电器控制与plcch2plc概述.ppt

可编程序控制器（programmablelogiccontroller）简称plc，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。自1969年第一台plc面世以来，已成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器，与机器人、cad/cam并称为工业生产自动化的三大支柱。,本章核心是掌握plc的组成、工作过程及其工作原理。,第2章plc概述,2.1plc的基本组成2.2plc的基本工作原理习题,第2章plc概述,2.1plc的基本组成,一、plc的定义1、plc的产生1968年，美国通用汽车制造公司（gm），为适应汽车型号的不断翻新，试图寻找一种新型的工业控制器，设想把计算机的完备功能、灵活及通用等优点和继电接触控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用“面向控制过程，面向对象”的“自然语言”进行编程，以尽可能的减少重新设计和更换继电接触控制系统的硬件及接线、减少时间，降低成本。目标：硬件减少，软件灵活、简单。,一、plc的定义1、plc的产生通用汽车公司提出了十大条件（有名的gm10条）：1、编程简单，可在现场修改程序2、维护方便，最好是插件式3、可靠性高于继电器控制柜4、体积小于继电器控制柜5、可将数据直接送入管理计算机6、在成本上可与继电器控制柜竞争7、输入可以是交流115v8、输出可以是交流115v，2a以上，可直接驱动电磁阀9、在扩展时，原有系统只要很小变更10、用户程序存储器容量至少能扩展到4k字节,2.1plc的基本组成,一、plc的定义1、plc的产生1969年，美国数字设备公司（dec）首先研制成功第一台可编程序控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面。接着，美国modicon公司也开发出可编程序控制器084。1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台可编程序控制器dsc-8。1973年，西欧国家也研制出了他们的第一台可编程序控制器。我国从1974年开始研制，1977年开始工业应用。,2.1plc的基本组成,一、plc的定义1、plc的产生至80年代，随大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，以16位和32位微处理器构成的微机化plc得到了惊人的发展。使plc在概念、设计、性能、价格以及应用等方面都有了新的突破。不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程i/o和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使plc向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。,2.1plc的基本组成,一、plc的定义2、plc的定义国际电工学会（iec）于1987.2发布的可编程序控制器plc标准草案的第三稿中，对plc作了如下定义：plc是一种数字运算操作电子系统，专为在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、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的，模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。,2.1plc的基本组成,一、plc的定义2、plc的定义定义强调了plc的特征是：1、数字运算操作的电子系统也是一种计算机；2、专为在工业环境下应用而设计；3、面向用户指令编程方便；4、逻辑运算、顺序控制、定时计算和算术操作；5、数字量或模拟量输入输出控制；6、易与控制系统联成一体；7、易于扩充。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成plc采用典型的计算机结构，主要包括：cpu、存储器、i/o接口电路、电源单元、编程单元等。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成plc的逻辑结构示意图：,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成1、cpu（中央处理单元）cpu由控制电路、运算器、寄存器组成。cpu通过地址总线、数据总线、控制总线与存储器、i/o接口电路连接。cpu的功能：从存储器中读取指令；执行指令；读取下一条指令。处理中断。cpu的位数：8、16、32。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成2、存储器存储内容：系统程序、用户程序、工作数据。存储器类型：ram速度快，需要电池供电。rom速度慢，不需要电池。eprom加电写入，紫外线照射清除内容。eeprom电可擦除。存储空间分配系统程序rom、eprom。工作数据ram。用户程序eprom、eeprom、带电池的ram。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成3、i/o单元作用：传递信号、电平转换、噪声隔离类型：开关量、模拟量、扩展单元、智能模块,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成3、i/o单元（1）开关量i/o单元输入信号：开关量按钮、行程开关、各种触点输入接口电路：直流输入和交流输入。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成3、i/o单元（1）开关量i/o单元输入接线方式：共点式、分组式和隔离式。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成3、i/o单元（1）开关量i/o单元输出信号：开关量线圈、指示灯、报警装置。输出接口电路：继电器低速大功率负载。晶闸管高速大功率交流负载。晶体管高速小功率直流负载。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成3、i/o单元（1）开关量i/o单元输出接口电路：继电器低速大功率负载。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成3、i/o单元（1）开关量i/o单元输出接口电路：晶闸管高速大功率交流负载。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成3、i/o单元（1）开关量i/o单元输出接口电路：晶体管高速小功率直流负载。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成3、i/o单元（1）开关量i/o单元输出接线方式：共点式、分组式和隔离式。,共点式分组式隔离式,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成3、i/o单元（2）模拟量i/o单元模拟量i/o模块的主要功能是完成模数（a/d）转换和数模（d/a）转换。模拟量i/o模块一般都自带cpu和存储器，plc一上电，plc主控模块就将控制字装入其内部存储器中，模拟量i/o模块即可独立工作并且与主控模块共享存储器，主控模块只需用读写指令便可对模拟量i/o模块进行操作。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成3、i/o单元（3）i/o扩展单元扩展单元是用于扩展输入输出单元，它使plc的控制规模配置更加灵活。当主机上的i/o点数或类型不能满足用户需求时，主机可以通过i/o扩展端口连接i/o扩展单元以增加i/o点数。这种扩展端口实际上为总线形式，可以配置开关量的i/o单元，也可以配置如模拟量、高速计数等各种智能单元以及通信适配器等，扩展plc的功能。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成3、i/o单元（4）智能模块模块化后的plc除了主控模块外，还配备各种专用的、高级的智能模块，以适应现代工业大型系统的快速、复杂的控制和管理的要求。常用的有：温度控制模块高速计数模块位置控制模块通信模块,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成3、i/o单元（4）智能模块温度控制模块：温度控制模块可以直接与热电偶、铂电阻等温度检测元件相连，接受来自温度传感器的信号。温度控制模块实际上就相当于温度变送器和a/d转换器，将生产现场的温度信号值传送给plc，经plc处理后，通过模拟量输出模块，即可以实现温度的自动控制。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成3、i/o单元（4）智能模块高速计数模块：高速计数模块可接受高达50khz的输入信号，它可以不受plc扫描速度的限制，专门用来监视和控制一些高速的控制过程变量，如速度、位置、流量等。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成3、i/o单元（4）智能模块位置控制模块：位置控制模块是用于向步进电动机驱动器或伺服电动机驱动器输出脉冲，控制单坐标部件或装置的位置和速度。对于某些高档的位置控制模块还可以实现多坐标的数字定位控制，有多种插补功能，实现2轴或3轴控制。在多轴控制模块中，可以每个轴独立控制，也可以多轴联动控制。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成3、i/o单元（4）智能模块通信模块：通信模块的功能是在plc和外部设备之间建立一个数据通道，使操作员可以通过外部设备改变plc的工作方式，并为plc输入程序改变状态或将plc的程序或状态送至外部设备。通信模块一般是一个带有cpu的智能模块，plc生产厂家生产的各种类型通信模块（link模块）、远程i/o模块、光纤传送i/o模块等。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成3、i/o单元（5）总线总线是沟通plc中各个功能模板的信息通道，它的含义并不单是各个模板插脚之间的连线，还包括驱动总线的驱动器及其保证总线正常工作的控制逻辑电路。对于一种型号的plc而言，总线上各个插脚都有特定的功能和含义，但对不同型号的plc而言，总线上各个插脚的含义不完全相同(目前国际上尚没有统一的标准)。总线上的数据都是以并行方式传送的，传送的速度和驱动能力与cpu模板上的驱动器有关。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成4、电源单元系统电源开关式稳压电源：输入220v交流电源除了转换为内部工作电压之外，还向外提供24v直流电源。备用电池锂电池或干电池：在没有外部输入交流电源时，为内部时钟、保护电路和个别ram提供电能。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成5、编程单元编程器简易型编程器小型机简易型编程器又称手持编程器，它只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为语句表格式，才能送入。如omron公司的cpm1a系列plc可使用的编程器cqm1-pro01。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成5、编程单元编程器图形编程器大、中型机。图形编程器（graphicalprogrammableconsole，gpc）又称智能编程器，它可以联机，也可以脱机编程，具有lcd(液晶显示器)或crt图形显示功能，可直接输入梯形图和通过屏幕对话。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成5、编程单元编程器通用计算机+编程软件计算机辅助编程是利用个人计算机上配置硬件接口和专用的编程软件，使用户可以直接在计算机上以联机或脱机的方式编程，可以运用梯形图、功能图编程或者采用助记符指令编程。目前，生产plc的公司大多都有配套的计算机辅助编程软件，如日本omron公司推出了运行于windows环境下的cpt编程软件和cx-p编程软件、德国siemens公司推出的wincc-step7编程软件等。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成5、编程单元编程方式在线（联机）编程方式。离线（脱机）编程方式。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成plc除以上组成外，还具有以下几种外部设备：(1)人机接口装置(hmi)人机接口又叫操作员接口，用于实现操作人员与plc控制系统的对话和相互作用。人机接口最简单、最基本和最普遍的形式是由安装在控制台上的按钮、转换开关、拨码开关、指示灯、led数字显示器和声光报警等元件组成。小型plc一般采用这种人机接口。在大中型plc控制系统中，使用彩色或单色的crt显示器，有自己的微处理器和存储器。它通过通信接口与plc相连，以接收和显示外部的信息，并能与操作人员快速地交换信息。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成(2)外存储器plc的cpu模板内的半导体存储器称为内存，可用来存放系统程序和用户程序。有时将用户程序存储在盒式磁带机的磁带或磁盘驱动器的磁盘中，作为程序备份或改变生产工艺流程时调用。磁带和磁盘称为外存，如果plc内存中的用户程序被破坏或丢失，可再次将存储在外存中的程序重新装入。在可以离线开发用户程序的编程器中，外存特别有用，被开发的用户程序一般存储在磁带或磁盘中。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成(3)打印机打印机在用户程序编制阶段用来打印带注解的梯形图程序或语句表程序，这些程序对用户维修及系统的改造或扩展是非常有价值的。在系统的实时运行过程中，打印机用来提供运行过程中发生事件的硬记录，例如用于记录系统运行过程中报警的时间和类型。这对于分析事故原因和系统改进是非常重要的。在日常管理中，打印机可以定时或非定时打印各种生产报表。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成(4)eprom写入器eprom写入器用于将用户程序写入到eprom中去。它提供了一个非易失性的用户程序的保存方法。同一plc系统的各种不同应用场合的用户程序可以分别写入到几片eprom中，在改变系统的工作方式时，只需要更换eprom芯片即可。,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成根据结构形式可分为：整体式和模块式。,整体式,2.1plc的基本组成,二、plc的基本组成根据结构形式可分为：整体式和模块式。,模块式,2.1plc的基本组成,一、工作方式循环扫描工作方式：plc的cpu从用户程序的第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环。,2.2plc的基本工作原理,一、工作方式(1)初始化：plc上电后，首先进行系统初始化，清除内部继电器区，复位定时器等并进行自诊断，对电源、plc内部电路、用户程序的语法进行检查。(2)cpu自诊断：plc在每个扫描周期都要进入cpu自诊断阶段，以确保系统可靠运行。自诊断程序定期检查用户程序存储器、i/o单元的连接、i/o总线是否正常，定期复位监控定时器（wdt，watchdogtimer）等。,2.2plc的基本工作原理,一、工作方式(3)通信信息处理：在每个通信信息处理扫描阶段，进行plc之间以及plc与计算机之间的信息交换；plc与其他带微处理器的智能装置通信，例如，智能i/o模块；在多处理器系统中，cpu还要与数字处理器交换信息。(4)与外部设备交换信息：plc与外部设备连接时，在每个扫描周期内要与外部设备交换信息。编程器是人机交互的设备，通过它，用户可以进行程序的编制、编辑、调试和监视等。用户把应用程序输入到plc中，plc与编程器要进行信息交换。在每个扫描周期内都要执行此项任务。,2.2plc的基本工作原理,一、工作方式(5)执行用户程序：plc在运行状态下，每一个扫描周期都要执行用户程序。执行用户程序时，是以扫描的方式按顺序逐句扫描处理的，扫描一条执行一条，并把运算结果存入输出映像区对应位中。(6)输入、输出信息处理：plc在运行状态下，每一个扫描周期都要进行输入、输出信息处理。以扫描的方式把外部输入信号的状态存入输入映像区；将运算处理后的结果存入输出映像区，直至传送到外部被控设备。plc周而复始地巡回扫描执行上述过程，直至停机。,2.2plc的基本工作原理,二、用户程序的循环扫描过程plc对用户程序进行循环扫描可分为三个阶段进行，这三个阶段分别是：输入采样阶段、数据处理阶段、输出刷新阶段,2.2plc的基本工作原理,二、用户程序的循环扫描过程(1)输入采样（处理）plc以扫描工作方式，按顺序将所有信号读入到寄存输入状态的输入映像寄存器中存储，这一过程称为采样。在本工作周期内，这个采样结果的内容不会改变，而且这个采样结果将在plc执行程序时被使用。,2.2plc的基本工作原理,2.2plc的基本工作原理,二、用户程序的循环扫描过程(2)数据处理plc按顺序对程序进行扫描，即从上到下、从左到右地扫描每条指令，并分别从输入映像寄存器和输出映像寄存器中获得所需的数据进行运算、处理，再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中保存。这个结果在整个程序未执行完毕之前不会送到输出端口上。,二、用户程序的循环扫描过程(3)结果输出在执行完用户所有程序后，plc将映像寄存器中的内容送入到寄存输出状态的输出锁存器中，再去驱动用户设备，这就是输出刷新。,2.2plc的基本工作原理,二、用户程序的循环扫描过程扫描周期一般小于100msplc全过程扫描一次所需的时间称为plc的扫描周期。全部输入、输出状态的改变需要一个扫描周期。扫描周期的长短取决于：i/o扫描速度、用户程序长短、程序使用的指令类型。,2.2plc的基本工作原理,三、输入、输出延迟响应当plc的输入端有一个输入信号发生变化到plc输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间，这段时间就称为响应时间或滞后时间，这种现象称为输入、输出延迟响应或滞后现象。响应时间与以下因素有关：输入电路滤波时间（由时间常数决定）。输出电路的滞后时间（与输出方式有关）。继电器10ms左右；双向晶闸管约1ms；晶体管小于1ms。plc循环扫描的工作方式。plc对输入采样、输出刷新的集中处理方式。用户程序中语句的安排。,2.2plc的基本工作原理,三、输入、输出延迟响应（1）最短响应时间如果在一个扫描周期刚结束之前收到一个输入信号，在下一个扫描周期进入输入采样阶段，这个输入信号就被采样，使输入更新，这时响应时间最短。最短响应时间=输入延迟时间+1个扫描周期+输出延