可编程控制器第二部分.ppt

可编程控制器课程第二部分,可编程控制器概述,主要内容：一、PLC的概念、产生和发展、特点、性能指标、分类和作用；二、PLC的硬件和软件组成；三、PLC的工作原理（工作过程）；四、PLC控制系统和继电-接触器控制系统的比较。重点：PLC的特点；PLC的I/O接口；PLC的工作过程；PLC系统和继电-接触器系统的比较。,一、PLC的概念、产生和发展、特点、作用、性能指标和分类,（一）概念：工程定义：可编程控制器（ProgrammableController）简称（PLC），是以微处理器为核心的工业自动控制装置，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置，简称工控机。国际电工委员会（IEC）定义：1、是一种数字运算操作的电子系统；2、采用可编程程序的存储器；3、有数字或模拟式的输入和输出；4、为工业环境下应用设计。,（二）产生和发展：产生背景：1、继电-接触器系统的优缺点：缺点：通用性、灵活性和可靠性差；优点：简单易懂、价格便宜。2、计算机系统的优缺点：缺点：价高、输入输出不匹配、编程复杂；优点：功能强、灵活。,PLC的产生：1968年，美国通用汽车公司（GM公司）为适应汽车型号不断翻新（小批量、多品种、多规格、低成本和高质量），提出要用一种新型的控制装置取代继电接触器控制装置。拟订了十项公开招标的技术要求：编程方便，可现场修改程序；维修方便，采用插件式结构；可靠性高于继电器控制装置；体积小于继电器控制盘；数据可直接送入管理计算机；成本可与继电器控制盘竞争；输入可为市电；输出可为市电，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器等；扩展时原系统改变最少；用户存储器大于4KB。,1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司（GM）的要求研制成第一台可编程序控制器。发展极为迅速。PLC的发展：1)70年代初期：可编程序控制器仅具有逻辑运算、定时、计数等一些功能，因此称为可编程序逻辑控制器，简称PLC。2）70年代中期：70年代后随着电子技术和计算机技术的发展，微处理技术应用，PLC还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。3）80年代以后：随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。PLC不仅控制功能增强，可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能。4）近年来PLC发展迅速,具备了计算机功能的一种通用工业控制装置，成为现代工业自动化的三大技术支柱（PLC技术、机器人、CAD/CAM）之一。PLC的主要生产厂家欧洲：西门子（Siemens）；法国的TE（Telemecanique）公司美国：A-B（Allen-Bradly）、GE（GeneralElectric）公司日本：三菱电机（MitsubishiElectric）、欧姆龙（OMRON）、FUJI注：日本主要发展中小型PLC，其小型机性能先进，结构紧凑，价格便宜。,（三）可编程控制器的特点：1、可靠性高，抗干扰能力强。PLC是专门为工业环境下应用而设计的，在硬件和软件上都采用了以下可抗干扰措施：（1）硬件措施1）屏蔽：对PLC的电源变压器、内部CPU的主要的部件采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，防止外界的电磁干扰。2）滤波：对供电电源及I/O线路采用多中形式的滤波，以消除、抑制高频干扰。3）隔离：I/O线路采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源的影响；4）模块化结构：便于系统修复，减少停机时间。,（2）软件措施1）采用扫描工作方式：减少了外界的干扰；2）设有故障检测和自诊断程序：能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；当由干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。3）设置警戒时钟WDT：PLC程序循环执行时间超过WDT规定的时间，预示程序出错，立即进行报警。4）对程序进行检查和检验。采取以上的抗干扰措施，一般PLC的平均无故障时间可达几十万小时以上。,2、功能完善、通用性强现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID控制、通信联网以等许多功能。PLC产品已系列化、模块化，品种齐全的各种硬件装置可供用户选用和组成满足各种要求的控制系统。,3、编程简单，使用方便PLC编程语言：梯形图、指令语句、功能图。大多数PLC采用梯形图的编程语言。梯形图与电器控制线路图相似，具有形象、直观、易学的特点。当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活。同时，PLC编程器的操作和使用也很简单。这也是PLC获得普及和推广的主要原因之一。许多PLC还针对具体问题，设计了各种专用编程指令及编程方法，进一步简化编程。,4、设计安装简单、维护方便PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件，使得控制柜的设计、安装的接线工作量大为减少。PLC的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。在维修方面，由于PLC的故障率极低，维修工作量很小；而且PLC具很强的自诊断功能，如果出现故障，可根据PLC上指示或编程器上提供的故障信息，迅速查明原因，维修极为方便。5、体积小、重量轻、能耗低由于PLC采用了集成电路，其结构紧凑、体积小、能耗低。,（四）可编程控制器的应用：1、逻辑控制利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能可实现对机床、自动生产线、电梯等的扩展。2、位置控制较高档次的PLC具有单轴或多轴位置控制模块，可实现对步进电动机或伺服电动机的速度和加速度的控制，确保运行平滑。3、过程控制PLC的模拟量输入输出和PID控制，可构成闭环控制系统，可应用于冶金、化工等行业,4、监控系统PLC能记忆某些异常情况，并可进行数据采集。操作人员还可利用监控命令进行生产过程的监控，及时调整相关参数。,5、集散控制PLC与PLC，PLC与上位机之间的联网，可构成工厂自动化网络系统。,可编程控制器在电力系统中的应用：1、自动数据采集；(水轮机发电机组现地控制单元是一个多微机系统，其中PLC带有独立的微处理器（CPU）和通信接口，故能完成数据采集和与上位机通信。水轮发电机组现地控制单元中PLC主要完成水轮发电机组及其附属设备的模拟量、采集温度量、开关量、保护信号、脉冲量和控制输出量（如辅助设备系统开、停机、跳合闸、事故故障报警、调速器调速和励磁系统）等数据采集以及数据通信等功能),2、现地控制单元：发电厂的计算机监控系统采用分层分布式系统（上位机+现地控制单元）：现地控制单元采用“集成型”模式，即以LC为核心，结合智能参数仪表与微机保护装置构成，并采用模块结构和智能通信接口，便于系统扩展与其他自动化系统连接。,3、自动发电等控制：水轮发电机组现地控制单元中的PLC可以实现的顺序控制功能有：（1）自动进行水轮发电机组的开、停机控制；（2）水轮机发电机的自动同期并网；（3）断路器分、合闸控制；（4）水力发电机组紧急停机控制；（5）手动（备用）控制。,（五）可编程控制器的性能指标：1、存储容量；（“字”或“步”）2、输入、输出点数；（输入、输出接线端的个数）3、扫描速度；（毫秒/千步或微秒/步）4、编程指令的种类和数量；5、扩展能力；6、智能单元的数量。,（六）可编程控制器的分类：小型机（256点，4K字以下）1、按I/O点数容量分中型机（2562048点，28K字）大型机（2048点以上，816K字）整体式结构（各组成部分组装在一个箱体内）2、按结构分组合式结构（各组成部分是单独模块，总线连接）,整体式PLC组合式PLC,二、可编程控制器的硬件和软件组成,中央处理器（CPU）存储器硬件I/0接口电源PLC组成其它系统管理程序系统软件用户指令解释程序软件标准程序模块及系统调用程序概述用户软件编程语言（指令表、梯形图、顺序功能图）,可编程控制器的硬件组成-CPU,CPU是整个PLC系统的核心，指挥PLC有条不紊地进行各种工作。1、CPU类型：1）通用微处理器（8080、8086、80286、80386等）2）单片机（8031、8096等）3）位片式微处理器（AM2900、AM2901、AM2903等）小型PLC：单CPU系统。中、大型PLC：双CPU系统（字处理器、位处理器）2、CPU的作用（接收和存储、检查和校验、执行和输出、诊断等）1）接收并存储用户程序和数据。2）检查、校验用户程序。3）接收现场的状态或数据并存储。4）PLC运行后，执行用户程序，存储执行结果，并将执行结果输出。5）诊断电源、PLC内部电路的工作故障。,可编程控制器的硬件组成-存储器,1、PLC存储器的作用：存储器为记忆性部件。系统程序存储器（ROM）2、PLC存储器的分类用户程序存储器(RAM、EPROM工作数据存储器EEPROM)小型的PLC的存储容量一般在8K字节以下。,可编程控制器的硬件组成-I/O接口（PLC与被控对象之间传送输入输出信号的接口部件）,电平转换I/O接口作用隔离、滤波显示I/O接口直流I/O接口按电平类型交流I/O接口I/O接口分类交、直流I/O接口开关量I/O接口按信号类型模拟量I/O接口,1、I/O单元的作用：1）电平转换功能：由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平2）光电隔离和滤波功能：以提高PLC的抗干扰能力3）状态指示：工作状况直观，便于维护2、开关量输入/输出接口1）开关量输入接口开关量输入器件：按钮、选择开关、数字拨码开关、行程开关、接近开关、光电开关、继电器触点等。作用：现场的数字（开关）量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号。,分类：按可接纳的外部信号电源的类型不同分为直流输入接口单元和交流输入接口单元。如图1、图2、图3所示。,图1直流输入接口单元电路,图2交/直流输入接口单元电,图3交流输入电路,一般单元式PLC中输入接口单元都使用可编程本机的直流电源供电，不再需要外接电源。2）开关量输出接口开关量输出器件：接触器线圈、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备。作用：将PLC内部的标准信号转换成现场执行机构所需的开关量信号。开关量输出接口类型：（1）继电器输出（电磁隔离）说明：用于交流、直流负载，但接通断开的频率低。（2）晶体管输出（光电隔离）说明：有较高的接通断开频率，用于直流负载。（3）晶闸管输出（光触发型进行电气隔离）说明：仅适用于交流负载。,开关量输出电路,说明：a）输出电路的负载电源由外部提供。b）负载电流一般不超过2A。使用中，输出电流额定值与负载性质有关系。,PLC输入/输出接口等效电路图,3）输出端子的接线方式输出端子有两种接线方式：a)输出各自独立（无公共点）,b)每48个输出点构成一组，公用一个公共点。,注：1）输出公用一个公共点时，同组用同一电压类型和等级，不同组之间可以用不同类型和等的电压。2）PLC的输入接口个数和输出接口个数之和称为PLC的点数。3、模拟量输入/输出接口1）模拟量输入接口作用：将现场的模拟量标准信号转换成PLC内部处理的的信号。模拟量输入接口接受标准模拟信号，标准模拟信号可以是电压信号或电流信号。标准信号：符合国际标准的通用交互用电压电流信号值，如420mA的直流电流信号，110V的直流电压信号等。,工业现场中模拟量信号的变化范围一般是不标准的，在送入模拟量接口时一般都需经变送处理才能使用，模拟量输入接口的内部电路框图：,图4模拟量输入电路框图,模拟量信号输入后一般经运算放大器放大后进行A/D转换，再经光电耦合后转换为PLC能识别数字量信号。,2）模拟量输出接口作用：将PLC运算处理后的数字量信号转换模拟量信号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需求。组成：光电隔离、D/A转换和信号驱动等。其原理框图：,模拟量输出电路框图,模拟量输入输出接口一般安装在专门的模拟量工作单元上。,4、智能输入输出接口PLC智能控制单元：PID工作单元、高速计数器工作单元、温度控制单元等。智能控制单元大多是独立的工作单元，有单独的CPU，有专门的处理能力。在工作中，每个扫描周期智能单元和主机的CPU交换一次信息，共同完成控制任务。从近期的发展来看，不少新型的可编程控制器本身也带有PID功能及高速计数器接口，但它们的功能一般比专用智能输入输出单元的功能稍弱。,可编程控制器的硬件组成-电源,1、电源一般为单相交流电源（AC100240V，50/60Hz），也有用直流24V供电的。2、对电源的稳定性要求不是太高，允许在额定电源电压值的10%15%范围波动。3、小型PLC，电源与CPU合为一体，中大型PLC，用单独的电源模块。注：小型PLC的开关稳压电源提供CPU、I/O单元及扩展单元直流5V工作电源；为外部输入元件提供直流24V电源。,可编程控制器的硬件组成-其他,通信接口：通过各种通信接口，PLC可与监视器、打印机、PLC或计算机相连，实现数据和信息的交换。扩展接口：扩展接口用于将扩展单元与基本单元相连,使PLC的配置更加灵活。智能I/O接口：闭环控制模板，高速计数模板等。编程器：盒式磁带机，EPROM写入器存储器卡等其他外部设备,可编程控制器的软件组成-系统软件,系统运行管理程序(控制PLC的运行，使整个PLC按部就班地工作)用户指令解释程序（将PLC的编程语言变为机器语言指令）标准程序模块与系统调用程序（子程序及其调用管理程序等）,可编程控制器的软件组成-用户软件,用户程序是用户根据设备控制的要求编制的控制程序，相当于继电器控制系统的控制电路。用户程序的编写语言有三种-梯形图（LAD）、指令表（STL）、顺序功能图（SFC）。1、梯形图（LAD）:来源于继电-接触器控制系统的电气原理图中的控制回路（母线、触点和线圈）；梯形图的组成要素-“母线”、“触点”和“线圈”（软元件）。,继电-接触器系统和PLC系统图形符号对应表：,L1,L2,FR,SB1,SB2,KM,KM,FRX0SB1-X1SB2-X2KM-Y0,X0,X1,X2,Y0,Y0,X2,Y0,X0,X1,Y0,LDX2ORY0ANIX0ANIX1OUTY0,2、指令表（STL）-助记符语言，由操作码(可编程控制器的某种操作)和操作数（操作对象）组成，用一系列的指令表达程序的控制要求。3、顺序功能图（SFC）-用功能图表示顺序控制过程，是一种图形化的编程方法。有步、转换条件、有向线段等组成。有控制任务如下：,X0,X1,Y0,Y1,M1,M2,M3,M0,T0,T1,该控制任务的SFC如下所示：,M0,M1,M2,M3,Y0T0,Y0Y1,Y0T1,M8002,X0,T0,X1,T1,三、PLC的工作原理（工作过程）,（一）、PLC的扫描工作方式1、原因：1）PLC在运行时需要处理许多操作；2）PLC的CPU却不能同时执行多个操作，每一刻只能执行一个操作。2、解决方法：采用分时操作即扫描的工作方式由于CPU的运算速度很高，从宏观上而言似乎所有的操作都是及时、迅速地完成的。3、PLC的一个扫描过程包含五个阶段1）内部处理：检查CPU等内部硬件是否正常，对监视定时器复位，其它内部处理。,2）通信服务：与其它智能装置（编程器、计算机）通信。如：响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。3）输入采样以扫描方式按顺序采样所有输入端的状态，并存入输入映象寄存器中。（输入寄存器被刷新）。4）程序执行PLC梯形图程序扫描原则：先左后右、先上后下的步序，逐句扫描。并将结果存入相应的寄存器。5）输出刷新：输出状态寄存器（Y）中的内容转存到输出锁存器输出，驱动外部负载。,PLC扫描工作过程,扫描周期：整个过程扫描一次所需的时间。扫描周期：与CPU时钟频率、指令类型（扫描速度）、程序长短有关。扫描周期是PLC一个很重要的指标一般小型PLC的扫描周期为十几毫秒到几十毫秒。注：当PLC处于STOP状态时，只完成内部处理和通信服务工作。当PLC处于RUN状态时，应完成全部五个阶段的工作。,（二）、PLC扫描工作方式的特点：,1、特点：集中采样、集中输出、循环扫描1）集中采样：对输入状态的扫描只在输入采样阶段进行。即在程序执行阶段或输出阶段，即使输入端状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会,改变，只有到下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入（响应滞后）。2）集中输出：在一个扫描周期内，只有在输出处理阶段才将元件映象寄存器中的状态输出，在其它阶段，输出值一直保存在元件映象寄存器中。注：在用户程序中，如果对输出多次赋值，则仅最后一次是有效的，即应避免双线圈输出。2、优点：提高系统的抗干扰能力。集中采样、集中输出的扫描工作方式使PLC在工作的大部分时间与外设隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。3、缺点：响应滞后，降低系统的响应速度。输入/输出滞后时间又称为系统响应时间。,1）输入模块滞后时间：输入模块RC滤波电路的时间常数，典型值为10ms左右。2）输出模块滞后时间继电器型输出：10ms左右；晶闸管型输出：通电滞后时间约1ms，断电滞时的最大滞后时间10ms；晶体管型输出：1ms以下。3）扫描工作方式引起的滞后时间最长可达两个扫描周期。PLC总的响应延迟时间一般为几十ms。但由于PLC的扫描速度极快，故对一般工业控制而言，此响应上的滞后完全允许。注：在中、大型PLC中所需处理的I/O点数较多，用户程序较长，还采用分时分批的扫描方式或中断等的工作方式，以缩短循环扫描的周期和提高实时控制。,四、PLC控制系统和继电-接触器控制系统的比较。,电气控制实现方法：控制系统的组成部分：,例：下图是电动机单向旋转的主电路。（1）请完成如图所示电动机单向旋转电路的继电接触控制电路；（2）请完成如图所示电动机单向旋转电路的PLC控制电路。（3）试比较两个控制系统区别和联系。,主回路,继电接触器方式控制回路,解（1）系统分析：输入有启动按钮SB1、停止按钮SB2、过载保护FR；输出有交流接触器线圈KM；采用继电-接触器方式实现如上图；（2）将以上系统用可编程控制器控制实现：输入：SB1-X0，SB2-X1，FR-X2；输出：KM-Y0。其控制程序如下：,Y0,X0,X1,X2,Y0,可编程控制方式控制电路：,SB1,SB2,FR,X0,X1,X2,COM,Y0,COM,KM,PLC方式控制回路,（3）继电接触控制方式和可编程控制器控制方式比较：,