第一章可编程逻辑控制器总览.讲述.ppt

教学单位:信息工程学院,PLC原理及应用ProgrammableLogicControllerPrinciplesandApplications,教学目的掌握PLC的组成及工作原理，熟悉PLC的指令系统，掌握PLC的各种功能。具备PLC控制系统硬件设计、软件编程和调试的基本能力，为走向工作岗位做好准备。,先修课程及必要准备,先修课程：电路、电子技术、自动控制原理、传感器技术等课程必要准备：复习一下电子电路的基本知识，了解可编程序控制器的发展及其特点，初步理解工业控制网络及现场总线技术，下载三菱PLC的编程软件，在自己的电脑上安装，熟悉PLC编程环境。,3,教材及教学资源,教材：可编程逻辑控制器原理与应用（第5版）丑武胜等译，电子工业出版社年，2005年。参考书：1）可编程序控制器原理及应用，孙平编著，高等教育出版社，20022）PLC及工业控制网络，殷华文等编著，西安地图出版社，2001网络资源：1）,4,课程成绩考核方法,本课程是实践性很强的一门课程，因此，本课程成绩考核主要综合评定学生成绩考核，考察学生的实际动手能力和自学能力，同时辅以平时考勤和作业，成绩按优、良、中、及格、不及格五级分制记分，权重分配如下：,5,试验（50%）+课程论文（30%）+平时考勤与作业（20%）,6,课程简介,PLC是什么意思？,P：Programmable可编程L：Logic逻辑C：Controller控制器,7,西门子PLC外形图,2006-3-3,7,S7-300系列PLC,S7-400系列PLC,S7-200系列PLC,S7-1500系列PLC,8,三菱PLC外形图,2006-3-3,8,FX1N系列PLC,FX1S系列PLC,Q系列PLC,FX2N系列PLC,9,欧姆龙PLC外形图,CPM1A、CPM2A系列PLC,C200H系列PLC,10,台达DVP系列PLC,DVP-32ES,DVP-PM,DVP-14SS(加电源等模块),DVP-EH2,PLC的工作流程,11,PLC所应用的行业领域,12,PLC所能完成的工作,13,14,第一章可编程控制器总览,教学要求：,1、了解可编程序控制器的由来及其特点2、熟悉PLC的应用领域及发展趋势3、掌握PLC的系统组成（重点）4、掌握PLC的工作原理（重点、难点）,15,1.1概述,可编程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。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。通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。总之，可编程控制器是专为工业环境应用而设计制造的计算机。,一.PLC定义（1987年国际电工委员会）,16,什么时间？谁提出要造PLC？,二十世纪六十年代末期，美国汽车制造工业竞争十分激烈，为了适应市场从少品种大批量生产向多品种小批量生产的转变，为了尽可能减少转变过程中控制系统的设计制造时间，减少经济成本，1968年美国通用汽车公司GM（GenerlMotors）公开招标，要求用新的控制装置取代生产线上的继电接触器控制系统。,二、PLC的产生与发展,什么时间？谁最先造出世界上的第一台PLC？,1969年美国数字设备公司DEC（DIGTAL）根据上述要求，首先研制出了世界上第一台可编程控制器PDP-14，用于通用汽车公司的生产线，取得了满意的效果。,18,a）控制方式继电器控制采用硬件接线实现，利用其机械触点的串并联以及延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。PLC采用存储逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存，只需改变程序即可改变控制逻辑，称之为软接线。,b）控制速度继电器控制依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。,c）延时控制继电器控制靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。PLC用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整方便，不受环境影响。,三.为什么学习PLC？（Why）,1.PLC与继电器控制系统的比较,重点,19,继电器面板,PLC逻辑控制,a）开关量的逻辑控制-开关量的逻辑控制使PLC的最基本控制功能。目前，PLC首用的目标，就是用于开关量的控制。,b）模拟量的闭环控制-PLC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。,c）数字量的智能控制-利用PLC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。,d）数据采集与监控-利用PLC自检信号多的特点实现自诊断式的监控，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。,e）通信、联网及集散控制-利用PLC的强大的通信联网功能，把PLC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DCS(分散控制系统）。,2.PLC的广泛应用,21,3.PLC的重要性,PLC已成为现代工业控制的三大支柱之一(CAD/CAM，机器人技术和PLC)，成为系统自动化、信息化及智能化的重要支柱。通常可以认为，只要有控制要求的地方，都可以用到可编程控制器。,22,a）硬件要做的工作针对应用需要，确定需要的功能和规模；选择PLC品牌、型号，做好系统配置；以合适价格采购PLC；做好电气设计，按设计要求安装、接线；遵照规定使用PLC，做好日常维护。,b）软件要做的工作弄清工艺过程；把I/O点分配给各个器件，分配时既要考虑防干扰及接线的节省，又要照顾编程时地址使用的方便；设计算法、编写、下载及调试程序；程序定型与存档；程序改进与完善。,2.用好PLC包括软件和硬件两方面,三.怎样学好、用好PLC？（How）,本课程是一门应用型课程以理论为基础，重在实践能力的培养。,23,第二代PLC（19731975年）：采用了8位微处理器及半导体存储器，增加了数字运算、传送、比较等功能，能实现模拟量的控制，开始具备自诊断功能，初步形成系列化。,从PLC产生到现在，已发展到第四代产品。其过程基本可分为：,第一代PLC（19691972年）：大多用一位机开发，用磁芯存储器存储，只具有单一的逻辑控制功能，机种单一，没有形成系列化。,四.PLC的发展史,PLC从产生到现在经历了几代的发展过程？,第四代PLC（1983年现在）：不仅全面使用16位、32位高性能微处理器，高性能位片式微处理器，RISC(reducedinstructionsetcomputer)精简指令系统CPU等高级CPU，而且在一台PLC中配置多个微处理器，进行多通道处理，同时生产了大量内含微处理器的智能模块，使得第四代PLC产品成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的真正名符其实的多功能控制器。,第三代PLC（19761983年）：随着高性能微处理器及位片式CPU在PLC中大量的使用，PLC的处理速度大大提高，从而促使它向多功能及联网通信方向发展，增加了多种特殊功能，如浮点数的运算、三角函数、表处理、脉宽调制输出等，自诊断功能及容错技术发展迅速。,25,五.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。,26,六、PLC的分类,按I/O点数通常可以定义为：小型：I/O点数在256点以下；中型：I/O点数在2561024点之间；大型：I/O点数在1024点以上。,27,1.3制造和组装,在工业环境，PLC系统用于自动化制造和组装过程。,在Rehg和Kraebber的书“Computer-lntegratedManufacturing”第二版中，PE计划包含7个部分：1工艺规划2生产机械编程3工具和工件夹具使用4工作和生产标准5工厂工程建设6生产和组装分析7制造成本估算,ProductEngineering,产品工程,28,图1.3典型加工过程,29,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10万小时左右-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PLC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,1.4PLC的基本特点,30,1.新技术的接受。使一些操作人员的思维从梯形图和继电器转向PLC计算机并不是一件很容易的事。2.固定的编程。一些PLC编程功能单一。3.考虑环境因素。PLC需要工作在一定的环境下。4.故障保护。在一些PLC系统中，必须提供一个输入电压来停止设备。这些系统是没有故障保护的，需通过在PLC系统中加装安全继电器来克服。5.固定回路操作。如果系统工作时控制序列不变，固定不变的控制系统（机械鼓）比PLC成本要低。当系统要做周期性更新时，用PLC系统更有效。,PLC的不足：,31,1.5PLC系统组成和工作原理,硬件,软件,存储器,CPU,I/O口,编程器,电源,系统程序,用户程序,一.PLC系统组成,32,PLC系统设计和连接图,33,1.中央处理器（CPU）,CPU操作开关的典型设置：关。系统不能运行或编程。运行。许可系统运行，但不能修改程序。禁能。关闭所有输出或者将它们设置在不能操作状态。监视。打开屏幕，显示操作信息。运行/程序。系统能够运行，程序可以修改。,在这种模式下，程序不能完全删除（安全起见），而只能修改。要删除所有程序，该键必须处于禁能状态。,谨慎使用,34,2.编程器/监视器（PM）,分类：专用的手持式监视器、工业终端、电脑+编程软件。,作用：编程，调试，监控。,用来同PLC电路进行通信的设备。,手持式编程用监视器,35,3.输入输出（I/O）模块,输入接口有一些输入端子，由传感器或变换器产生的外部电信号将进入这些输入端子。其可接收输入设备（如：按钮、行程开关、传感器等）的控制信号。输出接口将经主机处理过的结果通过输出电路去驱动输出设备（如:接触器、电磁阀、指示灯等）。,输入输出（I/O）模块是CPU与现场I/O装置或其他外部设备之间的连接部件。,36,4.其它单元,打印机:打印程序、操作信息指令、梯形图等，以便存档管理。程序记录器/播放器:辅助存储。,支架和底座:需要安装PLC支架，CPU、PM和I/O模块要有护罩。,37,继电器控制系统：硬逻辑并行运行的方式,计算机控制系统：采用等待命令的工作方式，如键盘扫描方式或I/O扫描方式,可编程控制器控制系统：循环扫描工作方式，即系统工作任务管理及应用程序执行都是按循环扫描方式完成的,1.5PLC系统组成和工作原理,二.PLC工作原理,可编程控制器是如何工作的？,38,1.工作原理,内部处理,通讯服务,输入刷新,程序执行,输出刷新,可编程控制器在开机后，完成内部处理、通信处理、输入刷新、程序执行、输出刷新五个工作阶段，称为一个扫描周期。完成一次扫描后，又重新执行上述过程，可编程控制器这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。,39,2.信号传递过程(从输入到输出),输入端,输入电路,输入映像寄存器,输入刷新阶段-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.紧接着的输出刷新阶段-将输出映像寄存器的状态写入输出锁存电路，再经输出电路传递输出端子，从而控制外接器件动作。,元件映像寄存器,读,写,输出锁存器,输出电路,输入端,读,写,40,3.扫描周期和I/O滞后时间,I/O滞后时间又称为系统响应时间，是指可编程控制器外部输入信号发生变化的时刻起至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的间隔。,可编程控制器在运行工作状态时，执行一次扫描操作所需要的时间称为扫描周期。其典型值为1-100ms。,41,4.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）PLC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,42,5.PLC输入输出响应时间,说明:输入信号在第一个扫描周期的输入采样阶段之后才出现，故在第一个扫描周期内，各映像寄存器的均为“0”状态，使Y0、Y1、Y2输出端的状态为OFF（“0”）状态,Y1,Y0,X0,Y1,Y0,Y2,输入信号,X0,Y1,Y2,Y0,输入采样,说明:在第二个扫描周期的输入采样阶段，输入继电器X0的状态为ON（“1”）状态，程序执行阶段，Y1、Y2依次接通，故Y1、Y2输出端的状态为ON（“1”）状态。,说明:在第三个扫描周期的程序执行阶段，由于的接通使接通，可见从外部输入触点接通到驱动的负载接通，程序执行阶段，响应延迟达两个多扫描周期,43,1.6PLC输入输出模块,通过输入输出模块可以了解进出PLC的信息。输入模块终端从那些与输入传感器和交换器相连的线路上获取信号，输出模块终端提供一定的输出电压来激励执行器和指示设备。,一般来讲，每个模块有4路、8路、12路或16路终端，PLC的I/O模块可以有不同数量的输入输出终端。,在小型系统中，输入输出终端也像CPU一样放在同一个机柜里面，图1.9显示的就是这种单元。在大型PLC系统中，输入输出模块相互分离。在这种系统中，各模块都放在架子上面，见图1.10。支架通过适当的多触点连接电缆与CPU系统相连。,图1.9具有C