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1、1 工厂自动化综合实践工厂自动化综合实践 授课教师：谷鑫授课教师：谷鑫 电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院2与其他课程的联系：与其他课程的联系： 综合运用综合运用电器学电器学、工厂电气控制工厂电气控制、可可编程控制器编程控制器等课程的相关知识解决实际问题，是一等课程的相关知识解决实际问题，是一门实践性的课程。门实践性的课程。 课程安排：课程安排： 3-53-5周理论教学（周理论教学（4D-3114D-311）；）； 6 6周熟悉开发环境（周熟悉开发环境（4C-2094C-209） 7-107-10周实践教学（周实践教学（4C-5134C-513）。）。课程考核：课程考核： 完成课程设计及
2、报告。完成课程设计及报告。 工厂自动化综合实践工厂自动化综合实践3讲解内容：讲解内容： 绪论：绪论： 电气控制与电气控制与PLC的基础知识的基础知识1.电器基础知识电器基础知识2.PLC基础知识基础知识学习说明：学习说明： 了解电气控制系统中常用器件及用了解电气控制系统中常用器件及用途，理解途，理解PLC在电气控制系统中的作用。在电气控制系统中的作用。工厂自动化综合实践工厂自动化综合实践- -绪论绪论 41.1.电器的基础知识电器的基础知识l电器定义电器定义 根据外界施加的信号和要求，能手动或自根据外界施加的信号和要求，能手动或自动地断开或接通电路，断续或连续地改变电路动地断开或接通电路，断续
3、或连续地改变电路参数，以实现对电或非电对象的切换、控制、参数，以实现对电或非电对象的切换、控制、检测、保护、变换和调节的电工器械。检测、保护、变换和调节的电工器械。51.1.电器的基础知识电器的基础知识l电器分类电器分类n应用场合：应用场合：一般工业用、特殊工业矿用、农用、 其他（航空、船舶等）场合n有无触点：有无触点：有触电、无触点、混合式n组合：组合：单个电器、组合电器n使用系统：使用系统：电力拖动自动控制系统、电力系统、 自动化通信系统n电压等级：电压等级：高压、低压（AC1.2kV以下，DC1.5kV以下）n工作职能：工作职能：手动操作、自动操作、其他u自动操作：自动操作：自动切换、自
4、动控制、自动保护u其他：其他：稳压与调压、启动与调速、检测与变换、牵引传动61.1.电器的基础知识电器的基础知识l常用低压电器常用低压电器n接触器：接触器：直流、交流。n继电器：继电器：电磁式 、热 、时间 、固态 、液位、 温度、速度、压力等。u电磁 ：电压、中间、电流。u时间 ：空气阻尼式、电子式。n开关：开关：低压断路器、刀开关。u低压断路器：塑壳式、万能式。n主令电器：主令电器：形成开关、转换开关、接近开关、控制按钮。n熔断器：熔断器：管式、螺旋塞式、快速式。n执行电器：执行电器：电磁铁、电磁阀、电磁制动器。n信号电器：信号电器：指示灯、蜂鸣器、电铃。71.1.电器的基础知识电器的基础
5、知识l电气控制线路电气控制线路笼型异步电机笼型异步电机笼型异步电机笼型异步电机点动控制线路点动控制线路点动控制线路点动控制线路81.1.电器的基础知识电器的基础知识l电气控制线路电气控制线路笼型异步电机笼型异步电机笼型异步电机笼型异步电机星星星星- -三角降压启动三角降压启动三角降压启动三角降压启动91.1.电器的基础知识电器的基础知识l电气控制线路电气控制线路笼型异步电机笼型异步电机笼型异步电机笼型异步电机正、反转控制正、反转控制正、反转控制正、反转控制102.2.可编程控制器概可编程控制器概述述l可编程控制器（可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC
6、）的产生）的产生n20世纪世纪20年代年代继电器控制系统继电器控制系统 各种继电器、定时器、接触器及触点按一定的逻辑关系组成控制系统各种继电器、定时器、接触器及触点按一定的逻辑关系组成控制系统n20世纪世纪60年代年代小型计算机实现工业控制小型计算机实现工业控制 成本高，未得到推广成本高，未得到推广n20世纪世纪60年代末年代末第一台可编程控制器（第一台可编程控制器（PLC） 根据通用汽车的根据通用汽车的“GM十条十条”，由美国数字设备公司研制，由美国数字设备公司研制n20世纪世纪70年代年代与微处理器、微型机结合与微处理器、微型机结合 真正成为一种电子计算机工业控制设备真正成为一种电子计算机
7、工业控制设备n1980年年国外工业界将其命名为国外工业界将其命名为 Programmable Controller112.2.可编程控制器概可编程控制器概述述lPLC的定义的定义 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工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，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，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
8、程；而有关的外围设备，都应按易于与工业系机械的生产过程；而有关的外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。国际电工委员会（国际电工委员会（IEC）1987年年2月月122.2.可编程控制器概可编程控制器概述述lPLC的发展历史的发展历史n初级阶段（第一台初级阶段（第一台PLC问世问世20世纪世纪70年代）年代）功能简单、完成继电器控制系统功能、语言为梯形图。功能简单、完成继电器控制系统功能、语言为梯形图。n崛起阶段（崛起阶段（20世纪世纪70年代年代80年代初）年代初）控制功能增强、数据处理、模拟量的控制等。控制功能增强、数
9、据处理、模拟量的控制等。n成熟阶段（成熟阶段（20世纪世纪80年代初年代初90年代初）年代初）大规模多控制器应用、具备通信和联网功能。大规模多控制器应用、具备通信和联网功能。n飞速发展阶段（飞速发展阶段（20世纪世纪90年代初年代初90年代末）年代末）在过程控制领域大规模使用，功能得到极大提升。在过程控制领域大规模使用，功能得到极大提升。n开放性、标准化阶段（开放性、标准化阶段（20世纪世纪90年代中期以后）年代中期以后）国际标准国际标准IEC61131逐步完善和实施、逐步完善和实施、IEC61131-3编程语言推广。编程语言推广。132.2.可编程控制器概可编程控制器概述述lPLC的发展趋势
10、的发展趋势n向小型化、专用化、低成本方向发展向小型化、专用化、低成本方向发展随着微电子技术的发展，随着微电子技术的发展，PLC结构更为紧凑，功能专用，价格降低结构更为紧凑，功能专用，价格降低n向大容量、高速度、信息化方向发展向大容量、高速度、信息化方向发展采用多微处理器系统，集成通信联网功能，存储容量大大增加采用多微处理器系统，集成通信联网功能，存储容量大大增加n智能化模块的发展智能化模块的发展高速计数模块、定位控制模块、温度控制模块、闭环控制模块、高速计数模块、定位控制模块、温度控制模块、闭环控制模块、以太网通信模块、现场总线协议通信模块等以太网通信模块、现场总线协议通信模块等n人机界面的发
11、展人机界面的发展编程工具、各种编程工具、各种HMI（单色、彩色显示，触摸屏，覆膜键盘等）、（单色、彩色显示，触摸屏，覆膜键盘等）、基于基于PC的组态软件的组态软件n在过程控制领域的使用以及在过程控制领域的使用以及PLC的冗余特性的冗余特性为增加过程控制的可靠性，增加了安全性和冗余性产品为增加过程控制的可靠性，增加了安全性和冗余性产品142.2.可编程控制器概可编程控制器概述述lPLC的发展趋势的发展趋势n开放性和标准化开放性和标准化IEC61131、IEEE802.3以太网、以太网、TCP/IP、UDP/IP等等n通信联网功能的增强和易用化通信联网功能的增强和易用化易于与易于与PC和其它智能设
12、备互联，（现场总线接口、以太网接口）和其它智能设备互联，（现场总线接口、以太网接口）n软软PLC的概念的概念利用软件在利用软件在PC机上实现机上实现PLC的功能，有一定缺陷，目前推广较慢。的功能，有一定缺陷，目前推广较慢。nPAC（Programmable Automation Controller）的概念）的概念PLC的高可靠性和的高可靠性和PC机的高级软件功能结合。机的高级软件功能结合。80%PLC应用场合使用小型应用场合使用小型PLC，20%由由PAC解决。解决。nPLC在现场总线控制系统中的位置在现场总线控制系统中的位置可作为主站成为可作为主站成为FCS的主控制器，也可作为从站实现分散
13、式控制的主控制器，也可作为从站实现分散式控制152.2.可编程控制器概可编程控制器概述述lPLC的应用领域的应用领域n中小型单机电气控制系统中小型单机电气控制系统塑料机械、印刷机械、装订机械、包装机械、组合机床等塑料机械、印刷机械、装订机械、包装机械、组合机床等n制造业自动化制造业自动化大规模生产流水线大规模生产流水线n运动控制运动控制与其他控制手段相比，功能强、体积小、价格低、速度快、操作易与其他控制手段相比，功能强、体积小、价格低、速度快、操作易n流程工业自动化流程工业自动化如电力、石油、化工、造纸等需对物流进行连续加工如电力、石油、化工、造纸等需对物流进行连续加工对过程控制中的过程参数进
14、行调节对过程控制中的过程参数进行调节162.2.可编程控制器概可编程控制器概述述lPLC的特点的特点n抗干扰能力强，可靠性高抗干扰能力强，可靠性高n控制系统结构简单，通用性强控制系统结构简单，通用性强n编程方便，易于使用编程方便，易于使用n功能强大，成本低功能强大，成本低n设计、施工、调试的周期短设计、施工、调试的周期短n维护方便维护方便172.2.可编程控制器概可编程控制器概述述lPLC与其他典型控制系统的区别与其他典型控制系统的区别n与继电器控制系统的区别与继电器控制系统的区别u控制逻辑：灵活性和扩展性好控制逻辑：灵活性和扩展性好u工作方式：串行工作方式工作方式：串行工作方式u可靠性和可维
15、护性高可靠性和可维护性高u控制速度：无触点控制，速度快控制速度：无触点控制，速度快u定时控制：定时精度高，不受环境影响定时控制：定时精度高，不受环境影响u设计与施工：周期短，施工快。设计与施工：周期短，施工快。182.2.可编程控制器概可编程控制器概述述lPLC与其他典型控制系统的区别与其他典型控制系统的区别n与单片机系统的的区别与单片机系统的的区别u本质区别：在成品单片机控制系统上进行的二次开发本质区别：在成品单片机控制系统上进行的二次开发u使用场合：单机电气控制系统、工业控制使用场合：单机电气控制系统、工业控制u使用过程：硬件工作量小，便于开发使用过程：硬件工作量小，便于开发u使用成本：整
16、体成本使用成本：整体成本PLCPLC相对较低相对较低u学习的难易程度：学习的难易程度：PLCPLC的图形语言更容易的图形语言更容易u就业方向：厂矿企业、制造业生产线、流程工业就业方向：厂矿企业、制造业生产线、流程工业192.2.可编程控制器概可编程控制器概述述lPLC分类分类n按按I/O点数和容量分类点数和容量分类u小型机（含微型机）小型机（含微型机）u中型机中型机u大型机大型机n按结构形式分类按结构形式分类u整体式结构整体式结构u模块式结构模块式结构202.2.可编程控制器概可编程控制器概述述lPLC的系统组成的系统组成n中央处理单元：中央处理单元：由控制器、运算器和寄存器组成由控制器、运算
17、器和寄存器组成n存储器：存储器：包括系统存储器和用户存储器两部分，包括系统存储器和用户存储器两部分， 存储器类型包括存储器类型包括RAM、ROM和和EEPROMn输入输入/输出单元：输出单元：信号类型为开关量或模拟量。接口一部分信号类型为开关量或模拟量。接口一部分与被控设备相连，另一部分是输入和输出的影像寄存器。与被控设备相连，另一部分是输入和输出的影像寄存器。n电源部分电源部分n扩展接口扩展接口n通信接口：通信接口：显示、触摸屏、网络等显示、触摸屏、网络等n编程设备：编程设备：基于基于PC的编程软件的编程软件n其他部件：其他部件：存储卡、电池卡等存储卡、电池卡等212.2.可编程控制器概可编
18、程控制器概述述lPLC工作过程工作过程n输入采样阶段输入采样阶段 首先扫描所有输入端子，并将哥各输入状态存入相应的首先扫描所有输入端子，并将哥各输入状态存入相应的输入映像寄存器中，此时输入映像寄存器被刷新。接着系统输入映像寄存器中，此时输入映像寄存器被刷新。接着系统进入执行阶段，在此阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器进入执行阶段，在此阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，器内容保持不变，直与外界隔离，无论输入信号如何变化，器内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。因此，输入信号的
19、宽度要大于一个扫描周期，或者说内容。因此，输入信号的宽度要大于一个扫描周期，或者说输入信号的频率不能超过采样频率。输入信号的频率不能超过采样频率。222.2.可编程控制器概可编程控制器概述述lPLC工作过程工作过程n程序执行阶段程序执行阶段 进入到程序执行阶段后，一般来说进入到程序执行阶段后，一般来说PLC按从左到右，从按从左到右，从上到下的步骤顺序执行程序。当指令中涉及输入、输出状态上到下的步骤顺序执行程序。当指令中涉及输入、输出状态时，时，PLC就从输入映像寄存器中就从输入映像寄存器中“读入读入”对应输入端子状态，对应输入端子状态，从元件映像寄存器从元件映像寄存器“读入读入”对应元件（对应
20、元件（“软继电器软继电器”）的当）的当前状态。然后进行相应的运算，最新的运算结果马上在存入前状态。然后进行相应的运算，最新的运算结果马上在存入到相应的元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来说，每一到相应的元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来说，每一元件的状态会随着程序执行过程而刷新。元件的状态会随着程序执行过程而刷新。232.2.可编程控制器概可编程控制器概述述lPLC工作过程工作过程n输出刷新阶段输出刷新阶段 在用户程序执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继在用户程序执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通电器的状态（接通/断开）在输出书刷新阶段一起转存到输断开）在输出书刷新阶段
21、一起转存到输出锁存器中，通过一定方式集中输出，最后经过输出端子驱出锁存器中，通过一定方式集中输出，最后经过输出端子驱动外部负载。在下一个输出刷新阶段开始之前，输出锁存器动外部负载。在下一个输出刷新阶段开始之前，输出锁存器的状态不会改变，从而相应输出端子的状态也不会改变。的状态不会改变，从而相应输出端子的状态也不会改变。242.2.可编程控制器概可编程控制器概述述lPLC对输入对输入/输出的处理原则输出的处理原则n输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上个输入点在上输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上个输入点在上一刷新期间的接通和断开状态。一刷新期间的接通和断开状态。n程序执行结果取决于用户程序
22、和输入程序执行结果取决于用户程序和输入/输出映像寄存器的内输出映像寄存器的内容及其他各元件映像寄存器的内容。容及其他各元件映像寄存器的内容。n输出映像寄存器的数据取决于输出指令的计算结果。输出映像寄存器的数据取决于输出指令的计算结果。n输出锁存器中的数据，由上一输出刷新期间输出映像寄存输出锁存器中的数据，由上一输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定。器中的数据决定。n输出端子的接通和断开状态，由输出锁存器决定。输出端子的接通和断开状态，由输出锁存器决定。252.2.可编程控制器概可编程控制器概述述lPLC编程语言编程语言 IEC61131-3提供了提供了5中中PLC标准编程语言，标准编程语言，3种图形语言和种图形语言和2中文本语言：中文本语言：n梯形图（梯形图（LD）：最早、也是现在最常用的编程语言。）：最早、也是现在最常用的编程语言。n功能块图（功能块图（FBD）n顺序功能图（顺序功能图（SFC）：未来发展的方向。）：未来发展的方向。n结构化文本（结构化文本（ST）：用于较复杂的数据处理或逻辑控制。）：用于较复杂的数据处理或逻辑控制。n指令表（指令表（IL）：较早的）：较早的PLC编程语言，逐渐被编程语言，逐渐被ST替代。替代。
