电工学(电工技术)第七版-上册-第十一章-电子教案

下一页返回上一页退出章目录第11章可编程控制器及其应用11.2可编程控制器的程序编制11.3可编程控制器应用举例11.1可编程控制器的结构和工作原理下一页返回上一页退出章目录第11章可编程控制器及其应用本章要求：1.了解可编程控制器的结构和工作原理;2.了解可编程控制器的几种基本编程方法;3.熟悉常用的编程指令;4.学会使用梯形图编制简单的程序。下一页返回上一页退出章目录可编程控制器(PLC)是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术发展起来的一种工业控制器。专门用于工业现场的自动控制装置。PLC具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单以及功耗低、体积小等优点。但它存储容量小，价格高。本章只为初学者提供PLC基础知识,重点是简单程序编制，重在应用。继电接触控制系统在生产中得到广泛应用。但由于它的机械触点多、接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性差，因此已不能满足现代化生产过程复杂多变的控制要求。第11章可编程控制器及其应用下一页返回上一页退出章目录PLC的类型种类繁多，功能和指令系统也不尽相同，虽然多种多样，但其结构和工作方式则大同小异,一般由主机、输入/输出接口、电源、编程器、扩展接口和外部设备接口等几个主要部分构成。11.1可编程控制器的结构和工作方式11.1.1可编程控制器的结构及各部分的作用PLC可看作一个系统，外部的各种开关信号或模拟信号均为输入量，它们经输入接口寄存到PLC内部的数据存储器中，而后按用户程序要求进行逻辑运算和数据处理，最后以输出变量的形式送到输出接口，从而控制输出设备。下一页返回上一页退出章目录PLC硬件系统结构图按钮行程开关触点按钮行程开关触点CPU存储器用户程序系统程序数据CPU存储器用户程序系统程序数据电源I/O扩展单元输入设备输出设备输出接口外部设备接口输入接口I/O扩展接口主机PLC编程器打印机磁带机计算机扫描仪电磁阀电磁线圈指示灯电磁阀电磁线圈指示灯按钮行程开关触点按钮行程开关触点CPU存储器用户程序系统程序数据CPU存储器用户程序系统程序数据电源I/O扩展单元I/O扩展单元输入设备输出设备输出接口输出接口外部设备接口输入接口输入接口I/O扩展接口I/O扩展接口主机PLC编程器编程器打印机磁带机计算机扫描仪打印机磁带机计算机扫描仪电磁阀电磁线圈指示灯电磁阀电磁线圈指示灯下一页返回上一页退出章目录1.主机CPU是PLC的核心，主要用来运行用户程序，监控输入/输出接口状态。主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器PLC内部存储器系统程序存储器用户程序及数据存储器系统程序存储器：主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序。系统程序已由厂家固定，用户不能更改。用户程序及数据存储器：主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据、中间结果。下一页返回上一页退出章目录2.输入/输出(I/O)接口输入接口用于接收输入设备(如：按钮、行程开关、传感器等）的控制信号。输出接口用于将经主机处理过的结果通过输出电路去驱动输出设备(如:接触器、电磁阀、指示灯等)。3.电源PLC电源指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源I/O接口是PLC与输入/输出设备联接的部件。I/O接口一般采用光电耦合电路,以减少电磁干扰。下一页返回上一页退出章目录PLC的输入接口电路(直流输入型)下一页返回上一页退出章目录PLC的继电器输出接口电路下一页返回上一页退出章目录PLC的晶体管输出接口电路下一页返回上一页退出章目录4.编程器编程器是PLC重要的外部设备，用于手持编程。利用编程器可输入、检查、修改、调试用户程序或在线监视PLC工作状况。除手持编程器外，目前，使用较多的是利用通信电缆将PLC和计算机联接，并利用专用的工具软件进行编程或监控。6.外部设备接口I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数扩展单元与基本单元(即主机)联接在一起。5.输入输出扩展接口此接口可将编程器、打印机、条形码扫描仪等外部设备与主机相连。下一页返回上一页退出章目录11.1.2可编程控制器的工作方式PLC采用“顺序扫描、不断循环”的方式进行工作。其工作过程分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，并进行周期循环。输入端子输入锁存器输入状态寄存器输出锁存器输出状态寄存器输出端子程序执行读读写输入采样程序执行输出刷新一个扫描周期一条指令所需时间一般不超过100ms。下一页返回上一页退出章目录1.输入采样阶段PLC在输入采样阶段，以扫描方式顺序读入所有输入端的通/断状态或输入数据，并将此状态存入输入状态寄存器，即输入刷新。接着转入程序执行阶段。在程序执行期间，即使输入状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入。2.程序执行阶段PLC在执行阶段，按先左后右，先上后下的步序,执行程序指令。其过程如下：从输入状态寄存器和其它元件状态寄存器中读出有关元件的通/断状态,并根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关的状态寄存器中。下一页返回上一页退出章目录3.输出刷新阶段在所有指令执行完毕后，将各物理继电器对应的输出状态寄存器的通/断状态,在输出刷新阶段转存到输出寄存器,去控制各物理继电器的通/断,这才是PLC的实际输出。由PLC的工作过程可见,在PLC的程序执行阶段,即使输入发生了变化，输入状态寄存器的内容也不会立即改变，要等到下一个周期输入处理阶段才能改变。暂存在输出状态寄存器中的输出信号，等到一个循环周期结束，CPU集中将这些输出信号全部输出给输出锁存器，这才成为实际的CPU输出。因此全部输入、输出状态的改变就需要一个扫描周期，换言之，输入、输出的状态保持一个扫描周期。下一页返回上一页退出章目录11.1.3可编程控制器的主要技术性能1.I/O点数指PLC外部输入和输出端子数。通常小型机有几十点，中型机有几百个点，而大型机超过千点。2.用户程序存储容量用来衡量PLC所能存储用户程序的多少。在PLC中，程序指令按“步”存储,一“步”占用一个地址单元,一条指令有的往往不止一“步”。一个地址单元一般占两个字节。3.扫描速度指扫描1000步用户程序所需的时间，以ms/千步为单位。有时也用扫描一步指令的时间计,如s/步。下一页返回上一页退出章目录4.指令系统条数PLC具有基本指令和高级指令，指令的种类和数量越多，其软件功能越强。5.编程元件的种类和数量编程元件是指输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、通用“字”寄存器、数据寄存器及特殊功能继电器等，其种类和数量的多少是衡量PLC硬件功能强弱的一个指标。PLC内部“继电器”是存储器的存储单元。当写入该单元逻辑状态为“1”时，则表示相应继电器的线圈接通，其动合触点闭合，动断触点断开。所以PLC内部这些继电器称为“软”继电器。下一页返回上一页退出章目录FP1-C24可编程控制器编程元件的编号范围与功能说明元件名称代表字母编号范围功能说明输入继电器输出继电器辅助继电器通用“字”寄存器计数器定时器XYRTCWRX0XF共16点接收外部输入的信号输出程序执行结果给外部输出设备在程序内部使用，不能提供外部输出延时定时继电器，其触点在程序内部使用减法计数继电器，其触点在程序内部使用每个WR由相应的16个辅助继电器R构成Y0Y7共8点R0R62F共1008点T0T99共100点C100C143共44点WR0WR62共63个元件名称代表字母编号范围功能说明输入继电器输出继电器辅助继电器通用“字”寄存器计数器定时器XYRTCWRX0XF共16点接收外部输入的信号输出程序执行结果给外部输出设备在程序内部使用，不能提供外部输出延时定时继电器，其触点在程序内部使用减法计数继电器，其触点在程序内部使用每个WR由相应的16个辅助继电器R构成Y0Y7共8点R0R62F共1008点T0T99共100点C100C143共44点WR0WR62共63个下一页返回上一页退出章目录11.1.4可编程控制器的主要功能和特点1.主要功能(1)开关逻辑控制用PLC取代传统的继电接触器进行逻辑控制。(3)步进控制(4)数据处理(2)定时/计数控制用PLC的定时/计数指令来实现定时和计数控制。用步进指令实现一道工序完成后，再进行下一道工序操作的控制。能进行数据传输、比较、移位数字/转换、算术运算和逻辑运算等操作。下一页返回上一页退出章目录(5)过程控制(6)运动控制(7)通信联网(8)监控(9)数字量与模拟量的转换可实现对温度、压力、速度、流量等非电量参数进行自动调节通过高速计数模块和位置控制模块进行单轴或多轴控制。如用于数控机床、机器人等控制。通过PLC之间的联网及与计算机的联接，实现远程控制或数据交换。能监视系统各部分的运行情况,并能在线修改控制程序和设定值。能进行A/D和D/A转换，以适应对模拟量的控制。下一页返回上一页退出章目录2.主要特点(1)可靠性高，抗干扰能力强。由于采用大规模集成电路和计算机技术，对电源进行屏蔽，对I/O接口采取光电耦合；在软件方面定期进行系统状态及故障检测。而这些都是继电接触器控制系统不具备的。(2)编程简单，使用方便。(3)通用性好，具有在线修改能力。PLC硬件采用模块化结构，可以灵活地组态以适应不同的控制对象，控制规模和控制功能的要求。且可通过修改软件，来实现在线修改的能力，因此其功能易于扩展，具有广泛的工业通用性。下一页返回上一页退出章目录(4)缩短设计、施工、投产的周期,维护容量。目前PLC产品朝着系列化、标准化方向发展，只需根据控制系统的要求，选用相应的模块进行组合设计，同时用软件编程代替了继电控制的硬连线，大大减轻了接线工作，同时PLC还具有故障检测和显示功能，使故障处理时间缩短。(5)体积小，易于实现机电一体化。下一页返回上一页退出章目录11.2可编程控制器的程序编制6.2.1可编程控制器的编程语言可编程控制器的程序有系统程序和用户程序两种。系统程序用户不能修改。用户程序是用户根据控制要求，利用PLC厂家提供的程序编制语言编写的应用程序。PLC的编程语言以梯形图语言和指令语句表语言最为常用，并且两者常常联合使用。1.梯形图是在继电控制系统电气原理图基础上开发出来的一种图形语言。它继承了继电器触点、线圈、串联、并联等术语和符号，根据控制要求联接而成的表示PLC输入和输出之间逻辑关系的图形。下一页返回上一页退出章目录1.梯形图编程元件的种类用图形符号及字母或数字加以区别。梯形图中用表示PLC编程元件的动合触点表动断触点表线圈例:用PLC组成电机起停控制电路(1)继电接触控制图(2)利用梯形图编制控制程序KM12SB1SB2KMKM12SB1SB2KM(ED)X2X1Y1Y1动合触点输出继电器线圈动合触点PLC输入继电器动断触点(ED)X2X1Y1Y1动合触点输出继电器线圈动合触点PLC输入继电器动断触点下一页返回上一页退出章目录(1)梯形图中的继电器不是物理继电器，是PLC存储器的一个存储单元。当写入该单元的逻辑状态为“1”时，则表示相应继电器的线圈接通，其动合触点闭合，动断触点断开。几点说明(2)梯形图按从左到右、自上而下的顺序排列。每一逻辑行(或称梯级)起始于左母线，然后是触点的串、并联连接，最后是线圈与右母线相联。(3)梯形图中每个梯级流过的不是物理电流，而是“概念电流”，从左流向右，其两端没有电源。这个“概念电流”只是用来形象地描述用户程序执行中满足线圈接通的条件。下一页返回上一页退出章目录(4)输入继电器用于接收外部输入信号，而不能由PLC内部其他继电器的触点来驱动。因此，梯形图中只出现输入继电器的触点，而不出现其线圈。输出继电器输出程序执行结果给外部输出设备。当梯形图中的输出继电器线圈接通时，就有信号输出，但不是直接驱动输出设备，而要通过输出接口的继电器、晶体管或晶闸管才能实现。输出继电器的触点也可供内部编程使用。2.指令语句表指令语句表是一种用指令助记符来编制PLC程序的语言，它类似于计算机的汇编语言，但比汇编语言容易理解。若干