东南大学-可编程控制器-第一章...ppt

1 本课程的基本情况 专业课先修课程 电路基础 软件基础后续课程 数控技术教材 可编程序控制器原理应用网络 徐世许中国科技大学出版社 第一版本课程安排期中考试 期末考试联系 oldbc 2 课程主要内容与学习方法 可编程序控制器的基础知识 10学时 CPM1A的指令系统 12学时 PC控制系统设计 10学时 OMRON可编程序控制器 编程工具简介 6学时 3 第一部分 关于PC的几个基本问题 一 PC是什么 二 PC何处来 往哪去 三 PC有何独特之处 四 PC的应用领域 4 一 PC是什么 可编程序控制器定义 1985年 国际电工委员会 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 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 控制各种机械或生产过程 PC PLC 个人计算机 工业PC的区别 5 二 PC何处来 往哪去 继电器控制系统的明显缺点 体积大 可靠性低 查找故障困难 特别是由于它是靠硬连线逻辑构成系统 所以接线复杂 对生产工艺变化的适应性差 继电器控制系统的优点 简单易懂 操作方便 价格便宜计算机系统的优点 功能完备 灵活性 通用性好 6 二 PC何处来 往哪去 1968年 美国最大的汽车制造厂家通用汽车公司 GM公司 提出设想 1969年 美国数字设备公司研制出了世界上第一台PC 型号为PDP 14 第一代 从第一台可编程控制器诞生到70年代初期 其特点是 CPU由中小规模集成电路组成 存储器为磁芯存储器 第二代 70年代初期到70年代末期 其特点是 CPU采用微处理器 存储器采用EPROM 第三代 70年代末期到80年代中期 其特点是 CPU采用8位和16位微处理器 有些还采用多微处理器结构 存储器采用EPROM EAROM CMOSRAM等 第四代 80年代中期到90年代中期 PC全面使用8位 16位微处理芯片的位片式芯片 处理速度也达到1us 步 第五代 90年代中期至今 PC使用16位和32位的微处理器芯片 有的已使用RISC芯片 7 二 PC何处来 往哪去 1 向高速度 大存储容量方向发展CPU处理速度进一步加快 使用64bitRISC芯片 多CPU并行 分时 分任务处理 这样可使速度达到ns级 大中型PC的扫描速度可达0 2ms K步左右 例如 GE公司90系列331 771等为0 4ms K步 欧姆龙公司C1000H C2000H为0 4ms K步 三菱公司A3N A3H为0 2ms K步 A3A高达0 15ms K步 8 二 PC何处来 往哪去 1 向高速度 大存储容量方向发展CPU处理速度进一步加快存储容量进一步扩大目前大型PC是几百K字节 最高可达几兆字节例如 A B公司PLC 3的程序存储容量为2M字节 西门子公司的S5 155U为2M字节 9 二 PC何处来 往哪去 1 向高速度 大存储容量方向发展CPU处理速度进一步加快存储容量进一步扩大2 控制系统将分散化分散控制 集中管理的原则 3 可靠性进一步提高随着PC进入过程控制领域 对可靠性的要求进一步提高 硬件冗余的容错技术将进一步应用 4 控制与管理功能一体化PC将广泛采用计算机信息处理技术 网络通信技术和图形显示技术 使PC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体 10 三 PC有何独特之处 灵活 通用 PC是通过存储在存储器中的程序实现控制功能的 如果控制功能需要改变的话 只需要修改程序以及改动极少量的接线即可 可靠性高 抗干扰能力强平均无故障时间一般可达3 5万小时 PC采用的是微电子技术 大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的 因此不会出现继电器控制系统中的接线老化 脱焊 触点电弧等现象 PC还采取了以下主要措施来提高其可靠性 1 硬件措施 对电源变压器 CPU 编程器等主要部件 均采用严格措施进行屏蔽 以防外界干扰 2 软件措施监控程序定期地监测外界环境 死循环报警 停电时利用后备电池供电 专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机 编程简单 使用方便 用微机实现控制 使用的是汇编语言 难于掌握 要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识 而PC采用面向控制过程 面向问题的 自然语言 编程 容易掌握 接线简单功能强体积小 重量轻 易于实现机电一体化 11 开关量的逻辑控制 开关量的逻辑控制使PC的最基本控制功能 目前 PC首用的目标 就是用于开关量的控制 四 PC的应用领域 模拟量的闭环控制 PC具有A D D A转换及算术运算等功能 因此可以实现模拟量控制 数字量的智能控制 利用PC能接受和输出高速脉冲的功能 在配备了相应的传感器 如旋转编码器 或脉冲伺服装置 如环型分配器 功放 步进电机 就能实现数字量的智能控制 数据采集与监控 利用PC自检信号多的特点实现自诊断的式的监控 减少系统的故障 提高累计平均无故障运行时间 同时可减低故障修复时间 提高系统的可靠性 通信 联网及集散控制 利用PC的强大的通信联网功能 把PC分布到控制现场 并实现各站间的通信 上 下层间的通信 达到分散控制 集中管理 即构成了现在的PCS系统 12 PC应用的典型例子电梯数控机床厂矿控制路口红绿灯 四 PC的应用领域 13 第一部分 关于PC的几个基本问题 一 PC是什么 二 PC何处来 往哪去 三 PC有何独特之处 四 PC的应用领域 总结 14 第二部分 PC的控制原理 采用继电器控制采用PC控制PC的控制原理 15 1 采用继电器控制 控制功能如下 按下启动按钮SB1 电机M1开始运转 过10秒钟后 电机M2开始运转 按下停止按钮SB2 电机M1 M2同时停止运转 16 控制功能如下 按下启动按钮SB1 电机M1开始运转 过10秒钟后 电机M2开始运转 按下停止按钮SB2 电机M1 M2同时停止运转 2 采用PC控制 17 3 PC的控制等效电路图 18 当按下SB1时 输入继电器00000的线圈通电 00000的常开触点闭合 使输出继电器01000的线圈得电 01000对应的硬输出触点闭合 KM1得电M1开始运转 同时01000的一个常开触点闭合并自锁 4 PC的控制原理简述 时间继电器TIM000的线圈通电开始延时 10秒后TIM000的常开触点闭合 输出继电器01001的线圈得电 01001对应的硬输出触点闭合 KM2得电M2开始运转 当按下SB2时 输入继电器00001的线圈通电 00001得常闭触点断开 01000 TIM000的线圈均断电 01001的线圈也断电 01000 01001两个硬输出触点随之断开 KM1 KM2断电 M1 M2停转 19 总结 第二部分 PC控制的原理 采用继电器控制采用PC控制PC的控制原理 20 第三部分 PC的基本组成与各部分的作用 PC的基本组成 按结构形式的不同 PC可分为整体式和组合式两类 整体式PCCLICKHERE 组合式PCCLICKHERE 21 1 整体式PC的组成示意图 22 2 组合式PC的组成示意图 23 各部分的作用 1 中央处理单元 CPU 2 存储器3 I O单元4 智能单元 5 电源6 扩展口7 编程工具8 其它外部设备 24 中央处理单元 功能 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据 诊断电源 PC内部电路的工作状态和编程的语法错误 用扫描的方式接收输入信号 送入PC的数据寄存器保存起来 PC进入运行状态后 根据存放的先后顺序逐条读取用户程序 进行解释和执行 完成用户程序中规定的各种操作 将用户程序的执行结果送至输出端 25 中央处理单元 现代PC使用的CPU主要有以下几种 通用微处理器 如8080 6800 Z80A 8086等 通用微处理器的价格便宜 通用性强 单片机 如8051等 单片机由于集成度高 体积小 价格低和可扩充性好 很适合在小型PC上使用 也广泛地用于PC的智能I O模块 位片式微处理器 如AMD2900系列等 位片式微处理器是独立于微型机的另一分支 它主要追求运算速度快 它以4位为一片 用几个位片级联 可以组成任意字长的微处理器 26 存储器 根据存储器在系统中的作用 可以把它们分为以下3种 a 系统程序存储器 b 用户程序存储器 c 工作数据存储器 27 I O单元 常用的I O单元开关量输入单元 1 直流输入单元 CLICKHERE 2 交流输入单元 CLICKHERE 开关量输出单元 1 晶体管输出单元 CLICKHERE 2 双向晶闸管输出单元 CLICKHERE 3 继电器输出单元 CLICKHERE 28 1 直流输入电路 29 2 交流输入电路 30 1 晶体管输出电路 31 2 双向晶闸管输出电路 32 3 继电器输出电路 33 智能单元本身是一个独立的计算机系统 它有自己的CPU 系统程序 存储器 及与外界过程相连的接口 智能单元 目前已开发的常用的智能单元有 A D单元 D A单元 高速计数单元 位置控制单元 PID控制单元 温度控制单元和各种通信单元等 34 编程工具 主要用来编辑程序 调试程序和监控程序的执行 还可以在线测试PC的内部状态和参数 与PC进行人机对话 专用编程器 1 简易编程器 2 图形编程器计算机辅助编程 35 其它外部设备 1 人机接口 又叫操作员接口 用来实现操作员和PC之间的对话和交互作用 2 外存储器 3 打印机 4 EPROM写入器 36 第三部分 PC的基本组成与各部分的作用 PC的基本组成 按结构形式的不同 可分为整体式和组合式 各部分的作用 1 中央处理单元 CPU 2 存储器3 I O单元4 智能单元 5 电源6 扩展口7 编程工具8 其它外部设备 总结 37 第四部分PC的工作原理 PC的循环扫描工作过程PC的I O滞后现象PC对输入点计数的频率问题 前进 38 PC的循环扫描工作过程 PC的工作过程 例如 欧姆龙公司的小型机CPM1A完成的任务如下 1 公共处理 硬件检查 异常报警 2 程序执行 3 扫描周期计算处理 4 I O刷新 5 外设端口服务 39 图1 12 信号传递过程 从输入到输出 a I O刷新阶段 CPU从输入电路的输出端读出各路状态 并将其写入输入映像寄存器 b 程序执行阶段 CPU从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出各继电器的状态 并根据此状态执行用户程序 执行结果再写入元件映像寄存器中 c 紧接着的下一个I O刷新阶段 将输出映像寄存器的状态写入输出锁存电路 再经输出电路传递到输出端子 从而控制外接器件动作 40 死循环自诊断功能 PC内部设置了一个监视定时器WDT 其定时时间可由用户设置为大于用户程序的扫描周期 PC在每个扫描周期的公共处理阶段将监视定时器复位 正常情况下 监视定时器不会动作 如果由于CPU内部故障使程序执行进入死循环 那么 扫描周期超过监视定时器的定时时间时 监视定时器动作 运行停止 以示用户 返回 41 2 PC的I O滞后现象 I O滞后现象的原因 1 输入滤波器有时间常数 2 输出继电器有机械滞后 3 PC循环操作时 进行公共处理 I O刷新和执行用户程序等产生扫描周期 4 程序语句的安排 也影响响应时间 42 I O响应时间 从输入触点闭合到输出触点闭合有一段延迟时间 称为I O响应时间 1 最小I O响应时间 2 最大I O响应时间 43 I O响应时间 输出ON延时 44 I O响应时间 输出ON延时 45 如何理解 程序语句安排影响I O响应时间 返回 46 3 PC对输入点计数的频率问题 PC计数有两种方式 1 高速计数 在高速计数方式下 输入信号不经输入滤波器直接送到CPU 计数不受输入滤波器时间常数 扫描周期的影响 计数频率可以很高 47 2 PC普通计数 在普通计数方式下 输入信号经输入滤波器后在PC扫描周期的I O刷新阶段被CPU读入 因此 计数频率受输入滤波器时间常数和扫描周期的限制 不可能很高 为了保证CPU能够可靠地读入开关接通或断开的状态 不丢失脉冲数 输入滤波后的信号其有效高电平和低电平持续时间不能少于一个扫描周期 即应满足T TsT 输入开关接通或断开的时间 输入滤波器时间常数Ts PC的扫描周期 48 f最高 1 2T 最小 1 2 Ts 1 2 10ms 50Hz 以CPM1A普通计数为例 49 第四部分PC的工作原理 总结PC的循环扫描工作过程PC的I O滞后现象PC对输入点计数的频率问题 50 第五部分PC的编程语言 梯形图语句表逻辑功能图逻辑方程式或布尔代数式 前进 51 梯形图 PC的主要编程语言 PC梯形图在形式上类似于继电器控制梯形图 52 2 语句表 一种与汇编语言类似的助记符编程表达式 语句表使用的助记符LD00000OR01000PC的语句 操作码 操作数 53 3 逻辑功能图 逻辑功能图用 与 或 非 等逻辑功能来表达控制功能 54 第五部分PC的编程语言 总结梯形图语句表逻辑功能图逻辑方程式或布尔代数式 前进 55 第六部分PC的性能指标与分类 PC的性能指标1 I O点数2 用户程序存储器容量3 扫描速度4 指令种类及条数5 内部器件的种类和数量6 智能单元 56 PC的分类1 按结构分类整体式PC 整体式PC的CPU 存储器 I O单元 电源安装在同一机体内 构成主机组合式PC PC组合式 模块式 PC为总线结构 其总线做成总线板 上面有若干个总线槽 每个总线槽上可安装一个PC模块 不同的模块实现不同的功能 57 2 按控制规模分类微型机 控制点数仅几十点小型机 控制点数100 500点左右中型机 控制点数500 1000点左右大型机 控制点数1000点以上超大型机 控制点数可达上万 甚至于几万点 58 3 按生产厂家分类德国西门子公司 日本OMRON公司 美国ROCKWELL公司 法国施耐得公司 GE FANAC公司日本三菱公司日本松下电工公司日本日立公司日本东芝公司日本富士公司 59 第六部分PC的性能指标与分类 总结PC的性能指标PC的分类1 按结构分类2 按控制规模分类3 按生产厂家分类 60 第六部分PC的性能指标与分类 PC的性能指标1 I O点数2 用户程序存储器容量3 扫描速度4 指令种类及条数5 内部器件的种类和数量6 智能单元 61 PC的分类1 按结构分类整体式PC 整体式PC的CPU 存储器 I O单元 电源安装在同一机体内 构成主机组合式PC PC组合式 模块式 PC为