F系列可编程控制器1.ppt

第三章F系列可编程序控制器一 可编程序控制器的发展1 可编程序控制器的定义 1987年2月 IEC 国际电工委员会 颁布可编程序控制器标准草案第三稿 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指令 并通过数字式和模拟式的输入和输出 控制各类机械的生产过程 可编程控制器及其有关外围设备 都按易于与工业系统联成一个整体 易于扩充其功能的设计 专为工业环境下应用而设计 的工业计算机 2 PLC的发展 1 技术基础 2 通用汽车公司 GM 的十条技术指标 新型控制器应具备的具体条件 1 编程简单 可在现场修改程序 2 维护方便 最好是插件式结构 3 可靠性高于继电器控制 5 可将数据直接送人管理计算机 6 在成本上可与继电器控制柜竞争 7 输入可以是交流115V 8 输出可以为交流115V 2A以上 能直接驱动电磁阀 9 扩展时 原有系统只要很小变化 10 用户程序存储器容量至少能扩展到4KB 2 可编程控制器的产生 因为继电器逻辑电路配线复杂 2 可编程控制器的产生 背景 1968年美国通用汽车公司 GM 为了适应汽车型号的不断更新 生产工艺不断变化的需要 实现小批量 多品种生产 希望能有一种新型工业控制器 它能做到尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统及接线 以降低成本 缩短周期 功能完备灵活性高通用性好 计算机 继电器接触器控制系统 简单易懂操作方便价格便宜 编程简单掌握快 附加要求 新型控制器 对新型的控制器的具体设想 其后 日本 德国等相继引入或开发这项新技术 可编程序控制器由此而迅速发展起来 美国数字设备公司 DEC 根据GM公司招标的技术要求 于1969年研制出世界上第一台可编程序控制器 并在GM公司汽车自动装配线上试用 获得成功 由于其突出优点 迅速的取代了继电器逻辑控制装置 应用范围日益广泛 1969年 美国数字设备公司研制第一台可编程控制器 并应用于工业现场 可编程控制器的产生 两者的直观比较 PLC CNC 计算机数控 ROBOT 工业机器人 CAD CAE CAM已成为现代工业革命的四大支柱 二 PLC的结构原理与工作原理1 PLC的基本结构 继电器系统 输入部分 逻辑部分和输出部分 PLC系统 可编程序控制器构成的存储程序控制系统的组成部分 输入部分 它们直接接受来自操作台上的操作命令 或来自被控对象上的各种状态信息 如按钮 开关 传感器等 输出部分 它们用来接受程序执行结果的状态 以操作各种被控对象 如电动机 电磁阀 状态指示部件等 逻辑部分 采用微处理器和存储器 执行按照被控对象的实际要求编制并存入程序存储器的程序 来完成控制任务 输入 光电耦合器输入接口 输入状态寄存器和输入数据寄存器 输出 输出状态 映象 寄存器 输出锁存器 光电耦合器和功率放大器 继电器式 一对动合 常开 触头晶闸管式晶体管式 2 PLC内部的等效继电器系统 PLC内部的 软继电器 软继电器 的线圈 常开接点 常闭接点软继电器可以提供无限多对常开常闭 触点 供内部使用PLC为用户提供的继电器一般是 输入继电器 输出继电器 辅助继电器 特殊功能继电器 移位寄存器 计时 计数器等 其中输入输出继电器一般与外部输入 输出设备相连接 而其他继电器与外部设备没有直接联系 因此可统称为内部继电器 PLC控制系统的组成 内部 软接线 用程序实现 输入 继电器线圈 继电器接点 内部 继电器线圈 负载电源 输出公共端 输出接点 COM COM 输入公共端 输入端 用户输出设备 接触器 电磁阀等 用户输入设备 按钮 限位开关等 可编程序控制器的基本组成 PLC的硬件组成 1 主机 CPU模块 在主机内部 由微处理器 MPU 通过数据总线 地址总线 控制总线以及辅助电路连接存储器 接口及I O单元 诊断PLC的硬件状态 借助编程器接收用户键入的程序和数据 读取 解释并执行用户程序 按规定的时序接收输入状态 刷新输出状态 与外部设备交换信息等 总之 由主机实现对整个PLC的控制和管理 1 微处理器 MPU PLC中常用的MPU主要采用通用微处理器 单片机等 2 存储器 PLC的存储器用于存储程序和数据 系统程序存储器用于存储系统程序 一般采用ROM或EPROM 用户程序存储器用于存储用户的应用程序 3 I O接口 I O接口是MPU与外部设备 I O模块等的连接部件 用于扩充PLC总线的驱动能力和输入输出点数 2 电源PLC配有开关式稳压电源 电源的交流输入端一般接有尖峰脉冲吸收电路 以提高抗干扰能力 小型PLC电源的交流输入电压范围一般较宽 如有的小型PLC可在l60VAC 260VAC范围内正常工作 3 输入 输出模块输入 输出模块是PLC与现场I O设备或其他外部设备之间的连接部件 输入模块用于调理输入信号 对输入信号进行滤波 隔离 电平转换等 把输入信号的逻辑值安全可靠地传递到PLC内部 输出模块用于把用户程序的逻辑运算结果输出到PLC外部 输出模块具有隔离PLC内部电路和外部执行元件的作用 还具有功率放大的作用 1 直流开关量输入模块 2 交流开关量输入模块 3 直流开关量输出模块 4 交流开关量输出模块 5 继电器输出模块 6 开关量输入 输出模块等效电路 可编程序控制器的工作方式 工作方式 扫描工作方式各种PLC均采用循环扫描方式工作 但其扫描时间上有所不同 所谓扫描时间 是指PLC两次执行用户程序之间的时间间隔 又称为扫描周期或循环周期 CPU的操作可以分为如下6部分 上电后初始处理 共同处理 上位链接服务 外设服务 运算处理 I O刷新 其中 共同处理 上位链接服务 外设服务 运算处理 I O刷新所占用的时间构成了PLC的扫描时间TS 1 上电后初始处理PLC刚加上电源后 进行一次上电后初始处理 为PLC工作做好准备 上电后初始处理 用于清除内部继电器区 并复位所有计时器 检查I O单元的连接等 2 共同处理用于复位监视计时器 检查I O总线是否正常 检查扫描时间是否过长 检查程序存储器有无异常 检查正常后 方可进行下面的操作 如果有异常情况 可根据错误的严重程度发出报警或停止PLC运行 共同处理时间记为TC 3 上位链接服务在构成计算机 PLC网络时 用于处理与计算机间的通讯 上位链接服务时间TL 4 外设服务用于处理来自外部设备的信息 外设服务时间TO取决于共同处理时间TC 上位链接服务时间TL 运算处理时间TP和I O刷新时间TR 5 运算处理用于执行用户程序 每条指令均有其执行时间 并且同 条指令执行时与不执行时所占用的时间也不相同 运算处理时间就是CPU执行一遍用户程序所用的时间 受此因素影响 运算处理时间TP不是常数 而是受程序状态的影响 每次执行程序都不尽相同 6 I O刷新在每次程序执行完后 通过I O刷新 从输入部分读取输入信号的状态并送入输入映像区 从输出映像区中将程序执行结果输出到PLC外部 I O刷新时间TR与PLC硬件系统的构成有关 取决于PLC中I O模块的数量以及是否具有远程扩展机 PLC的I O刷新时间为主机和近程扩展机I O刷新时间加上远程部分I O刷新时间 7 PLC扫描时间TSPLC的扫描时间TS TC十TL TO TP TR 由于TP不是定值 构成计算机 PLC网络时TL也不是定值 所以在一个PLC系统用户程序不变的情况下 TS也不是定值 扫描时间TS的大小 对PLC的工作有着重要影响 扫描时间越长 PLC系统反应越慢 输入信号的允许频率越低 用于定位控制时产生的误差越大 因此 在进行PLC系统设计时 除硬件选择得当 结构合理外 软件上应尽可能地减小运算处理时间TP 从而减小扫描时间TS I O响应I O响应是从输入状态变化到与之相关的外部输出状态变化之间的过程 I O响应时间是表征PLC反应速度的一个重要指标 它取决于PLC系统的结构 并与PLC的扫描时间密切相关 最小I O响应时间 输入ON响应时间 扫描时间 输出ON响应时间 输入信号进入PLC内部时 正是I O刷新时间 最大I O响应时间 输入ON响应时间十2 扫描时间十输出ON响应时间 刚好错过I O刷新时间 输入响应时间和输出响应时间分别取决于输入模块 输出模块的型号 与PLC系统的构成和扫描时间无关 由此可以发现 输入信号状态改变后 与之相关的输出状态不能立即改变 需经过I O响应时间后输出状态才能改变 I O响应时间不是一个常数 它介于最大I O刷新时间和最小I O刷新时间之间 如果输入信号状态改变后保持时间较短 小于一个扫描周期的时间 则输出状态有可能改变也有可能不改变 因此 为使PLC系统工作稳定可靠 输入信号的状态保持时间应大于扫描时间 3 PLC的周期工作方式 三个阶段 输入采样程序执行输出刷新 输入采样阶段 工作周期开始时 PLC首先以扫描方式顺序地将所有 注意 不是一个或几个 端子的状态 接通1 断开0 读入各输入端子对应的映象寄存器 刷新并保持不变 直到下一个周期的输入采样阶段 程序执阶段 输入映象寄存器状态不变 输出映象寄存器状态随程序执行而变 输出刷新阶段 在所有指令扫描完毕后 将输出映象寄存器中所存储的全部输出继电器 软继电器 的状态 接通 断开 集中转存到输出锁存器中 4 与继电器工作方式的区别 继电器系统 并行方式 PLC系统 串行工作方式 集中输入 集中输出刷新 继电器 X1吸合 Y31得电 Y30和Y32同时得电 PLC X1吸合 Y31得电 Y32得电 Y30得电 5 PLC对输入 输出的处理原则 1 输入映象寄存器的数据 取决于输入端子上各输入点在上一个刷新期间的接通 断开状态 2 程序如何执行取决于用户所编程序和输入 输出映象寄存器 注意 不是端子板 的内容及其它各元件映象寄存器的内容 3 输出映象寄存器的数据取决于输出指令的执行结果 4 输出锁存器中的数据 由上一次输出刷新期间输出映象寄存器中数据决定 5 输出端子的接通 断开状态 由输出锁存器决定 1 梯形图 LadderDiagram 程序设计语言梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言 是在原继电器 接触器控制系统的继电器梯形图基础上演变而来的一种图形语言 它是目前用得最多的PLC编程语言 注意 梯形图表示的并不是一个实际电路而只是一个控制程序 其间的连线表示的是它们之间的逻辑关系 即所谓 软接线 常开触点 常闭触点 线圈 注意 它们并非是物理实体 而是 软继电器 每个 软继电器 仅对应PLC存储单元中的一位 该位状态为 1 时 对应的继电器线圈接通 其常开触点闭合 常闭触点断开 状态为 0 时 对应的继电器线圈不通 其常开 常闭触点保持原态 二 PLC的程序设计语言 二 PLC的程序设计语言 2 布尔助记符 BooleanMnemonic 程序设计语言布尔助记符程序设计语言是用布尔助记符来描述程序的一种程序设计语言 类似于计算机汇编语言 用一些简洁易记的文字符号表达PLC的各种指令 同一厂家的PLC产品 其助记符语言与梯形图语言是相互对应的 可互相转换 助记符语言常用于手持编程器中 梯形图语言则多用于计算机编程环境中 注 PLC的设计和生产至今尚无国际统一标准 不同厂家所用语言和符号也不尽相同 但它们的梯形图语言的基本结构和功能是大同小异的 F系列PLC的编程语言及指令系统一 PLC的程序表达式 继电器梯形图 简称梯形图 逻辑功能图 功流程图等等 继电器梯形图 左 右母线 左母线接输入端子排 右母线接电源及物理继电器线圈 继电器线圈 逻辑行 每一个线圈算一行 运算 运行的顺序 从左到右 先上后下按逻辑行逐行运行 二PLC的编程元件 以三菱公司F系列产品为例 1 输入继电器 X 只能由外部开关驱动 按8进制编号 F 40M 输入24点 X400 X407 X500 X507 X410 X413 X510 X513 FX2N 48MR 输入24点 X000 X007 X010 X017 X020 X027 2 输出继电器 Y F 40M 输出16点 Y430 X437 Y530 X537 FX2N 48MR 输出24点 Y000 Y007 Y010 Y017 Y020 Y027 3 辅助继电器 M 只供内部使用 其触点不能直接输出驱动外部负载 分为两种 一种通用型 另一种是掉电保持型 掉电保持型 4 移位寄存器 F 40M FX2N 48MR 多位移位功能 功能 X10ON一次 以M0为首址的16位寄存器 M15 M0 向右移4位 以X0为首址的4位 X3X2X1X0 送入寄存器的高4位 M15 M12 寄存器的低4位 M3 M0 溢出 5 定时器 T F 40M T450 T457 T550 T557 0 1s FX2N 48MR T0 T55 时基0 1s 定时范围 0 1s 3276 7s T32 T55 当M8028 1时 时基为0 01s T246 T249 时基0 001s 延时接通定时器 应用 振荡器 Y0 ON2s OFF1s Y1 ON1s OFF2s 周期性通断 延时断开定时器 Y430线圈在X400断开5秒后失电 6 计数器 C F 40M C460 C467 C560 C567 计数 1 999FX2N 48MR C0 T99 16位 0 215 32767 特点 断电保持功能 电源中断时 将保持断电前的当前计数值 恢复供电后 累计计数 应用 1 减法计数器 特殊继电器M71 FX2N 48MR M8012 初始化脉冲 复位 X400ON 或第一次扫描 计数器C460复位 计数器当前值等于设定值19 计数 X400断开 计数输入X401ON一次计数器减1 当减至0时 计数器常开触头C460动合 Y430得电 当计满K值 19 若再来计数脉冲 计数器不再响应 仍保持当前值 即Y430仍接通 断电后再通电时 计数器从当前值开始倒计数 2 计时器 时基 计数个数 例60s计时器 F 40M 特殊继电器M72 产生0 1s时钟方波M73 产生0 01的方波 FX2N 48MR 时基 0 215 32767 三 PLC的指令系统 F系列的基本指令 1 LD LDI OUT指令 2 AND ANI指令单个触点串联指令 注意 1 触点的串联 且不与母线相接 2 不能用于串联线圈 3 单个触点串联可连续使用 3 OR ORI指令 触点并联指令 将单个触点并联到电路中去 不适用于已经串联的触点再与电路并联 4 ORB指令 ORB 或块指令 两个以上触点串联后再与前面支路并联 在该支路内 属于单个触点串联 使用AND或ANI 各支路起点应使用LD或LDI指令 LDX400ANDX401LDX402ANDX403ORB LDX404ANDX405ORBOUTY436 5 ANB指令ANB 与块指令 将并联电路块与前面的电路串联 特别是块与块串联 注意 1 先组块 后串联 2 每一电路块开始时 须使用LD LDI指令 3 多个并联电路块串联 顺次以ANB指令与前面支路串联 串联一个块 写一次ANB LDX1ORX2LDX3ANDX4 LDIX5ANDX6ORBORX7 ANBORX8OUTY0 6 复位指令RST 用于计数器 移位寄存器复位 当RST端的触头闭合 则将计数器恢复到设定值K 将移位寄存器各位都置 0 复位 PLC开始运行 或X427ON 计数器恢复到设定值K 19 计数 X421ON一次 计数一次 计满19之后 C461ON接通 注意 1 在任何情况下 RST优先执行 2 计数器分开画法 7 移位指令SFT SFT 移位输入指令 M120 移位寄存器的代号 其状态由输入M117的状态决定 8 脉冲指令PLS 功能 将大于扫描周期的宽方波上升沿微分成窄脉冲 窄脉冲的宽度为一个扫描周期 9 空操作NOP 功能 用NOP指令来取代已写入的指令 从而修改程序 NOP指令不能在梯形图上表示出来 10 结束指令ENDE