1 可编程控制器基础

第1章可编程控制器基础 第1章可编程控制器基础 顺序控制系统可编程控制器基础国内外主要PLC产品概况 第1章可编程控制器基础 顺序控制系统可编程控制器基础国内外主要PLC产品概况 顺序控制系统的定义 顺序控制 根据预先规定好的时间或条件 按照预先确定的操作顺序 对开关量实现有规律的逻辑控制 使控制过程依次进行的一种控制方法 顺序控制系统是典型的离散控制系统 顺序控制系统的分类 时间顺序控制 以执行时间为依据 每个设备的运行与停止都与时间严格有关 例如 物料的多级输送过程中 为了防止物料的堵塞 启动 先启动后级输送带 再启动前级输送带 A B C停止 先停止前级输送带 再停止后级输送带 C B A 顺序控制系统的分类 时间顺序控制 以执行时间为依据 每个设备的运行与停止都与时间严格有关 例如 十字路口的交通信号灯南北向 绿灯亮 26S 黄灯亮 4S 红灯亮 30S 绿灯亮 26S 东西向 红灯亮 30S 绿灯亮 26S 黄灯亮 4S 红灯亮 30S 顺序控制系统的分类 例如 化学反应池中的液位控制反应初期 基料泵工作 基料进入 到达液位1后 启动搅拌机开始搅拌 到达液位2后 基料泵停止 辅料泵工作 辅料进入 到达液位3后 辅料泵停止 加料完成 开始加热并进行化学反应 逻辑顺序控制 按照逻辑先后关系顺序执行操作指令 与执行时间无严格关系 顺序控制系统的分类 例如 电梯控制乘客按了上行按钮 根据电梯当前层和乘客所在层的位置关系有 电梯在乘客层上方 电梯下降电梯在乘客层下方 电梯上升 条件顺序控制 根据条件是否满足执行相应的操作指令 顺序控制系统的实现 继电器接触器组成的逻辑控制系统 机械式开关 应用得最早 操作和逻辑关系由继电器 接触器 时间继电器的常开 常闭触点等硬件来完成 特点 机械触点 可靠性不高 使用寿命短 故障率高 更改逻辑关系不方便 顺序控制系统的实现 晶体管组成的逻辑控制电路 电子式开关 用晶体管 晶闸管等半导体元件代替继电器作为开关量控制器件 特点 无触点 可靠性高 使用寿命长 故障率低 但更改逻辑关系不方便 顺序控制系统的实现 可编程序控制器 软件开关 可编程序控制器是基于计算机技术 模仿继电器逻辑控制原理发展起来的新一代逻辑控制装置 由软件来完成逻辑功能 可实现对模拟量和开关量的控制 特点 无触点 可靠性高 使用寿命长 故障率低 维护方便 更改逻辑关系方便 更改程序 顺序控制系统的实现 计算机组成的逻辑控制系统 软件开关 应用在功能复杂或集散控制系统中实现逻辑控制功能 特点 无触点 可靠性一般 使用寿命长 故障率一般 更改逻辑关系方便 更改程序 功能强大 可与管理系统联网等 顺序控制系统的实现 开关器件的变化机械开关 电子开关 软件开关 存储器 逻辑类型的变化硬逻辑 接线 电路 软逻辑 存储器 程序 第1章可编程控制器基础 顺序控制系统可编程控制器基础产生与发展定义 结构及分类输入 输出模块工作机制编程语言主要性能指标与其他控制系统的比较特点及应用发展趋势国内外主要PLC产品概况 可编程控制器的产生与发展 源自继电器接触器控制系统 基于计算机技术两个名称可编程逻辑控制器 ProgrammableLogicController PLC 可编程控制器 ProgrammableController PC 第一台自动化控制器Modicon084 DickMorley 1968 开启了工业控制的PLC时代第一台PLCPDP 14 GM 著名的GM10条 DEC 1969 应用于汽车生产线 可编程控制器的产生与发展 在微电子 计算机技术的推动下快速发展逻辑器件 微处理器 大规模集成电路功能增强 处理速度加快 可靠性提高体积减小 成本下降应用扩大 外围产品丰富 可编程控制器的定义 可编程控制器是一种专门为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置 它采用可编程存储器作为内部指令记忆装置 具有逻辑 排序 定时 计数及算术运算等功能 并通过数字或模拟输入 输出模块控制各种类型的设备和生产过程 1987 国际电工委员会 InternationalElectricalCommittee IEC PLC标准 可编程控制器的结构 中央处理器 CPU 字节处理器 如Z80 intel8086 M68000 MS 8031系列等 位处理器 如AMD2900 AMD29033等 大型PLC既具有字节处理器 又有位处理器 双或多处理器 存储器分系统和用户程序存储器 分别用于存储 运行系统 用户程序 输入 输出 I O 模块用于实现与工业现场各种设备接口 电源使用交流或直流电源 外部设备编程器 显示终端 存储设备等 I O扩展输入 输出扩展功能扩展 如通信 温控模块等 可编程控制器的分类 按IO点规模 可编程控制器的分类 按结构箱体式 整体式 模块式基板式 可编程控制器的输入 输出模块 作用 与生产现场的各种生产设备的连接接口 要求 很好的信号适应能力和抗干扰能力 一般配有电平转换 光电隔离和阻容滤波等 类型 1 开关量输入模块2 开关量输出模块3 模拟量输入模块4 模拟量输出模块 直流开关量输入如右图所示 R1和R2构成分压器 R2 C构成阻容滤波 二极管D起保护作用 防止电源接反 发光二极管LED指示输入状态 亮表示现场开关合上 光耦实现输入电路的信号联接 电气隔离和电平转换 漏入 源入 没有源入 漏入问题 且适合于直流的无方向接法 开关量输入模块 晶闸管输出适合于大功率输出场合 适合直流输出 适合直 交流输出 漏出 开关量输出模块 模拟量输入模块 模拟量输出模块 位置控制模块 脉冲 数字 模拟电压 电流 通信模块 RS232 422 485 USB Ethernet 显示模块 CRT LCD显示模块 ASCII码显示单元 算法控制模块 PID控制 模糊控制 存储模块 CF SD卡等 温度控制模块高速计数模块 这些特殊模块扩展了PLC的功能 如今的PLC不仅能实现顺序控制 还可以实现计算机控制的很多功能 如位置控制 PID控制等复杂控制 使PLC的应用得到了扩展与推广 特殊模块 PLC基本单元及扩展模块 PLC基本单元及扩展模块 PLC基本单元及扩展模块 IO扩展单元 PLC基本单元及扩展模块 模拟量扩展单元 PLC基本单元及扩展模块 温度扩展单元 PLC基本单元及扩展模块 通信 显示 存储扩展单元 运动 存储扩展单元 通信扩展单元 PLC基本单元及扩展模块 基本单元 扩展单元 可编程控制器的工作机制 周期循环扫描机制每个周期内对各种任务进行查询 判断和执行 一个循环扫描过程称为一个扫描周期 大约为几十到几百毫秒 根据任务的复杂程度和CPU的速度而不同 总体来说 分为以下三个阶段 1 输入采样阶段2 程序执行阶段3 输出处理阶段 可编程控制器的工作机制 扫描 输出 可编程控制器的工作机制 与计算机的工作机制有什么不同 计算机 程序存储与执行 冯 诺依曼 PLC 周期循环扫描周期循环扫描机制存在什么问题 输出信号相对输入信号的滞后现象有没有影响 怎么解决 可编程控制器的编程语言 图形化编程语言1 梯形图LD LadderDiagram 2 顺序功能图SFC SequentialFunctionChart 3 功能块图FBD FunctionBlockDiagram 文本化编程语言4 语句表STL StatementList 指令表IL InstructionList 5 结构化文本ST StructuredText 梯形图是在继电器 接触器控制系统的基础上发展而来的 二者具有很多的相似点 电源线 母线 常开触点 线圈 线圈 常闭触点 常闭触点 常开触点 梯形图 LD 顺序功能图又称为状态转移图或状态流程图 是适用于顺序控制的标准化语言 它包含步 动作和转换三个要素 顺序功能图 SFC 或 与 非 功能块图 FBD 功能块图是一种类似于数字逻辑电路中布尔代数的编程语言 又称助记符语言 是最基本的PLC编程语言 与汇编语言类似 可读性较差 一般情况下 PLC程序设计软件都能实现梯形图和语句表的自动转换 格式 操作码 命令语句 操作数 LDNOT0 00OUTTR0LD0 01OR100 00ANDLDANDNOT100 01OUT100 00LDTR0LD0 02OR100 01ANDLDANDNOT100 00OUT100 01 MOVA R0 INCA 语句表 STL 结构化文本 ST 结构化文本 ST 是一种高级的文本语言 可以用来描述功能 功能块和程序的行为 还可以在顺序功能流程图中描述步 动作和转变的行为 结构化文本 ST 非常适合应用在有复杂的算术计算的应用中 结构化文本 ST 语言表面上与Pascal语言很相似 如果你会使用Basic C Pascal等高级语言 你就能轻松掌握ST编程 例 求1到10的总和 并放在变量TOTAL中 A 1 TOTAL 0 REPEATTOTAL TOTAL A A A 1 UNTILA 10END REPEAT 可编程控制器的主要性能指标 1 输入 输出总点数 I O点数 2 程序存储容量3 指令总数4 扫描速度5 内部存储器 寄存器6 特殊功能模块 PLC控制系统与继电器控制系统的比较 PLC控制系统与MCU控制系统的比较 PLC控制系统与计算机控制系统的比较 可编程控制器的特点 1 灵活性和通用性强2 抗干扰能力强 可靠性高PLC在硬件和软件方面主要采取以下措施来提高其可靠性 1 硬件方面采取的措施 2 软件方面采取的措施3 编程语言简单易学 可编程控制器的特点 4 与外部设备的连接简单 使用方便5 功能强 功能的扩展能力强6 PLC控制系统的设计 调试周期短7 体积小 重量轻 易实现机电一体化 可编程控制器的应用 1 顺序控制 开关量 2 过程控制 模拟量的开 闭环控制 3 运动控制 定位 同步 数控 4 数据采集 处理与监控5 联网 通信 集散控制 多层分布式控制 6 其他应用 可编程控制器的应用 A D转换将来自外部设备的模拟量 电压 电流 信号转换成数字值 以便被PLC处理和使用 D A转换PLC内部的数字值被转换成模拟量 电压 电流 信号并输出 作为电机控制信号 执行线性控制 温度采集 控制从热电偶或热电阻处采集温度信号并输入PLC内部 并通过PID指令或PID模块实现温度控制 应用一 模拟量 温度 控制 可编程控制器的应用 多种定位方式单速定位中断单速定位中断双速定位多轴运动控制2轴多轴插补运动控制直线插补圆弧插补 应用二 运动 定位 控制 可编程控制器的应用 单速定位 中断双速定位 中断单速定位 插补运动控制 可编程控制器的应用 多种通信方式RS232 422 485Ethernet专用网络快速组网管 控联网 应用三 仓储管理 可编程控制器的发展趋势 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 向超大型和超小型两个方面发展超大型 32位 多CPU 10k以上IO点数 功能超级强大 超过普通PC 超小型 点数少 功能全 成本低3 扩展能力进一步增强多种扩展接口多种扩展模块 特殊模块 可编程控制器的发展趋势 4 可靠性进一步提高随着PLC进入过程控制领域 对可靠性要求进一步提高 硬件冗余的容错技术将进一步应用 5 控制系统将分散化分散控制 集中管理网络化6 控制与管理功能一体化PLC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PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体 第1章可编程控制器基础 顺序控制系统可编程控制器基础国内外主要PLC产品概况 国内外主要PLC产品概况 1 美系PLC产品AB Allen Bradley RockwellGE GeneralElectric 2 欧系PLC产品德国西门子 Siemens 法国TE 施耐德 Schneider 莫迪康 Modicon 瑞典ABB3 亚系PLC产品日本 三菱 Mitsubi