块。,四、PLC的组成及工作原理,1、PLC的基本组成 PLC由中央控制单元、存储器、输入输出单元、输入输出扩展接口、外部设备接口以及电源部分组成。各部分之间通过内部系统总线进行连接。,电源,中央处理单元,存储器,输入模块,输出模块,用户输出设备,用户输入设备,外部设备,编程器,（1）中央处理单元（CPU）是PLC的运算控制中心，它包括微处理器和控制接口电路。（2）存储器 用来存储系统程序、用户程序和各种数据。ROM一般采用EPROM和EEPROM，RAM一般采用CMOS静态存储
20、器，即CMOS RAM.（3）输入输出单元（I/O）是PLC与工业现场之间的连接部件，有各种开关量I/O单元、模拟量I/O单元和智能I/O单元等。,（4）输入输出扩展模块 是PLC主机扩展I/O点数和类型的部件，可连接I/O扩展单元、远程I/O扩展单元、智能I/O单元等。它有并行接口、串行接口、双口存储器接头等多种形式。（5）外部设备接口 通过它，PLC可以可编程器、彩色图形显示器、打印机等外部设备连接，也可以与其它PLC或上位机连接。外部设备接口一般是RS-232、RS422A（或RS-485）串行通信接口。（6）电源单元 把外部供给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
21、24V个隔离直流电源，给开关量输入单元连接的现场无源开关使用。电源单元还包括掉电保护电路和后备电池电源，已保持RAM的存储内容不丢失,智能I/O模块,智能I/O单元与其它I/O单元的不同之处，是它具有与PLC主机相似的硬件系统，也是由CPU、存储器、输入输出单元、外部设备接口单元等部分通过内部系统总线连接组成。智能I/O单元在自身的系统程序管理下，对工业现场的信号进行检测、处理和控制，并通过外部设备接口与PLC主机实现通信。PLC主机在每个扫描周期中与智能I/O单元进行一次数据交换，以便对现场的信号进行综合处理。智能I/O单元不依赖主句的运行方式而独立运行。目前，智能I/O单元有以下一些类型：
22、（1）高速脉冲技术器智能单元 专门对现场的高速脉冲信号进行计数，并把累计值传送给PLC主机进行处理。一般的PLC不能正确地进行高速脉冲信号的计数，因为计数速度受到扫描周期的影响，但高速包从信号的宽度小于主机扫描周期时，会发生部分计数脉冲丢失的情况。采用智能单元后，PLC就正确地对高速脉冲信号进行处理了。,（2）PID调节智能单元 能独立完成一个或几个闭环控制回路的PID调节，而PLC主机仅周期地把调整参数和设定值传递给PID调节智能单元。这样就减轻了PLC主机的负担，使其在每个扫描周期内能处理更多的其它任务。（3）温度传感器输入智能单元 直接与热电偶或热电阻连接，通过信号转换、A/D转换、光电
23、耦合等电路将模拟量的热电势或电阻信号转变为PLC的内部数字量信号。对热电偶的冷端补偿和热电阻的非线性处理等也在该智能单元实现，不同热电偶、热电阻的分度号是通过该单元上的选择开关确定的。（4）位置控制智能单元（5）阀门控制智能单元,一体式PLC与模块式PLC的特点及使用场合,整体式PLC将CPU、存储器、I/O等基本单元装在少数几块印刷电路板上，并连同电源一起集中装在一个机箱内。它的输入、输出点数少，造价低，适用于单体设备和机电一体化产品的开关量自动控制。模块式PLC又称为积木式PLC，它把CPU（包括存储器）单元和输入、输出单元做成独立的模块，即CPU模块、输入模块、输出模块，然后组装在一个带
24、有电源单元的机架或母板上。它的输入、输出点数多，插件较多，造价较高，适用于复杂过程控制系统的场合。,在石油化工行业，PLC按I/O能力划分为哪几种类型,小型PLCI/O点数在128点以下，用户程序存储器容量小于4KB中型PLC128512点I/O，48KB用户存储器；大型PLC512点以上I/O，8KB以上用户存储器。,PLC对工作环境的要求,PLC是按照工业环境的要求设计的，对安装场所的工作环境要求较低，但合适的工作环境可以提高PLC的使用寿命及可靠性。（1）环境温度范围在050摄氏度，阳光不直接照射。（2）相对适度小于85，不结露。（3）周围环境没有腐蚀性或易燃易爆气体，没有能导电的粉尘。
25、（4）安装位置的振动平路小于55Hz，振幅小于0.5mm，不应有大于10g加速度的冲击。（5）通常应安装在有保护外壳的控制柜内，安装时应留有一定空间，用于扩展和通风散热。必要时可安装风扇强制通风，在易燃易爆或腐蚀性气体的场所应考虑在柜内正压通风。,2、PLC的简单工作原理,1）PLC的工作方式 PLC虽然同微机有许多相同的地方，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式，如常见到键盘扫描方式或I/O扫描方式。当按下键盘键或I/O动作后，计算机则装入相应的子程序和运行程序，无键按下或无I/O动作，则继续扫描。PLC则采用循环扫描电工作方式，整个扫描过程可分为输入采样、内部处
26、理、用户程序执行、输出刷新4个阶段。PLC周而复始地循环执行这4个阶段，这种工作方式称为扫描工作方式。PLC每重复一次这4个阶段所用的时间称为一个扫描周期（或称循环周期、工作周期。）,内部处理阶段实际上就是运行PLC内部系统的管理程序，它由下面4个过程组成：1）系统自检测 PLC检查CPU模块内部硬件是否正常，复位监视定时器（看门狗），如果超时，则停止中央处理器工作，并完成一些其他检测。2）与编程器交换信息 这在使用编程器输入和调试程序时才执行3）与数据处理器交换信息 这只有在PLC中配置有专用数字处理器时才执行。4）外部通信 当PLC配置有通信接口或模块时，与外部通信对象（如磁带机、其他PL
27、C或计算机等）进行数据交换。,内部处理阶段是运行PLC内部系统的管理程序，该程序是厂家在PLC出厂时就已经固化好了的，与用户的控制程序无关，一般比较固定，其运行时间与用户程序运行时间相比，要短的多。因此，为了理解上的方便，通常忽略内部处理阶段，而认为PLC的工作过程为3个阶段：输入采样阶段、用户程序执行阶段、输出刷新阶段，并近似地认为每重复一次这3个阶段所用的时间为一个扫描周期。,2）PLC的工作过程,PLC工作过程的3个阶段：输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段，如图：,输入端子,输入映象区,输出映象区,输出锁存,输出端子,用户程序,输入信号,输出信号,输入采样,程序执行,输出刷新,
28、（1）输入采样阶段,PLC以扫描工作方式，按顺序将所有信号读入到寄存输入状态度输入映象存储器中存储，这一过程称为采样。在本工作周期内，这个采样结果的内容不会改变，而且这个采样结果将在PLC执行程序时被使用。,（2）程序执行阶段,PLC按顺序对程序进行扫描，即从上到下、从左到右地扫描每条指令，并分别从输入映象寄存器、内部元件寄存器（内部继电器、定时器、计数器等）和输出映象寄存器中获得所需的数据进行运算、处理，再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映象寄存器中保存。但这个结果在整个程序未执行完毕之前不会送到输出端口上。这就是说，反映各输出元件状态的输出元件映象寄存器中所存储的内容，会随着程序执行
29、的进程而变化，当所有程序全部执行完毕后，输出元件映象寄存器的内容最后就固定下来。,（3）输出刷新阶段,在执行完所有用户程序后，PLC将映象寄存器中的内容送入到寄存输出状态度输出锁存器中，再去驱动用户设备，这就是输出刷新。,PLC重复执行上述三个阶段，每重复一次的时间即为一个扫描周期，用符号T表示。PLC在一个扫描周期中，输入扫描和输出刷新的时间一般为4ms左右，而程序执行时间可因程序的长度不同而不同。PLC的一个扫描周期一般在40100ms之间。,五、PLC控制系统的设计原则及步骤,1、PLC控制系统设计的基本原则1）最大限度地满足被控对象和用户的控制要求。设计前，应深入现场进行调查研究，收集
30、资料，并与相关部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定控制方案，协同解决设计中出现代各种问题。2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便。3）保证控制系统的安全、可靠。4）考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有余量。,2、PLC控制系统设计的一般步骤,开始,分析控制要求,确定用户I/O设备,PLC硬件系统配置,分配I/O点,绘制流程图,编写程序,程序输入PLC,软件测试,修改程序,绘制流程图,现场施工接线,测试正常？,整体调试,满足要求？,编制技术文件,交付使用,否,是,否,否,编制梯形图的方法及注意事项,1、梯形图按行从上至下编写，每一行
31、从左至右编写，PLC的扫描循序与梯形图编写顺序一致。2、梯形图左边垂直线称为母线。左侧放置输入接点（包括外部输入接点、内部继电器接点，也可以是计时器、计数器的状态）。3、串联接点多的电路尽量排在上面，并联接点多的电路尽量放在左边靠近左控制母线。4、输出线圈放在右边，紧靠右控制母线。输出线圈可以是输出控制线圈、内部继电器线圈，也可以是以计时器、计数器的运算结果。5、梯形图中的接点可以任意窜、并联，而输出线圈只能并联不能串联。,6、同一线路中，应避免同一线圈的重复输出，即所谓的双线圈输出现象，这时，前面的输出无效，只有最后一次输出才是有效的。7、某一输出线圈所带的接点可以多次重复使用，不像继电器线
32、圈所带接点的数量是有限的。8、内部继电器线圈不能作输出控制用，它们只是一些中间存储状态寄存器，故亦称为“软继电器”。9、梯形图的梯级必须有一个终止的指令，表示程序扫描的结束，以便程序识别。,请画出下图的等效梯形图,实作题,试编一段全自动洗衣机控制程序，具体要求如下：当洗衣机启动按钮按下后开始进水，进水时间为10S，延时2S进入洗涤模式，洗涤模式总时间为5分钟，在该过程中3S中为正转，3S中为反转；洗涤过程完成延时2S后进入漂洗阶段，该阶段首先正转10S进行脱水，延时2S后进水进行漂洗，正转3S，反转3S，漂洗时间为2分钟，漂洗次数为2次；漂洗完成延时2S进入脱水阶段，该阶段正转脱水2分钟，漂洗完成后发出报警，提醒洗衣工作全部完成。,
