PLC基础知识讲义(正)解析.ppt

厂区工务处刘常乐 可编程控制器基础讲座 可编程序控制器 PLC ProgrammableLogicController ProgrammableController PersonalComputer PLC 第二章可编程序控制器概述 2 1可编程序控制器的历史与发展 60年代继电接触控制系统 优点 简单易懂价格便宜 缺点 硬设备多接线复杂改变设计困难 一 可编程序控制器的历史 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在社会上公开招标 制造一种新型的工业控制装置 第2讲可编程序控制器概述 2 1可编程序控制器的历史与发展 一 可编程序控制器的历史 1 容易编程 2 采用模块式结构 3 成本可与继电器控制系统相竞争 4 具有数据通讯功能 5 输入输出电源使用市电 6 能在恶劣环境下工作 7 存储设备可扩充至4K个存储字节 8 系统扩展时原系统只需很小的改动 9 可靠性高于继电器控制系统 10 设备体积小于继电器控制柜 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 正式将其命名为可编程序控制器 ProgrammableController 简称PC 第二章可编程序控制器概述 2 1可编程序控制器的历史与发展 一 可编程序控制器的历史 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 二 可编程序控制器的发展 2 1可编程序控制器的历史与发展 1 PLC的国外状况 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 1 PLC的国外状况 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 1 PLC的国外状况 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 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 2 PLC的国内状况 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 2 PLC的国内状况 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 3 PLC的发展趋势 1 向高速度 大存储容量方向发展 CPU处理速度nS级 内存2M字节 2 向多品种方向发展和提高可靠性 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 分散型 智能型 与现场总线兼容的I 0 5 加强联网和通信的能力 6 控制的开放和模块化的体系结构OMAC openModularArchitectureforControl 4 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 4 PLC著名品牌 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 一 PLC的定义 国际电工委员会 IEC 于1982年11月和1985年1月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命令 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 2 2可编程序控制器的基本结构及特点 二 PLC的分类 1 按I O点数分类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点九在256 1024为中型PLC I O点数大于1024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 且划分界限不是固定不变的 2 2可编程序控制器的基本结构及特点 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 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 有的PLC将整体式和模块式结合起来 称为叠装式PLC 2 2可编程序控制器的基本结构及特点 二 PLC的分类 可靠性高 平均无故障时间3 5万小时 编程简单 通用性强 体积小 结构紧凑 安装 维护方便 2 2可编程序控制器的基本结构及特点 三 PLC的优点 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 2 2可编程序控制器的基本结构及特点 三 PLC的缺点 一 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 2 3可编程序控制器的应用领域和发展趋势 一 PLC的应用领域 2 3可编程序控制器的应用领域和发展趋势 1 向高速度 大存储容量方向发展 CPU处理速度nS级 内存2M字节 2 向多品种方向发展和提高可靠性 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 分散型 智能型 与现场总线兼容的I 0 5 加强联网和通信的能力 6 控制的开放和模块化的体系结构OMAC openModularArchitectureforControl 三菱PLC外形图 Q系列PLC FX2N系列PLC FX1N系列PLC FX1S系列PLC 欧姆龙PLC外形图 C200H系列PLC CPM1A CPM2A系列PLC PLC应用于步进电机控制 2 FX2N系列PLC外部结构 FX2N 64MR的主机外形图 采用继电器输出 输出侧左端4个点公用一个COM端 右边多输出点公用一个COM端 输出的COM比输入端要多 主要考虑负载电源种类较多 而输入电源的类型相对较少 对于晶体管输出其公用端子更多 端子为空端子 在外部配线工作中作中继端子使用 I O端子编号 PLC内部有许多具有不同功能的元件 实际上这些元件是由电子电路和存储器组成的 软元件是指PLC内部存储器的每一个存储单元 与PLC的监控程序 用户的应用程序合作 会产生或模拟出不同的功能 它不是物理意义上的实物器件 而是一定的存储单元与程序的结合产物 4 3软元件介绍 1 FX2N系列PLC编程元件分类和编号 编程元件的编号分为两个部分 第一部分代表继电器功能的字母 第二部分为数字 数字为该类器件的序号 1 输入继电器 X 输入继电器是PLC中用来专门存储系统输入信号的内部虚拟继电器 它又被称为输入的映像区 它可以有无数个动合触点和动断触点 在PLC编程中可以随意使用 这类继电器的状态不能用程序驱动 只能用输入信号驱动 输入接口的一个接线点对应一个输入继电器 FX系列PLC的输入继电器采用八进制编号 FX2N系列PLC带扩展时 输入继电器最多可达184点 其编号为X0 X7 X10 X17 X260 X267 2 FX2N系列PLC主要编程元件 2 输出继电器 Y 输出继电器是PLC中专门用来将运算结果信号经输出接口电路及输出端子送达并控制外部负载的虚拟继电器 它在PLC内部直接与输出接口电路相连 它有无数个动合触点与动断触点 这些动合与动断触点可在PLC编程时随意使用 外部信号无法直接驱动输出继电器 它只能用程序驱动 FX系列PLC的输出继电器采用八进制编号 FX2N系列PLC带扩展时 输出继电器最多可达184点 其编号为Y0 Y267 3 内部辅助继电器 M 辅助继电器按照其功能分成以下三类 a 通用辅助继电器M0 M499 500点 PLC内有很多通用辅助继电器 只能由程序驱动 每个辅助继电器也有无数对常开 常闭接点供编程使用 其作用相当于继电器控制线路中的中间继电器 辅助继电器的接点在PLC内部编程时可以任意使用 但它不能直接驱动负载 外部负载必须由输出继电器的输出接点来驱动 b 掉电保持辅助继电器M500 M1023 524点 掉电保持是指在PLC外部电源停电后 由机内电池为某些特殊工作单元供电 可以记忆它们在掉电前的状态 c 特殊辅助继电器M8000 M8255 256点 具有特殊功能的辅助继电器 只能利用其接点的特殊辅助继电器 线圈由PLC自动驱动 用户只可以利用其接点 例如 M8000为运行监控用 PLC运行时M8000接通 M8002为初始脉冲 在PLC开始运行的第一个扫描周期接通M8012为100mS时钟脉冲 M8013为1S时钟脉冲 可驱动线圈型特殊辅助继电器 用户激励线圈后 PLC作特定动作 例如 M8033为PLC停止时输出保持特殊辅助继电器 M8034为禁止全部输出特殊辅助继电器 M8039为定时扫描特殊辅助继电器 4 定时器定时器在PLC中相当于一个时间继电器 由设定值寄存器 当前值寄存器和定时器触点组成 在其当前值寄存器的值等于设定值寄存器的值时 定时器触点动作 定时器是对PLC内的1ms 10ms 100ms等不同规格时钟脉冲累计计时 当达到所定的设定值时 输出接点动作 定时器设定值可以直接用常数K或间接用数据寄存器D的内容作为设定值 定时器的定时时间为 T K 定时器的设定值 计时单位 例 T10 为100ms的定时器 设定值为10 则实际定时时间为 T 100 10 1000ms 定时器可以分为 常规定时器T0 T245100ms定时器 T0 T199 200点 计时范围 0 1 3276 7s 10ms定时器 T200 T245 46点 计时范围 0 01 327 67s 积算定时器T246 T2551ms积算定时器 T246 T249 四点 计时范围0 001s 32 767s 100ms积算定时器 T250 T255 6点 计时范围0 1s 3276 7s 常规定时器的动作过程 积算定时器的动作过程图 5 计数器计数器是PLC重要内部部件 它是在执行扫描操作时对内部元件X Y M S T C的信号进行计数 当计数达到设定值时 计数器触点动作 计数器的动合 动断触点可以无限使用 可编程控制器的计数器共有两种 内部信号计数器和外部高速计数器 内部信号计数器有分为两种 16位递加计数器和32位增减计数器 16位递加计数器 设定值1 32767 通用型 C0 C99 100点断电保持型 C100 C199 100点 32位增减计数器 设定值 2147483648 2147483647通用型 C200 C219 20点 断电保持型 C220 C234 15点 32位双向计数器是递加型还是递减型计数由特殊辅助继电器M8200 M8234设定 特殊辅助继电器接通时 置1 时 为递减计数 特殊辅助继电器断开 置0 时 为递加计数 设定值可直接用常数K或间接用数据寄存器D的内容 32位增减计数器工作图 间接设定时 要用器件号紧连在一起的两个数据寄存器 如图 用X14作为计数输入 驱动C200计数器线圈进行计数操作 当计数器的当前值由 4到 3 增大 时 其接点接通 置1 当计数器的当前值由 3到 4 减小 时 其接点断开 置0 六 状态寄存器 S 作用 用于编制顺序控制程序的状态标志 1 初始化用 S0 S9这10个状态寄存器作为步进程序中的初始状态用 2 通用 S10 S127这118个状态寄存器作为步进程序中的普通状态用 注 不使用步进指令时 状态寄存器也可当作辅助继电器使用 七 数据寄存器D 用来存储PLC进行输入输出处理 模拟量控制 位置量控制时的数据和参数 数据寄存器为16位 最高位是符号位 32位数据可用两个数据寄存器存储 1 通用数据寄存器 D0 D127通用数据寄存器在PLC由RUN STOP时 其数据全部清零 如果将特殊继电器M8033置1 则PLC由RUN STOP时 数据可以保持 2 保持数据寄存器 D128 D255保持数据寄存器只要不被改写 原有数据就不会丢失 不论电源接通与否 PLC运行与否 都不会改变寄存器的内容 3 特殊数据寄存器 D8000 D82554 文件寄存器 D1000 D2499 八 变址用寄存器 V Z是一种特殊用途的数据寄存器相当于微机中的变址寄存器 用于改变元件的编号 变址 九 常数 K H十进制常数用K表示 如常数123表示为K123十六进制常数则用H表示 如常数345表示为H159 十 指针 P I1 跳转用指针 P0 P63共64点它作为一种标号 用来指定跳转指令或子程序调用指令等分支指令的跳转目标 2 中断用指针 I00 I30 共4点作为中断程序的入口地址标号 4 4常用特殊辅助继电器特点 特殊辅助继电器是具有某项特定功能的辅助继电器 分类 触点利用型和线圈驱动型 1 触点型特殊辅助继电器 其线圈由PLC自动驱动 用户只可以利用其触点 2 线圈型特殊辅助继电器 由用户驱动线圈 PLC将作出特定动作 1 运行监视继电器 M8000 当PLC处于RUN时 其线圈一直得电M8001 当PLC处于STOP时 其线圈一直得电 2 初始化继电器 M8002 当PLC开始运行的第一个扫描周期其得电M8003 当PLC开始运行的第一个扫描周期其失电 对计数器 移位寄存器 状态寄存器等进行初始化 3 出错指示继电器 M8004 当PLC有错误时 其线圈得电M8005 当PLC锂电池电压下降至规定值时 其线圈得电 M8061 PLC硬件出错D8061 出错代码 M8064 参数出错D8064M8065 语法出错D8065M8066 电路出错D8066M8067 运算出错D8067M8068 当线圈得电 锁存错误运算结果4 时钟继电器 M8011 产生周期为10ms脉冲M8012 产生周期为100ms脉冲M8013 产生周期为1s脉冲M8014 产生周期为1min脉冲 5 标志继电器M8020 零标志 当运算结果为0时 其线圈得电 M8021 借位标志 减法运算的结果为负的最大值以下时 其线圈得电 M8022 进位标志 加法运算或移位操作的结果发生进位时 其线圈得电 6 PLC模式继电器M8034 禁止全部输出 当M8034线圈被接通时 则PLC的所有输出自动断开 M8039 恒定扫描周期方式 当M8039线圈被接通时 则PLC以恒定的扫描方式运行 恒定扫描周期值由D8039决定M8031 非保持型继电器 寄存器状态清除M8032 保持型继电器 寄存器状态清除M8033 RUN STOP时 输出保持RUN前状态M8035 强制运行 RUN 监视M8036 强制运行 RUN M8037 强制停止 STOP 第二节PLC的硬件设置 第三节PLC的软件设计 第四节PLC在机械手臂控制中的应用 可编程控制器的应用 第一节PLC控制系统设计的内容与步骤 本章小结 一 PLC控制系统设计的基本原则1 满足被控对象的控制要求考虑将来发展的需要 PLC选用功能较强的新产品 并留有适当的余量 2 系统安全 可靠3 尽可能简单 经济 使用与维修方便4 具有高的性能价格比 第一节PLC控制系统设计的内容与步骤 二 PLC控制系统设计步骤1 分析被控对象 提出控制要求 2 确定输入 输出设备 3 确定PLC的I O点数 选择PLC机型 4 分配I O点数 绘制PLC控制系统输入 输出端子接线图 5 程序设计 绘制工作循环图或状态转移图 1 初始化程序 2 控制程序 3 检测 故障诊断和显示等程序 4 保护和联锁程序 6 程序调试 先进行模拟调试 再进行现场联机调试 先进行局部 分段调试 再进行整体 系统调试 7 调试过程结束 整理技术资料 投入使用 第一节PLC控制系统设计的内容与步骤 PLC控制系统设计步骤流程图 PLC机型的选择I O点的数量和种类CPU的速度内存容量编程器打印机I O模块通讯接口模块通讯传输电缆 第二节PLC的硬件设置 一 PLC机型选择 结构形式 整体式 模块式 安装方式 集中式 远程I O式 分布式 功能要求 响应速度 系统可靠性 机型统一 输入器件 指连接到PLC输入接线端子用于产生输入信号的器件 分类 主令器件 检测器件 有源触点输入器件 无源触点输入器件 输入信号 模拟信号 数字信号 开关信号 二 PLCI O端口选择 按钮 选择开关 数字开关 行程开关 接近开关 光电开关 继电器触点 接触器辅助触点 行程开关 接近开关 光电开关 继电器触点 接触器辅助触点 行程开关 接近开关 光电开关 继电器触点 接触器辅助触点 压力传感器 温度传感器 数字开关 按钮 转换开关 形成开关 触点 输出器件 指连接到PLC输出接线端子用于执行程序运行结果的器件 分类 驱动负载 显示负载 输出端口 继电器输出 晶体管输出 晶闸管输出 接触器 继电器 电磁阀 二 PLCI O端口选择 指示灯 数字显示装置 电铃 蜂鸣器 交直流负载 直流负载 交流负载 I O点数的确定I O点数是衡量可编程控制器规模大小的依据 确定依据 将与PLC相连的全部输入 输出器件根据所需的电压 电流的大小和种类分别统计 考虑将来发展的需要再相应增加10 15 的余量 二 PLCI O端口选择 CPU的运行速度是指执行每一步用户程序的时间 对于以开关量为主的控制系统 不用考虑扫描速度 一般的PLC机型都可使用 对于以模拟量为主的控制系统 则需考虑扫描速度 必须选择合适CPU种类的PLC机型 三 CPU的速度 远程I O模块 输入 输出装置比较分散 工作现场远离控制站高速计数器模块 当PLC内部的高速计数器的最高计数频率不能满足要求时 可选择使用定位模块 在机械设备中 保证加工精度进行定位通信联网模块 PLC与PLC之间 或PLC与计算机之间的通信与联网模拟输入模块 输出模块 把流量 速度 压力 风力 张力等变换成数字量 及把数字量变换成模拟量 进行输入 输出 四 PLC模块的选择 PLC的外围设备主要是人 机对话装置 用于PLC的编程和监控 通过人 机对话装置可以进行编程 调试及显示图形报表 文件复制 报警等 PLC外围外围设备有编程器 打印机 EPROM写入器 显示器等 五 PLC外围设 我国优先选择220V的交流电源电压 特殊情况可选择24V直流电源供电 输入信号电源 一般利用PLC内部提供的直流24V电源 对于带有有源器件的接近开关可外接220V交流电源 提高稳定避免干扰 选用直流I O模块时 需要外设直流电源 六 电源电压的选择 PLC的软件设计指PLC控制系统中用户程序的设计 第三节PLC的软件设计 设计内容 控制流程图 梯形图 状态转移图 指令表 设计方法 翻译法 状态转移图法 逻辑设计法 状态转移图与梯形图 用PLC中软元件 代替原继电器 接触器控制线路图中的元器件 直接翻译成梯形图的方法 主要用于对旧设备 旧控制系统的技术改造 设计举例正反转时间控制 第三节PLC的软件设计 一 翻译法 一 翻译法 正反转 定时器 针对顺序控制方式或步进控制方式的程序设计 在程序设计时 首先将系统的工作过程分解成若干个连续的阶段 每一阶段称为 工步 或 状态 以工步 或状态 为单元 从工作过程开始 一步接着一步 一直到工作过程的最后一步结束 设计举例机械手控制 二 状态转移图 以布尔逻辑代数为理论基础 以逻辑变量 0 或 1 作为研究对象 以 与 或 非 三种基本逻辑运算为分析依据 对电气控制线路进行逻辑运算 把触点的 通 断 状态用逻辑变量 0 或 1 来表示 设计举例 与 逻辑关系 或 逻辑关系 与 或 非 逻辑关系 三 逻辑设计法 与 或 与 或 非 传统的自动控制系统由继电器 接触器控制组成 存在故障多 可靠性差 工作寿命短 不易检修等缺点 随着PLC的普及和完善 以及PLC本身所具有的高可靠性 易编程修改的特点 在自动控制系统中应用取得了良好的效果 如 MPS模块化自动生产加工系统智能群控电梯控制系统 第四节PLC在工业机械手臂中的应用 MPS生产加工系统 智能群控电梯 应用范例1 机械手臂控制 工件的补充使用人工控制 可直接将工件放在D点 LS0动作 控制说明 只要D点有工件 机械手臂即先下降 B缸动作 将工件抓取 C缸动作 后上升 B缸复位 再将工件