第一章+可编程序控制器概序.ppt

1 可编程序控制器 PLC 课程 2 教材 现代电气及可编程控制技术 主编 王永华出版社 北京航空航天大学出版社 参考教材 深入浅出西门子S7 200 出版社 北京航空航天大学出版社 参考教材 西门子S7 200用户手册 西门子公司编 3 可编程序控制器 PLC ProgrammableLogicController 4 一 PLC的产生和定义1 PLC的产生 PLC的历史20世纪20年代起至PLC问世之前 各种生产机械通常是由继电接触器控制系统 由各种继电器 定时器 接触器及其触点按一定的逻辑关系连接组成的控制系统 进行控制 其优点是 结构简单 容易掌握 价格低廉 使用面广 不足之处 设备体积大 可靠性差 动作速度慢 功能少 难于实现复杂控制 通用性较差 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 后被称之为GM10条 在社会上公开招标 制造一种新型的工业控制装置 5 1 编程方便 可现场修改程序 2 维修方便 采用插件式结构 3 可靠性高于继电器控制装置 4 体积小于继电器控制盘 5 数据可直接送入管理计算机 6 成本可与继电器控制盘竞争 7 输入为市电 8 输出为市电 容量要求在2A以上 可直接驱动接触器 9 扩展时原系统改变最小 10 用户存储器大于4KB GM10条 6 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 NEMA 正式将其命名为编程序控制器 ProgrammableController 简称PC 因与个人计算机 PersonalComputer 的简称混淆 习惯上仍把可编程控制器简称为PLC ProgrammableLogicController 第一台PLC 7 2 PLC的定义 因为PLC一直飞速发展 迄今为止还未有一个十分确切的定义 国际电工委员会 IEC 对PLC的定义颁发过多稿 于1982年11月颁发PLC标准草案第一稿 于1985年1月颁发PLC标准第二稿 于1987年2月颁发PLC标准第三稿 国际电工委员会 IEC 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联成一个整体 易于扩充功能的原则而设计 定义强调了两点 一是PLC直接应用于工业环境 具有很强的抗干扰能力 广泛的适应能力和应用范围 这是区别于微机控制系统的一个重要特征 二是它也是一种计算机 是为工业环境而设计的工业计算机 8 二 PLC的分类 1 按I O点数分类PLC可从外部接收多少个输入量和向外部输出多少个输出量小型机 含微型机 I O点小于128例如S7 200系列 有较强的通信功能和一定的模拟量处理能力 价格便宜 体积小 适合用于单机设备控制 点控制中型机I O点128 2048例如S7 300系列 有强大的联网和模拟量处理能力 适合用于复杂的多个设备或生产线的控制 线控制 大型机I O点大于2048S7 400系列 其信息处理能力和网络功能与工业计算机相当 可以组成集散控制系统 以上划分不包括模拟量I 0点数 且划分界限不是十分严格的 9 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 其优点低 结构紧凑 体积小 重量轻 价格低 容易装配在工业设备的内部 比较适合生产设备的单机控制 缺点 主机的I O点数固定 使用不够灵活 维修不方便 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 优点 PLC配置灵活 装配方便 易于扩展 缺点 结构复杂 各种插件比较多 造价也比较高 有的PLC将整体式和模块式结合起来 称为叠装式PLC 二 PLC的分类 10 三 PLC的特点 抗干扰能力强 可靠性高在硬件上 采用了隔离 屏蔽 滤波 接地等抗干扰措施 所用元件是精心挑选的并经筛选老化处理 在软件上 采用数字滤波等抗干扰技术和故障诊断措施 在工作方式上 采用了周期循环扫描方式 对输入或输出几乎同时进行处理 有效地提高了PLC的工作可靠性 在结构上 对耐热 防潮 防尘 抗振等都有精确考虑 控制系统结构简单 通用性强接线简单 一般直接连线 不需要用户再进行电路板的设计 控制要求及功能改变时只需修改程序 编程方便 易于使用梯形图与继电器原理图相似 形象直观 容易掌握 不需专门计算机知识 功能完善多种功能模板 适应各种信号的输入输出具有逻辑运算 算术运算 定时 计数 顺序控制 PID控制 排序查表函数运算 中断等功能 设计 施工调试的周期短设计和施工可同时进行 使用软件编程取代硬接线实现控制功能 大大减轻了繁重的安装接线工作 体积小 维护操作方便体积小 质量轻 便于安装 诊断功能强 便于直观监视系统的I O状态 通讯状态 电源和故障状态 11 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 三 PLC的特点 12 四 PLC的应用领域 1 顺序控制应用最广也最适合PLC的领域 用来取代传统的继电器顺序控制 用在单机控制 多机群控 生产自动线控制等 如装配生长线 电镀流水线 电梯控制等 2 运动控制具有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块 能把描述目标位置的数据送给模块 并输出移动一轴或数轴到目标位置 且轴移动时 位置控制模块能保持适当的速度和加速度 确保运动平滑 3 过程控制具有PID控制功能模块 用于过程控制 4 数据处理大部分PLC都具有不同程度的数据处理功能 如加 减 乘 除 乘方 开方等5 通讯为适应复杂的控制任务且节省资源 可采用单级网络或多级分布式控制系统 13 五 PLC的国内外状况 1969年美国研制出世界上第一台PLC以后 日本 德国 法国等国相继研制了各自的PLC 70年代中期 PLC进入了实用化阶段 70年代末和80年代初 PLC进入了成熟阶段 国外 美国PLC发展得最快 1984年有48家 生产150多种PLC 1987年有63家 生产243种PLC 1996年有70余家 生产近300种PLC 著名厂家有A B Allen Bradley 艾伦一布拉德利公司 MODICON莫迪康公司 GE FANUC公司 TI TexasInstrument 德州仪器公司 WESTHOUSEElectric西屋电气公司 IPM InternationalParallelMachines 国际并行机器公司等 欧洲PLC的厂家有60余家 西门子 Siemens 于1973年研制出第一台PLC 金钟默勒 KlocknerMoellerGmbh AEG 法国的TE Telemecanique 施耐德 瑞士的Selectron公司等 14 五 PLC的国内外状况 日本生产PLC的厂家有40余家 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 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 15 五 PLC的国内外状况 国内 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 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 16 六 PLC著名品牌 1993年中国PLC市场排行榜上的世界十大厂家 美国A B公司 Allen Bradley 德国西门子公司 Siemens 美国GE Fanuc公司美国的莫迪康 Modicon 和法国的TE电器公司日本欧姆公司 OMRON 日本三菱电机株式会社 MITSUBISHI 日本富士电机株式会社 FujiElectric 日本东芝公司 TOSHIBA 日本的光洋电子 KOYO 和中国的华光电子 CKE 日本松下电工株式会社 MEW MatsushitaElectricWorksLtd 根据美国AutomationResearchCo ARC 的商情调查 在1994年PLC市场上 最大的5家PLC制造商是 SIEMENS 西门子 Allen Bradly RockwellAB罗克韦尔 AEGSchneider 施耐德 三菱电机 OMRON 立石电机 1996年中国PLC市场 17 七 PLC的发展趋势 1 向小型化 专用化 低成本方向发展2 向大容量 高速度方向发展CPU处理速度nS级 内存2M字节 3 向多品种方向发展和高功能超大型和超小型 3 产品更加规范化 标准化硬件 软件兼容的PLC 4 模块化5 加强联网和通信的能力6 工业软件发展迅速 18 PLC系统结构图 八 PLC系统组成及工作原理 19 中央处理单元 CPU CPU一般由控制器 运算器 寄存器组成 与常见的计算机一样CPU为PLC的核心 常用的CPU有 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等 存储器 RAM ROM PLC存储器分系统存储器和用户存储器两部分 系统存储器 系统管理程序 用户指令解释程序 标准程序模块与系统调用 用户存储器 用户程序存储区 功能存储区 数据 PLC存储器使用的存储器有 ROM RAM和EEPROM 输入 输出单元 I 0单元 输入 输出信号类型可以是开关量 模拟量 数字量 I 0单元 包含与被控设备相连的接口电路与I O映像寄存器 输入接口的输入类型 可以是直流 交流和交直流 输出接口电路的类型有 继电器输出型 晶体管输出型和晶闸管输出型 输出电流值一般为0 5 2A 其额定值与负载性质有关 电源DC24V AC220V编程器手持式 计算机扩展接口通讯接口其它部件EPROM写入器 存储器卡 1 PLC的组成 20 输入 输出单元保护 为使PLC免受瞬间大电流而损坏 保护措施为 1 输入与输出公共端接熔断器 2 采用保护电路 对交流感性负载 一般用阻容吸收电路 对直流感性负载 用续流二极管 21 PLC外形图 22 PLC交流输入接口 23 PLC直流输入接口 24 PLC继电器输出接口 25 PLC晶体管输出接口 26 PLC晶闸管输出接口 27 标准编程器 28 通用编程器 29 八 PLC系统组成及工作原理 2 工作方式PLC采用循环扫描的工作方式 这个过程可分为 内部处理 通信服务 输入处理 程序执行 输出处理几个阶段 整个过程扫描一次所需要的时间称为扫描周期 内部处理 CPU检测主机硬件 同时检查所有I O模块的状态 在RUN下 还检查用户程序存储器 如异常 则停机并显示出错 通信服务 自动检测并处理通信端口接收到的任何信息 检查是否有编程器 计算机等通信请求 若有则进行相应处理 输入扫描 对各数字量输入点的当前状态进行输入扫描 并将扫描结果分别写入对应的映像寄存器中 执行用户程序 用户程序按顺序存放 CPU从第一条指令开始顺序取指令并执行 直到最后一条指令结束 指令执行时从映象存储器中读取各输入点的状态经算术或逻辑运算 然后结果送到输出映象寄存器中 输出处理 CPU从输出映象寄存器中的数据几乎同时集中对输出点进行刷新 通过输出接口转化成被控设备所接受的电压或电流信号 以驱动被控设备 PLC方式开关处于RUN时 执行所有阶段 处于STOP时 只执行前2个阶段 此时PLC可联机或离线编程 30 PLC工作方式流程图 PLC工作原理图 PLC扫描工作过程 31 PLC工作方式 扫描周期的长短与CPU的运算速度 I O点数 用户程序的长短及编程情况有关 通常用PLC执行1KB指令所需的时间来说明其扫描速度 数量级为零点几微秒到上百微秒 对响应速度要求快的系统 在硬件选定之后 应尽量缩短和优化程序代码 输入输出处理原则输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上各输入点在上一刷新期间的接通和断开状态 程序执行结果取决于用户所编程序和输入 输出映像寄存器的内容及其它各元件映像寄存器内容 输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果 输出锁存器的数据 由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定 输出端子的接通和断开状态 由输出锁存器决定 32 3 编程语言 1 梯形图 所有厂商都支持LAD 它是一种图形化的面向控制过程的 自然语言 它沿用了继电器的触点 线圈 串并联等述语和图形符号 同时增加了一些继电器控制系统中没有的特殊符号 以便扩充PLC的控制功能 梯形图它继承了继电接触控制系统中的框架结构和逻辑关系 是最接近于继电接触系统中的电气控制原理图 它形象直观 易学 实用 为广大电气技术人员所熟悉 是应用最多一种编程语言 有的PLC有两根母线 大部分PLC只保留左边的母线 在LAD中 触点代表逻辑 输入 条件如开关 按纽 内部条件等 线圈通常代表逻辑 输出 结果 如灯 电机接触器 中间继电器等 对S7 200PLC来说 还有一种输出 盒 代表附加的指令 如定时器 计数器和功能指令等 33 S7 200LDI0 0OQ0 0ANI0 1 Q0 0 三菱F1LDX1ORY30ANIX2OUTY30 2 指令表或者语句