4可编程控制原理与结构-概述

第三章可编程控制原理与结构【内容提要】可编程控制器是替代继电器控制系统发展出来的一种控制机构，本章主要介绍可编程控制器的起源、现状，基本原理，以及软硬件结构。本次课程主要内容：可编程控制器的产生可编程控制器的发展可编程控制器产品简介可编程控制器的应用可编程控制器的特点电气原理图示例：接触器联锁正反转控制电路继电器控制继电器俗称开关，其开关特性在控制系统中得到广泛应用，就像电路元件一样，各种不同功能的继电器可以构成继电器逻辑控制（开关控制）系统。基本概念继电器控制存在的问题1.结构复杂。由构成复杂的逻辑电路，需要众多的继电器；2.可靠性差。大量的元件使得其中一个损坏，也会影响整体性能；3.维修不便。结构复杂导致维修时困难；4.通用性差。更改逻辑非常困难。可编程控制器的产生可编程控制的提出1969年，美国数字设备公司(DEC公司)研制出了第一台可编程控制器PDP-14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器自此诞生。采用计算机代替继电器控制盘思路的提出优点：体积小、通用性强、能够方便地实现复杂的控制逻辑缺点：抗干扰能力差、不符合工业应用标准适合工业控制环境的计算机的提出1968年，美国通用汽车公司从提出新一代控制器应具备的条件：①编程方便，可现场修改程序；②维修方便，采用插件式结构；③可靠性高于继电器控制装置；④体积小于继电器控制盘；⑤数据可直接送入管理计算机；⑥成本可与继电器控制盘竞争；⑦输入可为市电；⑧输出可为市电，可直接驱动接触器等；⑨扩展时原系统改变最少；⑩用户存储器大于4KB。第一台可编程控制器的出现1982年，国际电工委员会（IEC）专门为可编程控制器下了严格定义。由于PC这一名称早已成为“PersonalComputer”的代名词，为了避免术语混乱，因此国内仍沿用早期的简写名称“PLC”表示可编程控制器，但PLC并不意味只具有逻辑功能。可编程控制器的发展可编程控制器的名称演变ProgrammableLogicController（PLC）随着微处理器技术的发展，可编程控制器的功能不断增加，可编程逻辑控制器不能描述其多功能的特点。1980年美国电气制造商协会（NEMA）提出一个新名称ProgrammableController（PC）ProgrammableLogicController（PLC）可编程控制器的定义国际电工委员会(IEC)于1982、1985和1987年颁发可编程控制器标准草案，草案对可编程控制器进行了定义：“可编程控制器是一种数字运算操作电子系统，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，计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入/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，都按易于工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。可编程控制器的主要性能指标1.输入/输出点数输入/输出点数是PLC组成控制系统时所能接入的输入输出信号的最大数量。它表示PLC组成控制系统时可能的最大规模。通常，在总点数中，输入点数大于输出点数，且输入与输出点不能相互替代。2.扫描速度一般以执行1000步指令所需的时间来衡量，单位为毫秒/千步。也有以执行一步指令时间计，单位为微秒/步3.存储器容量PLC中程序指令按“步”存放，一“步”占用一个地址单元，一个地址单元一般占用两个字节4.编程语言PLC采用梯形图、指令表、功能块图和步进功能图、高级语言等编程语言。5.指令功能PLC的指令种类越多，则其软件的功能就越强，使用这些指令完成控制功能就越容易。逻辑、运动、数据处理、联网功能的名副其实的多功能16位、32位微处理器第四代处理速度提高，向多功能及联网通信发展高性能8位微处理器第三代产品系列化8位微处理器及存储器第二代逻辑控制功能1位微处理器第一代功能器件代次1969年，在美国问世（AB、GE）1971年，日本开始生产（三菱、欧姆龙）1973年，欧洲开始生产（西门子）1974年，我国开始研制产品的更新换代可编程控制器产品简介三菱PLC类型（Q系列、AnS系列、QnA系列、A系列和FX系列）前四个系列的PLC为模块型、FX系列PLC为单元型基本参数Q4AR系列为双机热备系列，最大输入输出点数为8192点；A系列PLC的最大输入输出点数为2048点；F系列程控器的最大输入输出点数为256点。FX系列简介FX系列在日本三菱的姬路制作所生产。三菱姬路制作所累计已生产超过三百万台FX系列PLC。目前FX系列PLC为中国内地销量最多的小型PLC。FX系列PLC根据输入输出点数不同及功能分为多个不同的系列：输入输出点数在30点以內可使用FX1S系列输入输出点数在128点以內可使用FX1N系列输入输出点数在256点以內可使用FX2N系列FX系列PLC命名格式①系列序号：0、2、ON、OS、2C、2NC、1N、1S②输入输出的总点数：6～128③单元形式：M－基本单元；E－输入输出混合扩展单元及扩展模块；EX－输入专用扩展模块；EY－输出专用扩展模块。④输出形式：R－继电器输出；T－晶体管输出；S－晶闸管输出⑤特殊物品：D：DC电源，DC输入；A1：AC电源，AC输入（AC100-120V）或AC输入模块；H：大电流输出扩展模块；V：立式端子排的扩展模式；C：接插口输入输出方式；F：输入滤波器1ms的扩展模块；L：TTL输入型模块；S：独立端子（无公共端）扩展模块。运算速度高：0.08微秒容量大：8K，可扩展到16K软元件丰富：辅助继电器3072点+256点中断指針15点定时器256点状态继电器1000点计数器235点堆栈指針128点数据寄存器200点+7800点变址寄存器16点兼容FX2的编程设计.备有多种不同的扩展单元及特殊模块FX2N系列可编程序控制器是日本三菱公司继F1、F2、FX2系列可编程控制器后推出的新产品。它采用整体式结构，按功能分为基本单元、扩展单元、扩展模块及特殊适配器等四种类型产品。基本单元内有CPU、存储器、输入/输出(I/O)、电源等，是一个完整的PC机，可以单独使用。FX2N系列PLC的特点西门子PLCSIMATlCS7-200系列PLC适用于各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中,或相连成网络皆能实现复杂的控制功能，尤其在集散自动化系统中更能充分发挥其强大的功能S7-300是一种模块化的小型PLC系统,其优越的性能价格比,使之成为中小规模控制系统理想的选择S7-400是为大中型自动化任务而设计的可编程序控制器系统,采用模块化设计，性能范围宽广的不同模板可灵活组合，扩展十分方便。是各种复杂应用控制的理想解决方案。随着PLC功能的不断完善，性能价格比的不断提高，PLC的应用面也越来越广。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电子、机械制造、汽车、船舶、装卸、造纸、纺织、环保、娱乐等各行各业。全自动真空包装机离子交换水处理系统可编程控制器的应用全自动刃具生产机恒压供水节能设备注塑机扶手带试验机炼钢生产线生产线监控VAC合成控制站控制器转向架检修流水线轮对检修流水线轴承外观检测流水线制动梁检修流水线车钩缓冲装置检修流水线制动阀检修流水线顺序控制顺序控制是PLC最广泛的应用领域，它取代传统的继电器顺序控制。PLC应用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制，如:注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、包装生产线、电镀流水线及电梯控制等。运动控制PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴或数轴到目标位置，当每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。运动的编程可用PLC的编程语言完成，通过编程器输入。操作员用手动方式把轴移动到某个目标位置，模块就得知了位置和运动参数，之后可用编辑程序来改变速度和加速度等运动参数，使运动平滑。相对来说，位置控制模块装置体积小，价格低，速度快，操作方便过程控制PLC能控制大量的物理参数，例如，温度、压力、速度和流量等。模块的提供使PLC具有闭环控制功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当控制过程中某个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。PID算法一旦适应了工艺，就不管工艺混乱而保持设定值。通信和联网为了适应工厂自动化（FA）系统、柔性制造系统（FMS）及集散系统等发展的需要，首先，必须发展PLC之间、PLC和上级计算机之间的通信功能。作为实时控制系统，不仅PLC数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电、故障时的对策等。PLC之间、PLC和上级计算机之间都采用光纤通信，多级传递。I/O模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后采用网络联结构成集中管理信息的分布式网络系统。可编程控制器的特点1.可靠性高，抗干扰能力强PLC产品是专为工业控制环境设计的，在硬件方面和软件方面上采取了一系列抗干扰措施，使它可以直接安装于工业现场而稳定可靠地工作。其平均无故障时间都大大的超过了IEC规定的10万小时，远远超过采用硬接线的继电—接触器控制系统，也远远高于一般的计算机控制系统。PLC产品在软件设计上采取了循环扫描、集中采样、集中输出的工作方式，设置了多种实时监控、自诊断、自保护、自恢复程序；在硬件设计上采用了屏蔽、隔离、滤波、联锁等抗干扰电路结构，为了适应特殊场合的需要，有的可编程控制器生产商采用了冗余设计设计，进一步提高了可靠性。PLC适应于恶劣的工业环境，这是它优于普通微机控制系统的首要特点。2.适应性强，应用灵活可编程控制器产品均成系列化生产，品种齐全，多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便，用户可根据自己需要灵活选用，以满足系统大小不同及功能繁简各异的控制系统要求3.编程方便，易于使用可编程控制器的编程可采用与继电器电路相似的梯形图语言，直观易懂，近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言(SFC-SequentialFunctionChart)，使编程更简单方便4.系统设计，安装，调试方便可编程控制器中含有大量的相当于中间继电器，时间继电器，计数器等的“软元件”。又用程序(软接线)代替硬接线，安装接线工作量少。设计人员只要有可编程控制器就可以进行控制系统设计并可在实验室进行模拟调试除基本的逻辑控制，定时，计数，算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可以实现点位控制，PID运算，过程控制，数字控制等功能，为方便工厂管理又可与上位机通信，通过远程模块还可以控制远方设备。5.维修方便，维修工作量小可编程控制器有完善的自诊断，履历情报存储及监视功能。可编程控制器起对于其内部工作状态，通信状态，异常状态和I/O点的状态均有显示。工作人员通过它可以查出故障原因，便于迅速处理6.功能完善