《机电一体化技术》课件-第六章 可编程控制器技术

第六章可编程控制器技术6.1可编程控制器概述目

录什么是可编程控制器1可编程控制器的发展历程25可编程控制器的基本组成4可编程控制器的应用领域目前市面上常见的可编程控制器36可编程控制器的工作原理什么是可编程控制器IEC（国际电工委员会）的标准定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计。它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指令。并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。简称PLC。把可编程控制器简单理解为，专为工业环境应用而设计的工业电脑。可编程控制器的发展历程传统的生产机械自动控制装置→继电器控制系统优点→结构简单、价格低廉、容易操作。缺点→体积庞大、生产周期长、接线复杂、故障率高、可靠性及灵活性差。比较适用于工作模式固定，控制逻辑简单等工业应用场合。用户迫切需要一种先进的自动控制装置来替代传统的继电器控制系统。1968年美国通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，提出要研制一种新型的工业控制装置来取代传统继电器控制装置，故而拟定了10项公开招标的技术要求。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,并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功。这种新型的装置凭其优点很快在美国得到推广，也受到了世界上很多国家的重视。日本及西欧国家分别于1971年和1973年研制出了他们的第一台PLC。我国于1974年开始研制，1977年开始应用于工控领域。目前市面上常见的可编程控制器有哪些目前市面上常见的可编程控制器有两种德国西门子公司生产德国西门子公司生产在接下来的讲解中，我们主要以德国西门子公司的S7-200型作为讲解对象。可编程控制器的应用领域开关量逻辑控制，例如自动生产线的应用；运动控制，主要体现在装配机械、机器人的应用中；闭环过程控制，广泛应用于加热炉、锅炉；数据处理和通信联网，主要体现在PLC与其他智能控制设备之间的通信。可编程控制器的应用领域在各行各业的具体应用中，主要体现为以下几个方面传送带生产线控制电梯控制灌装及包装机械工业机器人领域PLC可通过I/O端口实现信号与机器人的相互传输。可编程控制器的基本组成可编程控制器主要由CPU存储器基本I/O接口电路外设接口编程装置电源可编程控制器的基本组成我们以CPU224型为例，可以看到其输入、输出、CPU、电源模块均装设在一个基本单元的机壳内，是典型的整体式结构。当系统需要扩展时，选用需要的扩展模块与基本单元连接。可编程控制器的基本组成CPU前面板上用两个发光二极管显示当前工作方式，绿色指示灯亮，表示为运行状态，红色指示灯亮，表示为停止状态，在标有SF指示灯亮时表示系统故障，PLC停止工作。（1）STOP（停止）（2）RUN（运行）

可编程控制器的工作原理循环扫描工作方式可编程控制器的工作原理PLC在开始执行程序之前，首先扫描输入端子，按顺序将所有输入信号，读入到寄存输入状态的输入映像寄存器中，这个过程称为输入采样，称输入刷新。PLC在运行程序时，所需的输入信号不是现时取输入端子上的信息，而是取输入映像寄存器中的信息。在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，只有到下一个扫描周期输入采样阶段才被刷新。PLC完成了输入采样工作后，按顺序从0000号地址开始的程序进行逐条扫描执行，并分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中获得所需的数据进行运算处理，再将程序执行的结果写入输出映像寄存器中保存。但这个结果在全部程序未执行完之前不会送到输出端子上。执行完用户所有程序后，PLC将输出映像寄存器中的内容送到输出锁存器中进行输出，驱动用户设备。小结什么是可编程控制器。通过本节课的学习,我们了解了可编程控制器的应用领域、特点、基本组成。市面上常见的可编程控制器的类型、工作原理。第六章可编程控制器技术6.2可编程控制器的语言目

录顺序功能图（SFC）1梯形图（LAD）2国际电工委员会于1994年公布了PLC标准，详细说明了以下5种编程语言：功能块图（FBD）3指令表（STL）4结构化文本（ST）5本节课我们重点介绍前两种，顺序功能图以及梯形图。梯形图（LAD）梯形图的定义用梯级图形符号来描述程序的一种程序设计语言，来源于继电器逻辑控制系统的描述。同时也是使用最多的PLC图形编程语言。所有PLC厂商和产品均支持梯形图语言编程，但各家的某些细节略有不同。梯形图编程要素梯形图的定义♦触点♦线圈♦功能框触点代表逻辑输入条件，例如外部的开关、按钮和内部条件等；线圈通常代表逻辑输出结果，例如灯、接触器、中间继电器等；功能框代表一些较复杂的功能指令，例如定时器、计数器、数学运算等。梯形图编程要素同时在梯形图中我们也需要理解另外两个概念触点线圈指令盒左母线右母线♦母线母线指的是梯形图中两侧垂直的公共线，分为左母线和右母线，左母线是绝对不可以省略的，右母线可以省略；♦能流为了分析各元件输入/输出关系我们引入了一种假象电流，称为能流，但实际上能流并不存在。梯形图编程基本原则1.程序应按照自上而下，从左至右的顺序编写。2.触点电路块画在梯形图的左边，线圈画在梯形图的右边。3.触点应画在水平线上，不能画在垂直分支线上。4.同一操作数的输出线圈在一个程序中不能使用两次，不同操作数的输出线圈

可以并行输出。梯形图编程基本原则5.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

来连接，因为该位的值始终为1。同时为了提高程序的执行效率，需要适当的安排编程顺序，以减少程序的步数。梯形图编程技巧首先，在有几个串联电路相并联时，应将触点最多的支路放在梯形图的最上面。其次，在有几个并联回路相串联时，应将触点最多的并联回路放在梯形图的最左边，这样的安排使程序简洁明了，指令语句也较少。在有线圈的并联电路中，将单个线圈放在上面。在进行梯形图编程时，输入部分满足左重右轻，上重下轻，输出部分满足上轻下重的原则。顺序功能图（SFC）1994年公布的PLC标准中被确定为PLC首位的编程语言，常用来编制顺序控制类程序♦定义♦例如在自动生产线上的装配单元中可利用顺序功能编程法将复杂的控制过程分解为一些具体的工作状态，把具体的功能分别处理后，再把这些具体的状态按照一定的顺序控制要求，组合成整体的控制程序。♦具体流程为首先根据系统的工艺过程，画出顺序功能图，然后根据顺序功能图画出梯形图。顺序功能图的主要元素顺序功能图主要由步、有向连线、转换、转换条件和动作组成。步又名状态，表示系统的某一种工作状态，用矩形框表示，方框中用数字表示该步的编号，每个顺序功能图中至少有一个初始步，一般是系统等待启动命令的相对静止的状态。有向连线代表活动步的先后次序。一般步的习惯进展方向是从上到下或从左到右。如果在这两个方向上的有向箭头可以省略，如果不是，则必须注明进展方向。顺序功能图的主要元素转换用有向连线和垂直于有向连线的短画线来表示，转换将相邻两步分隔开。转换实现的条件为该转换所有的前级步都为活动步且相应的转换条件得到满足，转换实现后该转换的后续步变为活动步，前级步变为不活动步。转换条件指的是使系统由当前步进入下一步的信号，可以是外部的输入信号，也可以是PLC内部产生的信号，还可能是若干个信号的逻辑组合。动作指的是在每个稳定的状态下，可能产生的与状态对应的动作，只有当对应的步被激活时才被执行。顺序功能图的主要元素通过示例图来具体认识一下顺序功能图的要素。在该过程中，共有四步（M0.0、M0.1、M0.2、M0.3），初始步为M0.0，每一步均有对应的动作，步与步之间也有相应的转换条件。绘制顺序功能图的注意事项1.两个步之间必须用一个转换隔开，两个步绝对不能直接相连。2.两个转换之间必须用一个步隔开，两个转换也不能直接相连。3.初始步不可少。4.在顺序功能图中一般应有步和有向连线组成的闭环，即在一次工艺过程的全部操作后，应从最后一步返回初始步，系统停留在初始状态（单周期操作）绘制顺序功能图的注意事项在连续循环工作方式时，应从最后一步返回下一工作周期开始运行的第一步。换句话说，在顺序功能图中不能有“到此为止”的死胡同。5.在顺序功能图中，只有当某一步的前级步是活动步时，该步才有可能变成活动步。一般初始步可以考虑采用初始化脉冲SM0.1来激活。顺序功能图的基本结构在顺序功能图的实际应用中，可分为单序列、选择序列、并行序列和混合序列。我们对前三种进行一下简单认知。♦单序列由一系列相继激活的步组成，每一步的后面仅有一个转换，每一个转换的后面只有一个步。顺序功能图的基本结构♦选择序列在一步后有若干个单序列，且一次仅能选择进入其中的一个序列。顺序功能图的基本结构♦并行序列在某一转移条件下，同时启动若干个序列，只要转移条件满足，其下所有序列都将同时被执行。总结通过本节课的学习，我们了解了可编程控制器的编程语言梯形图和顺序功能图的要素、基本原则、编程技巧第六章可编程控制器技术6.3变频器基本知识目

录掌握变频器的工作原理1掌握变频器的分类2掌握变频器的面板操作原理与调试43掌握变频器的发展趋势变频器基本知识随着工业自动化程度的不断提高，变频器在机电一体化产品中应用非常广泛，例如，数控机床，工业机器人，电动汽车，变频空调，全自动洗衣机等等。一、变频器的概念和作用是变频器是将固定频率的交流电变换为频率连续可调的交流电的装置。能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。变频器一、变频器的概念和作用德国西门子公司生产的MICROMASTER420（缩写为MM420）是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。变频器二、变频器的工作原理交流电动机的异步转速表达式位：n＝60f(1－s)/p(1)其中：n———异步电动机的转速；f———异步电动机的频率；s———电动机转差率；p———电动机极对数。由公式(1)可知，电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电机的极对数有关系，因而交流电动机的直接调速方式主要有变极调速(调整P)、转子串电阻调速或串级调速或内反馈电机(调整s)和变频调速(调整f)等。变频调速：由转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。工作原理三、变频器的分类（1）交一交变频器

3.1变频器的分类它是将频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源，但其连续可调的频率范围较窄，一般在额定频率的1／2以下，故主要用于容量较大的低速拖动系统中。（2）交一直一交变频器

先将频率固定的交流电整流后变成直流，再经过逆变电路，把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。三、变频器的分类3.2交直交通用变频器系统框图四、变频器的面板操作与调试4.1认识MM420变频器操作面板起动变频器停止变频器改变电动机的转动方向增加/减小数值状态显示电动机点动功能访问参数BOP操作面板四、变频器的面板操作与调试4.1认识MM420变频器操作面板四、变频器的面板操作与调试4.1认识MM420变频器操作面板四、变频器的面板操作与调试4.1认识MM420变频器操作面板四、变频器的面板操作与调试4.2参数设置4.2.1MM420参数分类

（1）显示参数显示参数为只读参数，以r××××表示，典型的显示参数为频率给定值、实际输出电压、实际输出电流等（2）设定参数设定参数为可读写的参数，以p××××表示，设定参数可以用基本操作面板，高级操作面板、或通过串行通信接口进行修改，使变频器实现一定的功能。四、变频器的面板操作与调试4.2参数设置4.2.2访问级

变频器的参数有4个用户访问级，标准访问级，扩展访问级，维修级。访问的等级由参数p0003来选择。对于大多数应用对象，只要访问标准级（p0003=1）和扩展级（p003=2)参数就够了。每组功能中出现的参数号取决于p0003中的访问级。具体细节参看参数表。四、变频器的面板操作与调试4.2参数设置4.2.3参数设置

MM420在缺省设置时，用BOP控制电动机的功能是被禁止的。如果要用BOP进行控制，参数P0700应设置为1，参数P1000也应设置为1。用基本操作面板(BOP)可以修改任何一个参数。修改参数的数值时，BOP有时会显示“busy”，表明变频器正忙于处理优先级更高的任务。下面就以设置P1000=1的过程为例，来介绍通过基本操作面板(BOP)修改设置参数的流程，见表。四、变频器的面板操作与调试4.2参数设置基本操作面板(BOP)修改设置参数流程四、变频器的面板操作与调试4.3变频器调试步骤参数复位----快速调试----功能调试4.3.1参数复位参数复位是将变频器参数恢复到出厂状态下默认值的操作。一般在变频器出厂和参数出现混乱时进行操作。恢复变频器工厂默认值，设定P0010=30和P0970=1，按下P键，开始复位。4.3.2快速调试快速调试是指通过设置电动机参数和变频器的命令源及评论给定源，从而达到简单快速运转电动机的一种操作模式。快速调试状态需要用户输入电动机的相关参数和一些基本驱动控制参数，使变频器可以良好的驱动电动机运转。一般在复位操作或者更换电动机后需要进行此操作。四、变频器的面板操作与调试4.3变频器调试步骤电动机参数设置参数号出厂值设置值说明P000311设定用户访问级为标准级P001001快速调试P010000功率以KW表示，频率为50HzP0304230380电动机额定电压（V）P03053.251.05电动机额定电流（A）P03070.750.37电动机额定功率（KW）P03105050电动机额定频率（Hz）P031101400电动机额定转速（r/min）四、变频器的面板操作与调试4.3变频器调试步骤面板基本操作控制参数参数号出厂值设置值说明P001000正确地进行运行命令的初始化P000407命令和数字I/OP070021由键盘输入设定值（选择命令源）P000311设用户访问级为标准级P0004010设定值通道和斜坡函数发生器P100021由键盘（电动电位计）输入设定值P108000电动机运行的最低频率(Hz)P10825050电动机运行的最高频率(Hz)P000312设用户访问级为扩展级P0004010设定值通道和斜坡函数发生器P1040520设定键盘控制的频率值(Hz)P1058510正向点动频率(Hz)P1059510反向点动频率(Hz)P1060105点动斜坡上升时间（s）P1061105点动斜坡下降时间（s）四、变频器的面板操作与调试4.3变频器调试步骤4.3.3功能调试功能调试是指用户按照具体生产工艺的需要进行的设置操作。对变频器、电动机组成的驱动系统进行自适应或优化，保证其特性符合特定应用对象的要求。变频器可以提供许多功能,但是，对于一个特定的应用对象来说，并不是所有这些功能都需要投入。在进行“应用调试”时，这些不需要投入的功能可以被跳跃过去。常见的功能有：开关量输入功能斜坡上升、下降时间频率限制多段速功能四、变频器的面板操作与调试4.3变频器调试步骤4.3.3功能调试MM420变频器的3个数字输入端口，即端口“5”、“6”、“7”，每一个数字输入端口功能很多，用户可根据需要进行设置。参数号P0701~P0703为与端口数字输入1功能至数字输入3功能，每一个数字输入功能设置参数值范围均为0~99，出厂默认值均为1。以下列出其中几个常用的参数值，各数值的具体含义见表。（1）开关量输入功能四、变频器的面板操作与调试4.3变频器调试步骤4.3.3功能调试（1）开关量输入功能数字输入端口功能参数值功能说明0禁止数字输入1ON/OFF1（接通正转、停车命令1）2ON/OFF1(接通反转、停车命令1)3OFF2（停车命令2），按惯性自由停车4OFF3（停车命令3），按斜坡函数曲线快速降速9故障确认10正向点动11反向点动12反转13MOP（电动电位计）升速（增加频率）14MOP降速（减少频率）15固定频率设定值（直接选择）16固定频率设定值（直接选择+ON命令）17固定频率设定值（二进制编码选择+ON命令）25直流注入制动四、变频器的面板操作与调试4.3变频器调试步骤4.3.3功能调试斜坡上升、下降时间即加速、减速时间，分别指电动机从静止状态加速到最高频率所需要的时间和从最高频率减速到静止状态所需要的时间。p1120、p1121分别为加速、减速时间参数。（2）斜坡上升、下降时间p1080、p1082分别为最低频率、最高频率参数。这两个参数用于限制电动机的最低和最高运行频率，不受频率给定源的影响。（3）频率限制四、变频器的面板操作与调试4.3变频器调试步骤4.3.3功能调试多段速功能也称固定频率。就是在设置参数p1000=3的条件下，用开关量端子选择固定频率的组合。实现电动机多段速运行。可通过如下三种方式实现：（a）直接选择（P0701-P0703=15）在这种操作方式下，一个数字输入选择一个固定频率。p1080、p1082分别为最低频率、最高频率参数。这两个参数用于限制电动机的最低和最高运行频率，不受频率给定源的影响。（4）多段速功能四、变频器的面板操作与调试4.3变频器调试步骤4.3.3功能调试多段速功能也称固定频率。就是在设置参数p1000=3的条件下，用开关量端子选择固定频率的组合。实现电动机多段速运行。可通过如下三种方式实现：（b）直接选择+ON命令（P0701-P0703=16）。在这种方式下数字量输入既选择固定频率，又具备启动功能。直接选择（P0701-P0703=15）（4）多段速功能四、变频器的面板操作与调试4.3变频器调试步骤4.3.3功能调试多段速功能也称固定频率。就是在设置参数p1000=3的条件下，用开关量端子选择固定频率的组合。实现电动机多段速运行。可通过如下三种方式实现：（c）二进制编码选择+ON命令（P0701-P0703=17）。使用这种方法最多可以选择7个固定频率。（4）多段速功能频率设定DIN3DIN2DIN1P1OO1001P1OO2010P1OO3011P1OO4100P1OO5101P1OO6110P1OO7111五、变频器的发展趋势5.1变频器的发展趋势

日本三菱公司将功率芯片和控制电路集成在一快芯片上的DIPIPM（即双列直插式封装）的研制已经完成并推向市场。一种使逆变功率和控制电路达到一体化，智能化和高性能化的HVIC（高耐压IC）SOC（SystemonChip）的概念已被用户接受，首先满足了家电市场低成本、小型化、高可靠性和易使用等的要求。因此叶以展望，随着功率做大，此产品在市场上极具竞争力。

（1）主控一体化五、变频器的发展趋势5.1变频器的发展趋势

用日本富士（FUJI）电机的三添胜先生的话说，变频器的小型化就是向发热挑战。这就是说变频器的小型化除了出自支撑部件的实装技术和系统设计的大规模集成化，功率器件发热的改善和冷却技术的发展已成为小型化的重要原因。ABB公司将小型变频器定型为Comp－ACTM，他向全球发布的全新概念是，小功率变频器应当象接触器、软起动器等电器元件一样使用简单，安装方便，安全可靠。

（2）小型化五、变频器的发展趋势5.1变频器的发展趋势

今后的变频器都要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC国际标准,主要做法是在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正（ActivePowerFactorCorrection．APFC）电路，改善输入电流波形降低电网谐波以及逆变桥采取电流过零的开关技术。而控制电源用的开关电源将推崇半谐振方式，这种开关控制方式在30－50M时的噪声可降低15－20dB。（3）低电磁噪音化五、变频器的发展趋势5.1变频器的发展趋势

通用变频器中出现专用型家族是近年来的事。其目的是更好发挥变频器的独特功能并尽可能地方便用户。如用于起重机负载的ACC系列，用于交流电梯的SiemensMICO340系列和FUJIFRN5000G11UD系列，其他还有用于恒压供水、机械主轴传动、电源再生、纺织、机车牵引等专用系列。（4）专用化五、变频器的发展趋势5.1变频器的发展趋势

作为发展趋势，通用变频器从模拟式、数字式、智能化、多功能向集中型发展。最近，日本安川提出了以变频器，伺服装置，控制器及通讯装置为中心的”D&M&C”概念，并制定了相应的标准。目的是为用户提供最佳的系统。因此可以预见在今后．变