电气控制与PLC-第五章

–70年代以前的控制系统•继电器控制系统：将继电器,定时器,接触器等电气元件按一定的逻辑关系连接起来,组成控制系统继电器控制系统的优缺点:•优点:结构简单,容易掌握,价格便宜适用于工作模式固定,工作方式简单的场合•缺点:对大系统,设计连线复杂,控制柜庞大,故障点多,维修困难,通用性、灵活性差。不支持网络通讯。可编程控制器技术第五章可编程控制器概述内容提要•可编程控制器的基本概念•可编程控制器的特点及应用•可编程控制器的发展•可编程控制器的组成及各部分功能•可编程控制器的工作原理•可编程控制器系统与继电接触器系统的区别•PLC(ProgrammableLogicController)•国际电工委员会给出的定义（1987年）•PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或者模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。一可编程控制器的基本概念一可编程控制器的基本概念•可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。•PLC目前已成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器。与机器人、数控技术并称为工业生产自动化的三大支柱。1968年美国GM汽车公司提出的替代继电器控制系统的新型控制器的十项指标：1）编程简单、现场可修改程序；2）维护方便、采用插件式结构；3）可靠性高于继电器控制系统；4）体积小于继电器控制系统；5）数据可以直接送入计算机；6）成本可与继电器系统竞争；7）输入可为115V；8）输出可为115V，2A，能直接驱动电磁阀、交流接触器等；9）通用性强、易于扩展；10）用户存储器大于4K。二可编程控制器的诞生与发展PLC的产生与发展第一代：从第一台PLC诞生到上个世纪70年代初第二代：70年代初至70年代末●CPU使用中小规模集成电路，采用磁芯存储器。●CPU使用微处理器，采用半导体存储器EPROM。●可靠性较差，略强于继电器控制。●机种单一，没形成系列。●有了计算机接口和模拟量控制功能。●可靠性提高。●整机功能向系列化、标准化发展，并由专用向通用方向过渡。●功能简单（只有计数/定时功能）。●功能增强（增加逻辑/数据运算、数据处理、自诊断等功能）。第三代：80年代初期●CPU使用8或16位微处理器甚至多微处理器，采用半导体存储器EPROM、CMOSRAM等。●增加浮点数运算，平方、三角函数等运算。●增加查表、列表功能。●自诊断及容错技术提高。●梯形图语言及语句表成熟。●小型PLC体积减小、可靠性提高、成本下降。●大型PLC向模块化、多功能方向发展。第四代：80年代中期到90年代中期第五代：90年代中期之后●增加高速计数、中断、A/D、D/A、PID等功能。●处理速度进一步提高（1s/步）。●连网功能增强。●编程语言进一步完善，开发了编程软件。●CPU使用16位或32位微处理器。●PLC的I/O点增加，最多可达32K个I/O点。●处理速度进一步提高（1ns/步）。●PLC都可以与计算机通信。●具有强大的数值运算、函数运算、大批量数据处理的功能。●开发了大量的特殊功能模块。●编程软件功能更强大。●不断开发出功能强大可编程终端。PLC及其控制系统的发展趋势PLC的性能对小型PLC对大中型PLC向着更大容量、更高速度、更多的功能、更高的可靠性、易于连络通信的方向发展。使之更利于对大规模、复杂系统的控制。向着体积更小、速度更高、功能增强、价格低廉的方向发展。使之更利于取代继电器控制。PLC的特点•可靠性高，抗干扰能力强•配套齐全，功能完善，适用性强•编程方法简单，容易掌握，深受工程技术人员欢迎•系统设计周期短，维护方便，改造容易•体积小、重量轻、功耗低三可编程控制器的特点及应用PLC的应用•开关量逻辑控制•模拟量控制•运动控制•闭环过程控制•数据处理•通讯联网可编程控制器的组成四可编程控制器的组成及其功能主机电源微处理器(CPU)运算器控制器输入单元存储器EPROM(系统程序)RAM(用户程序)外设I/O接口I/O扩展接口用户输入设备输出单元用户输出设备I/O扩展接口PLC或上位计算机图形监控系统EPROM写入器打印机盒式磁带机编程器外部设备系统的控制中枢，由控制电路、运算器、寄存器组成。功能：1)接受并存储从编程器键入的用户程序和数据。2)检查硬件的工作状态，如：电源、存储器、I/O以及定时器的状态，并诊断用户程序的语法错误。3)运行时，读指令→执行指令→取下一条指令，处理中断。CPU单元：CS1G-H（一）中央处理器(CPU)（二）存储器存储器一般由存储体、地址译码电路、读写控制电路和数据寄存器组成。用于存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他信息。常用的存储器：1）只读存储器（ROM）存放系统程序。2）随机存储器（RAM）存入用户程序、逻辑变量和其他一些信息。PLC使用锂电池作为RAM的备用电源，或采用快闪存储器（如CPM1A）。（三）输入、输出接口功能：在内部，由于本身工作电压比较低（一般5V左右），而输入、输出信号电压一般比较高（如直流24V和交流220V），所以不能直接与外部输入、输出装置连接，而由输入、输出接口电路转接。这样，输入、输出接口电路除了传递信号外，还有电平转换和噪声隔离的作用。输入单元：ID212输出单元：OC2251.输入接口电路输入接口电路将现场输入的信号变成CPU能接受的信号。按信号电源的不同可分为直流输入和交流输入两种类型。1）直流输入接口电路两个电阻的作用分别是分压和限流。光耦合器:抗干扰,将电信号转换为光信号进行传输；电平转换，将DC24V输入信号转换成TTL（5V）标准信号。两个电阻的作用分别是分压和限流。电容是滤波的。光耦合器:抗干扰,将电信号转换为光信号进行传输；电平转换，将DC24V输入信号转换成TTL（5V）标准信号。2）交流输入接口电路2.输出接口电路输出接口电路将CPU的决策信号变成驱动控制对象执行的控制信号。输出接口电路有三种形式：继电器式、晶体管式和晶闸管式。1）继电器式输出接口电路继电器：既是输出开关器件，又是隔离器件。R和LED组成输出状态显示器。R和C组成RC灭弧电路。继电器触点动作的响应时间约为10ms。继电器输出模块的负载回路，可选用直流电源，也可选用交流电源。在电阻性负载时，输出的最大负载电流为2A/点2）晶体管式输出接口电路晶体管为输出开关器件，光耦合器为隔离器件。晶体管输出模块所带负载只能使用直流电源。在电阻性负载时，最大负载电流为0.5A/点，通断响应时间均＜0.2ms。3）晶闸管式输出接口电路双向晶闸管为输出开关器件，由他组成的固态继电器（ACSSR）具有光电隔离作用，作为隔离元件。R与C组成高频滤波电路。双向晶闸管开通响应时间≤1ms，关断响应时间≤10ms。在输出负载回路中的电源只能选用交流电源。（四）电源PLC的电源分两类：1）开关电源用于驱动PLC各个工作部分的电源。2）后备电源在停机或突然失电时，保证RAM中的信息不丢失。电源单元：PA209R（五）外部设备编程器一般都具有下列5种功能：1）编辑功能2）编程功能3）监视功能4）检查功能5）命令功能编程器还具有与EPROM写入器、打印机、盒式录音机等外围设备通信的功能。计算机应用相应的编程软件也可作为PLC的编程器。PLC与编程器的连接1可编程控制器的结构•（一）单元式•把CPU、RAM、ROM、I/O接口、编程器或EPROM写入器相连的接口、输入输出端子、电源、指示灯等装配在一起的整体装置。•优点：结构紧凑，体积小，成本低，安装方便。•缺点：输入输出点数是固定的，不一定能适合具体的控制现场的需要。•有时整体PLC的输入口或输出口要扩展，这就又需要一种只有一些接口而没有CPU也没有电源的装置。•为了区分这二种装置，人们把前者叫做基本单元，而把后者叫做扩展单元。五可编程控制器的结构及软件按硬件的结构类型分类•（二）模块式结构•模块式结构又叫积木式。•把PLC的每个工作单元都制成独立的模块，如CPU模块，输入模块，输出模块，电源模块，通讯模块等等。另外有一块带有插槽的母板，实质上就是计算机总线。把这些模块按控制系统需要选取后，都插到母板上，就构成一个完整的PLC。•特点：系统构成非常灵活，安装，扩展，维修都很方便。•缺点是体积比较大。•（三）叠装式结构•叠装式结构是单元式和模块式相结合的产物。•将CPU，I/O口及电源模块仍然作成独立的，不使用模块式PLC中的母板，采用电缆联接各个单元，在控制设备中安装时可以一层层地安装。•特点：配置灵活，体积小。1）超小型，I/O点数≤64点2）小型机，64点≤I/O点数≤256点，如OMRON公司的C-60P。3）中型机，128点I/O总点数512点，如美国公司的PLC5系列产品。4）大型机，512点I/O总点数8192点，如德国Siemens公司的S5-150U。5）超大型，I/O总点数≥8192点按应用规模及功能分类2可编程控制器的软件•软件的分类•PLC的软件包含系统软件和应用软件两种。（一）系统软件•系统软件包含系统的管理程序，用户的解释程序，另外还包括一些供系统调用的专用标准程序块等。•系统管理程序用以完成机内运行相关时间分配、存储空间分配管理及系统自检等工作。•用户指令的解释程序用以完成用户指令变换为机器码的工作。•（二）应用软件•应用软件也叫做用户软件。是用户为达到某种控制目的，采用PLC厂家提供的编程语言自主编制的程序。同一台PLC用于不同控制目的时就需要编制不同的应用软件。用户软件存入PLC后如需要改变控制目的可多次改写。应用软件编程语言的表达方式•应用软件的编制需使用可编程控制器生产厂方提供的编程语言。不同的PLC使用不同的编程语言。–梯形图–指令表–顺序功能表–功能块图–结构文本1、梯形图（LadderDiagram）梯形图语言是一种以图形符号及其在图中的相互关系表示控制关系的编程语言。•2、指令表（instructionlist）•指令表也叫语句表程序由一条一条语句来表示，它和微机的指令一样，也是由操作码和操作数组成的。操作码：表示哪一种操作和运算。操作数：包含执行该操作所必需的信息，指明CPU用哪个存储器的什么内容来执行此操作。•3、顺序功能图（Sequentialfunctionchart）•顺序功能图常用来编制顺序控制类程序.•4、功能块图（Functionblockdiagram）•功能块图是一种类似于数字逻辑的编程语言，熟悉数字电路的人比较容易掌握。•没有梯形图编程器中的触点和线圈，FBD编程语言有利于程序流的跟踪.•5、结构文本（StructuredText）•高级语言：basic、c语言六可编程控制器的工作原理1、工作原理PLC采用循环扫描的工作方式。当处于RUN状态时，包括内部处理、通讯操作、输入处理、程序执行、输出处理五个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。当处于STOP状态时，只执行内部处理和通信操作。2、输入输出滞后时间系统响应时间，是指PLC外部输入信号发生变化的时刻开始到它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻为止之间的时间间隔。组成：1.输入电路的滤波时间2.输出模块的滞后时间3.因扫描工作方式产生的滞后时间继电器控制电路和PLC梯形图的异同点1.相同点图形符号基本类似，结构形式基本相同，输入、输出逻辑关系基本一致。七可编程控制器控制系统与继电接触器控制系统区别2.不同点：1）组成器件不同真实—虚拟，硬件—软件（PLC内部存储单元中的一位，可称为“软继电器”）2）触点情况不同结构：硬件—软件（由存储器中相应位的状态1或0来决定的,可称为“软触点”）数量：有限—很多，寿命：有限—很长。3）工作电流不同实际电流—信息流（实质是程序的运算过程，可