可编程控制器-终极教案

第一章概述（第一次课）一、教学课题:1概述二、教学内容:1、可编程控制器的产生和历史2、可编程控制器的定义和特点3、可编程控制器的发展趋势三、教学目标:1、了解可编程控制器的产生和历史2、掌握可编程控制器的定义和特点四、教学重点:可编程控制器的定义和特点五、教学难点:可编程控制器的定义和特点六、教学时数:2学时七、教学过程:（一）、复习旧知（二）、引入新课微机技术已经并继续在改变世界，在常见的以微处理器为控制中心的控制系统中，什么样的微处理系统可以适应工厂强电磁干扰、及工厂自动控制的面貌？（三）、新课讲解《一》1.1可编程控制器的历史与定义1.1.1可编程控制器的产生历史在可编程控制器出现以前，继电器控制在工业控制领域占主导地位，其控制系统都是按照预先设定好的时间或条件顺序地工作，通用性和灵活性很差。1968年，美国通用汽车公司首先提出PLC的概念。当时，根据汽车制造生产线的需要，希望用电子化的新型控制器替代继电器控制柜，要求比继电器控制系统更可靠、功能更齐全、响应速度更快，而且能够做到当汽车改型时，尽可能的减少重新设计和更换继电器控制系统及接线。以便降低成本，缩短周期。通用汽车公司对新型控制器提出10点具体要求：①编程简单，可在现场修改程序；②维护方便，采用插件式结构；③可靠性高于继电器控制柜；④体积小于继电器控制柜；⑤成本可与继电器控制柜竞争；⑥可将数据直接送入计算机；⑦可直接用115V交流输入；⑧输出采用交流115V，能直接驱动电磁阀、交流接触器等；⑨通用性强，扩展时很方便；⑩程序要能存储，存储器容量可扩展到4K字节。1969年，通用公司提出上述要求一年之后，美国数字设备公司(DEC)率先研制了全球第一台可编程序控制器，并试用于通用汽车公司的自动装配线上面并取得成功，从而开创了PLC应用于工业控制的新纪元。1.1.2可编程控制器的定义可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计，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，控制各种类型的机电设备或生产过程。可编程序控制器及其有关外围设备，都按易于同工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC区别于一般微机控制系统的重要特征：1、具有丰富的输入、输出接口及较强的输出驱动能力。2、可直接应用于工业环境，具有很强的抗干扰能力，以及广泛的适应能力和应用范围。《二》1.2可编程控制器的特点1.可靠性高，抗干扰能力强2.编程简单，易于掌握3.组合灵活，使用方便4.功能强大，通用性好5.开发周期短，成功率高6.体积小、重量轻、功耗低7.安装简单，维修方便《三》1.3可编程控制器的分类1.3.1按结构形式分类（1）整体式PLC将电源、CPU、存储器及I/O等各个功能部件都集成在一个机壳内，称为PLC主机或基本单元。如三菱的FX系列PLC。一个完整的PLC控制系统包括PLC主机以及相关扩展单元和各种特殊功能模块。（2）模块式PLC它是将PLC的各个部分按功能做成独立模块，如电源模块、CPU模块、I/O模块以及其它各种功能模块等，然后安装在同一底板或框架上。其特点是配置灵活、安装维护方便，一般的大、中型PLC采用这种结构形式。1.3.2按控制规模分类（1）小型PLCI/O点数256点以下，存储容量2-8K步，用于逻辑控制、定时、计数、顺序控制等场合。（2）中型PLCI/O点数256点以上，2048点以下，存储容量8-32K步。具有逻辑运算、算术运算、数据传送、数据通信、模拟量处理等功能，可用于开关量、数字量与模拟量混合控制的较为复杂的控制系统。（3）大型PLCI/O点数2048点以上（I/O点数超过8192点的为超大型PLC)，存储容量32K步以上。具有数据运算、联网通信、监视记录打印等功能，可进行中断、智能控制、远程控制。可用于大规模过程控制、分布式控制以及自动化网络控制。1.3.3按功能划分（1）低档机具备微型、小型PLC功能，主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。（2）中档机除具备低档机功能外，还具有模拟量处理、数值运算、数据处理、远程I/O及联网通信等功能。（3）高档机除具有中档机功能外，还可进行带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑以及其他特殊功能运算等，具有很强的联网通信能力，可构成大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化生产和控制。1.3.4PLC的应用范围（1）用于开关量逻辑控制。开关量是电气控制中最基本的被控量，对电气控制领域中各类开关量逻辑控制是PLC最基本、最常用的功能。（2）顺序控制：顺序控制是逻辑控制的灵活应用，也是可编程控制器最广泛应用的领域，取代了传统的继电器顺序控制，广泛应用于电梯控制、印刷机械、港口码头货物存取、组合机床、生产线等。（3）用于定时、计数控制。PLC最常用、最基本的功能之一。PLC通常能够提供几百上千个精度和范围很宽的计时器和计数器，广泛应用于生产线等对时序和数量要求较高的场合。（4）用于过程控制。在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位、速度、电流和电压等，称为模拟量。可编程控制器有A／D和D／A转换模块，这样，可编程控制器可以作模拟量控制用于过程控制。（5）用于数据处理、数字控制。现代PLC具有很强的数据处理能力，可以进行较复杂的函数运算和浮点运算。（6）用于数据通信和联网控制。现代PLC都具备很强的数据通信功能，通过专用的通信模块实现PLC与PLC之间、PLC与上位计算机之间的联网，从而可以实现远程I/O控制，构成以计算机为中心的集中管理和分散控制的分布式网络控制系统。1.3.5PLC的发展方向1.PLC在功能和技术指标方面的发展方向（1）向高速、大容量方向发展（2）加强联网和通信能力（3）致力于开发新型智能I/O功能模块（4）增强外部故障的检测与处理能力（5）编程语言的多样化与标准化（6）软件PLC的出现2.在经济指标与产品制造方面发展方向（1）研制大型PLC（2）大力发展简易、经济的超小型、微型PLC（3）采用先进的制造工艺和安装技术（4）致力提高性价比九、布置作业十、教学后记（1）讲清可编程控制器的产生历史和定义，是讲清其与一般微机系统的区别的关键。（2）讲清可编程控制器的分类，是讲清其应用范围和领域的关键。第二章可编程控制器工作原理及结构特点（第二次课）一、教学课题:2.1工作原理二、教学内容:可编程控制器的工作过程、扫描方式三、教学目标:1、掌握PLC的硬件构成2、掌握PLC的工作原理、扫描过程四、教学重点:PLC的硬件构成五、教学难点:PLC的工作原理、扫描过程六、教学时数:2学时七、教学过程:（一）、复习旧知可编程控制器的产生历史、定义、分类（二）、引入新课一个完整的PLC控制系统有哪些部分组成？PLC是怎样进行工作的？（三）、新课讲解《一》2.1可编程控制器的硬件构成1．中央处理器(CPU)CPU是可编程控制器的核心，它按系统程序赋予的功能指挥可编程控制器有条不紊地进行工作。2.存储器可编程控制器的存储器可以分为系统程序存储器、用户程序存储器及工作数据存储器等三种。3.输入/输出接口输入/输出接口是PLC与外界连接的接口。输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等的开关量输入信号。另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等来的模拟量输入信号。输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）等。4.电源5.扩展接口6.通信接口7.智能I/O接口8.编程器9.其他部件《二》2.2可编程控制器的工作原理PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。CPU从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。可编程控制器整个工作过程可分三部分：第一部分是上电处理。可编程控制器上电后对PLC系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化，I/O模块配置运行方式检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。第二部分是扫描过程。可编程控制器上电处理完成以后进入扫描工作过程。先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU处于STOP方式时，转入执行自诊断检查。当CPU处于RUN方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通信等是否异常或出错，如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描停止。PLC的工作过程如下图所示。1．输入映像存储器及其刷新——对应于输入端子状态的数据区PLC中的CPU是不能直接从与外部接线端子打交道的。在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，经过输入调理电路（光电隔离、电平转换、滤波处理等）后进入输入缓冲器等待采样。没有CPU的采样“允许”，外界的输入信号是不能进入内存的。当CPU采样时，输入信号便进入输入映像存储器——刷新。接着进入程序的执行阶段，直至信号的输出。在此期间，输入映像存储器将现场与CPU隔离，无论输入信号如何变化，输入映像存储器中的内容保持到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新采样新的信号，即：输入映像存储器每周期刷新一次。这样，是否会影响对现场信息的反应速度？由于，PLC扫描周期一般仅几十ms，两次采样之间的间隔时间很短，对一般的开关量而言，可以认为采样是连续的。2．输出映像存储器及其刷新——CPU数据处理的中间结果和最终结果的存放区域。同理，CPU不能直接驱动负载，处理的结果存放在输出映像存储器中，直至所有程序执行完毕，才将输出映像区的内容经输出锁存器（称为输出状态刷新）送到输出端子上驱动外部负载。即：输出映像存储器——随时刷新。输出锁存器——每周期刷新一次（刷新后的输出状态一直保持到下一次刷新）同样，两次刷新的间隔仅几十mS，即使考虑电路的电气惯性（延迟）时间，仍可认为输出是及时的。3．输入/输出状态表——状态RAM表I/O映像存储器的内容，在CPU中构成I/O状态表，其内容是CPU处理用户程序及数据的依据。八、课堂小结1、PLC的硬件构成与其他微控制器系统类似，包括CPU、存储器、电源、I/O接口等部分。2、PLC的工作过程可分为输入处理、程序处理、输出处理等三个阶段。九、布置作业十、教学后记（1）讲清PLC的硬件构成，是讲清其工作原理的关键。第三章可编程控制器工作原理及结构特点（第三次课）一、教学课题:2.2PLC的软件构成2.3可编程控制器的结构特点二、教学内容:PLC的软件环境、编程软器件三、教学目标:1、掌握PLC的软件构成2、掌握PLC的各种编程软器件的特点和功能3、掌握Excel2003工作表的页面设置和打印方法四、教学重点:PLC的各种编程软器件的特点和功能五、教学难点:定时器、计数器的特点和功能六、教学时数:2学时七、教学过程:（一）、复习旧知PLC的硬件构成、PLC的工作过程可分为输入处理、程序处理、输出处理等三个阶段。（二）、引入新课可编程控制器是工业控制计算机设备，其具有计算机的属性，除了完备的硬件外，还必须有对应的软件支持其工作。其软件有那些？作用是什么？（三）、新课讲解《一》2.2PLC的软件构成2.2.1监控程序1．系统管理程序系统管理程序用于整个PLC的运行管理，管理程序又分为三部分：运行管理、存贮空间的管理、系统自检程序2.用户指令解释程序可编程控制器中采用梯形图编程，将人们易懂的梯形图程序变为机器能懂的机器语言程序，即将梯形图程序逐条翻译成相应的一串机器码，这就是解释程序的任务。3.标准程序模块和系统的调用系统监控程序的第三部分就是标准程序模块