可编程控制器原理课件

可编程控制器原理与应用主讲:邓崇亮1可编程控制器基础1.1可编程控制器概述（了解）1.2PLC的基本工作原理（了解）1.3可编程控制器的硬件系统（重点）1.4PLC的软件系统（重点、难点）目录第1-2章：1可编程控制器基础1.1可编程控制器概述可编程控制器（ProgrammableController）的英文缩写是PC，容易同个人计算机（PersonalComputer）混淆，因此通常都称其为PLC（ProgrammableLogicController）。PLC是在继电器控制基础上以微处理器为核心，将自动控制技术，计算机技术和通信技术融为一体而发展起来的一种新型工业自动控制装置。目前PLC已基本替代了传统的继电器控制系统，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。1.1.1可编程控制器的产生•继电器控制系统用硬件实现控制程序，当产品更新时，必须改变相应的器件和接线。现代社会制造工业迫切需要一种新的更先进的“柔性”的控制系统来取代。•20世纪60年代末，美国通用汽车公司（GM）希望有一种“柔性”的汽车制造生产线来适应汽车型号不断更新的要求，GM提出10条要求，并公开向制造商招标。•美国数字设备公司（DEC）根据以上要求，于1969年研制出了第一台可编程控制器PDP－14，并在美国通用汽车公司的生产线上取得了成功。它用计算机的软组件的逻辑编程成功取代了继电器控制的硬接线编程，生产硬设备的生产线是“柔性”的愿望终于实现了。1.1.2PLC的特点•初期：用来替代继电器控制，进行开关量逻辑控制。•70年后：随着微电子技术、计算机技术的发展，PLC以单片机或其它16位、32位的微处理器作为主控芯片，输入/输出等电路也采用LSI(Large-scaleintegration,大规模集成电路)或VLSI,功能有了突飞猛进的发展。PLC除有开关量控制外，还具有数据处理、数据通信、模拟量控制和PID调节等功能。•80年：NEMA（美国电气制造商协会）将命名中的“逻辑”一词摘掉，称为ProgrammableController。•定义：PC是一种数字式的电子装置，它使用可编程序的存储器以及存储指令，能够完成逻辑、顺序、定时、计数及算术运算等功能，并通过数字或模拟的输入、输出接口控制各种机械或生产过程。PLC有如下特点：•（1）可靠性高，抗干扰能力强•采用LSI（大规模集成电路)，开关是无触点的，而硬继电器用的是机械触点开关，可靠程度无法比拟。软硬件抗干扰措施：•硬件：器件筛选和老化。电路采用光电隔离器，隔断I/O电路与内部电路的直流通路，抑制外部干扰源的影响。电源采取屏蔽、稳压、保护等措施。设置“看门狗”（watchdog）电路，能把走飞程序拉回来（自动恢复）。结构上采用耐热、密封、防潮、防尘和抗振的外壳封装,适应恶劣工业环境。•软件：数字滤波、故障检测与诊断，自动扫描，出错自动处理(报警、保护数据和封锁输出)。采用EEPROM（电擦除可编程只读存储器）保护断电后用户程序和数据不会丢失。采用循环扫描的方式。•（2）编程软件，简单易学•从清晰直观的继电器控制线路演化过来的梯形图程序易学易懂，易修改，深受电器工作人员的欢迎。•（3）适应性好，具有柔性•生产工艺或设备改变时，不必改变硬设备，只需改变相应的软件就可满足新的控制要求。产品已标准化、系列化和模块化，以适应不同的控制要求。•（4）功能完善，接口多样•除基本单元外，还可选配各种特殊适配器，满足不同的需要，如数字量/模拟量输入输出，定时计数，A/D与D／A转换，数据处理，通信联网等功能。•（5）易于操作，维护方便•安装方便：具有DIN标准导轨安装用卡扣。•连接方便：具有输入/输出端子排，只要用螺丝刀就可以与不同的控制设备连接。•调试方便：输入信号可用开关来模拟，输出信号可观察面板发光二极管。•维护方便：完善的自诊断功能和运行故障指示装置。•（6）体积小、重量轻、功耗低•产品结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低。•如FX1S－20MT型PLC：•外形尺寸：75mm×90mm×87mm，•重量：400g，功耗：20W。这种迷你型PLC很容易嵌入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。1.1.3PLC的应用PLC的主要应用有以下5个方面。（1）开关量逻辑控制是PLC最基本的应用，即用PLC取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。（2）模拟量过程控制控制连续变化的模拟量，如温度、压力、速度、流量、液位、电压和电流等均为模拟量。通过各种传感器将相应的模拟量转化为电信号，然后通过A/D模块将它们转换为数字量送PLC内部CPU处理，处理后的数字量再经过D/A转换为模拟量进行输出控制。（3）机械件位置控制用专用的位置控制模块来控制步进电机或伺服电机,实现对各种机械构件的运动控制,如速度、位移、方向等。典型应用有：机器人的运动控制、机械手的位置控制、电梯运动控制等；PLC还可与计算机数控（CNC）装置组成数控机床，以数字控制方式控制零件的加工、金属的切削等等，实现了高精度的加工。（4）现场数据采集处理可以方便地对生产现场的数据进行采集、分析和加工处理。（5）通信联网、多级控制PLC与PLC之间、PLC与上位计算机之间通信,要采用专用通信模块，并利用RS－232C或RS-422A接口，用双绞线或同轴电缆或光缆将它们联成网络。1.1.4PLC的分类•可以按照结构形式、I/O点数和功能两种形式分类。•1.按结构形式分类•PLC可分为整体式和模块式两种。•（1）整体式•将CPU、存储器、I／O和电源等部件集中于一体，安装在一个金属或塑料的机壳的基本单元内，机壳的上下两侧是输入输出接线端子，并配有反映输入输出状态的微型发光二极管。整体式结构的PLC具有结构紧凑、体积小巧、重量轻、价格低的优势，适用于嵌入控制设备的内部，常用于单机控制。一般小型以下PLC多采用这种结构，如三菱公司的FX2N、FX0N、FX1S系列(见图1)。图1三菱FX1S系列PLC（2）模块式把各个组成部分CPU、I/O、电源等分开，做成各自独立的模块，各模块做成插件式，插入机架底板的插座上。图2三菱A2NQ系列PLC•可按照控制要求，选用不同档次的CPU模块、各种I/O模块和其它特殊模块，构成不同功能的控制系统。•模块式结构的PLC具有配置灵活、组装方便，扩展容易。其缺点是结构较复杂，造价也较高。一般大、中型PLC都采用这种结构，如三菱A2NQ系列PLC。•2.按I/O点数和功能分类•按I/O点数、内存容量和功能来分，PLC可分为微型、小型、中型、大型和超大型五类，如表1所示。•小型PLC的存储器容量一般在2KB～4KB之间，I/O点数一般在64～128之间。小型PLC具有逻辑运算、定时和计数等功能，适合于开关量控制、定时和计数控制等场合，常用于代替继电器控制的单机线路中。表1PLC的分类类型I/O点数存储容量(KB)机型微型＜64＜2三菱FX1S系列小型64～1282～4三菱FX2N系列中型128～5124～16三菱A1N系列大型512～819216～64三菱A3N系列超大型＞8192＞64西门子SU-1553.各种类型的PLC•FX2N型PLC外观输入端子输入信号灯输出端子输出信号灯编程电缆运行开关电源指示灯运行指示灯电池指示灯出错指示灯扩展端口锂电池图3FX2N型PLC的外形1.1.5我国市场上的PLC现状1.我国市场上主要的生产厂家及PLC产品：•（1）德国西门子公司：主要有SIMARICS7—400/300/200系列产品等；•（2）美国A—B（罗克韦尔）公司：主要有SLC500系列、PLC－５系列等；•（3）施耐德公司：主要有Ｍicro、Ｑuantum、Ｐremium、Ｍomentum等；•（4）美国GE公司：主要有SERIES、GE9070、GE9030系列等；•（5）日本欧姆龙公司：主要有CPMIA、C200H、CQMI等；•（6）日本三菱公司：主要有F1、F2、FX1、FX2、FX2N（FX系列），A系列，QnA系列和Q系列等；（7）日本松下电工：代表产品主要有FP0、FP1等；（8）日本东芝、富士电机等公司产品。2.各公司PLC产品编程软件的应用•（1）西门子S7—200系列：•编程软件：STEP—Micro/WIN32；•软件有两套指令集：SIMARIC指令集（S7—200方式）和国际标准指令集（IEC1131—3方式）。•（2）欧姆龙CPMIA系列：•编程软件：CPMIA（简易编程器和专用编程软件）；•OMRON的编程软件：CPT（SYSMAC—CPT）、CX—P（CX—Programmer）；•CX—P是后开发的编程软件，支持CS1系列、CV系列和C系列OMRONPLC。•（3）三菱FX2N系列：•编程软件：•一是FXGP/WIN—C编程软件包：专门用于FX系列PLC的编程；•可用梯形图、指令表或者是SFC（状态转移图）进行编程。•二是GX开发器：包括编程软件GX—Developer（GPPW）和仿真软件GX—Simulator（LLT）。•可以为FX/A/QnA/Q系列PLC编辑程序和模拟仿真。•（4）松下电工FP1系列：•编程工具：FP手持编程器II和配套编程软件；•编程软件：FPWIN—GR（中英两个版本）和FPSOFT（英文版本）。•（5）A—B公司PLC—5系列：•罗克韦尔软件（ROCKWELLSOFTWARE）公司提供的软件系统，包括：•一是通信软件RSLinx：与其他软件建立通信联系；•二是控制逻辑编程软件RSLogix；•三是人机界面软件RSView32；•四是仿真调试软件RSEmulate。1.1.6PLC的主要技术指标PLC的主要性能的可以按照以下6种指标来描述。1.I/O总点数指PLC输入信号和输出信号的数量,也就是输入、输出的端子数总和。注意:电源、COM等端子不能作为I/O端子计入。I/O总点数是描述PLC性能的重要指标。2.存储容量指用户程序存储器的容量,即用户RAM的存储容量。指令是按“步”存放的,一“步”占用一个地址单元。所以1步＝2字节3.扫描速度指PLC扫描1000步指令所需的时间，以毫秒/千步为单位，也有用μs/步为单位。4.内部寄存器PLC内部寄存器用以存放输入/输出变量的状态、逻辑运算的中间结果、定时器/计数器的数据。内部寄存器的种类多少、容量大小,将影响到用户编程的效率。5.编程语言与指令系统有梯形图、助词符、SFC（SequentialFunctionChart）以及高级语言等。在PLC的指令系统中,包含的指令种类越多,其功能就越强。6.特殊功能模块PLC除了基本单元外,还可选配各种特殊功能模块。特殊功能模块的种类多少、功能强弱是衡量PLC技术水平高低的一个重要指标。1.2PLC的基本工作原理•1.2.1PLC的工作方式•PLC采用循环扫描工作方式，集中进行输入采样，集中进行输出刷新。I/O映像区分别存放执行程序之前的各输入状态和执行过程中各结果的状态。•1.PLC循环扫描工作方式•一般包括五个阶段：•内部处理与自诊断•与外设进行通信处理•输入采样•用户程序执行•输出刷新。PLC的基本工作原理如图所示：•方式开关置STOP:只执行前2个阶段，即只作内部处理与自诊断与外设进行通信处理；•方式开关置RUN:将执行所有阶段。•上电复位时，PLC首先作内部初始化处理，清除I/O映像区中的内容；接着作自诊断，检测存储器、CPU及I/O部件状态，确认其是否正常；再进行通信处理，完成各外设（编程器、打印机等）的通信连接；还将检测是否有中断请求，若有则作相应中断处理。在此阶段可对PLC联机或离线编程，如实验时的编程阶段。上述阶段确认正常后，并且PLC方式开关置于RUN位置时，PLC才进入独特的循环扫描，即周而复始的执行输入采样、程序执行、输出刷新。•（1）输入采样阶段•CPU顺序扫描每个输入端，顺序读取输入端的状态，并将其存入输入映像区单元中。图1.2RUN状态下扫描过程•采样结束后，输入