PLC及其基本工作原理培训.ppt

本讲主要内容 第六节可编程序控制器的主要性能指标 第五节可编程序控制器的工作原理 第四节可编程序控制器的软件组成 第三节可编程序控制器的硬件组成 第二节PLC控制与继电器控制的比较 第一节可编程序控制器概述 第三讲 第七节PLC控制系统的软件设计 第八节PLC在三相异步电动机控制中的应用 第一节可编程序控制器概述 一 可编程序控制器的产生与发展 一 可编程序控制器的产生 二 可编程序控制器的发展 二 可编程序控制器的用途与特点 一 可编程序控制器的用途 PLC的应用通常可分为五种类型 顺序控制 运动控制 闭环过程控制 数据处理 通信和联网 二 可编程序控制器的特点 抗干扰能力强 可靠性高 控制系统结构简单 通用性强 应用灵活 编程方便 易于使用 功能完善 扩展能力强 PLC控制系统设计 安装 调试方便 维修方便 维修工作量小PLC具有完善的自诊断 履历情报存储及监视功能 体积小 重量轻 易于实现机电一体化 三 可编程序控制器的分类 一 按I O点数容量分类 1 小型机 2 中型机 3 大型机 二 按结构形式分 1 整体式结构 2 组合式结构 1 整体式结构 整体式PLC组成示意图 2 组合式结构 组合式PLC组成示意图 2020 2 24 PowerinaSmallPackage 电源模块 CPU模块 IO模块 底板 第二节PLC控制与继电器控制的比较 一 系统框图的比较 继电器控制系统框图 PLC控制系统框图 二 PLC的等效电路图 接触器控制电动机单向旋转控制电路 PLC控制系统等效电路图 2 2PLC的硬件组成 PLC生产厂家很多 产品的结构也各不相同 但其基本构成是一样的 都采用计算机结构 如下图所示 都以微处理器为核心 通过硬件和软件的共同作用来实现其功能 PLC主要有六部分组成 CPU 中央处理器 存储器 输入 输出 I O 接口电路 电源 外设接口 输入 输出 I O 扩展接口 小型机常采用整体式 中 大型机常采用组合式 整体式PLC的基本组成框图 组合式PLC的基本组成框图 输入并存储用户程序 显示输入内容和地址 CPU指挥PLC完成各种预定的功能 检查 校验用户程序 发现错误即报警 执行用户程序 驱动外部输出设备动作 诊断故障 记忆故障信息并报警 2 2 1CPU单元 2 2 1CPU单元 1 中央处理单元 CPU 1 从程序存储器读取程序指令 编译 执行指令 2 将各种输入信号取入 3 把运算结果送到输出端 4 响应各种外部设备的请求 PLC中所采用的CPU通常有三种 1 通用处理器 8086 80286 80386 2 单片机芯片 8031 8096 3 位片式微处理器 AMD 2900小型PLC多采用8位微处理器或单片机作为CPU中型PLC多采用16位微处理器或单片机作为CPU大型PLC多采用高速位片式微处理器 系统程序存储器 存储系统系统程序 用户程序存储器 存储系统用户程序 工作数据存储器 存储工作数据 2 2 2存储器 RAM 存储各种暂存数据 中间结果 用户正调试的程序 ROM 存放监控程序和用户已调试好的程序 2 2 3I O单元 PLC与外部设备联系的桥梁 开关量输入单元 开关量输出单元 2 2 3I O单元 输入 输出接口 采用光电隔离 实现了PLC的内部电路与外部电路的电气隔离 减小了电磁干扰 输出接口作用 将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号 以便控制接触器线圈等电器通断电 另外输出电路也使计算机与外部强电隔离 输出接口电路按照PLC的类型不同一般分为继电器输出型 晶体管输出型和晶闸管输出型3类以满足各种用户的需要 其中继电器输出型为有触点的输出方式 可用于直流或低频交流负载 晶体管输出型和晶闸管输出型都是无触点输出方式 前者适用于高速 小功率直流负载 后者适用于高速 大功率交流负载 输入接口作用 将按钮 行程开关或传感器等产生的信号 转换成数字信号送入主机 2 2 3I O单元 1 输入接口电路 采用光电耦合器 防止强电干扰 COM 光电三极管 发光二极管 直流电源 输入端子 PLC 发光二极管 2 2 3I O单元 光电耦合 外部开关 输入点的状态显示 输入点 公共端 直流输入电路 2 2 3I O单元 交流输入电路 光电耦合 输入点的状态显示 外部开关 输入点 2 2 3I O单元 继电器输出 2 输出接口电路 以继电器形式为例 PLC 交流电源或直流电源 2 2 3I O单元 晶体管输出电路 光电耦合 输出点的状态显示 公共端 输出点 2 2 3I O单元 晶闸管输出电路 光电耦合 输出点的状态显示 公共端 输出点 2 2 3I O单元 继电器输出电路 输出点的状态显示 继电器 机械触点 公共端 输出点 2 2 4电源单元 PLC一般采用AC220V电源 经整流 滤波 稳压后可变换成供PLC的CPU 存储器等电路工作所需的直流电压 有的PLC也采用DC24V电源供电 为保证PLC工作可靠 大都采用开关型稳压电源 有的PLC还向外部提供24V直流电源 小型机 一体机 有接口可扩展 2 2 4电源单元 PowerinaSmallPackage 电源模块 CPU模块 IO模块 底板 中 大型机 模块式 可根据需要在主板上随意组合 2 2 5外部设备 PLC的外部设备主要有 编程设备触摸屏操作面板文本显示器打印机等 外部设备接口是在主机外壳上与外部设备配接的插座 通过电缆线可配接编程器 计算机 打印机 EPROM写入器 触摸屏等 2 2 6I O扩展接口 I O扩展接口是用来扩展输入 输出点数的 当用户输入 输出点数超过主机的范围时 可通过I O扩展接口与I O扩展单元相接 以扩充I O点数 A D和D A单元以及链接单元一般也通过该接口与主机连接 2 3PLC的软件系统 系统程序系统程序是由PLC的制造者采用汇编语言编写的 固化于ROM型系统程序存储器中 用于控制PLC本身的运行 用户不能更改 系统程序分为 1 系统管理程序2 用户指令解释程序3 标准程序模块和系统调用程序 2 3PLC的软件系统 用户程序用户程序又称为应用程序 是用户为完成某一控制任务而利用PLC的编程语言编制的程序 用户程序是线性地存储在系统程序制定的存储区内 1 用户环境用户环境是由系统程序生成的 它包括用户数据结构 用户元件区 用户程序存储区 用户参数 文件存储区等 2 用户程序结构用户程序结构大致可以分为三种 1 线性程序 2 分块程序 3 结构化程序3 用户程序语言PLC的编程语言有多种 其中梯形图 语句表 功能块图是三种基本语言 三 标准程序模块及系统调用程序 一 系统程序 一 系统管理程序 二 用户指令解释程序 二 用户程序 一 梯形图 LAD 编程 符号对照 典型梯形图示意 典型的梯形图示意图 二 指令表 STL 编程 指令表编程举例a 梯形图b 指令表 三 状态流程图 功能图 编程 钻孔顺序的状态流程图 三 可编程序控制器的程序结构 一 用户程序 二 数据块 三 参数块 PLC的循环扫描工作过程 接线程序控制与存储程序控制 输入 输出滞后响应 2 4PLC的工作原理 继电接触器控制系统 又称为接线程序控制系统 是通过电器元器件的固定接线来实现控制逻辑 完成控制任务的 在PLC控制系统中 用户根据控制要求编制出相应的控制程序 并写入PLC的程序存储器中 系统运行时 PLC将程序执行结果输出给相应的输出设备 控制被控对象工作 这种控制称为存储程序控制 PLC的工作方式为循环扫描方式 其工作过程大致分为3个阶段 输入采样 程序执行和输出刷新 循环扫描工作流程 PLC 接通电源 初始化 硬件检查 正常 异常报警 异常处理 扫描周期监视 执行用户程序 程序结束 扫描周期检查 有固定设置 等待 扫描周期计算 I O刷新 外设端口服务 异常 1 PLC扫描工作各环节的功能 PLC上电后 首先检查硬件是否正常 按自上而下的顺序 逐条读用户程序并执行 对输入的数据进行处理 将结果存入元件映象寄存器 计算扫描周期 若正常 则进行下一步 若不正常 则报警并作处理 母线 I O刷新阶段 外设端口服务 读输入点的状态并写入输入映像寄存器 将元件映像寄存器的状态经输出锁存器 输出电路送到输出点 访问外设端口连接的外部设备 读 读 读 写 写 执行用户程序 2 PLC执行用户程序的过程 2020 2 24 3PLC控制的原理 等效电路图 SB1 公共端 公共端 输出端子 输入端子 主电路 2020 2 24 线圈通电 SB1闭合 00000闭合 接点闭合 触点闭合 电动机转 触点闭合 2020 2 24 线圈断电 00001断开 接点断开 触点断开 电动停转 触点断开 SB2闭合 4 PLC执行用户程序的特点 按梯形图自左向右 自上而下逐次执行程序 执行程序时所需数据取自于 输入映像寄存器 元件映像寄存器 输入映像寄存器和元件映像寄存器中的数据 元件映像寄存器 在一个扫描周期中可读可写 输入映像寄存器 在一个扫描周期中保持不变 每个扫描周期I O刷新阶段集中读入 读出数据 从PLC工作过程的分析中可知 由于PLC采用循环扫描的工作方式 而且对输入和输出信号只在每个扫描周期的I O刷新阶段集中输入并集中输出 所以必然会产生输出信号相对输入信号的滞后现象 响应时间或滞后时间 即从PLC的输入端有一个输入信号发生变化到PLC的输出端对该输入信号的变化做出反应需要一段时间 滞后时间是设计PLC控制系统时应了解的一个重要参数 滞后时间的长短与以下因素有关 输入电路滤波时间 它由RC滤波电路的时间常数决定 改变时间常数可调整输入延迟时间 PLC循环扫描的工作方式 用户程序中语句的安排 PLC对输入采样 输出刷新的集中处理方式 输出电路的滞后时间 它与输出电路的输出方式有关 继电器输出方式的滞后时间为10ms左右 双向晶闸管输出方式 在接通负载时滞后时间约为1ms 切断负载时滞后时间小于10ms 晶体管输出方式的滞后时间小于1ms CPU读输入 输入输出延迟时间 最短响应时间 输入 输出刷新时间 最短响应时间 输入延迟时间 一个扫描周期 输出延迟时间 CPU读输入 输入 输出刷新时间 最长响应时间 输入延迟时间 两个扫描时间 输出延迟时间 输入输出延迟时间 最长响应时间 I O响应时间的估算 以20点的继电器输出型CPM1A为例 设输入ON延时为8毫秒公共处理和I O刷新时间为2毫秒执行用户程序时间为14毫秒输出ON延时为15毫秒 输入状态经过一个扫描周期后在输出得到响应 最小I O响应时间 输入状态经过两个扫描周期后在输出得到响应 最大I O响应时间 程序语句安排对I O响应时间的影响举例 当SB闭合 经过输入滤波 设第一个扫描周期I O刷新时00000的映像寄存器ON 第一个扫描周期结束时 01000为OFF 01000只能在第二个扫描周期结束后才能ON 当SB闭合 经过输入滤波 设第一个扫描周期00000的映像寄存器ON 01000在第一个扫描周期结束后就能ON 续 如果将梯形图的第一与第二梯级交换 如下图 显然 程序语句的安排对I O响应的影响很大 2 5PLC的主要指标 1 输入 输出 I O 点数PLC上的I O端子的个数 I O点数越多 外部可接的输入和输出元器件就越多 控制规模就越大 2 存储容量这里说的存储容量指的是用户程序存储器的容量 也有的PLC用存放用户程序的指令条数来表示容量 3 扫描速度扫描速度是指PLC执行程序的速度 是衡量PLC性能的重要指标 4 指令的种类和条数编程指令的种类和条数是衡量PLC软件功能强弱的主要指标 5 特殊I O单元 高级模块或智能模块 PLC不仅能完成开关量的逻辑控制 而且利用特殊I O单元可完成模拟量控制 运动控制 模糊控制 定位控制 高速中断控制 通信联网等功能 6 支持软件符合IEC1131 3标准的语言 为用户提供方便的编程环境 第六节可编程序控制器的主要性能指标 一 描述PLC性能的几个术语 位 二进制的一位 仅有1 0 数字 4位二进制数构成一个数字 字节 2个数字或8位二进制数构成一个字节 字 两个字节构成一个字 常用基本环节编程 启动 保持 停止控制 常规启保停梯形图 SET RESET分开控制的启保停梯形图 SET RESET启保停梯形图 第七节PLC控制系统的软件设计 三相异步电动机正反转控制电路 图2 7三相异步电动机正反转控制电路a 无互锁电路b 具有电气互锁电路c 具有双重互锁电路 互锁控制 单重互锁梯形图 三相异步电动机正反转控制电路 图2 7三相异步电动机正反转控制电路a 无互锁电路b 具有电气互锁电路c 具有双重互锁电路 互锁控制 双重互锁梯形图 三相异步电动机正反转控制电路 图2 7三相异步电动机正反转控制电路a 无互锁电路b 具有电气互锁电路c 具有双重互锁电路 基本控制线路 控制线路类型很多 有的初看上去电器元件繁多 结构复杂 但实际上大多数线路都由一些基本控制线路组成 自锁控制线路 1 自锁与互锁控制 互锁控制线路 2 顺序控制 3 点动与连续控制 4 多地控制 5 往复循环控制 电动机是电力拖动控制系统的主要控制对象 电动机的控制主要是实现电动机的起动 停止 正反转 调速和制动等运行方式的控制 并以此来实现生产过程自动化 满足生产工艺要求 第八节PLC在三相异步电动机控制中的应用 8 1控制要求 工艺过程 控制原理 作为电动机Y 起动控制 必须实现的目标为 1 能满足控制系统对电动机起动的基本控制要求 2 能方便地操作 需要起动时电动机首先Y接起动 起动完成后自动转换为 接运行 3 为了安全起见 可在Y 接之间加入一定的时间延时 4 为使用更安全 可将Y接接触器的辅助触点反馈回PLC 三相异步电动机继电接触器控制的Y 起动电气原理图 三相异步电动机PLC控制的Y 起动电气原理图 8 2PLC选型和资源配置 由于控制比较简单 输入 输出都是开关量 数量又很少 实际上可选用任意型号的PLC 在本例中以CPU222为例 不用扩展模块 输入电源采用本机集成的24V电源 I O地址分配表如下 8 3PLC程序说明 按下启动按钮SB2 主接触器KM1吸合并自锁 同时星接接触器KM3吸合电动机星接起动并开始延时 延时时间到KM3断开 星角接之间延时200毫秒 KM2吸合的条件为定时器KT2延时200毫秒时间到 KM3已断开加上KM3的互锁 8 4设计小结 1 PLC完成的是控制回路的功能 主回路与常规继电接触器控制相同 2 应用PLC实现电动机的启动与停止 正反转 顺序控制 降压起动及互锁保护等功能 可以充分发挥PLC 软控制 的优点 通过编程实现复杂的逻辑控制功能 另一方面 应用PLC 软触点 来取代继电器控制线路中的自锁触点 互锁触点及时间继电器触点等 使得PLC控制系统的硬件接线得到了很大程度的简化 提高了系统的可靠性 3 因此 在电动机控制中 应用PLC取代继电器控制系统成为技术发展的必然 谢谢