工学电气与PL控制.pptx

2012/5/261第一节 可编程控制器的基本概念一、可编程控制器的产生可编程序控制器问世于1969年。是美国汽车制造工业激烈竞争的结果。更新汽车型号必然要求加工生产线改变。正是从汽车制造业开始了对传统继电器控制的挑战。1968年美国General Motors（通用汽车）公司，要求制造商为其装配线提供一种新型的通用程序控制器，并提出10项招标指标。这就是著名的GM 10条。2024/8/9 周五21.编程简单，可在现场修改程序；2.可靠性高于继电器控制柜；3.体积小于继电器控制柜；4.维护方便，最好是插件式；5.可将数据直接送入管理计算机；6.在成本上可与继电器控制柜竞争；7.输入可以是交流115V；8.输出为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀等；9.在扩展时，原系统只需很小变更；10.用户程序存贮器容量至少能扩展到4K。GM10条是可编程序控制器出现的直接原因：2024/8/9 周五3二、可编程控制器的发展及定义 1969年，美国数据设备公司(DEC)研制出世界上第一台可编程控制器，并成功地应用在GM公司的生产线上。这一时期它主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC(Programmable Logic Controller)PLC(Programmable Logic Controller)。70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制领域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC(Programmable Controller)。但由于PC容易和个人计算机(Personal Computer)相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。2024/8/9 周五4 可编程控制器图片2024/8/9 周五5 1985年1月国际电工委员会的定义国际电工委员会的定义：“可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在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、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充的原则设计”。2024/8/9 周五6 一、一、PLCPLC的主要特点的主要特点1.可靠性高、抗干扰能力强。主要有以下几个方面：隔离隔离(采用光电耦合器采用光电耦合器 )滤波 对PLC的内部电源采取了屏蔽、稳压、保护等措施。设置了连锁、环境检测与诊断、Watchdog等电路。利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测。对用户程序及动态工作数据进行电池备份。采用密封、防尘、抗振的外壳封装结构。采用密封、防尘、抗振的外壳封装结构。以集成电路为基本元件，内部处理过程不依赖于机械触点。采用循环扫描的工作方式采用循环扫描的工作方式，也提高了抗干扰能力。第二节第二节 可编程控制器的特点及应用可编程控制器的特点及应用2024/8/9 周五72.配套齐全，功能完善，适用性强 同一台PLC只需改变软件程序就可完成不同的控制，PLC功能模块品种多，可灵活组合成不同功能的控制装置。3.易学易用，深受工程技术人员欢迎 采用梯形图语言的图形符号和表达方式与继电器电路图非常相似，工程技术人员容易掌握。4.系统设计周期短，维护方便，改造容易5.体积小、重量轻、功耗低2024/8/9 周五8PLCPLC与其主要模块2024/8/9 周五92PLC的应用场合1.逻辑控制逻辑控制：可取代传统继电器系统和顺序控制器。如各种机床、自动电梯、装配生产线、电镀流水线、运输和检测等的控制。2.模拟量控制：温度、压力、流量等模拟量的控制。3.运动控制运动控制：可用于精密金属切削机床、机械手、机器人等设备的控制。4.过程控制过程控制：通过配用AD、DA转换模块及智能PID模块实现对生产过程中的温度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量进行闭环调节控制。5.5.数据处理数据处理 6.通信及联网：利用PLC的网络通信功能模块及远程IO控制模块实现多台PLC之间、PLC与上位计算机的链接，以完成较大规模的复杂控制。2024/8/9 周五10 3.3.通讯接口模块通讯接口模块2024/8/9 周五11PLCPLC通信联网2024/8/9 周五12第三节 可编程控制器的发展69年70年代中80年代初20世纪末第一台PLC诞生 实用化发展阶段广泛应用全面发展集成电路计算机技术成熟阶段向大型和超小型发展2024/8/9 周五13第四节 可编程控制器的组成及其部分功能 可编程控制器虽然外观各异，但硬件结构大体相同。由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出器件）I/O接口）、电源及编程设备几大部分构成。2024/8/9 周五14（一）（一）CPU诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。采集现场的状态或数据，并送人PLC的寄存器中。逐条读取指令，完成各种运算和操作。将处理结果送至输出端。响应各种外部设备的工作请求。2024/8/9 周五15（二）存储器（二）存储器 系统程序存储器系统程序存储器：用以存放系统管理程序、监控程序及系统内部数据。PLC出厂前已将其固化在只读存储器ROM或EPROM中，用户不能更改。用户存储器：用户存储器：包括用户程序存储区及工作数据存储区。这类存储器一般由低功耗的CMOS-RAM构成，其中的存储内容可读出并更改。注意：注意：PLC产品手册中给出的“存储器类型”和“程序容量”是针对用户程序存储器而言的。2024/8/9 周五16 （三）输入（三）输入/输出接口输出接口 作用：作用：完成CPU与现场设备及其他外部设备间的连接。输入输入/输出模块的种类：输出模块的种类：电平转换模块电气隔离模块。输入电平转换模块：将输入端不同电压或电流信号源转 换成CPU能接受的低压电平。输出电平转换模块：将CPU控制的低电平转换为控制设 备所需的电压或电流信号。电气隔离模块：将CPU信号与输入和输出端信号通过光 电耦合进行传递，增强抗干扰能力同时 也保护CPU。注意：注意：输入/输出模块既可以与CPU放置在一起 又可远程放置，通过专门的通讯线接受 CPU控制。2024/8/9 周五171、开关量输入接口 通常PLC的输入类型可以是直流、交流和交直流。输入电路的电源可由外部供给，有的也可由PLC内部提供。输入接口电路输入接口电路：采用光电耦合电路，将限位开关、手动开关、编码器、传感器等现场输入设备的控制信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。2024/8/9 周五182开关量输出输出接口电路：输出接口电路：采用光电耦合电路，将将CPUCPU处理过的信处理过的信号转换成现场需要的强电信号输出，号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀等外部设备的通断电。有三种类型：继电器输出型继电器输出型继电器输出型：为有触点输出方式，用于接通或断开开关频率较低的开关频率较低的直流负载直流负载或或交流负载交流负载回路回路。2024/8/9 周五19（b）晶闸管输出型（c）晶体管输出型（NPN集电极开路）（d）晶体管输出型（PNP集电极开路）晶体管输出型晶体管输出型：为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的直流电源负载。晶闸管输出型：晶闸管输出型：为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的交流电源负载。2024/8/9 周五203、模拟量输入接口模拟量输入接口 将现场连续变化的模拟标准信号转换成数字信号。接受模拟电压或电流信号均可。工业现场中模拟信号的变化一般是不标准的，在送入模拟量接口时一般需经过变送处理才能使用。如图5-6，模拟信号经运算放大器放大后进行A/D转换：2024/8/9 周五21 A/D A/D模块：把模拟量（温度、压力等）转换成数字量。模块：把模拟量（温度、压力等）转换成数字量。D/AD/A模块：把模块：把PLCPLC输出的数字量变换模拟输出的数字量变换模拟量。量。每块模拟量每块模拟量I/OI/O模块有模块有2/4/82/4/8路输入或输出通道，每路通道路输入或输出通道，每路通道 I/OI/O信号电平为信号电平为1 15V/05V/010V/-1010V/-10+10V+10V，电流为，电流为4 420mA20mA。2024/8/9 周五22（四）电源（四）电源 PLC内部配有一个内部配有一个专用开关式用开关式稳压电源，可将源，可将PLC外部外部连接的接的电源源电压转化化为CPU、存、存储器、器、输入入输出接口等出接口等电路工作所需的直流路工作所需的直流电源，并源，并为外部外部输入元件提供入元件提供24V直流直流电源。需要注意的是，源。需要注意的是，PLC负载的的电源是由用源是由用户另外提供的。另外提供的。2024/8/9 周五23（五）外部设备五）外部设备 1 1、编程器：专用编程器；个人计算机、编程器：专用编程器；个人计算机 手持编程器采用助记符语言编程助记符语言编程，具有编辑、检索、修改程序、进行系统设置、内存监控等功能。可一机多用，具有使用方便、价格低廉的特点。缺点：缺点：不够直观不够直观 可通过PLC的RS232外设通讯口(或RS422口配以适配器)与计算机联机，利用专用工具软件利用专用工具软件（FXGPWIN GX Developer）对对PLCPLC进行编程和监控进行编程和监控。利用计算机进行编程和监控比手持编程工具更加直观和方便。2024/8/9 周五24 2 2、其他外部设备、其他外部设备 （1 1）盒式磁带机）盒式磁带机:记录程序或信息。记录程序或信息。（2 2）打印机）打印机:打印程序盒制表打印程序盒制表。（3 3）EPROMEPROM写入器写入器:将程序写入用户的将程序写入用户的 EPROMEPROM卡中。卡中。（4 4）高分辨率监控系统）高分辨率监控系统 显示或监控控制系统中有关部分的显示或监控控制系统中有关部分的 运行状态运行状态2024/8/9 周五25第五节 可编程控制器的结构及软件一、可编程控制器的结构（一)按硬件的结构类型分类：单元式(整体式）、模块式、紧凑式等紧凑式等 2024/8/9 周五26模块式PLC紧凑式紧凑式2024/8/9 周五27（二）按应用规模及功能分类1.按点数分类（输入点和输出点数的总和称为机器的点）超大型（8192点以上）大型 （5128192）中型 （128512）小型 （64128）超小型 （64点以下）2.按功能分类 低档机（逻辑运算为主，具有计时、计数移位等功能）中挡机（整数及浮点运算、数制转换、PID调节及联网等功能）高档机（更强的数字处理能力、矩阵和函数运算、通信等）2024/8/9 周五28二、可编程控制器软件二、可编程控制器软件（一）软件分类1、系统软件 系统管理程序、用户指令的解释程序、供系统调用的专用标准程序块2、应用软件 也叫用户软件，由用户根据现场情况编制的PLC程序。如图所示，继电器控制线路与PLC程序和接线比较。PLC简单很多，改变程序即可控制不同的功能，而继电器控制则要重新接线。2024/8/9 周五29（二）PLC的编程语言 不采用微机的编程语言，采用梯形图语言、指令助记符语言、控制系统流程图语言、布尔代数语言等。其中梯形图、指令助记符语言最为常梯形图、指令助记符语言最为常用。用。PLC的设计和生产至今尚无国际统一标准，不不同厂家所用语言和符号也不尽相同。同厂家所用语言和符号也不尽相同。但它们的梯形图语言的基本结构和功能是大同小异大同小异的。2024/8/9 周五30 1.1.梯形图语言梯形图语言 梯形图是梯形图是在原继电器接触器控制系统的继电器梯形图基础上演变而来的一种图形语言一种图形语言。它是目前用得最它是目前用得最多的多的PLCPLC编程语言。编程语言。注意注意：梯形图表示的并不是一个实际电路而只是不是一个实际电路而只是一个控制程序，一个控制程序，其间的连线表示的是它们之间的逻辑关系，即所谓“软接线”。X400Y430X401Y430Y430Y4312024/8/9 周五312024/8/9 周五322024/8/9 周五33PLC程序运行是按照梯形图中器件从上至下、从左到右逐一处理。KM2KM1KM2KM1不能确定哪一个先闭合及能稳定工作Y2Y1Y1Y2Y1接通注意：注意：1.梯形图中的左右母线不是实际的导线，继电器也不是物理继电器，而是“软继电器”该位状态为“1”时，对应的继电器线圈接通，其常开触点闭合、常闭触点断开；状态为“0”时，对应的继电器线圈不通，其常开常闭触点保持原态。2.分析梯形图的程序执行过程所用到到电流只是“概念”上的电流，而这种电流只能从上至下、从左到右，不可逆。2024/8/9 周五34 2.语句表（指令助记符语言）助记符语言类似于计算机汇编语言助记符语言类似于计算机汇编语言，用一些用一些简洁易记的文字符号表达简洁易记的文字符号表达PLCPLC的各种指令。同一厂家的的各种指令。同一厂家的PLCPLC产品，其助记符语言与梯形图语言是相互对应的，产品，其助记符语言与梯形图语言是相互对应的，可互相转换。可互相转换。X400Y430X401Y430Y430Y431LD X400OR Y430ANI X401OUT Y430LD Y430OUT Y431 助记符语言常用于手持编程器中，梯形图语言则多用助记符语言常用于手持编程器中，梯形图语言则多用于计算机编程环境中。于计算机编程环境中。2024/8/9 周五353、顺序功能图顺序功能图 是用状态来描述控制过程的流程图，它包含状态、转移条是用状态来描述控制过程的流程图，它包含状态、转移条件、动作三要素。件、动作三要素。2024/8/9 周五364、功能块图（西门子）功能块图是一种类似数字逻辑门电路的编程语言，对于有数功能块图是一种类似数字逻辑门电路的编程语言，对于有数字电路基础的人来说比较容易掌握。该语言用类似与门、或门字电路基础的人来说比较容易掌握。该语言用类似与门、或门的方框表示逻辑运算关系，方框左侧为逻辑运算的输入变量，的方框表示逻辑运算关系，方框左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为逻辑运算的输出变量，输入、输出端的小圆圈表示右侧为逻辑运算的输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非非”运算。用运算。用“导线导线”把方框连接起来，信号从左向右流动把方框连接起来，信号从左向右流动 5、结构文本（高级语言）2024/8/9 周五37 继电器控制系统 输入设备输入设备（按钮、限位开关等）继电器控制线路继电器控制线路（由继电器和连接导线组成）输出设备输出设备（接触器、电磁阀等）被控制的生产机械或生产过程接线程序特点：1.1.控制程序包含在接线之中。控制程序包含在接线之中。2.2.改变控制对象或变更生产过程必改变控制对象或变更生产过程必须改变接线须改变接线2024/8/9 周五38PLCPLC控制系统控制系统 输入设备输入设备（按钮、限位开关等）程程 序序 存存 贮贮 器器 输出设备输出设备（接触器、电磁阀等）被控制的生产机械或生产过程存贮程序特点：存贮程序特点：1.1.控制程序存放在存贮器之中。控制程序存放在存贮器之中。2.2.改变控制对象或变更生产过程只改变控制对象或变更生产过程只需改变存贮器中的控制程序。需改变存贮器中的控制程序。2024/8/9 周五39第六节 可编程控制器的工作原理 PLC是采用循环扫描工作方式。一、分时处理及扫描工作方式PLC在一个循环扫描周期内要完成的任务 计算机内部各工作单元的调度、监控。计算机与外部设备间的通信。用户程序要完成的工作。用户程序在一个循环扫描周期内要完成的任务分为三个时间阶段：输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。2024/8/9 周五401、输入处理阶段 即输入采样，在执行过程中，即使输入口有变化，输入数据暂存区中内容不变，直到下一个周期的输入处理阶段，才读入这种变化2、程序执行阶段 依用户程序的顺序逐条执行用户程序，执行结果均存储在输出状态暂存区中。3、输出处理阶段 输出刷新阶段。可编程控制器将本次用户程序的执行结果一次性地从输出状态暂存区送到各个输出口，对输出状态进行刷新。2024/8/9 周五41X1X2X3输入数据暂存区X1Y10Y10M10读元素映像寄存器寄存输入状态（条件）读输出状态暂存区输 出 端用户输出设备用户输入设备寄存执行结果输入采样程序处理输出刷新2024/8/9 周五42注意：注意：1.只有在输入采用阶段，PLC才能将输入状态的变化读入到输入映像寄存器中，其它阶段，即使输入状态有变化，输入映像寄存器的内容也不会改变2.程序执行时，PLC所需要输入端的输入状态，从输入映像寄存器中读取；其它元素的状态从元素映像寄存器中读取。元素映像寄存器中的内容随程序执行的进程而变化3.只有在输出刷新阶段才能改变输出设备的状态，PLC的输出驱动负载与它对应的输入信号有一个时间延时。2024/8/9 周五43 PLC PLC对输入对输入/输出的处理过程输出的处理过程输入刷新 程序执行输出刷新一个扫描周期输入采样 PLC的扫描工作过程用户输出设备输入端子输入锁存器输入映象寄存器元素映象寄存器输出锁存器输出端子程序执行用户输入设备写读读2024/8/9 周五44二、扫描周期及PLC的两种工作状态工作状态：运行状态（RUN）和停止（STOP）状态 PLC在RUN工作状态时，执行一次图5-15扫描操作所需时间，即扫描周期，范围1100ms。三、输入输出滞后时间 即系统响应时间，是指PLC外部输入信号发生变化至外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔。组成：输入电路滤波时间、输出模块滞后时间、扫描工作的滞后时间。2024/8/9 周五45原理分析原理分析第一扫描周期：输入信号在第一个扫描周期的输入采样阶段后才出现，各锁存器均为“0”状态第二扫描周期：上一工作周期Y001线圈为“O”，扫描第一逻辑行时Y001常开接点断开，因此Y000线圈为“0”。扫描第二逻辑行时，输入锁存器中的X000为“1”，则Y001线圈为”1”Y002线圈也为“1”第三扫描周期：扫描第一逻辑行，Y001常开接点接通，Y000线圈为”1”2024/8/9 周五46第七节第七节 PLC与继电器系统工作差别与继电器系统工作差别1 1在组成器件方面在组成器件方面 继电继电接触器控制电路是由各种真正的硬件继电器组成，硬件接触器控制电路是由各种真正的硬件继电器组成，硬件继电器触头易磨损。而继电器触头易磨损。而PLC梯形图则由许多所谓软继电器组成。这梯形图则由许多所谓软继电器组成。这些软继电器实质上是存储器中的每一位触发器，可以置些软继电器实质上是存储器中的每一位触发器，可以置“0”或置或置“1”，而软继电器则无磨损现象。，而软继电器则无磨损现象。2 2在工作方式方面在工作方式方面 继电继电接触器控制电路工作时，电路中硬件继电器都处于受控状态，接触器控制电路工作时，电路中硬件继电器都处于受控状态，凡符合条件吸合的硬件继电器都处于吸合状态，受各种制约条件不应凡符合条件吸合的硬件继电器都处于吸合状态，受各种制约条件不应吸合的硬件继电器都同时处于断开状态，属于吸合的硬件继电器都同时处于断开状态，属于“并行并行”的工作方式。的工作方式。PLC梯形图中各软继电器都处于周期循环扫描工作状态，受同一条件梯形图中各软继电器都处于周期循环扫描工作状态，受同一条件制约的各个软继电器的线圈工作和它的触电的动作并不同时发生，属制约的各个软继电器的线圈工作和它的触电的动作并不同时发生，属于于“串行串行”的工作方式。的工作方式。2024/8/9 周五47 继电继电接触器控制电路是依靠硬线接线来实施控制功能的，接触器控制电路是依靠硬线接线来实施控制功能的，其控制功能通常是不变的，当需要改变控制功能时必须重新接其控制功能通常是不变的，当需要改变控制功能时必须重新接线。线。PLC控制电路是采用软件编程来实现控制，可做在线修改，控制电路是采用软件编程来实现控制，可做在线修改，控制功能可根据实际要求灵活实施。控制功能可根据实际要求灵活实施。3 3在元件触点数量方面在元件触点数量方面 继电继电接触器控制线路的硬件触点数量是有限的，一般接触器控制线路的硬件触点数量是有限的，一般只有只有48对。对。PLC梯形图中软继电器的触点数量无限，在梯形图中软继电器的触点数量无限，在编程时可无限次使用。编程时可无限次使用。4 4控制电路实施方式不同控制电路实施方式不同2024/8/9 周五48 PLC与传统的继电器逻辑相比 1.可靠性高、逻辑功能强、体积小。2.在需要大量中间继电器、时间继电器及计数继电器的场合，PLC 无需增加硬设备。3.随着要求的变更随着要求的变更PLC对程序修改方便。继电对程序修改方便。继电器线路要想改变控制功能，必须变更硬接线，器线路要想改变控制功能，必须变更硬接线，灵活性差。灵活性差。4.具有网络通讯功能，可附加高性能模块对模拟量进行处理，实现各种复杂控制功能。