第五章-可编程序控制器及其工作原理..ppt

第五章可编程序控制器及其工作原理,第五章可编程序控制器及其工作原理,本章主要内容：,第五节可编程序控制器的工作原理,第四节可编程序控制器的软件组成,第三节可编程序控制器的硬件组成,第二节PLC控制与继电器控制的比较,第一节可编程序控制器概述,第一节可编程序控制器概述,一、可编程序控制器的产生与发展,（一）可编程序控制器的产生,（二）可编程序控制器的发展,20世纪20年代出现了继电接触器控制系统，在工业控制中一直占有主导地位。但也存在着设备体积大、动作速度慢、功能少而固定、可靠性差、难于实现较复杂的控制的缺点。特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线繁杂，当生产工艺改变时，原有的接线和控制盘就要更换，缺乏通用性和灵活性。,1968年美国最大的汽车制造商美国通用汽车公司(GM)公开招标,从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，引起了开发热潮。这十大条件中比较主要的是：编程方便，可现场修改程序；维修方便，采用插件式结构；可靠性高于继电器控制装置；体积小于继电器控制盘；数据可直接送人管理计算机；成本可与继电器控制盘竞争；扩展时原系统改变最少。这些要求实际上提出了将继电接触器的简单易懂、使用方便、价格低的优点，与计算机的功能完善、通用性、灵活性好的优点结合起来，将继电接触器控制的硬连线逻辑变为计算机的软件逻辑编程的设想，采取程序修改方式改变控制功能，这是从接线逻辑向存储逻辑进步的重要标志，是由接线程序控制向存储程序控制的转变。,1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出了第一台可编程序控制器PDP-14，并在GM公司汽车生产线上试用成功，并取得了满意的效果，可编程序控制器由此诞生。国外工业界在1980年正式命名为可编程序控制器(ProgrammableLogicController)，缩写为PC。但由于他和个人计算机(PersonalComputer)的简称容易混淆，仍把可编程序控制器缩写为PLC。,二、可编程序控制器的用途与特点,（一）可编程序控制器的用途,PLC的应用通常可分为五种类型：,顺序控制,运动控制,闭环过程控制,数据处理,通信和联网,（二）可编程序控制器的特点,抗干扰能力强，可靠性高,控制系统结构简单、通用性强、应用灵活,编程方便，易于使用,功能完善，扩展能力强,PLC控制系统设计、安装、调试方便,维修方便，维修工作量小PLC具有完善的自诊断，履历情报存储及监视功能。,体积小、重量轻，易于实现机电一体化。,2020/5/22,描述PLC性能的几个术语,位：二进制的一位，仅有1、0,数字：4位二进制数构成一个数字,字节：2个数字或8位二进制数构成一个字节,字：两个字节构成一个字。,(三)、可编程序控制器的主要性能指标,(四）、PLC的主要性能指标,（六）智能单元的数量,（一）存储容量,（二）输入输出点数,（三）扫描速度,（四）编程指令的种类和数量,（五）扩展能力,三、可编程序控制器的分类,（一）按IO点数容量分类,1小型机其输入、输出总点数在256点以下，用户程序存储器容量在4K字以下,2中型机中型机PLC的输入、输出总点数在2562048点之间，用户程序存储器容量达到28K字。,3大型机输入、输出总点数在2048点以上，用户程序存储器容量达到816K字,（二）按结构形式分,1整体式结构整体式结构的PLC是将中央处理单元(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信端口、IO扩展端口等组装在一个箱体内构成主机。另外还有独立的IO扩展单元等通过扩展电缆与主机上的扩展端口相连，以构成PLC不同配置与主机配合使用。整体式结构的PLC结构紧凑、体积小、成本低、安装方便。小型机常采用这种结构。,整体式PLC组成示意图,2组合式结构组合式结构这种结构的PLC是将CPU、输入单元、输出单元、电源单元、智能IO单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块可以插在带有总线的底板上。装有CPU的模块称为CPU模块，其他称为扩展模块。组合式的特点是配置灵活，输入接点、输出接点的数量可以自由选择，各种功能模块可以依需要灵活配置。大、中型PLC常用组合式结构。,组合式PLC组成示意图,继电器控制为接线程序控制，它是由分立元件(继电器、接触器、电子元件等)用导线连接起来加以实现的。它的程序就在接线之中。对于控制程序的修改必须通过改变接线来实现。PLC控制为存储程序控制，其工作程序存放在存储器中，系统要完成的控制任务是通过存储器中的程序来实现的。其程序是由程序语言来表达的。控制程序的修改不需要改变PLC的内接线(即硬件)，只要通过编程器来改变存储器中某些语句的内容就可实现。,第二节PLC控制与继电器控制的比较,一、系统框图的比较,继电器控制系统框图,PLC控制系统框图,可以看出，PLC控制系统的输入、输出部分与传统的继电器控制系统基本相同，其差别仅在于其控制部分。继电器控制系统是用硬接线将许多继电器按一定方式连接起来完成逻辑功能，所以其逻辑功能不能灵活改变，并且接线复杂，故障点多。而PLC控制系统是通过存放在存储器中的用户程序来完成控制功能，由用户程序代替了继电器控制电路，使其不仅能实现逻辑运算，还具有数值运算及过程控制等复杂控制功能。由于PLC采用软件实现控制功能，因此可以灵活、方便的通过用户程序的改变来实现控制功能的改变。,接触器控制电动机单向旋转控制电路,二、PLC的等效电路图,PLC控制系统等效电路图,PLC的等效电路由三部分组成：收集被控设备(开关、按钮、传感器等)的信息或操作命令的输入部分；运算、处理来自输入部分信息的内部控制电路；驱动外部负载的输出部分。,第三节可编程序控制器的硬件组成,一、中央处理器（CPU）,二、存储器,三、输入、输出接口,输入、输出接口是PLC与外界连接的接口。输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等的开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器等传来的模拟量输入信号。输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀(模拟量)、调速装置(模拟量)等。,输入、输出接口有数字量(包括开关量)输入、输出和模拟量输入、输出两种形式。数字量输入、输出接口的作用是将外部控制现场的数字信号与PLC内部信号的电平相互转换；而模拟量输入、输出接口作用是将外部控制现场的模拟信号与PLC内部的数字信号相互转换。输入、输出接口一般都具有光电隔离和滤波，其作用是把PLC与外部电路隔离开，以提高PLC的抗干扰能力。,通常PLC的开关量输入接口按使用的电源不同有三种类型：直流1224V输入接口，交流100120V或200240V输入接口与交直流(ACDC)12-24V输入接口。输入开关可以是无源触点或传感器的集电极开路的晶体管。PLC开关量输出接口按输出开关器件种类不同常有三种形式：第一种是继电器输出型，CPU输出时接通或断开继电器的线圈，使继电器触点闭合或断开，再去控制外部电路的通断；第二种是晶体管输出型，通过光耦合使开关晶体管截止或饱和导通以控制外部电路；第三种是双向晶闸管输出型，采用的是光触发型双向晶闸管，按照负载使用电源不同，分为直流输出接口、交流输出接口和交直流输出接口。,（一）开关量输入接口电路,开关量输入接口是把现场各种开关信号变成PLC内部处理的标准信号。,直流输入接口电路,1直流输入接口电路,2交流输入接口电路,交流输入接口电路,3、交、直流输入接口电路,交、直流输入接口电路,开关量输出接口是把PLC的内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。在开关量输出接口中，晶体管输出型的接口只能带直流负载，属于直流输出接口。晶闸管输出型的接口只能带交流负载，属于交流输出接口。继电器输出型的接口可带直流负载也可带交流负载，属于交直流输出接口。,（二）开关量输出接口电路,1晶体管输出接口电路,晶体管输出接口电路,2晶闸管输出接口电路,晶闸管输出接口电路,3继电器输出接口电路,继电器输出接口电路,PLC一般使用220V单相交流电源，电源部件将交流电转换成中央处理器、存储器等电路工作所需的直流电，保证PLC的正常工作。对于小型整体式可编程控制器内部有一个开关稳压电源，此电源一方面可为CPU、IO单元及扩展单元提供直流5V工作电源，另一方面可为外部输人元件提供直流24V电源。电源部件的位置有多种，对于整体式结构的PLC，电源通常封装在机箱内部；对于组合式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。,四、电源,扩展接口用于将扩展单元与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需求。,五、扩展接口,六、通信接口,PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机及其他的PLC或计算机相连。,七、智能IO接口,八、编程工具,九、智能单元,十、其他部件,第四节可编程序控制器的软件组成,（三）标准程序模块及系统调用程序,一、系统程序,（一）系统管理程序,（二）用户指令解释程序,用户程序即应用程序，是可编程控制器的使用者针对具体控制对象编制的应用程序。根据不同控制要求编制不同的程序，相当于改变可编程控制器的用途，也相当于继电接触器控制设备的硬接线线路进行重设计和重接线，这就是所谓的“可编程序”。程序既可由编程器方便地送入PLC内部的存储器中，也能通过它方便地读出、检查与修改。,二、用户程序,参与PLC应用程序编制的是其内部代表编程器件的存储器，俗称“软继电器”，或称编程“软元件”。PLC中设有大量的编程“软元件”，这些“软元件”依编程功能分为输入继电器、输出继电器、定时器、计数器等。由于“软继电器”实质为存储单元，取用他们的常开、常闭触点实质上为读取存储单元的状态，所以可以认为一个继电器带有无数多个常开、常闭触点。PLC为用户提供了完整的编程语言，以适应编制用户程序的需要。PLC提供的编程语言通常有三种：梯形图(LAD)、指令表(STL)和顺序功能流程图(SFC)。,梯形图编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。他的许多图形符号与继电器控制系统电路图有对应关系。这种编程语言继承传统继电器控制系统中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，使得程序直观易读，具有形象实用的特点，因此应用最为广泛。PLC的梯形图与继电器控制系统电路图的基础思想是一致的，只是PLC在编程中使用的继电器、定时器、计数器等的功能都是由软件实现的。,（一）梯形图（LAD）编程,符号对照,图5-14典型梯形图示意,典型的梯形图示意图,PLC梯形图的一个关键概念是“能流”，是一种假想的“能量流”。如图514中，把左边的母线假设为电源“火线”，而把右边的母线(虚线所示)假想为电源“零线”。如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励。如没有“能流”则线圈未被激励。“能流”可以通过被激励(ON)的常开接点和未被激励(OFF)的常闭接点自左向右流，也可以通过并联接点中的一个接点流向右边。“能流”在任何时候都不会通过接点自右向左流。图5一14中，当A、B、C接点都接通后，线圈Y1才能接通(被激励)，只要一个接点不接通，线圈就不会接通；而D、E、F接点中任何一个接通，线圈Y2就被激励。实际上并不存在这种“能流”。,（二）指令表（STL）编程,指令表编程举例a）梯形图b）指令表,（三）状态流程图（功能图）编程,钻孔顺序的状态流程图,三、可编程序控制器的程序结构,（一）用户程序,（二）数据块,（三）参数块,第五节可编程序控制器的工作原理,一、可编程序控制器的工作方式与运行框图,图5-17继电接触器控制与PLC控制方式比较a）继电接触器控制系统控制b）PLC控制梯形图,PLC工作的全过程可分为三部分。第一部分是上电处理。机器上电后对PLC系统进行一次初始化，包括硬件初始化，IO模块配置检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。第二部分是扫描过程。PLC上电处理完成后进入扫描工作过程。先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU处于STOP停止方式时，转入执行自诊断检查。当CPU处于RUN运行方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。,图5-18PLC工作过程,第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、IO、通信等是否正常或出错。如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描停止。,PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式，每一次扫描所用的时间称为扫描周期。CPU从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描工作的。PLC运行正常时，扫描周期长短与CPU的运算速度、I0点的情况、用户应用程序的长短及编程情况等均有关。通常用PLC执行1K指令所需时间来说明其扫描速度(一般l10msK字)。值得注意的是，不同指令其执行时间是不同的，从零点几微秒到上百微秒不等，故选用不