电动机的PLC控制.ppt

第十章电动机的PLC控制第一节概述 一 可编程序控制器的产生上世纪六十年代末 美国汽车制造业 竞争十分激烈 各生产厂家汽车型号不断翻新 生产线由继电器控制装置来控制 不仅体积大 耗能 可靠性差 而且随生产线的变化 整个控制系统必须重新设计 美国通用汽车公司在1968年提出开发新型控制系统的设想 对控制装置提出控制程序易编易改 采用模块结构 输入输出采用115V交流电 美国标准 并能直接驱动继电器 电磁阀 具有信息收集和处理功能 耐恶劣的工业环境 体积要小 价格便宜等要求 美国DEC 数字设备公司 根据这些要求 研制出第一台可编程序控制器 功能上只有逻辑计算 计时 计数及顺序控制等 且只能进行开关量控制 被称为可编程序逻辑控制器ProgrammableLogicController 简称PLC 随着 微处理器和微型计算机问世20世纪70年代中期 人们将微机技术应用到PLC中 使它更多的发挥计算机功能 并具有数字运算和数据通信功能 1980年正式命名为ProgrammableController 简称PC 该名称易于和PersonalComputer混淆 业内倾向仍使用PLC简称 二 可编程序控制器的特点1 具有高度可靠性 适应各种应用环境微机虽然具有很强的功能 但是抗干扰能力差 工业现场的电磁干扰 电源波动 机械振动和温度的变化 都可能使一般的通用微机不能正常的工作 PLC是专为工业生产而设计的 采用了诸如屏蔽 隔离 滤波 联锁等安全措施 有效地抑制了外部干扰 可在恶劣的工业环境中可靠地工作 单块模板平均无故障工作时间高达上百万小时 组成系统后平均平均无故障时间可达5年 2 使用灵活 通用性强PLC用程序代替布线逻辑 生产工艺流程改变或调整控制方案时 不必改变硬件设备 只需用编程器在线和离线修改程序就可满足要求 控制内容的变化只取决于程序的改变 采用模块式PLC 可根据控制对象的复杂程度 像搭积木那样按点数扩充控制系统规模和增减其功能 满足各种应用场合的需要 3 功能完善 适应性强具有数字和模拟量输入 输出 逻辑运算和算术运算 定时 计数 顺序控制 自诊断 人 机对话 通讯连网 图形显示等功能 由于PLC已系列化 标准化和模块化 能方便灵活地组成大小不同 功能不同的控制系统 除了可以控制单机和生产线外 还可组成群控系统 既可以现场控制 也可以远程控制 适应能力非常强 几乎所有控制要求均能实现 4 编程直观 简单 易于掌握PLC也像计算机那样完全在程序控制下工作 但采用专门语言编程 指令少 语言简便 目前 大多数PLC都用 梯形图 编程语言 梯形图与继电器电气原理图相似 非常直观清晰 不懂计算机知识的操作人员 也可以很容易掌握和使用PLC 5 接口简单 功能强PLC不需要设计接口电路 可以很方便地与各种不同现场控制设备连接 易组成实用 紧凑的控制系统 例如 输入接口可直接与各种开关量和传感器进行连接 输出接口可直接与各种继电器 接触器及电磁阀等直接相连 电源有110V 220V交流和5V 24V 48V直流等多种 负载能力从0 5A 2A 导通负载电流值可达6A 模拟电量的输入有 50mA 10mA和0 20mA 4 20mA等多种规格 使用方便 6 体积小 便于维修与传统继电器接触器控制系统相比 PLC的体积很小 一台收录机大小的PLC具有相当三个1 8m高继电接触器控制柜的功能 PLC具有完善的自诊断功能 输入 输出具有显示 在线监视的功能很强 调试 维修时可以很快地查找出故障 三 PLC的分类通常按以下两种情况分类1 按I O点数及存储器容量分输入 输出点数表明可以从外部接收多少个输入信号和向外部输出多少个输出信号 实际上就是PLC的输入和输出的端子数 PLC常用的用户存储器有两种 随机存储器 RAM 和可擦除的可编程的只读存储器 EPROM 用户程序常用RAM存储 为了防止掉电时程序数据丢失 用高效锂电池作为RAM的备用电源 程序调试完毕 需要永久保存程序时 将程序写入到EPROM中 使PLC长期按该程序工作 按I O点数和按存储器容量可分为三种 1 小型输入 输出点数在128点以下 用户存储器容量在2KB以下 小型PLC适用于开关量控制场合 具有逻辑运算 计数 计时等功能 可以实现条件控制 定时 计数控制和顺序控制 2 中型输入 输出点数在265 1024点之间 用户程序存储器容量在2 8KB 中型PLC除具有上述逻辑运算功能外 还有模拟量输入 输出 数据传送 数据通讯等功能 这种PLC多采用模块式结构 用户可根据控制要求增加I O点数 它除了有I O模块外 还有模拟量模块 故可以完成即有开关量又有模拟量复杂的工业生产过程的自动控制 3 大型输入 输出点数在1024点以上 最多可达8192点 用户程序存储器容量在8KB或8KB以上 它有丰富的I O模块 适应各种控制要求 除了能用梯形图编程外 还可用BASIC C等高级语言编程 具有数据运算 模拟调节 实时中断 过程监控 联网通讯 文件处理 远程控制 智能控制等 也可构成分布式控制系统或整个工厂的自动化网络 2 根据结构形式分按结构组合形式 可分为整体式和机架模块式两种 1 整体式 箱体式 将PLC的中央处理器单元 输入 输出部件安装在一块印刷电路板上 并连同电源一起装在一个标准机壳内 形成一个箱体 这种结构简单 体积小 重量轻 通过输入 输出端子与外部设备连接 一般小型PLC常采用这种结构 适用于单机自动控制 2 机架模块式把PLC的各个部分制成独立的标准尺寸的模块 主要有CPU模块 包括存储器 输入模块 输出模块 电源模块以及其他各种功能模块等 根据用户需要将各种模块直接插入机架底板的插座上即可 这种结构形式配置灵活 装配方便 便于扩展 用户根据控制要求灵活地配置各种模块 构成各种控制系统 一般大型 中型PLC采用 第二节PLC的基本组成和工作原理 PLC是一种以微处理器为核心的控制系统 从广义上讲 它是一台微型计算机 一台完整的PLC由硬件 软件两大部分组成 一 PLC的硬件包括基本组成部分 I O扩展部分和外部设备三部分 基本组成部分构成PLC的最小系统 包括中央处理器 CPU 存储器 输入 输出模块 供电电源等 1 中央处理器PLC的大脑 主要功能 1 编程时接收并存储从编程器输入的用户程序和数据 并能进行修改或更新 2 以扫描方式接收现场输入装置的信号和数据 并存入输入状态表 即输入继电器 和数据寄存器形成输入映像寄存器 3 从存储器中逐条读出用户程序 经解读用户逻辑 完成用户程序中规定的各种任务 更新输出映像寄存器的内容 4 根据输出锁存电路的有关内容实现输出控制 5 执行各种诊断程序目前 PLC中的CPU主要采用单片机 如Z80A 8051 8039 AMD2900等 小型PLC大多数采用8位单片机 中型PLC大多数采用16位或32位单片机 2 存储器PLC内部存储器用来存放PLC的系统程序 用户程序和各种逻辑变量及数据信息 存储器分为只读存储器 ROM 和随机存储器 RAM 两大类 ROM的内容在使用时只能读出不能写入 写入需要使用特殊的方法和设备 一旦写入即使掉电也不会消失 称为固化 ROM主要存放监控程序及已调试好的用户程序 RAM的内容可以随时由CPU对它进行读取 写入 任意修改 但掉电后 信息丢失 用户程序在设计和调试过程中要经常进行读写操作 为便于调试 修改 扩充 完善 用户程序一般使用RAM存储 RAM中的内容在掉电后要消失 PLC对RAM提供备用锂电池 一般锂电池使用期为3 5年左右 如果调试通过的用户程序要长期使用 可用专用EPROM写入器把程序固化在EPROM芯片中 再把芯片插入PLC的EPROM插座上 3 输入 输出模块是PLC与被控设备的连接部件 输入模块通过输入端子接收现场设备的控制信号 包括开关量和模拟量 如控制按钮 限位开关 传感器信号等 并把这些信号转换成CPU能处理的数字信号 输出模块则接收经中央处理单元处理后的数宇输出信号 并把它转换成被控设备能接收的电压或电流信号 以驱动被控装置 包括开关量和模拟量 如电磁阀 接触器 信号灯等 4 扩展接口PLC主机 基本单元 的点数不够用时 通过扩展I O接口连接扩展机 扩展单元 增加输入和输出点数 5 电源部件将外部提供的交流电转换成PLC内部正常工作所需的直流电 是主机的重要组成部分 6 外设PLC需要通过编程器输入 检查 修改 完善和调试程序 也需要它在线监控PLC的工作情况 编程器是PLC最主要的外围设备 其他外设有打印机 显示器 EPROM写入器和盒式磁带机等 二 PLC的软件包括系统软件和应用软件 1 系统软件亦称系统程序 由PLC生产厂家编制 用来管理 协调PLC的各部分工作 充分发挥硬件功能的程序 通常被固化在ROM中与PLC一起提供给用户 系统程序一般包括以下功能 1 初始化系统程序在PLC上电或复位时 首先对各模块进行登记 分配地址 做初始化 为系统的管理和运行做好准备 2 系统自诊断PLC在执行用户程序前 对CPU 存储器 电源 输入和输出模块进行故障诊断 若自诊断发现异常则转入处理程序 停机并显示故障代码 3 命令识别与处理系统程序不断地监视键盘 接收由键盘发给PLC的每一个操作命令并加以解释 然后按命令去完成相应的操作 并将结果显示给操作人员 4 用户程序编译用户程序送入PLC后 首先由系统编译程序对其进行编译 变成CPU可以识别执行的指令码程序后 才被存入用户程序存储器 同时还要对输入的用户程序进行语法检查 发现错误立即返回提示信号 5 模块子程序及调用管理有些厂家为方便用户编程 向用户提供了一些子程序模块 每个模块具有一定的功能和调用条件 用户需要时只需按调用条件进行调用即可 不必另外编写 2 应用软件应用软件也称为应用程序 同一厂家生产的同一型号PLC其系统软件是相同的 但用户用以控制的对象和解决问题不同 所编制的应用程序是不同的 所谓对PLC程序编制 指的是PLC应用程序编制 三 可编程序控制器的基本工作原理1 可编程序控制器的等效电路PLC虽然采用了计算机技术 但其工作酷似一个继电器系统 只是组成PLC的继电器 定时器和计数器等器件是用编程的方法实现的软继电器 PLC的等效电路可分为三个部分 输入部分 内部控制电路和输出部分 1 输入部分作用是收集被控设备的信息的操作命令 由外部输入信号 如按钮 行程开关 传感器等信号 PLC输入接线端于和输入继电器组成 输入接线端子是PLC与外部输入信号的连接端口 一个输入端子对应一个输入继电器 输入继电器由输入端的外部信号来驱动 输入回路的电源可以由PLC电源组件提供直流24V 或110V 48V 电压 也可以采用独立的外部交流电源220V 或110V 供电 输入继电器可以提供任意个动合触点 常开触点 和动断触点 常闭触点 供PLC内部控制电路 即编程时 使用 2 内部控制电路作用是根据用户规定的逻辑关系 对输入信号和输出信号的状态进行运算 处理和判断 得到相应的输出 这部分由用户根据控制要求编制的程序组成 用户程序通常用梯形图来表示 梯形图类似继电接触器控制电路的电气原理图 只是梯形图中的器件及它们的触点用编程软件实现的 虚拟的 没有实际连线 两者元件符号不同 PLC内部控制电路中有定时器 TIM 计数器 CNT 辅助继电器等器件 它们及它们的许多动合 动断触点都是用编程软件实现的 只能在内部控制电路中使用 不能驱动外部负载 3 输出部分由输出继电器的一个外部动合触点 输出接线端子和外部电路组成 作用是驱动外部负载 PLC内部有多个输出继电器 每个输出继电器有无限个动合触点和动断触点供内部控制电路使用 还为输出电路提供了一个动合触点 以驱动需要操作的外部负载 外部负载的驱动电源由外部电源提供 外部电源一端接在PLC的公共点COM上 另一端通过负载接在输出继电器输出端子上 以最简单的三相异步电动机起动 停止控制电路为例 说明PLC构成控制系统的基本原理 按下起动按钮SB1 接触器KM的线圈得电 主触点闭合 电动机旋转 辅助触点闭合 使接触器自保持 按下停止按钮SB2 接触器线圈失电 电动机停止 用PLC组成异步电动机起停控制的输入 输出简图和梯形图如后 主电路不变 PLC的输入端0002接起动按钮SB1 0004接停止按钮SB2 电源用内部24V直流电 在输出端0500接接触器线圈KM 输出公共端 COM 连接外接电源另一端 用编程器将梯形图程序输入PLC 就可以实现电动机的起停控制 按下SB1 通过输入端0002接通输入继电器0002 动合触点0002闭合 在内部电路中接通输出继电器0500 输出继电器0500的动合触点0500闭合 产生自保持 其另一个外部动合触点闭合 使接触器KM线圈得电 电动机起动 当按下停止按钮SB2时 输入继电器0004接通 内部控制电路中的动断触点004分断 输出继电器0500线圈失电 电机停止旋转 继电器控制是将各种电气元件和触点以固定接线的方式来实现控制要求的 PLC是将控制要求以程序的形式 软件编程 存储在其内部 程序内容就相当于继电器控制线路的各个线圈 触点和接线 需要改变控制要求时 只需要用编程器改程序 不用改变接线 大大增加了控制的通用性和灵活性 2 PLC的工作方式中 低档PLC大多数采用循环扫描的工作方式 扫描周期应小于输出继电器的动作时间 一般扫描周期约为20 40ms 大型PLC增加了中断工作方式 PLC执行程序的工作过程 分为输入采样 程序执行 输出刷新三个阶段 1 输入采样PLC开始工作时 微处理器首先扫描输入点 将输入点的状态 接通为 l 断开为 0 读入输入映像寄存器中储存 这一过程称为输入采样阶段 2 用户程序执行程序执行阶段 一般从用户程序存储器的最低的地址 0000 存放的第一条指令开始 按地址递增的方向顺序扫描 从上至下 由左至右 分别从输入映像寄存器和输出映像寄存器中获取所需数据进行逻辑处理和算术运算 再将运算的结果写入输出映像寄存器中保存 3 输出处理阶段程序执行阶段开始 每一步所得到的输出信号被送到输出映像寄存器中 但并没有送到输出锁存电路 相当于输出信号被输出门阻隔 全部程序执行完后 输出映像寄存器中的内容送到输出锁存电路 再去驱动用户输出设备 才是PLC的真正输出控制 PLC经过这三个阶段的工作过程 称为一个扫描周期 然后 再从头开始扫描 周而复始的进行工作 实现对生产过程的连续控制 PLC工作过程是采用集中采样和集中输出 即PLC工作在程序执行阶段或输出阶段时 输入映像寄存器与外界隔离 即使外部输入发生变化 它的输入寄存器内容也不会变化 直到下一个扫描周期的输入采样阶段输入扫描 即经过一个扫描周期才集中采样写入输入端新的内容 故输入的变化 只能在每次扫描周期中的输入采样阶段被读入 暂存在输出映像寄存器中的输出信号 要等到一个扫描周期结束后 输出映像寄存器的内容才集中送至输出锁存电路 实现对执行机构的控制 输入 输出状态的保持为一个扫描周期 PLC与继电控制的主要区别之一是工作方式不同 继电接触器控制是按 并行 方式工作的 只要形成电流通路 可以同时有几个电路动作 而PLC是以扫描方式工作的 它不断循环地顺序逐条执行程序 任何一时刻它只能执行一条指令 PLC的这种串行工作方式可避免继电接触器控制的触点竞争和时序失配问题 PLC循环周期中的输入采样 输出处理阶段一般只需l 2ms 扫描时间主要取决于用户程序的长短 一般在几毫秒至几十毫秒之间 对一般的工业设备没有什么影响 在一般的继电控制系统中 从电流流入线圈 触点完成动作需要50ms左右的时间 因此 PLC的循环扫描工作方式在实际应用中其速度在多数情况下不成问题 循环扫描时间由PLC自动监控 超过了允许时间 会显示出错 并自动停止运行 给用户编制程序时带来了方便 避免因编程而发生不必要的故障损失 3 PLC的编程语言国内外厂家采用的编程语言不尽相同 但程序的表达方式通常采用梯形图 语句表 逻辑功能图及高级语言等几种形式 1 梯形图梯形图在形式上类似于继电器控制的电气原理图 仍沿用继电器的线圈 触点 串联与并联等术语和图形符号 梯形图由若于个阶梯组成 每个阶梯可由多个支路组成 支路最右边是各种编程器件的线圈 线圈的左边由各器件的接点组成 两侧的竖线类似继电控制线路的电源线 称为母线 右边的坚线可不画 梯形图简单 直观 易读 对于熟悉继电器表达方式的人来说 容易被接受 而不需要学习更多的计算机知识 梯形图在PLC中普遍采用 是应用最多的一种编程方式 2 指令语句表类似计算机的汇编语言 用助记符缩写符号进行编程 比计算机汇编语言简单 每条指令由三部分组成 地址 或序号 指令名称 功能 数据 继电器编号 定时及计数设定值 每条指令分别让PLC执行某一动作 各种PLC可以使用梯形图编程 也可以使用指令语句表编程 且梯形图和指令语句表可以相互转化 3 逻辑功能图基本沿用半导体逻辑电路的逻辑方块图来表达 一个控制系统的整体功能可分解成许多相对独立的功能块 每一种功能使用一个运算方块 其运算功能由方块内的符号决定 常用 与 或 非 三种逻辑关系表达控制逻辑 块与块之间可以顺序执行 也可以根据条件分别执行或者循环转移执行 把一个系统的各个动作按顺序逻辑关系用一个图来描述出来即为逻辑功能图 右图为三相异步电动机启 停控制的逻辑功能图 如果熟悉逻辑电路和具有逻辑代数基础 用这种方法编程方便 4 高级语言随着高档可编程序控制器的发展 PLC的功能越来越强 在许多的场合要涉及到数据处理功能 采用高级语言就更为方便了 如某些高档PLC采用BASIC PASCAL等计算机语言 各厂家生产的PLC使用不同的编程语言 最多的是梯形图和语句表 虽然厂家 型号不同的PLC表示方法不尽相同 其梯形图 指令有些差异 不能完全通用 但编程的原理和方法是一致的 在具体使用时应根据厂家提供的指令系统进行编程 第三节基本电路编程举例 1 起动 保持和停止电路按下起动按钮 输入继电器0005得电 其常开触点0005闭合 接通输出继电器0502 常开触点0502闭合 触点0005断开后 由0502触点闭合保持输出继电器0502得电 这就是自锁或自保持作用 按下停止按钮 输出继电器常闭触点0006分断 使输出继电器0502失电 2 单脉冲电路编制PLC程序时 经常需要单脉冲信号作为计数器 移位寄存器的复位 或作为系统的起动 停止信号 单脉冲信号往往在输入信号发生变化时产生 后图是利用单脉冲实现单按钮起停控制电路 第一次按下按钮SB1 输入继电器0002动合触点0002闭合 其上升沿 前沿积分DIFU13指令 用于在满足条件时产生一个扫描周期的脉冲 使辅助继电器l100得电一个扫描周期 动合触点1100闭合 计数器CNT10减1 当前值变为1 同时1100动合触点闭合使输出继电器0