补充.第2章 PLC(1).ppt

1、2.4 可编程序控制器,2.4.1 概述,2.4.2 PLC的基本工作原理,2.4.3 SIMATIC S7-300 PLC及指令系统,2.4.4 可编程控制器的应用,2.4.1 概述,可编程逻辑控制器,早期,逻辑控制为主,Programmable Logical Controller PLC,现代PLC绝不意味着只有逻辑控制的功能，它是一种以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置；具有体积小，功能强，程序设计简单，灵活通用，维护方便等一系列的优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，使PLC广泛应用于各种工业领域。,2.4.

2、1.1 PLC的产生,原动力60年代末期，美国的汽车工业的迅速发展,在PLC问世以前，继电器控制在顺序控制领域中占有主导地位，但由继电器构成的控制系统对生产工艺多变化的系统适应性极差： 需要使用大量的继电器 继电器间通过硬接线相连接 一旦工艺发生或控制要求变化，需要改变控制柜内继电器系 统的硬件结构，甚至需要重新设计新系统,初 衷开发新的可编程序的控制设备取代继电器控制系统,美国数字设备公司DEC于1969年根据通用公司的要求，研制出了世界上第一台可编程序控制器PDP-14，并在的汽车生产线上获得成功应用,早期的PLC虽然采用了计算机的设计思想，但实际上它只能完成顺序控制，仅有逻辑运算、定时、

3、计数等顺序控制功能,在经历了30年的发展，现代PLC产品已经成为了名符其实的多功能控制器，如逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理等功能都得到了很大的加强和完善,与此同时，PLC的网络通信功能也得到飞速发展，PLC及PLC网络成为了工厂企业中不可或缺的一类工业控制装置。,2.4.1.2 PLC的特点,可靠性高、抗干扰能力强,功能完善，通用灵活,编程简单、使用方便,此外，PLC还具有接线简单、系统设计周期短、体积小、重量轻、易于实现机电一体化等特点，使得PLC在设计、结构上具有其它许多控制器所无法相比的优越性。,2.4.1.3 PLC的分类,2.4.1.4 PLC的发展趋势,长期以来PLC走的是

4、专有化的道路，这使其获得成功的同时也带来了许多制约因素，目前绝大多数PLC不属于开放系统，寻求开放型的硬件或软件平台成了当今PLC的主要发展目标。就PLC系统而言，现代PLC主要有以下二种发展趋势：,向大型网络化、综合化方向发展,向体积小、速度快、功能强、价格低的小型化方向发展,2.4.2 PLC基本工作原理,PLC的产品很多，不同型号、不同厂家的PLC在结构特征上各不相同，但绝大多数PLC的工作原理都基本相同。,2.4.2.1 PLC的基本组成,2.4.2.1 PLC基本组成,中央处理单元CPU,存储器,I/O接口,智能模块,接口和扩展接口模块,电源模块,编程工具,1) 中央处理单元CPU

5、PLC的核心,基本功能,通过输入装置读入外设的信号和状态，用户程序根据输入信号、状态进行处理，处理结果通过输出装置去控制外设。 外设包括：I/O模块、OP、编程器,例如： 早期的TI545串口(19.2kbps、38.4kbps) 台湾的FAMA串口、EtherNet SIEMENS S7 CPU31xMPI(187.5kbps) SIEMENS S7 CPU31x2MPI(187.5kbps) Profibus-DP(12Mbps),其它功能 网络功能*,通信速率应与系统规模相匹配。,2) 存储器,PLC常用的存储器主要有PROM、EPROM、E2PROM、RAM等几种，多数都直接集成在CP

6、U单元内部。 用于存放：系统程序、用户程序和工作数据,系统程序：指PLC的操作系统，用户不能直接访问或修改，一般存储在只读存储器ROM、PROM或EPROM。,用户程序：指用户根据系统功能编制的应用程序，在正式投运之前往往需要经常调试和改动，多存放于RAM中，并配有后备电池以防止电源丢失程序；调试完毕，可以将其转存于EPROM或E2PROM之中，以免用户程序被随意改动。,工作数据：指PLC在工作过程中经常变化、需要经常存取的数据，如：参数测量结果、运算结果、设定值，这部分数据一般存放在RAM之中。,PLC存储器的配置形式基本相同，但存储器容量随PLC规模有较大差别,3) I/O接口,I/O模块

7、的主要类型包括：模拟量输入模块（AI） 模拟量输出模块（AO） 开关量输入模块（DI） 开关量输出模块（DO）,（1）模拟量输入模块（A/D、AI）,A/D作用：将标准信号010mA、420mA、15VDC等转化为计算机可以处理的数字信号 一般是由多路转换开关、前置放大器、采样保持器、ADC（Analog to Digital Converter）等组成,A/D转换通常有二种： 逐次比较型 双积分型,逐次比较型A/D转换器,转换速率：一般小于 1 MHz（s级）,Step1：产生一个比较电压VC， VC = Vr / 21 = 0.5Vr VC与Vi相比较： (a) 若Vi = VC，则 输出

8、最高位置“1”，VC保持不变进入下一次比较 (b) 若Vi VC，则最高位置“0”，则从VC中减去Vr / 21进入下一次比较；,比较过程：设Vr为参考电压（内部固定） VC比较电压 Vi 输入电压,Step2：比较电压加上Vr / 22 VC= VC +0.25Vr ， VC与Vi进行第2次比较： (a) 若Vi = VC，则输出次高位为1，VC保持不变进入下一次比较， (b)若Vi VC，则次高位为0，则从VC中减去Vr / 22 进入下一次比较；,依此类推,逐次比较型A/D转换器的比较次数等于A/D转换器分辨率的位数,开关树的权开关状态及转换示例,示例：4位04VDC输入逐次比较型AD

9、转换器 输入2.6VDC，求转换结果。 参考电压4V 1）产生比较电压Vc（0.5Vr=2 V） ViVc，最高位置“1”，Vc不变进入下一次比较 2）产生比较电压Vc（ Vc Vc0.25Vr3V) ViVc，第3位置“1”，Vc不变进入下一次比较 4）产生比较电压Vc （ Vc Vc0.0625Vr2.75V) ViVc，第4位置“0”，转换完成 转换结果：1010,双积分型A/D转换器,双积分型A/D转换器：中等转换速率且分辨率较高，抗干扰性强(ms级),Step1：Vi 加入 积分器，积分器从0V开始积分一固定时间T， 积分器输出VT Vi TK,Step3：得出Vi的转换结果：T（V

10、iT）/ Vr,Step2：断开输入电压，负参考电压Vr 加入 积分器， 开始反向积分，由高精密计数器记录记录积分器输出从 VT 降回到0V所需要的时间T ： KVrT + KViT = 0,A/D转换的性能指标,分辨力*A/D接口变化一个LSB（二进制最低有效位）时输入模拟量的最小变化量 例：12位A/D转换器，输入范围010VDC，分辨力10/2122.44mV （通常分辨率以输入二进制数的位数来表示 ：10位、12位分辨率）,线性误差实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏差 包括偏移误差（0输入非0输出）、非线性误差等。 线性误差通常以LSB的分数表示：如 1/2LSB、1LSB

11、等,转换时间* 从启动转换到转换结束完成一次A/D转换所需要的时间,信号的隔离*,模块包含的A/D通道数*,输入信号类型单极性、双极性、信号范围、信号制,输入信号类型,A/D接口连接模式,思考题,现有一块2通道的A/D输入转换卡 一台24VDC电源 2台DDZIII型二线制变送器 变送器采用24VDC电源集中供电 每台变送器对应一个A/D输入通道。 若A/D接口允许420mA标准电流输入，请将以下设备连接起来。 若A/D接口允许05VDC标准电压输入，该如何连接？ 回路中须加接显示仪表，该如何连接？ 分析变送器的负载，若实际负载超过变送器的额定负载能力，应如何处理？ 若A/D接口各输入通道的“

12、”端共地（“”端连接在一起），连接时应注意什么？ 若变送器输出“”端现场接地，连接时应注意什么？,思考题(1，5),A/D输入的共模电压高,A/D输入共地,RE,思考题(2),A/D 通道,24VDC电源,变送器一,RL,A/D 通道,24VDC电源,变送器一,420mA 250 15VDC,仪表输入信号为电流信号：仪表地输入端有一输入电阻（阻抗），如250等 仪表输入信号为电流信号：输入阻抗很大，一般可以认为是开路。,Io,Vi,RE,思考题(3，4),显示仪表也是一个负载！ 电流输入的浮地显示仪表可以加接的位置,思考题(4), 确保 RL + RL1R其它 变送器的额定负载能力 若个负载具

13、有电压输入的能力，先将电流转化成电压信号，通过电压并联分配。,RE,思考题(6),A/D 通道,24VDC电源,变送器一,RL,隔 离 器,现场接地仪表：多为四线制仪表（电源线、信号线独立） 常见的仪表是电磁流量计,RE,（2）模拟量输出模块（D/A、AO）,D/A作用：将计算机内部的数字信号转化为现场仪表可以接收的标准信号420mA等 如： 12位数字量（04095） 420mA 2047 对应的转换结果： 12mA,D/A转换的性能指标,分辨力二进制变化一个LSB（最低有效位）时D/A输出模拟量的最小变化量 （通常分辨率以输入二进制数地位数来表示 ：10位、12位D/A转换器）,线性误差实

14、际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏差 包括偏移误差（0输入非0输出）、非线性误差等。 线性误差通常以LSB的分数表示：如 1/2LSB、1LSB等,建立时间当输入数字量变化时，输出的模拟信号稳定在相应的数值范围之内 （0.5x LSB）所经历的时间,模块包含的D/A通道数 输出信号类型电流、电压及输出范围,信号输出类型,D/A接口连接模式,模拟量输出通道的连接模式，主要取决于输出保持器的构成方式。 输出保持器的作用：在新的控制信号来到之前，使本次控制信号维持不变。 输出保持器一般有数字保持方案和模拟保持方案两种。,单通路DA转换器输出形式 (数字保持),单通路DA输出形式： 微处理器

15、和通路之间通过独立的接口缓冲器传送信息 优点： 转换速度快、工作可靠，即使某一路DA转换器有故障，也不会影响其它通路的工作。 缺点：使用了较多的DA转换器。 随着大规模集成电路技术的发展，该缺点正在逐步得到克服。,多通路DA转换器输出形式 (模拟保持),多通路DA转换器输出形式： 必须在CPU控制下分时工作，即依次把DA转换器转换成的模拟电压（或电流），通过多路模拟开关传送给输出保持器。 优点：节省了数模转换器 缺点：只适用于通路数量多且速度要求不高的场合。 它还要用多路开关 要求输出采样保持器的保持时间和采样周期较大 其可靠性相对较低。,思考题,现有一D/A输出卡 若D/A输出卡为15VDC

16、电压输出，而负载要求为420mA电流，请结合DDZ-III型调节器输出电路设计一个V/I转换电路。 请分析这部分电路的原理，这部分电路是否具备手动跟踪自动的功能？ 如何实现计算机自动跟踪手动？,思考题1,RE,VT = 0 VF = (Vi + Vo)/2 VT = VF Vo = Vi Io = (0( Vi) / Rh = Vi / Rh,将15VDC电压输出，转化为420mA电流： Rh = 250 ,思考题2、3,RE,手自动切换：K1切换开关 手动操作按钮：“增”、“减”按钮 自动：若Vi Vo，Vo =Vf， Vo1 0 Vo ,(3) 开关量输入模块（DI）,DI作用：将现场过程

17、来的数字量信号（“1”/“0”）转换成PLC内部的TTL标准电平的二进制信号,数字量信号类型：直流电压*、交流电压*、无源接点等3种类型,转换过程： 现场信号 电平和格式的转换 光电隔离和滤波 输入缓冲区（映像区）,直流电压输入DI,当开关K闭合以后，输入现场信号“1”,外部电压经R1、R2分压，稳压二极管DW形成稳定的输入电压,输入指示二极管D1和光电耦合器 T 的发光二极管点亮，并驱动光电三极管导通，把现场开关量信号转换为CPU需要的TTL标准信号。,电容C和R2构成了输入滤波电路，可以滤除输入信号的高频干扰,交流电压输入DI,电容C为隔直电流，对交流信号相当于短路, D1是二个反向并联连

18、接的发光二极管，实现输入信号指示,光电耦合器T的发光二极管也是通过二个发光二极管反向并联连接而成，所以该输入单元可以接收交流输入信号,思考题,如何利用一块开关量输入模块，接收多种不同类型的开关量输入信号 （24VDC、5VDC、15VAC）,(4) 开关量输出模块（DO）,DO作用：将PLC（CPU）内部信号电平转换成过程所需要的外部信号电平 驱动电磁阀、继电器、接触器、指示灯、小型电机等各种负载设备。,输出信号类型：晶体管输出（直流） 晶闸管输出（交流） 继电器输出（无源接点）,转换过程： 现场信号 电平和格式的转换 光电隔离 输出缓冲区（映像区）,晶体管输出DO,D1是输出指示二极管，D2

19、是负载续流二极管，D3是保护二极管,当输出状态为“1”时，输出指示二极管D1点亮，光电耦合器T导通，三极管T1饱和导通，负载电源接通；,当输出状态为“0”时，D1指示灯灭，T、T1均截止，负载电源断开,晶闸管输出DO,D1输出指示二极管，R2C阻容吸收电路，T双向光控晶闸管 (可控硅),当输出状态为“1”时，输出指示二极管D1点亮，光电耦合器T导通，外接电源交流电源可以双向导通，负载电源接通 ；,当输出状态为“0”时，D1指示灯灭，T截止，负载电源断开 。,继电器输出DO,D1是输出指示二极管，J是小型直流继电器输出一对无源触点,当输出状态为“1”时，输出指示二极管D1点亮，继电器J 的线圈上

20、电，继电器触点吸合，负载回路闭合 ；,输出状态为“0”时，D1指示灯灭，J 触点断开，负载回路断开 。,比 较,从响应速度看：晶体管输出响应最快，继电器输出响应最慢,晶体管为无触点输出，使用寿命长，继电器触点的电气寿命有限，一般为1030万次，在动作频繁的场合不宜选用继电器输出的DO模块,思考题, 如何在同一块开关量输出模块上产生多种不同类型的开关量输出信号（直流电压、交流电压、无源触点）。 如何在开关量输出端口加接AM切换和手动操作部件。,思考题2,3 )智能模块,智能模块：是一个较独立的计算机系统，具有CPU、数据存储器、应用程序、I/O接口、总线接口等，完成一些特定的功能。 智能模块：是

21、PLC系统的一个单元，通过系统总线与主CPU进行数据交换，一般不参与PLC的循环扫描过程，而是在主CPU的协调管理下，按照自身的应用程序独立地参与系统工作 以SIEMENS PLC为例： 高速计数模块（FM350-1、IP242B） 智能调节控制模块（FM355） 开环步进电机定位模块（IP247） 通信处理器（CP443-1）。,4) 接口模块,配置方式：根据应用对象的不同，可选用不同型号和数量的I/O模块，并把这些模块安装在一个或多个机架上,5) 电源模块,电源模块：PLC一般配有开关式稳压电源（24VDC）供内部电路使用。 与普通电源相比：开关电源的输入电压范围宽、稳定性好、体积小，重量

22、轻，效率高，抗干扰能力强。例如：S7-300、S7-400系列PLC配有多种功率的专用开关式稳压电源模块PS307和PS407。 说明：专用24VDC开关电源，可以给二线制变送器等现场仪表供电。 普通24VDC开关电源一般不可以给变送器供电（纹波大）。,6) 编程工具,编程工具 ：编制和调试应用程序、设置系统环境、在线监视或修改运行状态和参数。主要有：专用编程器 和专用编程软件,专用编程器：由PLC生产厂家提供，只能适用于特定PLC的软件编程装置。 专用编程器一般有 简易编程器 和 图形编程器 二种 简易编程器：一般只能编辑语句表指令程序，不能直接编辑梯形图程序，多用于小型PLC的编程或者用于

23、PLC控制系统的现场调试和维修 。 图形编程器 ：本质上是一台便携式专用计算机系统，可以编制多种指令程序，功能强。,专用编程软件：世界上各主要PLC生产厂家都提供了在个人计算机上运行的，借助于相应的通信接口装置，用户可以在个人计算机上通过专用编程软件进行程序编辑、调试等各种功能，而且专用编程软件一般可适用于一系列的PLC系统，专用编程软件是多数用户首选的编程装置。,2.4.2.2 PLC的基本工作原理,1 ) PLC的循环扫描工作过程 2 ) PLC的I/O响应滞后 3 ) PLC的程序设计语言,1) 循环扫描工作过程,工作方式：分时操作、循环顺序扫描 CPU从首条指令开始顺序逐条地执行，到用

24、户程序结束，然后开始新一轮扫描 扫描过程： 上电初始化 一般处理扫描 数据I/O操作 用户程序的扫描 外设端口服务 扫描周期：每一次扫描所用的时间 PLC扫描周期与PLC的硬件特性和用户程序长短有关，典型值一般为几十ms, 上电初始化,上电源对I/O、继电器、定时器进行清零或复位处理，消除各元件的随机性；检查I/O单元的连接, 数据I/O操作,数据I/O包括：输入信号采样 和 输出信号更新 二种操作 输入信号传输过程： 现场仪表产生的输入信号 PLC输入端子 经输入调理（隔离、滤波、电平转换等） 进入缓冲区等待采样 输入映象区（在每一个扫描周期PLC定时采集） 在PLC的存储器中，有一段与输入端子相对应的数据区，专门存放I/O数据，称为输入映像区。执行用户程序所需现场信息都从输入映象区取用。, 用户程序的扫描,用户程序扫描机制：PLC根据先左后右、