PLC与变频器项目教程项目一

初识PLC系统控制节日彩灯的亮暗变化，给节日带来无穷乐趣，现有一彩灯，通过PLC来实现它的亮暗控制。控制电路如图1-1所示。控制要求：1.按下按钮SB，彩灯HL亮。2.松开按钮SB，彩灯HL灭。SB220V~HLX00COMY00COMPLC图1-1彩灯控制电路可编程控制器（PLC）是计算机家族中的一员，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。传统的继电接触控制系统通常由输入设备、控制线路和输出设备三大部分组成，如图1-1所示。显然这是一种由许多“硬”的元器件连接起来组成的控制系统，PLC及其控制系统是从继电接触控制系统和计算机控制系统发展而来的，PLC的输入/输出部分与继电接触控制系统大致相同，PLC控制部分用微处理器和存储器取代了继电器控制线路，其控制作用是通过用户软件来实现的。PLC的基本结构如图1-2所示。PLC的基本组成部分包括微处理器（CPU）、存储器、I/O单元、电源单元和编程器等。输入设备（按钮、开关等）继电器控制线路（由继电器和导线组成)输出设备（接触器、电磁阀等）图1-2继电接触控制系统用户输入设备微处理器系统程序存储器用户程序存储器输入单元输出单元电源单元用户输出设备编程器按钮继电器触点位置开关电磁线圈指示灯电磁阀PLC图1-3PLC的基本结构1．微处理器（CPU）CPU一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。与一般计算机一样，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。不同型号可编程控制器的CPU芯片是不同的，有的采用通用CPU芯片，如8031、8051、8086、80826等，也有采用厂家自行设计的专用CPU芯片（如西门子公司的S7-200系列可编程控制器均采用其自行研制的专用芯片），随着CPU芯片技术的不断发展，可编程控制器所用的CPU芯片也越来越高档。CPU的主要功能：（1）接收并存储用户程序和数据；（2）诊断电源、PLC工作状态及编程的语法错误；（3）接收输入信号，送入数据寄存器并保存；（4）运行时顺序读取、解释、执行用户程序，完成用户程序的各种操作；（5）将用户程序的执行结果送至输出端。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。（1）系统程序存储器系统程序存储器用来存放由可编程控制器生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC的性能，其内容主要包括三部分：第一部分为系统管理程序，它主要控制可编程控制器的运行，使整个可编程控制器按部就班地工作；第二部分为用户指令解释程序，通过用户指令解释程序，将可编程控制器的编程语言变为机器语言指令，再由CPU执行这些指令；第三部分为标准程序模块与系统调用程序.（2）用户程序存储器根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务，用规定的可编程控制器编程语言编写的各种用户程序。目前较先进的的可编程控制器采用可随时读写的快闪存储器作为用户程序存储器。快闪存储器不需后备电池，掉电时数据也不会丢失。（3）工作数据存储器工作数据存储器用来存储工作数据，即用户程序中使用的ON/OFF状态、数值数据等。在工作数据区中开辟有元件映像寄存器和数据表。其中元件映像寄存器用来存储开关量、输出状态以及定时器、计数器、辅助继电器等内部器件的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它存储用户程序执行时的某些可变参数值及A/D转换得到的数字量和数学运算的结果等。3．输入/输出（I/O）单元输入/输出接口是PLC与外界连接的接口。是CPU与现场I/O装置或其他外部设备之间的连接部件。如图1-3所示为三菱FX2N型PLC外部I/O端口。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。图1-4三菱FX2N外部I/O端口输入接线端子输入指示灯输出接线端子输出指示灯4．编程器编程器有简易编程器和智能图形编程器两种，主要用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件。如图1-4所示三菱FX2N简易编程器。图1-5三菱FX编程器5．电源电源部件用来将外部供电电源转换成供PLC的CPU、存储器、I/O接口等电子电路工作所需要的直流电源，使PLC能正常工作。PLC的电源部件有很好的稳压措施，因此对外部电源的要求不高。直流24V供电的机型，允许电压为16～32V；交流供电的机型，允许电压为85～264V，频率为47～53Hz。一般情况下，PLC还为用户提供24V直流电源作为输入电源或负载电源。1.可编程控制器的产生和发展20世纪60年代，在世界工业技术改革浪潮的冲击下，各工业发达国家都在寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快捷的新型工业控制装置。直到1968年，美国通用汽车（GE）公司为适应汽车型号的不断翻新，尽量避免重建流水线和更换继电器控制系统，以降低成本，缩短生产周期。为此，美国通用汽车公司公开招标，研制一种工业控制器，提出了“使用、编程方便，可在现场修改和调试程序，维护方便，可靠性高，体积小，易于扩充”等要求。根据招标要求，美国数字设备公司（DEC）在1969年研制出了第一台可编程控制器PDP-14，并在通用汽车公司的自动装配生产线上试用，获得成功，从而开创了工业控制的新局面。经过30多年的发展，产品性能日臻完善，概括起来，其发展过程可归纳如下，见表1-1所示.发展时期特点典型产品举例初创时期（1969年～1977年）由数字集成电路构成，功能简单，仅具备逻辑运算和计时、计数功能。机种单一，没有形成系列DEC公司的PDP-14、日本富士电机公司的USC-4000等功能扩展时期（1977年～1982年）以微处理器为核心，功能不断完善，增加了传送、比较和模拟量运算等功能。初步形成系列，可靠性进一步提高，存储器采用EPROM。德国西门子公司的SYMATICS3系列和S4系列、日本富士电机公司的SC系列等联机通信时期（1982年～1990年）能够与计算机联机通信，出现了分布式控制，增加了多种特殊功能，如浮点数运算、平方、三角函数、脉宽调制等德国西门子公司的SYMATICS5系列、日本三菱公司的MELPLAC-50、日本富士电机公司的MICREEX等网络化时期（1990年～）通信协议走向标准化，实现了和计算机网络互联，出现了工业控制网。可以用高级语言编程德国西门子公司的S7系列、日本三菱公司的A系列等2.可编程控制器的应用领域PLC已广泛应用于工业生产的各个领域。从行业看，冶金、机械、化工、轻工、食品、建材等，几乎没有不用到它的。不仅工业生产用它，一些非工业过程，如楼宇自动化、电梯控制、农业的大棚环境参数调控、水利灌溉等。PLC应用领域主要分为如下几类：（1）取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线，如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、电镀流水线等。（2）工业过程控制。在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量，PLC采用相应的A/D、和D/A转换模块，以及各种各样的控制算法程序来处理，完成闭环控制。（3）运动控制。PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。（4）数据处理。PLC具有数学运算、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。（5）通信及联网。PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。任务二抢答器的控制在各种知识竞赛中，经常用到抢答器，现有四人抢答器，通过PLC来实现控制，如图1-7所示，图中，输入X01～X04与4个抢答按钮相连，对应4个输出Y01～Y04继电器。只有最早按下按钮的人才有输出，后续者无论是否有输入均不会有输出。当组织人按复位按钮后，输入X00接通抢答器复位，进入下一轮竞赛。SB2SB0220V~HLCOMCOMPLCSB1SB3SB4Y02Y03Y04Y01X00X01X02X03X04图1-7四人抢答器控制电路图在PLC系统中，外部设备信号均是通过输入/输出端口与PLC进行数据传送的。所以，无论是硬件电路设计还是软件电路设计，都要清楚地了解PLC的端口结构及使用注意事项，这样才能保证系统的正确运行。输入/输出接口就是将PLC与现场各种输入/输出（I/O）设备连接起来的部件。PLC应用于工业现场，要求其输入能将现场的输入信号转换成微处理器能接收的信号，且最大程度地排除干扰信号，提高可靠性；输出能将微处理器送出的弱电信号放大成强电信号，以驱动各种负载。因此，PLC采用了专门设计的输入/输出端口电路。输入输出接口的任务是将被控对象或被控生产过程的各种变量进行采集送入CPU处理，同时控制器又通过I/O接口将控制器运算处理产生的控制输出送到被控设备或生产现场，驱动各种执行机构动作，实现实时控制。如图1-5所示。工业生产过程可编程控制器过程输入通道过程输出通道图1-8可编程控制器系统构成1．输入接口输入接口电路是PLC与控制现场的接口界面的输入通道。输入信号可以用来接收和采集两种类型的输入信号：一种是由按钮开关、选择开关、行程开关等提供的开关量输入信号；另一种是由传感器、电位器、热电偶等提供的连续变化的模拟信号。如图1-6所示。图1-9输入接口结构原理图输入接口常见有3种接口形式，如图1-7所示。X0......COMX0......COM24VX0......COMACa)干接触式b)24V直流输入式c)交流输入式图1-10输入接口形式2．输出接口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。输出接口有多种输出方式，如图1-8所示。（1）继电器输出：接触电阻小，抗冲击能力强，但响应速度慢，一般为毫秒级，可驱动交/直流负载，常用于低速大功率负载。（2）晶体管输出：响应速度快，一般为纳秒级，无机械触点，可频繁操作，受命长，可以驱动直流负载。（3）晶闸管输出：响应速度比较快，一般为微秒级，无机械触点，可频繁操作，受命长，可以驱动交/直流负载。(a)继电器输出(b)晶体管输出(c)晶闸管输出图1-11输出接口的输出方式根据图1-7硬件电路图所示，绘制PLC控制程序如图1-12所示。梯形图指令表图1-12抢答器控制程序PLC的分类可编程控制器是科学技术发展和现代化大生产需要的产物，在不同环境中应用的类型不同，一般来说，可以从3个方面对PLC进行分类，见表1-2所示.表1-2分类原则种类PLC特点相关产品举例按PLC的控制规模分类微型PLCI/O点数一般在64点以下。其特点是体积小巧、结构紧凑、以开关量控制为主，有的产品具有少量模拟量信号处理能力OMRON公司的CPM1A系列PLC、德国西门子的LOGO系列PLC小型PLCI/O点数一般在256点以下。除开关量I/O外，一般都有模拟量控制功能和高速控制功能。有的产品还有多种特殊功能模板或智能模块。有较强的通信能力日本三菱公司的FX2系列PLC、OMRON公司的C60P系列PLC、西门子的S7-200PLC小型PLCI/O点数一般在256点以下。除开关量I/O外，一般都有模拟量控制功能和高速控