工业电气控制及PLC技术 第四章 可编程控制器及其工作原理

第四章可编程控制器及其工作原理第一节可编程控制器的产生和发展•可编程控制器的产生在可编程控制器诞生之前，工业电气控制主要使用低压电器构成的继电接触器电路。它是以接线逻辑实现控制功能的。缺点：这样的控制设备一经生产出来，功能就固定了，若要改变就必须改变控制器内部的硬件接线在这种情况下，1968年通用汽车公司提出了要寻找一种比继电器更可靠，功能更齐全，响应速度更快的新型工业控制器。这种控制器必须具备编程方便，维修方便，可靠性高，体积小，数据可直接送入管理计算机，成本低，方便扩展的特点。其中，编程方便是接线逻辑向存储逻辑进步的重要标志。1969年第一台可编程控制器PDP-14由美国的数字设备公司研制出来，并且成功的用于工业生产，可编程控制器由此诞生。早期的可编程控制器（PC）主要用于逻辑量控制，并且为了和个人计算机（PC）区别，把可编程控制器缩写为PLC（ProgrammableLogicController）。1987年，国际电工委员会IEC对可编程序控制器作了如下规定：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。它及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一体，易于扩展的原则设计。可见：可编程控制器是一种工业用计算机。作为工业用途，决定了它必须有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。•可编程控制器的发展1、生产方面1971年日本开始生产PLC1973年欧洲开始生产PLC至今，世界各国的一些著名的电器厂几乎都在生产PLCPLC已经作为一个独立的工业设备被列入生产中，成为当代电控装置的主导。2、组成方面早期：PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，采用了一些计算机技术，但简化了计算机的内部电路。特点：对工业现场的环境适应性较好，指令系统简单，一般只具有逻辑运算功能。20世纪70年代中：微处理器及其他大规模集成电路芯片成为其核心部件。特点：有自诊断功能，可靠性和性价比都大幅提高。20世纪80年代：微处理器，ROM，RAM或单片机作为核心。特点：处理速度大大提高，增加了多种特殊功能，体积进一步减小。20世纪九十年代末：几乎完全计算机化。其速度更快功能更强，各种智能模块不断被开发出来，使其不断地扩展着他在各类工业控制过程中的作用。3、如今PLC的发展现在，PLC不仅能进行逻辑控制，在模拟量闭环控制、数字量智能控制、数据采集、监控、通信联网及集散控制系统等各方面都得到了广泛的应用。今后PLC将向两大方面发展：一是大型PLC向高速，大容量和高性能方向发展；二是发展简易经济的超小型可编程控制器，以适应单机控制及小型设备自动化的需要。第二节可编程控制器的用途及特点•用途–顺序控制最广泛应用的领域，可取代传统的继电器的顺序控制可应用于单机控制，多机群控制，生产自动线控制–运动控制目前已有拖动步进电机或多轴位置控制模块多数情况，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–闭环过程控制具有PID控制能力的PLC可用于过程控制–数据处理把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制（CNC）设备紧密结合用以实现数据处理。–通信和联网PLC之间，PLC和上级计算机之间的通信功能•特点–可靠性高，抗干扰能力强–适应性强、应用灵活–编程方便，易于使用–功能强，扩展能力强–PLC控制系统设计、安装、调试方便–维修方便，维修工作量少–PLC体积小，重量轻，易于实现机电一体化第三节PLC的硬件组成•根据物理结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。但是不论是哪一种类型的PLC都是由基本相同的部分组成的，下面分别介绍各组成部分及其作用。–中央处理器（CPU）CPU是PLC的核心，按程序赋予的功能指挥PLC工作，他的主要任务有：1、控制从编程器键入的用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I/O部件接受现场的状态和数据并存入输入映像存储器或数据存储器中。2、诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。3、PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，解释并按指令规定的任务进行数据传递、逻辑或算术运算等；并根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像存储器的内容，再经过输出部件实现输出控制，制表打印或数据通信等功能。CPU芯片的性能关系到PLC处理控制信号的能力与速度，CPU位数越高，系统处理的信息量越大，运算速度也越快。–存储器PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。1、系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。它使PLC具有基本的智能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。2、用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和功能存储器（数据区）两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务，用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。用户程序存储器根据所选用的存储单元的不同，可以是RAM（有掉电保护）、EPROM或EEPROM存储器，其内容可以由用户任意修改或增删。用户功能存储器是用来存放用户程序中使用的ON/OFF状态，数值数据等，它构成PLC的各种内部器件，也称“软元件”。用户存储器容量的大小关系到用户程序容量的大小和内部器件的多少，是反映PLC性能的重要指标之一。–输入、输出接口输入、输出接口是PLC与外界连接的接口。1、输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号：开关量输入信号和模拟量输入信号。2、输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如接触器、调节阀等。–电源小型整体式可编程控制器内部有一个开关稳压电源。此电源一方面可为CPU板，I/O板及扩展单元提供工作电源（5VDC），另一方面可为外部输入元件提供24VDC电源。–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。–通信接口使PLC可以与监视器，打印机以及其他计算机相连。–智能I/O接口有自身的处理器系统，满足复杂控制功能的需要。–编程工具编程器，也可采用微机辅助编程（需要通信电缆和PLC之间通信）例如step7–智能单元智能单元配有自己的CPU，具有自己的软件，能独立完成一项专门的工作。通过总线与主机联机，通过通讯方式接受主机管理。PLC还可配有盒式磁带机，EPROM写入器，存储器卡等其他外部设备。第四节PLC的软件及应用程序编程语言PLC的软件含系统软件和用户程序。系统软件由PLC制造商固化在机内，用以控制可编程控制器本身的运作；用户程序由可编程控制器的使用者编制并输入，用于控制外部对象的运行。•系统软件系统软件主要包括三部分。下面我们分别讨论这三个部分的作用。–系统管理程序是系统软件中最重要的部分，主管控制可编程控制器的运作。它的作用有：运行管理（时间上的分配管理）；存储空间管理；系统自检程序。–用户指令解释程序它的任务是把使用者直观易懂的梯形图变成机器易懂的机器语言。然后再由CPU去执行这些指令。–标准程序模块及系统调用他是有许多独立的程序块组成，各程序块有不同的功能，有些完成输入、输出处理，有些完成特殊运算等。PLC的具体工作就是由这部分程序完成的，它的多少决定了PLC性能的强弱。整个系统软件是一个整体，其质量的好坏在很大程度上影响PLC的性能。很多情况下，通过改进系统软件就可以在不增加任何设备的条件下改善PLC的性能。•用户程序PLC提供的编程语言通常有三种：梯形图（LAD）、指令表（STL）和顺序功能流程图（SFC）。我们以西门子公司的PLC为例来介绍这三种编程语言。–梯形图编程（LAD）PLC梯形图是在继电器控制系统中常用的继电器电路图的基础上演变而来的，它的许多符号与继电器控制系统中的电路图有对应的关系。只是PLC在编程中的使用的元件他们的功能都是通过软件来实现的。能流的概念：PLC梯形图中一个关键的概念，是一种假想的“能量流”。只能从左向右流，任何时候都不会从右向左流。–指令表编程（STL）类似于计算机中的助记符语言，它是可编程控制器最基础的编程语言。所谓指令表编程，是用一系列的指令来表达程序的控制要求。一条指令有两部分组成：助记符操作数（或称操作数的地址）指令和梯形图有一定的对应关系。–状态流程图（功能图）编程（SFC）SFC是一种比较新的编程方法，它的作用是用“功能图”表达一个顺序控制过程。例优点：SFC作为一种步进顺控语言，为顺序控制类程序的编制提供了很大的方便。用它可以对一个控制过程进行分解，用多个相对独立的程序段代替一个长的梯形图程序，还能使用户看到在给定时间机器处于什么状态。–功能块图（FBD）编辑器也是一种图形编程语言。与LAD相比它没有母线、触点和线圈，只有表示指令功能的方框，方框间用线段表示方框内的联系，整个图形则用来表示一定的控制功能。例。第五节可编程控制器的运行方式•PLC的工作方式与运行框图我们先来看一个继电控制系统简图。可以知道继电器控制系统采用的是并行工作方式。可编程控制器是一种工业控制计算机，它的工作原理是建立在计算机工作原理基础上的，是通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。CPU以分时操作方式来处理各项任务，计算机在每一瞬间只能做一件事情，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器的动作，便成为时间上的串行。由于运算速度极高，各电器的动作几乎是同时完成的，但是实际上输入-输出的响应是有滞后的。例概括而言，PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。执行用户程序时，需要各种现场信息，这些现场信息已接到PLC的输入端。PLC采集现场信息即采集输入信号有两种方式。1、集中采样输入方式2、立即输入方式同样，PLC对外部的输出控制也有集中和立即输出两种方式。PLC对输入输出信号的传送还有其他方式，如有的PLC采用输入、输出刷新指令。在需要的地方设置这类指令，可以对此时的全部或部分输入点信号读入一次，以刷新输入映像寄存器内容；或将此时的输出结果立即向输出端或输出模块输出。如PLC上有输入、输出的禁止功能，这时输入、输出信号不读入也不输出。•PLC的工作过程先来看PLC的工作过程是怎样的。PLC运行正常时，扫描周期的长短与CPU的运算速度、I/O点的情况、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（一般为1~10ms/K）。值得注意的是，不同指令其执行时间是不同的。若用于高速系统要缩短扫描周期，可以软硬件两方面兼顾考虑。PLC扫描工作过程当PLC正常运行时，它将不断重复扫描过程，不断循环扫描地工作下去。如果不考虑远程I/O特殊模块和其他通信服务，这样扫描过程就只剩下“输入采样”、“程序执行”、“输出刷新”三个阶段了。第六节PLC主要性能指标•几个常用术语位--------二进制的一位仅有0、1两种取值数字----四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-------2个字节构成一个字在PLC属于中，字称为通道。一个字含16位，或者说一个通道含16个继电器。•PLC的主要的性能指标–存储容量小型PLC一般在8K以下，大型PLC的存储容量可以达256K~2M–输入/输出点数–扫描速度以执行1K字所用的时间来衡量扫描速度–编程指令的种类和数量变成指令种类及条数越多，其功能就越强，即处理能力、控制能力就越强。–扩展能力表现在两个方面：大部分PLC可以用I/O扩展单元进行I/O点数的扩展；有的PLC可以使用各种功能模块进行功能扩展。–智能单元的数量智能单元种类的多少和功能的强弱是衡量PLC产品水平高低的一个重要指标。