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可编程序控制器(PLC)课程,廖国华 中南大学信息学院自动化系,= 教材: 现代电气及可编程控制技术 主编: 王永华 出版社:北京航空航天大学出版社 = 参考教材:深入浅出西门子S7200 出版社:北京航空航天大学出版社 =参考教材:西门子S7200用户手册 西门子公司编 =,?,可编程序控制器(PLC) Programmable Logic Controller,产生 定义 分类 应用领域 国内外状况 发展趋势 组成 工作方式 选择,Programmable Logic Controller,什么是PLC,著名品牌,PLC的发展,PLC系统设计,PLC,定 义,分类,应用领域,Programmable Logic Controller,产生,3.1 PLC的产生及定义 1. PLC的产生,传统的生产机械自动控制装置继电器控制系统 优点结构简单、价格低廉、容易操作 。 缺点体积庞大、生产周期长、接线复杂、故障率高、可靠性及灵活性差 。 应用比较适用于工作模式固定,控制逻辑简单等工业应用场合。,美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM)原汽车生产线采用的是继电器控制系统。 为了适应汽车型号不断更新的需要,实现小批量、多品种的生产需要, 于1968年提出设想,希望能有一种新型的工业控制器,它能够尽可能减少重新设计和更换电气控制系统及接线,以降低成本,缩短周期。 其设计思想:集继电器控制及计算机两者的优点。,继电器控制系统,先进自动控制系统,对先进自动控制装置提出设想: 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、面向对象的语言编程。,工业控制单板机(计算机) 继电器控制系统 先进控制装置,(1)编程方便,可现场修改程序; (2)维修方便,采用插件式结构; (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)数据可直接送入管理计算机; (6)成本可与继电器控制盘竞争; (7)输入为市电; (8)输出为市电,容量要求在2A以上,可直接驱动接触器; (9)扩展时原系统改变最小; (10)用户存储器大于4KB。,著名的GM10条,可编程序逻辑控制器的产生 美国数字设备公司(DEC)根据这一设想,于1969年研制成功了第一台可编程序控制器。由于当时主要用于顺序控制,只能进行逻辑运算,故称为可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)。,2. PLC的定义,因为PLC一直飞速发展,迄今为止还未有一个十分确切的定义。 国际电工委员会(IEC) 对PLC的定义颁发过多稿; 于1982年11月颁发PLC标准草案第一稿; 于1985年1月颁发PLC标准第二稿; 于1987年2月颁发PLC标准第三稿; 国际电工委员会( IEC)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指令,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”。 定义强调了两点:一是PLC直接应用于工业环境,具有很强的抗干扰能力,广泛的适应能力和应用范围;这是区别于微机控制系统的一个重要特征;二是 它也是一种计算机,是为工业环境而设计的工业计算机。,PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来,所以它在数学处理、顺序控 制方面具有一定优势。继电器在控制系统中主要起两种作用:(a)逻辑运算(b)弱电控制强电。,PLC是集自动控制技术、计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工 业控制装置,已跃居工业自动化三大支柱(PLC、ROBOT、CAD/CAM) 的首位。,初级阶段 从第一台PLC问世到20世纪70年代中期。(简单功能、梯形图编程) 崛起阶段 从20世纪70年代中期到80年代初期。(功能增强、推广应用) 成熟阶段 从20世纪80年代初期到90年代初期。(大规模应用、通信联网) 飞速发展阶段 从20世纪90年代初期到90年代末期。(过程控制、复杂控制系统) 开放性、标准化阶段 从20世纪90年代中期以后。(IEC61131),PLC发展的五个阶段,PLC 发展到现在,其功能远远超出其定义的范围。,3.2 PLC的分类,1. 按 IO点数分类(PLC可从外部接收多少个输入量和向外部输出多少个输出量) IO点数小于 32为微型PLC; IO点数在32128为微小型PLC; IO点数在128256为小型PLC; IO点数在2562048为中型PLC; IO点数大于2048为大型PLC; IO点数在4000以上为超大型PLC。 以上划分不包括模拟量I0点数,且划分界限不是十分严格的。,NEZA;s7-200 micrologix 1000 FX系列;OMRON 的CPM2A系列,S7-300系列 OMRON的C200H系列 SLC500系列 TE的PREMIUM系列,S7-400系列 OMRON的CS1系列和CNM1系列 ,SLC505系列 MODICON的QUANTUM系列,GE Faunc的7i系列,3.2 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、I0部件都集中装在一个机箱内。一般小型PLC采用这种结构。 其优点低:结构紧凑,体积小,重量轻,价格低,容易装配在工业设备的内部,比较适合生产设备的单机控制。 缺点:主机的I/O点数固定,使用不够灵活,维修不方便。 模块式PLC:将PLC各部分分成若干个单独的模块,如 CPU模块、I0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。 优点:PLC配置灵活,装配方便,易于扩展。 缺点:结构复杂,各种插件比较多,造价也比较高。 有的PLC将整体式和模块式结合起来,称为叠装式PLC。,SIEMENS PLC系列,SIEMENS PLC系列,AB PLC系列,AB PLC系列,GE RX7i PLC,GE 90-30PLC,GE FAUNC PLC系列,施耐德modicon M340,施耐德 PLC系列,3. 按输出形式分,(1) 继电器输出 为有触点输出方式,适用于低频大功率直流或交流负载。,(2)晶体管输出 为无触点输出方式,适用于高频小功率直流负载。,(3)晶闸管输出 为无触点输出方式,适用于高速大功率交流负载。,3.3 PLC的特点,PLC种类虽然千差万别,但有许多共同的特点 ). 抗干扰能力强,可靠性高 在硬件上,采用了隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施,所用元件是精心挑选的并经筛选老化处理; 在软件上,采用数字滤波等抗干扰技术和故障诊断措施; 在工作方式上,采用了周期循环扫描方式,对输入或输出几乎同时进 行处理,有效地提高了PLC的工作可靠性; 在结构上,对耐热、防潮、防尘、抗振等都有精确考虑。 ). 控制系统结构简单,通用性强 接线简单,一般直接连线,不需要用户再进行电路板的设计; 控制要求及功能改变时只需修改程序。 ). 编程方便,易于使用 梯形图与继电器原理图相似,形象直观,容易掌握,不需专门计算机知识。 ). 功能完善、通用性好,可实现三电一体化 多种功能模板,适应各种信号的输入输出。 具有逻辑运算、算术运算、定时,计数,顺序控制,PID控制、排序查表 函数运算、中断等功能。 PLC将电控(逻辑控制)、电仪(过程控制)和电结(运动控制)这三电集于一体。可以方便,灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统 。,可靠性高(平均无故障时间3-5万小时) 在硬件上,采用了隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施,所用元件是精心挑选的并经筛选老化处理; 在软件上,采用数字滤波等抗干扰技术和故障诊断措施; 在工作方式上,采用了周期循环扫描方式,对输入或输出几乎同时进行处理,有效地提高了PLC的工作可靠性; 在结构上,对耐热、防潮、防尘、抗振等都有精确考虑。 简单方便 接线简单,一般直接连线,不需要用户再进行电路板的设计; 语言方面,所有厂家PLC都支持梯形图,编程简单直观; 模块化设计或者扩展模块的使用,简化了系统的形成; 系统设计容易,开发周期短,程序易调试和修改; 利用PLC的网络和通信技术易于实现复杂或分散的控制任务。,). 设计、施工调试的周期短 设计和施工可同时进行,使用软件编程取代硬接线实现控制功能,大大减轻了繁重的安装接线工作。 ). 体积小,能耗低,性价比高,维护操作方便 体积小,质量轻,便于安装;诊断功能强,便于直观监视系统的I/O状态,通讯状态、电源和故障状态。,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IEC11313国际标准的新一代开放体系结构的PLC。,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。 (1)顺序控制 应用最广也最适合PLC的领域,用来取代传统的继电器顺序控制。用在单机控制、多机群控、生产自动线控制等。如装配生长线、电镀流水线、电梯控制等。 (2) 运动控制 具有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块,能把描述目标位置的数据送给模块,并输出移动一轴或数轴到目标位置,且轴移动时,位置控制模块能保持适当的速度和加速度,确保运动平滑。 (3)过程控制 具有PID控制功能模块,用于过程控制。 (4)数据处理 大部分PLC都具有不同程度的数据处理功能,如加、减、乘、除、乘方、开方等 (5)通讯联网 为适应复杂的控制任务且节省资源,可采用单级网络或多级分布式控制系统。 (6) CIMS应用,CIMS是英语Computer Integrated Manufacturing System的缩写,意思是计算机集成制造系统。它是随着计算机辅助设计与制造的发展而产生的。它是在信息技术、自动化技术、制造技术与现代管理技术的基础上,通过计算机技术把分散在产品设计、制造过程中各种孤立的自动化子系统有机地集成起来,形成适用于多品种、小批量生产,实现整体效益的集成化和智能化制造系统。集成化反映了自动化的广度,它把系统的范围扩展到了市场预测、产品设计、加工制造、检验、销售及售后服务等的全过程。智能化则体现了自动化的深度,它不仅涉及物资流控制的传统体力劳动自动化,还包括信息流控制的脑力劳动的自动化。,3.5 PLC控制系统的分类,1. 集中式控制系统 集中式控制系统是用一个PLC控制一台或多个被控设备。主要用于输入、输出点数较少,各被控设备所处的位置比较近,且相互间的动作有一定联系的场合。其特点是控制结构简单。,2. 远程式控制系统 远程式控制系统是指控制单元远离控制
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