可编程序控制器教案PPT课件.ppt

课程名称 可编程序控制器原理与应用 1 本课和本教科书的任务 本书 可编程序控制器原理与应用基础 本课是自动化专业的专业课 本书主要讲述可编程序控制器的基本概念 工作原理 指令语言 程序设计方法及应用实例 同时 简要介绍组态软件与PLC的通讯组态及编程方法 并以S7 200为例讲解STEP7编程环境 第1章可编程序控制器概论 本章内容包括 PLC的定义PLC的发展PLC的功能PLC的主要技术性能指标常用PLC简介及应用 1 1PLC概述 一 PLC的定义一般称为可编程序控制器 ProgrammableControler 简称PC 早期叫可编程序逻辑控制器 ProgrammableLogicControler 简称PLC 为了与个人计算机 PC 区别 现在仍将可编程序控制器称为PLC 它是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字式的电子装置 它使用可编程序的存储器来存储指令 并实现逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术运算功能 用来对各种机械或生产过程进行控制 为什么要加热 为什么温度不能高也不能低 怎么样实施控制 二 PLC的产生 早期的电气控制一般采用继电逻辑控制 其主要控制设备为 接触器 继电器 电磁铁 按钮 开关等组成 通过组合这些逻辑元件 控制触点的闭合与断开 实现顺序控制与逻辑控制的功能 属于有触点控制 优点 线路简单 容易实现 缺点 体积笨重 故障点多 可靠性低 一般金属铜片带银触点 寿命短 a 结构示意 b 图文符号 图1 1按钮 2 接触器 结构及工作原理接触器是利用电磁吸力的原理工作的 主要由电磁机构和触头系统组成 电磁机构通常包括吸引线圈 铁心和衔铁三部分 图1 2为接触器的结构示意图与图文符号 a 图中 1 2 3 4是静触点 5 6是动触点 7 8是吸引线圈 9 10分别是动 静铁心 11是弹簧 b 图中 1 2之间是常闭触点 3 4之间是常开触点 7 8之间是线圈 a 结构示意 b 图文符号 图1 2接触器 7 8得电 磁化9 10铁心 吸引衔铁 3 4闭合 7 8断电 衔铁在弹簧作用下 1 2闭合 所以 1 2常闭 继电逻辑控制电机单向旋转 三相笼型电动机单向旋转可用开关或接触器控制 图1 3为接触器控制电路 接触器控制电路图中 Q为开关 FU1 FU2为主电路与控制电路的熔断器 KM为接触器 KR为热继电器 SB1 SB2分别为启动按钮与停止按钮 M为笼型感应电动机 KR电动机过载保护 图1 3单向旋转 工作原理 SB1按下 SB2常闭 KM得电 触点闭合 电机上电启动 由于KM开关闭合 即使按钮抬起 电机照样转动 当SB2按下时 电源断开 电机停止 随着电子技术的发展 微计算机的出现 软件编程技术的提高 能否制造一种设备 通过软件编程实现继电逻辑控制功能 1968年 美国通用汽车公司为了改造汽车电气控制 面向全世界发出标书 研制新的工业控制器 1 用软件实现逻辑运算 顺序控制 定时 计数等功能 2 编程方便 可在现场修改和调试程序 3 维护方便 4 可靠性高 5 体积小 6 易于扩展等 共提出10项指标 1969年 美国的数字设备公司 DEC 中标 设计了世界上的第一台PLC PDP14 并用在汽车自动装配线上 最初只具备逻辑控制 定时 计数等功能 主要是用来取代继电接触器控制 无触点 现在所说的可编程序控制器PC ProgrammableController 是1980年以来 美 日 德等国由先前的可编程序逻辑控制器PLC进一步发展而来 1985年 国际电工委员会IEC对可编程序控制器作了如下规定 可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统 专为工业环境下应用而设计 也不是绝对 民用也在使用 如楼宇照明 供水等系统 三 PLC的发展 1 发展及现状四个阶段 初创阶段 70年代中期 硬件 中小规模集成电路 只有逻辑运算 计数 计时功能 功能扩展时期 70年代末期 硬数据的传输与比较 模拟量的运算等 通信功能发展时期 80年代中期 初步形成分布式通信网络系统 但比较封闭 西门子与DEC不能通信 中板生产 开放时期 80年代末期 通信协议标准化 系统软件标准化 CRT显示功能 高级语言算法 特殊功能摸板等 可以互通互联 早期自动化设备通信协议不同一 给企业带来困难 2 发展趋势 与DCS比较 1 与计算机联系密切 2 发展多样化 3 模块化 4 网络与通信能力增强 5 多样化与标准化 6 工业软件发展迅速 1 2PLC的功能与特点 一 功能逻辑控制功能定时与计数 如何对钢坯计数顺序控制 辊道电机顺序启停数据处理 数学运算等A D D A转换运动控制过程控制远程控制通信联网监控功能 三 特点1 运行稳定 可靠性高 抗干扰能力强 线路无触点 多层电路板设计 模块冗余 光电隔离 故障自诊断等措施 可适用于较恶劣的生产环境 高温 粉尘 振动 潮湿 钢板氧化铁皮除磷 2 功能强大 既可对开关量进行处理 也可对模拟量进行处理 既可实现逻辑运算 也可实现数据运算 既可实现顺序控制 也可实现闭环算法控制 包括高级过程控制等 3 编程语言直观易学 LAD STL FBD4 与网络技术结合紧密5 体积小 重量轻 功耗低 1 3分类与性能指标 1 从结构上可编程序控制器从结构上可分为整体式和模块式 2 从规模上按PLC的输入输出点数可分为 小型 128点以下 内存几K 中型 128 512 内存几十K 大型 512 896 几百K 超大型 896以上 1000K以上 考虑集散控制 集中于一台风险大 技术性能指标 这些在工程设计时都要考虑 1 外形尺寸 考虑安装 盘面布置等 2 输入输出点数 选型用 3 机器字长 系统运算精度 模拟量处理 8位 12位AD对100 分辨率不同 4 扫描速度 系统运算快慢 如CPU226处理 布尔逻辑每条指令0 37 S 移字操作每条指令34 S 字运算操作每条指令46 S 实数运算每条指令100 400 S 影响实时性 5 指令系统6 存储器容量7 模板种类及扩展性8 通信功能 1 4常用PLC及应用 1 工业应用1 开关量控制 如逻辑 定时 计数 顺序等 2 模拟量控制 部分PLC或功能模块具有PID控制功能 可实现过程控制 3 监控 用PLC可构成数据采集和处理的监控系统 4 建立工业网络 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 2 其他行业应用可编程序控制器在其他行业的应用也日益广泛 在国防和民用 如建筑 环保 家用电器等 常用PLC SIEMENSS5系列S5 95U S5 115U S5 135U S5 155USIEMENSS7系列S7 200 S7 300 S7 400ABPLCPLC 5 15 PLC 5 20 PLC 5 25 PLC 5 40 PLC 5 80OMRON系列C20 C200 C1000 C2000H 第二章可编程序控制器的工作原理 PLC专为工业场合设计 采用了典型的计算机结构 主要是由CPU 电源 存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成 图2 1为一典型PLC结构简图 图2 1结构简图 2 1结构 1 中央处理器CPU 中央处理单元 CPU 一般由控制器 运算器和寄存器组成 这些电路都集成在一个芯片上 CPU的主要功能 1 从存储器中读取指令 从地址总线得到地址 从控制总线给出读命令 从数据总线得到读出的指令 存入CPU的指令寄存器2 执行指令 对指令寄存器的指令进行译码 执行指令规定的操作 数据采集送输入映像寄存器 进行数据处理 逻辑 算术运算 更新标志 处理结果送输出映像寄存器 并送接口电路 3 处理中断 外部中断 内部中断 4 自诊断功能 电源 模板 内部电路的工作状态 2 2各部分的作用 2 存储器 存储器一般用来存放系统程序和用户程序 系统程序是指完成PLC各种控制功能的程序 只和硬件有关 不可更改 一般放在ROM中 用户程序一般是根据用户需要而编写的程序 一般放在RAM中 用户可更改 1 只读存储器 检查程序 PLC上电检查各部分是否正常 键盘输入程序 解释 执行用户从键盘上发出的命令 将用户输入的程序送到RAM中 编译程序 将PLC语言转换为机器码 监控程序 根据实际控制的需要调用相应内部程序 2 随机存储器RAM 存放用户程序和逻辑变量 3 存储器的保持 EEPROM 永久保存程序和数据 固化在存储器中 如程序机器码 生产工艺参数 模型参数等 加超级电容 储能元件 保持RAM数据不丢失 可保存几天 后备电池 当电容缺电后 加一块锂电池 可使数据保存3年以上 3 输入输出单元 1 输入接口电路 2 输出接口电路 通常PLC的输入类型可以是直流 交流和交直流 输入电路的电源可由外部供给 有的也可由PLC内部提供 图2 2为一种型号PLC的直流输入接口电路的电路图 采用的是外接电源 图2 2直流输入电路图 图2 2描述了一个输入点的接口电路 其输入电路的一次电路与二次电路用光耦合器相连 当行程开关闭合时 输入电路和一次电路接通 上面的发光管用于对外显示 同时光耦合器中的发光管使三极管导通 信号进入内部电路 此输入点对应的位由0变为1 即输入映像寄存器的对应位由0变为1 隔直 分压 图2 3交流输入电路图 4 电源 将220V交流变成24V的直流 选型时主要考虑输出电流 有的是与CPU集成在一起 有的是单独的电源模块 S7 200一般集成 S7 300 400单独 一般有1A 2A 3A 5A 10A 20A 不仅可为PLC模板提供电源 而且可为负载及传感器提供电源 值得注意的是若负载等均由电源板供电 就需要电源板的输出电流较大 发热严重 价格较高 一般采用电源箱及配电器供电 5 其它接口电路 I O扩展接口 扩展I O点数智能I O接口 位置闭环控制模块 高速计数模块 PID控制模块等 通信模块 如CP5611 CP5613等 A D D A模块 6 编程器 用来输入 修改 下装 上传 调试用户程序 监控PLC运行状况 调整内部寄存器的参数 编程器与PLC的连接方式 RS233 RS485 编程电缆PPI通信 通信卡MPI通信 通信卡PROFIBUS通信 通信卡注意 通信速率相差较大 PG760 PG740 PG720 2 3可编程序控制器工作原理 一 工作原理 1 循环扫描PLC采用循环扫描工作方式 这个工作过程一般包括五个阶段 内部处理 与编程器等的通信处理 输入扫描 用户程序执行 输出处理 其工作过程如图2 4所示 图2 4中当PLC方式开关置于RUN 运行 时 执行所有阶段 当方式开关置于STOP 停止 时 不执行后3个阶段 此时可进行通信处理 如对PLC联机或离线编程 图2 4工作原理图 可编程序控制器的输入处理 执行用户程序和输出处理过程的原理如图2 5所示 PLC执行输入 执行 通讯 自诊断 输出这五个阶段一次 称为一个扫描周期 PLC完成一个周期后 又重新执行上述过程 扫描周而复始地进行 图2 5程序执行原理图 二 输入 输出映像寄存器 1 输入映像寄存器存储对应位输入 继电器 的通断状态 高电平 1 为通 0 为断 只能被PLCCPU读 而不能被修改 如开关量输入I0 0 I0 7 I1 0 I1 7等 2 输出映像寄存器存储对应位输出 寄存