机电一体化PLC应用技术精简.ppt

1、上午8时29分,1,第三章 机电一体化的计算机控制技术,主讲教师：温伟刚,2,3.1 计算机控制系统 3.2 可编程序控制器技术 3.3 数字PID控制技术 3.4 计算机控制系统的设计,教学内容,3,一、 计算机控制系统的组成和特点,计算机控制系统是由硬件和软件组成: 计算机控制复杂的控制规律，如非线性控制、逻辑控制、自适应和自学习控制等。,3.1 计算机控制系统,4,硬件是由计算机主机、接口电路、输入/输出通道及外部设备等组成:,自动控制,5,计算机是整个控制系统的核心； 接口与I/O通道是计算机与被控对象信息交换的桥梁； 最基本的外设是操作台，它是人机对话的联系纽带。,自动控制,6,软件

2、主要是指支持系统运行并对系统进行管理和控制的程序系统。 实时软件和开发软件: 实时软件是指在进行实际控制时使用的软件； 开发软件是指在开发、测试控制系统时使用的软件。,7,自动控制,计算机控制系统特点： 完善的I/O通道； 实时控制功能； 可靠性高； 具有丰富、完善、正确反映运动规律并有效控制的软件系统。,8,二、常用的计算机控制系统,机电一体化系统多用计算机作为控制器，常用的有基于单片机、单板机、普通PC机、工业PC机和可编程控制器（PLC）等系统。,自动控制,9,上午8时29分,10,11,自动控制,12,自动控制,13,3.2 可编程序控制器,3.2.1 PLC概述 3.2.2 PLC的

3、组成及工作原理 3.2.3 PLC的编程语言 3.2.4 PLC的基本指令 3.2.5 PLC控制系统的设计,3.1 PLC概述,-PLC概述,一、产生 二、功能和特点、分类 三、基本性能指标,定义：PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的进行数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体和易于扩展其功能的原则而设计。,PLC的概念,存储程序控制： 编程方便 易于扩展 可在线修改和调试程

4、序 维护方便 可靠性高 体积小,？问题：接线程序控制： 电气装置体积大，生产周期长，接线复杂，故障率高，可靠性差，通用性差。,一、可编程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的产生,1. 四个阶段,70年代中前：逻辑运算、计时和计数； 70年代中末：功能扩展， 数据传送和比较， 模拟量运算； 70年代末 80年代中：分布式网络通信系统，可靠性提高，产品各自成系统； 80年代末后：通信系统开放，通信协议开放，用标准的软件系统，高级语言编程，CRT显示功能。,-PLC概述,(1) 微小型PLC 体小、功能强、价低、配置灵活，实现单机或小规模控制系统，如日本O

5、MRON的CQM1、德国SIEMENS的S7-200,-PLC概述,(2) 大型PLC 大型网络化、高可靠性、多功能、兼容性好，实现大规模多机控制系统。 如日本OMRON的CV2000、德国SIEMENS的S7-400,2. PLC正朝着两个方向发展:,1.3 常用PLC,二、功能和特点,-PLC概述,1.运行稳定、可靠性高 、抗干扰能力强 2.设计、使用、维护简单 3.编程语言直观易学 4.网络技术相结合 5.体积小、重量轻、能耗低,1.逻辑控制功能 2.定时、计数控制功能 3.顺序控制功能 4.数据处理功能 5.A/D和D/A转换功能 6.运动控制功能 7.过程控制功能 8.扩展功能 9.

6、远程控制功能 10.通信联网功能 11.监控功能,可编程序控制器的基本性能指标,-PLC概述,可编程序控制器的基本性能指标 （1） 输入/输出点数（I/O点数） （2） 扫描速度 （3） 内存容量 （4） 指令条数 （5） 内部寄存器 （6） 高功能模块,整体式结构PLC。将中央处理器CPU、电源部件、I/O单元集中一起，结构紧凑，体积小，价格低，小型PLC用。 组合式结构PLC。将各部分模块（CPU模块、电源,（1）按PLC的结构形式分为整体式和组合式,-PLC概述,模块、I/O模块等）独立封装，由总线相互连接，装在插槽内。大中型PLC用。,三、PLC的分类,组合式结构PLC,-PLC组成,

7、小型机：I/O点数在128点以下,（2）按控制规模分为小型机、中型机、大型机和超大型机,-PLC概述,中型机：I/O点数在128512点,大型机：I/O点数在512896点,超大型机：I/O点数在896点以上。,大型机和超大型机增联网通信、记录打印，增强编程终端的处理能力，适大规模过程控制，构成分布式系统。,3.2.1 PLC的组成 3.2.2 PLC的工作原理,3.2 PLC的组成及工作原理,-PLC概述,3.2.1 PLC的组成：,-PLC概述,1,2,4,5,6,输 出 接 口,3输 入 接 口,7,3,3,一、中央处理器CPU,CPU是PLC的运算和控制核心，控制其它部件运行，相当人的

8、大脑。 CPU由运算器、控制器和寄存器组成,-PLC组成,（4）自诊断功能： 诊断电源、内部电路的工作状态,功能： （1）从存储器中读取指令,-PLC组成,二、存储器,具有记忆功能的半导体电路,系统程序存储器：系统程序决定了PLC的基本功能，固化在系统程序存储器中，主要包括系统管理程序、用户指令解释程序、功能与系统程序等,用户程序存储器：存储用户调试程序和用户执行程序,-PLC组成,数据存储器：存储中间结果数据和组态数据,1.只读存储器 （ROM）,ROM中存放的系统程序主要包括以下内容： （1）检查程序： （2）键盘输入处理程序： （3）编程语言翻译程序： （4）监控程序： 根据实际需要调用

9、相应的内部程序,-PLC组成,2. 读写存储器（RAM）,又称随机存储器 (Random memory) 存储内容可随时读写 存放用户调试程序和逻辑变量,3. 存储器数据保持 保护用户程序、程序数据以及CPU的组态数据不丢失 EEPROM：永久保存程序 超级电容器：CPU掉电时保存完整的RAM存储器 电池卡：延长RAM存储器保持的时间,-PLC组成,三、输入/输出接口,输入输出接口是PLC主机和外部设备之间的连接电路。 光电隔离电路：由发光二极管和光电三极管组成。,-PLC组成,四、编程器,编程器是人机对话的工具，用来输入、修改和调试用户程序、监控PLC的运行情况、调整内部寄存器的参数等。,五

10、、电源,系统电源和后备电源 作用：将外部输入的交流电转换成CPU、存储器、I/O接口等电路所需直流电源,-PLC组成,（1）I/O扩展接口： 将主机与I/O扩展单元连接起来； （2）智能I/O接口：独立的微处理器和控制软件,适应和满足复杂控制要求； （3）通信接口：用于PLC 与计算机、打印机等外部设备相连，也构成集散控制系统或局域网； （4）A/D、D/A接口 其他高功能模块,六、其它接口电路,七、PLC外部设备,编程器、打印机、外存储器、EPROM写入器,-PLC组成,执行OB1中的程序 (循环执行) 事件 (日期时间中断、硬件中断等) 调用其他 OB，FB，FC,循环监视时间的开始,启动

11、块 (OB 100) 上电后执行一次,从模块读信号状态，并保存到过程映象区 (PII),把过程映象输出表(PIQ) 写到输出模块,PLC的工作原理,PLC的CPU执行用户程序、完成控制功能是以扫描工作方式进行的。,PLC的过程映象：并行执行过程,字节 0 字节 1 字节 2 : : :,PII,PIQ,CPU 存储器区,: : A I2.0,= Q4.3 : : : :,1,1,注： 输入/输出点状态的存取通过映像寄存器，而不是实际的输入/输出（I/O）点。 输入和输出映像寄存器PLC在RAM工作区将特定区域的存储单元作为输入和输出映像寄存器的存储区，PLC将存储区与输入输出I/O自动映射。

12、输出映像寄存器：存储着对应位输出“继电器”的状态 PLC对其既可读，又可写 输入映像寄存器：存储着对应位输入“继电器”开关的通/断状态 1通，0断 PLC对其只能读，不能写 作用： 使系统更加稳定：执行阶段有固定的输入，执行完更新输出映像寄存器。 执行程序更加快捷：存取快得多。 更具灵活性：可按字节、字或双字存取。,-PLC工作原理,输入端口,输出端口,输入 映射 寄存器,输出 映射 寄存器,用户 程序,PLC,高1：通,1通/高,低0：断,0断/低,PLC的应用方法,S7-300 PLC的硬件,多层组态中的 DI/DO 编址,槽 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11,模拟量模块的编

13、址,IM,256 to 270,336 to 350,352 to 366,368 to 382,304 to 318,320 to 334,272 to 286,288 to 302,(发送),槽口号 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11,电源 模块,CPU,单个模块的编址,地址 0.0 地址 0.7 地址 1.0 地址 1.7,3.3 PLC的编程语言,PLC的编程语言有 梯形图（Ladder Diagram，LAD） 语句表（Statement List，STL） 功能块图（Function Block Diagram，FBD） 控制系统流程图（Control System Flo

14、wchart） 高档PLC提供专用的高级语言和通用计算机程序设计语言。,-PLC编程语言,STL（语句表）,STL（语句表）是一种类似于计算机汇编语言的一种文本编程语言，由多条语句组成一个程序段。语句表可供习惯汇编语言的用户使用，在运行时间和要求的存储空间方面最优。在设计通信、数学运算等高级应用程序时建议使用语句表。,LAD（梯形图）,LAD（梯形图）是一种图形语言，比较形象直观，容易掌握，用得最多，堪称用户第一编程语言。梯形图与继电器控制电路图的表达方式极为相似，适合于熟悉继电器控制电路的用户使用，特别适用于数字量逻辑控制。,FBD（功能块图）,FBD（功能块图）使用类似于布尔代数的图形逻辑

15、符号来表示控制逻辑，一些复杂的功能用指令框表示。FBD比较适合于有数字电路基础的编程人员使用。,（2）工作方式：在梯形图中，左竖线为起始母线，触点闭合，能流流过，到下一个器件，若触点打开阻止能流通过。,（1）梯形图能流的方向 能流在梯形图中只单方向从左到右流动，不会产生反流。,-PLC编程语言,PLC梯形图的编程规则,（3）梯形图组成,-PLC编程语言,I：输入映像寄存器寻址 I2.0 表示第2字节的第0位，CPU对输入点采样，并将采样值存于其中。 Q：输出映像寄存器寻址 扫描结尾，CPU将其数值复制到物理输出点上。 M：位存储区寻址 可使用内部存储器标志位（M）作为控制寄存器存取中间操作状态

16、或其它控制信息。,-PLC编程语言,PLC的结构化编程,故障,循环,定时,过程,OB = 组织块 FB = 功能块 FC = 功能 SFB = 系统功能块 SFC = 系统功能,操作系统,案例：异步电动机控制回路,上午8时29分,59,第三章机电一体化系统中的PLC应用技术,上午8时29分,60,第三章机电一体化系统中的PLC应用技术,3.4 PLC的基本指令,SIMATIC S7-300系列PLC指令系统非常丰富，分为位逻辑指令、定时器和计数器指令、传送和比较指令、运算指令、程序控制指令、特殊功能指令、堆栈和时钟指令等。,-PLC基本指令,一、位逻辑指令 二、定时器和计数器指令 三、控制程序

17、编制举例,一、位逻辑指令 . 标准触点指令 . 输出操作指令 . 逻辑与操作指令 . 逻辑或操作指令 . 取非操作指令 . 串联电路的并联操作指令 . 并联电路的串联操作指令 . 置位与复位操作 . 正、负跳变操作指令,-PLC基本指令,（1）标准触点指令 常开触点：线圈不带电，触点断开（触点的状态是OFF或0），线圈带电时，触点闭合。 常闭触点：线圈不带电，触点是闭合（触点状态是1），线圈带电时，其触点断开（触点状态是0）,-PLC基本指令,（2）输出操作指令 当执行输出命令时，新值被写入存储器的指定地址位，在扫描周期中，CPU以批处理的方式将输出映象寄存器中内容传送到输出点，使输出线圈接通

18、。,-PLC基本指令,（3）逻辑与操作指令,A I0.0 A I0.1 = Q0.0,-PLC基本指令,A I0.0 O I0.1 = Q0.0,-PLC基本指令,（4）逻辑或操作指令,（5）取非操作指令,（6）串联电路的并联操作指令,串联电路的并联连接是指多个串联电路之间又构成或的逻辑操作。在执行程序时，先算出各个串联支路（与逻辑）的结果，然后再把结果的或传送到输出。 （7）并联电路的串联操作指令 并联电路的串联连接是指多个并联电路之间又构成与的逻辑操作。执行程序时，先算出各个并联支路（或逻辑）的结果，然后再把结果的与传送到输出。,-PLC基本指令,-PLC基本指令,（8）置位与复位操作指令

19、 置位操作的语句表是由操作码S、置位线圈的位地址bit和置位线圈数目n构成。 置位信号为1时，被置位线圈置1。 当置位信号变为0以后，被置位位的状态可以保持，直到使其复位的信号到来。 在执行该指令时，被置位的线圈数目是从指令中指定的位元件开始共有n个。,-PLC基本指令,复位操作指令,复位操作的语句表是由操作码R、复位线圈的位地址bit和复位线圈数目n构成。,-PLC基本指令,（8） 上、下微分（正、负跳变）操作指令,上微分是指某一位操作数的状态由0变为1的过程，即出现上升沿的过程，上微分指令可形成一个ON、一个扫描周期的脉冲。,-PLC基本指令,当负跳变触点检测到一次负跳变时，使输出接通一个

20、扫描周期，语句表由操作码“FN”构成,-PLC基本指令,A I 0.0 FN = Q0.2,S7-300PLC共有五种定时器和三种计数器。 定时器可分为接通延时定时器（SD）、断开延时定时器（SF）和脉冲定时器（SP）、扩展脉冲定时器（SE），保持型接通延时定时器(SS)。 计数器可分为增计数器（S_CU）、减计数器（S_CD）和增减计数器（S_CUD）。,二、定时器,-PLC基本指令,接通延时 (SD)定时器,例如,S处的RLO,R处的RLO,定时器操作,Q,时间值: 0 . . . 999,当定时器时间到达，没有错误且输入S= “1”时， 输出“Q” 的信号变为“1”。如果在定时时间到达前

21、输入端S从“1”变到“0”，定时器停止运行，输出Q= “0” 。,-PLC基本指令,当S端信号由0变为1时，定时器开始计时，定时器的当前时间值等于预置值减启动后的时间值， 如果S端保持为1，计时值到达后，输出端Q由0变为1，计时到达后若S端又变为0，则定时器复位，Q随之变为0； 若计时时间未到达时S端由1变为0，则定时器停止计时，当前时间值和输出Q保持不变，一旦S端又由0变为1时，定时器重新启动，从预置值开始计时。,接通延时定时器(SD),A I0.1 L S5T#500ms SD T0 A T0 = Q0.1,2. 增计数器 (CU),CU：加计数器输入端，上升沿当前值加一； S、PV：当S

22、端上升沿时，把PV端的预置数作为当前值写入计数器； R：复位输入端，R为1时，计数器被复位清0，计数器不能工作； Q：当前值为0时，Q=0，当前值不为0时，Q=1； CV：输出计数器当前值。,-PLC基本指令,计数器（CU/CD）的用法： 计数器当前值范围为0999 CD：先把PV的预置数送入计数器，当减计数器减至0时，Q从1变为0 CU：把计数器当前值送出去与某个常数进行比较，比较的结果产生一个动作,-PLC基本指令,-PLC基本指令,A I0.2 L C#20 S C1 A I0.1 R C1 A I0.0 CU C1 L C1 T MW2 A C1 = Q4.5,问题：计数器C1如图所示

23、，I0.1=0，I0.2=1，当I0.0产生了五个上升沿后，Q4.5、MW2等于多少？,实例: 有三个开关S1、S2、S3。 控制要求：只有开关S1、S2都接通时，小灯HL1才会亮，当HL1亮2秒后，小灯HL2开始亮。当开关S3接通时，两个灯就同时熄灭,-PLC编程语言,存储程序控制,思考题,用S7-300控制灯L1，当控制键SB1闭合后，L1熄灭2S，点亮1S交替闪烁，请设计相应的PLC程序实现。,例 3-1 某供料控制系统，运料小车负责向四个料仓送料，送料路上从左向右共有4个料仓（1号仓4号仓）位置开关，其信号分别由PLC的输入端I0.0、I0.1、I0.2、I0.3检测，当信号状态为1时

24、，说明运料小车到达该位置，否则说明小车没在此位置。小车行走受两个信号的驱动，Q0.0驱动小车左行，Q0.1驱动小车右行。料仓要料信号由4个手动按钮发出，从左到右（1号仓4号仓）分别为I0.4、I0.5、I0.6、I0.7。设计自动运料驱动控制程序。,-PLC基本指令,三、控制程序编制举例,M0.0 M0.1 M0.0 M0.3,编制控制程序 料仓要料状态编程：要料信号取决于I0.4到I0.7，由手动按钮产生。实际中有多个按钮同时要料的情况，确定把要料权交哪个料仓，须确定排队规则： 采取要料时刻不相同时，先要料者优先； 程序中用M寄存器代表料仓要料状态；其中M0.0M0.3分别代表1号料仓14号

25、料仓要料状态，要料满足后清零。,-PLC基本指令,M0.0 M0.1 M0.0 M0.3,运料小车的控制程序，驱动条件：1.要料料仓的位置（由M0.0M0.3决定）；2.运料小车当前所处的位置（由I0.0I0.3决定）；3.运料小车的右行、左行、停止控制（由Q0.0和Q0.1决定）。 小车运行条件,运料小车互锁条件：其中一个要料没有满足前不能进行第二个要料；小车右行时不允许左行起动，同样小车左行时也不允许右行起动。 运料小车停止条件：要料仓位与小车的车位相同时，是小车的停止条件。 运料小车右行条件：小车在1、2、3号仓位，4号仓要料；小车在1、2号仓位，3号仓要料；小车在1号仓位，2号仓要料为

26、小车右行条件。 运料小车左行条件：小车在4、3、2号仓位，1号仓要料；小车在4、3号仓位，2号仓要料；小车在4号仓位，3号仓要料为小车左行条件。,-PLC基本指令,要料互锁：14条支路 小车停止：第5条支路。小车停止后，要清除料仓要料状态信号。 小车右行：第6条支路。 小车左行：第7条支路。,编程要点,（1）控制描述 通常车道上只允许车辆通行，道口处车道指示灯保持绿色灯亮（Q0.2=1），这时不允许人跨越车道，人行道指示灯保持红色灯亮（Q0.31）。车道两侧各设有人行道开关，当有人想通过人行横道，用手按动“走人行道”开关，信号通过I0.0或I0.1送到S7-300中，执行如下时序程序。,问题：

27、用按钮控制人行道的设计,-PLC基本指令,动画演示,30s 10s 5s 10s 5s 5s.,-PLC基本指令,当有行人要通过横道（I0.0=1或I0.11）时，车道的绿灯继续保持亮30s，然后绿灯灭而黄灯亮（Q0.11）10s，10s过后，红灯亮（Q0.0=1），车辆停。当车道红灯亮5s后，人行道的红灯灭（Q0.30），绿灯亮（Q0.41）15s，行人可以过横道，这15s的后5s人行道的绿灯应闪烁，表示行人通行时间就要到了。人行道绿灯闪烁之后，人行道红灯亮，再过5s车道绿灯亮，恢复车辆通行。一个控制时序结束。直到下一个人行道开关被按下，再启动“走人行道”的时序程序，如图所示。,-PLC基本指令,PLC控制系统设计原则 （1）最大限度地满足被控对象的控制要求。 （2）在满足控制要求的条件下，力求使PLC控制系统简单、经济和使用及维护方便。 （3）保证控制系统稳定、可靠。 （4）在选择PLC容量时，应适当留有裕量便于发展生产和改进工艺的需要。 PLC控制系统设计内容 （1）选择用户输入设备如按钮、操作开关、限位开关和传感器等；输出设备如继电器、接触器、信号灯等执行机构；由输出设备驱动的控制对象如电动机、电磁阀等。