PLC-概述

第l章概述1.1PLC的历史由来与发展传统的工业自动控制系统——电磁继电器控制电磁继电器基本结构及工作原理电磁继电器工作状态线圈得电状态产生磁场，衔铁受力，常开触点闭合，常闭触点断开线圈失电状态磁场消失，衔铁在拉力弹簧作用下复位，常开触点断开，常闭触点接通。继电器实图（一）继电器实图（二）继电器在控制系统中的作用（一）功率放大（通过弱电控制强电）继电器在控制系统中的作用（二）电气隔离继电器在控制系统中的作用（三）逻辑运算（与、或、非、复杂运算）三相异步电机正反转继电器控制电路电磁继电器控制系统继电器控制系统的优点•单个继电器较可靠•简单控制系统使用继电器较少时，成本低；系统反应速度尚可；维修方便继电器控制系统存在的问题及缺陷•复杂控制系统使用大量继电器，导线连接复杂•继电器内物理触点存在过流、发热及氧化问题，导致触点接触不良或熔化烧结，可靠性低•查找和排除故障困难，如大海捞针，耗时巨大•控制柜内部安装接线工作量大•工艺要求发生变化，控制柜内部的元件及接线需要作相应的变动，改造工期长，费用高•继电器级联数量较多时，反应速度慢•继电器控制柜体积大，能耗高现代制造业对控制系统要求•现代社会要求制造业对市场需求作出迅速反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品•传统的继电器控制系统成为实现这一目标的巨大障碍•需要寻求一种新的控制装置来取代老式的继电器控制系统，使电气控制系统的工作更加可靠、更容易维修和适应经常变化的工艺条件•PLC则是顺应这一要求出现的研发PLC的提出——1968年对PLC的基本要求：•能够用于工业生产现场•能改变其控制逻辑，而不需要变动组成它的元件和修改内部接线•出现故障时易于诊断和维修PLC的发展历程•分立元件及数字集成电路PLC—1968年美国DEC公司研制特点：实现开关量逻辑控制，功能有限•以微处理器和计算机系统为核心的PLC—20世纪70年代开始伴随微处理器出现特点：功能强、速度快、体积小，可靠性高，成本低；编程方便易学；不仅实现开关量逻辑控制，而且能够完成数学运算、数据处理、运动控制、模拟量PID控制、联网通讯等功能。国内外主要厂家PLC产品简介目前，世界上有300多家PLC厂商，1000多品种的PLC产品。PLC产品可按地域分成三大流派：美国产品欧洲产品日本产品目前国内市场还有韩国、台湾等PLC产品日本PLC主要生产厂家及产品日本三菱电机公司（MitsubishiElectric）小型机：F1\F2\FX系列大中型机：A系列、QnA系列、Q系列日本立石（OMRON）公司PLCSYSMACC系列PLC整体式结构微型PLC机C20P，中型机C200H日本松下公司PLCFPO微型机，FP1整体式小型机，FP3中型机，FP20大型机富士、日立、光洋等公司美国PLC主要生产厂家及产品美国通用电气公司GE—Ⅱ系列PLC小型机:GE-1、GE-1/J、GE-1/P中型机:GE-Ⅲ，大型机:GE-Ⅴ美国A-B（Allen-Bradly）公司SLC500系列德国西门子（SIEMENS）公司PLC•超小型：SIMATICS7-200PLC•小型机：SIMATICS7-300PLC•中型机：SIMATICS7-400PLC•工业通讯网络（SIMATICNET）•人机界面（HMI）硬件•SIMATICS7工业软件：编程工具、基于PC的控制软件、人机界面软件。国产PLC主要生产厂家及产品•中国科学院自动化研究所的PLC-0088•北京联想计算机集团公司的GK-40•上海机床电器厂的CKY-40•上海起重电器厂的CF-40MR/ER•苏州电子计算机厂的YZ-PC-001A，•北京机械工业自动化研究所MPC-00l/20、KB-20/40•杭州机床电器厂的DKK02•天津中环自动化仪表公司DJK-S-84/86/480，•上海香岛机电制造有限公司ACMY-S系列•无锡华光电子工业公司（合资）SR-10、SR-20/21。2007年国内外品牌在中国PLC市场份额1.2PLC的基本概念与基本结构1.2.1PLC的基本概念•国际电工委员会（IEC）对PLC的定义：PLC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。PLC及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则来设计。•从上述定义可以看出，PLC是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能够完成各种各样的控制功能外，还有与其它计算机智能设备通信联网的功能。1.2.2PLC的基本组成结构PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块和编程器等五部分组成输出模块可编程序控制器电源指示灯电磁阀接触器编程器CPU模块输入模块选择开关限位开关电源按钮电源模块现场输入信号被控负载SIEMENSS7-200CNPLCPLC实图（德国西门子S7-200系列）PLC实图（日本三菱FX系列）1.CPU模块由微处理器（CPU芯片）和存储器组成•CPU模块的作用：采用周期性循环扫描、分时操作的工作方式，不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出。输入采样程序执行输出刷新周期性循环扫描分时操作CPU每次扫描要完成以下工作输入处理（输入采样）将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映像寄存器和数据寄存器。程序执行逐条读入和解释用户程序，产生相应的控制信号去控制有关的电路，完成数据的存取、传送和处理工作，并根据运算结果更新各有关寄存器的内容。输出处理（输出刷新）将输出映像寄存器的内容送给输出模块，去控制外部负载。存储器作用：存储系统程序、用户程序和各种数据。分类：系统程序存储器和用户程序存贮器。系统程序相当于个人计算机的操作系统，它使PLC具有基本的智能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。系统程序由PLC生产厂家固化在ROM中，用户不能直接存取。用户程序由用户设计，它决定了PLC的输入信号与输出信号之间的具体关系。用户程序一般储存于RAM或E2PROM中，用户程序存储器容量一般以字（每个字由二进制16位组成）为单位（一般指令和操作数各占一个字节），有的PLC将字称为步，每一步储存一条指令。2．I/O模块I/O模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。PLC通过I/O模块与工业生产过程现场联系。传递信号I/O模块的三大作用电平变换噪声隔离模拟量I/O模块I/O模块分类数字量I/O模块特殊I/O模块输入模块输入模块用来接收和采集输入信号。PLC通过输入模块检测被控对象或被控生产过程的各种参数，以这些现场数据作为PLC对被控对象进行控制的信息依据。开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号。模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流或电压信号。输出模块输出模块将PLC处理结果送给被控设备或工业生产过程，以实现控制。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备。模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行机构。I/O模块的电平变换作用•PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O模块单元，有各种各样功能的I/O单元供用户选用。•外部设备传感器和执行机构所需信号电平多种多样（如DC24V或AC220V/380V），而PLC中CPU模块处理的信息只能是标准数字信号电平（5V工作电压），所以I/O模块需实现这种转换。I/O模块的噪声隔离作用I/O模块从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使PLC不能正常工作，所以CPU模块不能直接与外部I/O装置直接相连，需要在I/O模块电路中进行滤波、光电隔离等抗干扰隔离处理措施。常用噪声隔离措施：•I/O回路滤波电路去除干扰信号•I/O回路光电耦合器传递信号，去除干扰•I/O回路继电器传递信号，回路物理隔离3.编程器作用：生成用户程序；编辑、检查、修改、调试用户程序；监视用户程序执行情况。分类：专用简易编程器：只能输入指令，不能图形编程，体积小，价廉，功能简单，通用性差专用图形编程器：支持指令及图形编程，功能较强，通用性差，价贵通用计算机编程：使用专业软件编程，通过通信电缆与PLC交换数据，功能强大，通用性强日本三菱FX系列PLC手持式简易编程器日本三菱F1系列PLC简易编程器日本三菱F1系列PLC图形编程器编程器的发展现状目前大多数PLC都具有智能通信接口和强大的通信功能，使用编程软件可用在计算机屏幕上直接生成和编辑梯形图程序或指令表程序，并可实现不同编程语言之间的转换。程序编译后通过通信电缆下载到PLC,或将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，还可以实现远程编程和传送。目前绝大多数PLC均可使用便携电脑完成程序的开发、现场监控、调试及维护工作，而不必专门购置专用编程器。S7-200CNPLC连接到编程PC4.电源模块PLC使用AC220V或DC24V电源。内部的开关电源为各模块提供不同电压等级的直流电源。小型PLC可以为输入电流或外部电子传感器提供DC24V直流电源。驱动PLC负载（现场执行机构）的直流电源一般由用户提供。1.3PLC的特点及应用领域1.3.1PLC的特点：1.编程方法简单易学•程序结构使用企业中电气技术人员熟悉并易于掌握的梯形图语言。•电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，程序控制过程形象直观，使用的指令数量少，易学易懂，易于为熟悉梯形图控制电路的电气技术人员学习和掌握。2.功能强、性价比高•一台小型PLC内部有成百上千个可供用户使用的编程元件（如存储器、定时器、计数器等），有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器控制系统相比，具有很高的性价比。•PLC可以通过通信联网，组成DCS集散控制系统，实现分散控制，集中管理。3.硬件配套齐全、用户使用方便、适应性强•PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。•用户不必自己设计制作硬件装置，只需确定PLC的硬件配置和设计外部接线图即可。•PLC的安装接线方便，一般用接线端子连接外部接线。•PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。•PLC的硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。4.可靠性高，抗干扰能力强•可靠性是自动控制系统稳定工作的重要指标。是用户选择自动控制装置的首要条件。•传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。•PLC用软件代替了继电器系统中容易出现故障的大量触点和接线，外部仅剩下输入和输出相关的少量硬件元件，接线大量减少，因触点接触不良的故障大为减少。PLC完善的抗干扰措施•PLC采取了一系列硬件和软件方面的抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，可以直接使用于有强烈干扰的工业生产现场，是公认的最可靠的工业自动控制设备之一。•如：三菱F1系列PLC在幅度为1000V、宽度为1uS的脉冲干扰下能够可靠地工作，其工作环境温度为0－55℃，不需要强迫风冷。PLC的故障分类•永久性故障：系统的某些元件损坏或失效而引起，不可恢复。PLC周期性地检测系统硬件，发现永久性故障时，查明故障种类，自动采取相应措施，尽可能减轻故障对系统的影响，同时通知操作人员。•可恢复性故障：大多由电磁干扰引起，干扰往往以窄脉冲的形式从电源线或I/O引线进入PLC内部，瞬时出现的干扰脉冲可能使PLC偏离正常的程序执行路线，导致系统瘫痪。PLC硬件抗干扰措施为了削弱和消除干扰对系统的影响，PLC采取了很多硬件抗干扰措施，以切断干扰进入PLC的途径：•滤波：电源及I/O接口电路使用滤波措施•隔离：I/O模块电路一般用光电耦合器来传递信号；或用继电器实现隔离。•屏