电气控制与PLC第6章

第6章可编程控制器第6章可编程控制器概述7.1可编程控制器的硬件配置7.2S7-200系列可编程控制器简介7.3可编程控制器程序设计7.46.1概述ProgrammableController——PCProgrammableLogicController——PLCPLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。PLC的四个发展阶段第一代：用一位机开发，磁芯存储器存储，只具有单一的逻辑控制功能；第二代：使用8位微处理器及半导体存储器，产品开始系列化。第三代：高性能微处理器的使用，使PLC的处理速度大大提高，从而促使它向多功能及联网通讯方向发展。第四代：具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通讯功能的真正名副其实的多功能产品。同一时期，由PLC构成的PLC网络也得到飞速发展。6.1.1发展历史PLC的定义1987年，美国电气制造协会对PLC作定义：是一种带有指令存储器和数字或模拟I/O接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运算功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置。6.1.2性能特点1.功能丰富（1）丰富的指令。（2）内部器件种类繁多，容量宏大。（3）丰富的外部设备。（4）可建立友好的人机界面，可与计算机链接或联网，实现信息交换。（5）具有强大的自检功能，可进行自诊断，并记录诊断结果，为维修提供方便。2.使用方便（1）配置、安装和维护方便。（2）编程方法简单易学。6.1.2性能特点3.工作可靠PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，使之具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上。因此，PLC已被公认为最可靠的工业控制设备之一，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。4.体积小、能耗低、性能价格比高PLC的体积小、重量轻，PLC可以装入机械设备内部，实现机电一体化控制。对于复杂的控制系统，使用PLC后，不仅可以减少大量的中间继电器和时间继电器，而且PLC的配线比继电器控制系统的少得多，从而可以省下大量的配线和附件，在提高了系统可靠性的同时，节约了大量的费用。6.1.2性能特点6.1.3应用及发展趋势1.PLC的应用（1）开关量逻辑控制（2）模拟量、数字量控制（3）数据处理（4）通信与联网（5）监控（6）运动控制2.PLC的发展趋势（1）向高性能、高速度、大容量发展（2）向超小型和超大型双向发展（3）PLC编程语言的多样化和标准化（4）增强通信联网能力，控制与管理功能一体化（5）扩展模块智能化、功能完善化6.1.3应用及发展趋势6.2可编程序控制器的硬件配置6.2.1基本组成1.CPU模块CPU模块：由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。输入处理：从输入模块将输入信号和数据读入输入映象寄存器和数据寄存器。执行用户程序：读入和解释用户程序，完成数据的存取、传送和处理，并用运算结果更新输出映象寄存器的内容，产生相应的控制信号。输出处理：将输出映象寄存器的内容送到输出模块。CPU模块采用扫描工作方式。（1）微处理器CPU通用微处理器（如8086）单片微处理器（如8031）位片式微处理器（如AND2900）由运算器、寄存器、控制器、总线接口等功能模块组成。小型PLC——8位通用或单片微处理器；中型PLC——16位通用或单片微处理器；大型PLC——采用位片式微处理器。（2）存储器PLC的存储器有三种分类方式：1）按介质分类•随机存取存储器或称读／写存储器（RAM）•只读存储器（ROM）•可擦除可编程序的只读存储器（EPROM）•可电擦除的只读存储器（E2PROM）2）按用途分类•系统程序存储区•用户程序存储区•系统RAM存储区3）按内存的分布分类•主内存——是内存的主体，也是PLC直接访问的对象；•辅助内存——用于存放用户程序的备份，当PLC上电初始化时，把它的内容拷贝到主内存的用户程序区，供PLC的CPU运行；•存储卡——配有电池，可长期保存程序。2.输入/输出（I/O）模块输入（Input）/输出（Output）模块简称为I/O模块。I/O模块是联系PLC的CPU模块和外部现场的桥梁。PLC通过输入模块采集各种输入信号，并以此为依据进行处理，最终通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器，实现对被控对象的控制。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。外部信号通常分：•开关量信号•模拟量信号开关量信号——主要来自按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等器件，只有接通和断开两种状态；模拟量信号——是通过电位器、热电耦、测速发电机和各种变送器将压力、温度、流量等物理量变换成连续变化的电压或电流信号。I/O模块通常可分为：•开关量I/O模块•模拟量I/O模块•特殊I/O模块I/O模块输入、输出口的个数通常称为I/O点数。（1）开关量I/O模块输入模块用于接收和采集各种开关量输入信号。对输入信号（按钮、行程开关或传感器等产生的信号）进行滤波、隔离和电平转换等处理，转换成数字信号以可靠、安全地传送到PLC的内部。1）输入模块输入接口电路COM光电三极管发光二极管输入端子+–内部电路3.3k1000PF470PLCI0.0+24V–2）输出模块输出模块是PLC驱动负载的输出电路，同时它还具有功率放大、滤波、隔离和电平转换等功能。它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，以控制接触器线圈等电器通断电。输出电路还使计算机与外部强电隔离。输出接口电路继电器输出PLC内部电路内部电路JYCOM+-交流电源或直流电源输出三种形式：继电器--低速大功率，驱动交、直流负载；可控硅--高速大功率，驱动交流负载；晶体管--高速小功率，驱动直流负载。（2）模拟量I/O模块模拟量I/O模块的主要任务就是对输入信号进行A/D转换，对输出信号进行D/A转换，其转换精度由转换器的位数决定。（3）特殊I/O模块特殊I/O模块是为了降低费用或简化编程过程，增强PLC的功能，扩大PLC应用范围而开发的各种I/O模块，也经常作为独立的模块供PLC系统根据具体的工艺控制要求进行选择配置。（3）特殊I/O模块过程控制模块：指对连续变化的模拟量的闭环控制，过程控制通常采用PID（比例-积分-微分）控制方式。高速计数模块：PLC有最高工作频率受扫描周期的限制，一般仅有几十Hz。但是在工业控制中，有时要求PLC对来自旋转编码器、机械开关或电子开关的高速脉冲进行计数。由此产生的高速计数模块可以对几十千Hz甚至上兆Hz的脉冲进行计数，以保证能及时驱动负载。（3）特殊I/O模块运动控制模块：运动控制模块一般带有微处理器，用来控制运动物体的位置、速度和加速度，它可以控制直线运动或旋转运动。通信模块：用来完成PLC之间、PLC与其它智能控制设备或主计算机之间的通信。热电阻/热电耦模块：在生产中，温度是最常见的一种信号，厂商也专门生产了相应的热电阻/热电耦模块，它们提供了PLC与热电阻和热电耦的连接接口。3.电源PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源供电。PLC内部则通过直流稳压电源为各功能模块提供工作电压。4.编程器及其它外部设备编程器的基本作用是编辑、调试和输入用户程序，同时还可以用于监视系统运行时各种编程元件的工作状态情况。PLC系统还可以配置人/机接口装置、外存储器、打印机、EPROM写入器等外部设备。6.2.2分类1.按硬件结构分类•整体式PLC•模块式PLC•叠装式PLC2.按I/O点数分类•超小型或微型PLC•小型PLC•中型PLC•大型PLC3.按功能分类分为低档、中档和高档三类。低档PLC主要用于逻辑控制、顺序控制等单机控制系统和比较简单的自动化系统；中档PLC则已经可以满足多数复杂控制系统的需求；高档PLC通常用于大规模分布式网络系统。6.2.3基本工作原理扫描周期：每扫描一个循环所用的时间称为扫描周期。PLC的工作方式：循环扫描工作方式。CPU从第一条指令开始执行，遇到结束符又返回第一条，不断循环。工作模式PLC：运行（Run）和停止（Stop）工作模式。（1）运行（Run）自诊断处理通信信息处理输入处理程序执行输出处理（2）停止（Stop）模式自诊断处理通信信息处理输入处理程序执行输出处理“自诊断处理”阶段PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，复位监控定时器（WDT）；检查程序执行结果是否正确，进行奇偶校验；判断程序执行时间是否超时；刷新具有断电保持功能的继电器现有值以及完成其它一些内部工作。如果出现故障，则停止中央处理工作并报警提示。“通信信息处理”阶段PLC与编程器交换信息；PLC与别的带微处理器的智能装置通信（如数字处理器）；PLC与网络通讯，当PLC配有网络通讯模块时，应与通讯对象进行数据交换。“输入处理”阶段（采样）采样：PLC以扫描工作方式按顺序将所有的输入信号读入到输入映象寄存器中进行存储。输入映象寄存器从PLC的存储器中划分出来专门用来存放输入信号状态的存储区。当外接的输入触点电路接通时，对应的输入映象寄存器为“1”状态；当外接的输入触点电路断开时，对应的输入映象寄存器为“0”状态。注意在一个扫描工作周期内，采样结果的内容不会改变，它是PLC程序执行时使用的输入量的依据。外部输入信号状态在被采样后发生的变化，只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。“程序执行”阶段CPU从用户程序的第一条指令开始，逐条执行，直到程序结束。在执行某条指令时，先从映象寄存器中将有关数据读出来，然后根据指令的要求执行相应的运算、处理，最后将运算的结果写入到对应的元件映象寄存器中，供后面指令程序执行时使用。输出映象寄存器从PLC的存储器中划分出来专门用来存放输出信号状态的存储区。注意除输入映象寄存器外，各编程元件的映象寄存器的内容随着程序的执行而变化；输出映象寄存器的状态在整个程序执行完毕之前不会送到输出端子上去影响输出电路状态的改变。“输出刷新”阶段PLC将输出映象寄存器的“0”/“1”状态传送到输出锁存器进行锁存，以驱动PLC系统输出端的用户设备。当某输出映象寄存器为“1”状态时，系统外部负载通电工作；当某输出映象寄存器为“0”状态时，则使外部负载断电，停止工作。锁存器中的内容将保持到下一次“输出处理”阶段才会被更新，PLC外部的实际输出状态也随之改变。说明PLC属于一种“串行”工作方式。以循环扫描工作方式顺序执行各个阶段的工作，继电控制系统可视为“并行”工作方式。由实际硬件设备组成的，当某个继电器的线圈通电或断电时，该继电器的所有常开或常闭触点无论处在控制线路的任何位置，都会立即同时动作。由于PLC处理速度很快，采用“串行”的处理方式所造成的输出对输入在时间响应上的滞后并不影响PLC在一般实际工程中的应用，同时还可避免继电接触器控制系统中的触点竞争和时序失控的问题。6.2.4性能指标1.编程语言PLC可采用不同的编程语言来编写用户程序，目前常用的有：梯形图语言、助记符语言、流程图语言和Basic、C语言等高级语言。PLC能使用的编程语言种类越多，其类型越高级。2.指令功能及数量编程指令的功能越强、数量越多，表示PLC的处理和控制能力越强，用户的编程也更为简单、方便。3.I/O点总数I/O点总数指PLC可以接受的输入信号和输出控制信号的总和。点数越多，可以连接的外部设备就越多，控制的规模就越大。4.内部继电器的种数和点数内部继电器主要包括：辅助继电器、特殊继电器、定时器、计数器和移位寄存器等，表征了PLC的内部处理能力和运算功能。5.用户程序存储量用户程序存储量表示PLC能够存放多少用户程序。小型PLC一般为几K字，大型PLC的用户程序存储器容量可达数十M字。6.扫描速度扫描速度指PLC执行用户程序的速度，通常以毫秒每千字（ms/K字）为单位。7.可扩展能力PLC的可扩展能力指I/O模块的扩展、存储容量的扩展以及各种功能模块的扩展等。扩展能力越强，系统的配置就越灵活，控制能力就越强。8.工作环境一般的PLC都能保证