第3章 可编程控制器概述

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1、4 24 202031 05 2020 1 第三章可编程序控制器概述 4 24 202031 05 2020 2 本章主要内容 3 1PLC的产生和定义3 2PLC的主要功能及特点3 3PLC的应用和发展3 4PLC的分类3 5PLC的系统组成3 6PLC与其它控制系统的区别3 7PLC的工作原理3 8PLC的编程语言 4 24 202031 05 2020 3 3 1 1PLC的产生 GM10条 1 编程简单 可现场修改程序 2 维修方便 最好是插件式结构 3 可靠性高于继电器控制装置 4 体积小于继电器控制装置 5 数据可以直接输入管理计算机 6 可以直接用交流115V 7 输出为交流11

2、5V 容量要求2A以上 可直接驱动电磁阀 接触器等负载 8 通用性强 易扩展 扩展时原系统只需很少变更 9 用户存贮器容量大于4KB 10 性能价格比可与继电器控制装置竞争 3 1PLC的产生与定义 4 24 202031 05 2020 4 3 1 2PLC的定义 早期的可编程控制器主要是用来替代继电器控制系统的 因此功能较为简单 只能进行开关量逻辑控制 称为可编程逻辑控制器 ProgrammableLogicController 简称PLC 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统 专为工业环境而设计 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

3、操作的指令 并通过数字式和模拟式的输入和输出 控制各种类型机械的生产过程 而有关的外围设备 都应按易于与工业系统联成一个整体 易于扩充其功能的原则设计 可以认为PLC实质是一台工业控制用计算机 4 24 202031 05 2020 5 一 PLC的功能1 开关逻辑和顺序控制2 模拟控制 A D和D A控制 3 定时 计数控制4 步进控制5 运动控制6 数据处理7 通信联网 3 2PLC的功能特点 4 24 202031 05 2020 6 二 PLC的特点 1 编程简单 易于使用 2 可靠性高 抗干扰能力强 3 控制系统结构简单 通用性强 4 功能完善 5 设计 施工和调试的周期短 6 体积

4、小 重量轻 功耗低 维护操作方便 7 易于实现机电一体化 4 24 202031 05 2020 7 硬件方面措施 1 隔离 2 滤波 3 在PLC内部对CPU供电电源采取屏蔽 稳压 保护等措施 4 内部设置连锁 故障检测与诊断等电路 一旦发生故障就报警 5 外部采用密封 防尘 抗震的外壳封装结构 以适应恶劣环境 软件方面措施 设置数字滤波 故障检测与诊断程序 发现错误立即处理 封锁输出 报警 保护数据 4 24 202031 05 2020 8 3 3PLC的应用与发展 3 3 1PLC的发展状况 3 3 2PLC的发展趋势1 向小型化 专业化 低成本方向发展 2 向大容量 高速度方向发展

5、3 智能型I O模块的发展 4 基于PC的编程软件取代编程器 5 PLC编程语言的标准化 6 PLC通信的易用化 7 组态软件与PLC的软件化 8 PLC与现场总线相结合 4 24 202031 05 2020 9 一方面向着大型化的方向发展 一方面则向着小型化的方向发展 PLC向大型化方向发展 主要表现在大中型PLC高功能 大容量 智能化 网络化发展 使之能与计算机组成集成控制系统 对大规模 复杂系统进行综合的自动控制 PLC向小型化方向发展 主要表现在下列几个方面 为了减小体积 降低成本 向高性能的整体型发展 在提高系统可靠性的基础上 产品的体积越来越小 功能越来越强 应用的专业性 使得控

6、制质量大大提高 可编程序控制器的发展趋势 4 24 202031 05 2020 10 常用PLC的生产厂家 日本立石 OMRON 公司的C系列可编程序控制器 日本三菱 MITSUBISHI 公司的F F1 F2 FX2系列可编程序控制器 日本松下 PANASONIC 电工公司的FP1系列可编程序控制器 美国通用电气 GE 公司的GE系列可编程序控制器 美国艾论 布拉德利 A B 公司的PLC 5系列可编程序控制器 德国西门子 SIEMENS 公司的S5 S7系列可编程序控制器 4 24 202031 05 2020 11 国产SOC 48NE2型PLC 国产JH120H型PLC 日本FX型P

7、LC 美国通用PLC 日本松下PLC 合资产品欧姆龙PLC 德国西门子PLC 4 24 202031 05 2020 12 3 3 3PLC的应用领域 PLC已广泛应用于钢铁 采矿 水泥 石油 化工 电力 机械制造 汽车 装卸 纺织 环保和娱乐等行业 PLC的应用范围可分成5种类型 1 顺序控制如印刷机械 包装机械 机床装配生产线及电梯控制等 2 运动控制PLC把描述目标位置的数据送给模块 其输出移动一轴或数轴到目标位置 3 过程控制PLC还能控制大量的过程参数 如温度 流量 压力和液位 一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制 4 数据处理在机械加工中 PLC作为主要的控制与管理系统可以

8、完成大量的数据处理工作 5 通信网络 4 24 202031 05 2020 13 PLC的应用领域 传送带生产线控制 灌装及包装机械 木材加工 电梯控制 空调控制 纺织机械 印刷机械 4 24 202031 05 2020 14 3 4PLC的分类 一 按点数和功能分类 1 超小型机 I O点数为64点以内 内存容量为256 1000字节 2 小型机 I O点数为64 256 内存容量为1 3 6K字节 3 中型机 I O点数为256 1024 内存容量为3 6 13K字节 4 大型机 I O点数为1024以上 内存容量为13K字节以上 4 24 202031 05 2020 15 二 按结

9、构形式分类 1 整体式结构一般的小型及超小型PLC多为整体式结构 这种可编程序控制器是把CPU RAM ROM I O接口及与编程器或EPROM写入器相连的接口 输入 输出端子 电源 指示灯等都装配在一起的整体装置 西门子公司的S7 200系列PLC为整体式结构 2 模块式结构模块式结构又叫积木式 这种结构形式的特点是把PLC的每个工作单元都制成独立的模块 如CPU模块 输入模块 输出模块 电源模块 通信模块等 常见产品有OMRON公司的C200H C1000H C2000H 西门子公司的S5 115U S7 300 S7 400系列等 4 24 202031 05 2020 16 4 24

10、202031 05 2020 17 3 5PLC的系统组成 PLC专为工业现场应用而设计 采用了典型的计算机结构 它主要是由CPU 电源 存储器和专门设计的输入 输出接口电路等组成 PLC的结构框图如图所示 图3 1PLC结构框图 4 24 202031 05 2020 18 1 中央处理单元 CPU 中央处理单元 CPU 一般由控制器 运算器和寄存器组成 这些电路都集成在一个芯片上 CPU通过数据总线 地址总线和控制总线与存储单元 输入 输出接口电路相连接 它的主要功能有以下几点 接收从编程器输入的用户程序和数据 送入存储器存储 用扫描方式接收输入设备的状态信号 并存入相应的数据区 监测和诊

11、断电源 PLC内部电路工作状态和用户程序编程过程中的语法错误 执行用户程序 完成各种数据的运算 传递和存储等功能 根据数据处理的结果 刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器表的内容 以实现输出控制 制表打印或数据通信等功能 PLC常用的CPU芯片有通用微处理器 单片机和位片式微处理器 PLC的档次越高 所用的CPU的位数也越多 运算速度也越快 功能越强 4 24 202031 05 2020 19 2 存储器 PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分 系统存储器存放系统程序 并固化到ROM内 用户不能直接更改 它使PLC具有基本功能 能够完成PLC设计者规定的各项工作 其内容主要包括三部分

12、 第一部分为系统管理程序 第二部分为用户指令解释程序 第三部分为标准程序模块与系统调用 用户存储器用来存放用户编制的控制程序 它包括用户程序存储器 程序区 和数据存储器 数据区 两部分 PLC常用的存储器类型三种 1 随机存取存储器 RAM 2 只读存储器 ROM 3 可电擦除可编程只读存储器EPROM EEPROM 4 24 202031 05 2020 20 3 输入 输出单元 PLC的输入 输出信号类型可以是开关量和模拟量 输入单元接收来自用户设备的各种控制信号 通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号 并存到输入映像寄存器 运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进

13、行处理 将处理结果放到输出映像寄存器 输出映像寄存器由输出点相对应的触发器组成 输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出 以驱动被控设备的执行元件 常用开关量输入 输出接口电路有 1 输入接口电路通常PLC的输入类型可以是直流 交流和交直流 输入电路的电源可由外部供给 有的也可由PLC内部提供 4 24 202031 05 2020 21 图3 2直流输入接口电路 图3 3交流输入接口电路 4 24 202031 05 2020 22 2 输出接口电路输出接口电路按输出开关器件的种类分通常有三种类型 继电器输出型 晶体管输出型和晶闸管输出型 每种输出电路都采用电气隔离技术 电

14、源由外部提供 输出电流一般为0 5 2A 它只能带直流负载 属于直流输出方式 直流电源由用户提供 特点 寿命长 无噪音 可靠性高 可以高速通断 频率响应快 响应时间为0 2ms能满足一些直流负载的特殊要求 如直流电机 电器和高速电磁阀的驱动等 但其价格高 过载能力差 晶体管输出 如图示 4 24 202031 05 2020 23 晶闸管输出 如图示 晶闸管输出也是无触点输出 它采用光触发型双向晶闸管 它属于交流输出方式 只能带交流负载 交流电源由用户提供 特点 响应速度快 响应时间为1ms以下 寿命长 可驱动交流负载 但过载能力差 特点 它耐受电压范围宽 导通压降小 价格便宜 即可控制交流负

15、载 也可控制直流负载 但其机械触点寿命短 转换频率低 响应时间平均为10ms 触点断开时有电弧产生 容易产生干扰 继电器输出 如图示 4 电源部件5 编程器 6 扩展接口7 通信接口8 其它部件 4 24 202031 05 2020 24 1 控制逻辑继电器控制逻辑采用硬接线逻辑 而PLC采用存储器逻辑 其控制逻辑以程序方式存储在内存中 要改变控制逻辑 只需改变程序即可 故称为 软接线 2 工作方式前者属于并行工作方式 PLC属于串行工作方式 3 可靠性和可维护性4 控制速度5 定时控制6 设计和施工 PLC与继电器控制系统的比较PLC与单片机的比较PLC与工业控制计算机的比较 3 6PLC

16、与其他控制系统的区别 4 24 202031 05 2020 25 3 7PLC的工作原理 3 7 1PLC的工作方式与运行框图 4 24 202031 05 2020 26 PLC是以分时操作方式来处理各项任务的 程序的执行是按顺序依次完成相应各电器的动作 它属于串行工作方式 PLC是按集中输入 集中输出 周期性循环顺序扫描的方式工作的 每一次扫描所用的时间为扫描周期或工作周期 PLC工作的全过程可用如图3 7所示的运行框图来表示 一个扫描周期的五个阶段 内部处理 与编程器等的通信处理 输入扫描 执行用户程序 输出处理 PLC运行正常时 扫描周期与CPU的运算速度 I O点的情况 用户应用程序的长短等有关 4 24 202031 05 2020 27 PLC的运行框图 4 24 202031 05 2020 28 3 7 2PLC工作过程的中心内容 输入采样 程序执行 输出刷新这三个阶段是PLC工作过程的中心内容 PLC典型的扫描工作过程如图所示 4 24 202031 05 2020 29 1 输入采样阶段 在输入采样阶段 PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态 0 或