《PLC应用技术(三菱)》课件.第一单元-认识PLC

第一单元认识PLC任务一PLC控制器常识任务二PLC的内部结构和控制系统任务三一个简单的PLC系统—异步电动机点动运行电路任务一PLC控制器常识一、PLC的产生和应用自20世纪60年代起，各种生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器接触器控制系统构成的，产品的每一次改型都直接导致继电器接触器控制系统的重新设计和安装。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC（ProgrammableLogicController），用它取代传统的继电器接触器控制系统在美国通用汽车公司的汽车自动装配线上使用，取得了巨大成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快在其他工业领域推广应用。国际电工委员会（IEC）在1987年2月颁布的可编程控制器标准草案的第三稿中将PLC定义为：“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、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设备，都应按易于与工业控制器系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。”图1-1是四台PLC通信联网的示意图，图1-2和图1-3是两个应用实例。图1-1PLC的通信联网图1-2选用GE公司PLC的某开关量控制盘图1-3选用A-B公司PLC的某造纸厂控制柜二、常用的PLC控制器目前，世界上PLC产品可按地域分成三大流派：美国、欧洲和日本产品。1．美国PLC产品图1-4GE公司90-30模块式PLC图1-5GE公司90-70模块式PLC2．欧州PLC产品图1-8西门子S7-200PLC图1-9西门子S7-300PLC图1-10西门子S7-400PLC3．日本PLC产品图1-12FX1N系列PLC图1-13FX1S系列PLC图1-15FX2N系列PLC4．我国PLC产品图1-2224点混合型通用PLC图1-25凯迪恩PLC任务二PLC的内部结构和控制系统一、PLC的内部结构PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块、电源和编程器（或编程软件）组成，CPU模块通过输入模块将外部控制现场的控制信号读入CPU模块的存储器中，经过用户程序处理后，再将控制信号通过输出模块来控制外部控制现场的执行机构。如图1-26是PLC控制系统的示意图。图1-26PLC控制系统的示意图1．CPU模块PLC的CPU模块由CPU芯片和存储器组成。CPU是PLC的核心部件，整个PLC的工作过程都是在CPU的统一指挥和协调下进行的，CPU的主要任务：1）接收从编程软件或编程器输入的用户程序和数据，并存储在存储器中。2）用扫描方式接收现场输入设备的状态和数据，并存入相应的数据寄存器或输入映像寄存器。3）监测电源、PLC内部电路工作状态和用户程序编制过程中的语法错误。4）在PLC的运行状态，执行用户程序，完成用户程序规定的各种算术逻辑运算、数据的传输和存储等。5）按照程序运行结果，更新相应的标志位和输出映像寄存器，通过输出部件实现输出控制、制表打印和数据通信等功能。PLC的存储器有两种，一种是存放系统程序的存储器，另一种是存放用户程序的存储器。系统程序存储器用只读存储器（ROM、PROM、EPROM、EEPROM）实现。用户程序存储器一般用随机存储器（RAM）实现，以方便用户修改程序，为了使在RAM中的信息不丢失，RAM都有后备电池。固定不变的用户程序和数据也可固化在只读存储器中。2．开关量输入/输出接口PLC与工业过程相连接的接口即为I/O接口，I/O接口有两个要求：一是接口有良好的抗干扰能力，二是接口能满足工业现场各类信号的匹配要求，所以接口电路一般都包含光电隔离电路和RC滤波电路。（1）开关量输入接口开关量输入电路的作用是将现场的开关量信号变成PLC内部处理的标准信号。开关量输入电路可分为三类：直流输入接口，交流输入接口，交直流输入接口。1）直流输入接口图1-29直流输入接口2）交直流输入接口图1-30交直流输入接口3）交流输入接口图1-31交流输入接口（2）开关量输出接口开关量输出电路的作用是将PLC的输出信号传送到用户输出设备（负载），开关量输出电路可分为三类：直流输出接口，交流输出接口，交直流输出接口。按输出开关器件的种类不同，开关量输出电路也可分为三类：晶体管输出型，继电器输出型，双向晶闸管输出型。1）直流输出接口（晶体管型）图1-32直流输出接口2）交直流输出接口（继电器型）图1-33交直流输出接口3）交流输出接口（双向晶闸管型）图1-34交流输出接口二、PLC的控制系统1．接线程序控制系统在传统的继电器和电子逻辑控制系统中，完成控制任务的逻辑控制部分是将继电器、接触器、电子元件等用导线连接起来的。这种控制系统称为接线程序控制系统，逻辑程序就在导线连接中，所以也称为接线程序，如图1-35所示。在接线程序控制系统中，控制功能的更改必须通过改变导线的连接才能实现。图1-35继电器控制系统2．存储程序控制系统所谓存储程序控制，就是将控制逻辑以程序语言的形式存放在存储器中，通过执行存储器中的程序实现系统的控制要求。在存储程序控制系统中，控制功能的更改只需改变程序而不必改变导线的连接就能实现。可编程控制系统就是存储程序控制系统，如图1-36所示。它由输入设备、可编程序控制器内部控制电路、输出设备三部分组成。图1-36PLC构成的控制系统对用户来说，不必考虑PLC内部由CPU、RAM、ROM等组成的复杂的电路，只要将PLC看成内部由许多“软继电器”组成的控制器，以便用梯形图编程。“软继电器”的线圈和触点的符号如图1-37所示。所谓“软继电器”，实质上是存储器中的每一位触发器(统称为映像寄存器)，该位触发器为“1”状态，相当于继电器接通；该位触发器为“0”状态，相当于继电器断开。图1-37软继电器的线圈和触点任务三一个简单的PLC系统—异步电动机点动运行电路一、任务提出如图1-38所示是电动机点动运行电路，SB为启动按钮，KM为交流接触器，按下启动按钮SB，KM的线圈通电吸合，主触点闭合，电动机开始运行，SB被放松后，KM的线圈断电释放，主触点断开，使电机M停止运行。本任务研究利用PLC来实现点动控制电路。图1-38电动机点动运行电路二、原理分析为了将这个控制关系用PLC控制器实现，PLC需要一个输入触点、一个输出触点，输入输出点分配见表1-2。表1-2输入输出点分配表输入输出输入继电器输入元件作用输出继电器输出元件作用X0SB启动按钮Y0KM控制电动机用交流接触器图1-40PLC控制器实现的异步电动机点动控制电路将图1-40改画成图1-41来说明系统的工作过程。图1-41PLC实现的点动电路工作原理三、知识链接1．PLC的工作原理（1）循环扫描工作方式PLC用户程序的执行采用循环扫描工作方式。它有两种基本的工作模式，运行（RUN）模式和停止（STOP）模式，如图1-42所示。图1-42PLC基本的工作模式在运行模式，PLC要完成输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段的工作，如图1-43所示。PLC重复地执行上述三个阶段，每重复一次的时间就是一个扫描周期（也称一个工作周期）。在每次扫描中，可编程控制器只对输入采样一次，输出刷新一次，这可以确保在程序执行阶段，输入映像寄存器和输出锁存电路中的内容保持不变。图1-43程序执行过程（2）PLC对输入输出的处理规则将图1-43所示的执行过程画成流程图的形式如图1-44所示，可以更形象地说明输入输出的处理规则。图1-44程序执行过程流程图（3）输入输出滞后时间PLC由于采用扫描工作方式，消除了复杂电路的内部竞争，但这也带来了输入输出的响应滞后问题。输入输出滞后时间是指PLC的外部输入信号发生变化的时刻至它所控制的外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入模块滤波时间、输出模块的滞后时间和扫描工作方式产生的滞后时间这三部分组成。1）输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰，消除因外接输入触点动作时产生的抖动，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，典型值约为10ms。2）输出模块的滞后时间与模块类型有关，继电器型约为10ms，晶体管型一般在1ms以下，双向晶闸管型在负载通电时的滞后时间约为1ms，负载由通电到断电时的最大滞后时间约为10ms。3）由扫描工作方式产生的滞后时间最大可达两个多扫描周期。扫描周期与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有关，典型值约为1~100ms。滞后现象对于一般的工业设备是完全允许的，但对某些需要输出对输入作出快速响应的实时控制设备，滞后现象又是必须克服的，此时在硬件上可采用快速响应模块、高速计数模块等，在软件上可采用改变信息刷新方式、运用中断处理、调整输入滤波器等措施。2．编程元件不同厂家、不同系列的PLC，其内部软继电器（编程元件）的功能和编号也不相同，因此在编制程序时，必须熟悉所选用PLC的每条指令涉及编程元件的功能和编号。（1）输入继电器（X）输入继电器与输入端相连，它是专门用来接受PLC外部开关信号的元件。PLC通过输入接口将外部输入信号状态（接通时为“1”，断开时为“0”）读入并存储在输入映象寄存器中。输入继电器必须由外部信号驱动，不能用程序驱动，所以在程序中不可能出现其线圈。由于输入继电器（X）为输入映象寄存器中的状态，所以其触点的使用次数不限。FX系列PLC的输入继电器以八进制进行编号，FX2N输入继电器的编号范围为X000~X267（184点）。（2）输出继电器（Y）输出继电器是用来将PLC内部信号输出传送给外部负载（用户输出设备）。输出继电器线圈是由PLC内部程序的指令驱动，其线圈状态传送给输出单元，再由输出单元对应的硬触点来驱动外部负载。每个输出继电器在输出单元中都对应有唯一一个常开硬触点，但在程序中供编程的输出继电器，不管是常开还是常闭触点，都可以无数次使用。FX系列PLC的输出继电器也是八进制编号，其中FX2N编号范围为Y000~Y267（184点）。3.编程语言和指令（1）梯形图梯形图语言是在传统电器控制系统中常用的接触器、继电器等图形表达符号的基础上演变而来的。它与电器控制线路图相似，继承了传统电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，具有形象、直观、实用的特点。（2）指令表这种编程语言是一种与汇编语言类似的助记符编程表达方式。（3）取、取反和输出指令LD（取指令）一个常开触点与左母线连接的指令，每一个以常开触点开始的逻辑行都用此指令。LDI（取反指令）一个常闭触点与左母线连接指令，每一个以常闭触点开始的逻辑行都用此指令。LDP（取上升沿指令）与左母线连接的常开触点的上升沿检测指令，仅在指定位元件的上升沿（由OFF→ON）时接通一个扫描周期。LDF（取下降沿指令）与左母线连接的常闭触点的下降沿检测指令。OUT（输出指令）对线圈进行驱动的指令，也称为输出指令。