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plc培训讲义

QuantumPLC培训讲义

第一讲PLC的基本概念

可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它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，今天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（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。

一.PLC的定义

PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。

为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManufactoryAssociation）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（ProgrammableController），并给PC作了如下定义：

“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。

用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。

一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。

”

以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通过了对它的定义：

“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/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部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体易于扩充其功能的原则设计。

”

总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。

它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。

但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。

二.PLC的特点

（一）高可靠性

1.所有的I/O接口电路均采用光电隔离使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。

2.各输入端均采用R-C滤波器其滤波时间常数一般为10~20ms。

3.各模块均采用屏蔽措施以防止辐射干扰。

4.采用性能优良的开关电源。

5.对采用的器件进行严格的筛选。

6.良好的自诊断功能一旦电源或其他软硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施以防止故障扩大。

7.大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统，使可靠性更进一步提高。

（二）丰富的I/O接口模块

PLC针对不同的工业现场信号如：

交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备如：

按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀直接连接。

另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块等等。

（三）采用模块化结构

为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。

PLC的各个部件包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

（四）编程简单易学

PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

（五）安装简单维修方便

PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。

使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。

各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行。

三.PLC的功能

PLC具有逻辑控制、定时控制、计数控制、步进（顺序）控制、PID控制、数据控制等功能，PLC还具有数据处理能力、通信和联网功能，PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：

定位控制模块，CRT模块。

四.PLC的分类

（一）小型PLC

小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小，结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。

它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送，通讯联网以及各种应用指令。

常见的有：

SIMENS公司的STEP-200、OMRON、三菱、光洋等产品。

（二）中型PLC

中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在256~1024点之间。

I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出，它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。

常见的有：

SIMENS公司的STEP-300、GE公司的90-30、OMRON公司的CH200、三菱等产品。

（三）大型PLC

一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。

大型PLC的软硬件功能极强。

具有极强的自诊断功能，通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。

大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高。

常见的有：

SIMENS公司的STEP-400、GE公司的90-70、AB公司的CONTROLOGIX1756、QUANTUM等产品。

五、PLC的基本结构

PLC实质是一种工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示：

（一）.中央处理单元（CPU）

中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。

它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统或采用三CPU的表决式系统。

这样，即使某个CPU出现故障整个系统仍能正常运行。

（二）.存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

中小型的PLC的CPU和存储器做成一体，最新生产的大型的PLC则分开。

1．PLC常用的存储器类型

1.1RAM（RandomAssessMemory）

这是一种读/写存储器（随机存储器），其存取速度最快，由锂电池支持。

1.2EPROM（ErasableProgrammableReadOnlyMemory）

这是一种可擦除的只读存储器。

在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。

（在紫外线连续照射下可擦除存储器内容）。

1.3EEPROM（ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory）

这是一种电可擦除的只读存储器，使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。

2、PLC存储空间的分配

虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：

系统程序存储区、系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）和用户程序存储区。

2.1系统程序存储区

在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。

包括监控程序、管理程序、命令解释程序功能、子程序系统、诊断子程序等。

由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。

它和硬件一起决定了该PLC的性能。

2.2系统RAM存储区

系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备如：

逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等存储器。

（1）I/O映象区

由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外部设备。

因此，它需要一定数量的存储单元（RAM）以存放I/O的状态和数据，这些单元称作I/O映象区。

一个开关量I/O占用存储单元中的一个位（bit），一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字（16个bit）。

因此整个I/O映象区可看作两个部分组成：

开关量I/O映象区、模拟量I/O映象区。

（2）系统软设备存储区

除了I/O映象区区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）的存储区。

该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLC断电时，数据被清零。

1）逻辑线圈

与开关输出一样，每个逻辑线圈占用系统RAM存储区中的一个位，但不能直接驱动外部设备，只供用户在编程中使用，其作用类似于电器控制线路中的中间继电器。

另外，不同的PLC还提供数量不等的特殊逻辑线圈，具有不同的功能。

2）数据寄存器

与模拟量I/O一样，每个数据寄存器占用系统RAM存储区中的一个字（16bits）。

另外，PLC还提供数量不等的特殊数据寄存器，具有不同的功能。

3）计时器

4）计数器

2.3用户程序存储区

用户程序存储区存放用户编制的用户程序。

不同类型的PLC，其存储容量各不相同。

（三）.电源

PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。

如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。

一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。

电源模块分：

一般电源模块、可累加电源模块和冗余电源模块。

六.PLC的工作原理

最初研制生产的PLC，主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：

继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。

PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作必须等扫描到该触点时才会动作。

为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术。

这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。

（一）.扫描技术

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

1、输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中相应的单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

2、用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段PLC，总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

3、输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时，才是PLC的真正输出。

比较下二个程序的异同

程序1：

程序2：

这两段程序执行的结果完全一样，但在PLC中执行的过程却不一样。

程序1只用一次扫描周期就可完成对%M4的刷新；

程序2要用四次扫描周期才能完成对%M4的刷新；

这两个例子说明：

同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。

另外，也可以看到：

采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。

当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。

一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。

（二）.PLC的I/O响应时间

为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。

为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。

以上两个主要原因，使得PLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。

所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。

其最短的I/O响应时间与最长的I/O响应时间如图所示：

最短I/O响应时间：

最长I/O响应时间：

七.PLC的I/O系统

PLC的硬件结构主要分单元式和模块式两种。

前者将PLC的主要部分（包括I/O系统和电源等）全部安装在一个机箱内。

后者将PLC的主要硬件部分分别制成模块，然后由用户根据需要将所选用的模块插入PLC机架上的槽内，构成一个PLC系统。

不论采取哪一种硬件结构，都必须确立用于连接工业现场的各个输入/输出点与PLC的I/O映象区之间的对应关系，即给每一个输入/输出点以明确的地址确立这种对应关系所采用得方式称为I/O寻址方式。

I/O寻址方式有以下三种：

1、固定的I/O寻址方式

这种I/O寻址方式是由PLC制造厂家在设计、生产PLC时确定的，它的每一个输入/输出点都有一个明确的固定不变的地址。

一般来说，单元式的PLC采用这种I/O寻址方式。

2、开关设定的I/O寻址方式

这种I/O寻址方式是由用户通过对机架和模块上的开关位置的设定来确定的。

3、用软件来设定的I/O寻址方式

这种I/O寻址方式是有用户通过软件来编制I/O地址分配表来确定的。

第二讲QUANTUMPLC简介

1.QUANTUMPLC综述

QUANTUM系列PLC能够对中规模至大规模的控制系统进行组态，它体积小，性能价格比高，其坚固的结构，保证即使在最恶劣的现场环境下也能可靠工作。

QUANTUM系列PLC支持多种形式的解决方案，包括单机架I/O、冗余处理器，一直到最多可含有64000I/O的多站I/O方案，存储器容量从256K字节至2M字节，基于以INTEL为基础的CPU，QUANTUM系列PLC具有最小的逻辑解算和I/O处理时间，它还提供高性能的浮点处理功能，使过程算法和数字计算以最优速度进行，有利于单机和过程自动化的实现。

2.CPU模块

目前常用的QUANTUM系列CPU有两种型号:

140CPU43412和140CPU53414。

2.1140CPU43412模块

处理器：

486DX/66MHZ

内存：

1Mflash

离散量：

65535任混

逻辑解算速度：

0.1ms/k-0.5ms/k

一个MB+口两个MB口

2.2140CPU53414模块

处理器：

486DX/66MHZ

内存：

2.5Mflash

离散量：

64K任混

逻辑解算速度：

0.09ms/k-0.45ms/k

一个MB+口两个MB口

2.3QUANTUM系列PLC具有如下显著的特点：

1）性能高——以可预测的和确定的方式1秒钟传递2000个寄存器。

2）适应环境能力强，工作环境为：

温度0-60。

C，湿度0-95%不冷凝。

3）诊断程序和LED正常/故障可视指示器使用户很快找到网络故障，使日常维护更加容易。

4）允许热更换（带电插/拔模块）。

5）PEERCOP允许被组态的控制器使用简单的填表的方法与其它控制器交换数据。

6）附加的数字协处理器可满足更多的控制要求，提供更多的可能性。

7）可选的冗余电源、电缆为重要场合提供安全保障。

8）远程站可采用单缆或双缆通讯，双缆可增加RIO网络通讯的可靠性，通讯介质为同轴电缆，最多可支持31个分站，距离达4500米，通讯速率1.544M。

9）特有的段调度技术使得I/O更新和程序扫描同步进行，从而实现安全、可预测地控制。

10）具有ModbusPlus+网络能力，允许建立以QuantumPLC为对等节点的令牌传递型工业网。

上位机与PLC通讯采用ModbusPlus+工业对等网，通讯速率1M，距离每段457米，加三个中继器（RR85），可达1800m。

11）Quantum符合UL、CSA等国际认证，给用户提供高质量的产品。

12）编程语言采用基于Windows环境下的Concept软件，它使得控制软件的编制变得简单、高效，较大的缩短开发应用时间。

Concept编程语言符合IEC1131可编程控制器的国际标准，风格统一，使用简单。

界面友好，可重复使用程序，具有强大的搜索功能，自由格式的图形编辑器、完善的在线帮助，使编程及程序维护简单。

Concept内置了两种PLC仿真器，可离线仿真，通过MB+连接方式，可动态调试程序。

可加注释，便于阅读程序。

具有方便的检查和诊断功能。

具有多层口令保护，防止软件非法更改。

具有多种编程语言：

FBD、LD、SFC、IL、ST和LL984语言等。

3.I/O模块

3.1140CPS11420电源模块

输入220VAC50HZ

输出5.1VDV11A

3.2140DAI74000开关量输入模块

运行电压175-230VAC16点220VAC隔离输入

3.3140DAO84000开关量输出模块

运行电压170-253VAC3.0A16点220VAC隔离输出

3.4140ACI03000模拟量输入模块

输入电流范围4-20MA8通道单极性输入

分辨率12位（0-4095）

3.5140ACO02000模拟量输出类型

输出电流范围4-20MA4通道单极性输出

分辨率12位（0-4095）

3.6140DDI35300开关量输入模块

运行电压15-30VDC32点+24V输入

4.控制网络

4.1概述

在控制网络中存在两种形式：

ModbusPlus+网、工业以太网和RI/O网。

下边分别介绍。

4.1.1ModbusPlus+网

ModbusPlus+是一个近距离通讯网络，它允许主计算机、可编程控制器和其它数据源以对等方式进行通讯，数据传送速度可达1M位/秒，其通讯介质是双绞线。

ModbusPlus+网络可用于：

在PLC之间进行数据传送

在PLC和主计算机之间进行数据传送

对PLC进行编程

从主机上对程序进行装入/转储/归

PLC主站与远程分站之间的通讯

一个ModbusPlus+网络可以分为一个或多个“段”，每“段”最多可以支持32台对等通讯装置（节点），1500英尺（450米）通讯距离。

若使用RR85中断器把两个“段”连接起来，这样，网络就可以支持64个ModbusPlus节点。

每“段”增加一个RR85中断器可扩展1500英尺通讯距离，一个网络最多可使用3个RR85，最长距离为6000英尺（1800米）。

两节点间的最短距离为10英尺。

中断器并不占网络上的地址。

ModbusPlus+网络上的节点均为对等逻辑关系，通过获得令牌来传递网络信息，一个节点拥有令牌就可以与所选的目标进行信息传送，或与网络上所有节点交换信息。

MSTR指令发出这种信息，这个指令在带有ModbusPlus通讯口的PLC中是标准指令，利用MSTR块，可以定义信息源及目标路径。

4.1.2RI/O网

RI/O网络为高速（1.544Mbit/s）局域网络（LAN），它采用市场上能购到的同轴电缆和CATV介质技术。

RIO支持：

离散和寄存器数据至输入和输出模块通讯。

ASCII信息传送至和取自某些RIO分站适配器。

RIO网络保证高速数据传送。

大部分数据在RIO处理器（在PLC前端）和RIO适配器（在远程分站）之间进行传送，对I/O的一个分站小于1ms。

PLC仅在逻辑段结尾服务于它们的分站适配器。

多逻辑段可在一次扫描中服务。

在段结尾更新RIO数据能确保整个数据的一致性。

CRC16报文校验保证，RIO信息将可靠地到达并在合适的目的节点进行完全的故障检查。

作为一个高速LAN，RIO必须支持时间要求很严格的应用场合。

在这一方面，RIO较其它专有的PLC通讯方法更具有一些优点：

它的HDLC协议执行使得RIO数据速度可预测。

PLC采用一致性通讯方法服务于每个节点，I/O分站总是在一确定的时间范围内更新，在用户逻辑段号的基础上可对该时间范围进行计算。

只有一个节点能在给定的时间进行传送，所以不会产生信息冲突，每个节点只在一确定的时间范围内在网络上进行传送。

由于在物理协议层的帧检查序列和故障检查，RIO具有高数据完整性。

网络上的每一个RIO分站适配器必须要赋予一个唯一的地址号。

RIO处理器利用该分站地址将I/O模块数据或ASCII信息数据送至合适的适配器。

网络上适配器的物理位置与它的地址或整个数据没有关系，使RIO网络成为真正的总线结构。

4.1.3工业以太网

工业以太网允许主计算机、可编程控制器和其它数据源以对等方式进行通讯，数据传送速度可达1M位/秒，其通讯介质是光纤网线。

工业以太网络可用于：

在PLC之间进行数据传送；在PLC和主计算机之间进行数据传送；对PLC进行编程；从主机上对程序进行装入/转储/归档。

一个工业以太网络可以分为一个或多个“段”，每“段”通过集线器可以支持8台对等通