可编程控制器基础课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,3,章 可编程控制器基础,1,3.1.1,可编程控制器的定义,Programmable Controller PC,Personal Computer PC,Programmable Logic Controller ,PLC,3.1,概述,2,9/8/2024,3,3.1.2,可编程控制器的定义,国际电工委员会（,IEC,）于,1987,年对可编程序控制器作了如下的定义：,“,可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。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的命令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则设计,”,。,事实上，,PLC,就是以嵌入式,CPU,为核心，配以输入、输出等模块，可以方便地用于工业控制领域的装置,。,PLC,与机器人、计算机辅助设计与制造一起称为现代工业的三大支柱。,3,9/8/2024,4,3.1.2 PLC,的特点,1.,可靠性好，抗干扰能力强,“,专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机,”,2.,功能完善：功能强，扩充方便，性能价格比高。,3.,编程简单，使用方便。,PLC,采用梯形图语言编程，容易掌握。,4.,在线编程：在工业现场，用手持编程器或笔记本电脑可对,PLC,进行编程，当,PLC,联网后，可在网络的任一位置对,PLC,编程。,5.,容易安装，便于维护：采用模块化结构，现场安装非常简单，维修方便。,6.,体积小、重量轻、功耗低：是,“,机电一体化,”,特有的产品 。,7.,价格便宜,4,9/8/2024,5,3.1.2 PLC,的特点,PLC,继电器,采用存储逻辑,为,“,软接线,”,硬接线逻辑,灵活性和扩展性好,灵活性和扩展性差,连线少，体积小，功耗小,连线多，体积大，功耗大,与继电器控制逻辑相比较,5,3.1.2 PLC,的特点,与微机比较：,从长远来看，由于,PLC,的功能不断增强，更多的采用微机技术，而微机也为了适应用户需要，更耐用、更易维护的计算机将投放市场，这样两者相互渗透，使,PLC,和微机的界限会变得越来越模糊，二者将长期共存，各用所长，共同发展。,6,9/8/2024,7,3.1.3 PLC,的应用,1,取代继电器控制,2,过程控制（模拟量控制）,可编程序控制器可以接收温度、压力、流量等连续变化的模拟量。,3,位置、速度控制（闭环调节控制）,4,数据监控 ：,PLC,具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。,5,组成分散控制系统,PLC,作为下位机，计算机作为上位机，可以组成,“,集中管理、分散控制,”,的分布式控制系统。,7,可编程序控制器当代工业自动化支柱之一,8,可编程序控制器当代工业自动化支柱之一,9,可编程序控制器当代工业自动化支柱之一,10,可编程序控制器当代工业自动化支柱之一,11,可编程序控制器当代工业自动化支柱之一,12,9/8/2024,13,3.1.4 PLC,的发展,1,小型、微型化,2,大型、超大型化,3,智能化,4 CPU,能力更强,5,支持更多的工业总线,支持多种工业标准总线，使联网更加容易和简单，更易于组成工程控制网。,6,编程软件标准化,采用国际标准化的编程语言，可大大缩短开发周期。,7,人机交流功能增强,配置操作面板、触摸屏等人机对话手段，可使其应用领域进一步扩展，应用更加方便。,8,数据处理能力大大增强,13,继电器控制,14,9/8/2024,15,1,按照结构分类,(1),整体式。,(2),模块式结构。,(3),整体模块混合式。,3.1.5 PLC,的分类,15,整体式,PLC,16,模块式,PLC,17,9/8/2024,18,2,按照,I/O,点数分类,（,1,）小型： 低档,PLC,，,I/O,点数,512,点。,3.1.5 PLC,的分类,18,9/8/2024,19,3.1.6 PLC,的主要技术指标,用户在选用,PLC,时，首先要了解,PLC,的结构和性能。若只需大致了解,PLC,的性能,。一般可用,CPU,芯片、编程语言、用户程序容量、扫描速度（,ms/k,）、,I/O,点数,这五方面情况予以反映。一般，,CPU,档次高、编程语言完善、用户程序容量大、扫描速度快、,I/O,点数多，则,PLC,性能就好，功能就强，价格也就较高了。,19,9/8/2024,20,1.,用户存储器容量,PLC,的存储器由,系统程序存储器,，,用户程序存储器,和,数据存储器,三部分组成。,PLC,中的用户存储器由后两部分组成。,PLC,存储容量通常指用户程序存储器和数据存储器容量之和，表征系统提供给用户的可用资源，是系统性能的一项重要技术指标。,该存储器的容量越大，可编制的程序越复杂。一般小型机的用户存储器容量为,几千字,，,大型机的用户存储器容量为,几万字,。,3.1.6 PLC,的主要技术指标,20,9/8/2024,21,2. I/O,点数,I/O,点数是指,PLC,可以接受的输入开关信号（,外部输入）,和输出开关信号的总和。,它是描述,PLC,大小的一个重要的参数。,3.,模数和数模通道数,为输入和输出的模拟量总和。,3.1.6 PLC,的主要技术指标,21,9/8/2024,22,4.,扫描速度,PLC,采用循环扫描方式工作，完成,1,次扫描所需的时间叫做扫描周期。,扫描速度,是指,PLC,扫描,1K,字用户程序所需的时间，常常以,ms/K,字为单位，扫描速度越快越好。一般,1000,条指令执行时间为,10ms,左右。小型或超小型的机器扫描时间可能大于,40ms,。,影响扫描速度的主要因素有用户程序的长度和,PLC,产品的类型。,PLC,中,CPU,的类型、机器字长等直接影响,PLC,运算精度和运行速度。,5.,指令数量和功能,指令系统是指,PLC,所有指令的总和。可编程控制器的编程指令越多，软件功能就越强，但掌握应用也相对较复杂。用户应根据实际控制要求选择合适指令功能的可编程控制器。,3.1.6 PLC,的主要技术指标,22,9/8/2024,23,6.,内部寄存器的配置和容量,7.,特殊功能单元,8.,可扩展性,输入点数、输出点数、存储容量、联网功能及可扩展的模块数等,3.1.6 PLC,的主要技术指标,23,9/8/2024,24,3.2 PLC,的一般结构,3.2.1,基本结构,1.,整体式,PLC,结构,24,9/8/2024,25,3.2 PLC,的一般结构,2.,模块式,PLC,结构,模块式,PLC,是采用搭积木的方式组成系统。在一个机架上插上,CPU,、电源、,I/O,模块及特殊功能单元，构成一个总,I/O,点数很多的大规模综合控制系统。,25,9/8/2024,26,3,混合式,PLC,结构,3.2 PLC,的一般结构,26,9/8/2024,27,可编程控制器,主机,可编程控制器,编程器,图 可编程控制器及编程器,3.2.2,PLC,各部分电路介绍,27,9/8/2024,28,1. CPU,芯片,CPU,是可编程控制器的控制中枢，相当于人的大脑。一般由控制电路、运算器和寄存器组成。,各个,PLC,公司的,CPU,芯片类型不同，一般是,8,位或,16,位单片机。,3.2.2,PLC,各部分电路介绍,28,9/8/2024,29,2.,存储器,PLC,的存储器由只读存储器,ROM,、随机存储器,RAM,和可电擦写的存储器,EEPROM,三大部分构成，主要用于存放,系统程序,、,用户程序,及工作,数据,。,系统程序一般存放在,EEPROM,中，用户程序及工作数据放在有后备电池的,RAM,中。,3.2.2,PLC,各部分电路介绍,29,9/8/2024,30,3.,输入,/,输出电路,是,PLC,与现场工业设备连接的电路。现场的开关通过输入电路输入,PLC,。,PLC,输出的开关信号则通过输出电路输出到工业设备。采用光电隔离，实现了,PLC,的内部电路与外部电路的电气隔离，减小了电磁干扰。,输入电路：将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。,输出电路：将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。,输出电路有三种输出形式：,继电器,-,低速大功率,可控硅,-,高速大功率,晶体管,-,高速小功率,3.2.2,PLC,各部分电路介绍,30,9/8/2024,31,4.,电源模块,PLC,电源的输入电压有直流,12V,、,24V,、,48V,和交流,110V,、,220V,，,PLC,电源模块的输出一般为,5V,和,24V,，用以向,CPU,、存储器等提供工作电源。,5 .,通信接口,一般至少有一个,RS232,或,RS485,通信口。通信有,PLC,之间的通信和,PLC,与其他设备之间的通信。通信主要涉及通信模块、通信接口、通信协议和通信指令等内容。,PLC,的组网和通信能力也已成为,PLC,产品水平的重要衡量指标之一。,目前常用,USB,接口,。,6.,特殊功能单元,3.2.2,PLC,各部分电路介绍,31,9/8/2024,32,7.,编程器,PLC,采用的编程器有下面三种类型：,1,）简易编程器：用于小型和超小型,PLC,。,2,）,CRT,编程器：用于中大规模,PLC,，可显示梯形图、数据信息和报警信息指示等。,3,）计算机编程：随着计算机的大力普及，有些中大规模的,PLC,已采用计算机编程。此时计算机除用做编程外，还兼有管理和操作指导功能。,3.2.2,PLC,各部分电路介绍,32,9/8/2024,33,3.3,PLC,工作原理,3.3.1,工作原理,概括的讲，,PLC,的工作方式是一个,循环扫描,过程。其过程为图,1,所示。这个过程分为,读输入,(,输入采样阶段,),、,程序执行,、,写输出,（输出刷新阶段）三个阶段。整个过程进行一次所需要的时间称为,扫描周期,（也叫工作周期或扫描时间）。,33,9/8/2024,34,1.,三个阶段的工作过程,34,PLC,控制的等效电路,35,9/8/2024,36,2 .,响应时间,由于采用了扫描工作方式，故从,PLC,输入端有一个输入信号发生变化到输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间，这段时间就称为,PLC,的,响应时间,或,滞后时间,。,响应时间产生的原因,（,1,）输入滤波器有时间常数,它由,RC,滤波电路的时间常数决定。改变时间常数可调整输入延迟时间。,（,2,）,输出电路,时间常数,输出电路的滞后时间，与输出电路的输出方式有关。继电器输出方式的滞后时间为,10ms,左右；双向晶闸管输出方式，在接通负载时滞后时间约为,1ms,，切断负载时滞后时间小于,10ms,；晶体管输出方式的滞后时间小于,1ms,。,36,9/8/2024,37,（,3,）程序语句的安排，也影响响应时间。,（,4,）,PLC,循环扫描的工作方式,PLC,循环操作时，进行公共处理、,I/O,刷新和执行用户程,序等产生扫描周期。,（,5,）,PLC,对,I/O,的刷新方式。,其中,4,）,5,）是由,PLC,的工作原理决定的，无法改变。而其它因素并非固定的，可以通过选择合理的元件及合理编制程序使滞后较小,。,37,9/8/2024,38,由于,PLC,是循环扫描工作方式，因此,响应时间与收到输入信号的时刻有关。,最短响应时间：,如果在一个扫描周期刚结束时收到一个输入信号，下一个扫描周期一开始这个信号就被采样，使输入刷新，这时响应时间最短。最短响应时间可以用下式表示：,最短响应时间,=,输入延迟时间,+,一个扫描周期,+,输出延迟时间,38,9/8/2024,39,最长响应时间：,如果在第,n,个扫描刚执行完输入刷新后，输入发生变化，在该扫描周期内这个信号不会发生作用，要到,n+1,个扫描周期的输入刷新阶段才能采样到输入变化，在输出刷新阶段输出作出反应，这时响应时间最长。,最长响应时间,=,输入延迟时间,+,两个扫描周期,+,输出延迟时间,最长响应时间要求输入信号的持续时间应大于一个扫描周期，否则就不能确保输入信号被采样，也就不能被响应了。,39,40,程序语句的安排，对响应时间的影响,41,9/8/2024,42,3.3.3 PLC,的编程语言,梯形图语言和助记符语言,梯形图语言是一种以图形符号及图形符号在图中的相互关系表示控制关系的编程语言，是从继电接触器控制电路演变过来的。,因,PLC,是专为工业控制开发的装置，主要使用对象是广大技术人员，他们可能不十分懂电气，但是对生产流程却非常在行，梯形图语言和助记符语言就是为他们开发的语言。,各个,PLC,生产厂家使用的梯形图语言基本类似（,助记符可能不同,）,，互相转换较容易，但助记符语言完全不同，转换起来较困难。,PLC,实际上,只认识助记符语言,，梯形图语言需转换成助记符语言再存入,PLC,的存储器中。,42,9/8/2024,43,3.3.5 PLC,的编程,指用梯形图和助记符语言编制程序，并将该程序送入,PLC,。,编程时可以使用专用编程器，也可用计算机。,编程器只能使用助记符语言；用计算机编程，梯形图和助记符语言都可以使用。,编程器需专门配置，但体积小巧轻便，在控制现场使用方便。用计算机编程时需使用,PLC,专用软件，用这些软件不仅可以编程和调试程序，且可以监视,PLC,的运行。,3.3.4 PLC,的指令系统,43,9/8/2024,44,1.4,梯形图,1.4.1,梯形图的由来,(1),常开按扭,该按钮的触点平常的工作状态是断开状态，当用手按动时，触点闭合，为连接状态，当手离开按钮时，触点断开，恢复断开状态。,(2),常闭按钮,该按钮的触点平常的工作状态是闭合状态，当用手按动时，触点断开，为断开状态，当手离开按钮时，触点闭合，恢复连接状态。,梯形图语言实际是图形，它来源于继电器控制电路图，在继电器控制电路中，由,5,种基本图形就可以组成很复杂的控制线路。,44,9/8/2024,45,(3),常开触点（,Normal Open,）,该触点平常的工作状态是,断开状态，当继电器线圈通电时，触点闭合，为连接状态；当继电器线圈断电时，触点断开，恢复断开状态。,(4),常闭触点,该触点平常的工作状态是闭合状态，当继,电器线圈通电时，触点断开，为断开状态；当继电器线圈断电时，触点闭合，恢复连接状态,。,(5),继电器线圈,继电器线圈只有连接该线圈的所有触点,都闭合时，线圈通电，由线圈和动铁组成的电磁铁吸引闭合，带动常开触点闭合，常闭触点断开。,45,9/8/2024,46,46,9/8/2024,47,若,用,“,1,”,表示按钮、继电器触点的闭合状态和继电器线圈的得电状态，,若,用,“,0,”,表示按钮、继电器触点的断开状态和继电器线圈的失电状态，,则这个继电器控制电路就可以用计算机实现。,用计算机实现继电器控制电路是,PLC,的最初目的，而梯形图就是继承继电器控制系统的实现方法，,成为了,PLC,输入的一种方式。,在,PLC,中，这些按钮的触点和线圈就是,存储器中存储单元,，又称为,操作数,。,47,演示：传统控制电路转换成梯形图,以第二章部分控制电路为例,48,9/8/2024,49,继电器控制系统中的继电器触点在,PLC,中是存储器中的数，继电器的触点数量有限，设计时需要合理分配使用继电器的触点，而,PLC,中的存储器,“,数,”,可以反复使用，因为控制中只使用数的状态,“,1,”,或,“,0,”,。,继电器控制系统中的梯形图是电气连接图，施工费力，更改困难，而,PLC,中的梯形图是利用计算机制作的，更改简单，调试方便。,继电器控制系统中的继电器是按照触点的动作顺序和时间延迟，逐个动作。而,PLC,是按照扫描的工作方式，首先采集输入信号，然后对所有的梯形图进行计算，计算完成后，将计算结果输出，由于,PLC,的扫描速度快，输入信号的变化到输出信号的改变似乎是在一瞬间完成的。,继电器控制系统中的梯形图左右两侧的线是继电器的电源线，而在,PLC,中这两根线已经失去了意义，只是为了维持梯形图的形状。,3.4.2,梯形图与继电器控制图的区别,49,9/8/2024,50,梯形图按照从上往下、每一行从左往右的顺序编写，在继电器控制系统中，控制电路的动作顺序与梯形图编写的顺序无关，而,PLC,对梯形图的执行顺序与梯形图的编写顺序一致。,梯形图的最右侧必须连接输出元素。继电器控制系统中的梯形图最右侧是各个继电器线圈，而,PLC,中，梯形图的最右侧可以是表示线圈的存储器数，还可是计数器、定时器、数据传输等,PLC,中的输出元素和指令。,梯形图中的触点可以串联和并联，输出元素在,PLC,中只能并联，不能串联。在继电器控制系统中，继电器线圈是可以串联使用的。,PLC,中的梯形图结束标志是,END,。,50,9/8/2024,51,3.4.3,梯形图编程前的准备工作,需准备的工作：,1,熟悉,PLC,指令,2,存储器地址安排与分配,3,清楚输入输出设备的工作原理,4,为输入和输出设备分配存储器地址,5,为,PLC,梯形图中需要的中间量分配地址。,6,清楚控制原理，确认输出量、中间量和指令的得电条件和失电条件。,51,9/8/2024,52,3.5.2,PLC,控制系统的设计,1.5.1 PLC,的设计原则,1.,硬件设计,PLC,系统一般由,PLC,、输入输出设备、控制柜等设备组成。,在设计中应考虑以下设计原则：,1,）可靠性,2),功能完善,3,） 经济性,4,）系统的先进性和可扩展性,系统设计,包括两部分：,硬件设计,和,软件设计,52,9/8/2024,53,2,软件设计,即是编写满足生产要求的梯形图或助记符程序，设计原则和要求为：,1,）建立,PLC,输入和输出量的接线表和接线图。,对于较复杂的控制系统，需绘制系统控制流程图，用以清楚的表明动作的顺序和条件，对于简单的控制系统，可省去。,2,）建立,PLC,的存储器的分配表。,3,）推导每一个输出、中间量和指令的动作和停止条件。,4,）尽量减少扫描时间，也就是尽量减少指令和内存的使用；,5,）对每个梯形图梯级给予注释；,6,）要求逻辑关系明确，输出、中间量和指令的名字易懂好记。,53,9/8/2024,54,3.5.2,PLC,系统设计步骤,1,）分析生产过程，正确理解控制要求，绘制控制流程图，,请控制现场的操作和设计人员审查流程图等资料，以确定对控制系统理解的正确性。,2,）根据控制要求确定,PLC,中所需的输入输出量、中间量、定时器、计数器、模拟量、通信等信息。,3,）选择,PLC,。,首先满足控制要求，然后选择,PLC,生产厂。目前，市面上常用的,PLC,有美国,GE,公司，德国西门子，日本欧姆龙（,OMRON,）、三菱、松下、光洋等公司的产品。,4,）确定是否需要编程器和图形显示装置,5,）进行软件设计，画,SFC,图和编写梯形图。,6,）调试梯形图，若不在控制现场，应该尽量模拟控制现场环境。,7,）设计与,PLC,配套的,PLC,外的电路，给出电路图。设计时考虑启动、急停、硬件联锁、保护等电路。,54,4.3.3 PLC,外接按钮（,P61,）,若按图,4-33,，则图,4-34,无法正常工作，图,4-35,可正常工作。,若将图,4-33,的,SB2,改为常开触点，则图,4-34,可正常工作。,55,4.3.3 PLC,外接按钮（,P61,）,结论：如果,PLC,外接线都选择常开开关，则,PLC,中运行的梯形图与继电器控制电路图一致；如果,PLC,外接线选用常闭开关，则在梯形图中对应常闭开关的位置应该使用常开触点。,结论：,通常为了与继电器控制电路图的习惯一致，在,PLC,的外接线中尽可能（,都,）采用,常开,按钮或开关。,56,应用举例,-P237,57,58,应用举例,-P238,59,利用,CX-one,仿真实验,在,CX-programmer,中输入下面的梯形图,利用,CX-Simulator,进行仿真,60,