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1、 可 編 程 控 制 器 應(yīng) 用主講教師：陽(yáng)若寧2008 年上期 第 1章 可 編 程 控 制 器 的 概 述 學(xué) 習(xí) 要 求 :n 掌 握 可 編 程 控 制 器 的 基 本 概 念 、 硬 件 結(jié)構(gòu) 、 基 本 工 作 原 理 、 性 能 指 標(biāo) ;n 熟 悉 可 編 程 控 制 器 的 分 類 及 常 用 產(chǎn) 品n 了 解 可 編 程 控 制 器 的 發(fā) 展 、 應(yīng) 用 、 特 點(diǎn)和 發(fā) 展 趨 勢(shì) 預(yù) 備 知 識(shí) :PLC中 數(shù) 的 表 示n : 二 進(jìn) 制 數(shù) 的 表 示 :n 一 般 地 ， 任 意 一 個(gè) 二 進(jìn) 制 數(shù) 均 可 表 示 成 :n n-1n S=k02 +k12+

2、kn-12n 其 中 k i取 或 兩 個(gè) 值 之 一 ， n為 正 整 數(shù)n 例 : 1101 : 十 進(jìn) 制 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 成 二 進(jìn) 制 數(shù)n 除 倒 取 余 法 (215)10 =(11010111)2 n n : 二 進(jìn) 制 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 成 十 進(jìn) 制 數(shù)n 例 : 十 六 進(jìn) 制 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 成 二 進(jìn) 制 數(shù)n 十 六 進(jìn) 制 數(shù) 的 基 數(shù) 為 16,每 位 上 的 數(shù) 碼 Ki有 0 、 1 、 2 、 3 、 4 、 5 、 6 、 7 、 8 、 9 、 A 、 B 、 C 、 D 、 E 、 F共 16個(gè) 符 號(hào) ,n 運(yùn) 算 規(guī) 則 是 逢 十 六 進(jìn) 一 n 十 六

3、進(jìn) 制 數(shù) 的 每 一 位 數(shù) 需 要 四 位 二 進(jìn) 制 數(shù) 表 示n 例 :(A85.EF) 16= (101010000101.11101111) 2 :二 進(jìn) 制 、 十 進(jìn) 制 、 十 六 進(jìn) 制 數(shù) 碼 對(duì) 照 表 1.1 可 編 程 控 制 器 的 產(chǎn) 生n 用 戶 角 度 提 出 新 一 代 控 制 器 應(yīng) 具 備 以 下 十 大 條 件n （ 1） 編 程 簡(jiǎn) 單 ， 可 在 現(xiàn) 場(chǎng) 修 改 程 序 ；n （ 2） 維 護(hù) 方 便 ， 更 好 是 插 件 式 ；n （ 3） 可 靠 性 高 于 繼 電 器 控 制 柜 ；n （ 4） 體 積 小 于 繼 電 器 控 制 柜 ；

4、n （ 5） 可 將 數(shù) 據(jù) 直 接 送 入 管 理 計(jì) 算 機(jī) ；n （ 6） 在 成 本 上 可 與 繼 電 器 控 制 柜 競(jìng) 爭(zhēng) ； n （ 7） 輸 入 可 以 是 交 流 115V（ 即 用 美 國(guó) 的 電 網(wǎng) 電 壓 ） ；n （ 8） 輸 出 為 交 流 115V、 2A以 上 ， 能 直 接 驅(qū) 動(dòng) 電 磁 閥 ；n （ 9） 在 擴(kuò) 展 時(shí) ， 原 有 系 統(tǒng) 只 需 要 很 小 的 變 更 ；n （ 10） 用 戶 程 序 存 儲(chǔ) 器 容 量 至 少 能 擴(kuò) 展 到 4KB。 ： 1.2 可 編 程 控 制 器 的 定 義 n 可 編 程 控 制 器 是 一 種 數(shù) 字

5、運(yùn) 算 操 作 的 電 子 系統(tǒng) ， 專 為 在 工 業(yè) 環(huán) 境 下 應(yīng) 用 而 設(shè) 計(jì) 。 它 采 用了 可 編 程 序 的 存 儲(chǔ) 器 ， 用 來(lái) 在 其 內(nèi) 部 存 儲(chǔ) 和執(zhí) 行 邏 輯 運(yùn) 算 、 順 序 控 制 、 定 時(shí) 、 計(jì) 數(shù) 和 算術(shù) 運(yùn) 算 等 操 作 命 令 ， 并 通 過(guò) 數(shù) 字 式 和 模 擬 式的 輸 入 和 輸 出 ， 控 制 各 種 類 型 的 機(jī) 械 或 生 產(chǎn)過(guò) 程 。 可 編 程 控 制 器 及 其 有 關(guān) 外 圍 設(shè) 備 ， 都按 易 于 與 工 業(yè) 系 統(tǒng) 聯(lián) 成 一 個(gè) 整 體 、 易 于 擴(kuò) 充其 功 能 的 原 則 設(shè) 計(jì) 。 ” 1.3 可

6、編 程 控 制 器 的 基 本1.3.1 控 制 組 件n 可 編 程 控 制 器 主 要 由 CPU、 存 儲(chǔ) 器 、 基 本 I/O接 口 電路 、 外 設(shè) 接 口 、 編 程 裝 置 、 電 源 等 組 成 。 n 1. CPU單 元 :n CPU是 可 編 程 控 制 器 的 控 制 中 樞 ， 相當(dāng) 于 人 的 大 腦 。 CPU一 般 由 控 制 電 路 、 運(yùn)算 器 和 寄 存 器 組 成 n2. 存 儲(chǔ) 器 : n 可 編 程 控 制 器 的 存 儲(chǔ) 器 由 只 讀 存 儲(chǔ)器 ROM、 隨 機(jī) 存 儲(chǔ) 器 RAM和 可 電 擦 寫 的存 儲(chǔ) 器 EEPROM三 大 部 分 構(gòu)

7、成 ， 主 要 用 于存 放 系 統(tǒng) 程 序 、 用 戶 程 序 及 工 作 數(shù) 據(jù) . 3. I/O單 元 及 I/O擴(kuò) 展 接 口 n （ 1） I/O單 元 :可 分 為 模 擬 量 I/O單 元 、 數(shù) 字 量I/O單 元 兩 大 類 。 根 據(jù) 輸 入 單 元 形 式 的 不 同 ，可 分 為 基 本 I/O單 元 、 擴(kuò) 展 I/O單 元 兩 大 類 n （ 2） I/O擴(kuò) 展 接 口 ： 可 編 程 控 制 器 利 用 I/O擴(kuò)展 接 口 使 I/O擴(kuò) 展 單 元 與 PLC的 基 本 單 元 實(shí) 現(xiàn) 連接 ， 當(dāng) 基 本 I/O單 元 的 輸 入 或 輸 出 點(diǎn) 數(shù) 不 夠 使

8、用 時(shí) ， 可 以 用 I/O擴(kuò) 展 單 元 來(lái) 擴(kuò) 充 開(kāi) 關(guān) 量 I/O點(diǎn)數(shù) 和 增 加 模 擬 量 的 I/O端 子 4. 外 設(shè) 接 口 n 外 設(shè) 接 口 電 路 用 于 連 接 手 持 編 程 器 或 其他 圖 形 編 程 器 、 文 本 顯 示 器 ， 并 能 通 過(guò)外 設(shè) 接 口 組 成 PLC的 控 制 網(wǎng) 絡(luò) 。 PLC通 過(guò)PC/PPI電 纜 或 使 用 MPI卡 通 過(guò) RS-485接口 與 計(jì) 算 機(jī) 連 接 ， 可 以 實(shí) 現(xiàn) 編 程 、 監(jiān) 控 、連 網(wǎng) 等 功 能 。 5. 電 源 n 電 源 單 元 的 作 用 是 把 外 部 電 源 （ 220V的交 流 電

9、 源 ） 轉(zhuǎn) 換 成 內(nèi) 部 工 作 電 壓 。 外 部連 接 的 電 源 ， 通 過(guò) PLC內(nèi) 部 配 有 的 一 個(gè) 專用 開(kāi) 關(guān) 式 穩(wěn) 壓 電 源 ， 將 交 流 /直 流 供 電 電源 轉(zhuǎn) 化 為 PLC內(nèi) 部 電 路 需 要 的 工 作 電 源（ 直 流 5伏 、 正 負(fù) 12伏 、 24伏 ） ， 并 為 外部 輸 入 元 件 （ 如 接 近 開(kāi) 關(guān) ） 提 供 24V直 流電 源 （ 僅 供 輸 入 端 點(diǎn) 使 用 ） ， 而 驅(qū) 動(dòng) PLC負(fù) 載 的 電 源 由 用 戶 提 供 。 1.3.2 輸 入 輸 出 接 口 電 路 1. 輸 入 接 口 電 路scom cR1 R2

10、 T R3 +5vA 濾 波 內(nèi)部電路LED n 輸 入 接 口 電 路 提 高 抗 干 擾 能 力 的 方 法 主要 有 （ 1） 利 用 光 耦 合 器 提 高 抗 干 擾 能 力 光 耦 合 器 中 的 發(fā) 光 二 極 管 是 電 流 驅(qū)動(dòng) 元 件 ， 要 有 足 夠 的 能 量 才 能 驅(qū) 動(dòng) （ 2） 利 用 濾 波 電 路 提 高 抗 干 擾 能 力 2. 輸 出 接 口 電 路（ 1） 小 型 繼 電 器 輸 出 形 式 :承 受 過(guò) 電 壓 過(guò) 電 流能 力 強(qiáng) ， 但 動(dòng) 作 速 度 較 慢 內(nèi)部電路 負(fù) 載COMRLED K （ 2） 大 功 率 晶 體 管 或 場(chǎng) 效 應(yīng)

11、 管 輸 出 形 式 :只 可 驅(qū) 動(dòng)直 流 負(fù) 載 可 靠 性 強(qiáng) ， 速 度 快 ， 但 過(guò) 載 能 力 差 內(nèi)部電路 T1 +5v 負(fù) 載R2 VTR3 VDFU COMR1LED （ ） 雙 向 晶 閘 管 輸 出 形 式 :適 合 驅(qū) 動(dòng) 交 流 負(fù)載 可 靠 性 強(qiáng) ， 速 度 快 ， 但 過(guò) 載 能 力 差 內(nèi)部電路 T 負(fù) 載FU COMR1LED R2C 3. I/O電 路 的 常 見(jiàn) 問(wèn) 題n 1、 當(dāng) PLC輸 入 單 元 的 漏 電 流 值 大 于 1.3mA時(shí) ，就 可 能 引 起 PLC輸 入 電 路 發(fā) 生 誤 動(dòng) 作 。 （ 在輸 入 端 并 聯(lián) 旁 路 電 阻

12、 即 可 )n 2、 應(yīng) 在 輸 出 回 路 串 聯(lián) 保 險(xiǎn) 絲 ， 避 免 負(fù) 載 電流 過(guò) 大 ， 會(huì) 損 壞 輸 出 元 件 或 電 路 板n 3、 晶 體 管 、 雙 向 晶 閘 管 型 輸 出 端 子 漏 電 流和 殘 余 電 壓 的 存 在 ,需 考 慮 誤 動(dòng) 等 問(wèn) 題 n 4、 感 性 負(fù) 載 斷 電 時(shí) 產(chǎn) 生 很 高 的 反 電 勢(shì) ,一般 采 用 阻 容 吸 收 的 方 式 . 1.3.3 編 程 器 n 編 程 器 是 PLC的 重 要 外 圍 設(shè) 備 。 利 用 編 程器 將 用 戶 程 序 送 入 PLC的 存 儲(chǔ) 器 ， 還 可 以用 編 程 器 檢 查 程 序

13、 ， 修 改 程 序 ， 監(jiān) 視 PLC的 工 作 狀 態(tài) n 常 見(jiàn) 的 給 PLC編 程 的 裝 置 有 手 持 式 編 程 器和 計(jì) 算 機(jī) 編 程 方 式 1.4 可 編 程 控 制 器 的 工 作 原 理及 主 要 技 術(shù) 指 標(biāo) 1.4 可 編 程 控 制 器 的 工 作 原 理 及 主 要 技 術(shù) 指 標(biāo) 1.4.1 可 編 程 控 制 器 的 工 作 原 理 n PLC是 采 用 周 期 循 環(huán) 掃 描 的 工 作 方 式 ，CPU連 續(xù) 執(zhí) 行 用 戶 程 序 和 任 務(wù) 的 循 環(huán) 序列 稱 為 掃 描 。 CPU對(duì) 用 戶 程 序 的 執(zhí) 行 過(guò)程 是 CPU的 循 環(huán)

14、掃 描 ， 并 用 周 期 性 地 集中 采 樣 、 集 中 輸 出 的 方 式 來(lái) 完 成 的 掃 描 周 期 主 要 可 分 為n （ 1） 讀 輸 入 階 段 每 次 掃 描 周 期 的 開(kāi) 始 ， 先 讀取 輸 入 點(diǎn) 的 當(dāng) 前 值 ， 然 后 寫 到 輸 入 映 像 寄 存 器區(qū) 域 。 n （ 2） 執(zhí) 行 程 序 階 段 。 用 戶 程 序 執(zhí) 行 階 段 ，PLC按 照 梯 形 圖 的 順 序 ， 自 左 而 右 ， 自 上 而 下的 逐 行 掃 描 ， n （ 3） 處 理 通 信 請(qǐng) 求 階 段 n （ 4） 執(zhí) 行 CPU自 診 斷 測(cè) 試 階 段 。 n （ 5） 寫

15、 輸 出 階 段 1.4.2 可 編 程 控 制 器 主 要 技 術(shù) 指 標(biāo) 1. 輸 入 /輸 出 點(diǎn) 數(shù) n 可 編 程 控 制 器 的 I/O點(diǎn) 數(shù) 指 外 部 輸 入 、 輸出 端 子 數(shù) 量 的 總 和 。 它 是 描 述 的 PLC大 小的 一 個(gè) 重 要 的 參 數(shù) 。 2. 存 儲(chǔ) 容 量 n PLC的 存 儲(chǔ) 器 由 系 統(tǒng) 程 序 存 儲(chǔ) 器 ， 用 戶 程序 存 儲(chǔ) 器 和 數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 器 三 部 分 組 成 。 PLC存 儲(chǔ) 容 量 通 常 指 用 戶 程 序 存 儲(chǔ) 器 和 數(shù) 據(jù)存 儲(chǔ) 器 容 量 之 和 ， 表 征 系 統(tǒng) 提 供 給 用 戶的 可 用 資 源

16、 ， 是 系 統(tǒng) 性 能 的 一 項(xiàng) 重 要 技術(shù) 指 標(biāo) 。 3. 掃 描 速 度 n 可 編 程 控 制 器 采 用 循 環(huán) 掃 描 方 式 工 作 ，完 成 1次 掃 描 所 需 的 時(shí) 間 叫 做 掃 描 周 期 。影 響 掃 描 速 度 的 主 要 因 素 有 用 戶 程 序 的長(zhǎng) 度 和 PLC產(chǎn) 品 的 類 型 。 PLC中 CPU的 類型 、 機(jī) 器 字 長(zhǎng) 等 直 接 影 響 PLC運(yùn) 算 精 度和 運(yùn) 行 速 度 4. 指 令 系 統(tǒng) n 指 令 系 統(tǒng) 是 指 PLC所 有 指 令 的 總 和 。 可 編程 控 制 器 的 編 程 指 令 越 多 ， 軟 件 功 能 就越

17、 強(qiáng) ， 但 掌 握 應(yīng) 用 也 相 對(duì) 較 復(fù) 雜 。 用 戶應(yīng) 根 據(jù) 實(shí) 際 控 制 要 求 選 擇 合 適 指 令 功 能的 可 編 程 控 制 器 。 5. 通 信 功 能 n 通 信 有 PLC之 間 的 通 信 和 PLC與 其 他 設(shè) 備之 間 的 通 信 。 通 信 主 要 涉 及 通 信 模 塊 ，通 信 接 口 ， 通 信 協(xié) 議 和 通 信 指 令 等 內(nèi) 容 。PLC的 組 網(wǎng) 和 通 信 能 力 也 已 成 為 PLC產(chǎn) 品水 平 的 重 要 衡 量 指 標(biāo) 之 一 。 1.5 可 編 程 控 制 器 的 分 類 、特 點(diǎn) 、 應(yīng) 用 及 發(fā) 展 1.5.1 可 編

18、 程 控 制 器 的 分 類 n 1. 按 I/O點(diǎn) 數(shù) 和 功 能 分 類 ： 由 I/O點(diǎn) 數(shù) 的多 少 可 將 PLC的 I/O點(diǎn) 數(shù) 分 成 小 型 、 中 型和 大 型 n 2. 按 結(jié) 構(gòu) 形 式 分 類 ： PLC可 分 為 整 體 式結(jié) 構(gòu) 和 模 塊 式 結(jié) 構(gòu) 兩 大 類 1.5.2 可 編 程 控 制 器 的 特 點(diǎn) n 可 編 程 控 制 器 的 特 點(diǎn) n （ 1） 編 程 簡(jiǎn) 單 ， 使 用 方 便 n （ 2） 控 制 靈 活 ， 程 序 可 變 ， 具 有 很 好 的 柔 性 n （ 3） 功 能 強(qiáng) ， 擴(kuò) 充 方 便 ， 性 能 價(jià) 格 比 高 n （ 4）

19、 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 及 施 工 的 工 作 量 少 ， 維 修 方 便 n （ 5） 可 靠 性 高 ， 抗 干 擾 能 力 強(qiáng) n （ 6） 體 積 小 、 重 量 輕 、 能 耗 低 ， 是 “ 機(jī) 電 一 體 化 ” 特有 的 產(chǎn) 品 n 2. 可 編 程 控 制 器 PLC與 個(gè) 人 計(jì) 算 機(jī) PC的 主 要 差 異 n 3. PLC與 繼 電 器 控 制 的 區(qū) 別 1.5.3 可 編 程 控 制 器 的 應(yīng) 用 1. 邏 輯 控 制 n 可 編 程 序 控 制 器 具 有 “ 與 ” 、 “ 或 ” 、“ 非 ” 等 邏 輯 運(yùn) 算 的 能 力 ， 可 以 實(shí) 現(xiàn) 邏輯 運(yùn)

20、 算 ， 用 觸 點(diǎn) 和 電 路 的 串 、 并 聯(lián) ， 代替 繼 電 器 進(jìn) 行 組 合 邏 輯 控 制 ， 定 時(shí) 控 制與 順 序 邏 輯 控 制 2. 運(yùn) 動(dòng) 控 制 n 可 編 程 序 控 制 器 使 用 專 用 的 運(yùn) 動(dòng) 控 制 模塊 ， 或 靈 活 運(yùn) 用 指 令 ， 使 運(yùn) 動(dòng) 控 制 與 順序 控 制 功 能 有 機(jī) 地 結(jié) 合 在 一 起 3. 過(guò) 程 控 制 n 可 編 程 序 控 制 器 可 以 接 收 溫 度 、 壓 力 、流 量 等 連 續(xù) 變 化 的 模 擬 量 ， 通 過(guò) 模 擬 量I/0模 塊 ， 實(shí) 現(xiàn) 模 擬 量 (Analog)和 數(shù) 字 量(Digi

21、tal)之 間 的 A/D轉(zhuǎn) 換 和 D/A轉(zhuǎn) 換 ， 并對(duì) 被 控 模 擬 量 實(shí) 行 閉 環(huán) PID（ 比 例 -積 分 -微 分 ） 控 制 4. 數(shù) 據(jù) 處 理 n 可 編 程 序 控 制 器 具 有 數(shù) 學(xué) 運(yùn) 算 、 數(shù) 據(jù) 傳送 、 轉(zhuǎn) 換 、 排 序 和 查 表 、 位 操 作 等 功 能 ，可 以 完 成 數(shù) 據(jù) 的 采 集 、 分 析 和 處 理 。 5. 構(gòu) 建 網(wǎng) 絡(luò) 控 制 n 可 編 程 序 控 制 器 的 通 信 包 括 主 機(jī) 與 遠(yuǎn) 程I/0之 間 的 通 信 、 多 臺(tái) 可 編 程 序 控 制 器 之間 的 通 信 、 可 編 程 序 控 制 器 和 其 他

22、 智 能控 制 設(shè) 備 (如 計(jì) 算 機(jī) 、 變 頻 器 )之 間 的 通 信 ?？?編 程 序 控 制 器 與 其 他 智 能 控 制 設(shè) 備 一起 ， 可 以 組 成 “ 集 中 管 理 、 分 散 控 制 ”的 分 布 式 控 制 系 統(tǒng) 。 1.5.4 可 編 程 控 制 器 的 發(fā) 展 n 1. 向 高 集 成 、 高 性 能 、 高 速 度 ， 大 容 量發(fā) 展 n 2. 向 普 及 化 方 向 發(fā) 展 n 3. 向 模 塊 化 、 智 能 化 發(fā) 展 n 4. 向 軟 件 化 發(fā) 展 n 5. 向 通 信 網(wǎng) 絡(luò) 化 發(fā) 展 ” 1.6 習(xí) 題 n 1. 簡(jiǎn) 述 可 編 程 序

23、控 制 器 的 定 義 。n 2. 可 編 程 控 制 器 的 基 本 組 成 有 哪 些 ？n 3. 輸 入 接 口 電 路 有 哪 幾 種 形 式 ？ 輸 出 接 口 電 路 有 哪 幾種 形 式 ？ 各 有 何 特 點(diǎn) ？n 4. PLC的 工 作 原 理 是 什 么 ？ 工 作 過(guò) 程 分 哪 幾 個(gè) 階 段 ？n 5. PLC的 工 作 方 式 有 幾 種 ？ 如 何 改 變 PLC的 工 作 方 式 ？n 6. 可 編 程 序 控 制 器 有 哪 些 主 要 特 點(diǎn) ? n 7. 與 一 般 的 計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 相 比 可 編 程 序 控 制 器 有 哪些 優(yōu) 點(diǎn) ?n 8. 與 繼 電 器 控 制 系 統(tǒng) 相 比 可 編 程 序 控 制 器 有 哪 些 優(yōu) 點(diǎn) ?n 9. 可 編 程 序 控 制 器 可 以 用 在 哪 些 領(lǐng) 域 ?