可编程序控制器概序改.ppt

可编程序控制器 PLC 课程 廖国华中南大学信息学院自动化系 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 可编程序控制器 PLC ProgrammableLogicController 产生定义分类应用领域国内外状况发展趋势组成工作方式选择 ProgrammableLogicController 什么是PLC 著名品牌 PLC的发展 PLC系统设计 PLC 定义 分类 应用领域 ProgrammableLogicController 产生 1 PLC的产生及定义1 1PLC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 美国最大的汽车制造商 通用汽车公司 GM 原汽车生产线采用的是继电器控制系统 为了适应汽车型号不断更新的需要 实现小批量 多品种的生产需要 于1968年提出设想 希望能有一种新型的工业控制器 它能够尽可能减少重新设计和更换电气控制系统及接线 以降低成本 缩短周期 其设计思想 集继电器控制及计算机两者的优点 制定了十条技术指标 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 著名的GM10条 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 年美国数字设备公司 DEC 研制出世界第一台可编程控制器 并成功地应用在美国通用汽车公司 GM 的生产线上 但当时只能进行逻辑运算 故称为可编程逻辑控制器 简称PLC programmablelogiccontroller 70年代后期 随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展 使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域 真正成为一种电子计算机工业控制装置 故称为可编程控制器 简称PC programmablecontroller 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 但由于PC容易与个人计算机 personalcomputer 相混淆 故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写 1 2PLC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 PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来 所以它在数学处理 顺序控制方面具有一定优势 继电器在控制系统中主要起两种作用 a 逻辑运算 b 弱电控制强电 PLC是集自动控制技术 计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置 已跃居工业自动化三大支柱 PLC ROBOT CAD CAM 的首位 PLC发展到现在 其功能远远超出其定义的范围 早期的PLC仅有逻辑控制功能 用来取代传统的继电器控制 20世纪70年代中期微处理器技术应用在PLC中 使PLC不仅具有逻辑控制功能 还增加了算术运算 数据传送和数据处理等功能 20世纪80年代以后 随着微电子技术的迅速发展 16位和32位微处理器应用到PLC中 使PLC得到迅速发展 现在的PLC不仅控制功能强 同时可靠性高 功耗 体积小 成本降低 编程和故障检测更加灵活方便 而且具有通信和联网 数据处理和图像显示等功能 使PLC真正成为具有逻辑控制 过程控制 运动控制 数据处理 联网通信等多功能的主流工业控制器 2 PLC的分类 2 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 I O点数小于32为微型PLC I O点数在32 128为微小型PLC I O点数在128 256为小型PLC I O点数在256 2048为中型PLC I O点数大于2048为大型PLC I O点数在4000以上为超大型PLC 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 NEZA s7 200micrologix1000FX系列 OMRON的CPM2A系列 S7 300系列OMRON的C200H系列SLC500系列TE的PREMIUM系列 S7 400系列OMRON的CS1系列和CNM1系列SLC5 05系列MODICON的QUANTUM系列 2 PLC的分类 2 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击控制 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 2 3按输出形式分 1 继电器输出为有触点输出方式 适用于低频大功率直流或交流负载 2 晶体管输出为无触点输出方式 适用于高频小功率直流负载 3 晶闸管输出为无触点输出方式 适用于高速大功率交流负载 3 PLC的特点 PLC种类虽然千差万别 但有许多共同的特点 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 通用性好 可实现三电一体化多种功能模板 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 PLC将电控 逻辑控制 电仪 过程控制 和电结 运动控制 这三电集于一体 可以方便 灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统 可靠性高 平均无故障时间3 5万小时 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 简单方便 接线简单 一般直接连线 不需要用户再进行电路板的设计 语言方面 所有厂家PLC都支持梯形图 编程简单直观 模块化设计或者扩展模块的使用 简化了系统的形成 系统设计容易 开发周期短 程序易调试和修改 利用PLC的网络和通信技术易于实现复杂或分散的控制任务 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 能耗低 性价比高 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 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 4 PLC的应用领域 PLC在工业自动化中起着举足轻重的作用 在国内外已广泛应用于机械 冶金 石油 化工 轻工 纺织 电力 电子 食品 交通等行业 经验表明 80 以上的工业控制可以使用PLC来完成 在日本 凡8个以上中间继电器组成的控制系统都已采用PLC来取代 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 通讯联网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 6 CIMS应用 CIMS是英语ComputerIntegratedManufacturingSystem的缩写 意思是计算机集成制造系统 它是随着计算机辅助设计与制造的发展而产生的 它是在信息技术 自动化技术 制造技术与现代管理技术的基础上 通过计算机技术把分散在产品设计 制造过程中各种孤立的自动化子系统有机地集成起来 形成适用于多品种 小批量生产 实现整体效益的集成化和智能化制造系统 集成化反映了自动化的广度 它把系统的范围扩展到了市场预测 产品设计 加工制造 检验 销售及售后服务等的全过程 智能化则体现了自动化的深度 它不仅涉及物资流控制的传统体力劳动自动化 还包括信息流控制的脑力劳动的自动化 5 PLC控制系统的分类 5 1集中式控制系统集中式控制系统是用一个PLC控制一台或多个被控设备 主要用于输入 输出点数较少 各被控设备所处的位置比较近 且相互间的动作有一定联系的场合 其特点是控制结构简单 5 2远程式控制系统远程式控制系统是指控制单元远离控制现场 PLC通过通信电缆与被控设备进行信息传递 该系统一般用于被控设备十分分散 或工作环境比较恶劣的场合 其特点是需要采用远程通信模块 提高了系统的成本和复杂性 5 3分布式控制系统分布式控制系统即采用几台小型PLC分别独立控制某些被控设备 然后再用通信线将几台PLC连接起来 并用上位机进行管理 该系统多用于有多台被控设备的大型控制系统 其各被控设备之间有数据信息传送的场合 其特点是系统灵活性强 控制范围大 但需要增加用于通信的硬件和软件 系统的复杂性也更大 基于独一无二的LOGIX平台和开放的Netlinx 信息实现无缝路由 基于现场总线的智能化MCC解决方案 重庆方盛55MWFCB机组DCS系统 北京胜新纪元科技发展有限公司 重庆方盛电力有限责任公司1X55MWFCB机组DCS监控系统 DCS硬件系统配置图 锅炉配置12个I O站1012点 汽机配置7个I O站692点 电气和公用部分配置3个I O站360点 I O总配置2064点 方盛电厂控制室 发展趋势 ProgrammableLogicController 防火墙 国内外状况 品牌 6 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 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 2 欧洲PLC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 6 1三大流派 各有特色 1 美国PLC 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 3 日本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 韩国 台湾及国产PLC产品 所占市场份额小 不属于主流产品 我国在70年代末和80年代初随国外成套设备引进 开始PLC的研制 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 国内PLC生产厂家有30余家 但在目前上市的众多产品产品中 还没有形成规模化的生产和名牌的产品 从技术角度看 国内外的小型PLC差距正在缩小 微型PLC已经比较成熟 6 2国内市场现状从2004年度PLC市场研究报告表明 1 PLC为目前国内市场上的主流控制器 2004年PLC总需求高达31亿 但国产PLC不到整个市场份额的1 2 在市场份总量中 小型PLC 256点以下 的市场份额巨大 占据市场总额的64 3 中国以其制造业发展的迅猛及范围的的广泛为人所瞩目 使PLC在某些自动化领域增长超过20 中国的PLC市场在未来的5年内 以14 1 的综合年增长率增长 7 PLC的未来及发展趋势 7 1PLC的未来自动化市场的未来 PLC仍然处于一种核心的地位 在最近出现在美国 欧洲和国内有关探讨PLC发展的文献中 这个结论是众口一词的 在全球经济不景气的情况下 PLC的市场销售依然坚挺 虽然PC控制有了很大的进展 但只对PLC高端产品形成竞争 小型 超小型PLC的发展势头令人刮目相看 PLC和PC控制可能在今后互相融合 美国已经提出可编程自动化控制器 ProgrammableAutomationController PAC 的概念 7 2PLC的发展趋势 1 向小型化 专用化 低成本方向发展 向大容量 高速度方向发展 CPU处理速度nS级 内存2M字节 向多品种方向发展和高功能 超大型和超小型 产品更加规范化 标准化 硬件 软件兼容的PLC 模块化 加强联网和通信的能力 工业软件发展迅速 8 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 Allen Bradly Rockwell AEGSchneider 三菱电机 OMRON 立石电机 1996年中国PLC市场 工作方式 选择 ProgrammableLogicController 系统组成 主要由中央处理单元 输入接口 输出接口 通信接口等部分组成 其中 是 的核心 部件是连接现场设备与 之间的接口电路 通信接口用于与编程器和上位机连接 对于整体式 所有部件都装在同一机壳内 对于模块式 各功能部件独立封装 称为模块或模板 各模块通过总线连接 安装在机架或导轨上 不同厂商生产的不同系列产品在每个机架上可插放的模块数是不同的 一般为 块 可扩展的机架数也不同 一般为 个机架 基本机架与扩展机架之间的距离不宜太长 一般不超过 M 9 PLC系统组成及工作原理 9 1 系统组成 9 2PLC各组成部分 1 中央处理单元 通过输入装置读入外设的状态 由用户程序去处理 并根据处理结果通过输出装置去控制外设 一般的中型可编程控制器多为双微处理器系统 一个是字处理器 它是主处理器 由它处理字节操作指令 控制系统总线 内部计数器 内部定时器 监视扫描时间 统一管理编程接口 同时协调位处理器及输入输出 另一个为位处理器 也称布尔处理器 它是从处理器 它的主要作用是处理位操作指令和在机器操作系统的管理下实现 编程语言向机器语言转换 处理速度是指 执行 条基本指令所花费的时间 2 存储器存储器主要存放系统程序 用户程序及工作数据 所用的存储器基本上由 及 AM等组成 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 存储器 3 输入 输出部件 I 0单元 通过 接口可以检测被控对象或被控生产过程的各种参数 以这些现场数据作为 对被控对象进行控制的信息依据 同时 又通过 接口将处理结果送给被控设备或工业生产过程 以实现控制 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 为使PLC免受瞬间大电流而损坏 保护措施为 a 输入与输出公共端接熔断器 b 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 4 编程装置和编程软件 是以顺序执行存储器中的程序来完成其控制功能的 5 电源DC24V AC220V 6 其它扩展接口 通信接口 存储器卡等其它部件 PLC系统 PLC系统结构图 S7 300PLC S7 300PLC S7 300与ET200构成的分布式系统 S7 400PLC PLC外形图 PLC交流输入接口 PLC直流输入接口 PLC继电器输出接口 PLC晶体管输出接口 PLC晶闸管输出接口 标准编程器 通用编程器 9 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 PLC工作方式流程图 PLC工作原理图 输入采样阶段 程序执行阶段 输出刷新阶段 扫描周期 PLC扫描工作过程 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器件的接通和断开状态 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 9 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 程序的执行顺序 两图实现相同的功能 当IS1闭合时 1Y1 1Y2输出 系统上电之后 当1S1闭合时 继电器梯形图中的1Y1 1Y2会同时得电 若不考虑继电器触点的延时 则1Y1 1Y2会同时输出 但在PLC梯形图中 因为PLC的程序是顺序扫描执行的 PLC的指令按从上向下 从左向右的扫描顺序执行 整个PLC的程序不断循环往复 PLC的 软继电器 的动作顺序由PLC的扫描顺序和在梯形图中的位置决定 因此 当1S1闭合时 1Y1先输出而1Y2后输出 即继电器采用并行的执行方式 而PLC则采用串行的执行方式 传统的继电器的触点在线圈得电后动作时有一个微小的延时 并且常开和常闭触点的动作之间有一微小的时间差 而PLC中的继电器都为软继电器 不会有延时效应 当然 这里忽略了PLC的扫描时间 PLC中的软继电器每个继电器有无数个常开和常闭触点 PLC编程的基本原则每个梯形图网络由多个梯级组成 每个输出元素可构成一个梯级 每个梯级可由多个支路组成 梯形图每一行都是从左母线开始 而且输出线圈接在最右边 输入触点不能放在输出线圈的右边 输出线圈不能直接与左母线连接 多个的输出线圈可以并联输出 在一个程序中各输出处同一编号的输出线圈若使用两次称为 双线圈输出 双线圈输出容易引起误动作 禁止使用 梯形图中 外部输入 输出继电器 内部继电器 定时器 计数器等器件的触点可多次重复使用 梯形图中串联或并联的触点的个数没有限制 可无限次的使用 在用梯形图编程时 只有在一个梯级编制完整后才能继续后面的程序