第2章可编程序控制器概论

发布时间:2021-07-29 09:38:53

项目一

可编程控制器系统认知

课程基本要求
一、课程准备
作业本 二、考核要求 期末闭卷考试

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可编程控制器系统认知

学*资源
书籍:
? 可编程控制器原理及应用 孙* 高等教育出版社 TP332/18 ? 可编程序控制器 黄明琪 重庆大学出版社 TP332/21 ? 电器与PLC控制技术 张万中 化学工业出版社 TM76/9 ? 可编程控制器原理与应用 汪志峰 西安电子科技大学出版社 TP332/23

网站:
http://ad.siemens.com.cn/ http://www.gkong.com/ http://www.dqsj.com/ http://www.plcjs.com/ http://www.zidonghua.com.cn http://www.plcbb.com 西门子自动化中国 中华工控网 电器设计网 plc技术网 自动化网 PLC必备网

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关于职业资格证书
?劳动和社会保障部于2006年将可编程序控制系统设计师列入第七批

新职业。
?可编程控制系统设计员(师)的职业定义:从事可编程控制器

(PLC)应用系统设计、调试和维护的人员。
?本职业等级设四个等级:设计员(国家职业资格四级)、助理设计

师(国家职业资格三级)、设计师(国家职业资格二级)和高级设计 师(国家职业资格一级)。
?可编程序控制系统设计师职业资格鉴定分为理论知识和技能操作两

大部分。主要考核考生进行PLC应用系统的总体设计和PLC的配置设 计、选择 PLC模块和确定相关产品的技术规格、进行PLC编程和设置、 外围设备参数设定及配套程序设计、控制系统的设计、整体集成、调 试与维护的技能水*。

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熟悉相关国家标准和行业规范
能进行电控柜装配 能使用PLC设计或改造小型自动控制系统

专业能力

能进行PLC控制系统的安装、调试和运行维护 能规范绘制电路图、接线图等电气图纸

能规范编写设计和使用说明书及调试验收报告等

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1.1 可编程控制器的产生
1.2 可编程控制器的定义

1.3
1.4 1.5

可编程控制器的基本组成
可编程控制器的工作原理及主要技术指标 可编程控制器的分类、特点、应用及发展

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1.1 可编程控制器的产生

CPU 224

CPU 226

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1、名称 早期69-80:PLC(Programable Logic Controller) 后期80以后:PC ( Programable Controller ) 2、产生背景:由继电器控制系统演变而来,最早用于自动生 产线控制 继电器控制系统缺点:设备体积大、可靠性低、故障查找 困难、接线复杂、通用性灵活性差。
亨利福特于1903年创立了福* 公司。1908年生产出世界上第一辆T 型车。1913年,该公司又开发出了世 界上第一条生产流水线。

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1968年,GM针对继电器控制系统的缺点,对新型逻辑顺序控制装置 进行招标,主要指标要求如下(通用10条):
? 编程方便,可现场修改 ? 维修方便,插件结构 ? 可靠性高于继电器控制装置 ? 体积小于继电器控制装置 ? 数据可直接送入管理计算机 ? 成本可与继电器控制系统竞争 ? 输入可为市电 ? 输出可为市电,2A以上,能直接驱动接触器 ? 用户程序存储器大于4KB ? 通用性好,易扩展

实质:将继电器控制系统的简单易懂、使用方便、价格低的优点和 计算机的功能完善、灵活性高、通用性好的优点结合,用软件代替硬件 逻辑连线。

DEC 69年 PDP-14

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补充知识点(一)
继电器工作原理

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1.2 可编程控制器的定义
PLC,主要进行可编程逻辑控制(初期) PC ,1980年以来,由先前的可编程序逻辑控制器PLC进一步发 展而来。可编程逻辑控制、数学运算、网络通信、数字控制算法 等。为避免混淆,仍然叫PLC。 PLC定义(1984:美国电器制造商协会NEMA):可编程序控制 器是一种数字式的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指 令,并实现逻辑运算、顺序控制、计数、定时和算术运算功能, 用来对各种机械或生产过程进行控制。 PLC定义(1987:国际电工委员会IEC):PLC是一种数字运算操作
的电子系统,专为工业环境设计。采用可编程序存储器,用来在其内部存储 执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、算术运算等操作的指令并通过数字 式或模拟式的输入输出,控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外围设备,都按易于与工业系统连成 一个整体、易于扩充功能的原则设计。

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1.3 可编程控制器组成
PLC 专为工业场合设计,采用了典型的计算机结构,主要是由 CPU、电源、存储器、专门设计的输入输出接口电路、通信接口、 智能模块、编程装置、软件等组成。下图为一典型PLC结构简图。

按钮 继电器触点 输 入 单 元

CPU 输 出 单 元

接触器 电磁阀

存储器

行程开关

电源部分

指示灯

编程器或其他设备

PLC系统结构示意图

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PLC基本单元

~110V/220V市电 现场用户输入设备 现场信号 按钮、开关 传感器 外部设备 编程设备 计算机 打印机等 输 入 部 件

电源变换器 现场用户输出设备 执行器 微处理器(CPU) 运算器 控制器 输 出 部 件 中间继电器 电磁阀 扩展设备

通 讯 及 编 程 接 口

系 统 存 储 器

用 户 存 储 器

I/O 扩 展 接 口

扩展单元 通讯模块 功能模块

PLC系统结构示意图

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1. 中央处理单元
中央处理单元(CPU)一般由控制器、运算器和寄存器组成,这些 电路都集成在一个芯片上。
?小型PLC采用8位微处理器或单片机作为CPU,如Z80、8031等
?大中型PLC多采用16或32位微处理器作为CPU

?CPU功能

大型PLC:采取双 CPU或三CPU表决

?接收并存储用户程序和数据; ?监控、诊断电源、PLC工作状态及编程的语法错误; ?接收输入信号,送入数据寄存器并保存; ?运行时顺序读取、解释、执行用户程序,完成用户程序的各种操作; ?将用户程序的执行结果送至输出端。 ? 网络通信……

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2. 存储器
?结构分: ?只读存储器(EPROM/EEPROM/FLASH) ?随机存储器RAM ?用途分: ?系统存储器

?用户存储器

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?系统存储器(一般为EPROM/EEPROM)
?存放系统工作程序(监控、管理程序); ?存放模块化应用功能子程序; ?存放命令解释程序; ?存放功能子程序的调用管理程序;

?存放系统参数;

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?用户存储器——RAM/EEPROM
?用户程序区:存放用户工作程序;
?系统区:存放CPU组态数据,如输入/输出组态、设置输 入滤波、脉冲捕捉、定义存储区保持范围、高速计数器 配置、通信组态等; ?数据区:I/O映像区及软设备,如累加器、输入输出映 像寄存器、逻辑线圈、计数器、定时器、数据存储器等。

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3. 输入输出单元
PLC与现场输入/输出装置或其它外部设备之间的连接接 口。 输入单元将现场输入信号经过输入接口电路的转换,变 换为中央处理器能接受和识别的低电压信号。 输出单元将CPU输出的低电压信号变换为控制器件所能接 受的电压、电流信号,以驱动信号灯、电磁阀、电磁开关等 执行机构和显示装置。 数字量输入(开关量)

(1)输入接口
(2)输出接口

模拟量输入 数字量输出(开关量) 模拟量输出

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输入单元: 将按钮、行程开关或传感器等产生的
信号,转换成PLC可以接收的数字信号送入主机。
? 输入单元——带光电隔离电路
?多种辅助电源类型:通常PLC的输入类型既可以是直
流也可以是交流。输入电路的电源一般由外部供给。

?数字量输入单元——接收按钮或开关等开关量信号。
?模拟量输入单元——接收传感器输出的模拟量信号。

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输入单元
图1.2和图1.3分别为一种型号PLC的直流和交 流输入接口电路的电路图,采用的是外接电源。 图1.2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。

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输入1

输入 n

内 部 电 路

COM

图1.2 直流输入电路图

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输入1

输入n

.

内 部 电 路

COM

图1.3 交流输入电路图
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输出单元(带光电隔离及滤波器):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* 触器线圈等电器通断电;另外输出电路也使PLC与外部强 电隔离。分为模拟量输出单元和数字量输出单元两种。 数字量输出单元分类: 1) 继电器输出:低速、大功率
直流、交流负载(隔离、功率放大)

2) 晶体管集电极输出:高速、小功率
直流负载

3) 双向可控硅输出:高速、大功率
交流负载

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以继电器形式为例

继电器输出

内 部 电 路

PLC

Y
内 部 电 路

J
COM -

+

输出接口电路

交流电源或直 流电源

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4、通讯及外设接口
?通讯及外设接口——采用RS-485或RS-422串行总线 ?连接专用编程器(例如S7-200的TD200和TD200C);
?连接工控机或个人电脑(PC),实现编程及在线监控; ?连接网络,实现远程通讯;

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5、扩展接口
?扩展接口

?扩展I/O模块(如S7-200的EM221/222 EM231/232/235);
?扩展功能模块:通讯模块(如S7-200的PROFIBUS-DP模块EM 277等)、位置控制模块等

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6、电源
?电源

?作用:把外部供应的电源变换成系统内部各单元需要 的电源。有的还向外提供24V DC电源以供开关量输入单 元连接现场无源开关使用。 ?还包括掉电保护电路和后备电池电源,保护RAM内容。
?一般采用开关电源技术。输入电压范围宽、效率高、 重量轻、体积小 ?根据配置不同有不同规格的电源供选择

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PLC软件系统组成
运行管理 管理程序 生成用户元件

系统内部自检 系统监控程序
软件系统 用户程序 数据表格 解释程序

网络通信

标准程序模块、系统调用 自动化系统控制程序

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1.4

可编程控制器的工作原理及主要技术指标

1. 循环扫描的工作过程
PLC 采用循环扫描的工作方式,这个工作过程一 般包括五个阶段:内部处理(如自诊断、监控、定时 器复位等)、与编程器等的通信处理、输入扫描、执 行用户程序、输出处理,其工作过程如下图所示。 图中当 PLC 方式开关置于 RUN (运行)时,执行 所有阶段;当方式开关置于 STOP (停止)时,不执 行后3个阶段。

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开 始

两种工作状态
运行(RUN) 停止(STOP)

内部处理

通信处理

① 内部处理:内部诊断、监控、定 时器复位等; ② 通信服务:与其它装置通信、响 应编程器命令(输入、显示)。 ③ 输入处理:外部输入端口状态读 入输入映像寄存器。 ④ 程序执行:执行用户程序。



RUN 方式? 是 输入扫描

执行用户程序

输出处理

⑤ 输出处理:将输出映像寄存器状 态送到输出端口,驱动输出设备。

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输 出
I0.0 Q4.1 M10.0 Q4.2 I0.1 I0.1 Q4.1 M10.0 Q4.2



入 映 输 像 入 映 寄 象 存 寄 器 存 器

输 出

按钮 按钮

入 端输 入 子电 按钮 路

程序执行

按钮

输入刷新 输入刷新阶段

输 入 电 路

输 入 ( ) 映 象 寄 程序执行 存 器
扫描周期

输 出像 映寄 程序执行 象存 寄 器 存 器





输 出 映 象 ( ) 寄 输出刷新 存 器 输出刷新阶段


输 出 电 路

锁 存

接触器 出
端 子

驱动

接触器

输 出 电 路

PLC的扫描过程原理图

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2、扫描周期
? PLC执行的五个阶段,称为一个扫描周期,PLC

完成一个周期后,又重新执行上述过程,扫描周而 复始地进行。
? 扫描周期

T =自检时间+通信时间+读入一点时间 ×输入点数 +程序步数×运算速度 +输出一点时间× 输出点数。 ? PLC一个扫描周期典型值<100ms

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3、输入/输出滞后时间(系统响应时间)

? 输入电路滤波时间 ? 输出电路滞后时间

? 扫描工作时间(延迟可达2个多扫描周期)

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I/O响应时间
第(n-1)个扫描周期 输出刷新 输入采样 用户程序执行 最短 I/O 响应时间 输出刷新 第 n 个扫描周期 第(n+1)个扫描周期 输入采样

第 n 个扫描周期 输入采样 用户程序执行 输出刷新

第 n +1 个扫描周期 输入采样 用户程序执行 输出刷新

最长 I/O 响应时间

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4.主要技术指标
1.输入/输出( I/O )点数
可编程控制器的I/O点数指外部输入、输出端子数量的总 和。它是描述的PLC大小的一个重要参数。

2.存储器容量
PLC的存储器由系统程序存储器,用户程序存储器、数据 存储器(包括数据区和参数区)三部分组成。PLC存储容器量 通常指用户程序存储器和数据存储器容量之和,表征系统提供 给用户的可用资源,是系统性能的一项重要技术指标。

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4.主要技术指标
3.扫描速度
扫描速度是指PLC执行用户程序的速度,是衡量PLC性能的重要指标。 一般以扫描1K字用户程序所需的时间来衡量扫描速度,通常以ms/K字 为单位。

4.指令系统
指令功能的强弱、数量的多少也是衡量PLC性能的重要指标。编程指 令的功能越强、数量越多,PLC的处理能力和控制能力也越强,用户编 程也越简单和方便,越容易完成复杂的控制任务,但掌握应用也相对较 复杂。

5.通信功能
通信有PLC之间的通信和PLC与其他设备之间的通信。PLC的组网和 通信能力也已成为PLC产品水*的重要衡量指标之一。

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4.主要技术指标
6.内部元件的种类与数量
在编制PLC程序时,需要用到大量的内部元件来存放变量、中间结果、保持数据、 定时计数、模块设置和各种标志位等信息。这些元件的种类与数量越多,表示PLC的 存储和处理各种信息的能力越强。

7.特殊功能单元
特殊功能单元种类的多少与功能的强弱是衡量PLC产品的一个重要指标。*年来 各PLC厂商非常重视特殊功能单元的开发,特殊功能单元种类日益增多,功能越来越 强,使PLC的控制功能日益扩大 。

8.可扩展能力
PLC的可扩展能力包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展、各 种功能模块的扩展等。在选择PLC时,经常需要考虑PLC的可扩展能力。

9.其他:如负载能力、外形尺寸、重量、保护等级、适用的安装和使用环境如
温度、湿度等性能指标 。

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1.5

可编程控制器的分类、特点、应用及发展
1. 从结构上
2. 从功能上
低档、中档、高档

1.分类

可编程序控制器从结构上可分为整体式和模块式。

3. 从规模上
按PLC的输入输出点数可分为小型、中型和大型。
? 小型PLC:<256点 ? 中型PLC:<2048点 ? 大型PLC:>2048点

多的可达10万点,组件系统公司IAC-5300PC,120960点
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2. 特点
1. 可靠性高 ,抗干扰能力强
? 硬件:元件抗老化,I/O接口采用光电隔离 ? 硬件:屏蔽、滤波、后备电池 ? 耐热、防潮、防尘、抗震 ? 软件:数字滤波、故障诊断 ? 高级的大型PLC采用双CPU或三CPU表决

4、丰富的接口模块
? 交流、直流 ? 开关量、模拟量 ? 电压、电流 ? 弱电、强电 ? 专用模块:定位、PID控制等

2. 功能强 ,扩充方便,性价比高
? 逻辑处理 ? 数字控制 ? 网络通信

5、体积小、重量轻、能耗低

3. 简单方便
? 编程简单易学 ? 安装简单,维修方便

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1. 发展阶段 第一阶段,初创阶段(1969-1972):小规模集成电路,控制功能简单,主要用 于逻辑运算和定时、计数、顺序控制。 第二阶段,成熟阶段(1973-1978):以微处理器为核心,除具有逻辑运算和定 时、计数、顺序控制,还具有数值运算、数据处理、数据传送、监控、模 拟量控制等,开发了梯形图编程方法,将计算机的编程灵活、功能齐全和 继电器控制系统的结构简单、使用方便、抗干扰性强等优点相结合。 第三阶段,大发展阶段(1979-1984):CPU采用8位、16位微处理器,功能增 强,处理速度快,增加了浮点运算、三角函数、查表、脉宽调制、高速计 数、PID控制、定位控制、网络通信、远程I/O等功能,初步形成了分布式 通信网络体系,生产厂家增多、种类增多,广泛应用于汽车、机械、石油 化工、建筑、煤炭、纺织、钢铁等领域。 第四阶段,持续发展阶段(1984-现在):VLSI迅速发展,PLC已经具有工业计 算机强大的软硬件功能。通信协议标准化,不同厂家生产的产品可以相互 通信,通过PLC的网络功能,可构成多级通信网络。编程语言除传统的梯 形图、语句表外,出现了与BASIC、C、PASCAL等计算机高级语言类似 的编程语言。 目前:*俑錾Ъ摇 美国:AB、GM、MODICON。 日本:三菱、松 下、欧姆龙、富士电机。 欧洲:德国 Siemens、法国施耐德等。 中国: 北京和利时、信捷电子、中山智达等。

3. 发展

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3. 发展
2.发展趋势

(1)高性能、高速度、大容量
(2)多样化 :小型化、大型化两极

(3)模块化、智能化、软件化“软PLC”
(4)网络与通信能力增强 (5)标准化 :IEC1131、接口等 (6)工业化软件发展迅速 。组态软件、专用 控制软件等

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1. 工业

4. 应用

1)开关量控制,如逻辑、定时、计数、顺序等。自动生产线、 机床电气控制、冲压机械、铸造机械、运输带、包装机、飞剪等 控制; 2)模拟量控制(过程控制),部分 PLC或功能模块具有 PID控 制功能,可实现闭环控制,用于石油化工、锅炉、注塑、冶金、 制药、食品、水处理等过程控制; 3)运动控制,控制机床、装配机械、机器人等机械设备; 4)监控,用PLC可构成数据采集和处理的监控系统,如水利; 5)建立工业网络,PLC与远程I/O、PLC之间、PLC与其它智能 控制器之间。为适应复杂的控制任务且节省资源,可采用单级网 络或多级分布式控制系统或集散控制系统。

2. 其他行业
可编程序控制器在其他行业的应用也日益广泛:在国防和民用, 如建筑、环保等。
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可编程序控制器-当代工业自动化支柱之一

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可编程控制器系统认知

可编程序控制器-当代工业自动化支柱之一

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可编程控制器系统认知

可编程序控制器-当代工业自动化支柱之一

传送带生产线控制

纺织机械

印刷机械

电梯控制 空调控制 灌装及包装机械


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