可编程序控制器及应用.ppt

可编程序控制器及其应用 主讲 田彪高级技师泰安市首席技师国家注册安全工程师国家职业技能鉴定考评员 第一章可编程控制器及其工作原理 第一节可编程控制器的产生与发展历史定义特点应用领域国内外状况发展趋势 PLC的历史 1968年 美国最大的汽车制造商通用汽车公司 GM 为了适应汽车型号不断更新的需要 提出了十条技术指标在社会上公开招标 制造一种新型的工业控制装置 1 编程简单 可在现场修改和调试程序 2 维修方便 各部件最好采用插件方式 3 可靠性高于继电器控制系统 4 设备体积小于继电器控制柜 5 数据可直接送入管理计算机 6 成本可与继电器控制系统相竞争 7 输入输出电压都是115V交流电 8 输出电流达到2A以上 能直接驱动电磁阀 9 系统扩展时 原系统只需作很小的变动 10 用户程序存储容量可扩展到4KB 1969年美国数字设备公司 DEC 根据招标的要求 研制出世界上第一台可编程序控制器 并在GM公司汽车生产线上首次应用成功 1980年美国电气制造商协会 NEMPLCA 将其命名为可编程序控制器 ProgrammableController 英文简称PC 为了与个人计算机PC PersonalComputer 相区别 就在PC中间加入L Logical 而写成PLC 国际电工委员会 IEC 于1982年颁布了PLC标准草稿第一稿 1987年2月颁布了第三稿 对可编程序控制器作了如下的定义 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命令 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 易于扩充功能的原则而设计 PLC的特点 优点 1 可靠性高 抗干扰能力强 平均无故障时间10万 几十万小时 2 适应性强 应用灵活3 编程简单 方便 易于使用4 扩展功能强5 控制系统设计 安装 调试方便6 维修方便7 体积小 重量轻易于实现机电一体化 PLC的应用领域 主要用于设备和生产过程的自动控制系统 1 开关量的顺序控制2 模拟量的闭环过程控制3 运动控制4 通信和联网功能 PPI MPI PROFIBUSDP 自由通讯口 PLC的缺点 主要是PLC的软 硬件体系结构是封闭而不是开放的 如专用总线 专家通信网络及协议 I O模板不通用 甚至连机柜 电源模板亦各不相同 编程语言虽多数是梯形图 但组态 寻址 语言结构均不一致 因此各公司的PLC互不兼容 SIEMENS等公司已经开发出以个人计算机为基础 在Windows平台下 结合IEC1131 3国际标准的新一代开放体系结构的PLC PLC的国内外状况 1971年 日本从美国引进PLC技术 由日立公司研制成功日本第一台PLC 日本生产PLC的厂家有40余家 三菱电机 MITSUBISHI 欧姆龙 OMRON 富士电机 FujiElectric 东芝 TOSHIBA 光洋 KOYO 松下电工 MEW 和泉 IDEC 夏普 SHARP 安川等公司 PLC的国内外状况 我国在70年代末和80年代初开始引进PLC 我国早期独立研制PLC的单位有 北京机械工业自动化研究所 上海工业自动化仪表研究所 大连组合机床研究所 成都机床电器研究所 中科院北京计算机所及自动化所 长春一汽 上海起重电器厂 上海香岛机电公司 上海自力电子设备厂等单位 以上诸单位都没有形成规模化生产 PLC的国内外状况 辽宁无线电二厂引进德国西门子技术生产PLC 无锡电器和日本光洋合资生产的PLC 中美合资的厦门A B公司生产的PLC 上海香岛机电公司引进技术生产的PLC 上海OMRON公司 西安Siemens公司等 PLC的发展趋势 1 向高速度 大存储容量方向发展 2 向多品种方向发展和提高可靠性 3 产品更加规范化 标准化 硬件 软件兼容的PLC 4 分散型 智能型 与现场总线兼容的I 0 5 加强联网和通信的能力 6 控制的开放和模块化的体系结构OMAC openModularArchitectureforControl 第二节可编程控制器的初步认识 型号 分类 结构 工作原理 编程语言 注意事项 FX2N系列PLC外部结构 FX2N 64MR的主机外形图 采用继电器输出 输出侧左端4个点公用一个COM端 右边多输出点公用一个COM端 输出的COM比输入端要多 主要考虑负载电源种类较多 而输入电源的类型相对较少 对于晶体管输出其公用端子更多 端子为空端子 在外部配线工作中作中继端子使用 I O端子编号 FX系列家族成员FX0FX2FX2CFX0SFX1SFX0NFX1NFX2NFX2NC 在PLC的正面 一般都有表示该PLC型号的符号 通过阅读该符号即可以获得该PLC的基本信息 FX系列PLC的型号命名基本格式如下 FX系列PLC型号的含义 序列号 0 0S 0N 2 2C 1S 2N 2NCI O总点数 10 256单元类型 M 基本单元 E 输入输出混合扩展单元及扩展模块EX 输入专用扩展模块EY 输出专用扩展模块输出形式 R 继电器输出T 晶体管输出S 晶闸管输出 特殊品种区别 DC电源 DC输入A1 AC电源 AC输入 大电流输出扩展模块 1A 1点 立式端子排的扩展模块 接插口输入输出方式 输入滤波器1ms的扩展模块 TTL输入扩展模块 独立端子 无公共端 扩展模块若特殊品种一项无符号 说明通指AC电源 DC输入 横排端子排 继电器输出 2A 点 晶体管输出 0 5A 点 晶闸管输出 0 3A 点 例1 FX2N 48MRD含义 FX2N系列 输入输出总点数为48点 继电器输出 DC电源 DC输入的基本单元 例2 FX 4EYSH含义 FX系列 输入点数为0点 输出4点 晶闸管输出 大电流输出扩展模块 FX还有一些特殊的功能模块 如模拟量输入输出模块 通信接口模块及外围设备等 使用时可以参照FX系列PLC产品手册 PLC的分类 1 按输入输出 I O 点数分类I O点数在128点以下为小型PLC I O点数在129 512为中型PLC I O点数在513点以上为大型PLC I O点数大于1024为大型PLC PLC输入输出点数越多 其存储容量也越大 以上划分不包括模拟量I 0点数 且划分界限不是固定不变的 PLC的分类 2 按结构形式分类 整体式PLC 又称单元式或箱体式 整体式PLC是将电源 CPU I 0部件都集中装在一个机箱内 一般小型PLC采用这种结构 模块式PLC 将PLC各部分分成若干个单独的模块 如CPU模块 I 0模块 电源模块和各种功能模块 模块式PLC由框架和各种模块组成 模块插在插座上 一般大 中型PLC采用模块式结构 有的小型PLC也采用这种结构 有的PLC将整体式和模块式结合起来 称为叠装式PLC 三 PLC的硬件组成 PLC由五部分组成 中央处理单元 CPU板 存储器电源部件输入输出 I O 部件通讯接口 PLC 主机 I O模块 电源 为CPU 存储器 I O接口等内部电子电路工作所配备的直流开关稳压电源 编程器 用于手持编程 可用它输入 检查 修改 调试程序 或用它监视PLC的工作情况 I O扩展接口 扩充外部输入 输出端子数的扩展单元与基本单元 即主机 联接在一起 外设接口 将编程器 打印机 条码扫描仪等外部设备与主机相联 以完成相应操作 输入模块 接受输入设备的控制信号 输出模块 输出控制信号 CPU 起总指挥的作用 存储器 存储系统及用户程序和数据 四 PLC的工作原理 直接起动控制电路采用PLC控制 其外部接线及内部等效电路如图所示 可将PLC分成3部分 输入部分 内部控制电路和输出部分 PLC是采用顺序扫描 不断循环的方式进行工作的 PLC的扫描工作过程可分为输入采样 程序执行和输出刷新3个阶段 并进行周期性循环 扫描周期定义 扫描一条程序所用的时间 扫描周期的长短主要取决于程序的长短 大概在1 100ms之间 五 PLC编程语言 PLC标准的编程语言有5种 分图形编程语言和文字编程语言 顺序功能图 SFC 梯形图 LD 功能块图 FBD 指令表 IL 结构文本 ST 梯形图 指令表助记符语言最为常用 梯形图 指令表 X 输入继电器Y 输出继电器M 辅助继电器T 定时器 常开触点常闭触点 梯形图 左母线 右母线 输出继电器 Y 输入继电器 X 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 梯形图是在原继电器 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 梯形图 PLC最常用的编程语言 梯形图 1 线圈2 动合触点 常开触点 3 动断触点 常闭触点 等效开关 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 或 ON 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 或 OFF 时 对应的继电器线圈不通 其常开 常闭触点保持原态 触点在不同状态下的动作 重点 时序图 时序图是用于辅助分析梯形图的一种工具 高水平线 线圈通电 触点动作低水平线 线圈断电 触点原态竖线 线圈通断电 触点闭断时刻 例 例 当X1 X2处于如下几种状态时 YI的状态 六 梯形图编程的注意事项 能流只能从左边的母线流向右边母线 继电器触点和线圈只能作为水平元件使用 网络中 最右一列只能放置线圈 线圈如放在其他列 其右边不能放置任何指令 右边的只能是输出元件 线圈在梯形图程序中只能使用一次 但作为该线圈的触点 可以在梯形图中多次使用 若梯形图中串联或并联的指令数超过网络规定的数值时 必须使用内部继电器经分段组合来完成 第二章PLC的编程元件与指令系统 第一节 PLC的编程元件 编程元件的名称 三菱PLC编程元件的名称由字母和数字组成 字母代表功能 表示元件类型 数字元件序号 输入 输出继电器的元件号采用八进制数 其它编程元件的元件号采用十进制数 编程元件并非真实的物理继电器 如 输入继电器 实际上是PLC内部存储单元 例如X07 Y10 M125 X 输入继电器 PLC输入点 八进制 Y 输出继电器 PLC输出点 八进制 M 辅助继电器 PLC内部位寄存器 十进制 T 定时器 PLC定时器的作用相当于时间继电器 C 计数器 PLC计数器的作用就是记忆次数 加或减 1 输入继电器 X 常用 输入继电器可以理解为PLC的输入通道 与输入端相连 是PLC接收外部输入开关量信号的窗口 以FX2N系列为例 地址编号范围为X0 X377 共256个 元件地址编号采用8进制数 2 输出继电器 Y 常用 输出继电器是PLC向外部负载发送信号的窗口 以FX2N系列为例 地址编号范围为Y0 Y377 共256个 元件地址编号采用8进制数 3 辅助继电器 M 常用 辅助继电器是PLC供用户存放中间变量 用软件实现 它们不能接收外部的输入信号 由程序驱动 也有常开和常闭触点 它不能直接驱动负载 相当于继电器电路的中间继电器 辅助继电器采用十进制编号 辅助继电器 M 以FX2N系列为例 地址编号范围 M0 M499 共500点为普通型 M500 M1023 共524点为停电保持型 默认 M1024 M3071 共2048点为停电保持专用型 M8000 M8255 共256点为特殊型 当定时器的计数值和设定值相等时 其输出触点动作 即常开触点闭合 常闭触点断开 4 定时器 T 常用 2 脉冲计数个数的设定值 3 定时器的触点 当脉冲计数值 设定值时 驱动T0触点动作闭合 Y0得电 说明 当X0闭合通电时 T0开始计数100ms的脉冲数 当计数脉冲个数值 设定值10时 即10 100ms 1s后 会驱动T0触点闭合 然后Y0得电 当X0断电后 计数值清零 定时器触点恢复原来状态 PLC运行时 会自动产生时间脉冲 其中T0 T199定时器只针对100ms的时间脉冲进行计数 T200 T245定时器只针对10ms的时间脉冲进行计数 定时器由3个部分组成 PLC定时器的作用相当于时间继电器 它的定时功能是通过对时钟脉冲的计数来实现的 时钟脉冲的周期有1ms 0 001s 10ms和100ms 1 表示选择计数对象的脉冲周期 定时器的设定值可通过常数k或数据寄存器D的内容来设定 T后面的数字表示定时器的定时类型和定时精度 K后面的为计数次数 定时时间的计算公式 定时时间 计数次数 定时精度 K328 3 28s 定时器T200计数值 通用定时器的工作原理可用下图说明 当定时器的计数值和设定值相等时 其输出触点动作 即常开触点闭合 常闭触点断开 ON OFF ON OFF K328 定时器的计数值和设定值相等时 T200触点闭合 Y0得电 常数常数K 用于表示十进制常数 常数H 用于表示十六进制常数 思考题 2 请仔细分析梯形图 X0闭合后 第1S 2 5S 4S时Y0灯的状态 A 灭 亮 亮 B 灭 亮 灭 C 灭 灭 亮 1 如图所示 问当X0为ON后 Y0灯1 5S 2 5S的时候的状况 A 亮 亮 B 灭 亮 C 亮 灭 3 如图所示 当X0闭合时 Y0 Y1看起来的演示效果是 A Y0闪烁 Y1一直不亮 B Y0 Y1都闪烁 C Y0闪烁 Y1一直亮 1 逻辑取与输出线圈指令 LD LDI OUT LD 常开触点逻辑运算起始指令 LDI 常闭触点逻辑运算起始指令 OUT 驱动线圈专用的输出指令 第二节 PLC的基本逻辑指令 2 触点串联指令 AND ANI AND 常开触点串联指令 ANI 常闭触点串联指令 注意 AND指令和ANI指令只能用于一个触点与前面的触点串联 不能用于两个及以上触点并联的电路块与前面的电路串联 并联电路块串联要使用ANB指令 电路块串联指令ANB 将多个串联电路块并联的电路 亦称并联电路块 与前面的电路串联 使用ANB指令的原则是 1 先组块后串联 2 在每一电路块开始时 须使用LD LDI指令 3 多个电路块组成的串联电路 在组成一个电路块后 紧跟一条ANB指令 则串联电路块的个数没有限制 这种编程方式较好 也可以在所有的电路块组成之后 集中写若干条ANB指令 但这种写法串联电路块不能超过8个 是不好的编程方式 3 触点并联指令 OR ORI OR 常开触点并联指令 ORI 常闭触点并联指令 注意 OR指令和ORI指令只能用于一个触点与前面的电路并联 不能用于两个及以上触点串联的支路与前面的电路并联 串联支路并联要使用ORB指令 电路块并联指令ORB 将两个及以上触点串联的支路 亦称串联电路块 与前面支路并联 使用ORB指令的原则是 1 先组块后并联 2 使用ORB指令对各个支路进行并联时 各个支路的起点须使用LD LDI指令 3 多个支路组成的并联电路 每写一条并联支路后紧跟一条ORB指令 则并联电路块的条数没有限制 这种编程方式较好 也可以在所有的支路组成之后 集中写若干条ORB指令 但这种写法并联支路不能超过8条 是不好的编程方式 SET Y0 X0 RST Y0 X1 X0 X1 Y0 4 置位复位指令 SET RST 5 边沿检测脉冲指令 LDP LDF X0 X1 Y0 Y1 0LDPX0OUTY0LDFX15OUTY1 X0 Y0 1个扫描周期 X1 Y1 1个扫描周期 6 空操作指令NOP 使该步为空操作 若在程序中写入NOP指令 可使变更和增加程序时 步序号变更最小 但需注意 若将程序中的LD LDI ANB ORB等指令改为NOP指令 会引起电路结构的重大变化 如图所示 因此 NOP指令的使用应慎重 7 结束指令END 程序结束时写入END指令 调试程序时 若在每个程序块的末尾写上END指令 检查每一个程序块的运行情况时就可以减少调试时间 检查完毕后 再将各个END指令删去 1 延时电路在FX型PLC定时器有三种标准时钟脉冲 周期分别为0 01s 0 1s 1s 可用于时间延时控制 请看下面几个例子 例1 是最简单的延时电路 当X0为ON时 启动定时器 经过30 0 1 3秒之后 Y0得电 0LDX01OUTT0K304LDTO5OUTY0语句指令表 第三节 PLC的基本电路 例2 利用两个定时器组合以实现长延时 当X0为ON 启动定时器T0 10 0 1 1S后 T0触点接通 启动定时器T1 20 0 1 2S后 T1触点接通 Y0得电 0LDX01OUTT0K104LDTO5OUTT1K208LDT19OUTY0语句指令表 2 置位复位电路 LDX1SETY0使Y0得电LDX2RSTY0使Y0失电语句指令表 3 自锁电路自锁电路在梯形图中的应用极其广泛 自锁电路的最主要的特点就是具有 记忆 功能 LDX1梯级开始 表示动合触点 X1接至左母线ORY0或运算 并联自锁触点 Y0ANIX2与运算 串连 表示动断触点 X2OUTY0输出 梯级结束语句指令表 4 限时电路 0LDX01OUTT0K10LDT0OUTT1K10ANIT1OUTY0 梯形图 语句指令表 第三章PLC的编程软件 一 程序编制环境及功能1 进入程序编制环境当在计算机中安装好编程软件后 在计算机的开始菜单中选 程序 找MELSOFT 选GXDeveloper启动项就可以进入GXDeveloper程序编制环境 二 梯形图程序建立及编辑操作1 建立梯形图程序文件先进入GXDeveloper程序主界面 通过单击 工程 菜单中的 创建新工程 N 或者按下快捷键Control N 或者单击标准工具条中的图标 就出现如图2所示的创建新工程对话框 在下拉菜单中选择合适的PLC系列 选择合适的PLC类型 然后 选择程序类型 设置工程名和工程标题 最后按确定 则可进入梯形图编程编环境 图2创建新工程对话框 2 打开梯形图程序文件进入GXDeveloper程序主界面 通过单击 工程 菜单中的 打开工程 O 或者按下快捷键Control O 或者单击标准工具条中的图标 就出现打开工程对话框 3 读取梯形图程序文件将程序从PLC传输到计算机 上载或者读取 可以通过 在线 O 菜单中的 PLC读取 R 菜单项来完成 或者 在没有打开PLC工程文件的情况下 用鼠标点击单击标准工具条中的图标 就出现PLC读取对话框 与PLC的写入类似 下面一起讲解 4 读取其他格式的梯形图程序文件在 工程 F 菜单中选择 读取其他格式的文件 I 再选择相应的文件格式读入PLC程序 5 梯形图程序输入梯形图程序的输入 可以用梯形图标记工具条中的图标按钮来输入 或用 编辑 E 菜单中的 梯形图标记 S 子菜单来输入 6 梯形图程序编辑梯形图程序编辑 可以使用主菜单上的 查找 替换 S 和 编辑 E 菜单或者梯形图写入状态下的鼠标右键菜单来完成 编辑梯形图程序时 要处于梯形图写入模式 在 编辑 E 菜单中