可编程控制器概述.ppt
第二章 可编程序控制器概述,一、可编程控制器的定义,二、可编程控制器的产生,三、可编程控制器的特点,四、可编程控制器的应用,五、可编程控制器的发展,六、可编程控制器的类型,本章主要讲解,七、可编程控制器与其他工业系统的比较,工业自动化三大支柱,PLCCAD/CAM机器人,CAD,Computer Aided Design,CAD1972年10月，国际信息处理联合会（IFIP）在荷兰召开的“关于CAD原理的工作会议”上给出如下定义：CAD是一种技术，其中人与计算机结合为一个问题求解组，紧密配合，发挥各自所长，从而使其工作优于每一方，并为应用多学科方法的综合性协作提供了可能。CAD是工程技术人员以计算机为工具，对产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称.,CAM,Computer Aided Manufacturing定义:利用计算机来进行生产设备管理控制和操作的过程。它输入信息是零件的工艺路线和工序内容，输出信息是刀具加工时的运动轨迹(刀位文件)和数控程序。,机器人,1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。”,工业机器人（通用及专用）一般指用于机械制造业中代替人完成具有大批量、高质量要求的工作，如汽车制造、摩托车制造、舰船制造、某些家电产品（电视机、电冰箱、洗衣机）、化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装、码垛等作业的机器人。,可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller),通常称为可编程控制器，是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置,特点体积小功能强程序设计简单灵活通用,维护方便高可靠性较强的恶劣工业环境适应能力,PLC,PLC及其网络被公认为现代工业自动化三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。从近年的统计数据看，在世界范围内，PLC产品的产量、销售、用量高居各种工业控制装置榜首，而且市场需求量一直在按每年15%的比率上升。,什么是PLC？,一、可编程控制器的定义,是一种工业控制装置,是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。,通用叫法中文名称为可编程控制器；英文名称为Programmable Logic Controller，简称PLC。,一、可编程控制器的定义,1987年，国际电工委员会（IEC）定义：“可编程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，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。,定义中有以下几点值得注意：（1）可编程控制器是“数字运算操作的电子装置”，它其中带有“可以编制程序的存储器”，可以进行“逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算”工作，可以设想可编程控制器具有计算机的基本特征。事实上，可编程控制器无论从内部构造、功能及工作原理上看都是不折不扣的计算机。,一、可编程控制器的定义,（2）可编程控制器是“为工业环境下应用”而设计的计算机。工业环境和一般办公环境有较大的区别，PLC具有特殊的构造，使它能在高粉尘、高噪音、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。为了能控制“机械或生产过程”，它又要能“易于与工业控制系统形成一个整体”，这些都是个人计算机不可能做到的。可编程控制器不是普通的计算机，它是一种工业现场用计算机。,一、可编程控制器的定义,（3）可编程控制器能控制“各种类型”的工业设备及生产过程。它“易于扩展其功能”，也就是说，它的程序并不是不变的，而是能根据控制对象的不同要求，让使用者“可以编制程序”的。可编程控制器较其以前的工业控制计算机，如单片机工业控制系统，具有更大的灵活性，它可以方便地应用在各种场合，它是一种通用的工业控制计算机。,一、可编程控制器的定义,可编程控制器的一般概念,可编程控制器问世以前，工业控制领域中以继电器控制技术占主导地位 特点结构简单易懂设备体积大耗电多可靠性差寿命短运行速度不高通用性灵活性差,二、可编程控制器的产生,交机电机,熔丝,交流接触器,热继电器,刀开关,按钮开关,继电器逻辑控制系统框图,二、可编程控制器的产生,因为继电器逻辑电路配线复杂,可编程控制器控制系统框图,二、可编程控制器的产生,背景：1968年美国通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。,1968年，GM公司提出十项设计标准：编程简单，可在现场修改程序；维护方便，采用插件式结构；可靠性高于继电器控制柜；体积小于继电器控制柜；成本可与继电器控制柜竞争；可将数据直接送入计算机；可直接使用115V交流输入电压；输出采用115V交流电压，能直接驱动电磁阀、交流接触器等；通用性强，扩展方便;能存储程序，存储器容量可以扩展到4KB。,二、可编程控制器的产生,1969年，美国数字设备公司研制第一台可编程控制器，并应用于工业现场。,二、可编程控制器的产生,1971年，日本研制成了日本第一台可编程控制器。1973年，西德和法国也研制出了自己的可编程控制器并在工业领域开始应用。我国从1974年开始研制，并于1977年开始工业应用。早期的可编程控制器是用来取代继电器控制的，其控制功能主要是逻辑运算、计时、计数等顺序控制，因此人们称之为可编程序逻辑控制器，简称为PLC或PC。20世纪70年代末到80年代初，微处理技术日趋成熟，使可编程控制器的处理速度大为提高，同时增加了许多特殊的功能，如：数值运算、函数运算、查表等，使得可编程控制器不仅可以进行逻辑控制，而且还可以对模拟量进行控制。因此，美国电器制造商协会NEMAC将其正式命名为PC(Programmable Controller)。,三、可编程控制器的特点,无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强 为了满足PLC专为在工业环境下应用的要求，PLC采用了如下硬件和软件措施：(1)光电耦合隔离和RC滤波器，有效地防止了各类电磁干扰信号的进入。(2)采用内部电磁屏蔽，防止辐射干扰。(3)采用优良的开关电源，防止电源线引入的干扰。,(4)具有良好的自诊断功能。可以对CPU等内部电路进行检测，一旦出错，立即报警。(5)对程序及有关数据用电池供电进行后备，一旦电源断电或运行停止，有关状态及信息不会丢失。(6)对采用的器件都进行严格筛选和老化处理，排除了因器件可靠性问题而造成的故障。(7)采用了冗余技术进一步增强可编程控制器的可靠性。对于大型的PLC，采用双CPU构成冗余系统，或三CPU构成表决式系统。,通用性强，控制程序可变，使用方便硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强编程简单，容易掌握 系统的设计、安装、调试工作量少维修工作量小，维护方便体积小，能耗低.,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。,PLC的缺点,四、可编程控制器的应用领域,可编程控制器的应用范围,PLC应用形式的类型：1开关逻辑控制2模拟量控制3顺序(步进)控制4定时控制5计数控制6闭环过程控制7数据处理8通信和联网,四、可编程控制器的应用领域,四、可编程控制器的应用领域,四、可编程控制器的应用领域,四、可编程控制器的应用领域,四、可编程控制器的应用领域,四、可编程控制器的应用领域,四、可编程控制器的应用领域,四、可编程控制器的应用领域,五、可编程控制器的发展,高性能、高速度、大容量发展为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。,向小型化和大型化两个方向发展小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为816点，以适应单机及小型自动控制的需要。大型化是指大中型PLC 向大容量、智能化和网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。,五、可编程控制器的发展,大力开发智能模块，加强联网与通信能力为满足各种控制系统的要求，不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。PLC的联网与通信有两类：PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；PLC与计算机之间的联网通信。为了加强联网与和通信能力，PLC生产厂家也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统。,五、可编程控制器的发展,增强外部故障的检测与处理能力据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理。而其余80%的故障属于PLC的外部故障。PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。,五、可编程控制器的发展,编程语言多样化在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图、语句表语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。,五、可编程控制器的发展,按I/O点数分小型PLC I/O点数为256点以下的为小型PLC（其中I/O点数小于64点的为超小型或微型PLC）中型PLC I/O点数为256点以上、2048点以下的为中型PLC大型PLC I/O点数为2048以上的为大型PLC（其中I/O点数超过8192点的为超大型PLC）,六、可编程控制器的类型,按结构形式分整体式PLC 将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低等特点。,六、可编程控制器的类型,模块式PLC 将PLC各组成部分分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。,紧凑式PLC 还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来。,模块式PLC 将PLC各组成部分分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。,紧凑式PLC 还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来。,整体式PLC 将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低等特点。,按功能分低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。中档PLC 具有低档PLC功能外，增加模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还增设中断、PID控制等功能。高档PLC 具有中档机功能外，增加带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数运算、制表及表格传送等。高档PLC机具有更强的通信联网功能。,六、可编程控制器的类型,1.PLC与继电器控制系统的比较 传统的继电器控制系统被PLC所取代已是必然趋势。继电器控制柜是针对一定的生产机械、固定的生产工艺设计的，采用硬接线方式装配而成，只能完成既定的逻辑控制、定时、计数等功能，一旦生产工艺过程改变，则控制柜必须重新设计、重新配线。而PLC由于应用了微电子技术和计算机技术，各种控制功能都是通过软件来实现的，因此只要改变程序并改动少量的接线端子，就可适应生产工艺的改变。从适应性、可靠性、方便性及设计、安装、维护等各方面进行比较，PLC都有显著的优势。因此在用微电子技术改造传统产业的过程中，传统的继电器控制系统大多数将被PLC所取代。,七、可编程控制器与其他工业系统的比较,2.PLC与工业控制计算机的比较 工业控制计算机是通用微型计算机适应工业生产控制要求发展起来的一种控制设备。硬件结构方面总线标准化程度高、兼容性强，并且软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂、计算工作量大的工业对象的控制占有优势。但是，使用工业控制机控制生产工艺过程，要求开发人员具有较高的计算机专业知识和微机软件编程的能力。PLC最初是针对工业顺序控制应用发展而来的，硬件结构专用性强，通用性差，很多优秀的微机软件也不能直接使用，必须经过二次开发。但是，PLC采用了工厂技术人员熟悉的梯形图语言编程，易学易懂，便于推广应用。,从可靠性方面看，PLC是专为工业现场应用而设计的，结构上采用整体密封或插件组合型，并采取了一系列抗干扰措施，具有很高的可靠性。而工控机虽然也能够在恶劣的工业环境下可靠运行，但毕竟是由通用机发展而来的，在整体结构上要完全适应现场生产环境，还要做不少工作。另一方面，PLC用户程序是在PLC监控程序的基础上运行的，软件方面的抗干扰措施在监控程序里已经考虑得很周全，而工控机用户程序则必须考虑抗干扰问题，一般的编程人员很难考虑周全。这也是工控机应用系统比PLC应用系统可靠性低的原因。尽管现代PLC在模拟量信号处理、数值运算、实时控制等方面有了很大提高，但在模型复杂、计算量大且较难、实时性要求较高的环境中，工业控制机则更能发挥其专长。,3.PLC与集散控制系统的比较 集散控制系统又称分散控制系统，它是专门为工业过程控制设计的过程控制装置。它的主要应用场合是连续量的模拟控制，而PLC的主要应用场合是开关量的逻辑控制。因此，它们在设计思想上是有一定区别的。,PLC是按扫描方式工作的，而集散控制系统是按用户的程序指令工作的。因此，PLC对每个采样点的采样速度是相同的；而在集散控制系统中，可根据被检测对象的特性采用不同的采样速度，例如，对流量点的采样周期是1 s，对温度点的采样周期是20 s等。此外，在集散控制系统中，可有多级优先级中断的设置，而PLC通常不采用中断方式。在存储器的容量上，由于PLC所需的运算大多是逻辑运算，因此，所需的存储器容量较小，而集散控制系统需进行大量的数学运算，所以存储器容量较大。在运算速度方面，模拟量的运算速度可较低，而开关量的运算需要有较高的速度。,除了部分分散过程控制装置安装在现场，需要按现场的工作环境设计外，集散控制系统是按照安装在控制室设计的，而PLC是按照现场工作环境的要求设计的，对元器件的可靠性方面有专门的考虑，在可靠性方面两者都有较高的要求。,本章主要介绍了可编程控制器的定义、可编程控制器产生的背景、可编程控制器的特点、可编程控制器的应用领域、主要类型、发展趋势及概况。,本章小结,PLC为什么用量高居首位?,工业自动化系统通常分成三类：控制开关量的逻辑装置 控制慢连续量的过程控制系统 控制快连续量的运动控制系统在传统上对于这三种控制系统用不同的控制装置。逻辑控制用电控制（电气控制装置即继电器接触器控制）过程控制用仪表装置（电动单元组合仪表）运动控制用电传装置（电气传动控制装置）。所谓三电就是指的是电控、电仪、电传。,关于PLC的讨论,在一家工厂、一个车间、一个工段，甚至在一台设备上，这三种设备常常并存在一起，单设备各不相干。这主要是因为这三种控制装置相差太远，无法兼容。长久以来，人们一直希望能把他们用一种控制装置统一起来，协调地进行控制。这对于提高生产效率，保证产品质量，实现优化控制无疑是很有意义的。把三电合成于一体就叫做三电一体。,关于PLC的讨论,从现代控制装置来看，无论是逻辑控制、过程控制还是运动控制都使用的是计算机开发的控制装置，计算机成为三电一体的物质基础。,关于PLC的讨论,有两种实现三电一体化的思路：一种思路是在网络一级实现三电一体化，逻辑控制装置、过程控制装置、运动控制装置尽管各不相同，但如果它们都可以连入同一网络，则网络就成了三电同一的载体，在网络一级实现了三电一体化。另一种思路是在控制装置一级实现三电一体化，控制装置既有逻辑控制功能，又有过程控制功能，还有运动控制功能。DCS（distrabuted control system）系统沿着前一种思路发展三电一体化，他花费较大，适合于大型自动控制系。PLC则沿着后一种思路发展三电一体化，他灵活机动，三电一体集成度较高，适合于各种规模自动控制系统。,关于PLC的讨论,为什么PLC有能力在装置一级集三电于一体，而专门用于过程控制的计算机控制装置实现三电一体却比较困难呢？,关于PLC的讨论,第一是PLC是以控制开关量起家的，他采用循环扫描方式，为了不丢失输入信号，要求循环扫描周期越短越好，这就使得在PLC中配置的处理器性能好，速度快。这些高性能的微处理器本身有很大的潜能，早期PLC只利用速度快这一条，其他潜能并没有得到充分得利用。后来发现处理好不同性质的实时多任务的调度，在PLC中加入针对慢连续量的过程控制并不困难。反过来，针对慢连续量的过程控制计算机，改成周期循环扫描并加入大量开关控制却是力不能及的。,第二个是大中型PLC中普遍采用了多微处理机结构进行多道处理。例如西门子的S5-155U，S5-153U内最多配置4个CPU加一个协处理器德州仪器公司的T1565,可编程控制器最多可装入8台MC68000的处理器，这使得PLC不仅速度快，而且可以独立各自处理不同问题，也可分解协调，共同处理非常复杂的问题。,关于PLC的讨论,第三个是PLC配置着大量内含CPU的智能模板，有些专用于PID控制，有些用运动控制，有些用于高速记数，有些用于联网通信，他们采用模块结构，通过背板并行总线连成有机的整体，所有这一切为PLC在装置一级实现三电一体奠定了坚实的基础。当然从目前看，PLC在装置一级的三电一体化并不是很完善的，复杂过程控制还欠缺一些，运动控制能力也还不全面，这些都有待于进一步开发。尽管如此，在装置一级实现三电一体化本身，使得PLC在竞中居于强有力的地位。,关于PLC的讨论,
