可编程控制器原理及应用-PLC结构和工作原理.ppt

2013-05-29,1,可编程控制器原理及应用,第二章可编程控制器的结构和工作原理,2,主要内容,3,可编程控制器原理及应用是电类和机电类专业的应用实践课,课程性质,4,学习要求,重点内容：可编程控制器的工作原理了解内容：可编程控制器的组成与结构难点内容：梯形图的等效电路,5,学习方法,认真听课，注意老师对问题的分析，通过案例分析和实训环节获得编程的思想和方法,理论联系实际，带着问题学，学深入,注重实训环节，训练应用PLC的技能,注意对知识的记忆和回味，几分耕耘、几分收获,6,一、PLC的产生1、传统的生产机械自动控制装置继电器控制系统,1前章知识回顾,体积庞大，生产周期长，接线复杂等,结构简单，价格低廉，容易操作,2、用户迫切需要一种先进的自动控制装置,继电器控制系统,先进自动控制系统,7,3、可编程序逻辑控制器的产生美国数字设备公司（DEC）根据这一设想，于1969年研制成功了第一台可编程序控制器。由于当时主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）。,1前章知识回顾,8,二、PLC的定义和分类1、PLC的定义经历：可编程逻辑控制器(PLC)可编程控制器（PC）通用叫法：可编程序控制器（ProgrammableController，PC），是一台专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）混淆，所以人们还沿用PLC作为可编程控制器的英文缩写。,1前章知识回顾,9,2、PLC的分类一体化紧凑型PLC：电源、CPU中央处理系统、I/O接口都集成在一个机壳内。如西门子S7-200系列。,CPU（基本单元）+扩展模块,1前章知识回顾,10,标准模块式结构化PLC：各种模块相互独立，并安装在固定的机架（导轨）上，构成一个完整的PLC应用系统。如：西门子S7-300、S7-400系列。,1前章知识回顾,11,三、PLC的功能和特点,1、PLC的功能控制功能逻辑控制，定时控制，计数控制，顺序控制数据采集、存储与处理功能数学运算功能，数据处理，模拟数据处理输入/输出接口调理功能具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节。通信、联网功能以太网、profibus现场总线等人机界面功能编程、调试等,1前章知识回顾,12,人机界面功能,1前章知识回顾,13,2、PLC的特点：可靠性高，抗干扰能力强丰富的I/O接口模块编程简单安装简单，维修方便配套齐全，功能完美体积小，重量轻，能耗低系统设计，调试周期短,1前章知识回顾,14,四、PLC的品牌产品,三菱：FX1S、FX1N、FX2N、Q、A系列欧姆龙：CPM1A、CPM2A、C200H、CQM1、CQM1A、CJ系列SIEMENS：SIMATICS7-200S7-300S7-400系列日立：E、EC、EM、EMII、H、EH-150、MICRO-EH系列东芝：EX20EX40系列富士：NB、NJ、NS、SPB系列松下：FP0、FP1、FP2、FP2SH、FP3、FPM、FPC、FP5、FP10、FP10S、FP10SH系列施耐德：Twido系列通用：GE-I系列,1前章知识回顾,15,五、可编程控制器的发展方向,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,1前章知识回顾,16,2可编程序控制器的组成与结构,PLC是一种工业控制用的专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。PLC的硬件系统由主机系统、输入/输出扩展环节及外部设备组成。PLC的软件系统由系统程序(又称系统软件)和用户程序(又称应用软件)两大部分组成。,17,2可编程序控制器的组成与结构,一、PLC硬件结构,可编程控制器主机,可编程控制器编程器,18,2可编程序控制器的组成与结构,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,整体式PLC的基本组成框图,19,组合式PLC的基本组成框图,2可编程序控制器的组成与结构,20,电源模块,CPU模块,IO模块,底板,2可编程序控制器的组成与结构,一体式PLC,组合式PLC,组合式PLC,21,1.系统程序系统程序由PLC的制造企业编制，固化在PROM或EPROM中，安装在PLC上，随产品提供给用户。系统程序包括系统管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模块等。2.用户程序用户程序是根据生产过程控制的要求由用户使用制造企业提供的编程语言自行编制的应用程序。用户程序包括开关量逻辑控制程序、模拟量运算程序、闭环控制程序和操作站系统应用程序等。,二、可编程序控制器的软件系统,2可编程序控制器的组成与结构,22,一、可编程控制器的工作原理,1、扫描工作方式2、程序执行过程3、输入/输出的处理规则4、信息刷新方式5、输入/输出滞后时间,3可编程序控制器的工作原理,23,1、扫描工作方式PLC是采用周期循环扫描的工作方式，CPU连续执行用户程序和任务的循环序列称为扫描。CPU对用户程序的执行过程是CPU的循环扫描，并用周期性地集中采样、集中输出的方式来完成的。一个扫描周期（工作周期）主要分为以下三个阶段：1）输入采样扫描阶段2）程序执行扫描阶段3）输出刷新扫描阶段,3可编程序控制器的工作原理,24,2、程序执行过程,3可编程序控制器的工作原理,25,3、输入输出的处理规则,各输出映象寄存器及电路关系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；输出映像寄存器的状态：由程序中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：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。,3可编程序控制器的工作原理,26,4、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。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。,3可编程序控制器的工作原理,27,5、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部输出信号发生变化的时刻止之间的时间间隔。输入输出滞后时间由输入电路的滤波时间、输出模块的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分所组成。输出模块的滞后时间与模块开关元件的类型有关继电器型输出电路：10ms双向可控硅型输出电路：1ms晶体管型输出电路：1ms,3可编程序控制器的工作原理,28,二、可编程序控制器的等效电路,输入部分,控制部分,输出部分,接收操作指令,用户编制的控制程序,根据程序执行的结果直接驱动负载,3可编程序控制器的工作原理,29,三、可编程序控制器的接口电路,不同输入形式、输出形式的PLC的接线略有所不同，但原理是相似的。,（2）PLC按输出形式可分为：继电器输出、晶体管输出及晶闸管输出形式。继电器输出：可控制交流或直流负载晶体管输出：只能控制直流负载晶闸管输出：只能控制交流负载,（1）PLC按输入端所接电源的不同可分为：交流输入和直流输入。,3可编程序控制器的工作原理,30,(一).数字量（开关量）输入接口电路,3可编程序控制器的工作原理,光耦的作用:,电气隔离，抗干扰,电平转换,（1）开关量输入接口将工业现场的开关量信号转变成CPU能接受的标准逻辑电平。,内部直流电源,发光二极管,光电耦合器,31,(2)交流输入接口电路,3可编程序控制器的工作原理,32,根据输出电路所用开关器件的不同分类。(1)晶体管输出接口电路,(二).数字量（开关量）输出接口电路,晶体管,3可编程序控制器的工作原理,33,(2)双向晶闸管输出单元,3可编程序控制器的工作原理及主要性能指标,双向晶闸管,34,(3)继电器输出接口电路,继电器,3可编程序控制器的工作原理,35,(1)模拟量输入采样值A/D转换8位/10位/12位数字量输入映像寄存器AI。,(三).模拟量的输入与输出,输入模拟信号的大小：电压：1010V，010V，15V电流：2020mA，020mA，420mA。,3可编程序控制器的工作原理,36,(2)模拟量输出数字量输出映像寄存器AQD/A转换（还原）模拟量。,3可编程序控制器的工作原理,37,西门子S7系列可编程控制器分为S7-400、S7-300、S7-200三个系列，分别为S7系列的大、中、小型（超小型）可编程控制器系统。一、S7-200PLC系统组成1CPU模块SIMATICS7-200系统CPU22X系列PLC主机（CPU模块）,4S7-200系列可编程控制器,38,2输入输出扩展模块当主机单元模板上的I/O点数不够时,或者涉及到模拟量控制时,除了CPU221以外,都可以通过增加扩展单元模板的方法,对输入/输出点数进行扩展。,设备连接,4S7-200系列可编程控制器,39,二、可编程序控制器的编程语言,梯形图(LAD)2.指令表(STL)3.功能块图(FBD),4S7-200系列可编程控制器,40,图2.7基本指令应用举例(a)梯形图；(b)指令表,I0.0,(),(),I0.1,Q0.0,Q0.0,Q0.1,(),M0.1,I0.5,I0.3,I0.4,(),Q0.2,M0.1,(,a,),(,b,),LD,O,A,=,LD,=,A,=,LDN,AN,=,I0.0,Q0.0,I0.1,Q0.0,I0.5,Q0.1,I0.3,M0.1,I0.4,M0.1,Q0.2,梯形图和指令表,4S7-200系列可编程控制器,41,图2.8FBD简单实例,功能块图,4S7-200系列可编程控制器,42,四、编程注意事项及编程技巧（1）程序应按自上而下，从左至右的顺序编写。（2）线圈不能直接与左母线相连。如果需要，可以通过特殊内部标志位存储器SM0.0（该位始终为1）来连接，如图2-10所示。（3）适当安排编程