电气控制技术(第5章)可编程序控制器的基础知识

Page:1/52第五章可编程序逻辑控制器基础知识自动化学院宋海鹰Page:2/52一、名称定义可编程序逻辑控制器ProgrammableLogicController简称PLC。Page:3/52“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的或模拟的输入和输出，控制各种类型的机械设备或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则设计”。IEC于1985年1月对可编程序控制器作了如下定义：Page:4/52可编程序控制器的优点：从软件来讲，它的程序可编，也不难编;从硬件上讲，它的配置可变，也易变。Page:5/52PLC的简史在PLC问世前，继电接触器控制在工业控制领域中占主导地位，这种控制系统是采用固定接线的硬件实现控制逻辑。如果生产任务或工艺发生变化，就必须重新设计，改变硬件结构，这样造成时间和资金的浪费。Page:6/52另外，大型控制系统用继电接触器控制，使用的继电器数量多，控制系统的体积大，耗电多，且继电器触点多为机械触点，工作频率较低，在频繁动作情况下寿命较短，造成系统故障，系统的可靠性差。Page:7/52为了解决这一问题，在1968年，美国最大汽车公司（GM公司）为了适应汽车型号不断翻新，以求在激烈竞争的汽车工业中占有优势，提出要求用一种新型的控制装置取代继电接触器控制装置，并且对于未来的新型控制装置作出了具体设想：Page:8/52把计算机的完备功能以及灵活性、通用性好等优点和继电接触器控制的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点溶入于新的控制装置中，且要求新的控制装置编程简单，使得不熟悉计算机的人员也能很快掌握它的使用技术。Page:9/52为此，特定以下10项公开招标的技术要求：（1）编程简单方便，可在现场修改程序；（2）硬件维护方便，采用插件式结构；（3）可靠性高于继电接触器控制装置；（4）体积小于继电接触器控制装置；（5）可将数据直接送入计算机；Page:10/52（6）用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB；（7）输入可以使交流115V；（8）输出为交流115V，能直接驱动电磁阀、交流接触器等；（9）通用性强，扩展方便；（10）成本上可以与继电接触器控制系统竞争。Page:11/52美国数字设备公司（DEC）根据GE公司招标的技术要求，于1969年研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GE公司汽车自动装配线上使用，获得成功。其后，日本、德国等相继引入这项新技术，可编程序控制器由此而迅速发展起来。Page:12/52可编程控制器是“数字运算操作的电子系统”，但它也是一种计算机。它是专为在工业环境下应用而设计的工业计算机。它是将逻辑运算，顺序控制，时序和计数以及算术运算等控制程序，用一串指令的形式存放到存储器中，然后根据存储的控制内容，经过模拟，数字等输入输出部件，对生产设备和生产过程进行控制的装置。Page:13/52PLC控制与继电器控制的比较继电器控制为接线程序控制，它是由分离元件（继电器、接触器等）用导线连接起来加以实现的，它的程序就在接线之中，对控制程序的修改必须通过改变接线来实现Page:14/52PLC为存储程序控制，其工作程序放在存储器中，系统要完成的控制任务是通过执行存储器中的程序来实现的，控制程序的修改不需要改变PLC的接线，只需改变存储器中的某些程序语句即可Page:15/52继电接触器控制系统是一种硬件逻辑系统，采用并行工作方式.可编程序控制器（PLC）是一种工业控制计算机，它的CPU以分时操作方式来处理各项任务，每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按顺序依次完成相应软继电器的动作，是时间的串行工作.Page:16/523.继电器控制系统与PLC控制系统的具体电路Page:17/52PLC的特点这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便；能完成逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作；还具有“数字量或模拟量的输入输出控制”的能力，并且非常容易与“工业控制系统联成一体”，易于“扩充”。Page:18/52冯.诺依曼微型计算机体系结构冯.诺依曼计算机的特点：基于存储程序的工作原理所有执行均经过运算器Page:19/52可编程逻辑控制器(PLC)体系结构Page:20/52Page:21/52强调了可编程控制器直接应用于工业环境，它须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和应用范围。这也是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。Page:22/52二、组成与分类：•中央处理器接收并存储程序和数据用扫描方式接收输出数据诊断电源，内部电路各种错误完成运算Page:23/52•存储器只读存储器ROM随机存储器RAM可擦除只读存储器EPRAM电可擦除只读存储器EEPRAM•输入/输出模块•电源•编程器Page:24/52可编程序控制器发展到今天，已有多种形式和类型，且其功能也不尽相同。（一）按容量和功能划分，大致可以分为小型、中型、和大型三类机型。Page:25/52（一）按I/O点数分：1.小型机：I/O点数在256点以下2.中型机：I/O点数在256-2048点之间3.大型机：I/O点数在2048点以上Page:26/521．小型机小型PLC的功能一般以开关量控制为主（有些小型机可带少量的模拟量I/O模块），它们的输入输出点数较适合接触器，继电器控制的场合，还能直接驱动电磁阀等执行元件。这类PLC的特点是价格低廉、体积小巧、较适合于控制单台设备。Page:27/522．中型机中型PLC一般都具有开关量和模拟量的两种控制功能，除了具有小型机的一般功能外，还具有较强的数字计算功能。为能将温度、压力、流量等模拟量与数字量进行转换，一般都有8位或12位的A/D、D/A转换模块。中型机适合于温度、压力、流量等的控制和较复杂的开关量控制以及要求连续生产过程控制的场合。Page:28/523．大型机大型PLC的功能已具备某些工业控制计算机的功能，它不仅具有计算，控制和调节的功能，还具有网络连接和通讯的功能。大型PLC机适用于设备自动化控制，过程自动化控制和生产过程监控系统。Page:29/52（二）按结构形式分：1.整体式结构，参见图5-12.组合式结构，参见图5-2Page:30/52整体式PLC的组成Page:31/52组合式PLC的组成Page:32/52整体式PLC(西门子S7-200)Page:33/52组合式PLCPage:34/52（二）按硬件结构形状划分按照可编程序控制器的硬件结构形状来划分，一般可以分为整体式，机架模块式和叠装式三类结构。Page:35/52三、PLC应用领域1．逻辑控制2．模拟量控制3．数字控制4．集散控制5．机电一体化6．通信控制网络化Page:36/52四、工作原理PLC可以视为特殊的工业控制计算机，但其编程语言，工作原理与计算机不同PLC工作特点：采用循环扫描工作技术Page:37/52Page:38/52可编程序控制器（PLC）是一种工业控制计算机，它的CPU以分时操作方式来处理各项任务，每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按顺序依次完成相应软继电器的动作，是时间的串行工作.所以，PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式，参见图示扫描周期（工作周期）：PLC完成一次扫描所需的时间Page:39/52通信服务输出刷新执行程序输入采样内部处理STOPRUNPLC两种工作状态：RUN和STOPPLC的循环扫描Page:40/52用户程序执行过程示意图Page:41/52PLC的工作过程内部处理：PLC完成自检、自诊断等工作。通信服务：通过网络与现场设备或其它PLC进行数据交换。Page:42/52PLC的工作过程1.输入采样阶段：2.PLC首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入内存中各对应的输入映像寄存器中，即完成输入寄存器的刷新。（集中输入）Page:43/52PLC的工作过程Page:44/52PLC的工作过程1.程序执行阶段：2.根据PLC梯形图程序扫描原则，PLC按先左后右、先上后下的步序逐点扫描（若遇到跳转指令时，则根据跳转条件决定是否跳转）。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器和元件映像寄存器读入数据，根据用户程序进行运算。运算结果存入输入映像寄存器和元件映像寄存器。Page:45/52PLC的工作过程Page:46/52PLC的工作过程输出刷新阶段：在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。（集中输出）Page:47/52PLC的工作过程Page:48/52PLC对输入输出的处理原则1.输出映像寄存器的数据取决于各输入点在上一刷新期间的通断状态2.程序结果取决于用户程序和输入/输出映像寄存器及其他各元件映像寄存器的内容Page:49/523.输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果4.输出锁存器的数据，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定5.输出端的通断状态由输出锁存器决定Page:50/52为工业环境设计的数字式运算操作系统Page:51/52五、PLC编程语言梯形图中的继电器是软继电器梯形图中流过的电流是概念电流梯形图中的继电器线圈只能出现一次，触点在编程时可无限次引用•梯形图编程语言（LAD）特点：Page:52/52I0.1Q0.1Q0.0Q0.1I0.0Q0.0Q0.1Q0.0网络1三相异步电动机正反转1网络2I0.2I0.3I0.2I0.3梯形图按自上而下，从左到右的顺序进行排列。以一个继电器线圈为一个控制逻辑行（即为一阶梯层）。每一条逻辑行都起始于左母线，终止于继电器线圈，右母线通常可以省略不画。Page:53/52梯形图中母线的意义类似于继电器线路中的电源线，但它不产生实际的物理电流，而只是假想在梯形图中有“电流”流动，我们称之为“概念电流”。概念电流在梯形图中只能作从左向右的单向流动，改变层次也只能先上后下。Page:54/52I0.1Q0.1Q0.0Q0.1I0.0Q0.0Q0.1Q0.0网络1三相异步电动机正反转1网络2I0.2I0.3I0.2I0.3梯形图按自上而下，从左到右的顺序进行排列。以一个继电器线圈为一个控制逻辑行（即为一阶梯层）。每一条逻辑行都起始于左母线，终止于继电器线圈，右母线通常可以省略不画。Page:55/52梯形图由若干“梯层”组成。每个梯层由若干条并联支路组成。每条支路又有若干个编程符号串联组成。支路或符号的最大串联、并联数都是有一定限制的，具体PLC产品有不同规定。Page:56/52梯形图中的继电器线圈不是继电控制电路中的物理继电器，而是与内存映像区中的某一位相对应的，因此称之为“软继电器”。如果梯形图中某继电器的线圈“通电”或触点“闭合”，则映像区中对应存储器的状态为高电平“1”；反之，则为低电平“0”。Page:57/52I0.1Q0.1Q0.0Q0.1I0.0Q0.0Q0.1Q0.0网络1三相异步电动机正反转1网络2I0.2I0.3I0.2I0.3梯形图按自上而下，从左到右的顺序进行排列。以一个继电器线圈为一个控制逻辑行（即为一阶梯层）。每一条逻辑行都起始于左母线，终止于继电器线圈，右母线通常可以省略不画。Page:58/52梯形图中的继电器又分为输出继电器和内部继电器。输出继电器所对应的映像存储器中的信号状态（“1”或“0”），可以通过I/O接口去驱动外部负载。内部继电器包括辅助继电器、定时器、计数器、寄存器等，它们所对应的映像存储器中信号状态（“1”或“0”），只可在编程中供梯形图内部使用，不能用作输出控制。Page:59/52输入继电器仅供PLC接受外部的输入信号，而不能用内部其它继电器的触点来驱动或输入信号。所以，梯形图中只出现输入继电器的触点，不会出现输入继电器的线圈。梯形图中输入继电器的触点闭合