PLC电子教案(哈尔滨理工大学)[1].ppt

可编程序控制器电子教案 哈尔滨理工大学 第1章概述 1 1可编程序控制器的由来可编程序控制器 ProgrammableController 简称为PC可编程序逻辑控制器 ProgrammableLogicCntroller 简称为PLC 1968年 美国最大的汽车制造厂家 通用汽车公司 GM 提出了研制可编程序控制器的基本设想 即 1 能用于工业现场 2 能改变其控制 逻辑 而不需要变动组成它的元件和修改内部接线 3 出现故障时易于诊断和维修 1969年 美国数字设备公司 DEC 研制出了世界上第一台PLC 我国1974年研制 77年应用 1 2可编程序控制器的定义 特点 一 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 都应按易于使工业控制系统形成一个整体 易于扩充其功能的原则设计 二 特点1编程方法简单易学2功能强 性能价格比高3硬件配套齐全 用户使用方便 适应性强4可靠性高 抗干扰能力强5系统的设计 安装 调试工作量少6维修工作量小 维修方便7体积小 能耗低 1 3可编程序控制器的应用领域1 数字量逻辑控制2 运动控制3 闭环过程控制4 数据处理5 通信联网 1 4可编程序控制器的发展趋势 1 向高性能 高速度 大容量发展2 大力发展微型可编程序控制器3 大力开发智能型l O模块和分布式I O子系统4 基于个人计算机的编程软件取代手持式编程器5 可编程序控制器编程语言的标准化6 可编程序控制器通信的易用化和 傻瓜化 7 可编程序控制器的软件化与Pc化8 组态软件引发的七位计算机编程革命9 可编程序控制器与现场总线相结合 第2章可编程序控制器的硬件结构与工作原理 2 1可编程序控制器的基本结构2 1 1基本结构组成 CPU模块 输入模块 输出模块 编程装置 1CPU模块1 CPU芯片作用 在可编程序控制器控制系统中 CPU模块相当于人的大脑 它不断地采集输入信号 执行用户程序 刷新系统的输出 2 存储器 作用 存放系统程序 用户程序和数据 系统程序 决定PLC的基本智能 由厂家设计 并存入ROM EEPROM 用户不能修改 用户程序 根据要求 用PLC的编程语言 编制的程序 用户用编程器写入RAM或EEPROM 类型 1 随机存取存储器 RAM 用户可以用编程装置读出RAM中的内容 也可以将用户程序写入RAM 它是易失性的存储器 它的电源中断后 储存的信息将会丢失 2 只读存储器 ROM ROM的内容只能读出 不能写入 它是非易失的 它的电源消失后 仍能保存储存的内容 ROM一般用来存放可编程序控制器的系统程序 3 可电擦除可编程的只读存储器 EEPROM或E2PROM 它是非易失性的 但是可以用编程装置对它编程 兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点 但是将信息写入它所需的时间比RAM长得多 EEPROM用来存放用户程序和需长期保存的重要数据 2I 0模块作用 是系统的眼 耳 手 脚 是联系外部现场和CPU模块的桥梁 1 输入模块作用 接收和采集输入信号 输人电路 设有RC滤波电路和光电耦合器 2 输出模块作用 控制输出设备 执行装置 输出电路 晶体管和场效应管 双向晶闸管 小型继电器 3 编程装置作用 编程装置用来生成用户程序 并对它进行编辑 检查和修改 1 手持式编程器 不能直接输人和编辑梯形图 只能输入和编辑指令表程序 因此又叫做指令编程器 2 编程软件编程 在屏幕上直接生成和编辑梯形图 指令表 功能块图和顺序功能图程序 并可以实现不同编程语言的相互转换 4 电源可编程序控制器使用220V交流电源或24V直流电源 内部的开关电源为各模块提供DC5V 12V 24V等直流电源 2 1 2可编程序控制器的物理结构1整体式 S7 200 图2 2 2模块式 s7 300和s7 400系列 图2 3 2 1 3可编程序控制器的外部接线CPU222模块的外部接线图 见图2 6 2 2可编程序控制器的工作原理 2 2 1可编程序控制器的工作方式工作状态 STOP 创建和编辑用户程序 设置PLC的硬件功能 并可下栽到PLC RUN 执行用户程序实现控制功能 扫描工作方式 图2 9 2 2 2可编程序控制器的工作原理 1 读取输入2 执行用户程序3 通信处理4 自诊断测试5 修改输出6 中断程序的处理7 立即I O处理 2 2 3输人 输出滞后时间是指可编程序控制器的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔 几十毫秒 2 3S7 200系列可编程序控制器性能简介 2 3 1CPU模块S7 200有5种CPU模块 2 3 2数字量扩展模块当CPUI O点数不够时 必须使用扩展模块的I O点数2 3 3模拟量输入输出扩展模块模拟量扩展模块有3种 2 3 4热电偶 热电阻扩展模块EM231热电偶 热电阻模块 EM231热电偶模块 2 3 5PROFIBUS DP通信模块2 3 6STEP7 Micro WIN编程软件简介 2 4可编程序控制器的安装 2 4 1模块的安装与拆卸1 模块的安装与拆卸2 现场接线端子排与可拆卸的端子连接器 2 4 2本机I 0与扩展l O本机I O有固定的地址 扩展I 0点的地址由模块的类型和模块在同类I O模块链中的位置来决定 规则 1 同类型输入或输出点的模块进行顺序编址 2 数字量I 0模块的地址以字节 8位 为单位 未用的位不会分配给I 0链中的后续模块 3 模拟量扩展模块以2字节递增的方式来分配地址 CPU224的I 0地址分配举例 图2 12 第3章可编程序控制器程序设计基础 3 1可编程序控制器的编程语言与程序结构3 2存储器的数据类型与寻址方式3 3位逻辑指令3 4定时器与计数器指令 3 1 1可编程序控制器编程语言的国际标准1994年5月可编程序控制器标准 IECll31 组成 通用信息 设备与测试要求 编程语言 用户指南和通信 编程语言标准 IECll31 3 1 顺序功能图 SequentialFunctionChart 2 梯形图 LadderDiagram 3 功能块图 FunctionBlockDiagram 4 指令表 Inst ctionList 5 结构文本 structuredText 1顺序功能图 SFC 这是一种位于其他编程语言之上的图形语言 用来编制顺序控制程序 顺序功能图提供了一种组织程序的图形方法 在顺序功能图中可以用别的语言嵌套编程 步 转换和动作是顺序功能图中的三种主要元件 可以用顺序功能图来描述系统的功能 2梯形图 LAD 组成 由触点 线圈和用方框表示的功能块 图3 3 特点 1 沿用继电器这一名称 但不是真实继电器 而是软件中编程元件 2 假想的 能流 POWeYFlow 从左向右流动 3 逻辑解算 从左至右 从上至下 4 线圈放在最右边 触点可无限次使用 3功能块图 FBD 4语句表 STL 指令表程序 一种与微机的汇编语言中的指令相似的助记符表达式 5结构文本 sT 结构文本 sT 是为IECll31 3标准创建的一种专用的高级编程语言 与梯形图相比 它能实现复杂的数学运算 编写的程序非常简洁和紧凑 3 2存储器的数据类型与寻址方式 3 2 1数据在存储器中存取的方式1位 字节 字和双字位 bit 二进制数的1位只有O和1两种不同的取值 字节 Byte 8位二进制数组成1个字节 字 Word 两个字节 双字 DoubleWord 两个字 2数据的存取方式I3 2IB3 图3 5 VBl00VWl00VDl00 见图3 6 3 2 2不同存储区的寻址1输入映像寄存器 I 寻址输入映像寄存器的标识符为I I0 0 I15 7 在每个扫描周期的开始 CPU对输入点进行采样 并将采样值存于输入映像寄存器中 I O V M S SM L均可按位 字节 字和双字来存取 2输出映像寄存器 Q 寻址输出映像寄存器的标识符为Q QO O Q15 7 在扫描周期的末尾 CPU将输出映像寄存器的数据传送给输出模块 再由后者驱动外部负载 3变量存储器 v 寻址程序执行的过程中存放中间结果 或用来保存与工序或任务有关的其他数据 4位存储器 M 区寻址内部存储器标志位 MO 0 M31 7 用来保存控制继电器的中间操作状态或其他控制信息 5特殊存储器 SM 标志位寻址特殊存储器用于CPU与用户之间交换信息如SMO O SMO l SMO 4和SMO 5 6局部存储器 L 区寻址S7 200有64个字节的局部存储器 其中60个可以作为暂时存储器 或给子程序传递参数 7定时器存储器 T 区寻址S7 200有三种时基增量分别为1ms lOms和lOOms定时器 8计数器存储器 c 区寻址计数器用来累计其计数输入端脉冲电平由低到高的次数 CPU提供加计数器 减计数器和加减计数器 9顺序控制继电器 s 寻址顺序控制继电器 SCR 位用于组织机器的顺序操作 SCR提供控制程序的逻辑分段 10模拟量输入 AI 寻址S7 200将现实世界连续变化的模拟量 如温度 压力 电流 电压等 用A D转换器转换为1个字长 16位 的数字量 用区域标识符AI 数据长度 w 和字节的起始地址来表示模拟量输入的地址 11模拟量输出 AQ 寻址S7 200将1个字长的数字用D A转换器转换为现实世界的模拟量 用区域标识符AQ 数据妊度 w 和字节的起始地址来表示存储模拟量输出的地址 12累加器 AC 寻址累加器是可以像存储器那样使用的读 写单元 例如可以用它向子程序传递参数 或从子程序返回参数 以及用来存放计算的中间值 CPU提供了4个32位累加器 AC0 AC3 可以按字节 字和双字来存取累加器中的数据 13高速计数器 HC 寻址高速计数器用来累计比CPU的扫描速率更快的事件 其当前值和设定值为32位有符号整数 当前值为只读数据 14常数的表示方法与范围常数值可以是字节 字或双字 CPU以二进制方式存储常数 常数也可以用十进制 十六进制 ASCII码或浮点数形式来 3 2 3直接寻址与间接寻址 1直接寻址在指令中直接使用存储器或寄存器的元件名称和地址编号 直接查找数据 如VW790 VBl00 使用地址指针来存取存储器中的数据 使用前 首先将数据所在单元的内存地址放入地址指针寄存器中 然后根据此地址指针存取数据 建立指针只能用V L或ACl AC2和AC3作指针 例如 MOVD VB200 AC1MOVD C3 VD6MOVD MB4 LD8 2 用指针来存取数据 图3 7 3 修改指针例 MOVDAC1将指针增加两次 指向下一个字 INCDAC1MOVW AC1 AC0将AC1所指向的字的数值送AC0 3 3位逻辑指令 3 3 1触点指令1 标准触点指令LD Load装载 A And 与 和0 Or 或 2 堆栈的基本概念S7 200有1个9位的堆栈 栈顶用来存储逻辑运算的结果 下面的8位用来存储中间运算结果 堆栈中的数据一般按 先进后出 的原则存取 3OLD 0rLoad 指令串联电路块的并联连接 OLD指令不需要地址 它相当于需并联的两块电路右端的一段垂直连线 4ALD AndLoad 指令图3 9中OLD后面的两条指令将两个触点并联 5其他堆栈操作指令入栈 LPS LogicPush 见图3 11 读栈 LRD LogicRead 出栈 LPP LogicPop 装载堆栈 LDSn LoadStack n 1 8 6立即触点立即 Immediate 触点指令只能用于输入I 执行立即触点指令时 立即读人物理输人点的值 根据该值决定触点的接通 断开状态 但是并不更新该物理输人点对应的映像寄存器 3 3 3输出指令1输出 2立即输出 I 只能用于输出量 Q 执行该指令时 将栈顶值立即写入指定的物理输出位和对应的输出映像寄存器 3置位与复位 S R 4立即置位与立即复位 Sl Rl 3 3 4其他指令1取反 NOT 2跳变触点3空操作指令 3 4定时器与计数器指令 3 4 1定时器指令分类 通电延时定时器 TON 断电延时定时器 TOF 保持型通电延时定时器 TONR 分辨率 lms lOms和lOOms 1 通电延时定时器 TON 2 断电延时定时器 TOF 3 保持型通电延时定时器 TONR 图3 18 4 定时器当前值刷新的方法1 1ms定时器2 10ms定时器3100ms定时器 3 4 2计数器指令 1 加计数器CTU 2减计数器GTD 3加减计数器CTUD 第4章数字量控制系统梯形图程序设计方法4 1梯形图的经验设计法 经验设计法 在典型电路的基础上 根据对控制系统要求 不断地修改和完善梯形图 设计所用的时间 设计的质量与设计者的经验有很大的关系 它可以用于较简单的梯形图 如手动程序 的设计 4 1 1梯形图的基本电路1 起动保持和停止电路 2 延时接通 短开电路 3 闪烁电路 图4 4 4 1 2 小车自动往返运动的梯形图设计 4 2根据继电器电路图设计梯形图的方法 4 2 1概述用PLC的外部硬件接线和梯形图软件来实现继电器控制系统的功能 特点 不需要改动控制面板 操作人员不用改变长期形成的操作习惯 4 2 2基本方法1 了解和熟悉被控设备的工艺过程和机械的动作情况 根据继电器电路图分析和掌握控制系统的工作原理 2 确定可编程序控制器的输入信号和输出负载 对应的梯形图中的输入位和输出位的地址 画出可编程序控制器的外部接线图 3 确定与继电器电路图的中间继电器 时间继电器对应的梯形图中的存储器位 M 和定时器 T 的地址 4 根据上述对应关系画出梯形图 例 是某三速异步电动机起动和自动加速的继电器控制电路图 图4 8 图4 9 图4 10 4 3 3注意事项遵守梯形图语言中的语法规定 置中间单元 3 尽量减少可编程序控制器的输入信号和输出信号 4 外部联锁电路的设立 5 在串联电路中单个触点应放在右边 在并联电路中单个触点应放在下向 6 外部负载的额定电压 4 3顺序控制设计法与顺序功能图 4 3 1顺序控制设计法1 用经验设计法设计梯形图时 没有一套同定的方法和步骤可以遵循 具有很大的试探性和随意性 对于不同的控制系统 没有一种通用的容易掌握的设计方法 梯形图往往很难阅读 系统的维修和改进困难 2 定义 所谓顺序控制 就是按照生产工艺预先规定的顺序 在各个输入信号的作用F 根据内部状态和时间的顺序 在生产过程中各个执行机构自动地有秩序地进行操作 3 顺序控制设计法的基本思想 将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段 这些阶段称为步 step 并用编程元件 M和S 来代表各步 a 步的划分 根据输出量的状态 在任何一步之内 各输出量的ON OFF状态不变 但是相邻两步输出量的状态是不同的 b 转换条件 使系统由当前步进入下一步的信号 4 3 2顺序功能图1 顺序功能图的由来功用 描述控制系统的控制过程 功能和特性的一种图形 也是设计可编程序控制器的顺序控制程序的有力工具 组成 步 有向连线 转换 转换条件 动作 2 步1 表示方法 用矩形方框 方框中可以用数字 编程元件的地址作为步的编号 图4 12是某组合机床动力头的进给运动示意图和输入输出信号时序图 2 初始步 与系统的初始状态相对应的步称为初始步 初始步用双线方框表示 3 与步对应的动作或命令 4 活动步 系统正处于某一步所在的阶段时 该步处于活动状态 3 有向连线与转换条件1 有向连线 从上到下或从左至右箭头不标 反之标出 2 转换 用有向连线上与有向连线垂直的短划线来表示 将相邻两步隔开 3 转换条件 转换条件是与转换相关的逻辑命题 转换条件可以用文字语言 布尔代数表达式或图形符号标注在表示转换的短线的旁边 4 基本结构1 单序列2 选择序列3 并列序列4 顺序功能图举例 5 转换实现的基本规则1 转换实现的条件 1 该转换所有的前级步都是活动步 2 相应的转换条件得到满足 2 转换实现应完成的操作 1 使所有由有向连线与相应转换符号相连的后续步都变为活动步 2 使所有由有向连线与相应转换符号相连的前级步都变为不活动步 6 注意事项 1 两个步绝对不能直接相连必须用一个转换将它们隔开 2 两个转换也不能直接相连必须用一个步将它们隔开 3 初始步一般对应于系统等待起动的初始状态 始步是必不可少 4 自动控制系统应能多次重复执行同一工艺过程 一般应有由步和有向连线组成的闭环 即在完成一次工艺过程的全部操作之后 应从最后一步返回初始步 系统停留在初始状态 单周期 图4 12 在连续循环工作方式时 将从最后一步返回下一工作周期开始运行的第一步 图4 17 5 只有当某一步的前级步是活动步时 该步才有可能变成活动步 第5章顺序控制梯形图的设计方法 定义 根据顺序功能图设计梯形图的方法 方法 使用起保停电路 以转换为中心 使用控制继电器 5 1使用起保停电路设计顺序控制梯形图的方法 1 锅炉的鼓风机和引风机梯形图设计 2 输出电路的设计方法 1 某一输出量仅在某一步中为ON 将它的线圈与对应步的存储器位 M0 2 的线圈并联 2 某一输出在几步中都为ON 将代表各有关步的存储器位的常开触点并联后 驱动该输出的线圈 M0 1 MO 3的常开触点并联驱动Q0 O的线圈 5 2以转换为中心的顺序控制梯形图设计方法 1 梯形图与顺序功能图的对应关系特点 这种设计方法特别有规律 在设计复杂的顺序功能图的梯形图时既容易掌握 又不容易出错 2 某组合机床的动力头控制系统梯形图设计 图5 8 注意 使用这种编程方法时 不能将输出位的线圈与置位指令和复位指令并联 5 3使用SCR指令的顺序控制梯形图设计方法 5 3 1顺序控制继电器指令顺序控制继电器s专门用于编制顺序控制程序 装载顺序控制继电器 LoadSequenceControlRelay 指令LSCRn 表示一个SCR段即顺序功能图中的步的开始 顺序控制继电器结束 sequenceControlRelayEnd 指令SCRE 表示SCR段的结束 顺序控制继电器转换 sequenceControlRelayTransition 指令SCRTn 表示SCR段之间的转换 即步的活动状态的转换 使用SCR时有如下的限制 不能在不同的程序中使用相同的s位 不能在SCR段中使用JMP及LBL指令 即不允许用跳转的方法跳人或跳出SCR段 不能在SCR段中使用FOR NEXT和END指令 5 3 2编程方法某小车运动的梯形图设计 5 4具有多种工作方式的系统的顺序控制梯形图设计方法 概述多种工作方式 手动和自动 包括连续 单周期 单步 自动返回初始状态等 手动程序比较简单 一般用经验法设计 复杂的自动程序一般根据系统的顺序功能图用顺序控制法设计 梯形图总体结构 选择手动工作方式时手动开关I2 0为1状态 将跳过自动程序 执行公用程序和手动程序 选择自动工作方式时I2 0为O状态 将跳过手动程序 执行公用程序和自动程序 例 某机械手用来将工件从A点搬运到B点 图5 16 控制面板 图5 17 外部接线图 图5 18 5 4 1使用起保停电路的编程方法 1公用程序功用 见图5 19a 自动程序和手动程序相互切换的处理 2手动程序 图5 19b 3 自动程序顺序功能图 图5 20 梯形图 图5 21 4 自动回原点程序 第6章可编程序控制器的功能指令 概述为了满足工业控制的需要 PLC生产厂家为PLC增添了过程控制 数据处理和特殊功能指令 这些指令我们称为功能指令 类型 传送 移位及填充指令 算术运算及逻辑运算指令 数据转换指令 高速处理指令 通信指令 PID指令 6 程序控制指令 6 1 1循环指令FOR指令表示循环的开始 NEXT指令表示循环的结束 注意事项 1 如果启动了FOR NEXT循环 除非在循环内部修改了结束值 否则循环就一直进行 直到循环结束 2 再次启动循环时 它将初始值INIT传送到指针INDX中 FOR指令必须与NEXT指令配套使用 允许循环嵌套 最多可嵌套8层 图6 3 6 1 2跳转与标号指令跳转指令JMP Jump 标号LBL Label 标号指令用来指示跳转指令的目的位置 JMP与LBL指令中的操作数n为常数0 255 6 数据处理指令 6 3 2SIMATIC数据传送指令1字节 字 双字和实数的传送将输人的数据 IN 传送到输出 OUT 传送过程中不改变数的大小 2字节 字 双字的块传送指令将从输入地址 JN 开始的N个数据传送到输出地址 OUT 开始的N个单 元 N l255 N为字节变量 3字节交换指令字节交换SWAP swapBytes 指令交换输人字 IN 的高字节与低字节 4宇节立即读写指令字节立即读MOV BIR MoveByteImmediateRead 指令读取IN输入端给出的1个字节的物理输入点 IB 并将结果写入OUT 字节立即写MOVBIW MoveByteImmediateWrite 指令将输入 IN 给出的1字节数值写入OUT端给出的物理输出点 0B 两条指令的IN和OUT都是字节变量 6 3 3移位与循环移位指令 1 字节 字 双字右移位和左移位指令2 字节 字 双宇循环右移位和循环左移位指令3 移位寄存器指令 6 数学运算指令 6 5 1SIMATIc整数数学运算指令1整数与双整数加减法指令2整数乘除法指令3加1与减1指令 6 4 3SIMATIC逻辑运算指令1 取反指令2 字节逻辑运算指令3 字逻辑运算指令 第7章可编程序控制器在工业应用中的一些问题 7 1可编程序控制器控制系统的设计与调试步骤可编程序控制器控制系统的设计调试过程如图所示 7 1 1深人了解被控制系统 7 1 2与硬件有关的设计 1 确定系统输入元件 如按钮 指令开关 限位开关 接近开关 传感器 变送器等 和输出元件 如继电器 接触器 电磁阀 指示灯等 的型号 2 根据设备的操作任务和操作方式 确定操作面板所需的元件 如指示灯 数字显示装置 开关和按钮等 有的系统可能需要智能的操作员面板 如与S7 200配套的TD200文本显示器或有图形显示功能和触摸屏功能的操作员面板 3 确定可编程序控制器的输入点和输出点 列表统计可编程序控制器的输入信号和输出信号 在表中标明各信号的意义和类型 如信号是数字量还是模拟量 模拟信号的范围等