PLC(AB)基础.ppt

三 PLC基础 PLC控制系统的产生和定义PLC控制系统的组成PLC控制系统的工作原理PLC控制系统的编程 PLC控制系统的产生和定义 1 PLC控制系统的产生 70年代以前的控制系统继电器控制系统 将继电器 定时器 接触器 按一定的逻辑关系连接起来 组成控制系统 PLC控制系统的产生和定义 2 继电器控制系统的优缺点 优点 结构简单 容易掌握 价格便宜适用于工作模式固定 工作方式简单的场合缺点 对大系统 设计连线复杂 控制柜庞大 故障点多 维修困难 通用性 灵活性差 不支持网络通讯 PLC控制系统的产生和定义 3 用户对控制系统的要求 现场可修改控制逻辑 编程 维修方便 采用模块化结构 即插件式可靠性高体积小方便系统的升级和扩展可以存储用户程序具有数据通讯功能 PLC控制系统的产生和定义 4 美国于60年代末期研制成功世界上第一台可编程序控制器 PLC ProgrammableLogicController 用以替代继电接触器控制 其主要功能是执行 继电器逻辑计时计数等 PLC控制系统的产生和定义 5 国际电工委员会 IEC 对可编程序控制器的定义 1987年2月 是一种数字运算的电子系统 专为在工业环境下应用而设计 它采用可编程序的存储器 用来在内部存储执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算数运算等操作的指令 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连成一个整体 易于扩充功能的原则设计 PLC控制系统的产生和定义 6 PLC发展阶段第一代 60 70年代中期 为满足工业自动化取代继电器控制盘而设计开发 采用集成电路 提高了抗干扰性 提出了梯形图语言 第二代 70年代中期 80年代后期 采用微处理器作为中央处理单元 增加了运算 通信 诊断 新型I O 特殊功能模块 第三代 90年代 现在 为适应柔性制造系统 FMS 的发展而设计 重视软件 重视网络通信 强调高速 高功能和开放性 下一代 体积更小 编程更方便 网络功能更强 PLC控制系统的产生和定义 7 世界第一台PLC 美国数字设备公司 DEC 1969 1971年日本生产出第一台可编程控制器1973年西欧生产出第一台可编程控制器美国RockwellAutomation的A B德国西门子法国施耐德美国GE日本三菱和欧姆龙 OMROM PLC的技术特点 PLC技术特点高可靠性输入输出采用光电隔离输入采用R C滤波采用屏蔽措施采用性能优良的开关电源和器件具有自诊断功能大型PLC采用双重或多重系统冗余平均故障间隔时间达到几十万小时 称无故障设备 丰富的I O接口可针对不同的工业现场信号 交直流 开关和模拟 电压和电流 脉冲和电平 强电和弱电等 和不同的输出控制设备 如按钮 开关 变送器 电磁线圈 电机启动器 控制阀等 采用模块化结构PLC各个部件都采用模块化结构 如CPU 电源 I O 通信和特殊功能模块编程简单易学安装简单 维修方便不需要专用机房模块均设有故障指示有些模块可以带电插拔系统配置灵活方便可组成网络化控制系统速度越来越快 体积成本越来越小缺点 标准化程度不够 各个公司产品不兼容 PLC应用范围 逻辑控制定时控制计数控制顺序控制PID控制数据处理通信和联网其它特殊功能控制 定位 CRT控制 PLC控制系统的组成 电源模块 编程设备 PLC控制系统的基本组成 1 机架 电源 PLC控制系统的基本组成 2 CPU模块 可编程序控制器的核心 由微处理器和存储器组成微处理器 1 系统自检和初始化2 接收来自编程设备的用户程序和数据3 对设备的状态和用户程序进行诊断4 运行用户程序5 实现与外部设备的通讯一般用处理器的处理速度和I O能力来说明 PLC控制系统的基本组成 3 存储器 1 系统存储器 ROM FlashROM 用于存储 操作系统程序用户指令解释程序编译程序系统诊断程序通讯管理程序不可以修改2 用户存储器 RAM EPROM EEPROM 分为 用户程序存储器 存储用户程序用户数据存储器 存储运算数据 PLC控制系统的基本组成 4 输入 输出模块 PLC与现场设备连接的接口输入模块 用于接收和采集现场设备的输入信号 开关量输入模块 直流信号 24VDC 48VDCTTL信号5VDC交流信号 110VAC 220VAC模拟量输入模块 直流信号 4 20mA 0 5VDC PLC控制系统的基本组成 5 输出模块 用于向执行机构输出控制信号 开关量输出模块 直流信号 24VDC 48VDC交流信号 110VAC 220VAC触点信号 AC DC模拟量输出模块 直流信号 4 20mA 0 5VDC PLC控制系统的基本组成 6 特殊模块 智能模块 热电阻输入 Pt 铂电阻 热电偶输入 mV高速计数 脉冲输入 PI脉冲流量计称重注塑定位模块ASCII BASIC模块通讯模块 ModBus Profilbus PLC控制系统的基本组成 7 编程设备 用于输入 检查 修改 调试用户程序 在线监视PLC系统的工作状态 电源模块 将交流或直流电源转换成供PLC系统工作的电源 通过机架的基板供电 外挂式或机架内安装 PLC的主要性能指标 存储容量 包括程序存储器和数据存储器 1K 2M 数字量I O建立的文件 输入输出映象表模拟量I O建立的文件 块传送文件控制容量I O容量 通常以数字量 离散量 计算扫描周期处理器扫描时间 输入扫描 程序扫描 逻辑扫描 输出扫描 内务处理I O扫描时间 把输入数据从输入模块读入到输入映象表中的时间 把输出映象表的数据写到输出模块的时间指令功能及软件支持继电器指令 定时器和计数器指令 计算指令 数据转换指令 比较 数据传送 立即I O 程序控制 PID控制 顺序功能流程图编程软件 仿真软件网络及通信 IEC61131 3 IEC InternationalElectrotechnicalCommission 61131 3是IEC61131国际标准的第三部分 是第一个为工业自动化控制系统的软件设计提供标准化编程语言的国际标准 该国际标准的制定 是IEC工作组在合理地吸收 借鉴世界范围的各可编程序控制器 PLCs 厂家的技术 编程语言 方言等的基础之上 形成的一套新的国际编程语言标准 第一个国际认可的工业自动化编程语言和概念标准适用于PLCDCSHMI及FCS6个部分和1份勘误报告以及2个技术报告和1份修订结构 POU 程序组织单元 变量 数据类型和公共元素 PLCopen国际组织 1992年PLCopen成立 这是一个独立于制造商和产品的国际组织 总部位于荷兰 目前已有为数众多的PLC制造商 软件公司和研究院所是这个国际组织的成员 PLCopen专门致力于IEC61131标准的推广并取得了很大的成功 世界上著名的自动化设备制造商如西门子 罗克韦尔 ABB 施奈德 GE 三菱 富士等都推出了不同程度IEC61131 3兼容级的产品 WWW plcopen org IEC61131国际标准 IEC61131国际标准包括8部分 Part1 综述 Part2 硬件 Part3 可编程语言 Part4 用户导则 Part5 通信 Part6 现场总线通信 Part7 模糊控制编程 Part8 编程语言的实施方针 IEC61131国际标准 IEC61131 3是IEC61131中最重要 最具代表性的部分 IEC61131 3国际标准将是下一代PLC的基础 IEC61131 5是IEC61131的通信部分 通过IEC61131 5 可实现可编程序控制器与其它工业控制系统 如机器人 数控系统 现场总线等的通信 61131 3国际标准得到了包括有美国AB公司 德国西门子公司等世界知名大公司在内的众多厂家的共同推动和支持 它极大地改进了工业控制系统的编程软件质量及提高了软件开发效率 它定义的一系列图形化语言和文本语言 不仅对系统集成商和系统工程师的编程带来很大的方便 而且对最终用户同样会带来很大的方便 它在技术上的实现是高水平的 有足够的发展空间和可扩展性 应用领域 IEC61131 3标准最初主要用于可编程序控制器 PLCs 的编程系统 但它目前同样也适用于过程控制领域 分散型控制系统 基于控制系统的软逻辑 SCADA等 IEC61131 3国际标准因其具有的诸多优点 也正在受到越来越多的国内公司 厂商的重视和采用 采用IEC61131 3国际标准的必要性 1 对系统 开放性 的要求2 传统PLC梯形图编程的缺点不同PLC产品的梯形图符号和编程变化很大有限的数据封装能力有限的程序可重用性不支持数据结构支持有限的对顺序操作功能编程程序执行的局限性 执行算术操作的局限性 采用IEC61131 3国际标准的优点 因采用一致的IEC61131 3国际标准编程 各个PLC厂家的编程系统都是统一的 因而 对用户来说具有如下优点 减少了人力资源 如培训 调试 维护和咨询的浪费高水平软件再使用性 它聚焦于解决控制中的问题减少了编程中的误解和错误适用于宽环境范围的编程技术 通用的工业控制连接来自不同程序 项目 公司 地区或国家的部件 IEC61131 3软件 符合IEC61131 3的软件系统是一个结构完美 可重复使用 可维护的工业控制系统软件 不但能被应用在PLC 可编程控制器 而且还能被应用在控制工业及制造过程的一切软件中 是一种先进的工业控制编程系统 应用PLC系统的直接数字控制系统 IEC61131 3标准的内容 IEC61131 3标准包括两部分 编程编程部分描述了两个重要模型 IEC软件模型通讯模型 公共元素公共元素定义了编程系统中需要的的数据类型 公共元素 公共元素描述了IEC61131 3五种编程语言 IEC软件模型及通讯模型中需用到的全部公共编程元素的变量和数据类型 给出了如何命名这些软件元素 声明变量 变量及数据类型的初始化等规则 是实现IEC61131 3编程系统不可缺少的有机组成部分 IEC软件模型和通信模型 IEC软件模型从理论上描述了如何将一个复杂的程序分解为若干个小的不同的可管理部分 并且在各个被分解部分之间有清晰的和规范的接口的方法 描述了一台PLC如何实现多个独立程序的同时装载 运行 描述了系统如何实现对程序执行的完全控制等 通讯模型同样从理论上描述了不同程序组织单元 POU ProgramOrganizationUnits 之间如何交换信息的方法 程序组织单元包括程序 功能块和功能 IEC软件模型 IEC软件模型 软件模型是一种分层结构 每一层隐藏了其下层的许多特征 IEC61131 3具有的这种分层结构 构成了IEC61131 3软件优越于传统的PLC软件的理论基础 是IEC61131 3软件先进性的体现 1 配置 资源 程序和任务2 功能块和功能3 变量和存取路径 配置 资源 程序和任务 在模型的最上层是软件 配置 它等同于一个PLC软件 在每一个配置中 有一个或多个 资源 资源 不仅为运行程序提供了一个支持系统 而且它反映了PLC的物理结构在程序和PLC物理I O通道之间提供了一个接口 一个IEC程序只有在装入 资源 后才能执行 程序可以用不同的IEC编程语言来编写 一个程序中的不同部分的执行通过 任务 来控制 IEC程序或功能块通常保持完全的待用状态 只有当是由一个特定的被配置的任务来周期性地执行或由一个特定的变量状态改变来触发执行的情况 IEC程序或功能块才会执行 功能块 功能块概念是IEC61131 3标准编程系统的一个重要的特征 任何功能块可以用其它的更小的更易管理的功能块来编程 这样就可以由许多的功能块创建一个有层次的结构合理的程序 IEC61131 3还允许程序设计人员利用现有的功能块和其它的软件元件生成新的功能块 功能 功能也是IEC61131 3标准中的一个重要概念 但在软件模型中未表现出来 它常常使人们与功能块混淆 功能是一些在程序执行过程中的软件元件 这些软件元件对一系列特定的输入值会产生相应的输出结果 如算术功能COS SIN 等 IEC61131 3标准中有大量的用于处理不同数据类型的功能 变量和存取路径 在配置 系统资源 程序 功能或功能块内 可以声明和使用局部变量 全局变量 直接变量局部变量是仅仅能在配置 资源 程序 功能或功能块内声明和存取的变量 全局变量在一个程序 或配置 内声明 它能被程序 配置 内的所有软件元件存取 直接变量是PLC程序的内存区直接用地址变量来表示的变量 存取路径提供了在不同的配置之间交换数据和信息的设备 每一配置内的变量可被其它远程配置存取 配置之间存取数据和信息可采用基于以太网的网络 现场总线或通过底板总线交换数据 通讯模型 根据不同的通讯要求 IEC61131标准规定了以下四种通讯模型 内部通讯 在程序 功能块和功能内部之间可以互相连接以形成一个网络 数据信息可以通过这个内部的网络进行通讯 局变量通讯 全局变量可以被用来在功能块与其它的程序组织单元之间交换数据信息 外部变量通讯 IEC61131的第五部分定义了一个通讯功能块家族来通过一个网络来交换数据 使用存取路径通讯 存取变量提供了一种方法用于从远程设备存取特定的变量 在IEC61131的第五部分的通讯功能块还能读写远程配置中的ACCESS变量 标准的编程语言 IEC61131 3国际标准的编程语言包括图形化语言梯形图 LD LadderDiagram 功能块图 FBD FunctionBlockDiagram 顺序功能流程图 SFC SequentialFunctionChart 文本化编程语言 指令表 IL InstructionList 结构化文本 ST StruturedText 结构化文本 是一种高级的文本语言 可以用来描述功能 功能块和程序的行为 还可以在顺序功能流程图中描述步 动作和转变的行为 结构化文本 ST 语言表面上与PASCAL语言很相似 但它是一个专门为工业控制应用开发的编程语言 具有很强的编程能力用于对变量赋值 回调功能和功能块 创建表达式 编写条件语句和迭代程序等 对于熟悉计算机高级语言开发的人员来说 结构化文本 ST 语言更是易学易用 易读易理解 特别是当用有实际意义的标识符 批注来注释时 更是这样 指令表 IEC61131 3的指令表 IL InstructionList 语言是一种低级语言 与汇编语言很相似 可以用来描述功能 功能块和程序的行为 还可以在顺序功能流程图中描动作和转变的行为 指令表语言能用于调用 如有条件和无条件地调用功能块和功能 还能执行赋值以及在区段内执行有条件或无条件的转移 指令表语言不但简单易学 而且非常容易实现 可不通过编译和连编就可以下载到PLC IEC61131 3的其它语言如功能块图 结构化文本等都可以转换为指令表语言 功能块图 功能块图用来描述功能 功能块和程序的行为特征 还可以在顺序功能流程图中描述步 动作和转变的行为特征 功能块图与电子线路图中的信号流图非常相似 在程序中 它可看作两个过程元素之间的信息流 功能块图普遍地应用在过程控制领域 功能块用矩形块来表示 每一功能块的左侧有不少于一个的输入端 在右侧有不少于一个的输出端 功能块的类型名称通常写在块内 但功能块实例的名称通常写在块的上部 功能块的输入输出名称写在块内的输入输出点的相应地方 梯形图 梯形图IEC61131 3的三种图形化编程语言种一种 它可被用来描功能 功能块和程序即程序组织单元 POU PorgrammOrgnizationUnit 的行为 以及顺序功能图 SFC SequentialFunctionCharts 中的行为和转移 顺序功能流程图 顺序功能流程图可以由步 有向连线和过渡的集合描述 PLC控制系统的基本工作原理 1 基本工作原理性PLC系统在上电并处于运行状态时 开始进行输入扫描输入扫描 将输入模块的当前状态读取到CPU的输入映象表中 以备程序扫描 上电及内部处理 输入扫描程序扫描输出扫描 诊断及出错处理 PLC控制系统的基本工作原理 2 程序扫描 CPU从第一条用户程序开始 根据输入映象表 及其他数据状态来确定对外部设备的控制 将控制信息送到输出映象表 输出扫描 将输出映象表的状态传送到输出模块 开设下一个扫描周期 两个扫描 PLC控制系统的基本工作原理 3 CPU模块 输入模块 外部设备 输出模块 外部设备 输入映象表 END START 输出映象表 输入扫描 输出扫描 程序扫描 PLC系统各部件之间的逻辑关系 PLC控制系统的编程 1 PLC控制器的编程方式PLC控制器的内存组织PLC控制系统的寻址方式PLC控制器的指令系统编程软件的使用编程举例 PLC控制系统的编程 2 PLC控制器的编程方式 梯形图编程 输入 条件 指令 输出指令 梯级 RUNG 梯形图程序的组成 指令 输入 输出指令梯级 由一组输入和一个输出指令组成程序 由多个不同的梯级组成 梯形图程序的工作原理 扫描特定梯级的输入指令 决定输出指令的动作 从左到右 从第一级程序扫描到最后一级 从上到下 PLC控制系统的编程 3 结构文本编程 结构文本程序的格式 采用类似BASIC高级语言的编程方法 比较容易完成复杂的算法 IF xxx THENYYYELSEZZZENDIF PLC控制系统的编程 4 顺序功能图 SFC 是一种顺序控制语言SFC程序的组成 初始化 结束句 转换条件 程序步 都是由梯形图或结构文本程序组成 SFC程序的工作原理特定时间执行特定的程序步并扫描相应的转换条件 当转换条件满足时 进入下一个程序步 直到结束句 PLC控制系统的编程 5 功能块图形编程 FBD 是一种图形化控制语言 程序是由各功能块按应用要求的方式相连接构成 常用于各控制单元间大数据流的应用 例如过程控制 在功能块图形编程中 各控制元素可以是标准元素也可以由用户自己编辑 可采用的工具是 梯形图结构文本VC PLC控制系统的编程 指令语句表IL instructionlist 指令格式指令 助记符 操作数操作数 标识符 寻址号指令功能分类基本功能指令 简单逻辑 基本I O操作 基本定时器和计数器增强功能指令 数据处理 程序控制 故障诊断 矩阵运算 PLC控制系统的编程 6 2 PLC控制器的内存组织PLC的内存由两个部分组成 系统存储区和用户存储区用户存储区分