電氣控制與PLC課件(機(jī)械工業(yè)出版社) 第4章 概述.ppt

1、PLC應(yīng)用技術(shù),三菱PLC外形圖,Q系列PLC,FX2N系列PLC,FX1N系列PLC,FX1S系列PLC,西門子PLC外形圖,S7-200系列PLC,S7-300系列PLC,S7-400系列PLC,歐姆龍PLC外形圖,C200H系列PLC,CPM1A、CPM2A系列PLC,主要內(nèi)容,PLC的組成與工作原理 PLC的基本指令 PLC的功能指令 PLC的特殊功能模塊,前修課程 數(shù)字電子電路模擬電子電路電路分析 計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)微機(jī)原理及接口技術(shù) 后續(xù)課程 微機(jī)控制技術(shù),第4章 可編程控制器的組成與工作原理,4.1 概述 4.2 可編程控制器的組成 4.3 可編程控制器的工作原理 4.4 可編程控制

2、器的編程語言,教學(xué)要求,1、了解可編程序控制器的由來及其特點(diǎn) 2、熟悉PLC的應(yīng)用領(lǐng)域 3、掌握PLC發(fā)展趨勢(shì) 4、掌握PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,4.1 概述,可編程控制器運(yùn)行實(shí)例,主電路原理圖,PLC控制原理圖,傳統(tǒng)的繼電接觸控制原理圖,問題提出,傳統(tǒng)的繼電接觸控制系統(tǒng)，只有通過改變某些硬件接線，才能完成控制方式的改變，而可編程控制器控制系統(tǒng)可在不改變硬件接線的情況下，通過修改程序而實(shí)現(xiàn)控制順序的變化。控制兩個(gè)電動(dòng)機(jī)的順序運(yùn)行，控制復(fù)雜程度不高，如用繼電接觸控制系統(tǒng)已夠費(fèi)時(shí)的了，何況汽車生產(chǎn)流水線的控制系統(tǒng),1968年，美國(guó)最大的汽車制造商通用汽車公司（GM）為了適應(yīng)汽車型號(hào)不斷翻新的需要

3、，提出了用一種新型的工業(yè)控制裝置取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)的設(shè)想，并為此提出了以下10項(xiàng)招標(biāo)指標(biāo)： 編程方便，可在現(xiàn)場(chǎng)修改程序； 維護(hù)方便，最好采用插件式結(jié)構(gòu)； 可靠性高于繼電器控制裝置； 數(shù)據(jù)可直接輸入管理計(jì)算機(jī)； 體積小于繼電器控制裝置； 成本可與繼電器控制裝置競(jìng)爭(zhēng)； 輸入電源可為市電（交流115V）； 輸出電源可為市電，負(fù)載電流要求在2A以上，能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器等； 擴(kuò)展時(shí)，原系統(tǒng)要求變更最少； 用戶程序存儲(chǔ)器容量大于4K字節(jié),PLC的產(chǎn)生,1969年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司研制出了世界上第一臺(tái)PC，型號(hào)為PDP-14。并成功的應(yīng)用在通用公司的汽車自動(dòng)化生產(chǎn)線上,1969年時(shí)被稱為可編程邏

4、輯控制器，簡(jiǎn)稱PLC (Programmable Logic Controller)。 70年代后期，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，稱其為可編程控制器，簡(jiǎn)稱PC (Programmable Controller)。但由于PC容易和個(gè)人計(jì)算機(jī) (Personal Computer)相混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用PLC作為可編程控制器的縮寫,可編程控制器的名稱演變,1985年 國(guó)際電工委員會(huì)） 可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字的，模擬的輸入和輸出，

5、控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程,可編程控制器定義,可編程控制器的發(fā)展歷史,第一代：從第一臺(tái)可編程控制器誕生到70年代初期。其特點(diǎn)是：CPU由中小規(guī)模集成電路組成，存儲(chǔ)器為磁芯存儲(chǔ)器； 第二代：70年代初期到70年代末期。其特點(diǎn)是：CPU采用微處理器，存儲(chǔ)器采用EPROM ； 第三代：70年代末期到80年代中期。其特點(diǎn)是：CPU采用8位和16位微處理器，有些還采用多微處理器結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)器采用EPROM、EAROM、CMOSRAM等 ； 第四代：80年代中期到90年代中期。CPU全面使用8位、16位微處理芯片的位片式芯片，處理速度也達(dá)到1us/步 ； 第五代：90年代中期至今。CPU使用16位和32位

6、的微處理器芯片，有的已使用RISC處理器,可編程控制器的基本特點(diǎn),靈活、通用 -PLC是通過存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的程序?qū)崿F(xiàn)控制功能的，如果控制功能需要改變的話，只需要修改程序以及改動(dòng)極少量的接線即可,可靠性高、抗干擾能力強(qiáng) 平均無故障時(shí)間一般可達(dá)10萬小時(shí)左右-PLC采用的是微電子技術(shù)，大量的開關(guān)動(dòng)作是由無觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來完成的，因此不會(huì)出現(xiàn)繼電器控制系統(tǒng)中的接線老化、脫焊、觸點(diǎn)電弧等現(xiàn)象,PLC還采取了以下主要措施來提高其可靠性。1)硬件措施：對(duì)電源變壓器、CPU、編程器等主要部件，均采用嚴(yán)格措施進(jìn)行屏蔽，以防外界干擾； 2)軟件措施監(jiān)控程序定期地監(jiān)測(cè)外界環(huán)境；死循環(huán)報(bào)警；停電時(shí)利用后備電池供電

7、,專為適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)” 編程簡(jiǎn)單、使用方便 -用微機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，使用的是匯編語言，難于掌握，要求使用者具有一定水平的計(jì)算機(jī)硬件和軟件知識(shí)。而PLC采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”編程，容易掌握,接線簡(jiǎn)單 功能強(qiáng) 體積小,重量輕,易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化,1向高速度、大存儲(chǔ)容量方向發(fā)展 CPU處理速度進(jìn)一步加快 存儲(chǔ)容量進(jìn)一步擴(kuò)大 2控制系統(tǒng)將分散化 分散控制、集中管理的原則。 3可靠性進(jìn)一步提高 隨著PLC進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，對(duì)可靠性的要求進(jìn) 一 步提高。硬件冗余的容錯(cuò)技術(shù)將進(jìn)一步應(yīng)用。 4控制與管理功能一體化 PLC將廣泛采用計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)，使

8、PLC系統(tǒng)的生產(chǎn)控制功能和信息管理功能融為一體,可編程控制器的發(fā)展趨勢(shì),開關(guān)量的邏輯控制 -開關(guān)量的邏輯控制是PLC的最基本控制功能。目前，PLC首用的目標(biāo)，就是用于開關(guān)量的控制,PLC的應(yīng)用領(lǐng)域,模擬量的閉環(huán)控制 -PLC具有A/D、D/A轉(zhuǎn)換及算術(shù)運(yùn)算等功能，因此可以實(shí)現(xiàn)模擬量控制,數(shù)字量的智能控制 -利用PLC能接收和輸出高速脈沖的功能，在配備了相應(yīng)的傳感器（如旋轉(zhuǎn)編碼器）或脈沖伺服裝置（如環(huán)型分配器、功放、步進(jìn)電機(jī)）就能實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的智能控制,數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控 -利用PLC自檢信號(hào)多的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自診斷方式的監(jiān)控，減少系統(tǒng)的故障，提高累計(jì)平均無故障運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)可減低故障修復(fù)時(shí)間，提高系統(tǒng)的可

9、靠性,通信、聯(lián)網(wǎng)及集散控制 -利用PLC的強(qiáng)大的通信聯(lián)網(wǎng)功能，把PLC分布到控制現(xiàn)場(chǎng)，并實(shí)現(xiàn)各站間的通信，上、下層間的通信，達(dá)到分散控制、集中管理，即構(gòu)成了現(xiàn)在的DCS系統(tǒng),FX系列可編程控制器型號(hào)格式如下： FX -,子系列名,I/O總點(diǎn)數(shù),單元功能,特殊品種特性,輸出類型,R：繼電器輸出 T：晶體管輸出 S：晶閘管輸出,M：基本單元 E：輸入輸出混合擴(kuò)展單元與擴(kuò)展模塊 EX：輸入專用擴(kuò)展模塊 EY：輸出專用擴(kuò)展模塊,4.2 可編程控制器的組成,圖4-1 PLC基本結(jié)構(gòu),一、PLC的組成,PLC的物理結(jié)構(gòu),1 、整體式,CPU模塊，輸入輸出模塊和電源裝在一個(gè)箱狀機(jī)殼內(nèi)。 適用于小型PLC，它

10、包括基本單元和擴(kuò)展單元 特點(diǎn)：體積小，價(jià)格底,2 、模塊式,由框架和模塊組成，模塊插在模塊插座上，模塊插座焊在框架中的總線連接板上,1、CPU (1) 診斷PLC電源、內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編制程序中的語法錯(cuò)誤。 (2) 采集現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并送入PLC的寄存器中。 (3) 逐條讀取指令，完成各種運(yùn)算和操作。 (4) 將處理結(jié)果送至輸出端。 (5) 響應(yīng)各種外部設(shè)備的工作請(qǐng)求。 主要類型 通用處理器：8086、80286、80386 單片機(jī)芯片：8031、8096 位片式微處理器：AMD-2900,PLC的硬件,2、存儲(chǔ)器,RAM) 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器：可讀可寫，沒有斷電保持功能,ROM)只讀存儲(chǔ)

11、器：只讀，不能寫,EEPROM)電可電擦除的存儲(chǔ)器：它是非易失的，兼有ROM的非易失性和RAM的隨機(jī)存取的優(yōu)點(diǎn)。但價(jià)格比較高,NOTE,RAM存放用戶程序，ROM存放系統(tǒng)程序,1）系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器（ROM） 用以存放系統(tǒng)管理程序、監(jiān)控程序及系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)，PLC出廠前已將其固化在只讀存儲(chǔ)器ROM或PROM中，用戶不能更改。 （2）用戶存儲(chǔ)器（RAM） 包括用戶程序存儲(chǔ)區(qū)和工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。這類存儲(chǔ)器一般由低功耗的CMOS-RAM構(gòu)成，其中的存儲(chǔ)內(nèi)容可讀出并更改。掉電會(huì)丟失存儲(chǔ)的內(nèi)容，一般用鋰電池來保持。 注意： PLC產(chǎn)品手冊(cè)中給出的“存儲(chǔ)器類型”和“程序容量”是針對(duì)用戶程序存儲(chǔ)器而言的,3、輸入輸

12、出接口電路,開關(guān)量輸入接口電路：采用光電耦合電路，將限位開關(guān)、手動(dòng)開關(guān)、編碼器等現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成CPU所能接受和處理的數(shù)字信號(hào)。 PLC的輸入接口電路（直流輸入型,開關(guān)量輸出接口電路： 采用光電耦合電路，將CPU處理過的信號(hào)轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)需要的強(qiáng)電信號(hào)輸出，以驅(qū)動(dòng)接觸器、電磁閥等外部設(shè)備的通斷電。 有三種類型： 第一:繼電器輸出型：為有觸點(diǎn)輸出方式，用于接通或斷開開關(guān)頻率較低的直流負(fù)載或交流負(fù)載回路,第二:晶閘管輸出型： 為無觸點(diǎn)輸出方式，用于接通或斷開開關(guān)頻率較高的交流電源負(fù)載,第三:晶體管輸出型： 為無觸點(diǎn)輸出方式，用于接通或斷開開關(guān)頻率較高的直流電源負(fù)載,4、電源 5、擴(kuò)展接口

13、6、存貯器接口 7、外設(shè)接口,PLC的軟件,1、監(jiān)控程序 由生產(chǎn)廠家編制，用于管理、協(xié)調(diào)PLC各部分工作，方便用戶使用的通用程序。 1）系統(tǒng)配置登記及初始化 2）系統(tǒng)自診斷 3）命令識(shí)別與處理 4）用戶程序編譯 5）模塊化子程序及調(diào)用管理 2、用戶程序,3、用戶環(huán)境 （1）用戶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 第一類為bit數(shù)據(jù)，屬于邏輯量，其值為“0”或“1”。 第二類為字?jǐn)?shù)據(jù)，其數(shù)制、位長(zhǎng)有多種形式。通常采用BCD碼形式。FX2N系列和A系列中為4位BCD、雙字節(jié)為8位BCD碼。 第三類為字與bit的混合，即同一元件既有bit元件，又有字元件。例如T（定時(shí)器）和C（計(jì)數(shù)器），它們的觸點(diǎn)為bit，設(shè)定值寄存器和當(dāng)前

14、值寄存器則為字。 （2）元件 用戶使用的每一個(gè)輸入、輸出端子及內(nèi)部的存貯單元都稱為元件，每個(gè)元件有其固定的地址。元件的數(shù)量由監(jiān)控程序規(guī)定，它的多少?zèng)Q定PLC整個(gè)系統(tǒng)的規(guī)模及數(shù)據(jù)處理能力,4) PLC的內(nèi)部等效電路,二、PLC的主要性能指標(biāo),1、存儲(chǔ)器容量 2、I/O點(diǎn)數(shù) 3、掃描速度 4、內(nèi)部寄存器 5、指令系統(tǒng) 6、特殊功能及模塊 7、擴(kuò)展能力,4.3 可編程控制器的工作原理,可編程控制器的工作原理,內(nèi)部處理,通訊服務(wù),輸入刷新,程序執(zhí)行,輸出刷新,可編程控制器在開機(jī)后，完成內(nèi)部處理、通信處理、輸入刷新、程序執(zhí)行、輸出刷新五個(gè)工作階段，稱為一個(gè)掃描周期。完成一次掃描后，又重新執(zhí)行上述過程，可

15、編程控制器這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式,信號(hào)傳遞過程(從輸入到輸出,輸入刷新階段-CPU從輸入電路的輸出端讀出各路狀態(tài)，并將其寫入輸入映像寄存器,b.程序執(zhí)行階段 - CPU從輸入映像寄存器和元 件映像寄存器中讀出各繼電器的狀態(tài)，并根據(jù) 此狀態(tài)執(zhí)行用戶程序，執(zhí)行結(jié)果再寫入元件映 像寄存器中,c. 緊接著的輸出刷新階段-將輸出映像寄存器的狀態(tài)寫入輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路傳遞輸出端子，從而控制外接器件動(dòng)作,掃描周期和I/O滯后時(shí)間,I/O滯后時(shí)間又稱為系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，是指可編程控制器外部輸入信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)刻起至它控制的有關(guān)外部輸出信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)刻之間的間隔,可編程控制器在運(yùn)行工作

16、狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行一次掃描操作所需要的時(shí)間稱為掃描周期。其典型值為1100ms,I/O滯后現(xiàn)象的原因,1）輸入濾波器有時(shí)間常數(shù) （2）輸出繼電器有機(jī)械滯后 （3）PLC循環(huán)操作時(shí)，進(jìn)行公共處理、I/O刷新和執(zhí)行用戶程序等產(chǎn)生掃描周期 （4）程序語句的安排，也影響響應(yīng)時(shí)間,PLC輸入輸出響應(yīng)時(shí)間,說明:輸入信號(hào)在第一個(gè)掃描周期的輸入采樣階段之后才出現(xiàn)，故在第一個(gè)掃描周期內(nèi)，各映像寄存器的均為“0”狀態(tài)，使Y0、Y1、Y2輸出端的狀態(tài)為OFF（“0”）狀態(tài),Y1,Y0,X0,Y1,X0,Y2,輸入信號(hào),X0,Y1,Y2,Y0,輸入采樣,說明:在第二個(gè)掃描周期的輸入采樣階段，輸入繼電器X0的狀態(tài)為ON（“

17、1”）狀態(tài)，程序執(zhí)行階段，Y1、Y2依次接通，故Y1、Y2輸出端的狀態(tài)為ON（“1”）狀態(tài),說明:在第三個(gè)掃描周期的程序執(zhí)行階段，由于的接通使接通，可見從外部輸入觸點(diǎn)接通到驅(qū)動(dòng)的負(fù)載接通，程序執(zhí)行階段，響應(yīng)延遲達(dá)兩個(gè)多掃描周期,PLC的元件,1輸入繼電器（X000X027） 專門用于接收從外部開關(guān)或敏感元件來的信號(hào)，其線圈與輸入端相連，可提供多對(duì)電子常開、常閉觸點(diǎn)，供編程時(shí)調(diào)用。 只能由外部信號(hào)驅(qū)動(dòng)，不能由內(nèi)部指令驅(qū)動(dòng)。 輸入繼電器電路示意圖如下,2輸出繼電器（Y000Y027） 只能由程序內(nèi)部指令驅(qū)動(dòng)，它提供一個(gè)外部輸出觸點(diǎn)帶負(fù)載，另外提供多對(duì)電子常開、常閉觸點(diǎn)供編程時(shí)使用。 輸出繼電器電路

18、示意圖 如下圖所示,3輔助繼電器（M） 只能由PLC內(nèi)各軟元件的觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，不能直接驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載. 輔助繼電器電路示意圖如下,1）通用型輔助繼電器 有500點(diǎn)，編號(hào)為M0M499 （2）掉電保護(hù)型輔助繼電器 有2572點(diǎn)，編號(hào)為M500M3071 失電數(shù)據(jù)保持電路如下,3）特殊輔助繼電器 有256點(diǎn)，編號(hào)為M8000M8255，每一個(gè)均具有特定功能，分為兩大類： 1）線圈由PLC自己驅(qū)動(dòng)，用戶只能利用其觸點(diǎn)。 2）可驅(qū)動(dòng)線圈型。用戶驅(qū)動(dòng)線圈后，PLC作特定動(dòng)作,4狀態(tài)繼電器（S） 與步進(jìn)順控指令STL組合使用。編號(hào)為S0S999，共1000點(diǎn)。 初始化用：S0S9，共10點(diǎn)； 回原點(diǎn)用：S10S19，共10點(diǎn)； 通用：S20S499，共480點(diǎn)； 掉電保持用：S500S899，共400點(diǎn)； 報(bào)警用：S900S999，共100點(diǎn),以機(jī)械手抓取工件的運(yùn)動(dòng)為例，說明狀態(tài)器的功能和作用。三個(gè)動(dòng)作：下降夾緊上升，是典型的步進(jìn)順序控制.機(jī)械手抓取工件步進(jìn)順控流程圖如下,5定時(shí)器（T） （1）通電延時(shí)型定時(shí)器（T0T245） 1) 100ms定時(shí)器（T0T199） 2