可编程序控制器原理与应用 Principle and Application of PLC

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1 可编程序控制器原理与应用 Principle and Application of PLC
主讲教师:孙红英

2 课程安排： 参考资料： 1-8周共8周。 理论课：42学时 实验课：6学时
　1-8周共8周。 　理论课：42学时 　实验课：6学时 参考资料： １．可编程序控制器原理与应用，汪志峰主编，西安电子科技大学出版社． ２．S7-300/400 PLC应用技术，廖常初主编，机械工业出版社． ３．

3 第１章 概 述 Chapter 1 Overview 1.1可编程序控制器的产生及发展
Generation and development of PLC 可编程序控制器广泛地应用于工业控制。它通过用户存储的应用程序来控制生产过程，具有可靠性高、稳定性和实时处理能力强的优点。可编程序控制器是把计算机技术与继电器控制技术有机结合起来，为工业自动化提供的几乎完美的现代化自动控制装置。

4 继电器控制系统特点：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，造成时间和资金的严重浪费。

5 可编程序控制器产生 1968年，美国通用汽车公司（GM）为适应生产工艺不断更新的需要，公开提出汽车生产流水线控制系统的10项技术要求，并在社会上公开招标。这10项技术要求是：

6 编程简单方便，可在现场修改程序； 硬件维护方便，最好是插件式结构； 可靠性高于继电器控制； 体积小于继电器控制柜； 可将数据直接送入管理计算机； 在成本上可与继电接触器控制设备竞争； 输入可以是交流115V； 输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀； 在扩展时原有系统只需很小改动； 用户程序存储器容量至少可扩展到4KB。

7 1969 年，美国数字设备公司 (DEC 公司 ) 研制出了第一台可编程控制器 PDP—14 ，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器自此诞生，简称PLC。我国从1974年开始研制。于1977年开始工业应用。 　　　早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller） 主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，将可编程控制器简称PLC。

8 可编程序控制器发展 第一阶段 第二阶段 第三阶段
功能简单，存储容量在1~2KB左右，可靠性略高于继电接触器系统，也没有成型的编程语言。 第二阶段 集成电路技术的发展及微处理器的产生，使PLC的技术得到较大的发展。PLC具有逻辑运算、计时、计数、数值计算、数据处理、计算机接口、模拟量控制等功能。软件上开发出自诊断程序，可靠性提高，系统开始向国际化、系列化发展；结构上开始有模块式和整体式区分，整机功能也从专用型向通用型过渡。 第三阶段 单片计算机的出现、半导体存储器进入工业化生产以及大规模集成电路的使用，使其演变成专用的工业计算机。PLC的体积缩小，可靠性提高，成本下降，功能方面增加了通信、远程输入输出（I/O）等。此时的PLC朝两个方向发展：一方面为大型化、模块化和多功能；另一方面为整体结构的小型化、低成本。

9 第四阶段 计算机技术的飞速发展及超大规模集成电路、门阵列电路的使用，促使PLC完全计算机化，处理速度达到1微妙/步。功能上增加了高速计数、中断、A/D转换、D/A转换及PID等，满足过程控制的要求，联网能力增强,编程语言增加了SFC（顺序流程图）语言，并开发了基于个人微机的编程软件。 第五阶段 RISC（精简指令集计算机）芯片大量使用，使PLC整机的体积大大缩小，CPU芯片向专用化发展，PLC都可以与计算机进行联网通信，最快的PLC处理一步程序仅需几十纳秒。软件上使用容错技术；硬件上使用多CPU技术。高级PLC已发展到触摸式屏幕。在PLC编程中大量使用个人电脑、笔记本电脑做编程器，编程软件功能强大。

10 可编程序控制器的发展趋势 CPU处理速度进一步加快 控制系统分散化 可靠性进一步提高 控制与管理功能一体化

11 如OMRON公司的CQM1、 SIEMENS公司的S7-200一类可编程序控制器。 这种可编程序 控制器可以广泛地 取代继电器控制系
一是朝着小型、简易、价格低廉的方向发展。 如OMRON公司的CQM1、 SIEMENS公司的S7-200一类可编程序控制器。 这种可编程序 控制器可以广泛地 取代继电器控制系 统，用于单机控制 和规模比较小的自 动化生产线控制。

12 二是大型、多功能和多层分布式全自动网络化方向发展。
这类可编程序控制器一般为多处理器系统，有较大的存储能力和功能很强的输入输出接口。不仅具有逻辑运算、计时、计数等功能，还具备数值运算、模拟调节、实时监控、记录显示、计算机接口、数据传送等功能，还能进行中断控制、智能控制、过程控制、远程控制等。 通过网络 可与上位 机通讯， 配备数据 采集系统、 数据分析 系统、彩 色图像系 统的操纵 台,实现 自动化工 厂的要求。

13 1.2 可编程序控制器的定义 The definition of programmable controllers
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。

14 可编程序控制器特点 Programmable Logic Controller features
软硬件功能强 PLC的功能非常强大，其内部具备很多功能，如时序、计算器、主控继电器、移位寄存器及中间寄存器等，能够方便地实现延时、锁存、比较、跳转和强制I/O等功能。 使用维护方便 　　整个连接过程仅需要一把螺丝刀即可完成。 运行稳定可靠 　由于PLC采用了微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，同时还采用了屏蔽、滤波、隔离等抗干扰措施，所以其平均无故障时间在2万小时以上。

15 1.3可编程序控制器分类 PLC Classification
按结构分类 整体式 整体式结构的可编程序控制器把电源、CPU、存储器、I/O系统都集成在同一机体内。控制点数不符合需要时，可再接扩展单元。特点是非常紧凑、体积小、成本低、安装方便,但灵活性较低。

16 组合式 采用总线结构，组合式PLC的特点是系统构成的灵活性较高，可构成不同控 制规模和功能的PLC，维护维修方便，但价格相对较高。

17 按控制规模分类 SIEMENS S7系列PLC分类 根据I/O控制点数的不同，PLC大致可分为超小型、小型、中型、大型及超大型 。
小型机 : 中型机: 大型机： SIMATIC S 模块化 一体化 SIMATIC C 模块化 SIMATIC M 模块化 SIMATIC S 模块化 SIMATIC S 模块化 SIMATIC M

18 目前世界上生产PLC的厂家较多，较有影响的公司有
德国西门子（SIEMENS）公司、 美国罗克韦尔（ROCKWELL)公司、 日本欧姆龙（OMRON）公司、 三菱公司、 松下电工等数十家公司。

19 1.4可编程序控制器的功能 Programmable Logic Controller features
开关量的开环控制 PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 模拟量的闭环控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 数字量的智能控制 利用PLC能实现接收和输出高速脉冲的功能，而这个功能在实际中用途很大。在配备相应的传感器（如旋转编码器）或脉冲伺服

20 数字采集与监控 联网、通信及集散控制 装置（如环形分配器、功放、步进电机）后，PLC控制系统就能实现数字量的智能控制。
由于PLC在控制现场实现控制，所以把控制现场的数据采集下来，做进一步分析研究是很重要的。对于这种应用，目前较普遍采用的方法是PLC加上触摸屏。另一特点是自检信号多，PLC控制系统可实现自诊断式的监控，以减少系统的故障，提高平均累计无故障运行时间，同时还可减少故障修复时间，提高系统的可靠性。 联网、通信及集散控制 　 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。利用PLC的强大联网通信功能，把PLC分布到控制现场，实现各PLC控制站间的通信以及上、下层间的通信，从而实现分散控制集中管理的目的。

21 PLC与继电器控制系统的比较

22 PLC与计算机控制系统的比较

23 补充知识 计算机工作原理 计算机组成：软件和硬件 信息在计算机中的表示 控制系统术语 信号的类型

24 计算机系统的组成 硬件：计算机系统中所有实际物理装置的总称 软件：在计算机中运行的各种程序和相关的数据及文档
程序：用来向计算机指出应如何一步步地进行规定的操作 数据：程序处理的对象 文档：提供给用于使用的操作说明、技术资料等 它们都是软件不可缺少的组成部分

25 运算器 控制器 存储器 输入 输出 中央处理器 俗称: CPU 主机 计算机硬件 I/O设备

26 内存储器和外存储器 内存储器(简称内存或主存) 直接与CPU相连接（CPU可直接访问） 存储器
存储程序和数据(包括原始数据、中间运算结果与最终结果等)的部件。 内存储器(简称内存或主存) 存取速度快、容量相对小，价格相对高 直接与CPU相连接（CPU可直接访问） 易失性，用于临时存放CPU正在运行的程序、正被处理的数据以及产生的结果数据 存储介质：半导体芯片

27 外存储器(简称外存或辅存) 存取速度慢、容量相对大，价格相对低
不直接与CPU相连接（CPU不能直接访问，其中存储的程序及相关的数据必须先送入内存，才能被CPU使用） 非易失性，用于长期存放各类信息 存储介质：磁盘、光盘、磁带等

28 计算机工作原理 程序是一个指令序列 指令是可以被计算机理解并执行的基本操作命令 指令与数据都用二进制编码形式存储、运行和运算
程序和数据预先存放在存储器内 计算机工作时，CPU依次从存储器中取出一个程序中的各条指令（取指令），对指令的功能进行分析（指令译码），按指令的功能从内存取出数据（取数），对数据进行运算处理（运算）并保存运算结果，直到取到并执行了停机指令为止。至此完成程序的一次运行

29 控制系统的术语（信号的类型）

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34 控制系统的术语（BIT, BYTE, WORD）

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