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可编程控制器原理及应用 华东交通大学自动化 杨静 jingy11 课程考核要求 考试课程 40学时 10学时平时成绩 30 实验成绩10 作业 单元测试 课堂提问 课堂测试 10 考勤10 包括实验考勤 学习态度 课堂提问 课堂讨论 论文 上机 质疑大作业 70 论文 测验 无故旷课 1 10 课程学时 因病 事缺课 1 3 课程学时 缺交作业 实验报告 1 3 次数 取消考试资格 第1章 概述 1969年美国数字设备公司 DEC 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 一 可编程控制器的简史及定义 采用电气和机械双重互锁的电动机正 反转控制电路 利用复合按钮SB1 SB2 实现机械互锁正转 反转直接转换 KM1和KM2的电气互锁必不可少 QS FR FU M3 KM2 按SB1 KM1得电 KM1常开触头闭合 M运转 误按SB2 KM2得电 若去掉互锁 合QS KM2常开触头闭合 UVW 则电源U W相间短路 M3 熔断器FU烧毁 KM1 KM2 SB1 SB3 KR SB2 KM1 KM2 KM1 KM2 KM1 加互锁防止短路 KM1 KM2 采用电气和机械双重互锁的电动机正 反转控制电路 利用复合按钮SB1 SB2 实现机械互锁正转 反转直接转换 KM1和KM2的电气互锁必不可少 顺序控制器 用PLC实现电动机正 反转控制 PLC内部用户程序 20世纪70年代中末期 PLC进入了实用化发展阶段 20世纪80年代初 PLC在先进工业国家广泛应用 20世纪末期 PLC已适应现代工业控制的需要 21世纪初的几年 随着计算机通讯技术的发展 PLC重点发展了网络通讯能力 并广泛应用于工业控制系统的各个领域 可编程控制器的简史 20世纪60年代美国研制出世界上第一台plc 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 为了和个人计算机 PC 相区别 将最初用于逻辑控制的可编程控制器称为PLC ProgrammablelogicController 1985年1月国际电工委员会 IEC 制定了可编程控制器的标准 并定义了PLC 可编程控制器是以微机技术为核心的通用工业自动控制装置 简称PLC 目前世界上生产品牌PLC的著名公司 美国艾伦 布拉德利公司 A B Allen Bradley 德国西门子公司 Siemens 法国的施耐德公司 TE Telemecanique 日本三菱公司 MITSUBISHI 日本欧姆龙公司 OMRON 日本富士电机公司 FujiElectric 日本东芝公司 TOSHIBA 日本松下电工公司 MEW 等 二 可编程控制器的特点 可靠性高 抗干扰能力强 通用性强 使用方便 模块化结构 组合灵活 编程简单 易学易用 体积小 重量轻 能耗低 系统设计 建造工作量小 改造容易 三 可编程控制器的应用 开关逻辑控制 运动控制 闭环过程控制 数据处理 通讯及联网 四 可编程控制器的发展前景 速度更快 存储容量更大 可靠性更高 向超小型和超大型方向发展 规范化 标准化 出现通用编程语言 通讯 联网能力更强 与工业控制计算机组网 出现PLC品牌垄断国际市场的局面 技术 规模 产品 通讯 市场 电磁接触器蜂鸣器指示灯LED电磁阀 极限开关光电开关按钮 第2章可编程控制器工作原理及结构特点 2 1可编程控制器的结构特点2 2可编程控制器的工作原理 可编程控制器主机 可编程控制器编程器 图2 1可编程控制器及编程器 软继电器 线圈 常开触点 常闭触点 内部 软接线 梯形图程序实现 元件映像寄存器 存储单元 2 1可编程控制器的硬件构成 2 1 1CPU模块 2 1 2输入输出接口电路 2 1 3电源 2 1 4外部设备 图2 2PLC的硬件结构 PLC由CPU 存储器 输入 输出接口 内部电源和编程设备几部分构成 2 1 1CPU模块 接受 存储用户程序 按扫描工作方式接收来自输入单元的数据和信息 并存入相应的数据存储区 执行监控程序和用户程序 完成数据和信息的逻辑处理 产生相应的内部控制信号 完成用户指令规定的各种操作 响应外部设备的请求 CPU是PLC的运算控制中心 它在系统程序的控制下 完成逻辑运算 数学运算 协调系统内部各部分的工作 其具体作用是 RAM 随机存储器 可读可写 没有断电保持功能 ROM 只读存储器 只读 不能写 RAM存放用户程序 ROM存放系统程序 存储器用于存放系统程序 用户程序和运行中的数据 包括只读存储器 ROM 和随机存取存储器 RAM EPROM 可擦除程序的只读存储器 用紫外线照射芯片上的透镜窗口 可以擦除已写入的内容 而写入新的程序 EEPROM 可电擦除的只读存储器 兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取的优点 输入输出接口是PLC与工业控制现场各类信号连接的部分 2 1 2输入输出接口 输入接口用来接受生产过程的各种参数 输入信号 输出接口用来送出可编程控制器运算后得出的控制信息 输出信号 并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制 为了适应可编程控制器在工业生产现场的工作 对输入输出接口的主要要求 良好的抗干扰能力 能满足工业现场各类信号的匹配要求 可编程控制器为不同的接口需求设计了不同的接口单元 开关量输入接口其作用是把现场的开关量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号 按可接纳的外部信号电源的类型不同 分为直流输入单元和交流输入单元 按可编程控制器机内使用的器件不同 分为继电器型 晶体管型和可控硅型 开关量输出接口其作用是把可编程内部的标准信号转换成现场执行机构所需的开关量信号 PLC的输入信号形式 直流信号输入交流信号输入 模拟量信号输入开关量信号输入 PLC有哪几种输入形式 输入 输出模块 PLC有各种形式的输入 输出模块开关量输入 输出模块模拟量输入 输出模块温度控制模块高速计数模块位置控制模块 1 开关量输入接口 图2 3直流开关量输入单元 开关S闭合时 直流电压加到X0和COM端 通过光电耦合器 信号送入内部电路 图2 4交流开关量输入单元 输入接口的接线方式 汇点式 分隔式 分组式 图2 5输入电路的连接 PLC的输出信号形式 开关量输出继电器输出晶体管输出晶闸管输出 模拟量输出 PLC有哪几种输出形式 各适用于什么负载 开关量输出接口 其作用是把PLC的内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号 考虑负载的驱动电源时 还需选择输出器件的类型 继电器型的输出接口 可用于交流及直流两种电源 接通和断开的频率低 带负载能力强 晶体管型的输出接口有较高的接通断开频率 但只适用于直流驱动的场合 可控硅型的输出接口仅用于交流驱动的场合 适用快速 频繁动作和大电流的场合 开关量输出接口 图2 6继电器型输出单元 1 继电器型输出接口 R 晶体管输出电路仅适用于直流负载 无触点 寿命长 响应速度快 但输出电流较小 约0 5A 晶体管输出形式 T 晶闸管输出电路仅适用于交流负载 无触点 寿命长 但PLC中的晶闸管输出电流不大 约1A 晶闸管输出形式 S 输出接口接线方式 分组式 分隔式 汇点式 图2 7PLC的输出接口 模拟量信号输入形式 模拟量输入模块原理框图 模拟量输入模块设有电压信号和电流信号输入端 当电流信号输入时 要把输入电压端和输入电流端短接 使电流信号转换为标准的电压信号 输入信号通过运算放大器放大和量程转换 由模数转换变换为数字信号 经光电隔离后送入内部电路 模拟量输入接口 A D模块 模拟量输入接口把现场连续变化的模拟量信号转成适合可编程控制器内部处理的二进制数字信号 模拟量信号输入后一般经滤波后进行A D转换 再经光电耦合后为可编程控制器提供一定位数的数字量信号 图2 8模拟量输入单元框图 模拟量输出形式 模拟量I O模块做什么用 它们的精度用什么参数表示 模拟量输出模块原理框图 PLC内部要输出的数字量信号经光电隔离送到数模转换D A 转换后的模拟量直流电压信号经运放驱动后输出 同时 D A转换后的模拟量直流电压信号还送到电压 电流转换器变成电流信号输出 模拟量输出接口 D A模块 模拟量输出接口将PLC运算处理后的数字信号转换为相应的模拟量信号输出 以满足生产过程现场连续控制信号的需求 模拟量输出接口一般由光电隔离 D A转换和信号驱动等环节组成 图1 9模拟量输出单元框图 为了适应更复杂的控制工作的需要 可编程控制器还有一些智能控制单元 如PID单元 高速计数器单元 温度控制单元 通信单元 定位单元等 特殊功能模块都是独立的工作单元 它们和普通输入输出接口的区别在于都带有独立的CPU 有专门的处理能力 智能输入输出接口 特殊功能模块 铂温度传感器 热电偶 温度控制模块温度 摄氏度和华氏度 脉冲发生器单元 脉冲输出单元 定位控制器 对步进电机 伺服电机通过驱动单元进行定位控制 2 1 3电源 可编程控制器的电源包括 为可编程控制器各工作单元供电的开关电源 为掉电保护电路供电的后备电源 一般为电池 2 1 4外部设备 可编程控制器一般可配备的外部设备 编程器盒式磁带机 用以记录程序或信息打印机 用以打印程序或制表EPROM写入器 用以将程序写入用户EPROM中高分辨率大屏幕彩色图形监控系统 用以显示或监视有关部分的运行状态 编程器 2 2可编程控制器的工作原理 2 2 1扫描工作方式2 2 2程序执行过程2 2 3输入 输出的处理规则2 2 4信息刷新方式2 2 5输入 输出滞后时间 程序控制部分 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X0 Y1 Y0 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 X1 Y0 Y5 Y0 X3 内部处理阶段 用来检查CPU模块内的硬件是否正常 监控定时器复位 Li电池电压过低 交流电是否掉电等 通讯处理阶段 与其他装置或智能模块通信 响应相应的命令 更新编程器的显示内容等 PLC完成一个循环的扫描过程称为一个扫描周期 扫描 从0000号存贮地址开始 在无中断或跳转控制的情况下 按存贮地址号递增的方向顺序逐条扫描用户程序直到程序结束 完成一次扫描程序后 再从头开始扫描 并周而复始地重复 一个循环扫描过程称为扫描周期 扫描过程分为三个阶段进行 即输入采样 输入处理 阶段 程序执行 程序处理 阶段 输出刷新 输出处理 阶段 输入映像寄存器 采样 元件映像寄存器 写 写 读 输出锁存电路 输出端子 输入端子 2 2 2程序执行过程 读 图2 11PLC的扫描工作过程 刷新 输入信号 输入采样阶段 PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态 开或关 即ON或OFF 1 或 0 读入到输入映像寄存器中寄存起来 称为对输入信号的采样 或称输入刷新接着转入程序执行阶段 在程序执行期间 即使输入状态变化 输入映像寄存器的内容也不会改变 输入状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读入 程序执行阶段 程序执行阶段 PLC对程序按顺序进行扫描 如果程序用梯形图表示 则总是按先左后右 先上后下的顺序进行扫描 每扫描到一条指令时 所需要的输入元件状态或其它元件的状态分别由输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出 而将执行结果写入到元件映像寄存器中 元件映像寄存器中寄存的内容 随程序执行的进程而动态变化 2 2 2程序执行过程 输出刷新阶段 程序执行完后 进入输出刷新阶段 将元件映像寄存器中所有输出继电器的状态转存到输出锁存寄存器 再去驱动用户输出设备 负载 这就是PLC的实际输出 扫描周期 PLC重复执行上述三个过程 每重复一次的时间就是一个工作周期 扫描周期 工作周期的长短与程序的长短 指令的种类和CPU执行的速度有关 执行指令程序的时间占大部分 PLC在每次扫描中 对输入信号采样一次 对输出信号刷新一次 这就保证了PLC在执行程序阶段 输入映像寄存器和输出锁存寄存器的内容或数据保持不变 2 2 3扫描工作方式 扫描工作方式的特点 简单直观 简化了程序的设计 并为PLC的可靠运行提供了保证 所扫描到的指令被执行后 其结果马上就可以被将要扫描到的指令所利用 系统监视定时器WDT可监视每次扫描的时间 并在每个扫描周期内都要对WDT进行复位操作 如果系统的硬件或用户软件发生了故障 WDT就会超时自动报警 并停止PLC的运行 从而避免了程序进入死循环的故障 2 2 4输入 输出的处理规则 输入映像寄存器的数据 取决于输入端子在输入采样阶段所刷新的状态 元件映像寄存器的状态 由程序输出指令的执行结果决定 输出锁存寄存器中的数据 由上一个工作周期输出刷新阶段存入到输出锁存电路中的数据来确定 输出端子的输出状态 由输出锁存寄存器中的数据来确定 程序执行中所需的输入 输出状态 数据 从输入映像寄存器或输出映像寄存器中读出 2 2 5信息刷新方式 信息刷新的方式有多种 一般来说 输入刷新是在输入采样阶段进行 输出刷新是在输出采样阶段进行 有的PLC其信息刷新的方式则与上述不同 输入刷新除了在输入采样阶段进行外 在程序执行阶段每隔一定时间还要刷新一次 同样 输出刷新除了在输出处理阶段进行外 在程序执行阶段 凡是程序中有输出指令的地方 该指令执行后又立即进行一次输出刷新 这种形式的PLC尤其适合于输入输出要求快速响应的场合 2 2 6输入 输出滞后时间 输入输出滞后时间又称为系统响应时间 是指从PLC外部输入信号发生变化的时刻起至它所控制的有关外