第一章-PLC背景知識ppt課件

1、可編程控制器,可編程控制器,教材：可編程控制器原理及應(yīng)用(第2版) 宮淑貞 徐世許 人民郵電出版社 2009.4 參考書：PLC電氣控制-CPM1A系列和S7-200 夏田 陳嬋娟 等 化學(xué)工業(yè)出版社 2008.2 可編程控制器原理及應(yīng)用實例 張進秋等 機械工業(yè)出版社 2003,1.1 PLC的產(chǎn)生、命名與發(fā)展,第一章 可編程序控制器的基礎(chǔ)知識,1.2 PLC的特點與應(yīng)用,1.3 PLC的基本組成與各部分的作用,1.4 PLC的工作原理,1.5 PLC的編程語言,1.6 PLC的性能指標與分類,第一節(jié) 可編程序控制器(PLC)的出現(xiàn)、命名與發(fā)展,1、可編程序控制器(PLC)的出現(xiàn),在PLC出現(xiàn)

2、以前，繼電器控制得以廣泛應(yīng)用，曾在工業(yè)界占主導(dǎo)地位。其明顯缺點是：體積大、可靠性低、查找故障困難，特別是它接線復(fù)雜對工藝變化適應(yīng)性差。這樣汽車的每次改型都必須對繼電器控制重新設(shè)計和安裝。隨著生產(chǎn)的發(fā)展汽車更新的周期越來越短，使得繼電器控制裝置要經(jīng)常的重新設(shè)計。十分費時、費力、費工、費料，延長了開發(fā)周期,1968年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司(GM) 為了用新的控制裝置取代繼電器控制裝置通用汽車公司在公開招標中提出了十項招標指標,1)編程方便，現(xiàn)場可修改程序； (2)維修方便，采用模塊化結(jié)構(gòu)； (3)可靠性高于繼電器控制裝置； (4)體積小于繼電器控制裝置； (5)數(shù)據(jù)可直接送入計算機；

3、(6)成本可與繼電器控制裝置競爭； (7)可直接用115V交流輸入； (8)輸出為115v，2A以上，能直接驅(qū)動 電磁閥、 接觸器等 (9)通用性強，要能擴展； (10)用戶程序存儲器容量可擴展到4KB,這實際上是為未來可編程控制器勾畫出了一個基本輪廓。1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)招標要求，設(shè)計出世界上第一臺可編程控制器（當時簡稱PLC：可編程邏輯控制器），僅具有邏輯控制、定時、計數(shù)等功能。20世紀70年代，微控制技術(shù)應(yīng)用到PLC中，使其又具有了運算、數(shù)據(jù)傳輸和處理功能。后來經(jīng)過不斷發(fā)展功能日趨成熟,2、可編程序控制器(PLC)的命名和定義,可編程控制器是以計算機為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控

4、制裝飾，被國際電工委員會（IEC）命名為：programmable controller,因而許多廠商和論文都稱其為PC。 1980年，美國電氣制造協(xié)會（NEMC）正式將其命名為可編程控制器（ programmable controller -PC,后來，由于與個人計算機（personal computer-PC）名字相同，產(chǎn)生混淆，大家又沿用“PLC”這個名稱。習(xí)慣而已，從功能上講早已不是原來意義上的PLC。在PLC發(fā)展過程中，曾出現(xiàn)以下不同的名稱： 可編程矩陣控制器（programmable matrix controller, PMC) 可編程順序控制器（programmable seq

5、uence controller, PSC) 可編程邏輯控制器（programmable logic controller, PLC,國際電工委員會(IEC)曾于1982年11月頒布了可編程控制器標準草案第一稿，1985年1月又發(fā)表了第二稿，1987年2月頒布了第三稿該草案中對可編程控制器的定義是,可編程控制器是一種進行數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計的工業(yè)控制器它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機械的生產(chǎn)過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

6、整體、易于擴充其功能的原則設(shè)計,3、可編程序控制器(PLC)的發(fā)展及趨勢,3.1 可編程序控制器(PLC)的發(fā)展狀況,1969年美國制造出第一臺PLC，其后，日、德、法相繼研制出。20世紀70年代PLC進入實用化階段，功能并不斷完善；80年代為成熟階段，向大規(guī)模、高速度、高性能方向發(fā)展，產(chǎn)品系列化。 美國發(fā)展最快，著名的制造商有：艾倫-布拉德利公司、莫迪康公司、GE公司、德州儀器公司、西屋電氣公司。 歐洲有：西門子、AEG、BBC（德）；TE、LSTOM（法）；Selectron公司（瑞士）。 日本有：歐姆龍、三菱電機、富士電機、東芝、日立、松下電工,第一代：從第一臺可編程序控制器誕生到70年

7、代初期,第二代：70年代初期到70年代末期,第三代：70年代末期到80年代中期,第四代：80年代中期到90年代中期,第五代：90年代中期至今,我國70年代末、80年代初引進PLC，80年代中期于各行業(yè)廣泛應(yīng)用，后來也有PLC生產(chǎn)廠商，規(guī)模不大，多為合資或技術(shù)引進,發(fā)展歷程,3.2 可編程序控制器(PLC)的發(fā)展趨勢,小型PLC向體積縮小、功能增強、速度 加快、價格低廉的方向發(fā)展，使之能更加 廣泛地取代繼電器控制,大中型PLC向大容量、高可靠性、高速度、多功能、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展，使之能對大規(guī)模、復(fù)雜系統(tǒng)進行綜合性的自動控制,四大發(fā)展趨勢,高速度、大容量方向發(fā)展。 多品種方向發(fā)展和提高可靠

8、性。特別是向超大型和超小型方向發(fā)展。 產(chǎn)品更加規(guī)范化、標準化。現(xiàn)有PLC嚴重缺點是軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的封閉性，用戶將促進PLC生產(chǎn)廠商做成兼容的PLC產(chǎn)品。 發(fā)展分散型、智能型I/O系統(tǒng)，發(fā)展與現(xiàn)場總線兼容的I/O系統(tǒng),第二節(jié) 可編程序控制器(PLC)的特點與應(yīng)用,1、PLC的特點,1、可靠性高、抗干擾能力強,2、編程簡單、使用方便,3、設(shè)計、安裝容易，維護工作量少,4、功能完善、通用性強,5、體積小、能耗低,6、性能價格比高,PLC系統(tǒng)的基本特點是：可靠、方便、通用、價廉,可靠性高、抗干擾能力強,PLC的平均故障間隔時間可達幾十萬小時,PLC的循環(huán)掃描工作方式能在很大程度上減少軟故障的發(fā)生,PL

9、C采用了一系列的硬件和軟件的抗干擾措施,除了其良好的綜合設(shè)計（綜合考慮整體的可靠性）、選用優(yōu)質(zhì)器件和先進電源以及先進的制造工藝外還具體： 硬件方面： 光電隔離措施有效地抑制了外部干擾源對PLC的影響，同時還可以 防止外部高電壓進入CPU模塊 濾波對供電系統(tǒng)及輸入線路采用多種形式的濾波，可消除或抑制高頻干擾 屏蔽可減弱空間電磁干擾。聯(lián)鎖保護、自診斷電路等 軟件方面：設(shè)置故障檢測與診斷程序 當軟故障條件出現(xiàn)時，立即把現(xiàn)狀態(tài)重要信息存入指定 存儲器，軟硬件配合封閉存儲器，禁止對存儲器進行任何 不穩(wěn)定的讀寫操作，以防存儲信息被沖掉這樣，一旦外 界環(huán)境正常后，便可恢復(fù)到故障發(fā)生前的狀態(tài)，繼續(xù)原來 的程序

10、工作,提高可靠性的措施,編程簡單、使用方便,PLC采用繼電器控制形式的梯形圖編程方式，這是一種面向生產(chǎn)、面向用戶的編程方式，與常用的微機語言相比形象直觀、容易被操作人員所接受并掌握，不需要專門的計算機知識。還可現(xiàn)場操作改變程序，使用方便、靈活,2、PLC的應(yīng)用,1) 開關(guān)量的邏輯控制,2) 位置控制,3) 過程控制,4) 數(shù)據(jù)處理,5)通信聯(lián)網(wǎng),6)在計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS) 中的應(yīng)用,第三節(jié) 可編程序控制器(PLC)的基本組成及各部分的作用,1、 PLC的基本組成,PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同,PLC種類繁多,但結(jié)構(gòu)和工作原理大同小異,一般由

11、中央處理單元(CPU)、存儲器、輸入/輸出單元、編程器、電源等部分組成，入圖所示,中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞，類似于人的大腦。根據(jù)PLC的預(yù)定指令完成各種任務(wù)。CPU可以完成以下任務(wù),1) 接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)： (2) 診斷電源、PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程的 語法錯誤： (3) 用掃描的方式接收輸入信號，送入PLC的數(shù)據(jù) 寄存器保存起來； (4) PLC進入運行狀態(tài)后，根據(jù)存放的先后順序逐 條讀取用戶程序，進行解釋和執(zhí)行，完成用 戶程序中規(guī)定的各種操作； (5) 將用戶程序的執(zhí)行結(jié)果送至輸出端,2、 中央處理單元（CPU,3、存儲器,PLC存儲器分為三部分

12、,系統(tǒng)程序存儲器 在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當于計算機操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等。由制造廠商將其固化在EPROM中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該PLC的性能。 用戶程序存儲器 主要用來存儲用戶編寫的程序，輸入輸出狀態(tài)、計數(shù)、計時值以及系統(tǒng)運行必要的初始值。一般用戶程序經(jīng)常變動，所以程序必須可讀寫，一般還要后備電池進行掉電保護。也有更先進的PLC采用隨時可讀寫的快閃存儲器作為用戶程序存儲器，它一般不需要后備電源。 工作數(shù)據(jù)存儲器 用來存儲工作數(shù)據(jù)的，因為工作數(shù)據(jù)也要經(jīng)常變動，故它也要求可讀寫。工作數(shù)據(jù)開辟有元件映象存儲器和數(shù)據(jù)

13、表。元件映象寄存器用來存儲開關(guān)量輸入/輸出狀態(tài)，以及定時器、計數(shù)器、輔助繼電器等內(nèi)部器件的狀態(tài)。數(shù)據(jù)表用來 存儲各種數(shù)據(jù)，如用戶程序執(zhí)行時的某些變參數(shù)值、A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果、運算結(jié)果,4、輸入/輸出單元,4.1開關(guān)量輸入單元 輸入單元接收操作指令和現(xiàn)場的狀態(tài)信息，如控制按鈕、操作開關(guān)和限位開關(guān)、光電管、繼電器觸點、行程開關(guān)、接近開關(guān)等信號，并通過輸入電路的濾波、光電隔離和電平轉(zhuǎn)換等將這些信號轉(zhuǎn)換成CPU能夠接收和處理的信號,直流輸入,交流輸入,匯點式,分組式,分隔式,4.1.1直流輸入單元,工作原理,S閉合時,S斷開時,S閉合，LED亮表示接通。光耦合器T導(dǎo)通，A點高電平，經(jīng)濾波電路送入內(nèi)部電路

14、。當CPU程序訪問該路信號時，該點對應(yīng)的輸入映射寄存器的狀態(tài)為1；相反為0,4.1.2交流輸入單元,工作原理與直流輸入電路基本相同,匯點式) (分組式) (分隔式,4.2開關(guān)量輸出單元,輸出單元將CPU送出的弱電控制信號通過輸出電路的光電隔離和功率放大等轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以驅(qū)動接觸器、電磁閥、電磁鐵等執(zhí)行元件,匯點式,分組式,分隔式,4.2.1晶體管輸出單元,晶體管無觸點開關(guān)，其使用壽命長，響應(yīng)速度快,4.2.2雙向晶閘管輸出單元,負載電源可根據(jù)需要選擇直流或交流,4.2.3繼電器輸出單元,負載可直流或交流。但是由于繼電器使用壽命為1030萬次，因此頻繁通斷場合（高頻脈沖）應(yīng)該選用

15、晶體管或晶閘管,PLC內(nèi)部輸出電路,5、電源,開關(guān)式穩(wěn)壓電源輸入電壓范圍寬、體積小、 重量輕、效率高、抗干擾性能好,PLC一般配有開關(guān)式穩(wěn)壓電源,6、編程器,專用編程器,圖形編程器,簡易編程器,計算機輔助編程,不能輸入梯形圖程序，只能輸入語句表程序,可直接輸入梯形圖程序,利用計算機，通過硬件接口和專用軟件包，使用戶直接在計算機上編程。既可以用梯形圖也可以用助記符編程，具有很強的監(jiān)控能力。是近幾年的發(fā)展新趨勢，大大提高了程序編寫和調(diào)試的效率,第四節(jié) 可編程序控制器(PLC)的工作原理,PLC控制,程序控制,在可編程序控制器構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，支配控制系統(tǒng)工作的程序存放在存儲器中，利用程序來實現(xiàn)控制

16、邏輯，完成控制任務(wù),PLC是一種微機控制系統(tǒng)，其工作原理也與微機相同，但在應(yīng)用時，可不必用計算機的概念去做深入的了解，只需將它看成是由普通的繼電器、定時器、計數(shù)器、移位器等組成的裝置，從而把PLC等效成輸入、輸出和內(nèi)部控制電路三部分,1）輸入部分 作用： 接受被控設(shè)備的信息或操作命令等外部輸入信息,2）內(nèi)部控制電路 作用： 運算和處理由輸入部分得到的信息，并判斷應(yīng)產(chǎn)生哪些輸出,3）輸出部分 作用：驅(qū)動外部負載,機電控制系統(tǒng),循環(huán)掃描工作方式,微機原理,PLC的工作過程是周期性的循環(huán)掃描的工作過程,每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。 一個掃描周期中除了執(zhí)行指令外，還有 I/O刷新、故障診斷等操作,PL

17、C的循環(huán)掃描工作方式,輸出刷新：將輸出繼電器的元件映象寄存器的狀態(tài)傳送到相應(yīng)的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路的隔離和功率放大部分傳送到PLC的輸出端，驅(qū)動外部（負載）執(zhí)行元件動作,I/O刷新階段,輸入刷新：CPU從輸入電路中讀出各輸入點狀態(tài)，并將此狀態(tài)寫入輸入映象寄存器中, 刷新輸入映象寄存器的內(nèi)容,程序執(zhí)行階段,CPU按先左后右，先上后下的順序?qū)γ織l指令進行逐條調(diào)出并解釋、執(zhí)行，CPU從輸入映象寄存器和元件映象寄存器中讀出各繼電器的狀態(tài)，根據(jù)用戶程序給出的邏輯關(guān)系進行邏輯運算，運算結(jié)果再寫入元件映象寄存器中,第五節(jié) 可編程序控制器(PLC)的編程語言,一、梯形圖 二、語句表 三、邏輯功能圖 四、

18、邏輯方程式或布爾代數(shù)式,一、梯形圖,二、語句表,語句表是一種與匯編語言類似的助記符編程表達式,LD 00000 (表示邏輯操作開始,常開觸點與母線連接,OR 01000 (表示常開觸點并聯(lián),ANDNOT 00001 (表示常閉觸點串聯(lián),OUT 01000 (表示輸出,例,語句表與梯形圖是一一對應(yīng)關(guān)系；語句表將梯形圖控制邏輯描述出來，并通過編程器輸入到機器中去,三、邏輯功能圖,邏輯功能圖用“與”、“或”、“非”等邏輯功能來表達控制功能,四、 邏輯方程式或布爾代數(shù)式,01000=(00000+01000)/00001,第六節(jié) 可編程序控制器(PLC)性能指標和分類,1、PLC的性能指標,1.)I/O點數(shù)輸入、輸出端子的個數(shù),2.)用戶程序存儲器容量決定了PLC可以容納用戶程序的長短，一般以字為單位來計算。 中、小型PC的存儲容量一般在8K以下，大型PC的存儲容量達到256K2M,3.)掃描速度掃描速度是指PLC執(zhí)行程序的速度，是衡量PLC控制速度的重要指標。 以ms/K字為單位表示，例如20ms/K字，表示掃描1K字的用戶程序所需要的時間為20ms,4.)指令種