第1章-PLC概述与工作原理课件

,yuanqi,Programmable Logic Controller,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,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1章 PLC概述与工作原理,第1章 PLC概述与工作原理第1章 PLC概述与工作原理,可编程序控制器问世于1969年。是美国汽车制造工业激烈竞争的结果。更新汽车型号必然要求加工生产线改变。正是从汽车制造业开始了对传统继电器控制的挑战。1968年美国General Motors公司，要求制造商为其装配线提供一种新型的通用程序控制器，并提出10项招标指标。这就是著名的GM 10条。,第一章 可编程控制器的基本知识,第一节 可编程控制器的产生和发展,一、可编程控制器的产生,编程简单，可在现场修改程序,；,可靠性高于继电器控制柜；,体积小于继电器控制柜；,维护方便，最好是插件式；,可将数据直接送入管理计算机,；,在成本上可与继电器控制柜竞争；,输入可以是交流,115,V；,输出为交流,115,V、2A,以上，能直接驱动电磁阀等；,在扩展时，原系统只需很小变更；,用户程序存贮器容量至少能扩展到,4,K。,GM10条是可编程序控制器出现的直接原因：,可编程控制器的发展及定义,1969年，美国数据设备公司,(,DEC),研制出世界上第一台可编程控制器，并成功地应用在,GM,公司的生产线上。这一时期它,主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称,PLC(Programmable Logic Controller)。,70,年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使,PLC,从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制领域，,真正成为一种电子计算机工业控制装置,，,故称为可编程控制器，简称,PC(Programmable Controller)。,但由于,PC,容易和个人计算机,(,Personal Computer),相混淆，故人们仍,习惯地,用,PLC,作为可编程控制器的缩写。,1985年1月,国际电工委员会的定义,：,“可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，,专为工业环境下应用而设计,。,它采用可编程序的存储器，用来在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设备，都应按,易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充的原则设计,”。,PLC,与传统的继电器逻辑相比,可靠性高、逻辑功能强、体积小。,在需要大量中间继电器、时间继电器及计数继电器的场合，,PLC,无需增加硬设备。,随着要求的变更,PLC,对程序修改方便。继电器线路要想改变控制功能，必须变更硬接线，灵活性差。,具有网络通讯功能，可附加高性能模块对模拟量进行处理，实现各种复杂控制功能。,PLC,与工业控制计算机相比,PLC,继承了继电器系统的基本格式和习惯,，,对于有继电器系统方面知识和经验的人来说，尤其是现场的技术人员，学习起来十分方便。,PLC,一般是由电气控制器的制造厂家研制生产，,各厂家的产品不通用。,工业控制机,是由通用计算机推广应用发展起来的，一般由微机厂、芯片及板卡制造厂开发生产。它在硬件结构方面的突出优点是,总线标准化程度高，产品兼容性强。,3. PLC的运行方式与工业控制机不同，,微机的许多软件不能直接使用。,工业控制机可使用通用微机的各种编程语言，对要求快速、实时性强、模型复杂的工业对象的控制占有优势。但它要求使用者具有一定的计算机专业知识。,PLC,和工业控制机都是专为工业现场应用环境而设计的。,都具有很高的可靠性。,PLC,一般具有模块结构，,可以针对不同的对象进行组合和扩展。,PLC未来的发展不仅依赖于对新产品的开发，还在于PLC与其他工业控制设备和工厂管理技术的综合。无疑，PLC将在今后的工业自动化中扮演重要角色。在未来的工业生产中，,PLC技术,和,机器人,、,CAD/CAM,将成为实现工业生产自动化的三大支柱。,传统的继电接触控制系统通常由输入设备、控制线路和输出设备三大部分组成，如图1-1所示。显然这是一种由许多“硬”的元器件连接起来组成的控制系统。控制程序的修改必须通过改变接线来实现。,第二节 可编程控制器的基本结构,1. PLC的基本结构,图1-1 继电器控制系统与PLC控制系统的比较,（a） 继电器控制系统,（b） PLC控制系统,PLC及其控制系统是从继电接触系统和计算机控制系统发展而来的，因此，PLC与这两种控制系统有许多相同或相似之处，PLC的输入输出部分与继电接触控制系统的大致相同，PLC的控制部分用微处理器和存储器取代继电器控制线路，其控制作用是通过用户软件来实现的，其组成见图1-1（b）所示，基本结构见图1-2所示。,图1-2 PLC基本结构,(a),(b),图1-2 PLC基本结构,例如图1-3表示了三相异步电动机单向运行的继电接触控制线路和PLC梯形图。,(a),(b),图1-3 继电器控制线路与PLC梯形图,2. PLC各部分的作用,（,1）CPU,诊断,PLC,电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。,采集现场的状态或数据，并送入,PLC,的寄存器中。,逐条读取指令，完成各种运算和操作。,将处理结果送至输出端。,响应各种外部设备的工作请求。,2. PLC各部分的作用,（2）存储器,系统程序存储器,：用以存放系统管理程序、监,控程序及系统内部数据。PLC出厂前已将其固化,在只读存储器ROM或PROM中，用户不能更改。,用户存储器：,包括用户程序存储区及工作数据,存储区。这类存储器一般由低功耗的CMOS-,RAM 构成，其中的存储内容可读出并更改。,注意：,PLC产品手册中给出的“存储器类型”和“程,序容量”是针对用户程序存储器而言的。,PLC,各部分的作用,（3）输入输出接口电路,输入接口电路,：,采用光电耦合电路，将限位开关、手动开关、编码器等现场输入设备的,控制信号转换,成,CPU,所能接受和处理的,数字信号,。,PLC的输入接口电路（直流输入型）,PLC,各部分的作用,输出接口电路：,采用光电耦合电路，,将,CPU,处理过的信号转换成现场需要的强电信号输出，,以驱动接触器、电磁阀等外部设备的通断电。,有三种类型,：,继电器输出型,继电器输出型：,为有触点输出方式，用于接通或断开,开关频率较低的,直流负载,或,交,流负载回路。,晶闸管输出型,晶闸管输出型：,为无触点输出方式，用于接通或断开,开关频率较高的,交流,电源负载。,晶体管输出型,（NPN集电极开路,）,晶体管输出型,（PNP集电极开路）,晶体管输出型：,为无触点输出方式，用于接通或断开,开关频率较高的,直流,电源负载。,4.电源,PLC的电源,是指将外部输入的交流电处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输人输出接口等内部电路工作需要的,直流电源电路或电源模块,。,许多PLC的直流电源采用直流开关稳压电源，不仅可提供多路独立的电压,供内部电路使用,，,而且,还可为输入设备提供标准电源。,手持编程器,手持编程器采用,助记符语言编程,，具有编辑、检索、修改程序、进行系统设置、内存监控等功能。可一机多用，具有使用方便、价格低廉的特点。,缺点：,不够直观,可通过,PLC,的,RS232,外设通讯口,(或,RS422,口配以适配器,),与计算机联机，,利用专用工具软件,（,NPSTGR、FPSOFT、FPWINGR）,对,PLC,进行编程和监控,。利用计算机进行编程和监控比手持编程工具更加直观和方便。,输入输出,I0,扩展接口,若主机单元的,IO,点数不能满足需要时,，,可通过此接口用扁平电缆线将,IO,扩展单元与主机相连，以,增加,IO,点数,。,PLC,的最大扩展能力主要受,CPU,寻址能力和主机驱动能力,的限制。,7. PLC的输入输出方式,（1）输入方式, PLC输入方式按输入回路电流来分，有直流输入和交流输入两种。不过有的PLC也有交直流输入方式。直流输入电路如图1-4所示，当外接触点接通时，光电耦合器中的发光二极管LED发光（显示用的LED也发光），光敏三极管饱和导通，信号经内部电路传送给CPU模块。,图1-4 直流输入电路,交流输入电路如教材P18图2.5所示，由PLC外部提供交流电源。光电耦合器中有两个反并联的发光二极管，显示用的两个发光二极管也是反并联的，所以这个电路可以接收外部的交流输入电压。,从上面的两个电路图中可见，由于输入信号经过光电耦合器的隔离，这提高了PLC的抗干扰能力。, 按PLC的输入模块与外部用户设备的接线形式来分，有,汇点式输入,和,分隔式输入接线,两种形式。如图1-5和1-6所示。,图1-6 汇点式输入接线,（,其中（b）为分组汇点式,）,（a）,（b）,图1-7 分隔式输入接线,（2）输出方式,PLC输出方式按负载使用的电源（用户电源）来分，有直流输出、交流输出和交直流输出三种方式。,按输出开关器件的种类来分，有晶体管、晶闸管和继电器三种输出方式，见课本P22图2.6所示。,按输出模块与外部用户输出设备的接线形式分，有汇点式输出和分隔式输出接线两种，如图1-7所示。,图1-7 输出模块接线方式,（a）汇点式,（b）汇点（分组）式,（c）分隔式,第三节 可编程控制器的原理及技术性能,1.PLC的基本工作原理,（1）PLC的等效电路,PLC的等效电路可用图1-8来表示，它主要由输入部分、输出部分和内部控制电路组成。,输入部分的作用是收集被控设备的信息或操作指令。输出部分的作用是驱动外部负载。内部控制电路的作用是对从输入部分得到的信息进行运算、处理，并判断哪些功能应输出。,PLC内部有许多“软”继电器或继电器“软触点和”软“接线，这些都是用编程软件来实现的。,图1-8 PLC的等效电路,微机：,等待命令,的工作方式,PLC：,循环扫描,的工作方式,CPU从第一条指令开始按指令步序号作周期性的循环扫描，如果,无跳转指令,则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令,，,周而复始不断循环，每一个循环称为,一个扫描周期。,（2）PLC的工作过程,一个扫描周期主要分为三个阶段：,输入刷新阶段,程序执行阶段,输出刷新阶段,PLC的扫描工作过程,输入刷新,程序执行,输出刷新,一个扫描周期,输入刷新,用,户,输,出,设,备,输,入,端,子,输,入,锁,存,器,输,入,映,象,寄,存,器,输,出,映,象,寄,存,器,输,出,锁,存,器,输,出,端,子,程序,执行,用,户,输,入,设,备,写,读,读,由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为IO刷新阶段。实际上，除了执行程序和IO刷新外，PLC还要进行各种错误检测(自诊断功能)并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”。一般在程序执行后进行。,扫描周期的长短主要取决于程序的长短。,由于每一个扫描周期只进行一次I0刷新，故使系统,存在输入、输出滞后现象。,这对于一般的开关量控制系统不但不会造成影响，,反而可以,增强系统的抗干扰能力。,但对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后。,从上述PLC工作过程中可以看出：,PLC采用循环扫描工作方式，PLC工作的主要特点是输入信号集中批处理，执行过程集中批处理，输出控制集中批处理。PLC的这种“串行”工作方式，可以避免继电接触控制中触点竞争和时序失配的问题，这是PLC可靠性高的原因之一，但是又导致输出对输入在时间上的滞后，这是PLC的缺点之一。,还需指出的一点是：在PLC中常采用一种称之为“看门狗”（watchdog)的定时器监视器来监测PLC的实际工作时间周期是否超出预定的时间，以避免PLC在执行程序过程中进入死循环，或PLC执行非预定的程序而造成系统故障瘫痪。,2.,PLC的主要技术指标,输入输出点数（I/O点数）,内存容量,注意：,“内存容量”实际是指用户程序容量，不包括系,统程序存储器的容量。,扫描速度 (单位：msk或s/步。 ),指令条数,内部继电器和寄存器数目,编程语言及编程手段,高级模块,主控模块可实现基本控制功能，,高级模块可实现一些,特殊的专门功能。,如AD和DA转换模块等。,3. PLC的内存分配及IO点数,I0继电器区： I0区的寄存器,可直接与PLC外部的输入、输出端子传递信息，,具有“继电器”的功能，有自己的“线圈”和“触点”。故常称为“I0继电器区”。,内部通用继电器区：,只能在PLC内部使用，,其作用与中,间继电器相似，在程序控制中可存放中间变量。,数据寄存器区 ：,只能按字使用,，不能按位使用。一般只用来,存放各种数据。,特殊继电器、寄存器区 ：,被系统内部占用,，专门用于某些特殊目的，一般,不能由用户任意占用,。,系统寄存器区：用来,存放各种重要信息和参数。,通过用户程序，不能读取和修改系统寄存器的内容。,第四节 PLC的分类及功能,1. PLC的分类,（1）按结构形式分类,整体式,模块式,（2）按功能分类,低档机,中档机,高档机,分 类,I0点数,程序容量,超小型机,64点以内,2561000字节,小型机,64256,13.6K字节,中型机,2562048,3.613K字节,大型机,2048以上,13K字节以上,（3）按IO点数和程序容量分类（见上表）,2. PLC的主要功能,（1）条件控制功能,（2）,定时计数控制功能,（3）数据处理功能,（4）步进控制功能,（5）,AD与DA转换功能,（6）运动控制功能,（7）过程控制功能,（8）,扩展功能,（9）,远程I0功能,（10）通信联网功能,（11）监控功能,第五节 PLC的特点、应用场合和发展趋势,1.PLC的主要特点,(1),可靠性高、抗干扰能力强。,主要有以下几个方面：,隔离,(,采用光电耦合器,),滤波,对,PLC,的内部电源采取了屏蔽、稳压、保护等措施。,设置了连锁、环境检测与诊断、,Watchdog,等电路。,利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测。,对用户程序及动态工作数据进行电池备份。,采用密封、防尘、抗振的外壳封装结构。,以集成电路为基本元件，内部处理过程不依赖于机械触点。,采用循环扫描的工作方式，,也提高了抗干扰能力。,(2)可实现三电一体化,将电控(逻辑控制)、电仪(过程控制),和电结(运动控制)集于一体，可以方便、,灵活地组合成各种不同规模和要求的控,制系统。,(3)编程简单、使用方便、柔性好,(4)体积小、重量轻、功耗低,2.PLC的应用场合,(1),逻辑控制,：可取代传统继电器系统和顺序控制器。如各种机床、自动电梯、装配生产线、电镀流水线、运输和检测等的控制。,(2),运动控制,：可用于精密金属切削机床、机械手、机器人等设备的控制。,(3)数据处理,(4) 过程控制,：通过配用AD、DA转换模块及智能PID模块实现对生产过程中的温度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量进行闭环调节控制。,(5) 多级控制,：,利用PLC的网络通信功能模块及远程IO控制模块实现多台PLC之间、PLC与上位计算机的链接，以完成较大规模的复杂控制。,3. 可编程控制器的发展趋势,（1）在系统构成规模上,向大、小两个方向,发展；,（2）功能不断增强，各种应用模块不断推,出 ；,（3）产品更加,规范化、标准化 。,第六节 PLC的几种编程语言,不采用微机的编程语言，采用梯形图语言、指令助记符语言、控制系统流程图语言、布尔代数语言等。其中,梯形图、指令助记符语言最为常用。,PLC的设计和生产至今尚无国际统一标准，,不同厂家所用语言和符号也不尽相同。,但它们的梯形图语言的基本结构和功能是,大同小异,的。,1.梯形图语言,梯形图是,在原继电器接触器控制系统的继电器梯形图基础上演变而来的,一种图形语言,。,它是目前用得最多的PLC编程语言。,注意,：,梯形图表示的并,不是一个实际电路而只是一个控制程序，,其间的连线表示的是它们之间的逻辑关系，即所谓“软接线”。,常开触点 ：,常闭触点：,线圈：,或,注意：,它们并非是物理实体，而是“软继电器”。,每个“软继电器”仅对应PLC存储单元中的一位。,该位状态为“1”时，对应的继电器线圈接通，其常开触点闭合、常闭触点断开；状态为“0”时，对应的继电器线圈不通，其常开、常闭触点保持原态。,2.指令助记符语言,助记符语言类似于计算机汇编语言,，,用一些简洁易记的文字符号表达PLC的各种指令。同一厂家的PLC产品，其助记符语言与梯形图语言是相互对应的，可互相转换。,助记符语言常用于手持编程器中，梯形图语言则多用于计算机编程环境中。,谢谢大家！,结 语,