可编程序控制器原理与应用.

第一章绪论1.1可编程序控制器的产生1.2可编程序控制器定义及特点1.1可编程序控制器的产生世界上第一台PLC1969年由美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司（GM）的要求研制成功背景：1968年美国通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。设计思想：吸取继电器和计算机两者的优点☆继电器控制系统体积大、可靠性低、接线复杂、不易更改、查找和排除故障困难，对生产工艺变化的适应性差，但简单易懂、价格便宜；☆计算机功能强大、灵活（可编程）、通用性好，但编程困难；☆采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。（梯形图）◆70年代初期：仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）◆70年代中期：微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能◆80年代以后：随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。PLC不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能。近年来PLC发展迅速PLC集三电（电控、电仪、电传）为一体、性能价格比高、高可靠性的特点，已成为自动化工程的核心设备。PLC成为具备计算机功能的一种通用工业控制装置，其使用量高居首位。PLC成为现代工业自动化的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。1.2可编程序控制器定义及特点定义：国际电工委员会（IEC）于1987年颁布了可编程控制器标准草案第三稿。在草案中对可编程控制器定义如下：“可编程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的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。1.2.1可编程序控制器定义1.2.2PLC的特点通用性强，使用方便功能强，适应面广可靠性高，抗干扰能力强控制程序可变具有很好的柔性编程方法简单，容易掌握PLC控制系统的设计、安装、调试和维修工作少.极为方便。控制程序变化方便.具有很好的柔性。体积小、重量轻、功耗低PLC应用类型归纳为以下几个方面：开关量逻辑控制运动控制过程控制（PID闭环控制）数据处理通信联网（构成DCS、FCS系统）是一种工业控制装置可编程序控制器（ProgrammbleController）简称PC或PLC◆区别于一般微机控制系统◆区别于传统控制装置1.2.3PLC的国内外现状及发展动向1969年美国数据设备公司（DEC）研制了第一台PLC，从此PLC发展迅猛。我国改革开放后，美国AB、GE、MODICON、TI，日本OMRON、三菱、富士，德国西门子等厂家的产品不断进入我国，并在各行各业的工控系统中占据重要地位。PLC三大流派从第一台PLC出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制PLC，并得到了迅速的发展。各国PLC都有自己的特色。欧洲：西门子（Siemens）；法国的（Telemecanique）美国：A-B（Allen-Bradly）、GE（GeneralElectric）日本：三菱电机（MitsubishiElectric）、欧姆龙（OMRON）、FUJI（日本主要发展中小型PLC，其小型机性能先进，结构紧凑，价格便宜）目前国内市场还有韩国、台湾等PLC产品4．3自1973年，我国开始研制顺序控制器，并取得不小的进展，现在市场上出现了系列化的国产PLC，其价格相对低廉，性价比较高。FX0NFX2NS7-400FX1S/FX1NSLC500第二章可编程序控制器基本原理2.1可编程序控制器基本控制原理2.2可编程序控制器内部硬件框图及各部分作用2.3可编程控制器工作过程特点及主要性能指标2.4可编程序控制器分类2.1可编程序控制器基本控制原理2.1.1PLC的组成PLC由四部分组成：中央处理单元（CPU板）、输入输出（I/O）部件和电源部件PLC外观PLC应用于步进电机控制PLC的主要逻辑部件1、继电器逻辑：输入继电器X、输出继电器Y、内部继电器（寄存器）R2、定时器逻辑T定时条件——控制定时器操作；定时语句——指定所使用的定时器，给出定时设定值；定时器的当前值——记录定时时间（经过值）；定时继电器——定时器达到设定的时间值时为ON，未开始定时或未达到设定值时为OFF。3、计数器逻辑C计数器的复位信号；计数器的计数信号；计数器设定值的记忆单元；计数器当前值（经过值）单元。4、触发器逻辑5、移位寄存器6、数据寄存器2.1.2PLC的编程语言在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。程序的表达方式基本有四种：梯形图、指令表、逻辑功能图和高级语言。梯形图是当前使用最广泛的一种编程方法。除了的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。理解梯形图的一个关键概念是“能流”，这仅是概念上的“能流”。如图2-7把左母线设想为电源“火线”，右母线设想为“零线2.2可编程序控制器内部硬件框图及各部分作用2.2.1PLC一般结构PLC的基本组成与一般的微机系统类似：是一种以微处理器为核心的、用于控制的特殊计算机PLC的基本组成包括硬件与软件两部分PLC的硬件：中央处理器（CPU）、存储器、输入接口、输出接口、通信接口、电源等PLC的软件：系统程序和用户程序PLC组成编程器写入器电源输入单元输出单元CPU通信接口扩展接口存储器2.2.2PLC内部主要部件功能PLC中常采用的CPU有三类：1)通用微处理器（如Z80、8086、80286等）2)单片微处理器（如8031、8096等）3)位片式微处理器(如AMD29W等)小型PLC：大多采用8位通用微处理器和单片微处理器，中型PLC：大多采用16位通用微处理器或单片微处理器大型PLC：大多采用高速位片式微处理器（32位）小型PLC为单CPU系统，中、大型PLC则大多为双CPU或多CPU系统。对于双CPU系统，一般一个为字处理器，一般采用8位、16位或32位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。1.PLC中的CPU及作用CPU的作用：按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作。归纳起来主要有以下五个方面：1）接收并存储编程器或其它外设输入的用户程序或数据2）诊断电源、PLC内部电路故障和编程中的语法错误等3）接收并存储从输入单元（接口）得到现场输入状态或数据4）逐条读取并执行存储器中的用户程序，并将运算结果存入存储器中5）根据运算结果，更新有关标志位和输出内容，通过输出接口实现控制、制表打印或数据通讯等功能存储器的作用：在PLC中，存储器主要用于系统程序、用户程序、数据存储器的类型：①可读/写操作的随机存储器RAM②只读存储器ROM、PROM、EPROM、E2PROM2.系统程序存贮器系统程序:系统程序是完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用、管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能。系统程序由PLC的制造厂家编写的，在PLC使用过程中不会变动，它和PLC的硬件组成有关，它关系到PLC的性能。系统程序由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。3.用户存贮器◆用户程序:用户程序是用户根据控制对象生产工艺及控制的要求而编制的应用程序。它是由PLC控制对象的要求而定的，为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在EPROM中。现在有许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。4.输入/输出接口（I/O模块）输入/输出接口通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接通道。LC输入接口-----可以检测被控对象的各种数据，用这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据PLC输出接口-----将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的PLCI/O处理示意图◆I/O接口的作用：电平转换功能：由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信号是标准电平信号。光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力，通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护I/O接口的类型：开关量输入/输出接口模拟量输入/输出接口5.PLC编程器及作用编程器的作用：是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的设备。简易编程器专用编程器编程器智能编程器通用编程系统：PC上配专用编程软件包6.PLC中的电源及作用●PLC配有开关式稳压电源，以提供内部电路使用。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。因此，对于电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值±15%的范围内波动。●许多PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电。电源的容量7.PLC中的I/O输出接口及作用◆输入/输出（I/O）点数：PLC的I/O点数是指PLC的I/O接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数的总和。I/O点数是选择PLC的重要依据之一当I/O点数不够时，可通过PLC的I/O扩展接口对系统进行扩展◆PLC配有各种通信接口与外部设备连接与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印与监视器连接，可将控制过程图像显示出来与PLC连接，组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制与计算机连接，组成多级分布式控制系统，控制与管理相结合与人机界面（触摸屏）连接与智能接口模块连接。智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口，PLC的智能接口模块种类很多，如：高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。与编程器连接2.3可编程控制器工作过程特点及主要性能指标★当PLC运行时，需要进行众多的操作★而PLC的CPU不可能同时去执行多个操作，每一刻只能执行一个操作。2.3.1循环扫描工作方式扫描工作方式•解决的办法：采用分时操作原理•由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时完成的。•这种分时操作的方法称为扫描工作方式PLC采用“顺序扫描、不断循环”的工作方式，这个过程可分为输入采样，程序执行、输出刷新三个阶段，整个过程扫描并执行一次所需的时间称为扫描周期。输入端子输入锁存器输入状态寄存器输出锁存器输出状态寄存器输出端子程序执行读读写输入采样程序执行输出刷新检查CPU等内部硬件，对监视定时器（WDT）复位以及其它工作与其它智能装置（如编程器、计算机等）实现通信按顺序对所有输入端的状态进行采样，并存入相应寄存器对用户程序扫描执行，并将结果存入相应的寄存器将寄存器中与输出有关状态，转到输出锁存器，输出驱动外部负载2.3.2PLC的工作过程分自诊断、与编程器或计算机等通信、输入采样、程序执行和输出刷新五个阶段。PLC执行程序的过程PLC扫描工作方式的特点★集中采样：在一个扫描周期中，对输入状态的采样只在输入处理阶段进行。当PLC进入程序处理阶段后输入端将被