PLC课程综述DOC.docx

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电气控制与PLC应用技术

课程名称电气控制与PLC应用技术

任课教师

班级

姓名

学号

完成时间2014年12月28日

摘要：

PLC原理及应用自动化专业的一门实践性较强的学科专业课程。

可编程序控制器（PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。

本课程对学生的专业素质培养起着重要的作用。

本课程的任务是使学生掌握西门子S7-200PLC原理及其编程技术，通过相应实验练习能够熟练的进行系统配置、程序输入、显示、修改、测试、故障诊断和系统调试，并能初步理解PLC工业控制网络知识。

关键字：

PLC梯形图程序设计

一．可编程序控制器产生与发展

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。

1968年，美国通用汽车公司（GM）为适应生产工艺不断更新的需，提出一种设想：

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。

这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。

使不熟悉计算机的人也能方便地使用，并提出十项招标指标。

1、在工厂里能迅速方便地对其控制系统进行编程。

2、所有系统单元必须能在工厂内独立运行。

3、系统的维修必须简单易行。

4、装置的体积、能耗小于继电器控制系统。

5、必须具有通信功能。

6、输入开关量可以是已有的交流115V电压信号。

7、输出必须设计为能驱动具有115V、2A以下的负载。

8、具有灵活的扩展能力。

9、在购买和安装费用上，应具有较高的性能价格比。

10、用户存储器容量至少在4KB以上。

同计算机的发展类似，目前可编程序控制器正朝着两个方向发展。

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。

二是朝着大型、高速、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。

系统不仅具有逻辑运算、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。

通过网络可以与上位机通讯，配备数据采集系统、数据分析，系统、彩色图像系统的操纵台，可以实现自动化工厂的全面要求。

二．可编程序控制器的特点与分类

国际电工委员会（IEC）对可编程序控制器作了如下的规定：

“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贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、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形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

”这段话完全道出了可偏程序控制器的特点和应用领域。

1.可编程序控制器的特点

可编程序控制所以被广泛使用，是由它的突出的特点和优越的性能分不开的。

归纳起来，可编程序控制器主要具有以下特点。

可靠性高例如三菱Ｆ１和Ｆ２可编程序控制器平均无故障时间可以达到30万小时（约34年）。

环境适应性强在环境温度-20℃~65℃、相对湿度为35％~85％情况下可正常工作。

灵活通用使用方便、维护简单整个连接过程仅需要一把螺丝刀即可完成。

2.可编程序控制器的分类

可编程序控制器是由现代化大生产的需要而产生的，可编程序控制器的分类也必然要符合现代化生产的需求。

一般来说可以从三个角度对可编程序控制器进行分类。

其一是从可编程序控制器的控规模大小去分类，其二是从可编程序控制器的性能高低去分类，其三是从可编程序控制器的结构特点去分类。

（1）按控制规模分类：

可编程序控制器可以分为大型机、中型机和小型机。

（2）按控制性能分类：

可编程序控制器可以分为高档机、中档机和低档机。

（3）按结构去划分：

整体式组合式叠装式

三．可编程序控制器的组成与工作过程

1．可编程序控制器的组成

中央处理单元（CPU）是系统的核心部件，是由大规模或超大规模的集成电路微处理芯片构成，主要完成运算和控制任务，可以接收并存贮从编程器输入的用户程序和数据。

进入运行状态后，用扫描的方式接收输入装置的状态或数据，从内存逐条读取用户程序，通过解释后按指令的规定产生控制信号。

执行数据的存取、传送、比较和变换等处理过程。

完成用户程序所设计的逻辑或算术运算任务，根据运算结果控制输出设备。

可编程序控制器中的中央处理单元多数使用８位到32位字长的单片机。

存贮器单元

按照物理性能存贮器可以分为两类。

随机存贮器（RAM）由一系列寄存器阵组成，每位寄存器可以代表一个二进制数，在刚开始工作时，它的状态是随机的，只有经过置“１”或清“０”的操作后，它的状态才确定。

若关断电源，状态丢失。

这种存贮器可以进行读、写操作，主要用来存贮输入输出状态，计数、计时以及系统组态参数。

为防止断电后数据丢失，可采用后备电池进行数据保护。

只读存贮器有两种。

一种是不可擦除ROM，这种存贮器只能写入一次，不能改写。

另一种是可擦除EPROM和E2PROM，这种存贮器经过擦除以后还可以重写。

其中EPROM只能用紫外线擦除内部信息，E2PROM可以用电擦除内部信息。

只读存贮器主要用来存贮程序。

电源单元可编程序控制器配有开关电源，电源的交流输入端一般都有脉冲吸收电路，交流输入电压范围－般都比较宽，抗干扰能力比较强。

有些可编程序控制器还配有大容量电容作为数据后备，停电可以保持50小时。

一般直流５Ｖ电源供可编程序控制器内部使用，直流24Ｖ电源供输入输出端和各种传感器使用。

输入输出单元

输入单元用于处理输入信号，对输入信号进行滤波、隔离、电平转换等，把输入信号的逻辑值安全可靠地传递到可编程序控制器内部。

输入单元有直流输入模块、交流输入模块和交直流输入模块。

输出单元用于把用户程序的逻辑运算结果输出到可编程序控制器外部，输出单元具有隔离PLC内部电路和外部执行元件的作用，还具有功率放大的作用。

输出单元有晶体管输出模块、可控硅输出模块和继电器输出模块。

功能模块是一些智能化了的输入和输出模块。

比如，温度检测模块。

位置检测模块、位置控制模块、PID控制模块等。

中央处理单元与输入输出设备的连接，是由输入单元和输出单元完成的。

接口单元

接口单元包括扩展接口、编程器接口、存贮器接口和通讯接口。

外部设备

可编程序控制器的外部设备主要有编程器、文本显示器、操作面板、打印机等等。

2．可编程序控制器的工作过程

PLC最主要的方式是周期扫描方式。

可以细分成下面几个过程。

（1）上电处理过程

PLC上电后，要进行上电的初始化处理。

占用的时间为T0。

共同处理过程，共同处理的主要任务是复位监视计时器、检查I/O总线、检查扫描周期、检查程序存储器。

该过程占用的时间为T1。

（2）通讯服务过程

当PLC和微机构成通讯网络或由PLC构成网络时，需要有通讯服务过程。

该过程占用的时间为T2。

当PLC接有外部设备如编程器、打印机等，则需要进行外设服务过程。

该过程占用的时间为T3。

（3）程序执行过程

该过程用于执行用户程序。

从输入映像区读入输入信息，根据用户程序进行运算操作，并向输出映像区送出控制信息。

该过程占用的时间为T4。

显然T4和PLC的速度、用户程序长短及指令种类有关。

I/O刷新过程这个过程可分为输入信号刷新和输出信号刷新。

输入信号刷新为输入处理过程，输出信号刷新为输出处理过程。

该过程占用时间为T5。

显然T5和可编程序控制器所带的输入输出模块的种类和点数多少有关。

可编程序控制器的扫描周期T和上述各个过程的关系录为：

T=T1+T2+T3+T4+T5

关于PLC的时间滞后问题

PLC对输入和输出信号的响应是有延时的，这就是滞后现象。

为了确保PLC在任何情况下都能正常无误地工作，一般情况下，输入信号的脉冲宽度必须大于一个扫描周期T。

还应该注意一个问题是输出信号的状态是在输出刷新时才送出的。

因此，在一个程序中若给一个输出端多次赋值时，中间状态只改变输出映像区。

只有最后一次赋的值才能送到输出端。

四．可编程序控制器的硬件基础

可编程序控制器是用来执行具体的控制，具体的工艺要求和具体的工作环境决定了可编程序控制器的选择具体的I/O模块和系统配置。

1.可编程序控制器的接口模块

接口模块负责把外部设备的信息转换成CPU能够接收的信号，同时把CPU发送到外部设备的信号转换成能够驱动外部设备的电平。

接口模块不仅能起到转换电平的作用，还可以起到外部设备的电信号与CPU的隔离作用，同时也可以起到抗干扰和滤波等作用。

（1）数字量输入/输出模块

（2）开关量输出接口：

通过该接口实现CPU对外部设备的驱动控制（3）模拟量输入/输出模块

（4）功能模块

2.可编程序控制器的配置

PLC的配置可分为三种：

基本配置、近程扩展配置和远程扩展配置。

（1）可编程序控制器的基本配置

整体式PLC的基本配置

结构的可编程序控制器的配置是由基本单元自身构成。

这类可编程序控制器的编址一般在基本单元上都已给出。

叠装式PLC的基本配置：

具有叠装式结构的可编程序控制器的配置与整体式结构的可编程序控制器的基本配置是相同的。

（2）可编程序控制器的近程扩展配置

整体式结构PLC的近程扩展配置

具有整体式结构的可编程序控制器的配置是由一个基本单元和多个扩展单元构成。

如果控制点数不符合需要，可再接一个或多个扩展单元，直到满足要求为止。

这类可编程序控件器的编址一般在基本单元上都已给出，其扩展单元的编址的通道号（有的可编程序控制器指的是字节号）与基本单元连续。

叠装式结构PLC的近程扩展配置

这类可编程序控件器的编址一般在基本单元上都已给出，其扩展单元的编址的通道号（有的可编程序控制器指的是字节号）与基本单元连续。

组合式结构PLC的近程扩展配置

具有组合式结构可编能序控制器的近程扩配置可以由主机（基本单元）和一台或多台扩展机组成。

主机下面依次为１号扩展机、２号扩展机等等。

五．可编程序控制器的软件基础

可编程序控制器的软件分为两大部分，系统监控程序和用户程序。

系统监控程序是由可编程序控制器的制造者编制的，用于控制可编程序控制器本身运行。

另一部分为用户程序。

它是由可编程序控制器的使用者编制的，用于控制被控装置的运行。

1.系统监控程序

系统监控程序分成系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序模块和系统调用几部分。

系统管理程序

系统管理程序是系统监控程序中最重要的部分，整个可编程序控制器的运行都由它主管。

其一是运行管理，控制可编程序控制器何时输入、何时输出、何时运算、何时自检、何时通讯等等，进行时间上的分配管理。

其二是进行存贮空间的管理，即生成用户环境，由它规定各种参数、程序的存放地址。

将用户使用的数据参数，存贮地址转化为实际的数据格式和物理存放地址。

它将有限的资源变为用户可直接使用的诸多元件。

通过这部分程序，用户看到的不是实际存贮地址，而是按照用户数据结构排列的元件空间和程序存贮空间。

其三是系统自检程序。

它包括各种系统出错检验、用户程序语法检验、警戒时钟运行等。

在系统管理程序的控制下，整个可编程控制器就能有序地正确工作。

用户指令解释程序、编辑程序

任何计算机最终都是根据机器语言来执行的，而机器语言的编制又是非常麻烦的。

例如，在可编程序控制器中可以采用梯形图编程。

将人们易懂的梯形图程序变为机器能识别的机器语言程序，这就是解释程序的任务。

标准程序模块和系统调用

这部分是由许多独立的程序块组成的，各自能完成不同的功能，有些完成输入、输出，有些完成特殊运算等。

可编程序控制器的各种具体工作都是由这部分程序来完成的。

整个系统监控程序是一个整体，它质量的好坏很大程度上影响可编程序控制器的性能。

因为通过改进系统监控程序就可在不增加任何硬设备的条件下改善可编程序控制的性能。

2.用户程序

用户程序是可编程序控制器的使用者编制的针对具体工程的应用程序。

编程语言可以是语句表、梯形图、系统流程图。

用户程序是线性地存贮在系统监控程序指定的存贮区间内的，它的最大容量也是由系统监控程序限制了的。

可编程序控制器的编程和微型机的编程一样，用户程序需要一个编程环境、一个程序结构、一个编程方法。

用户环境也是由系统监控程序生成的。

它包括用户数据结构、用户元件区、用户程序存贮区、用户参数、文件存贮区等．用户数据结构

位数据:

这是一类逻辑量（1位二进制数），其值为“０”或“１”，它表示触点的通、断。

触点接通状态为ON，触点断开状态为OFF。

字节数据：

其位长为８位，其数制形式有多种形式。

一个字节可以表示８位二进制数、２位十六进制数、２位十进制数。

字数据:

其数制、位长、形式都有很多形式。

一个字可以表示16位二进制数、４位十六进制数、４位十进制数（BCD码）。

用户数据存贮区用户使用的每个输入输出端，以及内部的每一个存贮单元都称为元件。

各种元件都有其固定的存贮区（例如输入输出映像区），即存贮地址。

如输入输出继电器、内部继电器、定时器、计数器和数据区。

六．可编程序控制器网络基础

可编程序控制器有多种通讯模块，利用这些通讯模块，配以适当的通讯适配器可以构成PLC-PLC网络和微机-PLC网络。

（1）网络主站与从站的概念

有的设备如上位PC机、PG编程器等可以读取其它节点的数据，向其它节点写入数据，对其它节点进行初始化。

这类设备掌握了通讯的主动权，叫主站。

还有些设备只能让主站读取数据，让主站写入数据。

而不能读取其它节点的数据，也无权向其它节点写入数据，这类设备在这种通讯网络中是被动的，把这类设备叫从站。

（2）网络协议的概念PPI方式（PPI是一个主／从协议）。

七．PLC的应用

PLC是以自动控制技术、微计算机技术、和通信技术为基础发展起来的新一代工业控制装置，随着微处理器技术的发展，PLC得到了迅速的发展，也在社会各领域的生产训得到了越来越多的应用。

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

（1）开关量的逻辑控制

这是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。

（2）模拟量控制

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。

（3）运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。

从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。

如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯、辐射灭菌等场合。

（4）过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。

PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。

大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。

PID处理一般是运行专用的PID子程序。

过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

（5）数据处理

现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。

这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。

数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

（6）通信及联网

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。

新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

八．总结

电气行业的设计和制造水平在不断提高，特别是自动化控制等高新技术的发展，促进了控制系统发生了巨大变化，可编程控制器、变频技术、计算机控制技术等在电气技术中的应用越来越广泛，使得控制的性能日趋先进，原需要人为操作的部分逐渐减少，机器对整个流程的自身控制能力不断增强。

时光荏苒，转眼间已经临近期末。

经过一个学期的学习，使我对PLC这门课的相关理论及其设计应用方面的知识有了较多的了解，同时进行的PLC实验使得我们的动手能力大大加强。

通过一个学期的接触和学习，深刻地感觉到PLC控制这门课程在实际应用中的重要性和普遍性。

虽然已经经过了一学期的学习，但是对这门课理论知识的了解还是十分有限，因此，想要学好PLC还要继续努力。