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,PLC原理及应用,2011年 3月,山东轻工业学院 信控学院自动化教研室 郑新志PLC 实验室 机电楼 C 座 112,The Principle and Application of Programmable Logical Controller,作者： 廖常初 主编类别： 工业自动化出版社： 机械工业出版社 出版日期：2008-01-01,PLC编程及应用,第三版,教材名称：,课堂作业 2011.3.,1、接触器和中间继电器的各自主要作用2、热继电器和熔断器的各自作用3、画出电动机启保停控制电路4、简述一下通电延时和断电延时时间继电器的动作过程。5、设计题：按启动按钮，电动机1启动运行，延时5秒后，电动机2启动运行,电动机1 停止运行。按停止按钮，电动机2立即停止运行。,1、接触器交流接触器广泛用作电力和负载的开断，主要根据负载的额定电流来选择，可留有一定裕量。,接触器的图形符号,2、中间继电器 结构与接触器基本相同，中间继电器触头容量小，无灭弧罩。通常用于传递信号和同时控制多个电路，也可直接用它来控制小容量电动机或负载。,3、热继电器主要用于三相交流电动机的过载保护,4、熔断器,主要用于电路中的短路保护。,5、时间继电器: 1、通电延时：时间继电器线圈吸合后，其常开触点是延时动作（闭合），故称为通电延时。常闭触点动作与其相反。 2、断电延时：线圈吸合时其常开触点是瞬时动作，而线圈断电释放时是延时的，故称为断电延时。,主电路,控制电路,基本电气控制线路：启保停电路所用器件,控制电路,器件在电动机保护中的作用,过载保护,短路保护,零压、欠压保护,主电路,控制电路,顺序控制,第一章 概述,1.1.1 PLC的基本概念 随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已扩展到了几乎所有的工业领域当前用于工业控制的计算机可分为几类，如可编程序控制器、基于PC总线的工业控制计算机、基于单片机的测控装置、用于模拟量闭环控制的可编程调节器、集散控制系统(DCS)、现场总线控制系统(FCS)和嵌入式计算机控制系统等。可编程序控制器是应用面最广、功能强大、使用方便的通用工业控制装置，它已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。,可编程控制器的发展：,它的起源可以追溯到60年代，美国通用汽车公司为了适应汽车型号不断翻新的需要，对生产线上的控制设备提出了新的要求，为此研制了第一台可编程控制器用于生产线上，通过改变存储在里面的指令的方法来改变生产线的控制流程，从而提供了继电器控制系统无法比拟的灵活性。但这一时期它主要是代替继电器系统完成顺序控制，虽然也采用了计算机的设计思想，实际只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器 简称PLC（Programmable Logical Controller）。,70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制的各个领域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC（programmable controller）。但由于PC容易与个人计算机（personal computer）相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。,可编程控制器是微型计算机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，是一种以微处理器为核心的用于控制的特殊计算机。从广义上讲，可编程控制器是一种计算机系统，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的I/O接口，具有更适用于控制要求的编程语言和更适应于工业环境的抗干扰性能。因此，可编程控制器是一种用于工业控制的专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统类似，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。,可编程序控制器的定义,可编程序控制器一直在发展中，所以至今尚未对其下最后的定义。国际电工学会（IEC）曾先后于1982.11、1985.1和1987.2发布了可编程序控制器标准草案的第一，二，三稿。在第三稿中，对PLC作了如下定义：可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，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，并通过数字的，模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。,定义强调了PLC是：1 数字运算操作的电子系统也是一种计算机2 专为在工业环境下应用而设计3 面向用户指令编程方便4 逻辑运算、顺序控制、定时计算和算术操作 5 数字量或模拟量输入输出控制 6 易与控制系统联成一体 7 易于扩充从上述定义可以看出PLC是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种各样的控制功能外，还有与其他计算机通信联网的功能。,PLC定义：PLC是以微处理器为核心,集自动控制技术、计算机技术和通讯技术于一体的一种新型的、用程序来改变控制功能的工业控制计算机。,1.1.2 PLC的基本结构,1 CPU模块 在可编程序控制器控制系统中，CPU模块相当于人的大脑，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。 2 I0模块 输入(Input)模块和输出(Output)模块简称为I0模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。 输入模块用来接收和采集输人信号。输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯等.3 编程装置4 电源 可编程序控制器使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC 5V、12V、24V等直流电源。,PLC的系统组成,1.2.1 PLC的特点,1、编程方法简单易学2、功能强，性能价格比高 一台小型可编程序控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。 3、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。 可编程序控制器产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。,4、可靠性高，抗干扰能力强。 传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。 可编程序控制器采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。5、系统的设计、安装、调试工作量少6、维修工作量小，维修方便7、体积小，能耗低,1.2.1 PLC的应用领域,1数字量逻辑控制 可编程序控制器具有“与”、“或”、“非”等逻辑指令，可以实现触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制。数字量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域已遍及各行各业，甚至深入到家庭。2运动控制 可编程序控制器使用专用的运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可实现单轴、双轴、3轴和多轴位置控制，使运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。可编程序控制器的运动控制功能广泛地用于各种机械，如金属切削机床、金属成形机械、装配机械、机器人、电梯等场合。,3闭环过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。可编程序控制器通过模拟量IO模块，实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的AD转换和DA转换，并对模拟量实行闭环PID控制。其PID闭环控制功能已经广泛地应用于塑料挤压成形机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。,4数据处理 现代的可编程序控制器具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。数据处理一般用于复杂的、大型的控制系统，如无人柔性制造系统，过程控制系统，造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。5通信联网 可编程序控制器的通信包括主机与远程IO之间的通信、多台可编程序控制器之间的通信、可编程序控制器和其他智能控制设备之间的通信。可编程序控制器与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。,习题,1、PLC的定义？ 2、PLC有哪些主要特点？3、与继电器控制系统相比，PLC有哪些优点？5、PLC可以用在哪些领域？,第2章 PLC的硬件结构与工作原理,2.1 PLC的硬件结构2.1.1 PLC的物理结构 1 整体式可编程序控制器 小型可编程序控制器一般采用整体式结构，它的体积 小价格低 。 整体式可编程序控制器将图2一l中的CPU模块、IO模块和电源装在一个箱型机壳内，称为基本单元。2 模块式可编程序控制器大、中型PLC一般采用模块式结构，它由机架和模块组成(见图2-3)。,S7-200 -224 主机外形,2.1.2 CPU模块中的存储器,存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。 系统程序由PLC生产厂家设计并固化在ROM(只读存储器)中，它相当于个人计算机的操作系统，使PLC具有智能和控制功能。ROM的内容只能读出，不能写入。它是非易失的，它的电源消失后，仍能保存储存的内容。,用户程序是由用户设计的使PLC完成控制功能的程序。现在部分PLC仍用RAM来储存用户程序。用户可以读出RAM中的内容，也可以将用户程序写入RAM。它是易失性的存储器，它的电源中断后，储存的信息将会丢失。可用锂电池保存RAM中的用户程序和某些数据。可电擦除可编程的只读存储器(EEPROM)它兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点，但是将信息写入它所需的时间比RAM长得多。EEPROM用来存放用户程序和需长期保存的重要数据。,2.1.3 I/O模块,各I0点的通断状态用发光二极管显示，外部接线一般接在模块面板的接线端子上。,1、输入模块 输入电路中设有RC滤波电路和光电耦合电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起错误的输入信号以及电磁干扰信号对系统的影响。 输入电路将限位开关、手动开关、编码器等现场输入设备的控制信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。,常用的输入接口电路有：1、直流输入（DC ) 2、交流输入（AC）3、交直流输入直流输人电路的延迟时间较短、安全，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接，是应用最广泛的输入电路。,普通开关和光电开关晶体管开关电路原理图,来自现场数字信号可能含有干扰信号，如：电压瞬态尖峰和反极性信号等，所以对信号进行一定的处理，如：过压、过流、反压保护和滤波,直流输入（DC ),常见隔离技术：光电隔离技术，如图示：,交流输入（AC）,交直流输入,2.输出模块,采用光电耦合或电磁隔离电路，将CPU处理过的信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀等外部设备的通电 断电。输出模块的功率放大元件有：1、驱动直流负载的大功率晶体管和场效应管；2、驱动交流负载的双向晶闸管；3、既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载的小型继电器。,三种输出模块比较： 晶体管和晶闸管输出模块响应时间快，工作频率高但过载能力差，输出电流的典型值为0.5A。继电器输出模块响应时间慢，工作频率低，但过载能力强，。,继电器输出接口电路：为有触点输出方式，用于接通或断开开关频率较低的直流负载或交流负载回路。,晶体管输出型：为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的直流电源负载。,晶闸管输出型：为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的交流电源负载。,三种输出形式比较,继电器输出模块可使用于交直流，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但是动作速度较慢，寿命(动作次数)有一定的限制。如果系统输出的变化不是很频繁，建议优先选用继电器型的。输出电流的典型值为2A 晶体管型与双向晶闸管型模块分别用于直流负载和交流负载，它们的可靠性高，反应速度快，寿命长，但是过载能力稍差，输出电流的典型值为0.5A。,2.2 PLC的工作原理,2.2.1用触点和线圈实现逻辑运算在数字量控制系统中，变量仅有两种相反的工作状态，如高电平和低电平、继电器线圈的通电和断电、触点的接通和断开，可用逻辑代数中的1和0来表示它们。,用继电器电路或梯形图可以实现“与”、“或”、“非”逻辑运算(见图2-6)。,例：三相异步电动机单向运行电器控制系统,图2-7中的继电器电路实现的逻辑运算可用逻辑代数式表示为： KM=(SB2+KM)SB1 FR,输入设备,输出设备,PLC等效电路,三相异步电动机单向运行PLC控制系统,222可编程序控制器的工作方式,1、工作方式可编程序控制器有两种工作方式，即RUN(运行)方式与STOP(停止)方式。在CPU模块的面板上LED显示当前的工作方式。在STOP方式,创建、编辑用户程序并下栽到PLC。在RUN方式，执行用户程序来实现控制功能。2、用方式开关改变工作方式3、用STEP 7-MlcroWlN 32编程软件改变工作方式,2.2.3 PLC的工作原理,在PLC的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器，以字节(8位)为单位。 当PLC 开始运行时，首先清除I/O 映像区的内容，然后进行自诊断，确认正常后开始扫描。对每个程序，CPU 从第一条指令开始执行，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，因此，PLC 的工作方式是一种串行循环工作方式。,PLC工作原理概括为： PLC采用“顺序扫描、不断循环”的工作方式，这个过程可分为输入采样，程序执行、输出刷新三个阶段，整个过程扫描并执行一次所需的时间称为扫描周期。,1.读取输入 在输入采样阶段，PLC 首先扫描所有的输入端子，按顺序将所有输入端的输入信号状态(0 或1 表现在接线端上是否在承受外加电压)读入输入映像寄存区。,这个过程称为对输入信号的采样，或称输入刷新阶段。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入下一步工作过程，即程序执行阶段。 在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会发生改变，而这些变化必须等到下一个工作周期的输入刷新阶段才能被读入。,2.执行用户程序,程序执行阶段又称程序处理阶段，是PLC 对程序按顺序进行执行的过程。 PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按顺序排列。 在RUN工作方式的程序执行阶段，CPU从第一条指令开始，根据输入信号的状态逐条顺序地执行用户程序，直至遇到结束(END)指令。,在执行指令时，根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到相应的映像寄存器中。因此，各映像寄存器的内容随着程序的执行而变化。 当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输出刷新阶段。,3. 输出刷新阶段,CPU执行完用户程序后，既在输出刷新阶段，将输出过程映像寄存器的通/断状态，传送到输出模块并锁存起来，并通过一定输出方式输出，驱动外部负载，这就形成PLC 的实际输出。,PLC 在运行状态时，执行一次扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为0.5ms100ms。扫描周期的长短主要取决于以下几个因素： CPU 执行指令的速度，执行每条指令占用的时间；程序中指令条数的多少。指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU 执行速度有很大关系，一般说来，一个扫描过程中，输入采样和输出刷新所占时间较少，执行指令的时间占了绝大部分。,由于PLC 采用循环扫描的工作方式，即对信息串行处理方式，必定导致输入、输出延迟响应，产生滞后现象。对于一般工业控制要求，这种滞后现象是允许的。但是对那些要求响应时间小于扫描周期的控制系统则不能满足，这时可以使用智能输I/O 单元(如快速响应I/O 模块)或专门的指令(如立即I/O 指令)，通过与扫描周期脱离的方式来解决。,PLC扫描工作方式的特点：集中采样、集中输出、循环扫描,2.3 S7-200系列PLC,2.3.1 S7-200的特点1、功能强2、先进的程序结构3、灵活方便的寻址方法4、功能强大、使用方便的编程软件5、软件的向导功能6、强大的通讯功能7、品种丰富