可编程逻辑控制器 PLC课件3

1第12章可编程控制器(PLC)与电动机控制第一节PLC的发展概况和主要特点1.1概述可编程序控制器(ProgrammableController)，简称PC，为了与个人计算机(PersonalComputer)的PC相区别，又称可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)，简称PLC。在国内市场上，欧洲的代表是西门子公司，日本的代表是三菱和欧姆龙公司，美国的代表是AB与GE公司。主要介绍三菱公司生产的F1型PLC的基本组成，原理与应用。在了解PLC工作原理与特点的基础上，重点介绍小型PLC的应用技术。包括小型PLC的硬件与系统构成、基本性能、指令与编程方法、控制系统的硬件与软件的设计方法。PLC实质上是一种工业控制计算机。可以把它当作一个由各种控制功能的继电器、开关等控制元件组成的控制装置来看待。2与继电器系统相比，PLC的特点表现为：程序存储式控制。内部处理无触点方式。有自诊断功能。采用微电子高集成。采用了专门的抗干扰措施。采用模块积木式结构，扩展灵活方便。与通用微行机相比，PLC的特点表现为：采用与继电器电路相似的梯形图语言编程，编程方便。I/O可与设备和现场信号直连，扩充容易。现场环境适应能力高，可靠性高，平均无故障工作时间30万小时。控制功能强，可实现逻辑、顺序、位置、过程等控制。但运算速度、数据处理和科学计算能力不如普通微型机。3应用领域：数字量逻辑控制：代替继电器作组合逻辑、定时、计数、顺序控制运动控制：以专用模块作直线、圆弧的位置、速度、加速度控制。应用：金属切削机床、金属成形机械、装配机械、机器人、电梯等。闭环过程控制：专用模块对温度、压力、流量等模拟量作闭环PID控制。应用：塑料挤压成形机、加热炉、锅炉、化工过程等。数据处理：通过各种运算完成对数据的采集、分析和处理。应用：造纸、冶金、食品、轻纺工业中的大型控制系统。通信联网：主机与远程I/O，PLC间，PLC与其它智能设备间（如PC、CNC、变频器）民用：楼宇自动化：照明、自动门、空调、窗帘、保安家庭自动化：智能家电商业：停车场、仓库、加油站、酒店公共场合：机场、火车站、医院、道路交通灯农业：暖房、动物饲养温度控制、定时浇水41.2初步认识可编程控制器(PLC)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FX型PLC外观F1型PLC的外形5各种类型的PLC6中、大型PLC的结构外型中、大型PLC的结构外型，它通常采用积木式结构，可以根据需要将各种标准模块进行搭接，常用的模块有电源模块、CPU模块、输入模块、输出模块以及各种特殊模块。中、大型PLC的结构外型7第二节PLC的硬件结构配置与工作原理在PLC中有大量的、各种各样的继电器，如输入继电器(X)、输出继电器(Y)、辅助继电器(M)、定时器(T)、计数器(C)等。不过这些继电器不是真正的继电器，而是用计算机中的存储器来模拟的，我们把它叫作软继电器。存储器中的某一位就可以表示一个继电器，这种继电器也叫位继电器。存储器中的一位有两种状态：“0”和“1”。我们用0表示继电器失电，用1表示继电器得电。把“0”或“1”写入存储器中的某一位就表示对应的继电器线圈失电或得电。读出该存储器某位的值为0时，表示对应继电器的常开接点断开；为1时，表示对应继电器的常开接点闭合。而常闭接点的值是对存储器位的取反。读存储器的次数是不受限制的，所以一个位继电器的接点从理论上讲是无穷多的。8一、基本结构存储扩展CPU控制单元简易编程器电源系统总线数字I/O接口通讯接口扩展接口智能I/O接口模拟I/O接口基本部分扩充部分打印机开发系统监视器其它PLC9中央处理单元存储器数据存储器输出接口地址总线控制总线数据总线编程单元照明电磁装置执行机构。。。。电源地址总线控制总线输入接口模拟量输入行程开关继电器接点各种开关PLC结构示意图中央处理单元存储器数据存储器输出接口地址总线控制总线数据总线编程单元照明电磁装置执行机构。。。。电源地址总线控制总线输入接口模拟量输入行程开关继电器接点各种开关PLC结构示意图10各组成部分的作用1.CPU(1)将各种输入信号取入存储器。(2)编译、执行指令。(3)把结果送到输出端。(4)响应各种外部设备的请求。2.存储器RAM：存储各种暂存数据、中间结果、用户正调试的程序。ROM：存放监控程序和用户已调试好的程序。3.输入、输出接口：采用光电隔离，实现了PLC的内部电路与外部电路的电气隔离，减小了电磁干扰。11输入接口作用：将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。输出接口作用：将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。输出三种形式：继电器--低速大功率，交直流负载；可控硅--高速大功率，交流负载；晶体管--高速小功率，直流负载；12输入接口电路：采用光电耦合器，防止强电干扰。COM光电三极管发光二极管直流输入光-电器件输入端子+–+–内部电路3.3kXn+24V1000PF470–内部电路3.3kXn+24V1000PF470–13输出接口电路：均采用模块式。AC250V/DC24V(max)内部电路内部电路J内部电路内部电路J14主要技术性能1.输入/输出点数(I/O点数)。2.扫描速度。单位：ms/1000步或s/步3.内存容量。4.指令条数。5.内部寄存器数目。6.多功能模块。15发展趋势：高速、高性能、大容量：采用多CPU、专用CPU、流水线结构，可实现智能PID、模糊控制、自适应控制、参数自整定等闭环控制。三菱AnA系列使用了世界第一个32位PLC专用处理器，基本指令扫描时间为0.15微秒。松下FP10SH系列的32位CPU顺序指令执行速度达到0.04微秒/步。微型化：满足机电一体化应用要求，PLC的体积向轻薄短小化发展。三菱FX1S-14M(14个I/O）尺寸仅为90×60×75mm，底部尺寸仅相当于一张卡片大小。智能化：模拟I/O、高速计数、运动控制、温度控制、条形码阅读等网络化：各种微机、图形工作站、PLC本身均可作为PLC的监控主机。编程语言标准化、高级化：发展面向功能块的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（C、BASIC）、PLC专用高级语言（MELDAP）等。通信“傻瓜”化：智能通信模块、语音处理模块。软件化与PC化：在PC上模拟仿真实现PLC功能的软件包上位编程的组态软件化：降低系统集成难度、节约设计时间机电一体化：机械本体＋PLC＋传感器执行器控制与信息处理融合：PLC＋机器视觉＋信息处理器16·三菱小型PLC的发展：80年代：F系列90年代：F1、F2系列，FX2系列当前：FX0、FX1S、FX1N（基本指令执行时间0.55-0.7微秒）；FX1S：超小型，2K步，10－30I/O。可＋1扩展I/O或串行通信。FX1N：14－128I/O，可使用特殊功能模块、显示模块和扩展板。8K步。通过通信扩展可实现网络或232、485通信。FX2N、FX2Nc（基本指令执行时间0.08微秒）；FX2N:功能最强、速度最高。8K－16K步，IO最大256点。有多种特殊功能模块、可实现多轴定位控制。可实现模拟闭环控制。可扩展数＝8。通过通信扩展可实现网络或232、485通信。FX2Nc：小体积，可扩展数4。可控制2轴（包括插补功能）可添加模块：模拟IO、热电阻/热电偶温度传感器用模拟输入、温度调节、高速计数、脉冲输出、定位控制、可编程凸轮开关、CC－Link系统主站、CC－Link接口、MELSEC远程IO连接系统主站、AS-I主站、DeviceNet接口、Profibus接口、RS-232C通信接口、RS-232C适配器、RS-485通信适配器、RS-232C/RS-485转换接口等。17二、PLC的工作过程工作特点是以周期循环顺序执行三个批处理：1.输入扫描按扫描方式将输入端子上的信号顺序读入缓冲区，在本周期内不再改变。2.程序执行扫描按用户程序从上到下、从左到右逐一扫描执行。结果送输出映象区存放。不送输出端口。3.输出扫描执行完所有程序后，将输出映象区的内容送输出锁存器，对物理输出进行刷新。输出刷新完成之后，又返回到输入扫描进入下一工作循环。输入扫描输出刷新用户程序执行END第1条指令最后1条指令18梯形图的过程可分为以下三个阶段：输入采样阶段程序处理阶段输出刷新结果输出阶段PLC完成上述3个阶段称为一个扫描周期。PLC反复不断地执行上述过程。扫描周期的长短和PLC的运算速度和工作方式有关，但主要和梯形图的长度及指令的种类有关，一个扫描周期的时间大约在几毫秒到几百毫秒之间。PLC执行梯形图(读程序)是一步一步进行的，所以它的逻辑结果也是由前到后逐步产生的，为串行工作方式。常规电器的控制电路中所有的控制电器都是同时工作的，在通电和得电顺序上不存在先后的问题，为并行工作方式。ＰLC的工作过程19在一个PLC的工作周期中，可插入其它的工作到输入扫描完成后进行：（1）系统自监测当系统的Watchdog超时动作时，转向执行复位程序。（2）有编程请求时，插入执行与编程器数据交换程序。（3）PLC含数字处理器时，插入执行与数字处理器进行数据交换程序。有通讯请求时，插入通讯处理程序。PLC的内存除存放用户和系统的程序外，还有四个区：（1）I/O区：可直接与外部输入、输出端子传递信息（2）内部辅助寄存器区：存放中间变量（3）数据区：存放中间结果（4）专用寄存器区：定时时钟、标志、系统内部的命令用户在对这四个区进行操作时，可以以寄存器或接点的方式进行。以I/O区为例：寄存器是一个16位二进制单元，16位中的每一位是一个接点，对应外部的一个输入/输出端子。输入寄存器Xm输出寄存器Ym输入端子Xmn输出端子Ymnm：十进制数，寄存器编号n：16进制数(0~F),寄存器的第n位FEDCBA9876543210寄存器FEDCBA9876543210FEDCBA9876543210寄存器20用PLC控制电动机降压起动控制用PLC控制电动机降压起动控制等效电路图X0X1X2Y0Y1Y0Y0T0K50T0M0M0M0X0X1X2FRSB1SB2　－24V＋COM梯形图X0X1X2Y0Y1COM1～220VKM1KM2+-输入量输出量逻辑部分电路可编程控制器输入部分电路输出部分电路Y0Y1PLC等效控制电路21PLC等效电路工作过程示意图X0X1X2Y0Y1Y0Y0T0K50T0M0M0M0X0X1X2X3X4X27X25X26FRSB1SB2　－24V＋COM输入映像寄存器输出锁存器元件映像寄存器输出继电器辅助继电器状态继电器定时器计数器Y0Y1Y2Y3Y267M8255S999T255C256M0M1M2M3S0S1S2S3T0T1T2T3C0C1C2C3Y0Y1Y2Y3Y0Y1Y2Y3Y27输出（驱动）继电器输出继电器接点Y27123456789101112COM1～220VKM1KM2梯形图可编程控制器内部等效电路输入端接线输出端接线X0X1X2X3X4X27X25X26输入采样程序处理结果输出Y4COM2－＋END一个扫描周期22三、PLC的指令与编程PLC编程语言的国际标准IEC〖国际电工委员会〗于1994年5月公布了PLC标准[IEC1131]。其中第三部分〖IEC1131－3〗为PLC编程语言标准。标准包括5种编程语言：1顺序功能图〖SequentialFunctionChart〗一种位于其它编程语言之上的图形语言，用于编制顺序控制程序〖步进〗2梯形图〖LadderDiagram〗应用最广泛的图形编程语言，与继电接触器控制电路图形相似。3功能块图〖FunctionBlockDiagram〗类似于数字逻辑门电路的编程语言4指令表〖Instruct