现代电气控制及PLC应用技术(第三版)复习材料.ppt

复习 第一章电气控制系统常用器件第二章电气控制线路基础第三章可编程控制器概述第四章S7 200PLC基础知识第五章PLC基本指令及程序设计第七章S7 200顺序控制指令及应用 第一章电气控制系统常用器件 一 电器定义和分类1 定义 电器是根据外界的信号和要求 能手动或自动地断开或接通电路 断续或连续地改变电路参数 以实现对电或非电对象的切换 控制 检测 保护 变换和调节的电工机械 1 1电器的基本知识 1 1电器的基本知识 二 电气的分类 P4图1 1 图1 2 三 电磁式低压电器的基本结构和工作原理大多数为电磁式电器 原理相同 组成相近 感受部分 检测部分 电磁电器的电磁系统 执行部分 电磁电器的触点系统1 电磁机构 电磁式低压电器的感测部件组成 激磁线圈 铁心 静铁心 衔铁 动铁心 作用 将电磁能量转换为机械能量 衔铁带动触头动作使之闭合或断开 从而实现电路的接通和分断 1 1电器的基本知识 2 触头是接触器的执行部件 用来接通或断开被控电路 类型 材料一般采用铜材料制成 对于小容量电器常用银质材料制成 主触头 分类辅助触头 桥式触头 指形触头 1 1电器的基本知识 3 工作原理 1 反力特性 2 吸力特性 3 反力特性和吸力特性的配合 4 短路环的作用 灭弧系统 电弧 危害 延长了切断故障的时间 高温引起电弧附近电气绝缘材料烧坏 形成飞弧造成电源短路事故 灭弧措施吹弧拉弧栅片灭弧多断口灭弧利用介质灭弧改善触头表面材料 1 1电器的基本知识 四 电弧的产生和灭弧的方法 1 2接触器 一 接触器的定义 结构及工作原理接触器的定义 是利用电磁吸力频繁的远距离地接通或分断电动机电路或其他负载主电路的电磁式自动控制电器 接触器的结构 1 电磁机构2 主触点和辅助触点3 灭弧装置4 支架和底座 1 2接触器 二 接触器触点的类型 主触点 辅助触点主触点的作用 用来接通或分断电动机电路或其他负载主电路 辅助触点的作用 在控制电路中起联动作用 控制其它电器工作 1 2接触器 三 接触器的工作原理 线圈通电后 在铁芯中产生磁通 由此在衔铁气隙处产生吸力 使衔铁产生闭合动作 带动主触点闭合 接通主电路 同时衔铁还带动辅助触点动作 使原来断开的辅助触点闭合 而原来闭合的辅助触点断开 当线圈断电或线圈的电压降低到一定值时 电磁吸力消失或减弱 衔铁在反力弹簧的作用下打开 主 辅触点又恢复到原来的状态 1 2接触器 四 接触器的用途 1 自动接通或断开大电流电路的电器 接触器是利用电磁吸力频繁地远距离地接通或分断电动机电路或其他负载主电路 2 具有低电压或欠电压保护功能 接触器具有控制容量大 过载能力强 寿命长 设备简单经济等特点 是电力拖动自动控制线路中使用最广泛的电器元件 3 控制对象 其主要控制对象是电动机 也可用于电热设备 电焊机 电容器组等其它负载 五 接触器的分类 接触器可分为交流接触器和直流接触器两大类 1 3继电器 一 定义 作用 继电器是根据某种输入信号来接通或断开小电流控制电路 实现远距离控制和保护的自动控制电器 二 结构组成 感测机构 输出执行机构三 分类 按用途分 控制继电器和保护继电器按动作原理分 电磁式 感应式 电动式 电子式 机械式按输入量分 电流 电压 时间 速度 压力按动作时间分 瞬时继电器 延时继电器 1 3继电器 四 接触器与电磁式继电器在结构上的异同1 相同点 电磁机构完全相同 2 不同点 触点不同 电磁式继电器触点容量小 且触点容量均相同 没有主触点和辅助触点之分 无灭弧装置 接触器有主触点和辅助触点之分 有灭弧装置 1 3继电器 五 热继电器热继电器定义 热继电器是随过载程度而改变动作时间的一种电器 作用 电动机起过载保护 电动机的过载特性 电动机在不超过允许温升条件下 电动机的载电流与其通过的时间关系 称为电动机的过载特性 电动机的过载特性曲线 1 3继电器 六 时间继电器定义 从得到输入信号 线圈的通电或断电 开始 经过一定的延时后 才输出信号 触点的闭合或断开 的继电器 叫时间继电器 作用 在控制电路中按整定时间长短通断电路的作用 通电延时 从接受输入信号后延时一定的时间 输出信号才发生变化 当输入信号消失后 输出瞬时复原 断电延时 接受输入信号时 瞬时产生相应的输出信号 当输入信号消失后 延时一定的时间才复原 1 4开关电器 一 低压断路器 又称自动空气开关 1 4开关电器 主要功能 1 可用来接通和分断负载电路 也可用来控制不频繁起动的电动机 2 隔离电源 3 具有短路保护和过载保护功能同时还具有欠电压或失压保护功能 特点 操作安全 分断能力较高 分类 框架式 万能式 和塑壳式 装置式 结构 触点系统 灭弧装置 各种脱扣器 小结 一 本章主要内容为低压电器的基本知识 二 熟悉主要低压电器的结构 掌握它们的工作原理 三 主要低压电器 接触器 中间继电器 热继电器 低压断路器 行程开关等 四 掌握主要低压电器的电气符号 第二章 电气控制线路基础 2 1电气控制线路图的图形 符号及绘制原则一 常用电气图的种类1 系统图用规定的图形符号概略地表示系统或子系统的基本组成 相互关系及其主要特征的简图 以框图作为主要表现形式 2 电路图用规定的图形及文字符号 按在电路中的工作顺序排列 详细表示系统及其设备的全部基本组成和连接关系 而不考虑其实际位置的图 供详细了解系统组成 结构 研究分析电路控制原理及其工作过程 又称电气原理图 2 1电气控制线路图的图形 符号及绘制原则 3 设备元件表将电路图中所用的各种电器元件及其相应的名称 图中代号 型号规格 数量等要求以表格形式无遗漏地详尽列出 4 位置图采用正投影法绘制 用于表明系统或设备中各种电器件的实际位置 而不考虑器件功能以及相互连接关系的图 主要为电气设备的制造 安装 维修提供资料 又称电器元件布置图或排列图 5 接线图 表 用于表示成套装置中各种电器件之间相互连接关系的图 是电气安装 配线 检修 故障检修查线的依据 其它的还有 等效电路图 功能流程图 程序图 端子图等 2 1电气控制线路图的图形 符号及绘制原则 二 电气控制图的绘制规则1 电路图绘制规则 主电路指由电源到负载的工作回路 特点是 运行时 电流大 是电路中负荷最大的一条支路 一旦发生故障 造成的损失也较大 又称大电流回路 辅助电路指可对主电路实现控制 检测 保护 显示 报警等功能的工作回路 由以下几部分组成 控制回路对主电路运行状态实现控制的电路 主要由按钮 电磁电器线圈 触点等组成 保护回路对主辅电路实现保护的电路 由各种保护器件组成 2 1电气控制线路图的图形 符号及绘制原则 电源回路为辅助电路提供所需电源的回路 由电源开关 控制变压器等组成 信号回路对主电路的各种运行状态进行监测 显示 报警 测量等回路 由仪器仪表 声光信号显示器件 触点等组成 绘图原则 须按所规定的图形符号 文字符号和回路标号进行绘制 主电路标记按相序沿电压降落的方向 以自然递增数列进行 辅助电路标记沿前向通道信号流的方向 以自然递增数列进行 同类型器件标记应采取前缀或下脚标的方法加以区分 2 1电气控制线路图的图形 符号及绘制原则 各种图符均按无电压 无外力作用或不工作时的状态绘制 电路图中信号流的方向 前向通道应从左到右 或由上到下 反馈通道应从右到左 或由下到上 每个器件及它们的部件都需用一确定的图形符号表示 且每个器件有一个文字符号 属于同一个器件的各个部件采用同一文字符号表示 同一器件的不同部件 无论在电路图中的位置 均采用同一文字符号标记 一个完整的电路图至少应包括主电路 辅助电路 材料表三个基本组成部分 2 1电气控制线路图的图形 符号及绘制原则 为方便分析阅读电路图 应将图面分区 方法是 图纸相互垂直的两边各自等分 但均须为偶数 长度介于25 75间即可 区域编号以标题栏对应的左上角为起始位置 纵向用大写拉丁字母 横向用阿拉伯数字顺序编写 也可在该区域内标明电路功能 同一图内电器件可动部分的动作方向应保持一致 相似部分对齐 原理图中应标出下列数据 各个电源电路的电压值 极性或频率及相数 某些元件的特性 电阻 电容的量值等 万能转换开关等类似器件的触点通断表 图中的全部电机 电器元件的型号 文字符号 用途 数量 技术数据 均应统计列表 并绘制在电路图中 2 1电气控制线路图的图形 符号及绘制原则 三 电气识图与分析1 电气识图 是电气技术人员分析控制原理 排查设备故障 改创电路的基本技能 2 对于有触点控制系统电路图 识图分析的方法很多 无论采用何种方法 其基本指导思想是 顺序控制 关联电器并联运行 3 基本方法是 眼手脑 不可缺 览全图 分主辅 设电流 找关联 按顺序 步步查 2 2基本电气控制线路 综述 1 设备设施可为人们提供各种产品 必需品或各种方便的机械装置 2 设备的构成机 电 气 液 及其组合 3 设备工作状态为满足用户要求 产品工艺等 设备所具备的运行功能 启动 调速 延时 制动等等 4 控制实现的方法机械方法 液压方法 电力方法或是它们的组合 2 2 1全压启动控制线路 1 原理通过开关或控制电器 将电源电压的全部直接接入鼠笼电机定子绕组 并使其启动运行的控制方式 2 适用范围7 5KW以下空载或轻载电机 2 2 1全压启动控制线路 3 典型电路介绍 单向启 停电路电机作为旋转电器 其旋转方向只有两个 顺时针 右旋 和逆时针 左旋 所谓单向 是指电机只有一个旋转方向 开关控制电路 电路简介结构简单 电器件最少 控制分析QS闭合 电机M得电 启动运行 QS断开 电机M失电 惯转停止 存在隐患a 安全性差 b 对 接法的电机 易造成缺相运行 烧毁电机 c 控制灵活性差 2 2基本电气控制线路 电路组成 点动 继电接触单向启停控制 2 2基本电气控制线路 长动 2 2基本电气控制线路 保护 电源隔离 过载保护 零失压保护 P59 低压释放保护 2 2基本电气控制线路 2 2基本电气控制线路 小结 相序与正反转 为分析方便起见 常将相序L1 L2 L3与负载端U V W对应时 电机顺时针转动称之为 顺相序 或 正转 反之 则为 逆相序 或 反转 b SB2启动按钮其常开触点串接在所控制电器的线圈回路中 SB1停止按钮其常闭触点串接在所控制电器的线圈回路中 FR辅助常闭触点电路过载时 通过切断辅助电路中电磁线圈的通路使其失电释放主触点断开电机失电而实现保护 一般地 该触点常串接在辅助电路的公共总线中 2 2基本电气控制线路 2 2基本电气控制线路 可逆运行电路 适用范围适用于一台电机驱动的机械机构或装置有前后 左右 上下 翻转等两个相反运动状态的控制 方法对鼠笼电机而言 改变接入定子绕组的电源相序 就可改变电机旋转方向 籍此 利用两个连接不同相序的单向电路并联运行 就可使到电机在两个方向均可运行 进而满足运动机构对控制的要求 典型电路分析 2 2基本电气控制线路 2 2基本电气控制线路 2 2基本电气控制线路 2 2基本电气控制线路 控制规律 联锁是指利用电器触点 对两个或两个以上的电器动作顺序先后实施控制的技术措施 机械联锁是指由机械式电器触点实施控制的技术措施 电气联锁是指由电磁式电器触点实施控制的技术措施 方法a 要求A接触器动作时 B接触器不得动作 则应将A接触器的常闭触点串接在B接触器线圈回路中 反之亦然 b 要求A接触器动作后 B接触器才能动作 则应将A接触器的常开触点串接在B接触器线圈回路中 反之亦然 c 要求B接触器失电后 A接触器才能失电 则应将B接触器的常开触点串接在A接触器停止按钮的两端 反之亦然 2 2基本电气控制线路 3 位置 自动往返控制 适用范围适用于液位 物料容积及机械装置的位置 行程 速度 方向等控制 方法选用各式光电开关 磁控开关 浮球开关 位置传感器 行程开关等与接触器 中间继电器组合 实现控制 典型电路分析 单行程控制 2 2基本电气控制线路 单循环控制 2 2基本电气控制线路 自动循环控制 2 2基本电气控制线路 2 3异步电动机降压启动 一 降压间接启动所谓降压启动 是指电机启动时 电机定子端的电压在数值上 仅是正常额定值的一部分 其目的是 减小供电电网因电机启动造成的电压波动 将电机的启动电流限制在 2 2 5 IN 待电机达到一定转速 接近额定值 时 再切换到全压下运行 并使电机输出额定功率 对于7 5KW以上电机 如无特殊要求 一般采用降压间接启动方式 由于交流电机结构上的差异 鼠笼式电机降压启动方法有 定子回路串电阻 串电抗 串自耦调压器 Y 以及对多抽头电机的延边三角形降压启动 本课程重点介绍Y 降压启动控制 2 3异步电动机降压启动 Y 降压启动 1 电路介绍 2 3异步电动机降压启动 2 方法 3 适用范围7 5KW 30KW的空载或轻载 运行时采用 接法的鼠笼电机 2 3异步电动机降压启动 4 控制分析 启动准备 2 3异步电动机降压启动 启动 2 3异步电动机降压启动 2 3异步电动机降压启动 停止 2 3异步电动机降压启动 电机M惯转停止 2 3异步电动机降压启动 电路保护 QF电源引入与隔离 FU电路短路保护 FR电路过载保护 KM电路控制及低压释放保护 1KM辅助常开触点自保与零 失 压保护 2KM辅助常闭触点与3KM互锁 防止电源短路 辅助常开触点防止KT线圈工作后带电 节能减热 3KM辅助常闭触点 与2KM互锁 防止电源短路 防止2KM线圈工作后带电 节能减热 辅助常开触点自保 2 3异步电动机降压启动 说明 在前面的学习中 我们已知 I l Iyl 因而 在设计Y 降压启动电路时 热继电器热元件的额定电流应以电机在 接法下运行时的电流数值为准 否则电机不能可靠启动或运行 易造成启动或运行失败 本电路中省略了信号显示回路 但在实际工程中还是必须的 Y 降压启动电路 是各种降压启动电路中最简单 最直接 最常用的电路 也是工程技术人员应当掌握的基本单元电路之一 2 3异步电动机降压启动 线路标记电气控制线路要求每段线路节点 触点 负载等两端都需做出标记 不得重复 也不得出现错误或误导 例如 否则造成的恶果是 电源短路 绕组内部可能形成环流 2 4异步电动机制动控制线路 一 三相鼠笼异步电机的制动 1 制动 指的是实现运行中的电机迅速停车的技术措施 2 原理 由于转子转矩的惯性作用 电源切断后 电机转子还会沿原运行方向继续转动一段时间后 才会停止 为提高效 缩短惯转时间或防止意外发生 对设备 机械装置中正在运行的电机采取人为措施 使电机在切除电源后 能够迅速有效的停止转动 为此 要求制动时所产生的转矩与转子原转矩方向相反 起制动作用 2 4异步电动机制动控制线路 3 制动的分类 4 典型制动电路 断电型电磁抱闸 适用范围对卷扬 起重 电梯类设备的电机制动控制 特点专用机械制动装置 组成结构由底座 支架 摩擦片 反力弹簧 电磁线圈等组成 产品与图符 2 4异步电动机制动控制线路 能耗制动 能耗制动 指将转子的动能转化为电能 并消耗在转子回路中的制动方式 原理在断开三相电源 给两相绕组通入直流电流 形成固定磁场 产生与转子旋转方向相反的转距 使转子迅速停止转动 用途迅速减速 匀速降落 2 4异步电动机制动控制线路 典型电路图示为单向运行电路的能耗制动 直流电源可通过对交流电源整流 半波 全波 桥式 获得 2 4异步电动机制动控制线路 制动分析按下停车按钮SB1 KM1线圈断电复位 KM2线圈通电自锁 电动机M定子绕组切除交流电源 通入直流电源进入能耗制动 KT线圈通电延时 KM2线圈断电复位 KT线圈断电复位 2 4异步电动机制动控制线路 反接制动 反接制动 是指将转子机械能与电源电能转换为电动机绕组中的热能的制动方式 原理改变异步电动机定子绕组中的三相电源相序 使定子绕组产生方向相反的旋转磁场 从而产生制动转矩 实现制动 反接制动要求在电动机转速接近零时及时切断反相序的电源 以防电动机反向启动 用途10KW以下小容量 不经常正反转的电动机快速停车 2 4异步电动机制动控制线路 典型电路图示为单向反接制动控制电路 KM1运行接触器 KM2反接制动接触器 为限流电阻 2 4异步电动机制动控制线路 制动分析按下停车按钮SB1 KM1线圈断电复位 KM2线圈通电自锁 实现反接制动 转速n接近零时 速度继电器KS常开触点打开 KM2线圈断电 反接制动结束 2 4异步电动机制动控制线路 说明 能耗制动与反接制动时 由于流入定子绕组的电流超过其额定值 因此 必须接入限流电阻 以防止定子绕组过热 能耗制动用时间继电器或速度继电器控制均可 但一般情况下 采用时间继电器 延时范围可调 控制为宜 反接制动采用速度继电器控制时 应防止电机的反向启动运行 采用点动方式时 则无此现象 可逆运行电机采用反接制动时 两接触器互为反接制动用 具体电路见课本 自行分析 2 7电气控制线路的简单设计法 一 电控设计的标准与规范 由于电气工程涵盖电能分配与信息传输两大专业门类 作业方式大相径庭 因而电控设计的标准与规范 包括 设计 产品检验 施工 检测 质量保证 调试验收等诸方面 标准与规范是工程界的技术法典 具有权威性 不得随意简化 取消 更改 工程图集 图册是以图解的方式对标准 规范所进行的表述 并对具体作业方式方法具有指导意义 标准与规范随技术进步也在不断修订 完善 电气工程作为特种专业来讲 安全可靠运行 最大限度满足用户需求永不会变 2 7电气控制线路的简单设计法 二 电控系统设计的一般原则 1 最大限度地满足 或实现 生产机械或工艺 或用户 对控制的要求 要结合实际需求 能力 技术现状 适用性 性价比等多方面进行比较 2 在满足控制需求的条件下 控制力求安全 可靠 简单实用 经济 要尽量选用大家熟知的常用常见的控制方式 要尽量选用标准的 同系列 同型号的常规器件 并尽可能减少使用数量 简单并不意味着低水平 低层次 低技术含量 对现行成熟技术不宜作修改 2 7电气控制线路的简单设计法 同一线路中电磁式电器的电压等级应保持一致 且并联连接 因为 电磁电器线圈绝大多数为电压型 是根据电压信号变化工作的 尤其是对交流 从图中可见 3 保证控制线路的可靠与安全 2 7电气控制线路的简单设计法 辅助电路工作时 除必要通电电器外 不工作电器尽量不通电 以利节能 减少电器散热量 延长使用寿命 如 2 7电气控制线路的简单设计法 减少连接导线 简化电路 2 7电气控制线路的简单设计法 控制环节应简单明了 避免繁琐 如 频繁可逆运行环节 应采取双重联锁 应有完善有效的保护环节 即使误操作也能防止故障发生 小容量触点通断大容量电磁线圈时 应利用中间继电器过渡 4 线路编号应具有唯一性 且与现场实际接线编号保持一致 5 为日后的操作 维护等尽量提供方便 2 7电气控制线路的简单设计法 三 电控设计的基本任务 电控设计 包括电气原理图设计和电气工艺设计两部分 电气原理图设计是电气工程设计最主要的环节 是后续的工艺设计 制定其它技术资料的依据 电气原理图设计 拟定设计任务书 选择方案 确定负载类型及其控制方式 根据用户要求 拟定经济技术指标 绘制电气原理草图 计算主要技术参数 选择器件 编制器件目录清单 编写使用说明书 2 7电气控制线路的简单设计法 电气工艺设计是实现电气原理图设计功能 为便于组织电气系统的制造 施工 调试 维护 使用提供必备的技术资料 2 电气工艺设计 依据原理图及其选择的器件 设计平面图 布局图等 依据原理图 也可按功能 组件 进行线路编号 确定器件安装方式 绘制自制件加工图 选择或设计电器箱图 绘制安装图 接线图 技术资料汇总 各类图纸 编写使用维护说明书 2 7电气控制线路的简单设计法 四 电控设计的步骤与内容 控制方案的选择与确定控制人员应根据专业知识 设备功能 用途 现场环境条件 用户要求 控制目的 经济承受能力等因素综合考量 至少要作2个以上的方案 以供用户 业主 设计相关者等甄选 方案设计实质是电路图的设计 设计时 需要考量的因素有 主电路 负载属性 负载对电源的要求 负载的连接方式 负载的启动及运行方式 系统技术安全措施及负载的保护 本章小结 电气工程图表的分类 功能 作用 线条 图符 标注等绘制要求 基本控制电路的控制功能及实现方法 基本控制电路的保护特点及其种类 作用等 电机调速的意义 应用和选择方法 电路图的阅读分析 74 概述PLC的硬件组成PLC的软件系统PLC的工作原理PLC的主要指标PLC的分类 第3章PLC概述 软硬件组成及工作原理 75 可编程序逻辑控制器简称为PLC ProgrammableLogicalController 也常称为可编程序控制器即PC ProgrammableController 它是微机技术与继电接触器常规控制概念相结合的产物 即采用了微型计算机的基本结构和工作原理 融合了继电接触器控制的概念构成的一种新型电控器 它专为在工业环境下应用而设计 它采用可编程序的存储器 用来存储执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术运算等操作的指令 并通过数字式 模拟式的输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 1987年 国际电工委员会 IEC 对它定义如下 一种数字运算操作的电子系统装置 专为在工业现场应用而设计 它采用可编程序的存储器 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 并通过数字式或模拟式的输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 在早期 主要用于替代继电 接触的顺序控制 因此 又称为可编程逻辑控制器 ProgrammablelogiccontrollerPLC 77 PLC的产生和发展 PLC的发展经历了五个重要时期 1 从产生到20世纪70年代初期 CPU由中小规模数字集成电路组成 存储器为磁芯存储器 控制功能比较简单 2 20世纪70年代末期 采用CPU微处理器 存储器采用半导体存储器 体积减小 数据处理能力有很大提高 3 20世纪70年代末到80年代中期 PLC开始采用8位和16位微处理器 使数据处理能力和速度大大提高 4 20世纪80年代中期到90年代中期 超大规模集成电路促使PLC完全计算机化 CPU已经开始采用32位微处理器 5 20世纪90年代中期至今 PLC使用16位和32位微处理器 出现了智能化模块 可以实现对各种复杂系统的控制 78 1 通用性强 由于采用了微型计算机的基本结构和工作原理 而且接口电路考虑了工业控制的要求 输出接口能力强 因而对不同的控制对象 可以采用相同的硬件 只需编制不同的软件 就可实现不同的控制 2 接线简单 只要将用于控制的接线 限位开关和光电开关等接入控制器的输入端 将被控制的电磁铁 电磁阀 接触器和继电器等功率输出元件的线圈接至控制器的输出端 就完成了全部的接线任务 3 编程容易 一般使用与继电接触器控制电路原理图相似的梯形图或用面向工业控制的简单指令形式编程 因而编程语言形象直观 容易掌握 具有一定的电工和工艺知识的人员可在短时间学会并应用自如 4 抗干扰能力强 可靠性高 PLC的输入输出采取了隔离措施 并应用大规模集成电路 故它能适应各种恶劣的环境 能直接安装在机器设备上运行 5 容量大 体积小 重量轻 功耗少 成本低 维修方便 例如一台具有128个输入输出点的小型PLC 其尺寸为216 127 110mm3 重约2 3Kg 空载功耗为1 2W 它可以完成相当于400 800个继电器组成的系统的控制功能 而其成本仅相当于相同功能继电器系统的 10 20 PLC一般采用模块结构 又具有自诊断功能 判断故障迅速方便 维修时只需更换插入式模块 因而维修十分方便 1 与继电接触器的异同 相同点 名词 术语 图形结构和逻辑关系相同 不同点 控制逻辑不同 工作方式不同 2 与计算机的异同 相同点 结构相近 工作原理相同 不同点 主要体现在对程序的执行方式 3 与单片机的异同 相同点 均采用了计算机技术 不同点 开发出发点不同 编程方式方法不同 80 2 按I O点数和存储容量分类 大型PLC I O点数在2048点以上 存储器容量8K以上 小型PLC I O点数在256点以下 存储器容量2K 中型PLC I O点数在256 2048点之间 存储器容量2K 8K 81 当今世界上PLC生产厂家按地域可分为三大流派 美国 欧洲和日本 美国是PLC生产大国 有100多家PLC厂商 著名的有A B公司 通用电气 GE 公司 莫迪康 MODICON 公司 德州仪器 TI 公司 西屋电气公司等 欧洲著名的PLC生产厂商有德国的西门子 SIEMENS 公司 AEG公司 法国的TE公司等 日本有许多PLC制造商 如 三菱 欧姆龙 松下 富士 日立 东芝等 我国的PLC生产厂家规模一般不大 主要有无锡华光电子工业有限公司 上海香岛机电制造有限公司 杭州机床电器厂 天津中环自动化仪表公司等 82 PLC的硬件组成 PLC生产厂家很多 产品的结构也各不相同 但其基本构成是一样的 都采用计算机结构 如下图所示 都以微处理器为核心 通过硬件和软件的共同作用来实现其功能 PLC主要有六部分组成 CPU 中央处理器 存储器 输入 输出 I O 接口电路 电源 外设接口 输入 输出 I O 扩展接口 整体式 组合式 PLC的基本分类 小型机常采用整体式 中 大型机常采用组合式 83 整体式PLC的基本组成框图 84 组合式PLC的基本组成框图 85 输入并存储用户程序 显示输入内容和地址 CPU指挥PLC完成各种预定的功能 检查 校验用户程序 发现错误即报警 执行用户程序 驱动外部输出设备动作 诊断故障 记忆故障信息并报警 CPU单元 86 1 中央处理单元 CPU 1 从程序存储器读取程序指令 编译 执行指令 2 将各种输入信号取入 3 把运算结果送到输出端 4 响应各种外部设备的请求 PLC中所采用的CPU通常有三种 1 通用处理器 8086 80286 80386 2 单片机芯片 8031 8096 3 位片式微处理器 AMD 2900小型PLC多采用8位微处理器或单片机作为CPU中型PLC多采用16位微处理器或单片机作为CPU大型PLC多采用高速位片式微处理器 87 系统程序存储器 存储系统系统程序 用户程序存储器 存储系统用户程序 工作数据存储器 存储工作数据 存储器 RAM 存储各种暂存数据 中间结果 用户正调试的程序 ROM 存放监控程序和用户已调试好的程序 88 I O单元 PLC与外部设备联系的桥梁 开关量输入单元 开关量输出单元 89 输入 输出接口 采用光电隔离 实现了PLC的内部电路与外部电路的电气隔离 减小了电磁干扰 输出接口作用 将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号 以便控制接触器线圈等电器通断电 另外输出电路也使计算机与外部强电隔离 输出接口电路按照PLC的类型不同一般分为继电器输出型 晶体管输出型和晶闸管输出型3类以满足各种用户的需要 其中继电器输出型为有触点的输出方式 可用于直流或低频交流负载 晶体管输出型和晶闸管输出型都是无触点输出方式 前者适用于高速 小功率直流负载 后者适用于高速 大功率交流负载 输入接口作用 将按钮 行程开关或传感器等产生的信号 转换成数字信号送入主机 90 PLC的软件系统 系统程序系统程序是由PLC的制造者采用汇编语言编写的 固化于ROM型系统程序存储器中 用于控制PLC本身的运行 用户不能更改 系统程序分为 1 系统管理程序2 用户指令解释程序3 标准程序模块和系统调用程序 91 用户程序用户程序又称为应用程序 是用户为完成某一控制任务而利用PLC的编程语言编制的程序 用户程序是线性地存储在系统程序制定的存储区内 1 用户环境用户环境是由系统程序生成的 它包括用户数据结构 用户元件区 用户程序存储区 用户参数 文件存储区等 2 用户程序结构用户程序结构大致可以分为三种 1 线性程序 2 分块程序 3 结构化程序3 用户程序语言PLC的编程语言有多种 其中梯形图 语句表 功能块图是三种基本语言 92 PLC的循环扫描工作过程 接线程序控制与存储程序控制 输入 输出滞后响应 PLC的工作原理 93 继电接触器控制系统 又称为接线程序控制系统 是通过电器元器件的固定接线来实现控制逻辑 完成控制任务的 94 在PLC控制系统中 用户根据控制要求编制出相应的控制程序 并写入PLC的程序存储器中 系统运行时 PLC将程序执行结果输出给相应的输出设备 控制被控对象工作 这种控制称为存储程序控制 95 PLC的工作方式为循环扫描方式 其工作过程大致分为3个阶段 输入采样 程序执行和输出刷新 96 循环扫描工作流程 PLC 接通电源 初始化 硬件检查 正常 异常报警 异常处理 扫描周期监视 执行用户程序 程序结束 扫描周期检查 有固定设置 等待 扫描周期计算 I O刷新 外设端口服务 异常 97 1 PLC扫描工作各环节的功能 PLC上电后 首先检查硬件是否正常 按自上而下的顺序 逐条读用户程序并执行 对输入的数据进行处理 将结果存入元件映象寄存器 计算扫描周期 若正常 则进行下一步 若不正常 则报警并作处理 母线 I O刷新阶段 外设端口服务 读输入点的状态并写入输入映像寄存器 将元件映像寄存器的状态经输出锁存器 输出电路送到输出点 访问外设端口连接的外部设备 98 读 读 读 写 写 执行用户程序 2 PLC执行用户程序的过程 99 3 PLC控制的原理 等效电路图 SB1 公共端 公共端 输出端子 输入端子 主电路 100 线圈通电 SB1闭合 00000闭合 接点闭合 触点闭合 电动机转 触点闭合 101 线圈断电 00001断开 接点断开 触点断开 电动停转 触点断开 SB2闭合 102 4 PLC执行用户程序的特点 按梯形图自左向右 自上而下逐次执行程序 执行程序时所需数据取自于 输入映像寄存器 元件映像寄存器 输入映像寄存器和元件映像寄存器中的数据 元件映像寄存器 在一个扫描周期中可读可写 输入映像寄存器 在一个扫描周期中保持不变 每个扫描周期I O刷新阶段集中读入 读出数据 103 从PLC工作过程的分析中可知 由于PLC采用循环扫描的工作方式 而且对输入和输出信号只在每个扫描周期的I O刷新阶段集中输入并集中输出 所以必然会产生输出信号相对输入信号的滞后现象 响应时间或滞后时间 即从PLC的输入端有一个输入信号发生变化到PLC的输出端对该输入信号的变化做出反应需要一段时间 滞后时间是设计PLC控制系统时应了解的一个重要参数 104 滞后时间的长短与以下因素有关 输入电路滤波时间 它由RC滤波电路的时间常数决定 改变时间常数可调整输入延迟时间 PLC循环扫描的工作方式 用户程序中语句的安排 PLC对输入采样 输出刷新的集中处理方式 输出电路的滞后时间 它与输出电路的输出方式有关 继电器输出方式的滞后时间为10ms左右 双向晶闸管输出方式 在接通负载时滞后时间约为1ms 切断负载时滞后时间小于10ms 晶体管输出方式的滞后时间小于1ms 105 CPU读输入 输入输出延迟时间 最短响应时间 输入 输出刷新时间 最短响应时间 输入延迟时间 一个扫描周期 输出延迟时间 106 CPU读输入 输入 输出刷新时间 最长响应时间 输入延迟时间 两个扫描时间 输出延迟时间 输入输出延迟时间 最长响应时间 第3章PLC概述 软硬件组成及工作原理 107 I O响应时间的估算 以20点的继电器输出型CPM1A为例 设输入ON延时为8毫秒公共处理和I O刷新时间为2毫秒执行用户程序时间为14毫秒输出ON延时为15毫秒 输入状态经过一个扫描周期后在输出得到响应 最小I O响应时间 输入状态经过两个扫描周期后在输出得到响应 最大I O响应时间 第3章PLC概述 软硬件组成及工作原理 108 最小I O响应时间的计算 最小I O响应时间 输入ON延时 公共处理 I O刷新时间 执行程序时间 输出ON延时 8 2 14 15 39ms 输入触点 输入滤波 输出锁存 输出触点 输入ON延时 输出ON延时 I O响应时间 第3章PLC概述 软硬件组成及工作原理 109 输入ON延时 最大I O响应时间 输入ON延时 公共处理 I O刷新 执行程序 2 输出ON延时 8 2 14 2 15 55ms 最大I O响应时间的计算 输出ON延时 I O响应时间 第3章PLC概述 软硬件组成及工作原理 110 程序语句安排对I O响应时间的影响举例 当SB闭合 经过输入滤波 设第一个扫描周期I O刷新时00000的映像寄存器ON 第一个扫描周期结束时 01000为OFF 01000只能在第二个扫描周期结束后才能ON 第3章PLC概述 软硬件组成及工作原理 111 当SB闭合 经过输入滤波 设第一个扫描周期00000的映像寄存器ON 01000在第一个扫描周期结束后就能ON 续 如果将梯形图的第一与第二梯级交换 如下图 显然 程序语句的安排对I O响应的影响很大 第3章PLC概述 软硬件组成及工作原理 112 PLC的主要指标 1 输入 输出 I O 点数PLC上的I O端子的个数 I O点数越多 外部可接的输入和输出元器件就越多 控制规模就越大 2 存储容量这里说的存储容量指的是用户程序存储器的容量 也有的PLC用存放用户程序的指令条数来表示容量 3 扫描速度扫描速度是指PLC执行程序的速度 是衡量PLC性能的重要指标 4 指令的种类和条数编程指令的种类和条数是衡量PLC软件功能强弱的主要指标 5 特殊I O单元 高级模块或智能模块 PLC不仅能完成开关量的逻辑控制 而且利用特殊I O单元可完成模拟量控制 运动控制 模糊控制 定位控制 高速中断控制 通信联网等功能 6 支持软件符合IEC1131 3标准的语言 为用户提供方便的编程环境 第3章PLC概述 软硬件组成及工作原理 113 小结 一 PLC的定义二 PLC的特点三 PLC的系统组成四 PLC的工作原理 第3章PLC概述 软硬件组成及工作原理 114 第4章S7 200PLC基础知识 S7 200PLC的硬件组成S7 200PLC的内部器件资源S7 200PLC的数据类型S7 200PLC的寻址方式S7 200PLC的编程语言和程序结构 115 S7 200系列PLC系统结构与产品特性 CPU221 数字量10点 CPU222 40入 38出 78数字量模拟量8入或4出或8入 2出 CPU224 94入 74出 168数字量模拟量28入或14出或28入 7出 最大2个模块 无扩展能力 CPU226 XM 128入 120出 248数字量模拟量28入或14出或28入 7出 第4章S7 200PLC基础知识 116 这几种CPU模块的外部结构大体相同 其外部结构如图所示 CPU224XP和CPU226有两个通信口 第4章S7 200PLC基础知识 SIMATICS7 200系统由硬件和工业软件两大部分构成 如图所示 工业软件西门子的工业软件分为三个不同的种类 编程和工程工具编程和工程工具包括所有基于PLC或PC用于编程 组态 模拟和维护等控制所需的工具 STEP7标准软件包SIMATICS7是用于S7 300 400 C7PLC和SIMATICWinAC基于PC控制产品的组态编程和维护的项目管理工具 STEP7 Micro WIN是在Windows平台上运行的S7 200系列PLC的编程 在线仿真软件 基于PC的控制软件基于PC的控制系统WinAC允许使用个人计算机作为可编程序控制器 PLC 运行用户的程序 运行在安装了WindowsNT4 0操作系统SIMATIC工控机或其它任何商用机 WinAC提供两种PLC 一种是软件PLC 在用户计算机上作为视窗任务运行 另一种是具有硬件PLC全部功能的插槽PLC 在用户计算机上安装一个PC卡 WinAC与SIMATICS7系列处理器完全兼容 其编程采用统一的SIMATIC编程工具 如 STEP7 编制的程序既可运行在WinAC上 也可运行在S7系列处理器上 人机界面软件人机界面软件是为用户自动化项目提供人机界面 HMI 或SCADA SupervisoryControlandDataAcquisition监控与数据采集 系统 支持大范围的平台 人机界面软件有两种 一种是应用于机器级的ProTool 另一种是应用于监控级的WinCC ProTool适用于大部分HMI硬件的组态 WinCC是一个真正开放的 面向SCADA的软件 可在任何标准PC上运行 121 S7 200系列PLC的内部资源 PLC中的每一个输入 输出 内部存储单元 定时器和计数器等都称为软元件 各软元件有其不同的功能 有固定的地址 软元件的数量决定了PLC的规模和数据处理能力 每一种PLC的软元件是有限的 编程时 用户只需记住软元件的地址即可 每一个软元件都有一个地址与之相对应 软元件的地址编排采用区域号加区域内编号的方式 第4章S7 200PLC基础知识 122 PLC内部根据软元件的功能不同 分成了许多区域 输入继电器 I 输出继电器 Q 内部位存储器 M 特殊存储器 SM 变量存储器 V 局部变量存储器 L 第4章S7 200PLC基础知识 123 定时器 T 计数器 C 模拟量输入映像寄存器 AI 模拟量输出映像寄存器 AQ 高速计数器 HC 累加器 AC 顺序控制继电器 S 第4章S7 200PLC基础知识 软元件PLC中的每一个输入 输出 内部存储单元 定时器和计数器等都称为软元件 软元件有其不同的功能 有固定的地址 其特点为 软元件不存在物理性的触点 软元件的触点可以无限次使用 体积小 功耗低 寿命长 1 输入映像寄存器 输入继电器 1 输入映像寄存器的工作原理输入继电器是PLC用来接收用户设备输入信号的接口 PLC中的 继电器 与继电器控制系统中的继电器有本质性的差别 是 软继电器 它实质是存储单元 2 输入映像寄存器的地址分配S7 200输入映像寄存器区域有IB0 IB15共16个字节的存储单元 系统对输入映像寄存器是以字节 8位 为单位进行地址分配的 2 输出映像寄存器 输出继电器 1 输出映像寄存器的工作原理 输出继电器 是用来将输出信号传送到负载的接口 每一个 输出继电器 线圈都与相应的PLC输出相连 并有无数对常开和常闭触点供编程时使用 2 输出映像寄存器的地址分配 S7 200输出映像寄存器区域有QB0 QB15共16个字节的存储单元 系统对输出映像寄存器也是以字节 8位 为单位进行地址分配的 3 变量存储器V 变量存储器主要用于存储变量 可以存放数据运算的中间运算结果或设置参数 在进行数据处理时 变量存储器会被经常使用 变量存储器可以是位寻址 也可按字节 字 双字为单位寻址 其位存取的编号范围根据CPU的型号有所不同 CPU221 222为V0 0 V2047 7共2KB存储容量 CPU224 226为V0 0 V5119 7共5KB存储容量 4 内部标志位存储器 中间继电器 M 内部标志位存储器 用来保存控制继电器的中间操作状态 其作用相当于继电器控制中的中间继电器 内部标志位存储器在PLC中没有输入 输出端与之对应 其线圈的通断状态只能在程序内部用指令驱动 其触点不能直接驱动外部负载 只能在程序内部驱动输出继电器的线圈 再用输出继电器的触点去驱动外部负载 5 特殊标志位存储器SM PLC中还有若干特殊标志位存储器 特殊标志位存储器提供大量的状态和控制功能 用来在CPU和用户程序之间交换信息 特殊标志位存储器能以位 字节 字或双字来存取 CPU224的SM的位地址编号范围为SM0 0 SM179 7共180个字节 其中SM0 0 SM29 7的30个字节为只读型区域 6 局部变量存储器L 局部变量存储器L用来存放局部变量 局部变量存储器L和变量存储器V十分相似 主要区别在于全局变量是全局有效 即同一个变量可以被任何程序 主程序 子程序和中断程序 访问 而局部变量只是局部有效 即变量只和特定的程序相关联 7 定时器T PLC所提供的定时器作用相当于继电器控制系统中的时间继电器 每个定时器可提供无数对常开和常闭触点供编程使用 其设定时间由程序设置 8 计数器C 计数器用于累计计数输入端接收到的由断开到接通的脉冲个数 计数器可提供无数对常开和常闭触点供编程使用 其设定值由程序赋予 9 高速计数器HC 一般计数器的计数频率受扫描周期的影响 不能太高 而高速计数器可用来累计比CPU的扫描速度更快的事件 高速计数器的当前值是一个双字长 32位 的整数 且为只读值 10 累加器AC 累加器是用来暂存数据的寄存器 它可以用来存放运算数据 中间数据和结果 CPU提供了4个32位的累加器 其地址编号为AC0 AC3 累加器的可用长度为32位 可采用字节 字 双字的存取方式 按字节 字只能存取累加器的低8位或低16位 双字可以存取累加器全部的32位 11 顺序控制继电器S 状态元件 顺序控制继电器是使用步进顺序控制指令编程时的重要状态元件 通常与步进指令一起使用以实现顺序功能流程图的编程 12 模拟量输入 输出映像寄存器 AI AQ S7 200的模拟量输入电路是将外部输入的模拟量信号转换成1个字长的数字量存入模拟量输入映像寄存器区域 区域标志符为AI 4 5S7 200指令系统 S7 200系列PLC有两类基本指令集 SIMATIC指令集和IEC1131 3指令集 都提供了许多类型的指令以完成广泛的自动化任务 编程时可以任选一种 SIMATIC指令集 是为S7 200系列PLC设计 可以用LAD STL和FBD三种语言编程 具有功能丰富 执行时间短等特点 IEC1131 3指令集 是国际上为PLC设备编程语言制定的一个通用标准 不同于各PLC厂家自选的的指令标准与字符 因而 它不能使用STL编程语言 一 S7 200指令系统简介 4 5S7 200指令系统 二 S7 200指令系统分类 S7 200指令因选用的编程语言和计算方法的不同 指令条目约267 180条不等 其中逻辑指令106条 全部指令可分为基本指令和高级指令两大类 西门子分为17个类别 基本指令 基本位操作指令包括位操作 置 复位 边沿触发 定时 计数 比较等指令 是梯形图基本的指令基础 也是最常用的指令类型 运算指令包括算术运算和逻辑运算两大类 算术运算有加 减 乘 除运算和常用的数学函数变换 逻辑运算包括与 或指令和取反指令等 4 5S7 200指令系统 数据处理指令包括数据的传送指令 变换 填充指令 移位指令等 程序控制指令包括系统控制 跳转 循环 顺序控制等指令 系统控制类指令包括暂停 结束 看门狗等指令 2 高级指令 表处理类指令可以方便的在表格中存 取字类型的数据 表功能指令有ATT FIFO LIFO FND指令等 转换指令类型主要用来对操作数的类型进行转换 它主要包括了3种情况 即数据类型转换 码类型转换以及数据与码之间的转换 中断技术在PLC的人机联系 实用处理 网络通信 高速记数等方面有重要应用 中断主要包括中断响应和中断程序 4 5S7 200指令系统 但在实际应用中 PLC作为用于自动化的智能型控制器 其专用于控制的指令也不足40条 再加上系统复杂程度 编程人员应用语言熟练程度 编程水平高低 以及单个指令的执行时间等方面的因素 真正应用的控制指令不过25 3