第2章 可编程控制器基础

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1、第1章电器控制基本知识 授课教师 胡敏联系方式 13957505036 第2章可编程控制器基础 教学提示 可编程控制器是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术 计算机技术 自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置 目的是用来取代继电器 执行逻辑 记时 计数等顺序控制功能 建立柔性的程控系统 本章主要介绍了关于PLC的基础知识 包括可编程控制器的由来和发展 性能指标与分类 其特点和基本应用以及可编程控制器的工作原理 本章的最后对之后章节所运用的三菱FX系列可编程控制器做了相关介绍 这些知识都是PLC的入门知识 因此对初学者来说显得特别重要 教学目标 本章重点介绍了PLC的历史发展

2、功能特点 工作原理 硬件结构和编程语言 通过对本章内容的学习 使得PLC的初学者了解到 什么是PLC PLC与其它控制装置的区别以及PLC的工作机制 2 1可编程控制器的由来 2 2可编程控制器的发展 2 3可编程控制器的性能指标与分类 2 4可编程控制器的特点和基本应用 2 5可编程控制器的工作原理 2 6三菱FX系列可编程控制器介绍 2 1可编程控制器的由来 可编程序控制器 ProgrammbleController 简称PC 为了和个人计算机简称PC作区分 所以多数书中还是沿用可编程序控制器的旧称PLC 1968年 美国通用汽车公司首先提出了可编程控制器的概念 并提出了它的相关指标 1

3、编程方便 现场可修改程序 2 维修方便 采用模块化结构 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 数据可直接接入管理计算机 6 成本可与继电器控制装置竞争 7 输入可以为市电 8 输出为市电 输出电流在2A以上 能直接驱动电磁阀 接触器等 9 在扩展时 原系统只需要少量的变更 10 用户程序存储量至少能扩展到4KB 2 2可编程控制器的发展 可编程控制器的发展趋势主要表现在以下几个方面 1 从技术上来看随着计算机技术更多地应用到PLC的设计和制造上 PLC会向速度快 容量大 功能广 性能稳定 性价比高的方向发展 2 从规模上看随着PLC应用领域的不断扩大 为了适应市场需求

4、PLC会向两个方向发展 一个是向小型化 专用化和低价格的方向发展 以进行单机控制 另一个是向大型化 高速度 多功能和分布式全自动网络化方向发展 以适应现代化的大型工厂 企业自动化的需求 3 从配套上看现代工业要求为其生产控制与生产管理提供一种统一的解决方案 因而各大PLC厂商均努力提高全面解决问题的能力 有的厂商提出了全集成自动化的概念 随着PLC功能的不断扩大 PLC产品会向规格更齐备 品种更丰富的方向发展 4 从标准上来看随着IEC1131标准的诞生 各厂家或同一厂家不同型号的PLC将打破互不兼容的格局 使PLC的通用信息 设备特性 编程语言等向IEC1131标准的方向靠拢 而最终实现通用

5、 5 从网络通信上来看随着PLC和其他工业控制计算机组构成大型控制系统以及现场总线的发展 PLC将向着网络化和通信简易的方向发展 2 3可编程控制器的性能指标与分类 2 3 1可编程控制器的性能指标 2 3 2可编程控制器的分类 2 3 1可编程控制器的性能指标 PLC的技术性能指标有一般指标和技术指标两种 一般指标主要指PLC的结构功能情况 是用户选用PLC时必须首先了解的 技术指标又可分为一般的性能规格和具体的性能规格 一般性能规格是指使用PLC时应注意的问题 主要包括电源电压 允许电压波动范围 耗电情况 直流输出电压 绝缘电压 耐压情况 抗噪声性能 耐机械振动及冲击情况 使用环境温度和湿

6、度 接地要求 外型尺寸 质量等硬件指标 具体性能规格是指PLC所具有的技术能力 也就是软件指标 机型不同该指标相差悬殊 这项指标的高低反映PLC的运算规模 1 I O点数I O点数是指PLC的外部输入 输出端子数 2 内部继电器和内部寄存器包括辅助继电器 特殊的辅助继电器 定时器 计数器和通用寄存器 特殊寄存器 变址寄存器等 3 用户程序存储量PLC用户程序存储器用于存储通过编程器编入的用户程序 通常用K字 KW K字节 KB K位来表示 4 扫描时间扫描时间是指PLC执行一次解读用户逻辑程序所需的时间 反映了PLC的扫描速度 5 编程语言及指令系统PLC常用的语言有梯形图语言 助记符语言 流

7、程图语言及某些高级语言等 目前使用最多的是前两种 不同的PLC具有不同的编程语言 6 特殊功能模块PLC除了具有实现基本功能的主控模块外 还可配置特殊功能模块来实现一些专门功能 7 工作环境一般PLC的工作温度为0 55 最高为60 储藏温度为 20 85 相对湿度为5 95 空气条件 周边不能混有可燃性 易爆性和腐蚀性气体 8 耐振动 冲击性能一般PLC能承受的振动 冲击频率为10 55Hz 振幅为0 5mm 加速度为2g 冲击为10g 1g 10m s2 1 按结构形式分类1 整体式 箱体式 整体式结构的PLC是将PLC基本部件 如CPU 存储器 输入输出部件和电源等集中配置在一起 安装在

8、一个金属或塑料机壳内 机壳的上下两侧是输入输出接线端子 配有反映输入输出状态的微型发光二极管 构成PLC的一个基本单元 主机 或扩展单元 整体式结构的PLC具有结构紧凑 体积小巧 重量轻 价格低等优势 适用于嵌入控制设备的内部 常用于单机控制 2 3 2可编程控制器的分类 2 模块式模块式PLC是把各个组成部分CPU I O 电源等分开 做成独立的功能模块 各模块做成插件式 插入机架底板的插座上 用户可以按照控制要求 选用不同档次的CPU模块 各种I O模块和其他特殊模块 构成不同功能的控制系统 模块式结构的PLC配置灵活 组装方便 扩展容易 其I O点数的多少 输入点数与输出点数的比例 I

9、O模块的使用等方面的选择余地都比整体式PLC大得多 其缺点是结构较复杂 造价也较高 所以系统复杂 要求较高的大 中型PLC都采用这种结构3 叠装式PLC将整体式和模块式的特点结合起来 就构成了所谓的叠装式PLC 叠装式PLC集整体式PLC与模块式PLC优点于一身 它不但系统配置灵活 而且体积较小 安装方便 2 按输入 输出点数分类1 小型PLC其存储器容量一般在2 4KB之间 I O点数一般在256点以下 小型PLC具有逻辑运算 定时和计数等功能 适合于开关量控制 定时和计数控制等场合 常用于代替继电器控制的单机线路中 2 微型PLCI O点数小于32点的PLC称为微型 超小型 PLC 这种迷

10、你型的PLC适用于最小的封装 是希望低成本的用户在有限的I O范围内寻求功能强大的控制的首选机种 3 中型PLC中型PLC的存储容量一般8KB左右 I O点数一般在128 512之间 除具有逻辑运算 定时和计数功能外 还具有算术运算 数据传输 通信联网和模拟量输入输出等功能 适用于既有开关量又有模拟量的较为复杂的逻辑控制系统以及连续生产的过程控制场合 4 大型PLC大型PLC的存储器容量一般在16 64KB之间 I O点数一般在512 8192之间 其性能已经与工业控制计算机相当 除具有上述中型机的功能外 还具有多种类 多信道的模拟量控制以及强大的通信联网 远程控制等功能 有些PLC还具有冗余

11、能力 5 超大型PLC存储器容量和I O点数比大型PLC更大 更高的PLC称为超大型PLC 3 按PLC的功能强弱分类1 低档PLC具有逻辑运算 定时 计数 移位以及自诊断 监控等基本功能 还可有少量的模拟量I O 算术运算 数据传送和比较 通信等功能 主要用于逻辑控制 顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统 2 中档PLC除具有低档PLC的功能外 还具有较强的模拟量I O 算术运算 数据传送和比较 数制转换 远程I O 子程序 通信联网等功能 有些还可增设中断控制 PID 比例 积分 微分控制 控制等功能 可完成既有开关量又有模拟量的控制任务 以适用于复杂控制系统 3 高档PLC除具有中档P

12、LC的功能外 还增加了带符号算术运算 矩阵运算 函数 表格 CRT CathodeRayTube 意为阴极射线管 显示 打印和更强的通信联网功能 可用于远程控制 大规模过程控制或构成分布式网络控制系统 实现工厂自动化 4 按生产厂家分德国西门子公司日本OMRON公司日本三菱公司美国GE公司德国莫迪康公司 施奈德 美国AB Alien Bradley 公司日本松下公司国内PLC厂家最有影响的是无锡的华光公司 2 4可编程控制器的特点和基本应用 2 4 1可编程控制器的特点 2 4 2可编程控制器的基本应用 1 可靠性高 抗干扰能力强1 软件措施 1 PLC设计了故障检测软件定期地检测外界环境 如

13、掉电 欠电压 强干扰信号等 以便及时进行处理 2 PLC偶发性故障条件出现时 由于其具有信息保护和恢复软件 将对PLC内部信息进行保护 以防遭到破坏 当故障条件消失 将恢复原来的信息 使系统继续正常工作 3 PLC中设置有警戒时钟WDT 当某次循环执行时间超过了WTD规定的时间 预示程序进入死循环 则立即报警 4 对程序进行检查和检测 一旦程序有错 立即报警并停止执行 2 4 1可编程控制器的特点 2 硬件措施 1 PLC的电源变压器 内部CPU 编程器等主要部件均采用导电 导磁良好的材料进行屏蔽 以防外界干扰 2 PLC内部的微处理器和输入输出电路之间 均采用了光电隔离措施 有效地隔离了输入

14、输出间电的联系 减少了故障和误动作 3 PLC的输入输出线路采用了多种形式的滤波 以消除或抑制高频干扰 4 PLC采用模块式结构 有助于在故障情况下快速修复或更换 2 编程方便 易于使用梯形图语言延续使用继电器控制的许多符号和规定 其形象直观 易学易懂 电气工程师和具有一定基础的技术操作人员都可以在短期内学会 使用起来得心应手 PLC除了可以远程通信控制 也可根据现场情况 利用便携式编程器 在生产现场边调试边修改程序 以适应生产需要 3 通用性强 配套齐全PLC产品已经标准化 系列化 模块化 其开发制造商为用户配备了品种齐全的I O模块和配套部件 用户只需要在硬件系统选定的基础上 设计满足控制

15、对象要求的应用程序 对于一个控制系统 当控制要求改变时 只需修改相关程序 就能变更其控制功能 4 安装简单 调试方便 维护工作量小由于PLC用软件代替继电器控制系统中的大量硬件 使得控制柜的设计 安装 接线工作量大大减少 PLC软件设计和调试可以在实验室里进行 而且现场统调过程中发现的问题可通过修改程序来解决 由于PLC本身的可靠性高 又有完善的自我诊断能力 一旦发生故障 可以根据报警信息 快速查明故障原因 1 开关量逻辑控制用PLC取代传统的继电器控制系统 实现逻辑控制和顺序控制 2 模拟量过程控制除了数字量之外 PLC还能通过模拟量I O模块 实现A D D A转换 并控制连续变化的模拟量

16、 如温度 压力 速度 流量 液位 电压和电流等 通过各种传感器将相应的模拟量转化为电信号 然后通过PLC的A D模块将它们转换为数字量送PLC内部CPU处理 处理后的数字量再经过D A转换为模拟量进行输出控制 3 机械件位置控制位置控制是指PLC使用专用的指令或运动控制模块来控制步进电动机或伺服电动机 从而实现对各种机械构件的运动控制 与顺序控制功能有机的结合在一起 如控制构件的速度 位移 运动方向等 2 4 2可编程控制器的基本应用 4 现场数据采集处理目前PLC都具有数据处理指令 数据传送指令 算术与逻辑运算指令 位移与循环位移指令等 所以由PLC构成的监控系统 可以方便地对生产现场的数据进行采集 分析和加工处理 5 通信联网 多级控制PLC与PLC之间 PLC与上位计算机之间通信 要采用其专用通信模块 并利用RS 232C或RS 422A接口 用双绞线或同轴电缆或光缆将它们连成网络 2 5可编程控制器的工作原理 2 5 1PLC的工作方式 2 5 2PLC的扫描周期 2 5 3PLC的I O响应时间 1 PLC的循环扫描工作方式PLC循环扫描的工作过程如右图所示 包括五个阶段 内