可编程控制器概述(赖指南)

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,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,2,章 可编程控制器概述,2.1,可编程控制器的产生及其定义,2.1.1,可编程序控制器的产生,1968,年由美国通用汽车公司（,GE,）提出了研制可编程序控制器（即可编程控制器）的基本设想，希望尽量减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件和接线，减少系统维护和升级时间，降低成本。希望将计算机的优点与继电器控制系统简单易懂、操作方便，价格便宜等优点相结合，设计一种通用的控制装置来满足生产需求。,1969,年由美国数字设备公司（,DEC,）研制成功世界上第一台可编程控制器，有逻辑运算、定时、计算功能，称为,PLC,（,programmable logic controller,）。,1980,年后，由于计算机技术的发展，,PLC,采用通用微处理器为核心，功能扩展到各种算术运算，,PLC,运算过程控制并可与上位机通讯、实现远程控制。,2.1.2,可编程控制器的定义,国际电工委员会（,IEC,）,1985,年颁布的可编程逻辑控制器的定义如下：“可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。它能够存储和执行命令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，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。可编程控制器及其有关的外围设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则设计”。,可编程序控制器是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。,可编程控制器最初是用于替代继电器控制系统的新型控制器，现在的,PLC,功能更加完善，除了开关逻辑控制的场合能够大显身手外，在要求有模拟量闭环控制的场合，也不会比单片机孙色。单片机能够完成的工作,PLC,都能完成。而且,PLC,更适用工业生产现场环境，具有更高的可靠性及较好的电磁兼容性。,图,2-1 PLC,组成原理图,2.2 PLC,的组成,尽管,PLC,种类繁多，有着不同的结构和分类，但其基本组成是相同的。都是由中央处理单元（,CPU,）、存储器、输入输出单元（,I/O,单元）、电源单元、编程器等组成。,2.2.1,中央处理单元,与普通计算机一样，,CPU,是系统的核心部件，是由大规模或超大规模的集成电路微处理器芯片构成，主要完成运算和控制任务，可以接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。进入运行状态后，用扫描的方式接收输入装置的状态或数据，从内存逐条读取用户程序，通过解释后按指令的规定产生控制信号。分时、分渠道地执行数据的存取、传送、比较和变换等处理过程，完成用户程序设计的逻辑或算术运算任务，并根据运算结果控制输出设备。,PLC,中的中央处理单元多用,8,到,32,位字长的单片机。,存储器,包括系统存储器和用户存储器。系统存储器存放系统管理程序。用户存储器存放用户编制的控制程序。,按照物理性能，存储器可以分为两类，随机存储器（,RAM,）和只读存储器（,ROM,）,。,随机存储器由一系列寄存器阵组成，每位寄存器可以代表一个二进制数，在刚开始工作时，它的状态是随机的，只有经过置“,1”,或清“,0”,的操作后，它的状态才确定。若关断电源，状态丢失。这种存储器可以进行读、写操作，主要用来存储输入输出状态和计数器、定时器以及系统组态的参数。只读存储器有两种。一种是不可擦除,ROM,，这种,ROM,只能写入一次，不能改写。,另一种是可擦,ROM,，这种,ROM,经过擦除以后还可以重写。其中,EPROM,只能用紫外线擦除内部信息，,EEPROM,可以用电擦除内部信息，这两种存储器的信息可保留,10,年左右。,对于不同的,PLC,，其存储器的容量随,PLC,的规模不同而有较大的差别，大型,PLC,的用户程序存储器容量一般大于,40KB,，而小型,PLC,的容量多小于,8KB,，用户程序存储器容量的大小，关系到用户程序容量的大小和内部软元件的多小，是反映,PL,性能的重要指标之一。,2.2.3,输入输出单元（,I/O,）,输入输出单元通常也叫,I/O,单元或,I/O,模块，是,PLC,与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。输入部件是开关、按钮、传感器等，,PLC,通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为,PLC,对被控对象进行控制的依据。输出部件是指示灯、电磁阀、接触器、继电器、变频器等，,PLC,通过输出接口将处理结果送给被控对象。以实现控制目的。,(1),输入接口电路,通常,PLC,的输入类型可以是直流、交流和交直流。输入电路的电源可由外部供给，有的也可由,PLC,内部提供。图,2-2,为,PLC,的直流输入接口电路的电路图，图,2-3,为,PLC,的交流输入接口电路的电路图，采用的是外接电源。,图,2-4,描述了一个输入点的接口电路。其输入电路的一次电路与二次电路用光耦合器相连，当行程开关闭合时，输入电路和一次电路接,通，上面的发光管用于对外显示，同时光耦合器中的发光管使三极管导通，信号进入内部电路，此输入点对应的位由,0,变为,1,。即输入映像寄存器的对应位由,0,变为,1,。,图,2-4,输入端为光电开关的电路图,(2),输出接口电路,PLC,输出电路用来驱动被控负载,(,电磁铁、继电、接触器线圈等,),。,PLC,输出电路的形式分为继电器式、晶体管式和双向晶闸管式三种。,继电器型输出电路。内部电路使继电器的线圈通电，它的常开触点闭合，是外部负载得电工作。继电器同时起隔离和功率放大的作用，每一路只给用户提供一对常开触点。与触点并联的,RC,电路和压敏电阻用来消除触点断开时产生的电,图,2-5 PLC,的开关量输出电路原理图,弧，以减轻它对,CPU,的干扰。继电器型输出电路的滞后时间一般在,10ms,左右。,晶体管集电极输出电路，各组的公共点接外接直流电源的负极。输出信号送给内部电路中的输出锁存器，再经光耦合器送给输出晶体管，后者的饱和导通状态和截止状态相当于触点的接通和断开。图中的稳压管用来抑制关断过电压和外部的浪涌电压，以保护晶体管，晶体管输出电路的延迟时间小于,1ms,。场效应晶体管输出电路的结构与晶体管输出电路基本上相同。,除了上述两种输出电路外，还有双向晶闸管输出电路，它用光敏晶闸管实现隔离。双向晶闸管由关断变为导通的延迟时间小于,1ms,，由导通变为关断的最大延迟时间小,10ms,。,2.2.4,电源,PLC,的交流输入一般为单相交流,(AC85,260V,，,50/60HZ),，有的也采用直流,24V,电源，,PLC,对外部工作电源的稳定度要求不高，一般可允许,15%,的波动范围，抗干扰能力比较强。有些,PLC,还配有大容量电容作为数据后备电源，停电时可以保持,50,小时。使用单相交流电源的,PLC,，其内部配有开关式稳压电源，该电源可以向,CUP,、存储器、,I/O,模块提供,DC5V,工作电源，在容量许可的条件下，还可同时向外部提供,DC24V,电源，供直流直流输入或输出使用。,2.2.5,编程器,编辑器是外围设备，利用编程器将用户程序送入,PLC,的存储器，检查程序。编程器,一般由,PLC,生产厂家提供，且只能用于某个品牌、某个系列的,PLC,。,编程器主要分为专用编程器和专用编程软件两类。,(1),专用编程器,用于编制特定,PLC,软件的编程装置，分为简易编程器和图形编程器两种。简易编程器只能编辑语句表指令程序，不能直接编辑梯形图程序，使用简易编程器时必须把梯形图程序先转化为语句表指令程序。因此，简易编程器一般用于小型,PLC,的编程，或者用于,PLC,控制系统的现场调试和维修。图形编程器本质上是一台便携式专用计算机系统，具有,LCD,或,CRT,图形显示功能，用户可以在线或离线地编制,PLC,应用程序，所能编辑的也不再局限于语句表指令，可直接使用梯形图编程。,(2),专用编程软件,除了专用编程器以外，各,PLC,厂家都提供了能在,PC,上运行的专用编程软件，借助于相应的通信接口，用户可以在,PC,上通过专用编程软件来编辑和调试用户程序，而且专用编程软件一般可适应于同一厂商的多种型号,PLC,。专用编程软件具有功能强大、通用性强、升级方便、价格低廉等特点，在个人计算机和便携式电脑日益普及的情况下，是用户首先的编程装置。,2.2.6,其他外围设备,其他外围设备包括人机接口装置（,HMI,）、储存器卡、打印机、盒式磁带机、,EPROM,写入器等。,2.3 PLC,的工作原理,2.3.1 PLC,控制系统等效电路,PLC,是从继电器控制系统发展而来的。以图,1-11,中电动机的控制电路为例，该电路是以触点、线圈的组合实现的起保停控制及热继电器保护控制，用,PLC,实现等效的电气控制逻辑非常方便，如图,2-6,所示，可以将,PLC,等效电路分成,3,部分，即输入部分、内部程序执行部分和输出部分。它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，所以梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称。,(1),输入部分,输入部分由外部输入电路、输入端子和输入继电器,(,内部软元件,),组成，每个外部输入信号经由输入端子驱动相同编号的输入继电器。当外部信号状态为“,1”,时（外部触点处于闭合状态），对应的输入继电器状态为“,1”,，程序中与该元件对应的常开触点闭合,(,状态为“,1”),、常闭触点断开（状态为“,0”,）。同理，当外部输入信号断,开时，相应的输入继电器状态为“,0”,，程序中与之对应的常开触点状态为“,0”,、常闭触点状态为“,1”,。,输入部分的主要功能就是检测各外部输入信号的状态，并将结果存放到输入映像寄存器中。,(2),内部程序执行过程,PLC,的程序是电气控制线路的软件实现，程序的执行过程相当于电气控制的逻辑运算过程。,PLC,按照用户程序规定的逻辑关系，对输入信号和输出信号的状态进行检测、判断、运算和处理，得到相应的输出，这些输出同样对应于,PLC,的某些内部软元件。,(3),输出部分,以继电器输出形式为例，输出部分由,PLC,内部输出继电器常开触点、输出端子和外部输出电路组成，输出端子与同编号的输出继电器相对应，通过输出继电器常开触点的分合来驱动外部负载。,输出继电器的状态由程序执行结果决定。当内部软元件的逻辑运,算结果为“,1”,时，相应的输出继电器得电，其常开触点闭合，接通外部负载电路，以驱动相应的控制电路。当逻辑运算结果为“,0”,时，相应的输出继电器的常开触点断开，切断外部驱动电路。,总之，,PLC,是根据检测到的输入元件的状态及内部其他元件的状态顺序执行用户程序的，然后将得到的结果输出至外部负载电路，以驱动相应的控制电器（继电器、接触器、电磁阀等）。,2.3.2,扫描工作方式,PLC,有两种基本的工作模式，即运行和停止。可以由外设的钮子开关设置，也可以由编程软件设置，在程序编辑、修改、上传和下载时,PLC,应处在停止模式，在,PLC,执行控制程序时必须处在运行模式。运行和停止模式都有相应的状态指示灯指示。,PLC,采用循环扫描的工作方式，包括内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。,当处于,RUN,状态时，上述扫描周期不断循环。当处于,STOP,状态时,PLC,之只完成内部处理和通信服务。,(1),内部处理阶段,主要完成自检、自诊断及完成一些其他工作等，如检查,CPU,模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位等等。,(2),通信服务阶段,PLC,与其他的带微处理器的智能装置通信，相应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。,(3),输入处理,PLC,在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，包括未接线的端子，将各输入状态信息存入内存中各对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着，进入程序执行阶段，在程序执行过程中用到的输入信息均来自输入映像寄存器，在程序执行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，其内容保持不变，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内容。,输入映像寄存器中的位存储单元称为输入继电器，一般用,I,或,X,表示，如,I0.0,、,I 0.1,和,X000,、,X001,等，其状态分为有输入（“,ON”,或“,1”,）和没有输入（“,OFF”,或“,0”,）两种，而且完全由外界的输入端决定,不能由程序改变其状态。,(4),程序执行,在程序执行阶段，根据,PLC,梯形图程序扫描原则，,PLC,按先左后右，先上后下的步序语句逐句扫描。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当指令中涉及输入、输出状态时，,PLC,就从输入映像寄存器“读入”上一阶段采入的对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件,( “,软继电器”,),的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来说，每一个元件,( “,软继电器”,),的状态会随着程序执行过程而变化。,(5),输出处理,在输出刷新阶段，在所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通,/,断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。,可以通过图,2-8,所示的例子来进一步分析,PLC,的工作原理。图中的程序是用梯形图来表示的，梯形图是一种软件，是,PLC,图形化的程序，但是实际上梯形图是以指令的形式储存在,PLC,的用户程序存储器中，图,2-8,中的梯形图程序与下面的,5,条指令相对应。,LD I0.0 /,逻辑开始,O Q0.1 /,并联条件,AN I0.1 /,串联条件,A I0.2 /,串联条件,= Q0.1 /,启动输出,1,在输入处理阶段，,CPU,将,SB1,、,SB2,的常开触点、,FR,的常闭触点的状态读入相应的输入映像寄存器，外部触点接通时存入寄存器的是二进制数,1,，反之存入,0,。,执行第,1,条指令时，从,I0.0,对应的输入映像寄存器中取出二进制数并保存到栈顶。执行第,2,条指令时，取出,Q0.1,对应的输出寄存器中的二进制数，与,I0.0,对应的二进制数相“或”。运算结束后只保留运算结果，不保留取出来的参与运算的数据。,执行第,3,条指令时，取出,I0.1,对应的输入映像寄存器中的二进制数，因为是常闭触点，先将取出的数取反，再与前面的运算结果相与，然后存入栈顶。第,4,条指令的执行与第,3,条指令的执行类似。只是取出的数不要取反而已。,执行第,5,条指令时，将运算结果寄存器的二进制数送入,Q0.1,对应的输出映像寄存器。,在输出处理阶段，,CPU,将各输出映像寄存器的二进制数传送给输出模块并锁存起来，如果,Q0.1,对应的输出映像寄存器存放的是二进制数,1,，外接的接触器的线圈将通电，反之将断电。,2.3.3,扫描周期,在,RUN,工作模式时，,PLC,的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期或工作周期。,CPU,从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。,PLC,就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。,PLC,运行正常时，扫描周期的长短与,CPU,的运算速度有关，与,I/O,点的情况有关，与用户应用程序的长短及编程情况等均有关。通常用,PLC,执行,1K,指令所需时间来说明其扫描速度,(,一般,110ms/K),。值得注意的是，不同指令其执行时间是不同的，从零点几微秒到上百微秒不等，故选用不同指令所用的扫描时间将会不同。当用于高速系统且需要缩短扫描周期时，可从软硬件上考虑。,2.3.3,输入,/,输出滞后时间,输入,/,输出滞后时间又称系统相应时间，是指,PLC,的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间这三部分组成。,PLC,是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理基础上的，即是通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。但是,CPU,是以分时操作方式来处理各项任务的，在每一瞬间只能做,一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各继电器的动作,便成为时间上的串行,实际输入,/,输出的响应是有滞后的。,但,PLC,总的相应时间一般只有几十毫秒，对于一般的系统是无关紧要的。要求输入输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的,PLC,或采取其他措施。,2.4 PLC,的特点与应用领域,2.4.1 PLC,的特点,(1),编程简单、使用方便,目前，大多数,PLC,编程系统均采用了类似于继电器,-,接触器控制线路的梯形图编程语言，与常用的计算机语言相比更容易为一般工程技术人员所理解和掌握。同时,PLC,编程软件或简易编程器的操作与使用也比较简单，现场可修改程序。,(2),维修工作量少，维护方便,可编程序控制器的故障率很低，并且有完善的自诊断和显示功能。可编程序控制器或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据可编程序控制器上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。,(3),可靠性高于继电器控制系统,传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器。,由于触点接触不良，容易出现故障。,PLC,用软件代替了中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的十分之一以下。大大减少了因触点接触不良造成的故障。,PLC,使用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，,PLC,被广大用户公认为最可靠的工业设备之一。,(4),系统的设计、安装、调试工作量少,PLC,用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。,PLC,的梯形图程序可以用顺序控制设计法来设计。这种设计方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，用这种方法设计程序的时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。,大多数的,PLC,可以用仿真软件来模拟,CPU,模块的功能，用它来调试用户程序。在现场调试过程中，一般通过修改程序就可以解决发现的问题，系统的调试时间比继电器系统少得多。,(6),体积小，能耗低,复杂的控制系统使用,PLC,后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型,PLC,的体积相当于几个继电器的大小，因此可以将开关柜的体积缩小到原来的,1/21/10,。可编程序控制器的体积小、重量轻，以三菱公司的,FX0S-14,型超小型可编程序控制器（,14,个输入,/,输出点）为例，其底部尺寸为,90mm60mm,，只有卡片大小，由于体积小，很容易装在机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。,(7),硬件配套齐全，通用性强，适用性强,PLC,产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。,PLC,的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。,PLC,有较强的带负载能力，可以直接驱动大多数电磁阀和中小型交流接触器。,硬件配置确定后，通过修改用户程序，就可以方便快速地适应工艺条件的变化。,2.4.2 PLC,的应用领域,随着,PLC,功能的不断完善，性能价格比的不断提高，,PLC,的应用面也越来越广。目前，,PLC,在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电子、机械制造、汽车、船舶、装卸、造纸、纺织、环保、娱乐等各行各业。,PLC,的应用范围通常可分为如下五种类型。,(1),顺序控制,(,开关量逻辑控制）,这是,PLC,最广泛应用的领域，它取代传统的继电器顺序控制。,PLC,应用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制，例如，注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、包装生产线、电镀流水线及电梯控制等等。,(2),运动控制,PLC,制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。在多数情况下，,PLC,把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴或数轴到目标位置，当每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。,运动控制程序的编写可用,PLC,的编程语言完成，通过编程器输入。操作员用手动方式把轴移动到某个目标位置，模块就得知了位置和运动参数，之后可用编辑程序来改变速度和加速度等运动参数，使运动平滑。,相对来说，位置控制模块比,CNC,装置体积更小，价格更低，速度更快，操作更方便。,(3),（闭环）过程控制,PLC,能控制大量的物理参数，例如，温度、压力、速度和流量等。,PID(Proportional,Integral-Derivative),模块的提供使,PLC,具有闭环控制功能，即一个具有,PID,控制能力的,PLC,可用于过程控制。当控制过程中某个变量出现偏差时，,PID,控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。,PID,算法一旦适应了工艺，就不管工艺混乱而保持设定值。,(4),数据处理,现代的,PLC,具有数学运算和数据传送、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。实现数据比较、传送或打印。,(5),通信和联网,为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（,FA,）系统、柔性制造系统（,FMS,）及集散系统等发展的需要，首先，必须发展,PLC,之间、,PLC,和上级计算机之间的通信功能。,PLC,与其他智能控制设备之间的通信。,PLC,与其他智能控制设备一起，可以组成集中管理、分散控制的分布式控制系统。,PLC,已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，,PLC,在其他领域，例如在民用和家用自动化设备控制系统中也得到了迅速的发展。,2.5,习题,1.,在复杂的电气控制中，采用,PLC,控制与传统的继电器控制有哪些优越性？,2.,什么是可编程控制器？它的特点是什么？,3,PLC,由哪几部分组成？各有什么作用？,4,PLC,控制系统与传统的继电器控制系统有何区别？,5,PLC,开关量输出接口按输出开关器件的种类不同，又几种形式？,6,简述,PLC,的扫描工作过程。,7,为什么,PLC,中软继电器的触点可无数次使用？,8. PLC,按,I/O,点数和结构形式可分为几类？,9. PLC,执行程序是以循环扫描方式进行的，请问每一扫描过程分为哪几个阶段？,内容总结,第2章 可编程控制器概述。输出部件是指示灯、电磁阀、接触器、继电器、变频器等，PLC通过输出接口将处理结果送给被控对象。其输入电路的一次电路与二次电路用光耦合器相连，当行程开关闭合时，输入电路和一次电路接。输出信号送给内部电路中的输出锁存器，再经光耦合器送给输出晶体管，后者的饱和导通状态和截止状态相当于触点的接通和断开。图中的稳压管用来抑制关断过电压和外部的浪涌电压，以保护晶体管，晶体管输出电路的延迟时间小于1ms。除了上述两种输出电路外，还有双向晶闸管输出电路，它用光敏晶闸管实现隔离。PLC按照用户程序规定的逻辑关系，对输入信号和输出信号的状态进行检测、判断、运算和处理，得到相应的输出，这些输出同样对应于PLC的某些内部软元件。以继电器输出形式为例，输出部分由PLC内部输出继电器常开触点、输出端子和外部输出电路组成，输出端子与同编号的输出继电器相对应，通过输出继电器常开触点的分合来驱动外部负载,