北京科技大学 可编程控制器 PLC ——西门子S7300 第三章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,课程名称,:,可编程控制器及应用,课程性质,:,选修,学时,:36,，包括实验,6,学时（,3,次实验）,参考书目：,可编程控制器原理及应用,李希胜，孙昌国，舒雄鹰编,S7-300/400PLC,应用技术,廖常初主编,S7-300PLC,和,MM440,变频器的原理与应用,马宁、孔红著,深入浅出西门子,S7-300,西门子自动化与驱动集团编等,课程考核方式：,理论：考察可编程控制器的基本概念，占,50%,实验：考察实际的动手能力，对于给出的基本功能能否设计出一个较完整的控制系统。占,50%,。平时实验课要认真作，实验考试均是曾经做过的类似的实验。,答疑时间：周三下午,4,：,00-5,：,30,地点：信息楼,1021,联系方式：手机,13693631281,email:dongdandan9,QQ,：,877055941,第1章 可编程序控制器概述,1.1,可编程序控制器产生与发展,1.2,可编程序控制器的特点与分类,1.3,网络型,PLC,与,DCS,的关系,1.4,可编程控制器的基本组成,1.,5,梯形图,1.,6,可编程控制器的工作原理,1.7,可编程控制器的性能指标,1.8,可编程控制器的发展趋势,1.1,可编程序控制器产生与发展,1.接线程序控制系统,按钮、开关、时间继电器、压力继电器温度继电器、过流过压继电器,接触器、继电器、电磁阀,压力传感器、温度传感器、湿度传感器,伺服电机、电动阀、距离、速度等控制信号。,1.接线程序控制系统,以往的电气控制装置主要采用继电器、接触器或电子元件来实现，由连接导线将这些器件按照一定的工作程序组合在一起，以完成一定的控制功能，这种控制叫做接线程序控制。,接线程序控制的电气装置体积大，生产周期长，接线复杂，故障率高，可靠性差。控制功能略加变动，就需重新组合、改变接线。,继电器控制系统,先进自动控制系统,2,.,可编程序控制器产生,编程简单方便，可在现场修改程序；,硬件维护方便，最好是插件式结构；,可靠性要明显高于继电器控制系统；,体积要明显小于继电器控制柜；,价格便宜，其性能价格比要高于继电器控制系统；,输入可以是,AC 115 V,；,输出为,AC 115 V,，,2 A,以上，能直接驱动电磁阀；,具有数据通信功能；,扩展时，原有系统只需做很小改动；,用户程序存储器容量至少可以扩展到,4 KB,。,对先进自动控制装置提出,设想,：,工业控制单板机（计算机）继电器控制系统 先进控制装置,美国数字设备公司（,DEC,）,1969,年研制成功了第一台可编程序控制器,PDP,14,，,由于当时主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程序逻辑控制器（,P,rogrammable,L,ogic,C,ontroller,，,简称,PLC,）。,3.存贮程序控制系统,例如，有两个开关,K1,、,K2,。,控制要求，只有两个开关都接通时小灯,D1,才亮。当,D1,亮秒钟后小灯,D2,开始亮。当开关,K3,切断时两个小灯就同时熄灭。,1)接线程序控制,2）存贮程序控制,（,PLC,控制）,进入,80,年代，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，也使得可编程序控制器逐步形成了具有特色的多种系列产品。系统中不仅使用了大量的开关量，也使用了模拟量，其功能已经远远超出逻辑控制、顺序控制的应用范围。故称为可编程序控制器（,P,rogrammable,C,ontroller,，,简称,PC,）。,但由于,PC,容易和个人计算机（,Personal Computer,）,混淆，所以人们还沿用,PLC,作为可编程控制器的英文缩写名字。,4,.可编程序控制器发展简史,阶段,时期,主要特点,硬件,软件,应用,初创期,19691972,CPU,采用中、小规模的集成电路，只是逻辑控制器,采用汇编语言等初级语言编程，只具备逻辑、计时、计数和顺序控制功能,大型设备或自动化生产线,4,.可编程序控制器发展简史,阶段,时期,主要特点,硬件,软件,应用,成熟期,1973,年,1978,年,CPU,采用微处理器，除完善原有逻辑、计时、计数功能外，具有了数值（字）运算、数据处理和传送、模拟量接口等硬件功能,开发出面向用户的梯形图编程方法,进入实用化阶段,大发展期,1978,年,1984,年,CPU,采用,8,位、,16,位微处理器，运算速度提高，接口功能增强,编程方法进一步完善，形成,PLC,的特有编程方法,广泛应用于各个工业领域,4,.可编程序控制器发展简史,继续发展期,1985,年,至今,CPU,采用,32,位乃至专用高速微处理器，接口更加丰富，网络功能大大增强,编程语言除传统的梯形图、流程图、语句表外，还能采用高级语言及数控语言编程，面向对象编程功能日趋完善,成为与工业控制计算机（,IPC,）、集散控制系统（,DCS,）相并列的重要控制装置，广泛应用于各种自动化系统,4,.可编程序控制器发展简史,2,可编程序控制器的特点与分类,国际电工委员会（,IEC,）对可编程控制器的定义,：,可编程序控制器是一种,数字运算操作,的电子系统，专为在,工业环境下应用,而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行,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形成一个整体，,易于扩充其功能,的原则设计。,”,1.,可编程序控制器的特点,归纳起来，可编程序控制器主要具有以下特点。,可靠性高,例如三菱和可编程序控制器平均无故障时间可以达到30万小时（约34年）。,环境适应性强,在环境温度20,65,、,相对湿度为,35,85,情况下可正常工作。,灵活通用,使用方便、维护简单,整个连接过程仅需要一把螺丝刀即可完成。,2.,可编程序控制器的分类,(1),按控制规模分类,可编程序控制器可以分为大型机、中型机和小型机。,小型机:,小型机的控制点一般在,256,点之内,适合于单机控制或小型系统的控制。,日本,OMRON,公司,CQM1,德国,SIEMENS S7-200,中型机:中型机的控制点一般不大于,2048,点,可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控，它适合中型或大型控制系统的控制。,日本,OMRON,公司,C200HG,数字量,1184,点,德国,SIEMENS S7-300,数字量10,24,点，模拟量,128,路,网络,:PROFIBUS/,工业以太网,/,MPI,大型机,大型机的控制点一般大于,2048,点,不仅能完成较复杂的算术运算还能进行复杂的矩阵运算。它不仅可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控。,德国,SIEMENS S7-400,存贮器,512k,I/O,点,12672,（,2）按控制性能分类,低档机,工作速度比较低，能带的输入和输出模块的数量比较少。,中档机,具有较强的控制功能和较强的运算能力。工作速度比较快，能带的输入输出模块的数量也比较多，输入和输出模块的种类也比较多。,高档机,具有强大的控制功能和强大的运算能力。工作速度很快，能带的输入输出模块的数量很多，输入和输出模块的种类也很全面。,在联网中一般做主站使用,。,（,3,）按结构去划分,整体式,整体式结构的可编程序控制器把电源、,CPU,、,存储器、,I/O,系统都集成在一个单元内，该单元叫做作基本单元。一个基本单元就是一台完整的,PLC,。控制点数不符合需要时，可再接扩展单元。整体式结构的特点是非常紧凑、体积小、成本低、安装方便。,组合式,组合式结构的可编程序控制器是把,PLC,系统的各个组成部分按功能分成若干个模块，如,CPU,模块、输入模块、,输出模块、电源模块等,等。其中各模块功能比,较单一，模块的种类却,日趋丰富。比如，一些,可编程序控制器，,分布式,特点是,CPU,自成独立的基本单元（由,CPU,和一定的,I/O,点组成），其它,I/O,模块为扩展单元。在安装时不用基板，仅用电缆进行单元间的联接，各个单元可以一个个地叠装。使系统达到配置灵活、体积小巧。,例：,SIEMENS S7,系列,PLC,分类,小型机:,中型机:,大型机,SIMATIC S7-200,模块化,模块化,SIMATIC S7-300,模块化,SIMATIC M7-300,一体化,SIMATIC C7-620,模块化,SIMATIC S7-400,模块化,SIMATIC M7-400,1.3,网络型,PLC,与,DCS,的关系DCS,（,Distributed,Contorl,System,）,集散控制系统，又称分布式控制系统。,PLC,（,ProgramLogicControl,）,可编程逻辑控制器。,FCS,（,FieldBus,Contorl,Syestem,），现场总线控制系统,1.3,网络型,PLC,与,DCS,的关系,DCS,从传统的仪表盘监控系统发展而来，强调的是在运算放大器的基础上用计算机代替原来的模拟运算能力。,PLC,从传统的继电器回路发展而来，强调的是逻辑运算能力,二者相互渗透、取长补短，功能上日趋接近，使数字世界、模拟世界更加模糊,决定,DCS,与,PLC,应用面大小的是其性能,/,价格比1.,4,可编程序控制器的组成,1.,4,可编程序控制器的组成,中央处理单元（,CPU,）,存贮器单元,电源单元,输入输出单元,功能模块：温度检测模块、位置检测模块、位置控制模块、,PID,控制模块等。,接口单元：扩展接口、编程器接口、存贮器接口和通讯接口,外部设备：编程器、文本显示器、操作面板、打印机,1,、存贮器单元,存贮器单元,:,系统程序存储器和用户程序存储器,用户程序存储器可分为三部分：用户程序区、数据区、系统区,所谓,PLC,的内存大小，一般是指用户程序存储器的容量,当用户程序很长或需存储的数据较多时，可考虑进行存储器扩展。,PLC,的内部电源系统一般有三类：,第一类是供,PLC中的,TTL,芯片和集成运算放大器使用的基本电源,(,如,+5 V,和,15 V DC,电源,),；,第二类电源是供输出接口使用的高压大电流的功率电源；,第三类电源是锂电池及其充电电源。,2,、电源单元,3,、,输入输出接口电路,输入输出接口电路实际上是,PLC,与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。输入输出接口电路要有良好的电隔离和滤波作用。,1,),输入接口电路,输入接口电路提高抗干扰能力的方法主要有：,（,1,）利用光电耦合器提高抗干扰能力。,（,2,）利用滤波电路提高抗干扰能力,。,2,),输出接口电路,(1),小型继电器输出形式,(2),大功率晶体管或场效应管输出形式,(3),双向晶闸管输出形式,作用,:,转换电平,隔离,抗干扰和滤波,（1）,数字量输入/输出模块,交流输入模块,直流输出模块 直流输出模块的输出电路,交流输出模块 交,流输出模块的输出电路,继电器输出模块 继电器输出模块的输出电路,(2),模拟量输入/输出模块,模拟量输入模块：,模拟量输入模块又叫,A/D,模块。,A/D,模块把模拟信号转换成数字信号。转换速度和分辨率是,A/D,模块的重要指标,。,(2),模拟量输入/输出模块,模拟量输出模块：,模拟量输出模块又叫,D/A,模块。,D/A,模块把数字信号转换成模拟信号。数字量的位数和转换速度是,D/A,模块的重要指标,。,4,、,功能模块,高速计数器模块高速计数器可以对,CPU,扫描速度无法控制的高速 事件进行计数，可设置多种不同操作模式。,（单相计数器，双向计数器，正交计数器 等多种工作模式。）,CT001-V1,高速计数器有六种工作模式。,线性计数方式，循环计数方式，予置方式，门式，锁式，采样方。,输入的控制和8路输出通过,I/O,接口连接。,门式:控制门,IN1=ON,时计数。,锁式：控制门,IN1,脉冲到计数，控制门,IN2,脉冲到锁定当前计数值。,采样方式：控制门,IN1,脉冲到计数，采样时间到停止计数。,PID,模块：,PID,控制器管理输出数值，以便将偏差(,e),为零，使系统达到稳定状态。,PID01,可以有两路输入（电压电流均可），可以通过程序也可以通过参数设定器设定参数。两路输出量通过输出口输出。,扩展接口模块,扩展接口模块的作用是扩大可编程序控制器规模,的接口。一般来说扩展接口模块可以分为两种，一种,是近程扩展接口，一种是远程扩展接口。近程扩展接,口是为了扩大可编程序控制器的控制规模，远程扩展,接口是为了增大可编程序控制器的控制距离。,通讯接口模块,通讯接口模块是微机和可编程序控器之间、可编,程序控制器和可编程序控制器之间的通讯接口。,5,、,编程器,编程器是,PLC,的重要外围设备。利用编程器将用户程序送入,PLC,的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视,PLC,的工作状态,。,常见的给,PLC,编程的装置有手持式编程器和计算机编程方式,。,1.,5,梯形图,1,）常见的,PLC,的梯形图符号,2,）梯形图与继电器的区别,继接控制：并行工作方式,PLC,控制：循环扫描的串行方式,1.6,可编程控制器的工作原理,1,可编程序控制器的工作过程,PLC,最主要的方式是周期扫描方式。,PLC,的工作过程,上电处理过程,PLC,上电后，要进行上电的初始化处理。占用的时间为,T0,。,共同处理过程,共同处理的主要任务是复位监视计时器、检查,I/O,总线、检查扫描周期、检查程序存储器。该过程占用的时间为,T1,。,通讯服务过程,当,PLC,和微机构成通讯网络或由,PLC,构成网络时，需要有通讯服务过程。该过程占用的时间为,T2,。,外设服务过程,当,PLC,接有外部设备如编程器、打印机等，则需要进行外设服务过程。该过程占用的时间为,T3,。,程序执行过程,该过程用于执行用户程序。从输入映像区读入输入信息，根据用户程序进行运算操作，并向输出映像区送出控制信息。该过程占用的时间为,T4,。,显然,T4,和,PLC,的速度、用户程序长短及指令种类有关。,I/O,刷新过程,这个过程可分为输入信号刷新和输出信号刷新。输入信号刷新为输入处理过程，输出信号刷新为输出处理过程。该过程占用时间为,T5,。,显然,T5,和可编程序控制器所带的输入输出模块的种类和点数多少有关。,可编程序控制器的扫描周期,T,和上述各个过程的关系录为：,T=T1+T2+T3+T4+T5,PLC,的扫描过程,2,、,PLC,对输入,/,输出的处理规则,输入映像寄存器中的数据，是在输入采样阶段扫描到的输入信号的状态集中写进去的，在本扫描周期中，它不随外部输入信号的变化而变化。,输出映像寄存器,(,它包含在元件映像寄存器中,),的状态，是由用户程序中输出指令的执行结果来决定。,输出锁存器中的数据是在输出刷新阶段，从输出映像寄存器中集中写进去的。,输出端子的输出状态，是由输出锁存器中的数据确定的。,执行用户程序时所需的输入、输出状态，是从输入映像寄存器和输出映像寄存器中读出的。,3 PLC,的扫描周期及滞后响应,响应时间或滞后时间,：从,PLC,的输入端有一个输入信号发生变化到,PLC,的输出端对该输入变化做出反应，需要一段时间，这段时间称为响应时间或滞后时间,。,响应时间的快慢与以下因素有关,：,(1),输入滤波器的时间常数,(,输入延迟,),(2),输出继电器的机械滞后,(,输出延迟,),(3)PLC,的循环扫描工作方式,(4)PLC,对输入采样、输出刷新的集中批处理方式,(5),用户程序中语句顺序安排不当,最短响应时间,=,输入延迟时间,+1,个扫描周期,+,输出延迟时间。,最长响应时间,=,输入延迟时间,+,两个扫描周期,+,输出延迟时间,为了确保,PLC,在任何情况下都能正常无误地工作，一般情况下输入信号的脉冲宽度必须大于一个扫描周期,T。,还应该注意一个问题是输出信号的状态是在输出刷新时才送出的。因此，在一个程序中若给一个输出端多次赋值时，中间状态只改变输出映像区。只有最后一次赋的值才能送到输出端。,4,、,PLC,的中断处理过程,响应问题：,一般微机系统的,CPU,，在每一条指令执行结束时都要查询有无中断申请。而,PLC,对中断的响应则是在相关的程序块结束后查询有无中断申请，或者在执行用户程序时查询有无中断申请，如有中断申请，则转入执行中断服务程序。如果用户程序以块式结构组成，则在每块结束或执行块调用时处理中断。,中断源先后顺序及中断嵌套问题：,在,PLC,中，中断源的信息是通过输入点而进入系统的，,PLC,扫描输入点是按输入点编号的先后顺序进行的，因此中断源的先后顺序只要按输入点编号的顺序排列即可。,多中断源可以有优先顺序，但无嵌套关系。,PLC,的中断处理过程,中断服务程序执行结果的信息输出问题：,PLC,按巡回扫描方式工作，正常的输入,/,输出在扫描周期的一定阶段进行，这给外设希望及时响应带来了困难。采用中断输入可解决对输入信号的高速响应问题。当中断申请被响应且中断子程序被执行后，有关信息应当尽早送到相关外设，而不希望等到扫描周期的输出传送阶段，就是说对部分信息的输入或输出要与系统,CPU,的扫描周期脱离。,1.,输入,/,输出点数,可编程控制器的,I/O,点数指外部输入、输出端子数量的总和。它是描述的,PLC,大小的一个重要的参数。,1,7,可编程控制器的性能指标,2.存储容量,PLC,的存储器由系统程序存储器，用户程序存储器和数据存储器三部分组成。,PLC,存储容量通常指用户程序存储器和数据存储器容量之和，表征系统提供给用户的可用资源，是系统性能的一项重要技术指标,。,3.,扫描速度,可编程控制器采用循环扫描方式工作，完成,1,次扫描所需的时间叫做扫描周期。影响扫描速度的主要因素有用户程序的长度和,PLC,产品的类型。,PLC,中,CPU,的类型、机器字长等直接影响,PLC,运算精度和运行速度。,4.指令系统,指令系统是指,PLC,所有指令的总和可编程控制器的编程指令越多，软件功能就越强，但掌握应用也相对较复杂。用户应根据实际控制要求选择合适指令功能的可编程控制器。,5.通信功能,通信有,PLC,之间的通信和,PLC,与其他设备之间的通信。通信主要涉及通信模块，通信接口，通信协议和通信指令等内容。,PLC,的组网和通信能力也已成为,PLC,产品水平的重要衡量指标之一。,1.,8,可编程控制器的发展趋势,1.人机界面更加友好,2.网络通讯能力大大加强,3.开放性和互操作性大大发展,1,）,IEC,形成了现场总线标准,2,）,IEC,制订了基于,Windows,的编程语言标准,IEC61131-3,，它规定了指令表（,IL,）、梯形图（,LD,）、顺序功能图（,SFC,）、功能块图（,FBD,）、结构化文本（,ST,）五种编程语言。,3,）,OPC,基金会推出了,OPC,（,OLE for Process Control,）标准，这进一步增强了软硬件的互操作性，通过,OPC,一致性测试的产品，可以实现方便的和无缝隙数据交换。,1.,8,可编程控制器的发展趋势,4.,PLC,的功能进一步增强，应用范围越来越广泛。使原来,PLC,（顺序控制）,DCS,（过程控制）的模式变成,PLC,IPC,模式。,5.工业以太网的发展对,PLC,有重要影响。,6.,小型机功能强化，中、大型机高速度、高功能、大容量,