可編程控制器概述.ppt
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,1,第三章 可編程序控制器概述,,2,本章主要內(nèi)容,3.1 PLC的產(chǎn)生和定義 3.2 PLC的主要功能及特點 3.3 PLC的應用和發(fā)展 3.4 PLC的分類 3.5 PLC的系統(tǒng)組成 3.6 PLC與其它控制系統(tǒng)的區(qū)別 3.7 PLC的工作原理 3.8 PLC的編程語言,,3,3.1.1 PLC的產(chǎn)生--GM10條 (1)編程簡單,可現(xiàn)場修改程序; (2)維修方便,最好是插件式結構; (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)可以直接輸入管理計算機; (6)可以直接用交流115V; (7)輸出為交流115V,容量要求2A以上,可直接驅動電磁閥、接觸器等負載; (8)通用性強,易擴展,擴展時原系統(tǒng)只需很少變更; (9)用戶存貯器容量大于4KB; (10)性能價格比可與繼電器控制裝置競爭。,3.1 PLC的產(chǎn)生與定義,,4,3.1.2 PLC的定義,早期的可編程控制器主要是用來替代繼電器控制系統(tǒng)的,因此功能較為簡單,只能進行開關量邏輯控制,稱為可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller),簡稱PLC。 “可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng),專為工業(yè)環(huán)境而設計.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)和算術運算等操作的指令,并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出,控制各種類型機械的生產(chǎn)過程。而有關的外圍設備,都應按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體,易于擴充其功能的原則設計.” 可以認為PLC實質是一臺工業(yè)控制用計算機。,,5,(一) PLC的功能 1 . 開關邏輯和順序控制 2. 模擬控制 (A/D和D/A控制) 3. 定時/計數(shù)控制 4. 步進控制 5.運動控制 6. 數(shù)據(jù)處理 7. 通信聯(lián)網(wǎng),3.2 PLC的功能特點,,6,(二)PLC的特點,1. 編程簡單,易于使用; 2.可靠性高,抗干擾能力強; 3. 控制系統(tǒng)結構簡單,通用性強; 4. 功能完善; 5. 設計、施工和調(diào)試的周期短; 6.體積小、重量輕、功耗低,維護操作方便; 7. 易于實現(xiàn)機電一體化 。,,7,硬件方面措施: (1)隔離 (2)濾波 (3)在PLC內(nèi)部對CPU供電電源采取屏蔽、穩(wěn)壓、保護等措施. (4)內(nèi)部設置連鎖、故障檢測與診斷等電路,一旦發(fā)生故障就報警。 (5)外部采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結構,以適應惡劣環(huán)境。 軟件方面措施: 設置數(shù)字濾波、故障檢測與診斷程序,發(fā)現(xiàn)錯誤立即處理(封鎖輸出、報警、保護數(shù)據(jù)).,,8,3.3 PLC的應用與發(fā)展,3.3.1 PLC的發(fā)展狀況,3.3.2 PLC的發(fā)展趨勢 1.向小型化、專業(yè)化、低成本方向發(fā)展; 2.向大容量,高速度方向發(fā)展; 3.智能型I/O模塊的發(fā)展; 4.基于PC的編程軟件取代編程器; 5.PLC編程語言的標準化; 6.PLC通信的易用化; 7.組態(tài)軟件與PLC的軟件化; 8.PLC與現(xiàn)場總線相結合,,9,一方面向著大型化的方向發(fā)展,一方面則向著小型化的方向發(fā)展。 PLC向大型化方向發(fā)展,主要表現(xiàn)在大中型PLC高功能、大容量、智能化、網(wǎng)絡化發(fā)展,使之能與計算機組成集成控制系統(tǒng),對大規(guī)模、復雜系統(tǒng)進行綜合的自動控制。 PLC向小型化方向發(fā)展,主要表現(xiàn)在下列幾個方面:為了減小體積、降低成本,向高性能的整體型發(fā)展;在提高系統(tǒng)可靠性的基礎上,產(chǎn)品的體積越來越小,功能越來越強;應用的專業(yè)性,使得控制質量大大提高。,可編程序控制器的發(fā)展趨勢,,10,常用PLC的生產(chǎn)廠家,日本立石(OMRON)公司的C系列可編程序控制器; 日本三菱(MITSUBISHI)公司的F、F1、F2、FX2系列可編程序控制器; 日本松下(PANASONIC)電工公司的FP1系列可編程序控制器; 美國通用電氣(GE)公司的GE系列可編程序控制器; 美國艾論—布拉德利(A--B)公司的PLC-5系列可編程序控制器; 德國西門子(SIEMENS)公司的S5、S7系列可編程序控制器。,,11,,國產(chǎn)SOC-48NE2型PLC,,國產(chǎn)JH120H型PLC,,,,,,日本FX型PLC,美國通用PLC,日本松下PLC,合資產(chǎn)品歐姆龍PLC,,,,,德國西門子PLC,,12,3.3.3 PLC的應用領域,PLC已廣泛應用于鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工、電力、機械制造、汽車、裝卸、紡織、環(huán)保和娛樂等行業(yè)。PLC的應用范圍可分成5種類型。 (1)順序控制 如印刷機械、包裝機械、機床裝配生產(chǎn)線及電梯控制等。 (2)運動控制 PLC把描述目標位置的數(shù)據(jù)送給模塊,其輸出移動一軸或數(shù)軸到目標位置。 (3)過程控制 PLC還能控制大量的過程參數(shù),如溫度、流量、壓力和液位。一個具有PID控制能力的PLC可用于過程控制。 (4)數(shù)據(jù)處理 在機械加工中,PLC作為主要的控制與管理系統(tǒng)可以完成大量的數(shù)據(jù)處理工作。 (5)通信網(wǎng)絡,,13,PLC的應用領域,傳送帶生產(chǎn)線控制,灌裝及包裝機械,木材加工,電梯控制,空調(diào)控制,紡織機械,印刷機械,,14,3.4 PLC的分類,一、按點數(shù)和功能分類 (1)超小型機 :I/O點數(shù)為64點以內(nèi),內(nèi)存容量為256~1000字節(jié); (2)小型機:I/O點數(shù)為64~256,內(nèi)存容量為1~3.6K字節(jié); (3)中型機:I/O點數(shù)為256~1024,內(nèi)存容量為3.6~13K字節(jié); (4)大型機:I/O點數(shù)為1024以上,內(nèi)存容量為13K字節(jié)以上;,,15,二、按結構形式分類,(1)整體式結構 一般的小型及超小型PLC多為整體式結構,這種可編程序控制器是把CPU、RAM、ROM、I/O接口及與編程器或EPROM寫入器相連的接口、輸入/輸出端子、電源、指示燈等都裝配在一起的整體裝置。西門子公司的S7-200系列PLC為整體式結構。 (2)模塊式結構 模塊式結構又叫積木式。這種結構形式的特點是把PLC的每個工作單元都制成獨立的模塊,如CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊、通信模塊等。常見產(chǎn)品有OMRON公司的C200H、C1000H、C2000H,西門子公司的S5-115U、S7-300、S7-400系列等。,,16,,17,3.5 PLC的系統(tǒng)組成,PLC專為工業(yè)現(xiàn)場應用而設計,采用了典型的計算機結構,它主要是由CPU、電源、存儲器和專門設計的輸入/輸出接口電路等組成。PLC的結構框圖如圖所示:,圖3.1 PLC結構框圖,,18,1. 中央處理單元(CPU),中央處理單元(CPU)一般由控制器、運算器和寄存器組成,這些電路都集成在一個芯片上。CPU通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲單元、輸入/輸出接口電路相連接。 它的主要功能有以下幾點: ①接收從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù),送入存儲器存儲; ②用掃描方式接收輸入設備的狀態(tài)信號,并存入相應的數(shù)據(jù)區(qū); ③監(jiān)測和診斷電源、PLC內(nèi)部電路工作狀態(tài)和用戶程序編程過程中的語法錯誤; ④執(zhí)行用戶程序,完成各種數(shù)據(jù)的運算、傳遞和存儲等功能; ⑤根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結果,刷新有關標志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器表的內(nèi)容,以實現(xiàn)輸出控制、制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。 PLC常用的CPU芯片有通用微處理器、單片機和位片式微處理器。 PLC的檔次越高,所用的CPU的位數(shù)也越多,運算速度也越快,功能越強。,,19,2. 存儲器,PLC的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩部分。 系統(tǒng)存儲器存放系統(tǒng)程序,并固化到ROM內(nèi),用戶不能直接更改。它使PLC具有基本功能,能夠完成PLC設計者規(guī)定的各項工作。其內(nèi)容主要包括三部分。 第一部分為系統(tǒng)管理程序; 第二部分為用戶指令解釋程序; 第三部分為標準程序模塊與系統(tǒng)調(diào)用。 用戶存儲器用來存放用戶編制的控制程序。它包括用戶程序存儲器(程序區(qū))和數(shù)據(jù)存儲器(數(shù)據(jù)區(qū))兩部分。 PLC常用的存儲器類型三種: (1)隨機存取存儲器(RAM) (2)只讀存儲器(ROM) (3)可電擦除可編程只讀存儲器EPROM、EEPROM,,20,3. 輸入/輸出單元,PLC的輸入/輸出信號類型可以是開關量和模擬量。 輸入單元接收來自用戶設備的各種控制信號,通過接口電路將這些信號轉換成中央處理器能夠識別和處理的信號,并存到輸入映像寄存器。運行時CPU從輸入映像寄存器讀取輸入信息并進行處理,將處理結果放到輸出映像寄存器。輸出映像寄存器由輸出點相對應的觸發(fā)器組成,輸出接口電路將其由弱電控制信號轉換成現(xiàn)場需要的強電信號輸出,以驅動被控設備的執(zhí)行元件。 常用開關量輸入/輸出接口電路有: (1)輸入接口電路 通常PLC的輸入類型可以是直流、交流和交直流。輸入電路的電源可由外部供給,有的也可由PLC內(nèi)部提供。,,21,,,,圖3.2 直流輸入接口電路,圖3.3 交流輸入接口電路,,22,(2)輸出接口電路 輸出接口電路按輸出開關器件的種類分通常有三種類型:繼電器輸出型、晶體管輸出型和晶閘管輸出型。每種輸出電路都采用電氣隔離技術,電源由外部提供,輸出電流一般為0.5~2A。,它只能帶直流負載,屬于直流輸出方式,直流電源由用戶提供。 特點:壽命長、無噪音、可靠性高、可以高速通斷,頻率響應快,響應時間為0.2ms能滿足一些直流負載的特殊要求.如直流電機、電器和高速電磁閥的驅動等,但其價格高,過載能力差。,①晶體管輸出:如圖示,,23,②晶閘管輸出:如圖示,晶閘管輸出也是無觸點輸出,它采用光觸發(fā)型雙向晶閘管。它屬于交流輸出方式,只能帶交流負載。交流電源由用戶提供。 特點:響應速度快,響應時間為1ms以下,壽命長,可驅動交流負載,但過載能力差.,特點:它耐受電壓范圍寬,導通壓降小,價格便宜。即可控制交流負載,也可控制直流負載,但其機械觸點壽命短,轉換頻率低,響應時間平均為10ms,觸點斷開時有電弧產(chǎn)生,容易產(chǎn)生干擾。,③繼電器輸出:如圖示,4. 電源部件 5. 編程器,6. 擴展接口 7. 通信接口 8. 其它部件,,24,1. 控制邏輯 繼電器控制邏輯采用硬接線邏輯,而PLC采用存儲器邏輯,其控制邏輯以程序方式存儲在內(nèi)存中,要改變控制邏輯,只需改變程序即可,故稱為“軟接線”。 2. 工作方式 前者屬于并行工作方式,PLC屬于串行工作方式。 3. 可靠性和可維護性 4. 控制速度 5. 定時控制 6. 設計和施工,PLC與繼電器控制系統(tǒng)的比較 PLC與單片機的比較 PLC與工業(yè)控制計算機的比較,3.6 PLC與其他控制系統(tǒng)的區(qū)別,,25,3.7 PLC的工作原理,3.7.1 PLC的工作方式與運行框圖,,,26,,PLC是以分時操作方式來處理各項任務的,程序的執(zhí)行是按順序依次完成相應各電器的動作,它屬于串行工作方式.PLC是按集中輸入、集中輸出,周期性循環(huán)順序掃描的方式工作的,每一次掃描所用的時間為掃描周期或工作周期.PLC工作的全過程可用如圖3-7所示的運行框圖來表示. 一個掃描周期的五個階段:內(nèi)部處理→與編程器等的通信處理→輸入掃描→ 執(zhí)行用戶程序→輸出處理。,PLC運行正常時,掃描周期與CPU的運算速度、I/O點的情況、用戶應用程序的長短等有關。,,27,PLC的運行框圖:,,28,3.7.2 PLC工作過程的中心內(nèi)容,輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新這三個階段是PLC工作過程的中心內(nèi)容。PLC典型的掃描工作過程如圖所示:,,29,1. 輸入采樣階段:,在輸入采樣階段,PLC以掃描方式按順序將所有輸入端的輸入信號狀態(tài)(“0”或“1”,表現(xiàn)在接線端子上是否承受外加電壓)讀入輸入映像寄存器中,這個過程稱為對輸入信號的采樣,接著轉入程序執(zhí)行階段。在輸入采樣階段結束后,即使輸入信號狀態(tài)發(fā)生改變,輸入映像寄存器中的狀態(tài)也不會發(fā)生改變。,,30,2.程序執(zhí)行階段:,在程序執(zhí)行階段,PLC對程序按順序進行掃描,又稱程序處理階段。如果程序用梯形圖表示,則總是按先上后下、先左后右的順序對由接點構成的控制線路進行邏輯運算,然后根據(jù)邏輯運算的結果,刷新輸出映像寄存器區(qū)或系統(tǒng)RAM區(qū)對應位的狀態(tài)。在程序執(zhí)行階段,只有輸入映像寄存器區(qū)存放的輸入采樣值不會發(fā)生改變,其他各種元素在輸出映像寄存器區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能隨著程序的執(zhí)行隨時發(fā)生改變。 3. 輸出刷新階段: 當程序執(zhí)行后進入輸出刷新階段。此時將輸出映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)轉存到輸出鎖存器中,再通過輸出端驅動用戶輸出設備(負載)。,,31,3.7.3 PLC對輸入、輸出的處理原則,PLC在輸入/輸出處理方面必須遵守的一般原則: (1)輸入映像寄存器中的數(shù)據(jù),取決于輸入端子板上各輸入點在上一刷新期間的接通和斷開的狀態(tài)。 (2)程序執(zhí)行結果取決于用戶所編程序和輸入/輸出映像寄存器的內(nèi)容及其他各元件映像寄存器的內(nèi)容。 (3)輸出映像寄存器的數(shù)據(jù)取決于輸出指令的執(zhí)行結果。 (4)輸出鎖存器中的數(shù)據(jù),由上一個掃描周期輸出刷新階段輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)決定。 (5)輸出端子的接通和斷開狀態(tài),由輸出鎖存器決定。,,32,3.8 PLC的編程語言,3.8.1 PLC的編程語言 PLC提供的編程語言通常有以下幾種:梯形圖、指令表、功能塊圖、順序功能圖、結構化文本。 1. 梯形圖(LD) 語言簡單,易于理解,是所有編程語言的首選. 2. 指令表(IL) 類似于計算機的助記符語言,是最基礎的編程語言.用一個或幾個字符來代表PLC的某種操作功能.,1.梯形圖示例:,,33,,2. 指令表,指令表(IL)語言類似于計算機的匯編語言,特別適 合于來自計算機領域的工程人員。用指令助記符創(chuàng)建用 戶程序,屬于面向機器硬件的語言,STEP7 Micro/Win32 的指令表如圖所示。,,,,圖 指令表舉例,,34,,,圖 PLC控制三相交流異步電動機的電路連接電路,,35,本 章 小 結,(1)PLC從結構上可分為整體式和模塊式;從容量上可分為小型、中型和大型。 (2)PLC的組成部件有中央處理器(CPU)、存儲器、輸入/輸出(I/O)接口和電源等。 (3)PLC按集中采樣、集中輸出,按順序周期性循環(huán)掃描用戶程序的方式工作。其工作過程的中心內(nèi)容為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。 (4)PLC是為取代繼電接觸式控制系統(tǒng)而產(chǎn)生的,因而兩者存在一定的聯(lián)系。PLC與繼電接觸式控制系統(tǒng)具有相同的邏輯關系,但PLC使用的是計算機技術,其邏輯關系用程序實現(xiàn),而不是實際電路。 (5)可用多種形式的編程語言來編寫PLC的用戶程序,而梯形圖和語句表是兩種最常用的編程語言。,- 配套講稿:
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