可编程序控制器技术及应用项目式教程课件

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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,单击此处编辑母版标题样式,*,书名：可编程序控制器技术及应用项目式教程（,S7-200,）,ISBN,：,978-7-111-42958-6,作者：程秀玲,出版社：机械工业出版社,本书配有电子课件,可编程序控制器技术及应用项目式教程（,S7-200,） 高职高专,ppt,课件,第一章,PLC,概述,本章主要内容：,PLC,的产生和定义,PLC,的分类,PLC,的应用和特点,PLC,与其它控制装置的比较,PLC,国内外状况,PLC,发展趋势,可编程序控制器技术及应用项目式教程（,S7-200,） 高职高专,ppt,课件,第一节,PLC,的基本概念与基本结构,可编程控制器,-,简称,PLC,PLC,主要用于工业控制,一、,PLC,的诞生,提出招标。,1968,年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（,GM,），为了适应,汽车型号不断更新的需要,，提出了十条技术指标在社会上公开招标，制造一种新型的工业控制装置。,可编程序控制器技术及应用项目式教程（,S7-200,） 高职高专,ppt,课件,招标条件。,提出了,10,条指标,(,这,10,条以后被称这著名的,GM10,条,),。,即：,l,编程方便，可在现场修改程序；,l,维护方便，最好是插件式；,l,可靠性高于继电器控制柜：,l,体积小于继电器控制柜；,l,可将数据直接送入管理计算机；,l,在成本上可与继电器控制柜相当,l,使用市电如交流,220V,；,l,输出能直接驱动小型电磁阀接触器等；,l,在扩展时原有系统改变最少；,l,用户程序存储器至少可扩展到,4KB,。,可编程序控制器技术及应用项目式教程（,S7-200,） 高职高专,ppt,课件,研制成功。,1969,年美国数字设备公司,(DEC),根据这,10,条指标，研制出世界上第一台可编程制器，并在,GM,公司汽车生产线上应用，获得成功。标志着,PLC,问世。,从此，可编程控制器技术就迅速发展起来。日本、西欧等一些国家开始研究。,1971,年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制成了日本第一台可编程控制器,到,1973,年，西欧一些国家也研制出它们的第一台可编程控制器。我国从,1974,年开始研制，,1977,年开始工业应用，至今没有自己的独立产品。,可编程序控制器技术及应用项目式教程（,S7-200,） 高职高专,ppt,课件,二、,PLC,的基本概念,PLC,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指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，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则设计。,(,PLC,主要用来做工业控制,工业专用计算机。,),可编程序控制器技术及应用项目式教程（,S7-200,） 高职高专,ppt,课件,三、,PLC,的基本结构,1,PLC,主要由如下几部分组成：,CPU,模块；,输入模块；,输出模块；,编程器。,可编程序控制器技术及应用项目式教程（,S7-200,） 高职高专,ppt,课件,可编程序控制器技术及应用项目式教程（,S7-200,） 高职高专,ppt,课件,2,对各个模块进行介绍：,CPU,模块：由微处理器和存储器组成。,CPU,模块不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。,而存储器是用来存储程序和数据,。,可编程序控制器技术及应用项目式教程（,S7-200,） 高职高专,ppt,课件,I/O,模块：即输入（,Input,）模块和输出（,Output,）模块，它是联系外部现场设备和,CPU,模块的桥梁。,输入模块不仅用来接收和采集输入信号即传递信号外，而且进行电平转换和隔离的作用，它分为开关量输入模块和模拟量输入模块。,可编程序控制器技术及应用项目式教程（,S7-200,） 高职高专,ppt,课件,第二节,PLC,的特点与应用领域,一、,PLC,的应用领域,1,、开关量的逻辑控制；,2,、位置控制；,3,、过程控制；,4,、数据处理；,5,、通信联网,。,二、,PLC,的优缺点,优点：,1,）编程方法简单易学,2,）功能强，性能价格比高,3,）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强,4,）可靠性高，抗干扰能力强,5,）系统的设计、安装、调试工作量少,6,）维修工作量小，维修方便,7,）体积小，能耗低,缺点：,1,）主要由于,PLC,的硬件体系结构封闭而不开放,又国际上无统一标准，所以 各厂家的产品参数不统一，互不兼容。,2,）,PLC,的编程语言虽多数是梯形图，但组态、寻址、语言结构均不一致，因此各公司的软件互不兼容。,SIEMENS,等公司已经开发出以个人计算机为基础，在,Windows,平台下，结合,IEC1131,3,国际标准的新一代开放体系结构的,PLC,三、可编程控制器与其它工业控制装置的比较,1,、,PLC,与继电器控制系统的比较,继电器控制,(,柜,),是针对一定的生产机械、固定的生产工艺设计的，采用硬接线方式装配而成，只能完成既定的逻辑控制、定时、计数等功能，每种控制功能对应一种线路，一旦生产工艺过程改变，则控制,(,柜,),必须重新设计、重新配线。,而,PLC,由于应用了微电子技术和计算机技术，各种控制功能都是通过软件来实现的,只要改变程序并改动少量的接线端子，就可适应生产工艺的改变。因此从适应性、可靠性、方便性以及设计、安装、维护等各方面比较，,PLC,都有显著的优势因此在用微电子技术改造传统产业的过程中，传统的继电器控制系统大多数将被,PLC,所取代。,2,、,PLC,与集散控制系统比较,PLC,与集散控制系统在发展过程中，始终是互相渗透互为补充,综合,PLC,和集散控制系统各自的优势，把二者有机地结合起来，可形成一种新型的全分布式的计算机控制系统。,3,、,PLC,与工业控制计算机比较,工业控制计算机是由通用微型计算机为适应工业生产控制要求发展起来的一种控制设备硬件结构方面总线标准化程度高、兼容性强，而软件资源丰富，待别是有实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂、计算工作量大的工业对象的控制占有优势但是，使用工业控制机控制生产工艺过程，要求开发人员具有较高的计算机专业知识和微机软件编程的能力。,PLC,最初是针对工业顺序控制方面的应用而发展来的，硬件结构专用性强，通用性差，很多优秀的微机软件也不能直接使用必须经过二次开发但是，,PLC,使用了工厂技术人员熟悉的梯形图语言编程，易学易碴，便于推广应用。,四、可编程控制器的发展,1969,年美国研制出世界上第一台,PLC,以后，日本、德国、法国等国相继研制了各自的,PLC,。,70,年代中期，,PLC,进入了实用化阶段。,70,年代末和,80,年代初，,PLC,进入了成熟阶段。,下面是一些国家的发展情况。,1,、美国,PLC,发展得最快：,1984,年有,48,家，生产,150,多种,PLC,；,1987,年有,63,家，生产,243,种,PLC,；,1996,年有,70,余家，生产近,300,种,PLC,。,著名厂家有,:,AB,（,Allen,Bradley,艾伦一布拉德利）公司。,MODICON,莫迪康公司。,2,、欧洲,PLC,的厂家有,60,余家,:,著名的厂家有：,德国的（,Siemens,西门子）于,1973,年研制出第一台,PLC,。,法国的,TE(Telemecanique,施耐德）公司。,3,、日本生产,PLC,的厂家有,40,余家：,1971,年，日本从美国引进,PLC,技术，由日立公司研制成功日本第一台,PLC,。著名的厂家有：,三菱电机,(MITSUBISHI),欧姆龙,(OMRON),富士电机（,Fuji Electric,）,东芝（,TOSHIBA,）,光洋（,KOYO),松下电工（,MEW,）,夏普,(SHARP,）,4,、我国的,PLC,发展,我国在,70,年代末和,80,年代初开始引进,PLC,。 我国早期独立研制,PLC,的单位有：,北京机械工业自动化研究所；,上海工业自动化仪表研究所；,大连组合机床研究所；,成都机床电器研究所；,中科院北京计算机所及自动化所；,长春一汽；,上海起重电器厂；,上海香岛机电公司；,上海自力电子设备厂等单位。,以上诸单位都没有形成自主的规模化生产。,我国现在,PLC,引进技术或合企业有：,辽宁无线电二厂引进德国西门子技术，生产,PLC,；,无锡电器公司和日本光洋合资生产,PLC;,厦门和美国,AB,公司合资生产,PLC,；,上海引进美国,的莫迪康（,Modicon,）,公司技术，生产,PLC;,西安引进德国,Siemens,公司技术，生产,PLC,。,5,、,PLC,的发展趋势,（,1,）向高速度、大存储容量方向发展,（,CPU,处理速度,nS,级；内存,2M,字节）,（,2,）向多品种方向发展和提高可靠性,（超大型和超小型）,（,3,）产品更加规范化、标准化,（硬件、软件兼容的,PLC,）,（,4,）分散型、智能型、与现场总线兼容的,I,0,（,5,）加强联网和通信的能力,（,6,）控制的开放和模块化的体系结构,(OMAC),6,、,PLC,世界著名品牌,德国西门子公司（,Siemens,）,美国,A,B,公司 （,Allen,Bradley,）,美国的莫迪康（,Modicon,）,法国的施耐德电器公司（,TE,）,日本欧姆龙公司（,OMRON,）,日本三菱电机株式会社（,MITSUBISHI,）,7,、最大厂家,（,1996,年中国,PLC,市场）,SIEMENS,； （德国西门子）,Allen,Bradly,； （美国,A-B),三菱电机；,（ 日本三菱）,OMRON,。,(,日本立石电机）,最短响应时间,在一个扫描周期刚结束时就收到一个输入信号，下一扫描周期一开始进入输入采样阶段这个信号就被采样，使输入更新，这时响应时间最短。,最短响应时间,=,输入延迟时间,+,一个扫描周期,+,输出延迟时间,。如图：,输入输出刷新时间,CPU,读输入,五、存储器,PLC,的存贮器包括只读存储器（,EPROM,）和随机存储器（,RAM,），,EPROM,用来存放系统程序，,RAM,用来存放用户程序。,（,1,）只读存贮器,ROM,存放的系统程序有：,(a),检查程序,PLC,通电后，首先由检查程序检查,PLC,各部件的操作是否正常，并将结果显示给操作人员。,(b),键盘输入处理程序,解释、执行用户从键盘上发出的命令，将用户输入的程序送到,RAM,中，读出并显示,RAM,中的内容,(c),翻译程序,将用户使用,PLC,编程语言编写的控制程序翻译成由机器语言组成的程序，然后再由,CPU,执行；同时，对用户程序进行语法检查。,(d),信息传递程序,将,RAM,中的用户程序送到外部存贮器中、如,EPROM,或打印机、或将外存贮器中的内容传送到,RAM,中。,(e),监控程序,根据用户的需要调用相应的内部程序。例如：用户通过面板的选挥开关选择了编程,(PROGRAM),工作方式，则监控程序就调用,“,键盘输入处理程序,”,，将用户从键盘上输入的程序送到,RAM,中。,(2),读写存贮器,RAM,(,a),用户程序,在编程,(PROGRAM),方式下，用户从键盘上输入的程序经过预处理后，存放在,RAM,低地址区。,(b),逻辑变量。,在,RAM,中有若干个存贮单元用来存放逻辑变量。这些逻辑变量用,PLC,术语说就是：输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器、保持继电器、定时计数器等。,六、编程器,编程器用来对用户程序进行写入、检查、修改和调试的外，也可以在线监视,PLC,的运行，是,PLC,最重要的外部设备，也是,PLC,不可缺少的一部分。它经过编程器接口与,CPU,联系，完成人,机对话。,编程器可分为简易编程器和图形编程器两种。图形编程器可直接输入梯形图程序，操作方便，功能强，且可脱机编程，有液晶显示,(GPC),的便携式和阴极射线,(CRT),式两种，价格一般较高。简易编程器功能较少，,般需将梯形图变为指令编码的形式输入，通常需联机工作。,目前，很多,PLC,都可以利用微型计算机作为编程工具，这时应配上相应的编程软件及接口。由于微机的强大功能，使,PLC,的编程和调试更为方便。,手持式编程器,简易编程器，,将梯形图变为指令编码的形式输入，通常需联机工作。,PC,FP PROGRAMMER,(HELP),CLR,WRT,FN/P,FL,STK,IX/IY,NOT,DT/Ld,READ,OT,L,WL,OR,R,WR,AN,Y,WY,ST,X,WX,SRC,(-),OP,(BIN),K/H,SC,CT,C,EV,TM,T,SV,ACLR,ENT,B,A,F,E,D,C,9,8,3,2,1,0,7,6,5,4,(DELT),CLR,手持式的编程器,七、电源部件,用来将外部供电电源转换成可供,PLC,的,CPU,、存贮器、,I,O,接口等各电子电路工作所需的直流电源，使,PLC,能正常工作。,八、其他接口电路,除了,I/O,接口外，许多,PLC,还配置了一些其它接口，使,PLC,能满足更多的需。主要有以下几种：,(1)I,O,扩展机接口。用于扩展输入输出点数，当用户的,PLC,控制系统所需的输入、输出点数超过主机的输入、输出点数时，就要通过,I,O,扩展接口将主机与,I,O,扩展单元连接起来。,(2),智能,I,O,接口。它是带有独立的微处理器和控制软件的特殊,I,O,接口，可以独立地工作。为适应和满足更加复杂控制功能的需要，,PLC,生产厂家均生产了各种不同功能的智能,I,O,接口。,在众多的智能,I,O,接口中，常见的有满足位置控制需要的位置闭环控制接口模块；有快速,PID,调节器的闭环控制接口模块；有满足计数频率高达,100MHz,的高数计数器接口模块等。,(3),通讯接口（外部,I/O,设备接口,）,是专用于数据通讯的一种智能模块，主要用于人,机对话或机,机对话。,PLC,通过通讯接口可以与打印机、监视器等外部设备相连，也可与其他,PLC,或上位计算机相连，构成多机局部网络系统或多级分布式控制系统。或实现管理与控制相结合的综合系统 。,通讯接口有串行接口和并行接口两种，它们都在专用系统软件的控制下，遵循国际上多种规范的通讯协议来工作。用户应根据不同的设备要求选择相应的通讯方式，并配置合适的通讯接口。,九、,PLC,的外部设备,外部设备主要有：,(1),打印机,(2),外存贮器,(3)EPROM,写入器,EPROM,写入器，用于将程序写入到,EPROM,中去。,十、可编程控制器的分类,1,、按,I,O,点数分类,I,O,点数小于,32,为微型,PLC,；,I,O,点数在,32,128,为微小型,PLC,；,I,O,点数在,128,256,为小型,PLC,；,I,O,点数在,256,1024,为中型,PLC,；,I,O,点数大于,1024,为大型,PLC,；,I,O,点数在,4000,以上为超大型,PLC,。,以上划分不包括模拟量,I,0,点数，且划分界限不是固定不变的。,2,、按结构形式分类,整体式,PLC,：,又称单元式或箱体式。整体式,PLC,是将电源、,CPU,、,I,0,部件都集中装在一个机箱内。一般小型,PLC,采用这种结构。,模块式,PLC,：,将,PLC,各部分分成若干个单独的模块，如,CPU,模块、,I,0,模块、电源模块和各种功能模块。模块式,PLC,由框架和各种模块组成。模块插在插座上。一般大、中型,PLC,采用模块式结构，有的小型,PLC,也采用这种结构。,叠装式,PLC,：,有的,PLC,将整体式和模块式结合起来，称为叠装式,PLC,。,整体式,PLC,模块式,PLC,电源模块,CPU,模块,IO,模块,底 板,输入输出单元模块,外设通信模块,其它模块,十一、,PLC,的工作过程,与其它计算机系统一祥，,PLC,的,CPU,是采用分时操作的原理，每一时刻执行一个操作，随着时间的延伸一个动作接一个动作顺序地进行，当所有动作完成后再重复以上过程，这种分时操作不断重复的进程称为,PLC,的循环扫描工作过程。,PLC,工作时在系统程序的监控下首先要做初始化的准备工作，而后是一个不断顺序循环扫描的过程，直至停机。如下图：,理解,CPU,的扫描周期,首先进行初始化操作：,PLC,工作时，首先进行系统初始化操作。即内部继电器区清零、定时器复位、检测,I/O,单元的连接、监控定时器复位等。,初始化完成后进入顺序循环扫描过程，每循环扫描一次称为一个扫描周期，在每一扫描周期过程中都要依次完成以下五个操作任务：,初始化,CPU,自诊断,通信信息处理,与外设交换信息,执行用户程序,输入输出信息处理,1,、,CPU,自诊断,自诊断是,PLC,每次进入扫描时进行的自检，对电源、,PLC,内部电路、用户程序的语法进行检查，自诊断功能是由监视定时器,WDT,（,Watch Dog Timer,）完成的，它是一个完成计时的硬件装置。在定时器复位前循环扫描时间如果超过设定值说明有故障，给出故障性质，一般性故障，只报警不停机，等待处理；严重故障则停止运行用户程序，此时,PLC,切断一切输出联系，,I/O,将复位。如果无故障继续执行下一任务。,2,通信信息处理,在通信信息处理阶段，要进行,PLC,之间以及,PLC,与计算机之间的信息交换；,PLC,与其他带微处理器的智能装置通信，例如智能,I/O,模块；在双处理器系统中，,CPU,还要与数字处理器,DPU,（位处理器）交换信息。（这个阶段实际上就是,PLC,与带有,CPU,芯片的设备在交换信息）。,3,与外部设备交换信息,外部设备与,PLC,连接时，,PLC,在这个阶段要与外部设备接口交换信息。这些外部设备有编程器、终端设备、彩色图形显示器、打印机等。,其中编程器是人机交互的重要设备，每个扫描周期,PLC,与编程器都要进行信息交换，以便用户把应用程序输入到,PLC,中，或进行在线编程、在线修改、在线运行监控等。,4,、执行用户程序,PLC,在运行状态下（,STOP,方式下不运行用户程序这一环节），每一个扫描周期中都包含了用户程序扫描阶段。执行用户程序时，是以扫描的方式按顺序逐条处理，扫描一条执行一条，程序中用到的运算数据取至于输入映像区，运算结果将送到输出映像区对应位置上。,5,、输入、输出信息处理,PLC,在运行状态下（,STOP,方式下不运行用户程序），每一个扫描周期都要包含输入、输出信息处理阶段。以扫描的方式把外部输入信号的状态存入输入映像区；将运算处理后的结果存入输出映像区，直至传送到外部被控设备。,可编程序控制器周而复始地巡回扫描，执行上述整个过程，直至停机。,十二、信号的输入、输出传递过程,PLC,在工作时，信号从输入到输出的传递过程分为三个阶段，即输入采集阶段、执行用户程序阶段、输出刷新阶段。如图：,输入电路,输入缓冲器,输入映像存储器,输出映像存储器,输出锁存器,输出电路,输入采集阶段,程序执行阶段,输出刷新阶段,允许输入刷新,允许输出刷新,PLC,的工作方式,PLC,是采用,顺序扫描、不断循环,的方式进行工作的。,PLC,的扫描工作过程可分为输入采样、程序执行和输出刷新,3,个阶段，并进行周期性循环。,1.,输入采样阶段,在扫描周期内，,PLC,定时将现场的全部有关信息采集到输入映像区中，通常在扫描周期的开始或结束时进行定时采集，这一阶段称为输入采样阶段。输入采样的过程如下：,PLC,在输入采样阶段，以扫描方式顺序读入所有输入端的状态先到输入缓冲器中，然后集中传输到输入映像区中。,这是一种集中采样方式。输入映像区的信息供用户程序执行时取用。,在程序执行期间即使外部输入信号状态发生变化，输入映像区的内容也不会改变，这些变化只有到下一个扫描周期的输入采样阶段才被读入刷新。,2,程序执行阶段,PLC,在程序执行阶段，在无中断或跳转指令的情况下，根据梯形图程序从首地址开始按自左向右、自上而下的顺序，对每条指令逐句进行扫描，扫描一条，执行一条。执行程序时，梯形图中的输入继电器的状态取自于内部输入映像寄存器的状态和输出映像寄存器的状态；并将运算的结果再存放在输出映像寄存器对应的位置中（但不是实际输出）。,事实上，,CPU,运算过程中所取用的,I/O,数据均取自于输入和输出映像寄存器；输出映像区的内容将随着程序执行的进程而变化。,3,输出刷新阶段,指令执行完毕，进入输出刷新阶段，,CPU,将输出映像区的内容集中转存到输出锁存器中，然后传送到各相应的输出端子，最后再驱动实际输出负载，这才是,PLC,的实际输出，这是一种集中输出的方式。在输出刷新阶段之前（也就是程序执行阶段）输出锁存器中的内容是不会改变的。,4,、,PLC,对输入输出的处理规则,PLC,以扫描的方式工作，以,“,串行,”,方式处理信息。因而在考虑,PLC,的输入、输出之间的关系时，应充分注意它的周期工作方式。在用户程序执行阶段,PLC,对输入、输出的处理必须遵守以下规则：, 输入映象寄存器的内容，由上一个扫描周期输入端子的状态决定。, 输出映象寄存器的状态，由程序执行期间输出指令的执行结果决定。,输出锁存电路的状态，由上一次输出刷新期间输出映象寄存器的状态决定。,输出端子板上各输出端的状态，由输出锁存电路来确定。,执行程序时所用的,I/O,状态值，取用于输入、输出映象寄存器的状态。,十三、输入、输出延迟响应,1,、输入、输出延迟响应,所谓输入、输出延迟响应：是指当,PLC,的输入端的信号发生变化到,PLC,输出端对该变化做出反应需要一段时间，这种现象称为输入、输出延迟响应或滞后现象。这段时间就是响应时间或滞后时间。（,1 2,个扫描周期）。,PLC,对输入信号,进行处理然后输出,输入信号,信号输出,有延迟响应,2,、响应时间,响应时间与以下因素有关：, 输入滤波电路的时间常数（输入延迟）, 输出电路的滞后时间（输出延迟）,PLC,循环扫描的工作方式 （串行处理方式）,PLC,对输入采样、输出刷新的特殊处理方式,（集中方式）, 用户程序中语句的安排,其中、是由,PLC,的工作原理决定的，用户无法改变。可对、合理选择和处理。例如选用可控硅输出方式、晶体管输出方式，则响应速度较快；合理安排用户程序语句也可使响应速度加快。,周期循环扫描工作方式使响应时间与收到输入信号的时刻有关，我们分别讨论最短和最长响应时间。,最短响应时间,在一个扫描周期刚结束时就收到一个输入信号，下一扫描周期一开始进入输入采样阶段这个信号就被采样，使输入更新，这时响应时间最短。,最短响应时间,=,输入延迟时间,+,一个扫描周期,+,输出延迟时间,。如图：,输入输出刷新时间,CPU,读输入,最长响应时间,如果收到一个输入信号经输入延迟后，刚好错过,I/O,刷新时间，在该扫描周期内这个输入信号不会起作用，要到下一个扫描周期输入采样阶段才被读入使输入更新，这时响应时间最长。最长响应时间,=,输入延迟时间,+,两个扫描时间,+,输出延迟时间。如图：,输入输出刷新时间,CPU,读入,用户程序的语句安排影响响应时间,输入信号在第一个扫描周期的程序执行阶段被激励，该输入信号到第二周期输入采样阶段才被读入，可见，程序语句的安排影响了响应时间。如图：,I0.2,Q0.0,M2.0,Q0.0,