北京科技大学 可编程控制器 PLC ——西门子S7300 第一章 (1).ppt

课程名称 可编程控制器及应用课程性质 选修学时 36 包括实验6学时 3次实验 参考书目 可编程控制器原理及应用 李希胜 孙昌国 舒雄鹰编 S7 300 400PLC应用技术 廖常初主编 S7 300PLC和MM440变频器的原理与应用 马宁 孔红著 深入浅出西门子S7 300 西门子自动化与驱动集团编等 课程考核方式 理论 考察可编程控制器的基本概念 占50 实验 考察实际的动手能力 对于给出的基本功能能否设计出一个较完整的控制系统 占50 平时实验课要认真做 实验考试均是曾经做过的类似的实验 答疑时间 周二下午2 00 3 00地点 信息楼1021联系方式 手mail dongdandan9 QQ 877055941 第1章可编程序控制器概述 1 1可编程序控制器产生与发展1 2可编程序控制器的特点与分类1 3网络型PLC与DCS的关系1 4可编程控制器的基本组成1 5梯形图1 6可编程控制器的工作原理1 7可编程控制器的性能指标1 8可编程控制器的发展趋势 1 1可编程序控制器产生与发展1 接线程序控制系统按钮 开关 时间继电器 压力继电器 温度继电器 过流过压继电器接触器 继电器 电磁阀压力传感器 温度传感器 湿度传感器伺服电机 电动阀 距离 速度等控制信号 1 接线程序控制系统 以往的电气控制装置主要采用继电器 接触器或电子元件来实现 由连接导线将这些器件按照一定的工作程序组合在一起 以完成一定的控制功能 这种控制叫做接线程序控制 接线程序控制的电气装置体积大 生产周期长 接线复杂 故障率高 可靠性差 控制功能略加变动 就需重新组合 改变接线 继电器控制系统 先进自动控制系统 2 可编程序控制器产生 编程简单方便 可在现场修改程序 硬件维护方便 最好是插件式结构 可靠性要明显高于继电器控制系统 体积要明显小于继电器控制柜 价格便宜 其性能价格比要高于继电器控制系统 输入可以是AC115V 输出为AC115V 2A以上 能直接驱动电磁阀 具有数据通信功能 扩展时 原有系统只需做很小改动 用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB 对先进自动控制装置提出设想 工业控制单板机 计算机 继电器控制系统先进控制装置 美国数字设备公司 DEC 1969年研制成功了第一台可编程序控制器PDP 14 由于当时主要用于顺序控制 只能进行逻辑运算 故称为可编程序逻辑控制器 ProgrammableLogicController 简称PLC 3 存贮程序控制系统例如 有两个开关K1 K2 控制要求 只有两个开关都接通时小灯D1才亮 当D1亮 秒钟后小灯D2开始亮 当开关K3切断时两个小灯就同时熄灭 1 接线程序控制2 存贮程序控制 PLC控制 进入80年代 随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展 也使得可编程序控制器逐步形成了具有特色的多种系列产品 系统中不仅使用了大量的开关量 也使用了模拟量 其功能已经远远超出逻辑控制 顺序控制的应用范围 故称为可编程序控制器 ProgrammableController 简称PC 但由于PC容易和个人计算机 PersonalComputer 混淆 所以人们还沿用PLC作为可编程控制器的英文缩写名字 4 可编程序控制器发展简史 4 可编程序控制器发展简史 4 可编程序控制器发展简史 4 可编程序控制器发展简史 2可编程序控制器的特点与分类国际电工委员会 IEC 对可编程控制器的定义 可编程序控制器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贮器 用来在其内部存贮执行逻辑运算 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 可编程序控制器及其有关设备 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 1 可编程序控制器的特点 归纳起来 可编程序控制器主要具有以下特点 可靠性高例如三菱 和 可编程序控制器平均无故障时间可以达到30万小时 约34年 环境适应性强在环境温度 20 65 相对湿度为35 85 情况下可正常工作 灵活通用 使用方便 维护简单整个连接过程仅需要一把螺丝刀即可完成 2 可编程序控制器的分类 1 按控制规模分类可编程序控制器可以分为大型机 中型机和小型机 小型机 小型机的控制点一般在256点之内 适合于单机控制或小型系统的控制 日本OMRON公司CQM1德国SIEMENSS7 200 中型机 中型机的控制点一般不大于2048点 可用于对设备进行直接控制 还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控 它适合中型或大型控制系统的控制 日本OMRON公司C200HG数字量1184点德国SIEMENSS7 300数字量1024点 模拟量128路网络 PROFIBUS 工业以太网 MPI 大型机大型机的控制点一般大于2048点 不仅能完成较复杂的算术运算还能进行复杂的矩阵运算 它不仅可用于对设备进行直接控制 还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控 德国SIEMENSS7 400存贮器512kI O点12672 2 按控制性能分类 低档机工作速度比较低 能带的输入和输出模块的数量比较少 中档机具有较强的控制功能和较强的运算能力 工作速度比较快 能带的输入输出模块的数量也比较多 输入和输出模块的种类也比较多 高档机具有强大的控制功能和强大的运算能力 工作速度很快 能带的输入输出模块的数量很多 输入和输出模块的种类也很全面 在联网中一般做主站使用 3 按结构去划分 整体式整体式结构的可编程序控制器把电源 CPU 存储器 I O系统都集成在一个单元内 该单元叫做作基本单元 一个基本单元就是一台完整的PLC 控制点数不符合需要时 可再接扩展单元 整体式结构的特点是非常紧凑 体积小 成本低 安装方便 组合式组合式结构的可编程序控制器是把PLC系统的各个组成部分按功能分成若干个模块 如CPU模块 输入模块 输出模块 电源模块等等 其中各模块功能比较单一 模块的种类却日趋丰富 比如 一些可编程序控制器 分布式特点是CPU自成独立的基本单元 由CPU和一定的I O点组成 其它I O模块为扩展单元 在安装时不用基板 仅用电缆进行单元间的联接 各个单元可以一个个地叠装 使系统达到配置灵活 体积小巧 例 SIEMENSS7系列PLC分类小型机 中型机 大型机 1 3网络型PLC与DCS的关系 DCS DistributedContorlSystem 集散控制系统 又称分布式控制系统 PLC ProgramLogicControl 可编程逻辑控制器 FCS FieldBusContorlSystem 现场总线控制系统 1 3网络型PLC与DCS的关系 DCS从传统的仪表盘监控系统发展而来 强调的是在运算放大器的基础上用计算机代替原来的模拟运算能力 PLC从传统的继电器回路发展而来 强调的是逻辑运算能力二者相互渗透 取长补短 功能上日趋接近 使数字世界 模拟世界更加模糊决定DCS与PLC应用面大小的是其性能 价格比 1 4可编程序控制器的组成 1 4可编程序控制器的组成 中央处理单元 CPU 存贮器单元电源单元输入输出单元功能模块 温度检测模块 位置检测模块 位置控制模块 PID控制模块等 接口单元 扩展接口 编程器接口 存贮器接口和通讯接口外部设备 编程器 文本显示器 操作面板 打印机 1 存贮器单元存贮器单元 系统程序存储器和用户程序存储器用户程序存储器可分为三部分 用户程序区 数据区 系统区所谓PLC的内存大小 一般是指用户程序存储器的容量当用户程序很长或需存储的数据较多时 可考虑进行存储器扩展 PLC的内部电源系统一般有三类 第一类是供PLC中的TTL芯片和集成运算放大器使用的基本电源 如 5V和 15VDC电源 第二类电源是供输出接口使用的高压大电流的功率电源 第三类电源是锂电池及其充电电源 2 电源单元 3 输入输出接口电路 输入输出接口电路实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件 输入输出接口电路要有良好的电隔离和滤波作用 1 输入接口电路 输入接口电路提高抗干扰能力的方法主要有 1 利用光电耦合器提高抗干扰能力 2 利用滤波电路提高抗干扰能力 2 输出接口电路 1 小型继电器输出形式 2 大功率晶体管或场效应管输出形式 3 双向晶闸管输出形式作用 转换电平 隔离 抗干扰和滤波 1 数字量输入 输出模块 交流输入模块 直流输出模块直流输出模块的输出电路 交流输出模块交流输出模块的输出电路 继电器输出模块继电器输出模块的输出电路 2 模拟量输入 输出模块模拟量输入模块 模拟量输入模块又叫A D模块 A D模块把模拟信号转换成数字信号 转换速度和分辨率是A D模块的重要指标 2 模拟量输入 输出模块模拟量输出模块 模拟量输出模块又叫D A模块 D A模块把数字信号转换成模拟信号 数字量的位数和转换速度是D A模块的重要指标 4 功能模块高速计数器模块 高速计数器可以对CPU扫描速度无法控制的高速事件进行计数 可设置多种不同操作模式 单向计数器 双向计数器 正交计数器等多种工作模式 CT001 V1高速计数器有六种工作模式 线性计数方式 循环计数方式 予置方式 门式 锁式 采样方 输入的控制和8路输出通过I O接口连接 门式 控制门IN1 ON时计数 锁式 控制门IN1脉冲到计数 控制门IN2脉冲到锁定当前计数值 采样方式 控制门IN1脉冲到计数 采样时间到停止计数 PID模块 PID控制器管理输出数值 以便将偏差 e 为零 使系统达到稳定状态 PID01可以有两路输入 电压电流均可 可以通过程序也可以通过参数设定器设定参数 两路输出量通过输出口输出 扩展接口模块扩展接口模块的作用是扩大可编程序控制器规模的接口 一般来说扩展接口模块可以分为两种 一种是近程扩展接口 一种是远程扩展接口 近程扩展接口是为了扩大可编程序控制器的控制规模 远程扩展接口是为了增大可编程序控制器的控制距离 通讯接口模块通讯接口模块是微机和可编程序控器之间 可编程序控制器和可编程序控制器之间的通讯接口 5 编程器 编程器是PLC的重要外围设备 利用编程器将用户程序送入PLC的存储器 还可以用编程器检查程序 修改程序 监视PLC的工作状态 常见的给PLC编程的装置有手持式编程器和计算机编程方式 1 5梯形图 1 常见的PLC的梯形图符号 2 梯形图与继电器的区别 继 接控制 并行工作方式 PLC控制 循环扫描的串行方式 1 6可编程控制器的工作原理 1 可编程序控制器的工作过程 PLC最主要的方式是周期扫描方式 PLC的工作过程 上电处理过程PLC上电后 要进行上电的初始化处理 占用的时间为T0 共同处理过程共同处理的主要任务是复位监视计时器 检查I O总线 检查扫描周期 检查程序存储器 该过程占用的时间为T1 通讯服务过程当PLC和微机构成通讯网络或由PLC构成网络时 需要有通讯服务过程 该过程占用的时间为T2 外设服务过程当PLC接有外部设备如编程器 打印机等 则需要进行外设服务过程 该过程占用的时间为T3 程序执行过程该过程用于执行用户程序 从输入映像区读入输入信息 根据用户程序进行运算操作 并向输出映像区送出控制信息 该过程占用的时间为T4 显然T4和PLC的速度 用户程序长短及指令种类有关 I O刷新过程这个过程可分为输入信号刷新和输出信号刷新 输入信号刷新为输入处理过程 输出信号刷新为输出处理过程 该过程占用时间为T5 显然T5和可编程序控制器所带的输入输出模块的种类和点数多少有关 可编程序控制器的扫描周期T和上述各个过程的关系录为 T T1 T2 T3 T4 T5 PLC的扫描过程 2 PLC对输入 输出的处理规则 输入映像寄存器中的数据 是在输入采样阶段扫描到的输入信号的状态集中写进去的 在本扫描周期中 它不随外部输入信号的变化而变化 输出映像寄存器 它包含在元件映像寄存器中 的状态 是由用户程序中输出指令的执行结果来决定 输出锁存器中的数据是在输出刷新阶段 从输出映像寄存器中集中写进去的 输出端子的输出状态 是由输出锁存器中的数据确定的 执行用户程序时所需的输入 输出状态 是从输入映像寄存器和输出映像寄存器中读出的 3PLC的扫描周期及滞后响应 响应时间或滞后时间 从PLC的输入端有一个输入信号发生变化到PLC的输出端对该输入变化做出反应 需要一段时间 这段时间称为响应时间或滞后时间 响应时间的快慢与以下因素有关 1 输入滤波器的时间常数 输入延迟 2 输出继电器的机械滞后 输出延迟 3 PLC的循环扫描工作方式 4 PLC对输入采样 输出刷新的集中批处理方式 5 用户程序中语句顺序安排不当 最短响应时间 输入延迟时间 1个扫描周期 输出延迟时间 最长响应时间 输入延迟时间 两个扫描周期 输出延迟时间 为了确保PLC在任何情况下都能正常无误地工作 一般情况下 输入信号的脉冲宽度必须大于一个扫描周期T 还应该注意一个问题是输出信号的状态是在输出刷新时才送出的 因此 在一个程序中若给一个输出端多次赋值时 中间状态只改变输出映像区 只有最后一次赋的值才能送到输出端 4 PLC的中断处理过程响应问题 一般微机系统的CPU 在每一条指令执行结束时都要查询有无中断申请 而PLC对中断的响应则是在相关的程序块结束后查询有无中断申请 或者在执行用户程序时查询有无中断申请 如有中断申请 则转入执行中断服务程序 如果用户程序以块式结构组成 则在每块结束或执行块调用时处理中断 中断源先后顺序及中断嵌套问题 在PLC中 中断源的信息是通过输入点而进入系统的 PLC扫描输入点是按输入点编号的先后顺序进行的 因此中断源的先后顺序只要按输入点编号的顺序排列即可 多中断源可以有优先顺序 但无嵌套关系 PLC的中断处理过程中断服务程序执行结果的信息输出问题 PLC按巡回扫描方式工作 正常的输入 输出在扫描周期的一定阶段进行 这给外设希望及时响应带来了困难 采用中断输入可解决对输入信号的高速响应问题 当中断申请被响应且中断子程序被执行后 有关信息应当尽早送到相关外设 而不希望等到扫描周期的输出传送阶段 就是说对部分信息的输入或输出要与系统CPU的扫描周期脱离 1 输入 输出点数 可编程控制器的I O点数指外部输入 输出端子数量的总和 它是描述的PLC大小的一个重要的参数 1 7可编程控制器的性能指标 2 存储容量 PLC的存储器由系统程序存储器 用户程序存储器和数据存储器三部分组成 PLC存储容量通常指用户程序存储器和数据存储器容量之和 表征