PLC的产生与发展的产生与发展PLC的基本组成的基本组成PLC的主要特点的主要特点PLC的编程语言的编程语言PLC的工作原理的工作原理PLC的性能指标的性能指标1 PLCPLC是一种专为工业环境下是一种专为工业环境下应用而设计的电子控制系统。应用而设计的电子控制系统。2( (19871987年年，国际电工委员会，国际电工委员会) )可编程序控制器是可编程序控制器是一种数字运算操作的一种数字运算操作的电子系统电子系统，专专为工业环境下应用而设计为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，。它采用可编程序的存储器，用来用来在其内部存储在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的数和算术运算等操作的指令指令，并通过，并通过数字式、模拟式的数字式、模拟式的输入和输出输入和输出，控制各种机械或生产过程控制各种机械或生产过程。可编程序控制可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。整体，易于扩充其功能的原则设计。 PLCPLC的定义的定义可编程逻辑控制器（可编程逻辑控制器（Programmable Logical ControllerProgrammable Logical Controller）简称简称PLCPLC3继电器控制系统的明显缺点继电器控制系统的明显缺点：* *体积大，可靠性低，查找故障困难，体积大，可靠性低，查找故障困难，* *特别是由于它是靠硬连线逻辑构成系统，所以特别是由于它是靠硬连线逻辑构成系统，所以接线复杂，对生产工艺变化的适应性差，接线复杂，对生产工艺变化的适应性差，* *改造工期长、费用高。改造工期长、费用高。计算机系统的优点计算机系统的优点：灵活性、通用性好灵活性、通用性好PLC PLC 的的产生背景产生背景4 1968年年美国最大的汽车制造厂家美国最大的汽车制造厂家通用汽车公司通用汽车公司(GM)提出了研制可编程序控制器的基本设想，即提出了研制可编程序控制器的基本设想，即 (1)能用于工业现场。能用于工业现场。 (2)能改变其控制能改变其控制“逻辑逻辑”，而不需要变动组成它的，而不需要变动组成它的元件和修改内部接线。元件和修改内部接线。 (3)出现故障时易于诊断和维修。出现故障时易于诊断和维修。 1969年年，美国数字设备公司，美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第研制出了世界上第一台一台PLC，型号为型号为PDP-14 。 我国我国1974年研制，年研制，77年应用年应用。5PLC PLC 的的 发展历史发展历史第一代第一代：从第一台：从第一台PLC诞生到上个世纪诞生到上个世纪70年代初。年代初。第二代第二代： 70年代初至年代初至70年代末。年代末。 CPU使用中小规模集成电路，采用磁芯存储器。小型计算机使用中小规模集成电路，采用磁芯存储器。小型计算机 CPU使用微处理器，采用半导体存储器使用微处理器，采用半导体存储器EPROM。 有了计算机接口和模拟量控制功能。有了计算机接口和模拟量控制功能。 功能简单（只有计数功能简单（只有计数/定时功能）。定时功能）。 功能增强（增加逻辑功能增强（增加逻辑/数据运算、数据处理、自诊断等功能）。数据运算、数据处理、自诊断等功能）。6第三代第三代：70年代末到年代末到80年代中期。年代中期。 CPU使用使用8或或16位微处理器甚至多微处理器，采用半位微处理器甚至多微处理器，采用半导体存储器导体存储器EPROM、CMOSRAM等。等。 梯形图语言及语句表成熟。梯形图语言及语句表成熟。 小型小型PLC体积减小、可靠性提高、成本下降。体积减小、可靠性提高、成本下降。 大型大型PLC向模块化、多功能方向发展。向模块化、多功能方向发展。7 第四代第四代：80年代中期到年代中期到90年代中期。年代中期。第五代第五代： 90年代中期之后。年代中期之后。 增加高速计数、中断、增加高速计数、中断、A/D、D/A、PID等功能。等功能。 处理速度进一步提高。处理速度进一步提高。 连网功能增强。连网功能增强。 编程语言进一步完善，开发了编程软件。编程语言进一步完善，开发了编程软件。 CPU使用使用16位或位或32位微处理器。位微处理器。 PLC的的I/O点增加，最多可达点增加，最多可达32K个个I/O点。点。 具有强大的数值运算、函数运算、大批量数据处理的功能。具有强大的数值运算、函数运算、大批量数据处理的功能。 开发了大量的特殊功能模块。开发了大量的特殊功能模块。8。从技术上看。从技术上看： PLCPLC会向运算速度更快、存储容量更大、会向运算速度更快、存储容量更大、功能更广、性能更稳定、性价比更高的方向发展。功能更广、性能更稳定、性价比更高的方向发展。从规模上看。从规模上看： PLCPLC会进一步向超小型和超大型两个方向会进一步向超小型和超大型两个方向发展。发展。从配套性上看。从配套性上看： PLCPLC产品会向品种更丰富、规格更齐备产品会向品种更丰富、规格更齐备的方向发展。的方向发展。从网络通信的角度看。从网络通信的角度看：PLCPLC将向网络化和通信的简便化将向网络化和通信的简便化方向发展。方向发展。PLC的发展趋势的发展趋势9 对小型对小型PLC 对大中型对大中型PLC向着更大容量、更高速度、更多的功能、更高的可靠向着更大容量、更高速度、更多的功能、更高的可靠性、易于连络通信的方向发展。使之更利于对大规模、性、易于连络通信的方向发展。使之更利于对大规模、复杂系统的控制。复杂系统的控制。 向着体积更小、速度更高、功能增强、价格低廉的方向着体积更小、速度更高、功能增强、价格低廉的方向发展。使之更利于取代继电器控制。向发展。使之更利于取代继电器控制。10111.通用性和灵活性强；通用性和灵活性强；2. 抗干扰能力强，可靠性高；抗干扰能力强，可靠性高；3. 编程语言简单易学；编程语言简单易学；4.系统的设计、安装、调试、维修工作量少系统的设计、安装、调试、维修工作量少；5. 功能强、功能的扩展能力强；功能强、功能的扩展能力强；6. 体积小、重量轻、易于机电一体化；体积小、重量轻、易于机电一体化；PLCPLC的的主要主要特点特点12PLCPLC的的应用领域应用领域开关量逻辑控制开关量逻辑控制自动生产线、机床电气控制、冲压机械、铸造机械、运输自动生产线、机床电气控制、冲压机械、铸造机械、运输带、包装机、飞剪等控制带、包装机、飞剪等控制运动控制运动控制金属切削机床、金属成形机械、装配机器人、电梯等。金属切削机床、金属成形机械、装配机器人、电梯等。闭环过程控制闭环过程控制温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。数据处理数据处理数学运算、数据传输、转换、排序、查表、位操作。数学运算、数据传输、转换、排序、查表、位操作。通信联网通信联网PLCPLC与远程与远程I/OI/O、PLCPLC之间、之间、 PLCPLC与其它智能控制器之间。与其它智能控制器之间。1314按控制规模按控制规模（1 1）微型机：几十点）微型机：几十点（2 2）小型机：）小型机：500500点以下点以下（3 3）中型机：）中型机：50050010001000点点（4 4）大型机：）大型机：10001000点以上点以上（5 5）超大型机：）超大型机：1000010000点点按结构按结构（1 1）整体式：）整体式：小型机常采用整体式小型机常采用整体式（2 2）组合式组合式：中、大型机常采用组合式中、大型机常采用组合式 PLC的分类的分类15主要生产厂家：主要生产厂家：美国美国RockwellRockwell自动化公司所属的自动化公司所属的A-BA-B（AllenAllenBradlyBradly）公司，）公司，GE-FanucGE-Fanuc公司，公司，德国的西门子（德国的西门子（SIEMENSSIEMENS）公司）公司法国的施耐德（法国的施耐德（SCHNEIDERSCHNEIDER）自动化公司）自动化公司日本的欧姆龙（日本的欧姆龙（OMRONOMRON）和三菱公司等）和三菱公司等16 OMRON 公司的整体式公司的整体式 PLCC28P17CPM2A18CPM1A19CQM1 OMRON 公司的组合式公司的组合式 PLC20C200HE OMRON 公司的组合式公司的组合式 PLC21CVM1底版底版 OMRON 公司的组合式公司的组合式 PLC22输输出出设设备备输输入入设设备备 I/OI/O扩展扩展 单元单元 特殊功特殊功 能单元能单元主机主机输输出出单单元元输输入入单单元元 电电 源源外外设设接接口口I/O/O扩扩展展口口存存 储储 器器 系统程序系统程序 存储器存储器 C P U 用户程序用户程序 存储器存储器盒式磁带机盒式磁带机打印机打印机EPROMEPROM写入器写入器 上位计算机上位计算机 PLCPLC编程器编程器可编程终端可编程终端PTPT 整体式整体式 PLC的基本组成框图的基本组成框图23 组合式组合式 PLC的基本组成框图的基本组成框图 系系 统统 总总 线线通信单元通信单元 控控 制制 系系 统统 现现 场场 过过 程程CPU单元单元输出单元输出单元 编程器编程器PLC或或上位计算机上位计算机智能智能I/O单元单元输入单元输入单元24 输入并存储用户程序；输入并存储用户程序； CPU指挥指挥PLC完成各种预定的功能完成各种预定的功能 检查、校验用户程序，发现错误即报警；检查、校验用户程序，发现错误即报警； 执行用户程序、驱动外部输出设备动作；执行用户程序、驱动外部输出设备动作； 诊断故障、记忆故障信息并报警。诊断故障、记忆故障信息并报警。 1. CPU单元单元25系统程序存储器系统程序存储器 存储系统程序存储系统程序用户程序存储器用户程序存储器 存储用户程序存储用户程序工作数据存储器工作数据存储器 存储工作数据存储工作数据 2. 存储器存储器26 PLC与外部设备联系的桥梁与外部设备联系的桥梁 开关量输入单元开关量输入单元 开关量输出单元开关量输出单元 直流输入单元直流输入单元 交流输入单元交流输入单元晶体管输出单元晶体管输出单元晶闸管输出单元晶闸管输出单元继电器输出单元继电器输出单元 3. 输入输入/ /输出单元输出单元27 直流输入电路直流输入电路COM+5VLEDSR3R1AR2CT 内内 部部 电电 路路滤波滤波 光电耦合光电耦合 外部开关外部开关 输入点的输入点的状态显示状态显示 输入点输入点 公共端公共端 28 交流输入电路交流输入电路LED+5VAR2TCOMSCR1 内内 部部 电电 路路R3滤波滤波 光电耦合光电耦合 输入点的输入点的状态显示状态显示 外部开关外部开关 输入点输入点 29 晶体管输出电路晶体管输出电路COMT2LEDDFU+5V内内 部部 电电 路路T1R1R2R3负载负载光电耦合光电耦合 输出点输出点 公共端公共端 输出点的输出点的状态显示状态显示 30 晶闸管输出电路晶闸管输出电路COMLEDR2 C TFU内内 部部 电电 路路R1负载负载光电耦合光电耦合 输出点的输出点的状态显示状态显示 公共端公共端 输出点输出点 31 继电器输出电路继电器输出电路COMLED J R内内 部部 电电 路路负载负载输出点的输出点的状态显示状态显示 继电器继电器 机械机械触点触点 公共端公共端 输出点输出点 32 PLC由开关式稳压电源为内部电路供电由开关式稳压电源为内部电路供电抗干扰性能好抗干扰性能好 有的有的PLC能向外部提供能向外部提供24V的直流的直流电源电源 可作为输入单元连接的外部设备的电源可作为输入单元连接的外部设备的电源 开关电源开关电源输入电压范围宽输入电压范围宽体积小体积小重量轻重量轻效率高效率高 4. 电源单元电源单元33I/O扩展端口扩展端口 5. I/O扩展端口扩展端口C28P34I/O扩展端口扩展端口 CPM1A的外设端口和的外设端口和I/O扩展端口扩展端口35I/O扩展单元扩展单元A/D转换单元转换单元 I/O扩展端口可以连接的设备举例扩展端口可以连接的设备举例36 CPM1A主机主机与与I/O扩展器扩展器的连接的连接主机主机I/O扩展器扩展器连接电缆连接电缆37 I/O扩展端口连接扩展器的示意图扩展端口连接扩展器的示意图38 6. 外设外设端口端口外设端口外设端口盒式磁带机盒式磁带机打印机打印机EPROM写入器写入器 上位计算机上位计算机 PLC 可编程终端可编程终端PTPT编程器编程器39 编程器是对编程器是对PLC进行操作的工具进行操作的工具 专专 用用 编编 程程 器器 在装有专用编程软件的计算机上编程在装有专用编程软件的计算机上编程 简易编程器简易编程器 直插式、便携式直插式、便携式 计算机辅助编程计算机辅助编程 图形编程器图形编程器 7. 编程工具编程工具40显示屏显示屏工作方式工作方式选择开关选择开关编程位编程位主机主机监控位监控位运行位运行位编程器编程器41键盘键盘指令键指令键数字键数字键编辑键编辑键清除键清除键42键盘键盘显示屏显示屏工作方式工作方式选择开关选择开关43 CPM1A主机与编程器的连接主机与编程器的连接44 CPM1A主机与编程器的连接主机与编程器的连接45计算机计算机编程编程 软件软件PLC专用电缆专用电缆计算机计算机编程编程 软件软件PLC 通通 信信适配器适配器RS-232电缆电缆46 智能单元本身是一个独立的系统智能单元本身是一个独立的系统CPU、系统程序、存储器、与外界相连的接口系统程序、存储器、与外界相连的接口 它们有自己的：它们有自己的： 对组合式对组合式PLC：智能单元是智能单元是PLC系统的一个模块系统的一个模块与与CPU单元通过系统总线相连接单元通过系统总线相连接在在CPU单元的协调管理下独立地进行工作单元的协调管理下独立地进行工作 对整体式对整体式PLC： 主机通过主机通过I/O扩展接口与智能单元连接扩展接口与智能单元连接 8. 智能单元智能单元4748 PLC的编程语言的编程语言 梯梯 形形 图图 语语 句句 表表49 1. 1. 梯形图编程语言梯形图编程语言 两种梯形图的继电器符号图对照两种梯形图的继电器符号图对照 物理继电器物理继电器 PLC继电器继电器常开常开常闭常闭 触触 点点线线 圈圈 梯形图编程语言是一种图形语言梯形图编程语言是一种图形语言，由触点、线由触点、线圈和用方框表示的功能块组成圈和用方框表示的功能块组成50000000100001000PLC控制控制00001SB2KMKM继电器继电器 控控 制制SB1 2. . 两种控制的梯形图比较两种控制的梯形图比较线圈线圈线圈线圈常开触点常开触点常开触点常开触点常闭触点常闭触点常闭触点常闭触点51物理继电器物理继电器继电器需硬接线连接继电器需硬接线连接触点个数有限触点个数有限PLC继电器继电器继电器用程序软连接继电器用程序软连接触点个数无限触点个数无限继电器的接线改变继电器的接线改变控制功能改变控制功能改变PLC的用户程序改变的用户程序改变 控制功能改变控制功能改变 3. . 两种控制中继电器的区别两种控制中继电器的区别PLCPLC触点实质上是存储器中某触点实质上是存储器中某1 1位位 52用用PLC控制控制外部接线不变，改变用户程序。外部接线不变，改变用户程序。用继电器控制用继电器控制要改变控制电路的实际接线。要改变控制电路的实际接线。KMQFUKH M 3 SB1SB2KMKHKM 继电器控制接线继电器控制接线 PLC控制外部接线控制外部接线输入输入设备设备PLCSB1SB2KHKM输出输出设备设备 欲改变控制功能：欲改变控制功能：主电路主电路 相同相同例例如如53 二、二、 语句表编程语言语句表编程语言 用助记符表示指令的功能用助记符表示指令的功能 多条指令语句的组合构成了语句表多条指令语句的组合构成了语句表 程序程序 指令语句是指令语句是PLC用户程序的基础元素用户程序的基础元素LD 00000OR 01000 AND NOT 00001OUT 0100000000010000100000001梯形图程序梯形图程序 语句表程序语句表程序 5455 一、一、 PLC 采用循环扫描工作方式采用循环扫描工作方式 扫描工作分为扫描工作分为 5 个阶段个阶段 公公 共共 处处 理理 阶阶 段段 程程 序序 执执 行行 阶阶 段段 扫描周期计算阶段扫描周期计算阶段 I/O 刷刷 新新 阶阶 段段 外设端口处理外设端口处理 阶段阶段56设置各异常继电器异常：(ERR/ALM)LED灯亮警告：(ERR/ALM)LED 闪烁异常或警告？ 无有异常检查结果正常？扫描周期监视 时间预置执行用户程序 程序结束？(END命令？)NoYes扫描周期固定值设定检查 有固定值设置？等待设定扫描周期到 计算扫描周期 I/O 刷 新正常异常警告 接通电源初始化I/O外设端口 服务初始化I/O、内部辅助、特殊辅助、辅助记忆继电器区域清零定时器预置识别扩展单元公 共 处 理执行用户 程序扫 描 周 期 计 算 处 理刷新硬件、用户程序内存检 查 外设端口服务 接通电源接通电源 初始化初始化 硬件检查硬件检查 正常？正常？异常报警异常报警异常处理异常处理扫描周期监视扫描周期监视执行用户程序执行用户程序 程序结束？程序结束？扫描周期检查扫描周期检查有有固定设置？固定设置？ 等待等待扫描周期计算扫描周期计算 I/O刷新刷新外设端口服务外设端口服务 异常异常 公公共共处处理理 执执行行用用户户程程序序扫扫描描周周期期计计算算 刷刷 新新端端口口服服务务57000020100000001 0000201000 1. PLC扫描工作各环节的功能扫描工作各环节的功能 PLC上电后，首先检查硬件是否正常。上电后，首先检查硬件是否正常。 按自上而下的顺序，逐条读用户程序并执行。按自上而下的顺序，逐条读用户程序并执行。对输入的数据进行处理，对输入的数据进行处理， 将结果存入输出映象寄存器。将结果存入输出映象寄存器。 计算扫描周期。计算扫描周期。若正常，则进行下一步；若不正常，则报警并作处理。若正常，则进行下一步；若不正常，则报警并作处理。母线母线 I/O刷新阶段。刷新阶段。 外设端口服务。外设端口服务。读输入点的状态并写入输入映像寄存器。读输入点的状态并写入输入映像寄存器。将将输出输出映像寄存器状态经输出锁存器、输出电路送到输出点。映像寄存器状态经输出锁存器、输出电路送到输出点。访问外设端口连接的外部设备。访问外设端口连接的外部设备。58读读读读读读写写写写 执行用户程序执行用户程序 I/O刷新刷新 I/O刷新刷新 I/O刷新刷新 I/O刷新刷新 2. PLC执行用户程序的过程执行用户程序的过程010010100000000 00001 01000输输入入端端子子输输入入电电路路用用户户输输入入设设备备输输入入映映像像寄寄存存器器输输出出电电路路输输出出端端子子输输出出映映像像寄寄存存器器输输出出锁锁存存器器 用用户户输输出出设设备备593. PLC的工作过程的工作过程举例举例 等效电路图等效电路图SB1SB2ST公共端公共端公共端公共端输入部分输入部分输出端子输出端子输入端子输入端子用户程序用户程序输出部分输出部分主电路主电路KMFUKH M 3 QKM01000PLCCOM000000000000001000020000001000000010000201000COM0000100002PLCSB1SB2KMST00000000010000201000COMCOM60KM线圈通电线圈通电SB1闭合闭合00000 闭合闭合接点闭合接点闭合KMFUKH M 3 QKM通电通电KM通电通电触点闭合触点闭合电动机转电动机转触点闭合触点闭合PLCCOM000000000000001000020000001000000010000201000COM010000000100002SB2STPLCSB1SB2KMST00000000010000201000COMCOM61KM线圈断电线圈断电00001 断开断开接点断开接点断开KMFUKH M 3 QKM通电通电KM断电断电触点断开触点断开电动停转电动停转触点断开触点断开PLCCOM000000000000001000020000001000000010000201000COM010000000100002SB2STPLCSB1SB2KMST00000000010000201000COMCOMSB2闭合闭合62 4. PLC执行用户程序的特点执行用户程序的特点 按梯形图自左向右、自上而下逐次执行程序按梯形图自左向右、自上而下逐次执行程序 执行程序时所需数据取自于：执行程序时所需数据取自于： 输入映像寄存器输入映像寄存器输出映像寄存器输出映像寄存器 输入映像寄存器和输出映像寄存器中的数据输入映像寄存器和输出映像寄存器中的数据输出映像寄存器：在一个扫描周期中可读可写输出映像寄存器：在一个扫描周期中可读可写输入映像寄存器：在一个扫描周期中保持不变输入映像寄存器：在一个扫描周期中保持不变 每个扫描周期每个扫描周期I/O刷新阶段集中读入刷新阶段集中读入/读出数据读出数据63 1. 产生产生I/O滞后现象的原因滞后现象的原因 二、二、 PLC的的I/O滞后现象滞后现象（1） 由于由于PLC采用循环扫描的工作方式。采用循环扫描的工作方式。 PLC只在每个扫描周期的只在每个扫描周期的I/O刷新阶段集中输入刷新阶段集中输入/输输出，导致输出信号相对输入信号滞后。出，导致输出信号相对输入信号滞后。（2 2） 输入滤波器对信号的延迟作用。输入滤波器对信号的延迟作用。滤波器时间常数越大，对输入信号的延迟作用越强。滤波器时间常数越大，对输入信号的延迟作用越强。有的有的PLCPLC其输入电路滤波器的时间常数可以调整。其输入电路滤波器的时间常数可以调整。64输出输出ON延时。延时。 （3） 输出继电器的动作延迟（继电器输出型输出继电器的动作延迟（继电器输出型PLC）。）。从输出锁存器从输出锁存器ON、到输出触点到输出触点ON经历一定时间经历一定时间 （4） 用户程序的长短及语句编排。用户程序的长短及语句编排。要求有较快响应的场合要求有较快响应的场合最好不要使用最好不要使用继电器输出型继电器输出型PLC。 I/O滞后现象，对慢速控制系统影响不大。滞后现象，对慢速控制系统影响不大。要求快速响应的场合，需要解决要求快速响应的场合，需要解决I/O速度问题。速度问题。65程序语句安排对程序语句安排对I/O响应时间的影响举例响应时间的影响举例200000000001000200002000001001PLCSBKM1000000100101000COMCOMKM2当当SB闭合闭合，经过输入滤波，设第一个扫描周期经过输入滤波，设第一个扫描周期I/O刷刷新时新时 00000的映像寄存器的映像寄存器 ON。第一个扫描周期第一个扫描周期 结束时，结束时，01000为为OFF。01000只能在第二个扫描周期结束后才能只能在第二个扫描周期结束后才能ON。66000002000020000010002000001001PLCSBKM1000000100101000COMCOMKM2当当SB闭合闭合，经过输入滤波，设第一个扫描周期经过输入滤波，设第一个扫描周期 00000的映像寄存器的映像寄存器 ON。01000 在第一个扫描周期结束后就能在第一个扫描周期结束后就能ON 。续续如果将梯形图的第一与第二梯级交换，如下图：如果将梯形图的第一与第二梯级交换，如下图： 显然，程序语句的安排对显然，程序语句的安排对I/O响应的影响很大响应的影响很大 。6768 1. 用户程序存储的容量大小；用户程序存储的容量大小； 2. 输入输入/输出点数的多少；输出点数的多少； 3. 循环扫描速度的快慢；循环扫描速度的快慢； 4. 编程指令的种类和条数的多少；编程指令的种类和条数的多少； 5. 内部器件的种类和数量的多少；内部器件的种类和数量的多少； 6. 功能及功能扩展的能力；功能及功能扩展的能力； 7. 智能单元数量的多少；智能单元数量的多少； 8. 连网通信能力等。连网通信能力等。69CPM*CPM*CPM*CPM*系列性能比较一览系列性能比较一览系列性能比较一览系列性能比较一览(1)(1)(1)(1)70CPM*CPM*CPM*CPM*系列性能比较一览系列性能比较一览系列性能比较一览系列性能比较一览(2)(2)(2)(2)71