1、第1章 可编程控制器概述,1.1 可编程控制器的定义,1.3 PLC的历史及发展,1.2 PLC之前的工业控制装置,1.4 可编程控制器的特点及应用,1.5 未来的可编程控制器,1.1 可编程控制器的定义,可编程控制器简称PLC，虽然刚刚具有40年的历史，但其发展极为迅速。为了确定它的性质，国际电工委员会曾多次发布及修订有关PLC的文件。在1987年颁布的可编程控制器标准草案中对PLC 作了如下定义: 可编程控制器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
2、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。,定义中值得注意的几点;,从功能上看，可编程控制器是“数字运算操作的电子装置”；从内部构造上看，可编程控制器带有“可以编制程序的存储器”；从功能及工作原理上，可编程控制器能够进行“逻辑运算，顺序运算、计时，计数和算术运算”等工作。因此，可编程控制器是不折不扣的计算机。,(1),(2),可编程控制器是“为工业环境下应用“而设计的计算机。因此能在高粉尘、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”，可编程控制器 “易于与工业控制
3、系统形成一个整体”。显然这些都是普通个人计算机所不能做到的。从这一点来看，可编程控制器不是普通的计算机，而是一种工业现场用的计算机。,可编程控制器能够控制“各种类型 ”的工业设备及生产过程，而且“易于扩展其功能”，程序可根据控制对象的不同要求，让使用者方便地重新“编制程序”。即可编程控制器较以前的单片机工业控制系统等具有更大的灵活性，可以方便地应用在各种场合，属于一种通用的工业控制计算机。,(3),通过对PLC的定义分析可知，可编程控制器实质上是经过一次开发的工业控制用计算机的内核，同时它又是一种工业通用机，需要经过二次开发才能在具体的工业设备上使用。可编程控制器的二次开发非常简单和易于掌握，
4、因此它的二次开发使得工业自动化设计从专业设计院走进了厂矿企业，变成了普通工程技术人员甚至普通电气工人力所能及的工作。加上PLC体积小、工作可靠性高、抗干扰能力强、控制功能完善，适应性强，安装接线简单等众多优点，可编程控制器在工业控制中获得了非常广泛的应用。,1.2 PLC之前的工业控制装置,在可编程序控制器诞生之前，以继电器、接触器为 主体的控制系统已广泛应用于工业生产。,继电接触器控制系统通常可以看成是由检测电路、 控制电路、执行部件和工业现场四个部分组成。,继电接触控制系统元器件简介,熔断器是继电接触控制电路中的短路保护装置。,低压熔断器一般串联在被保护的 线路中。线路正常工作时如同一根
5、导线，起通路作用；当线路短路时 熔断器的易熔片熔断，使电路断 开，从而起到保护线路上其他电器 设备的作用。,熔断器产品外形图,FU,熔断器 图符号,文字符号,低压熔断器熔体选用原则,一般照明线路：熔体额定电流负载工作电流；,单台电动机：熔体额定电流1.52.5倍电动机额 定电流；但对不经常起动而且起动时间不长的电动,机系数可选得小一些，主要以起动时熔体不熔断为准；,多台电动机：熔体额定电流1.52.5倍最大电机的额定电流+其 余电机的额定电流之和。,(1),带有短路保护装置的闸刀开关。,接触器是用来频繁接通和断开电路的自动切换电器，具有手动切换电器所不能实现的遥控功能，同时还具有欠压、失压保护
6、的功能，接触器的主要控制对象是电动机。,(2),电磁系统,交流接触器产品外形图,交流接触器的结构组成,铁芯、衔铁,通电线圈,触头系统,三对主触头,两对辅助常开触点,两对辅助常闭触点,体积较大，由三对常开触头组成，用于通断电动机主电路的大电流。,辅助触头体积较小，主要用于通断控制电路的小电流，辅助常开触 头一般起自锁或连锁作用；辅助常闭触头在电路中一般起互锁作用。,线圈 图符号,文字符号,交流接触器工作原理,铁芯,通电线圈,衔铁及其固定在 衔铁上的动触头,支撑弹簧,静触点,辅助常闭触点,辅助常开触点,三对常开主触头,当交流接触器线圈通入交流电 后，铁芯和衔铁均被磁化，衔铁 克服弹簧张力向下吸合。
7、固定在 衔铁上的所有动触点随之向下移 动，辅助常闭触点打开、三对主 触头和辅助的常开触点闭合。当 电磁线圈失电后，铁芯和衔铁也 随即失磁，衔铁在弹簧张力下复 位，使常开打开、常闭闭合。断电后铁芯和衔铁即刻失磁， 衔铁在弹簧张力下复位，各动触 点随之复位。,工作原理,(3),热继电器是利用电流的热效应原理切断电路以起过载保护的电器设备。,(1)串接在电动机主电路中的三个发热元件；,热继电器产品外形图,热继电器的结构组成,发热元件 图符号,热继电器 文字符号,(2)串接在电动机控制电 路中的常闭触点。,常闭触点 图符号,工作原理,热继电器的发热元件绕在双金属片上，当电动机过载时，过大的电流产生热量
8、，使双金属片弯曲推动连锁机构动作，使常闭触点打开，导致控制电路断电，电动机主电路随之断电，达到过载保护的目的。,正常工作常 闭触点闭合,过载时常闭 触点打开,(4),时间继电器是在感受外界信号后，其执行部分需要延迟一定时间才动作的一种继电器，分有通电延时型和断电延时型。,JS7-4A时间继电器的产品外形图,JS7-A空气阻尼式时间继电器是利用空气阻尼的原理来获得延时的。主要由电磁系统、气室及触点系统组成。,工作原理：线圈通电时， 电磁力克服弹簧的反作用 拉力而迅速将衔铁向下吸 合，衔铁带动杠杆延时使 常闭触点分断，常开触点 闭合。,铁芯,线圈,衔铁,挡板,重锤,气室,活塞连杆机构,空气调整镙钉
9、,杠杆及支点,通电延时闭合 的常开触点,通电瞬时打开 的常闭触点,时间继电器各部分图符号和文字符号,常闭触点,常开 通电后 延时闭合,常开触点,常闭 断电后 延时闭合,常闭 通电后 延时断开,常开 断电后 延时闭合,常闭触点,常开触点,(5),主令电器主要用来控制接触器、继电器等设备的线圈得 电与失电，从而控制电力拖动系统的起动与停止，改变系统 的工作状态。,(1)控制按钮,控制按钮不能直接控制主电路，而是在控制电路中发出手动“指令”控制接触器、继电器等，再用这些电器去控制主电路的通断。,按钮的产品外形图,复位弹簧,按钮盒,常闭触点,常开触点,连接导片,按钮帽,(6),位置开关是一种用来控制机
10、械运动或实现安全保护的主 令电器。其作用是将机械位移转换成电信号，从而使电动机 运行状态发生改变，并按一定的行程自动停车、反转、变速 或循环。,位置开关的产品外形图,动断触头,动合触头,行程开关的结构原理图及图符号,当运动机构的挡铁压到位置开关的滚轮上时，转动杠杆连同转轴一起转动，凸轮撞动撞块使得常闭的动断触头断开，常开的动合触头闭合；挡铁移开后，复位弹簧使其复位。,试述低压断路器有哪些保护功能 ？,看看、想想,热继电器主要由哪几部分构成？各部分应连接在电路的什么地方？其作用呢？,巩固练习,试述接触器的主要组成及各部分功能，画出各部分的图形符号，标出相应文字符号。,常见继电接触器控制电路,通过
11、开关、按钮、继电器、接触器等电器触点的接通或断开来实现电动机各种运转形式的控制称做继电接触器控制。继电接触器控制方式构成的自动控制系统称为继电接触器控制系统。继电接触器控制方式中，典型的控制环节有点动控制、单向自锁运行控制、正反转控制、行程控制、时间控制等。电动机在使用过程中由于各种原因可能会出现一些异常情况，如电源电压过低、由于短路或过载而引起的电动机电流过大、电动机定子绕组相间短路或电动机绕组与外壳短路等等，如不及时切断电源则可能会对设备或人身带来危险，因此必须采取保护措施。电动机的断电接触器控制电路中，常用的保护环节有短路保护、过载保护、零压保护和欠压保护等。,1.带过载保护的点动控制电
12、路,由开关、熔断器、接触器的主触头、热继电器的热元件组成的部分称为主电路。主电路中的各部分与被控制电动机相串联。,由按钮、接触器线圈、热继电器常闭触点组成的部分称为控制电路，接在两相之间，控制电路中的电流较小。,起动控制过程：按下按钮SB接触器线圈KM得电KM主触头闭合电动机运转；,在生产实践过程中，某些生产机械常要求能实现调整位置的点动工作。,主电路,控制电路,KM,闭合电源开关，为 电动机通电作准备,停止控制过程：松开按钮SB接触器线圈失电KM主触头打开电动机停转。,起动过程演示,停止过程演示,M 3,停止按钮 接常闭,起动按钮 接常开,接触器,停止按钮和 起动按钮,辅助常开起 自锁作用,
13、电动机主电路,闭合电源开关，为 电动机通电作准备,2.电动机单向连续运转控制电路,松开按钮后，电动机也能够继续运转的控制方式称为连续运转控制。,带过载保护的单向连续运转控制电路,主电路,KM,控制电路,热继电器的三个 热元件串接在电 动机的主电路中,热继电器的常闭 触点串接在电动 机的控制电路中,3.电动机的正、反转控制电路,实际生产中的进退刀、升降架等，都是靠电动机正、反转两个方向的运动实现的。,电动机正转 控制主电路,改变通入电动机三相定子绕组中电流的相 序，即可使电动机改变旋转方向而反转。,电动机反转 控制主电路,正转控制辅助电路,反转控制辅助电路,电动机的正转控制过程演示,KM1,KM
14、2,KM1辅助常闭打开 互锁，使正转时反 转电路不能接通。,KM1辅助常开 闭合自锁。,电源开关接通 为电动机起动 做准备。,按下正转起动按钮，电 动机正转辅助电路接通。,KM1主触头闭合， 正转主电路接通， 电动机正向运转。,打开停止按钮， 电动机正转停止,电动机的反转控制过程演示,KM1,KM2,KM2辅助常闭打开 互锁，使反转时正 转电路不能接通。,KM2辅助常开 闭合自锁。,按下反转起动按 钮，电动机反转 辅助电路接通。,KM2主触头闭合， 反转主电路接通， 电动机反向运转。,打开停止按钮， 电动机反转停止,既能点动又能连续运转的电动机控制电路,生产过程中，有时即要求生产机械运动部件连
15、续运动，还要求能点动。下图所示电路就是既可实现点动控制，又可实现连续运转的控制电路。,点动控制原理：按下SB3的常开起动按钮，其串 接在自锁环节中的SB3常闭即刻断开，致使自锁环 节不能起作用，从而实现了点动控制。连续运转控制过程自己尝试叙述。,复合按钮 SB3,连续运转 起动按钮,下面控制电路能否实现既能点动、 又能连续运行,思考,不能点动！,4.工作台自动往返控制电路,自动往返控制实质上就是电动机的正、反转控制，只 是这种正、反转控制是利用生产机械的行程终端加位置开关 实现的。,STB,STA,生产机械往复 运动工作台。,往复运动 控制线路,如此不断地重复 前面的往复运动， 直至按动停止按
16、钮 后，生产机械才能 停止运动。,实现往复运动的关键？,关键在于限位开关采用复合式位置开关。正向运行停车的同时，自动起动反向运动；反向运动停车的同时，自动起动正向运动。,5.单台电动机的多地控制电路,有些生产设备为了操作方便，需要在两地或多地控制同一台电机。,甲地停止 按钮,甲地起动 按钮,控制原理：只要将两地或多地的起动按钮并联， 停止按钮串联，就可实现两地或多地同时对一台电 动机的控制。,乙地停止 按钮,乙地起动 按钮,主电路中的电流与控制电路中的电流有何区别？,看看、想想,简述电动机点动控制、单向运转控制和正反转控制线路的工作过程。,巩固加强,试设计一个电动机控制线路。要求：既能点动，又
17、能单向起动、停止及连续运转的控制线路,1.3 PLC的历史及发展,1.3.1 可编程控制器的历史,1968年，美国通用汽车公司为适 应汽车型号的不断更新和生产工艺 的不断变化，提出了开发一种新型 工业控制器，提出了十项设计标准： 1.编程简单，可在现场修改程序； 2.维护方便，最好是插件式； 3.可靠性高于继电器控制柜； 4.体积小于继电器控制柜； 5.可将数据直接送入管理计算机； 6.成本上可与继电器控制柜竞争； 7.输入可以是交流115V（即用美国的电网电压）；,美国通用汽车公司(GM)从用户角度提出了研制上述新型控制器的条件后，立即引起了开发热潮。1969年，美国数字设备公司（DEC）研
18、制出了世界上第一台可编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。当时叫可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。早期的控制器满足了最初的要求，并且打开了新的控制技术的发展的大门。,8. 输出为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀； 在扩展时，原有系统只需要很小的变更； 用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。,1969年，美国数字设备公司研制出第一台可编程控制器，并在汽车自动装配线上试用成功。,对用户来说，可编程控制器是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此如果在初步设计阶段
19、就选用可编程控制器，可以使得设计和调试变得简单容易。从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。在美国数字设备公司研制出第一台可编程控制器之后，紧接着美国MODICON公司也开发出同名的控制器。1971年日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本的第一台可编程控制器；1973年，西欧一些国家也相继研制出了他们的第一台可编程控制器;我国则是在1977年，成功研制出了以1个微处理器MC14500为核心的可编程控制器，并应用于工业生产中。,随着半导体技术，尤其是微处
20、理器和微型计算机技术的发 展，到70年代中期以后，特别是进入80年代以来，PLC已广 泛地使用16位甚至32位微处理器作为中央处理器，输入输出 模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成 电路，使PLC在概念、设计、性能价格比以及应用方面都有 了新的突破。这时的PLC已不仅仅是逻辑判断功能，还同时 具有数据处理、PID调节和数据通信功能，称之为可编程序 控制器更为合适，为了与个人计算机的简称PC相区别，一般 将可编程控制器称为PLC。PLC是微机技术与传统的继电器-接触器控制技术相结合的产物，其基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格
21、便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。,可编程序控制器在工业控制领域的应用越来越宽广， 既有单机做为继电器逻辑电路的替代品，又有作为设备 控制的核心部件的。而且随着自动化程度的提高，可编 程控制器既可做为现场控制的部件，又可作为更高一级 的管理控制部件。而且随着网络技术的发展，它又衍生 出了网络功能。所有 这一切，不仅要求可 编程控制器具有相应 的硬件功能，而且要 求它的软件技术也要 获得相应的发展。,1.3.2 可编程控制器的发展方向,1、PLC在功能和技术指标方面的发展,PLC的发展也是与计算机技术、控制技术、数
22、字技术、 通信网络技术等高新技术的发展息息相关，正是这些高新 技术的发展推动了可编程控制器的发展。从控制功能来看，PLC的发展大致经历了4个阶段： （1）初级阶段：从第一台PLC问世到20世纪70年代中期， 由于第一代PLC是为了取代继电器的，因此，主要功能是 逻辑运算和计时、计数功能。CPU由中小规模数字集成电 路构成。主要产品有：MODICON公司的084，AB公司的 PDQ-IL，DEC公司的PDP-14，日立公司的SCY-022等。第一阶段只采用了梯形图语言作为编程方式，尽管有些 枯燥，但却形成了工厂的编程标准。,（2）扩展阶段：从20世纪70年代中期到70年代末期，这一 阶段PLC产
23、品的控制功能得到很大扩展。扩展的功能包括 数据的传送、数据的比较和运算、模拟量的运算等功能。 这一阶段的产品有MODICON的184，284，384，西门子公 司的SIMATIC S3系列，富士电机公司的SC系列产品等。,（3）通信阶段：20世纪70年代末期到80年代中期，这一阶段 产品与计算机通信的发展有关，形成了分布式通信网络。但 是，由于各制造商各自为政，通信系统也是各有各的规范。 由于在很短的时间内，PLC就已经从汽车行业迅速扩展到其 它行业，作为继电器的替代品进入了食品、饮料、金属加工、 制造和造纸等多个行业。其次，产品功能也得到很大的发展。 同时，可靠性进一步提高。这一阶段的产品有
24、西门子公司的 SIMATIC S6系列，GOULD公司的M84，884等，富士电机的 MICRO 和TI公司的TI530等。,（4）开放阶段：从20世纪80年代中期开始，由于国际标准 化组织提出了开放系统互连的参考模型OSI，使PLC在开放 功能上取得较大发展。主要表现在通信系统的开放，使各 制造厂商的产品可以通信，通信协议开始标准化，使用户 得益。此外，PLC开始采用标准化软件系统，增加高级语 言编程，并完成了编程语言的标准化工作。这一阶段的产 品主要有西门子公司的S7系列，AB公司的PLC-5，SLC500、 德维森的V80和PPC11，加拿大ONLINE CONTROL公司与 合控电气公
25、司所开发的OPENPLC等。新的PLC的技术进展包括：更好的操作员界面，图形用户界面（GUI），人机界面；也包括与设备、硬件和软件的接口；并支持人工智能，比如逻辑I/O系统等。,软件进展将采用广泛使用的通讯标准提供不同设备的连接，新的PLC指令将立足于增加PLC的智能性，基于知识的学习型的指令也将逐步被引入，以增加系统的能力。用户对于柔性制造系统的需求将决定未来的控制哲学。可以肯定的是，未来的工厂自动化中，PLC将肯定占据重要的地位，控制策略将被智能地分布开来，而不是集中，超级PLC将在需要复杂运算、网络通信和对小型PLC和机器控制器的监控应用中获得使用。所有上述的发展，都取决于一个因素：PL
26、C的开放性。只有开放了，PLC才能与其它控制系统集成，PLC才能与CIM、机器人、CAD/CAM、个人计算机、MIS结合起来，在工厂的未来发展中占有重要地位，才可能发展更好的人机界面，与其它设备具备更灵活的接口，才能适应更多的通讯标准，才能采用更多、更复杂的控制策略。,2、PLC在经济指标与产品类型方面的发展,PLC在经济指标与产品类型方向的发展可概括为以下三个方面： （1）研制大型PLC大型PLC的特点是系统庞大，技术完善、功能强、价格昂贵、需求量小； （2）大力发展简易、经济的小型、微型PLC简易、小型与微型的PLC适应单机及小型自动控制的需要，其特点是品种规格多、应用面广、需求量大、价格
27、便宜。 （3）致力于提高功能价格比,1.4 可编程控制器的特点及应用,1.4.1 PLC的特点,PLC之所以发展迅速，与它自身的特点是分不开的。 下面对这些特点做一简要介绍： 1、可靠性高、抗干扰能力强 硬件方面：PLC在微处理器与I/O接口之间加入了光电隔离 措施，器件本身用可靠性高的工业级元件和先进的电子加工 工艺制造，采用了存储器内容保护、看门狗和自诊断、屏蔽、 隔离和滤波等措施，因此抗干扰能力极强；软件方面：PLC不但设置了故障检测、自诊断程序、状态 信息保存功能和自恢复等功能，而且内部软继电器和软接线 也都是由程序设计的，由此大大减少了电子元件及硬接线。 由于 PLC在硬件与软件两个
28、方面都采取了很多措施，因此确 保了它工作的高可靠性。,2、编程简单、易于掌握 PLC有多种程序设计语言可以使用，对现场电气技术人员来说，采用梯形图编程，由于与电气原理图相似，很容易理解和掌握；采用语句表编程，由于编程语句是功能的缩写，且与梯形图有一一对应关系，因此便于记忆，有利于编程人员的编程操作；还有功能图表编程语言，以其过程流程进展为主线，十分适合于设计人员与工艺专业人员设计思想的沟通，因此编程简单，易于掌握。PLC的操作包括程序输入和程序更改两种操作，多数PLC采用编程器进行程序输入和程序更改操作，部分PLC可以在电脑上直接进行程序输入，更改程序可根据所需地址编号、继电器编号或接点号等直
29、接在电脑上进行搜索或按照顺序寻找，然后可在线更改或离线更改，十分易于掌握。,3、设计、安装容易、维护工作量少PLC的面板和结构设计充分考虑了安装和维护的方便性。例如，信号灯设置在易于观察的位置，接线端子采用便于接线和更换的类型，需要维修的部件设置在便于维修的位置等等。 这些设计使安装容易、维护工作能方便地进行，大大缩短了安装与维护时间。由于PLC实现了产品的系列化、标准化和通用化，使得PLC组成的控制系统在安装、调试、和维护等方面充分显示了其优越性。PLC具有自诊断功能，当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员根据有关故障代码的显示和故障信号灯的提示等，可直接找出故障所在的部位，为迅
30、速排除故障和修复节省了时间。为便于维修，有些PLC制造商提供维修用的专用仪表或设备或维修用的智能卡或插件板，使维修工作更为方便，大大减少了维护工作量。,4、功能强、通用性好PLC运用了计算机、电子技术和集成工艺的最新技术，在硬件和软件两方面不断发展，使其具备很强的信息处理能力和输出控制能力，适应各种控制需要的智能I/O功能模块不断涌现；与上位计算机的通信与连网功能不断提高，使PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、步进等功能，而且还能完成数/模和模/数转换、数字运算和数据处理以及通信连网、生产过程监控等。PLC的编程语言多样化，以软件取代硬件控制的可编程序使PLC成为工业控制中应用最广泛的一种通用
31、标准化、系列控制器。同一台PLC可适用于不同的控制对象的不同控制要求。同一档次、不同机型的功能也能方便地相互转换。,5、开发周期短、成功率高可编程序控制器产品采用模块化形式，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，不用改变硬件，方便快速地适应工艺条件的变化，具有很好的柔性，开发周期短，成功率高。,6、体积小、重量轻、功耗低由于PLC采用了半导体集成电路，因此产品体积小、重量轻、结构紧凑、能耗低。这些突出特点，
32、使PLC成为当今“机电一体化”特有的产品。,1.4.2 可编程控制器的应用领域,数据处理,通讯及联网,1.5 未来的可编程控制器,近年来，加强PLC的联网能力成为PLC的发展趋势。PLC和计算机等可以构成多级分布式网络控制系统，使现场设备层的执行、车间控制层的监控、工厂管理层的信息调度连成一个整体，进而创造出更高的经济效益。,在未来，工业控制软件将继续向标准化、网络化、智能化和开放性发展方向。随着工业自动化技术的发展，今后将更加注重PLC与其他智能控制系统的兼容性，如PLC与工业控制计算机、集散控制系统、嵌入式计算机系统、现场总线等的渗透与结合，不断拓宽PLC的应用范围。,本章学习结束。Goodbye!,
