机械系统的驱动与控制讲稿模板-1

《机械系统的驱动与控制》《机械系统的驱动与控制》可编程序控制器技术及应用概述可编程序控制器的产生可编程序控制器的演变与发展可编程序控制器的定义可编程序控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专门为在工业环境下应用而设计的工业控制器。它采用了可编程序的存储器，用来在其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设备和生产过程。可编程序控制器及其相关的外部设备都按照易于与工业控制系统集成、易于扩展其功能的原则设计。可编程序控制器的定义这是国际电工委员会（IEC）在1987年颁布的可编程序控制器（ProgrammableControllerPC）标准草案第H稿中对它的定义。由于PLC这一缩写在我国早已成为个人计算机（PersonalComputer）的代名词。为了避免造成术语混淆，本书将可编程序控制器简称为PLC。近年来PLC技术发展很快，每年都推出不少PLC及其网络新产品，其功能也超出了上述定义范围，从提供直接数字控制发展为实现现场级生产设备控制，车间级生产过程监控和优化，直到工厂、公司一级生产管理和经营决策提供全集成的软件和硬件平台，成为现代工业自动化的主要支柱。可编程序控制器的产生世界上第一台PLC型号为PDP14，是美国数字设备公司（DEC）研制成功的，而最先提出PLC概念的是美国通用汽车（GM）公司。20世纪60年代末，美国的汽车制造业竞争日趋激烈，GM公司根据市场形势和生产发展需要，提出了“多品种、小批量。不断更新汽车型号”的战略。汽车零部件生产线上使用的继电器控制系统成为实现这个战略决策的障碍。尽管继电器控制系统原理简单、使用方便，而且价格便宜，但是由于它的控制逻辑是由元件和布线方式决定——属硬线连接式编程。要改变程序就要重新接线，缺乏变更程序的灵活性，不能适应汽车换代周期缩短的要求。显然，这就需要寻求一种新型的控制装置来替代继电器控制系统。可编程序控制器的定义而20世纪40年代诞生的电子计算机，在60年代已经获得迅速发展，小型计算机开始应用于工业生产的自动控制，但是由于它原理复杂，又需要专门的程序语言，所以一般的电气人员难以掌握。那么，能否把计算机的功能完善、灵活性和通用性等优点与继电器控制系统的简单易懂、操作方便和价格便宜等优点结合起来，做成一种通用的工业控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，采用面向对象、面向问题的“自然语言”编程，使得不甚熟悉计算机的人员也能够方便地应用。GM公司在1968年根据生产的需要提出了上述设想，并将这个设想中的新颖控制装置的功能指标归纳为以下10项，公开招标。GM10条编程容易，并可在现场修改程序。维修方便，采用插件式结构。可靠性高，能在恶劣的环境下工作。体积小于继电器控制柜。价格便宜，成本可以与继电器系统竞争。可以直接连接115V交流输入。输出采用115V交流，可以直接驱动继电器、电磁阀。具有数据通信功能，数据可以直接送入管理计算机。通用性好。系统易于扩展。用户程序存储器的容量至少能扩展到4KB。可编程序控制器的产生DEC公司首先响应，于1969年研制出第一台可编程序控制器PDP－14，并且在GM公司的自动装配生产线上试用成功。此后，这项新技术就迅速发展起来，而GM公司对这种新型控制器提出的10点要求，几乎成了当时各个自动化仪表研究单位和生产厂开发PLC的基本规范。1971年日本从美国引进了这项新技术，由日立公司研制出日本第一台PLC，型号为DSC。1973年～1974年德国和法国也相继研制出自己的PLC。可编程序控制器的产生限于当时的元器件条件和计算机技术的发展水平，早期的PLC大多是由分立元件和中小规模集成电路组成，在简化计算机内部电路的同时，为了适应工业现场环境也对接口电路做了改进。人们根据这种新型工业控制装置可以通过编程改变控制方案这一特点，以及用于逻辑控制的现状，把它称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC。可编程序控制器的演变与发展从1968年到现在，短短30余年间，PLC经历了4次换代。第一代PLC，大多用1位机开发，存储器为磁性存储器，只具有单一的逻辑控制功能。在第二代PLC产品中，换成了微处理器及半导体存储器，PLC产品初步形成系列，随着高性能微处理器、位片式处理器的出现和EPROM，EEPROM，CMOS、RAM等大规模集成电路在PLC中的大量应用，第4代PLC向多功能及联网通信方向发展，形成了多种系列化产品。可编程序控制器的演变与发展第四代PLC产品不仅全面使用16位、32位高性能微处理器，高性能位片式微处理器和RISC（ReducedInstructionSetComputer，精简指令系统）CPU，而且在单台PLC中配置多个微处理器，进行多道处理，同时开发了大量内含微处理器的智能模板，使第四代PLC产品发展成可以提供逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的真正名副其实的多功能控制器。同时，PLC人机接口产品和PLC网络产品也得到飞速发展，由PLC及其网络构成的多级分布控制系统，提供在企业范围内实现经营决策、计划调度和控制功能集成的软硬件平台，使PLC及其网络成为计算机集成制造系统不可可或缺的基本组成部分。可编程序控制器的演变与发展随着技术发展和市场需求的增加，PLC的结构和功能不断改进，产品的生命周期缩短，生产厂家不断推出功能更强的PLC新产品，平均3～5年就更新换代一次。为了适应大、中、小型企业的不同需求，进一步扩大PLC在自动化领域中的应用范围，现代PLC技术发展总的趋势是两极分化，同时尽量做到系列化、通用化和高性能化。两极分化是指PLC的组成规模（I/O点数和存储器容量）向大型和微小型两个方向发展。其一是向体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的微小型PLC方向发展，使之能更加广泛地替代传统的继电器控制系统。随着应用范围扩大和为适应用户不同的投资规模，小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，以增加配置的灵活性。可编程序控制器的演变与发展其二是向大型化（开关量控制点达几千点）、多功能方向发展，使其能取代工业控制微机（IPC）、集散控制系统（DCS）的功能，对大规模、复杂的系统进行综合控制。大型PLC由于采用功能强大的高档微处理器（如16位、32为微处理器），处理速度快，同时存储容量大大增加，并且完善了输入／输出系统；推出多种智能化I/O模块，以满足快速响应、闭环控制、复杂控制等特殊要求；采用了多种编程语言和先进的指令系统，增强了系统的控制能力和数据处理能力，例如，PID控制、数据文件传递、浮点运算功能等。可编程序控制器的演变与发展强化通信能力和网络化是大型PLC发展的一个重要方面：向下将多个PLC、多个I/O机架相连：向上与以工业以太网等相连，构成整个工厂自动化网络。有的PLC还支持快速的现场总线通信（常见的有Profibus，DeviceNet，Modbus等）。PLC十网络十IPC＋SCADA（监控软件）已成为一种非常流行的PLC应用方式。当然，PLC的未来发展不仅依赖于新产品开发，还在于PLC与其他工业控制设备和工厂管理技术的综合。无疑，PLC将在今后的工业自动化中扮演越来越重要的角色。可编程序控制器系统的分类、性能可编程序控制器的性能指标PLC的性能指标PLC的性能指标可分为硬件指标和软件指标两大类，硬件指标包括环境温度与湿度、抗干扰能力、使用环境、输入特性和输出特性等；软件指标包括扫描速度、存储容量、指令种类、编程语言等。这样划分显得不繁琐，为了简要表达某种PLC的性能特点，通常用以下指标来表达。编程语言编程语言PLC常用的编程语言有梯形图语言、助记符语言、流程图语言及某些高级语言等，目前使用最多的是前两者。不同的PLC可能采用不同的语言。指令种类指令种类的多少反映了PLC的编程功能。I/O接口端点数I/O接口端点数PLC的输入和输出量有开关量和模拟量两种。对于开关量，I/O用最大I/O点数表示，而对于模拟量，I/O点数则用最大I/O通道数表示。PLC内部编程元件的种类和点数。PLC内部编程元件的种类包括辅助位存储单元、特殊位存储单元、定时器、计数器、移位寄存器等。PLC内部编程元件的点数是PLC编程能力的一种体现。用户程序存储量用户程序存储量用户程序存储器用以存储通过编程器输入的用户程序，其存储量通常是以字为单位来计算的。约定16位二进制数为一个字（注意：一般微处理机是以8位为一个字节）的，每1024个字为1K字。中小型PLC的存储容量一般在8K以下，大型PLC的存储容量有的已达256K字以上。程序指令扫描速度以ms／K字为单位表示。例如：20ms／K字，表示扫描1K字的用户程序需要的时间为20ms。这一性能指标直接反映了PLC执行程序的速度。工作环境工作环境一般能在下列条件下工作：温度0～55oC，湿度小于85％（无结霜）。特种功能有的PLC还具有某些特种功能，例如自诊断功能、通信联网功能、监控功能、特殊功能模块、远程1／0能力等。其他还能列出其他一些指标，比如输入／输出方式、某些主要硬件（如CPU。存储器）的型号等。可编程序控制器系统的分类、性能可编程序控制器的分类可编程序控制器系统的分类按PLC性能来划分，可将其大致分为微型机、小型机、中型机、大型机四种。4种类型的区别主要体现在指令系统、指令执行速度、各种指令总数、存储器容量、程序容量、输入输出端口容量、通讯功能等指标。可编程序控制器系统的分类微型机、小型机具有逻辑运算、定时、计数等功能，有的还增设模拟量处理、算术运算、数据传送等功能，可实现逻辑、顺序、计时计数控制等。中型机PLC除了以上的功能外，还具有较强的模拟量输入输出、算术运算、数据传送等功能，可完成既有开关量又有模拟量控制的任务。大型机除具有中型机的功能外，增设有带符号算术运算、矩阵运算等，使运算能力更强，还具有模拟调节、联网通信、监视、记录和打印等功能，使PLC的功能更多更强，能进行智能控制、远程控制、大规模控制，构成分布式控制系统，成为整个工厂的自动化网络。随着PLC的发展，对PLC的分类也将会有相应的改变，使其更科学更严密。可编程序控制器结构形式可编程序控制器按结构形式的不同，可分为整体式PLC、模块式PLC和集成的PLC（俗称软PLC）等3类。整体式PLC整体式PLC整体式可编程序控制器整体式PLC是将其电源、中央处理器、输入输出部件等集中配置在一起，有的甚至全部安装在一块印刷电路块上，装在一个箱体内，通常称为主机，例如西门子公司的S7系列S7-200PLC、三菱公司的FX系列PLC。整体式结构紧凑、体积小、质量小、价格低，但其主机I/O的点数固定，因而使用不灵活，小型PLC常使用这种结构。模块式PLC模块式PLC模块式（积木式）可编程序控制器它把PLC的各部分以模块形式分开，如电源模块、CPU模块、输入模块、输出模块等，把这些模块插入机架底块上，组装在一个机架内。这种结构配置灵活，装配方便，便于扩展。一般中型和大型PLC常采用这种结构，例如西门子公司的S7系列S7-300，S7-400，PLC、三菱公司的A2，A3，Q系列PLC等，这种结构较复杂，造价高。集成的PLC集成的PLC集成的PLC又称软PLC，就是用软件和PC兼用的硬件来实现PLC功能。通常情况下，该PC机在运行时将变成专用的控制器，停止大部分的人机交互工作。其主要形式有以下两种。PC机上安装实时多任务操作系统来分时处理PLC的逻辑控制功能和其他人机交互功能。PC总线上插上一块协处理器板来处理PLC逻辑功能。实时数据通过总线和共享的内存传递给PC机。可编程序控制器结构形式无论是整体式PLC还是模块式PLC，都可以根据用户需要进行配置与组合。例如，西门子公司的S7－200整体式PLC，I/O点数在24～168点范围内有多种组合方式，用户可以优选最适合自己的一种配置。模块式PLC则在