可编程序控制器教案.ppt

课程名称：可编程序控制器原理与应用,本课和本教科书的任务,本书可编程序控制器原理与应用基础,本课是自动化专业的专业课,本书主要讲述可编程序控制器的基本概念、工作原理、指令语言、程序设计方法及应用实例。同时，简要介绍组态软件与PLC的通讯组态及编程方法。并以S7-200为例讲解STEP7编程环境。,第1章可编程序控制器概论,本章内容包括：,PLC的定义PLC的发展PLC的功能PLC的主要技术性能指标常用PLC简介及应用,1.1PLC概述,一、PLC的定义一般称为可编程序控制器（ProgrammableControler,简称PC)，早期叫可编程序逻辑控制器(ProgrammableLogicControler，简称PLC),为了与个人计算机（PC)区别，现在仍将可编程序控制器称为PLC。它是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字式的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。,为什么要加热？为什么温度不能高也不能低？怎么样实施控制,二、PLC的产生,早期的电气控制一般采用继电逻辑控制，其主要控制设备为：接触器、继电器、电磁铁、按钮、开关等组成，通过组合这些逻辑元件，控制触点的闭合与断开，实现顺序控制与逻辑控制的功能。属于有触点控制。优点：线路简单，容易实现。缺点：体积笨重，故障点多，可靠性低。一般金属铜片带银触点，寿命短。,（a）结构示意,（b）图文符号,图1.1按钮,（2）接触器,结构及工作原理接触器是利用电磁吸力的原理工作的，主要由电磁机构和触头系统组成。电磁机构通常包括吸引线圈、铁心和衔铁三部分。图1.2为接触器的结构示意图与图文符号，（a）图中，1、2，3、4是静触点，5、6是动触点，7、8是吸引线圈，9、10分别是动、静铁心，11是弹簧。（b）图中，1、2之间是常闭触点，3、4之间是常开触点，7、8之间是线圈。,（a）结构示意,（b）图文符号,图1.2接触器,7、8得电，磁化9、10铁心，吸引衔铁，3、4闭合；7、8断电，衔铁在弹簧作用下，1、2闭合，所以，1、2常闭。,继电逻辑控制电机单向旋转,三相笼型电动机单向旋转可用开关或接触器控制，图1.3为接触器控制电路。接触器控制电路图中，Q为开关，FU1、FU2为主电路与控制电路的熔断器，KM为接触器，KR为热继电器，SB1、SB2分别为启动按钮与停止按钮，M为笼型感应电动机。KR电动机过载保护。,图1.3单向旋转,工作原理：SB1按下，SB2常闭，KM得电，触点闭合，电机上电启动，由于KM开关闭合，即使按钮抬起，电机照样转动；当SB2按下时，电源断开，电机停止。,随着电子技术的发展，微计算机的出现，软件编程技术的提高，能否制造一种设备，通过软件编程实现继电逻辑控制功能？1968年，美国通用汽车公司为了改造汽车电气控制，面向全世界发出标书，研制新的工业控制器：1)用软件实现逻辑运算、顺序控制、定时、计数等功能；2）编程方便，可在现场修改和调试程序；3）维护方便；4）可靠性高；5）体积小；6）易于扩展等。共提出10项指标。1969年，美国的数字设备公司(DEC)中标，设计了世界上的第一台PLCPDP14，并用在汽车自动装配线上。最初只具备逻辑控制、定时、计数等功能，主要是用来取代继电接触器控制。（无触点）,现在所说的可编程序控制器PC（ProgrammableController）是1980年以来，美、日、德等国由先前的可编程序逻辑控制器PLC进一步发展而来。1985年，国际电工委员会IEC对可编程序控制器作了如下规定：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。也不是绝对，民用也在使用。（如楼宇照明、供水等系统）,三、PLC的发展,1、发展及现状四个阶段：初创阶段（70年代中期）：硬件：中小规模集成电路；只有逻辑运算、计数、计时功能；功能扩展时期（70年代末期）：硬数据的传输与比较，模拟量的运算等；通信功能发展时期（80年代中期）：初步形成分布式通信网络系统，但比较封闭；（西门子与DEC不能通信，中板生产）开放时期（80年代末期）：通信协议标准化、系统软件标准化、CRT显示功能、高级语言算法、特殊功能摸板等。（可以互通互联）早期自动化设备通信协议不同一，给企业带来困难。,2.发展趋势（与DCS比较）（1）与计算机联系密切（2）发展多样化（3）模块化（4）网络与通信能力增强（5）多样化与标准化（6）工业软件发展迅速,1.2PLC的功能与特点,一、功能逻辑控制功能定时与计数：如何对钢坯计数顺序控制：辊道电机顺序启停数据处理：数学运算等A/D、D/A转换运动控制过程控制远程控制通信联网监控功能,三、特点1.运行稳定，可靠性高，抗干扰能力强；线路无触点；多层电路板设计；模块冗余；光电隔离；故障自诊断等措施，可适用于较恶劣的生产环境。（高温、粉尘、振动、潮湿，钢板氧化铁皮除磷）2.功能强大。既可对开关量进行处理，也可对模拟量进行处理；既可实现逻辑运算，也可实现数据运算；既可实现顺序控制，也可实现闭环算法控制，包括高级过程控制等。3.编程语言直观易学：LAD、STL、FBD4.与网络技术结合紧密5.体积小、重量轻、功耗低,1.3分类与性能指标,1.从结构上可编程序控制器从结构上可分为整体式和模块式。2.从规模上按PLC的输入输出点数可分为：小型(128点以下、内存几K)、中型（128512、内存几十K）、大型（512896、几百K）、超大型（896以上、1000K以上）。考虑集散控制，集中于一台风险大。,技术性能指标（这些在工程设计时都要考虑）,1.外形尺寸：考虑安装、盘面布置等；2.输入输出点数：选型用；3.机器字长：系统运算精度，模拟量处理；（8位、12位AD对100分辨率不同）4.扫描速度：系统运算快慢。如CPU226处理：布尔逻辑每条指令0.37S;移字操作每条指令34S;字运算操作每条指令46S;实数运算每条指令100-400S;影响实时性。5.指令系统6.存储器容量7.模板种类及扩展性8.通信功能,1.4常用PLC及应用,1.工业应用1）开关量控制，如逻辑、定时、计数、顺序等；2）模拟量控制，部分PLC或功能模块具有PID控制功能，可实现过程控制；3）监控，用PLC可构成数据采集和处理的监控系统；4）建立工业网络，为适应复杂的控制任务且节省资源，可采用单级网络或多级分布式控制系统。2.其他行业应用可编程序控制器在其他行业的应用也日益广泛：在国防和民用，如建筑，环保，家用电器等。,常用PLC,SIEMENSS5系列S5-95U、S5-115U、S5-135U、S5-155USIEMENSS7系列S7-200、S7-300、S7-400ABPLCPLC-5/15、PLC-5/20、PLC-5/25、PLC-5/40、PLC-5/80OMRON系列C20、C200、C1000、C2000H,第二章可编程序控制器的工作原理,PLC专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。图2.1为一典型PLC结构简图。,图2.1结构简图,2.1结构,1.中央处理器CPU,中央处理单元（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。CPU的主要功能：1）从存储器中读取指令：从地址总线得到地址，从控制总线给出读命令，从数据总线得到读出的指令，存入CPU的指令寄存器2）执行指令：对指令寄存器的指令进行译码，执行指令规定的操作。数据采集送输入映像寄存器，进行数据处理：逻辑、算术运算，更新标志，处理结果送输出映像寄存器，并送接口电路。3）处理中断：外部中断、内部中断。4）自诊断功能：电源、模板、内部电路的工作状态。,2.2各部分的作用,2.存储器,存储器一般用来存放系统程序和用户程序。系统程序是指完成PLC各种控制功能的程序，只和硬件有关，不可更改，一般放在ROM中；用户程序一般是根据用户需要而编写的程序，一般放在RAM中，用户可更改。,1）只读存储器：检查程序：PLC上电检查各部分是否正常；键盘输入程序：解释、执行用户从键盘上发出的命令，将用户输入的程序送到RAM中；编译程序：将PLC语言转换为机器码；监控程序：根据实际控制的需要调用相应内部程序。2）随机存储器RAM：存放用户程序和逻辑变量。,3）存储器的保持：EEPROM：永久保存程序和数据，固化在存储器中；如程序机器码、生产工艺参数、模型参数等；加超级电容：储能元件，保持RAM数据不丢失，可保存几天；后备电池：当电容缺电后，加一块锂电池，可使数据保存3年以上。,3.输入输出单元,（1）输入接口电路（2）输出接口电路,通常PLC的输入类型可以是直流、交流和交直流。输入电路的电源可由外部供给，有的也可由PLC内部提供。图2.2为一种型号PLC的直流输入接口电路的电路图，采用的是外接电源。,图2.2直流输入电路图,图2.2描述了一个输入点的接口电路。其输入电路的一次电路与二次电路用光耦合器相连，当行程开关闭合时，输入电路和一次电路接通，上面的发光管用于对外显示，同时光耦合器中的发光管使三极管导通，信号进入内部电路，此输入点对应的位由0变为1。即输入映像寄存器的对应位由0变为1。隔直、分压）,图2.3交流输入电路图,4、电源,将220V交流变成24V的直流，选型时主要考虑输出电流。有的是与CPU集成在一起，有的是单独的电源模块。S7-200一般集成，S7-300、400单独。一般有1A、2A、3A、5A、10A、20A，不仅可为PLC模板提供电源，而且可为负载及传感器提供电源。值得注意的是若负载等均由电源板供电，就需要电源板的输出电流较大，发热严重，价格较高，一般采用电源箱及配电器供电。,5、其它接口电路,I/O扩展接口：扩展I/O点数智能I/O接口：位置闭环控制模块，高速计数模块、PID控制模块等；通信模块：如CP5611、CP5613等；A/D、D/A模块,6、编程器,用来输入、修改（下装、上传）、调试用户程序、监控PLC运行状况、调整内部寄存器的参数；编程器与PLC的连接方式：RS233-RS485：编程电缆PPI通信：通信卡MPI通信：通信卡PROFIBUS通信：通信卡注意：通信速率相差较大。,PG760,PG740,PG720,2.3可编程序控制器工作原理,一、工作原理,1.循环扫描PLC采用循环扫描工作方式，这个工作过程一般包括五个阶段：内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理，其工作过程如图2.4所示。图2.4中当PLC方式开关置于RUN（运行）时，执行所有阶段；当方式开关置于STOP（停止）时，不执行后3个阶段，此时可进行通信处理，如对PLC联机或离线编程。,图2.4工作原理图,可编程序控制器的输入处理、执行用户程序和输出处理过程的原理如图2.5所示。PLC执行输入、执行、通讯、自诊断、输出这五个阶段一次，称为一个扫描周期，PLC完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。,图2.5程序执行原理图,二、输入、输出映像寄存器,1、输入映像寄存器存储对应位输入“继电器”的通断状态，高电平“1”为通，“0”为断。只能被PLCCPU读，而不能被修改。如开关量输入I0.0、I0.7、I1.0、I1.7等。,2、输出映像寄存器存储对应位输出“寄存器”的状态