09 PLC结构与工作原理

,第五章 交流电动机的 工原理及特性,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 交流电动机的 工原理及特性,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 交流电动机的 工原理及特性,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第五章 交流电动机的 工原理及特性,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第五章 交流电动机的 工原理及特性,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,9,章,PLC,结构与工作原理与应用举例,9.1,可编程控制器概述,9.2 PLC,的特点及功能,9.3 PLC,的工作原理,9.4 PLC,程序设计语言,9.5 PLC,的性能指标及分类,9.6 PLC,应用系统设计内容及步骤,本章主要内容,1,9.1,可编程控制器概述,世界上第一台PLC,1969年由美国数字设备公司DEC根据美国通用汽车公司GE的要求研制成功。,背景：,1968年美国通用汽车公司GE，为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低本钱，缩短周期。,9.1.1 PLC,的由来及控制原理,2,1PLC的由来,9.1,可编程控制器概述,设计思想：,吸取继电器和计算机两者的优点, 继电器控制系统体积大、可靠性低、接线复杂、不易更改、查找和排除故障困难，对生产工艺变化的适应性差，但简单易懂、价格廉价；, 计算机功能强大、灵活可编程、通用性好，但编程困难；, 采用面向控制过程、面向问题的“自然语言进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。梯形图,9.1.1 PLC,的由来及控制原理,3,1PLC的由来,4,2PLC与继电器控制的比较,相同之处：,1电路结构形式根本相同；,2梯形图大致沿用了继电器控制电路元件符号，仅个别处有些不同；,3信号输入/输出形式及控制的功能相同。,不同之处：,1组成器件不同：继电器控制线路是由许多真正的硬件继电器组成，而梯形图那么由许多“软继电器组成，它们实质是存储器中的每一个触发器，硬件继电器易磨损，而“软继电器无磨损现象。,PLC,的程序控制中，广泛应用,梯形图,，并使用简单的,指令系统,将梯形图变成,PLC,能接受的程序，由,编程器,键入,PLC,内部的用户存储器。,为了便于应用和推广，梯形图与继电器控制图有许多类似之处，同时，由于,PLC,的结构、工作原理与继电器控制系统截然不同，故二者又存在许多差异。,9.1.1 PLC,的由来及控制原理,9.1,可编程控制器概述,5,3PLC与继电器控制的比较,2工作方式不同：在继电器控制线路中，当电源接通时，该吸合的继电器都同时吸合，不该吸合的继电器不能吸合；在梯形图的控制线路中，图中各软继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序由程序扫描顺序决定。,3触点数量不同：硬继电器的触点数量有限，一般只有48对，而梯形图中每只软继电器供编程使用的触点数量有无限对，因为存储器中的触发器状态电平可去用任意次。,4编程方式不同：继电器控制线路中，要求平安可靠，节约触点使用量，因此设置了许多制约关系连锁环节。在梯形图中，以扫描方式工作，不存在几个并列支路同时动作的因素，大大简化了电路的设计。,9.1.1 PLC,的由来及控制原理,9.1,可编程控制器概述,美国电气制造商协会NEMANational Electrical Manufactory Association经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PCProgrammable Controller，并给PC作了如下定义：“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机假设是从事执行PC之功能者，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。,6,9.1.2 PLC,的定义,国际电工委员会(IEC)又先后公布了PLC标准的草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通过了对它的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原那么设计。,9.1,可编程控制器概述,目前，,PLC,在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类：,7,9.1.3 PLC,的应用领域,1.,开关量的逻辑控制,2.,模拟量控制,3.,运动控制,4.,过程控制,5.,数据处理,6.,通信及联网,9.1,可编程控制器概述,虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速开展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速开展，其开展过程大致可分三个阶段：,8,9.1.4 PLC的开展历程,1早期的PLC60年代末70年代中期,主要功能顺序控制，定时等。硬件上以准计算机的形式出现，在软件编程采用继电器控制线路的方式梯形图。简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。,2中期的PLC70年代中期80年代中，后期,CPU采用微处理器。软件增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。硬件增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量。,3近期的PLC80年代中、后期至今,微处理器的档次普遍提高。为了，专用逻辑处理芯片进一步提高PLC的处理速度，使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。,9.1,可编程控制器概述,1969年美国数据设备公司DEC研制了第一台PLC，从此PLC开展迅猛。,我国改革开放后，美国AB、GE、MODICON、TI，日本OMRON、三菱、富士，德国西门子等厂家的产品不断进入我国，并在各行各业的工控系统中占据重要地位。,9,9.1.5 PLC的现状及开展趋势,9.1,可编程控制器概述,PLC三大流派,欧洲：德国的西门子(SIEMENS)、AEG及法国的TI公司,美国：A-BAllen-Bradly(其产品约占美国PLC市场50的份额)、GEGeneral Electric、莫迪康(MODICON)公司、德州仪器(T1)公司、 歌德(Gould)公司、西屋公司,日本：三菱电机Mitsubishi Electric、 欧姆龙OMRON、 FUJI 日本主要开展中小型PLC，在世界小型PLC市场上， 日本产品约占有70的份额。在中国，OMRON产品的销量居首位。,目前国内市场还有韩国、台湾等PLC产品；现在市场上出现了系列化的国产PLC，其价格相对低廉，性价比较高。,10,9.1.5 PLC的现状及开展趋势,9.1,可编程控制器概述,西门子,PLC,外形图,2006-3-3,11,S7-200,系列,PLC,S7-300,系列,PLC,S7-400,系列,PLC,11,9.1.5 PLC的现状及开展趋势,9.1,可编程控制器概述,三菱,PLC,外形图,2006-3-3,12,Q,系列,PLC,FX,2N,系列,PLC,FX,1N,系列,PLC,FX,1S,系列,PLC,12,9.1.5 PLC的现状及开展趋势,9.1,可编程控制器概述,欧姆龙,PLC,外形图,C200H,系列,PLC,CPM1A,、,CPM2A,系列,PLC,13,9.1.5 PLC的现状及开展趋势,9.1,可编程控制器概述,PLC的国内外开展状况,1974,年我国开始仿制美国的第二代,PLC,产品，但因元器件质量和技术问题等原因未能推广。直到,1977,年，我国才研制出第一台具有实用价值的,PLC,，并开始批量生产和应用于工业过程的控制。,主要厂家有：,北京和利时，科迪纳，张前苏。洛阳易达，无锡信捷，南京嘉华，兰州全志，广州科赛恩，中山智达，恒日等。,14,9.1.5 PLC的现状及开展趋势,9.1,可编程控制器概述,15,9.1.5 PLC的现状及开展趋势,9.1,可编程控制器概述,通用性强，使用方便,功能强，适应面广,可靠性高，抗干扰能力强,控制程序可变具有很好的柔性,编程方法简单，容易掌握,PLC,控制系统的设计、安装、调试和维修工作少,.,极为方便控制程序变化方便,.,具有很好的柔性,体积小、重量轻、功耗低,9.2.1 PLC,的特点,9.2 PLC,的特点及功能,16,1,逻辑控制功能,2,定时控制功能,3,计数控制功能,4,步进控制功能,5,数据处理功能,6,回路控制功能,7,通讯联网功能,8,监控功能,9,停电记忆功能,10,故障诊断功能,9.2.2 PLC的根本功能,9.2 PLC,的特点及功能,17,1,逻辑控制功能,逻辑控制功能是PLC最根本功能之一,是PLC最根本的应用领域，可取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。,在单机控制、多机群控和自动生产线控制方面都有很多成功的应用实例。,例如：机床电气控制、起重机、皮带运输机和包装机械的控制、注塑机控制、电梯控制、饮料灌装生产线、家用电器(电视机、冰箱、洗衣机等)自动装配线控制、汽车、化工、造纸、轧钢自动生产线控制等。,9.2.2 PLC的根本功能,9.2 PLC,的特点及功能,18,2,定时控制功能,定时控制功能是PLC的最根本功能之一。,PLC中有许多可供用户使用的定时器，功能类似于继电器线路中的时间继电器。,定时器的设定值(定时时间)可以在编程时设定，也可以在运动过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。,同时PLC还提供了高精度的时钟脉冲，用于准确实时控制。,9.2.2 PLC的根本功能,9.2 PLC,的特点及功能,19,3,计数控制功能,计数控制功能是PLC的最根本功能之一。,PLC为用户提供许多计数器，计数器计数到某一数值时，产生一个状态信号(计数值到)，利用该状态信号实现对某个操作的计数控制。 计数器的设定值可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改。,传感器,旋转编码器,变频器,计数输入,输入复位,00000,00001,00002,9.2.2 PLC的根本功能,9.2 PLC,的特点及功能,20,5,数据处理功能,PLC大局部都具有数据处理功能，可以实现算术运算、数据比较、数据传送、数据移位、数制转换译码编码等操作。中、大型PLC数据处理功能更加齐全，可完成开方、PID运算、浮点运算等操作，还可以和CRT、打印机相联，实现程序、数据的显示和打印。,9.2.2 PLC的根本功能,9.2 PLC,的特点及功能,21,8,监控功能,PLC设置了较强的监控功能。,利用编程器或监视器，操作人员可以对PLC有关局部的运行状态进行监视。,利用编程器，可以调整定时器、计数器的设定值和当前值，并可以根据需要改变PLC内部逻辑信号的状态及数据区的数据内容，为调整和维护提供了极大的方便。,9.2.2 PLC的根本功能,9.2 PLC,的特点及功能,22,9,停电记忆功能,PLC内部的局部存储器所使用的RAM设置了停电保持器件备用电池等，以保证断电后这局部存储器中的信息能够长期保存。,利用某些记忆指令，可以对工作状态进行记忆，以保持PLC断电后的数据内容不变。PLC电源恢复后，可以在原工作根底上继续工作。,10,故障诊断功能,PLC可以对系统构成、某些硬件状态、指令的合法性等进行自诊断，发现异常情况，发出报警并显示错误类型，如属严重错误那么自动中止运行。大大提高了PLC控制系统的平安和可维护性。,9.2.2 PLC的根本功能,9.2 PLC,的特点及功能,23,9.3 PLC,程序设计语言,在PLC系统结构不断开展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。,程序的表达方式根本有四种：梯形图、指令表、逻辑功能图和高级语言。梯形图是当前使用最广泛的一种编程方法。,除了的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言BASIC、C语言等等。,多种编程语言的并存、互补与开展是PLC进步的一种趋势。,即：,PLC,的编程语言,24,物理继电器,继电器需硬接线连接,触点个数有限,PLC,继电器,继电器用程序软连接,触点个数无限,继电器的接线改变,控制功能改变,PLC,的用户程序改变,控制功能改变,(,3,),两种控制中继电器的区别,9.3.1 梯形图Ladder Diagram,9.3 PLC,程序设计语言,25,顺序功能图常用来编制顺序控制程序，它包括步、动作、转换三个要素。,顺序功能图法可以将一个复杂的控制过程分解为一些小的工作状态。,对于这些小状态的功能依次处理后再把这些小状态依一定顺序控制要求连接成组合整体的控制程序。,步,1,步,2,步,3,动作,1,动作,2,转换,1,转换,2,顺序功能图,9.4.3 功能表图Sepuential Function Chart,9.4 PLC,程序设计语言,26,一种类似于高级语言的程序设计语言。在大中型的PLC系统中，常采用结构化语句描述程序设计语言来描述控制系统中各个变量的关系。,结构化语句描述程序设计语言采用计算机的描述语句来描述系统中各种变量之间的各种运算关系，完成所需的功能或操作。,大多数制造厂商采用的语句描述程序设计语言与BASIC语言、PASCAL语言或C语言等高级语言相类似，但为了应用方便，对表达方法及语句的种类等方面都进行了简化。具有以下特点：,1采用高级语言进行编程，可以完成较复杂的控制运算。,2需要有一定的计算机高级程序设计语言的知识和编程技巧，对编程人员的技能要求较高，普通电气人员无法完成。,3直观性和易操作性等性能较差；,4常被用于采用功能模块等其他语言较难实现的一些控制功能的实施。,9.4.4 结构化语句Structured Text,9.4 PLC,程序设计语言,27,1.I/O,点数,指,PLC,外部输入和输出端子数。,2.,用户程序存储容量,用来衡量,PLC,所能存储用户程序的多少。,3.,扫描速度,指扫描,1000,步用户程序所需的时间，以,ms/,千步为单位。,4.,指令系统条数,指PLC具有的根本指令和高级指令的种类和数量。种类数量越多，软件功能越强。,5. 内部存放器,6. 高功能模块,9.5 PLC,主要性能指标,28,1.按结构形式分类,整体式PLC：整体式是将PLC的CPU、存储器、I/O单元、电源等安装在同一机体内，构成主机，另外还有I/O扩展单元配合主机使用，用以扩展I/O点数。整体式PLC的特点是结构紧凑、体积小、本钱低、安装方便，但输入输出点数固定，灵活性较低，小型PLC多采用这种结构。,9.5 PLC,分类,29,9.5 PLC,分类,30,1.,按结构形式分类,整体式,组合模块式PLC：组合式PLC是由一些标准模块单元组成，采用总线结构，不同功能的模块如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等通过总线连接起来。,组合式PLC的特点是可以根据功能需要灵活配置，构成具有不同功能和不同控制规模的PLC，多用于大型和中型PLC。,9.5 PLC,分类,31,1.,按结构形式分类,组合式,PLC,9.5 PLC,分类,32,1.,按结构形式分类,9.5 PLC,分类,33,1.,按结构形式分类,组合式,PLC,电源模块,CPU,模块,IO,模块,底 板,模块式,9.5 PLC,分类,34,1.,按结构形式分类,模块式结构,PLC,的结构,9.5 PLC,分类,35,1.,按结构形式分类,9.5 PLC,分类,3叠装式PLC,还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来。,叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。,36,1.,按结构形式分类,2.,按控制规模分类,输入输出的总路数，又称为,I/O,点数，是表征,PLC,控制规模的重要参数。因此，按控制规模对,PLC,分类时，可分为：,1.,小型,PLC,：,I/O,点数较少，在,256,点以下的,PLC,。,2.,中型,PLC,：,I/O,点数较多，在,256,点以上、,2048,点以下的,PLC,。,3.,大型,PLC,：,I/O,点数较多，在,2048,点以上的,PLC,。,但大中小型,PLC,的划分并无严格的界限，,PLC,的,I/O,点数可以依据需要灵活配置。,9.5 PLC,分类,37,1微型机,OMRON,公司的,SP,系列,9.5 PLC,分类,38,2.,按控制规模分类,2小型机,OMRON,公司的,CPM1A,、,CQM,系列,松下公司的,FP1,系列,9.5 PLC,分类,39,2.,按控制规模分类,3中型机,OMRON,公司的,C200H,西门子公司的,S7-300,9.5 PLC,分类,40,2.,按控制规模分类,4大型机,OMRON,公司的,C1000H,松下公司的,FP3,COMRON,公司的,2000H,9.5 PLC,分类,41,2.,按控制规模分类,COMRON,公司的,2000H,9.5 PLC,分类,42,2.,按控制规模分类,4大型机,5超大型机,美国,GE,公司的,9070,机，其点数可达,24000,点，另外还有,8000,路的模拟量。,9.5 PLC,分类,43,2.,按控制规模分类,1低档PLC,具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等根本功能，还可有少量模拟量输入输出、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系统。,2中档PLC,具有低档PLC功能外，具有较强的模拟量输入/输出、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。有些还增设中断、PID控制等功能,3高档PLC,具有中档机功能外，增加带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数运算、制表及表格传送等。高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于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。,3.PLC的分类按功能分类,9.5 PLC,分类,44,2024/9/14,9.6,PLC,应用系统设计内容及步骤,在可编程序控制器控制系统的设计中，应该最大限度地满足生产机械或生产流程对电气控制的要求，在满足控制要求的前提下，力求PLC控制系统简单、经济、平安、可靠、操作和维修方便，而且应使系统能尽量降低使用者长期运行的本钱。,9.6.1 PLC,控制系统设计内容,1. 设计原那么,包括：硬件设计和软件设计,2024/9/14,9.6,PLC,应用系统设计内容及步骤,9.6.1 PLC,控制系统设计内容,1电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构；选择输入设备和输出设备；,2选定PLC的型号包括机型、容量、I/O模块和电源等。,3分配PLC的I/O点，编制PLC的输入/输出分配表，绘制PLC的I/O硬件接线图；,4根据系统要求编写软件说明书，然后再进行程序设计，编写程序并调试。,5设计控制系统的操作台、电气控制柜等以及安装接线图，重视人机界面的设计，增强人与机器之间的友善关系；,6编写设计说明书和使用说明书。,1.,设计内容：硬件设计和软件设计,2024/9/14,2. 硬件设计时应注意：,(1)最大限度地满足被控对象的工艺要求，详细了解工艺流程，然后与各方面人员协同工作，解决设计过程中出现的各种问题。,(2)在满足生产工艺控制的前提下，尽可能使PLC控制系统结构简单、经济实用、维护方便。,(3)保证控制系统的平安可靠。,(4)考虑到生产的开展和工艺的改进，在选择PLC的型号、I0点数、存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。,9.6,PLC,应用系统设计内容及步骤,9.6.1 PLC,控制系统设计内容,2024/9/14,3. 软件设计的根本原那么：,(1)PLC的用户程序要做到网络段结构简明，逻辑关系清晰，注释明了，动作可靠，能经得起实际工作的检验。,(2)程序简短，占用内存少，扫描周期短。这样可以提高PLC对输入的响应速度。,(3)可读性,9.6,PLC,应用系统设计内容及步骤,9.6.1 PLC,控制系统设计内容,2024/9/14,9.6.2,PLC,系统设计的步骤,1,熟悉被控对象，制定控制方案,2,确定,I/O,点数,3,选择,PLC,机型,4,选择输入输出设备，分配,PLC,的,I,O,地址,5.,程序设计,6,系统调试,7,、编制技术文件,2024/9/14,9.6.3 PLC,程序设计方法,程序设计的方法是指用什么方法和编程语言来编写用户程序。,程序设计方法：,1. 经验设计法分析设计法,2. 继电器控制电路转换法,3. 逻辑设计法,4. 顺序控制设计法,1起保停电路的顺序控制设计法,2以转换为中心的顺序控制设计法,3使用SCR指令的顺序控制设计法,9.6.3 PLC,程序设计方法,经验设计法和翻译法设计梯形图时,没有一套固定的方法和步骤可以遵循,特别是在设计机床复杂控制系统的梯形图时,常要用大量的中间单元来完成记忆、连锁和互锁的功能,需要考虑的因素很多。,以布尔代数为理论根底，根据生产过程中各工步之间的各个检测元件如行程开关、传感器等状态的变化，列出检测元件的状态表，确定所需的中间记忆元件，再列出各执行元件的工序表，然后写出检测元件、中间记忆元件和执行元件的逻辑表达式，再转换成梯形图。逻辑设计法对设计者的要求较高，所以不易掌握。,9.6.3 PLC,程序设计方法,顺序控制是按照生产工艺预先规定的顺序,在不同的输入信号作用下,根据内部状态和时间的顺序,使生产过程中的每个执行机构自动有步骤地进行操作。,2024/9/14,9.6.3 PLC,程序设计方法,经验设计法分析设计法,方法：在一些典型的控制电路程序的根底上，根据被控制对象的具体要求，进行选择组合，并屡次反复调试和修改梯形图，有时需增加一些辅助触点和中间编程环节，才能到达控制要求。,特点：没有规律可遵循，设计所用的时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系，所以称为经验设计法。,适用：较简单的梯形图设计，主要针对系统原先无控制方案,直接用PLC进行控制系统的设计。,要求：应用经验设计法必须熟记一些典型的控制电路，如起保停电路、脉冲发生电路等，这些电路在前面的章节中已经介绍过。,2024/9/14,9.6.3 PLC,程序设计方法,继电器控制电路转换法,控制,原理,：,按下启动按钮,SB2,KM1,、,KM3,、,KT,通电并自保，电动机接成,Y,型起动，,2s,后，,KT,动作，使,KM3,断电，,KM2,通电吸合，电动机接成型运行。按下停止按扭,SB1,，电动机停止运行。,【例,9-3,】,电动机,Y/,降压起动控制主电路和电气控制,2024/9/14,9.6 PLC,程序设计方法,继电器控制电路转换法,-,举例,3梯形图程序,【例,9-3,】,电动机,Y/,降压起动控制主电路和电气控制,2I/O分配,输入 输出,停止按钮SB1：I0.0 KM1：Q0.0,起动按钮SB2：I0.1 KM2：Q0.1,过载保护FR： I0.2 KM3：Q0.2,2024/9/14,9.2 PLC,程序设计方法,继电器控制电路转换法,4梯形图简化,2024/9/14,1起保停电路的顺序控制设计法,2以转换为中心的顺序控制设计法,3使用SCR指令的顺序控制设计法,9.6.3 PLC,程序设计方法,顺序控制设计法,三种比较常用的顺序控制设计法,