第02章PLC机电控制系统应用设计技术(第2版)电子教案10387

[e-mail]机电控制系统应用设计技术（第2版）第2章可编程控制器基础知识[e-mail]机电控制系统设计与应用技术知识点：PLC的基本组成PLC的工作原理PLC的分类、特点和发展趋势西门子PLC的简单介绍本章导读：可编程控制器（ProgrammableLogicController,PLC）是以计算机技术、通信技术、微电子技术和继电器控制技术为基础而发展起来的一种新型技术。它广泛应用于机械制造、冶金工业、化工、电力、交通、采矿、建材、轻工、环保、食品等各行各业。本章主要对PLC的基本组成、工作原理、特点和发展应用，以及西门子公司的PLC作简单介绍。[e-mail]机电控制系统设计与应用技术2.1PLC的基本组成2.1.1PLC的硬件组成PLC一般由CPU（中央处理器）、存储器、输入/输出模块、电源、各种智能模块以及外围设备组成。按钮继电器触点行程开关......编程器或其他设备CPU存储器电源输入单元输出单元接触器电磁阀指示灯PLC的硬件组成[e-mail]机电控制系统设计与应用技术2.1.2PLC的软件组成PLC的软件主要包括系统软件和用户程序。1.系统软件系统软件由PLC制造商固化在机内，用于控制PLC的运作。系统软件主要包括三部分：系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序模块及系统调用。2.用户程序用户程序即应用程序，是针对具体控制对象所编制的程序。程序既可以由编程器方便地送入到PLC内部的存储器中，也能方便的通过编程器读出、检查与修改。[e-mail]机电控制系统设计与应用技术2.2PLC的定义及工作原理2.2.1PLC的定义1987年2月颁布了第三稿。该草案通过了PLC的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备都按照易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。”[e-mail]机电控制系统设计与应用技术2.2.2PLC的工作原理输入设备（按钮、行程开关、限位开关、传感器）程序存贮器输出设备（接触器、电磁阀）被控机械或生产过程PLC控制系统原理1.PLC扫描周期的三个阶段PLC的扫描工作主要分为三个阶段：输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。[e-mail]机电控制系统设计与应用技术输入端子输入映像寄存器用户程序元件映像寄存器输出锁存器输出端子输入采样阶段程序执行阶段输出刷新阶段一个扫描周期PLC的扫描工作过程[e-mail]机电控制系统设计与应用技术电源ON内部处理输入处理通信服务更新时钟、特殊寄存器CPU运行方式执行程序输出处理执行自诊断PLC是否正常存放自诊断错误结果致命错误CPU强制为STOPSTOPYNNYPLC执行程序过程示意图输入采样阶段：在输入采样阶段，PLC扫描所有输入端子并且把所有输入端的信号状态存入对应的输入元件映像寄存器，即刷新输入信号的原有状态。然后进入程序执行阶段。在之后的两个阶段输入元件映像寄存器的内容保持不变，直至下一个扫描周期的输入采样阶段才将输入端子的内容重新写入。程序执行阶段：PLC以先左后右、先上后下的步序逐句扫描用户程序，根据PLC上周期输出信号的状态以及本周期输入信号的状态，进行相应的运算，再将运算结果存入元件映像寄存器中。在该阶段除了具体执行程序外，还要执行监视操作。PLC中一般设置有监视定时器（WatchdogTimer,WDT），即“看门狗”，用来监视程序执行是否正常。每次执行程序前复位WDT并开始计时。正常时，扫描执行一遍用户程序时所需时间不会超过某一定值。当程序执行过程中扫描失控或者进入死循环时，则WDT会发出超时复位信号，使程序重新开始执行。输出刷新阶段：在输出刷新阶段，将输出缓冲区各输出点的状态通过输出接口电路全部送到PLC的输出端子，继而驱动外部负载。[e-mail]机电控制系统设计与应用技术2.关于PLC工作原理的几点说明PLC以循环扫描的方式工作，输入/输出的逻辑关系上存在滞后现象。扫描周期越长，滞后现象就越严重。输入映像寄存器的数据取决于各输入点在上一个刷新期间的通/断状态。程序如何执行取决于用户所编程序和输入/输出映像寄存器的内容及各元件映像寄存器的内容。除了执行用户程序所占用的时间外，扫描周期还包括管理操作所占用的时间。前者与程序的长短及所用指令有关，后者基本不变。输出映像寄存器的数据，取决于输出指令的执行结果。输出锁存器中的数据，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器的内容决定。输出锁存器决定输出端子的通/断状态。输入/输出响应的滞后不仅与扫描方式和硬件电路的延时有关，还与程序设计的指令有关。[e-mail]机电控制系统设计与应用技术2.3PLC的特点及发展趋势2.3.1PLC的特点1.可靠性高，抗干扰能力强2.编程简单易学3.功能强，性价比高4.系统的设计、安装、调试工作量少5.维修工作量小，维修方便6.接口模块丰富，用户使用方便，适应性强7.体积小，能耗低[e-mail]机电控制系统设计与应用技术2.3.2PLC的分类1.根据I/O点数分类I/O点数决定了PLC的I/O端子数。根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型3类。2.根据结构分类从结构形式上分，PLC可以分为整体式和模块式两类。3．根据生产厂家分类PLC的生产厂家很多，各个厂家的产品在I/O点数、容量、功能等方面都有区别，因此选择PLC应选择同一系列的产品。目前使用较多的PLC有西门子公司的S7系列、三菱公司的FX系列以及欧姆龙和松下等公司的产品。[e-mail]机电控制系统设计与应用技术2.3.3PLC的发展趋势1.可编程控制器的产生及发展1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台可编程控制器PDP-14。可编程控制器的发展大致分为三个阶段：1）早期的PLC（20世纪60年代末—20世纪70年代中期）2）中期的PLC（20世纪70年代中期—20世纪80年代中后期）3）近期的PLC（20世纪80年代中后期至今）[e-mail]机电控制系统设计与应用技术2.可编程控制器的发展趋势1）向高性能、高速度、大容量发展2）大力发展微型可编程控制器，不断增强微型可编程控制器的功能3）可编程序控制器编程语言的标准化与多样化4）可编程控制器与其他工业控制产品相互融合5）可编程序控制器与现场总线相结合6）大力开发智能型I/O模块7）增强通信联网能力8）增强外部故障的检测与处理能力[e-mail]机电控制系统设计与应用技术2.3.4PLC的应用1.开关量逻辑控制2.运动控制3.闭环过程控制4.数据处理5.通信联网6.机器人控制[e-mail]机电控制系统设计与应用技术2.4PLC的功能与性能2.4.1PLC的主要功能1.逻辑控制2.定时控制3.计数控制4.顺序控制5.模拟量处理与PID控制6.数据处理7.通信和联网功能[e-mail]机电控制系统设计与应用技术2.4.2PLC的性能指标1.I/O点数2.处理速度3.存储器容量4.定时器/计数器的点数和精度5.可扩展能力6.处理数据的范围7.指令种类及条数8.智能模块的种类和功能9.内部元件的种类与数量[e-mail]机电控制系统设计与应用技术2.5西门子PLC简介2.5.1S7-200系列PLC简介S7-200系列PLC是一种小型PLC系统，具有极高的性价比，它广泛的应用于各行各业的检测、监测以及自动化控制中，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等相关的控制领域。S7-200系列PLC具有功能强大、使用方便等优点，它既可以独立运行实现复杂的控制功能，也可以组成PLC控制网络实现更为复杂的自动化控制。2.5.2S7-300系列PLC简介S7-300系列PLC是一种模块化的中型PLC，与S7-200系列PLC相比具有更强的扩展能力。它广泛的应用于各种工业控制领域，由于其自身的高电磁兼容性、高抗振能力等特性，它具有极高的工业环境适应性。[e-mail]机电控制系统设计与应用技术2.5.3S7-400系列PLC简介S7-400系列PLC是一种中、高档的可编程序控制器。它具有坚固耐用、扩展方便、无风扇设计、通信能力强等特点，广泛的应用于自动化工业、机械工程、仓储业、建筑系统自动化、钢铁工业、发电和配电、造纸和印刷业、木材加工业、纺织品生产、医药业、食品和饮料加工、工艺工程等多种领域中，是中、高档性能控制领域中首选的解决方案。2.6其他常用PLC简介2.6.1三菱公司的PLC三菱公司的PLC是较早进入中国市场的产品，三菱公司的PLC主要有F系列、F1/F2系列和FX系列。[e-mail]机电控制系统设计与应用技术2.6.2欧姆龙公司的PLC欧姆龙（OMRON）公司的PLC产品性价比高，大、中、小、微型规格齐全，其主要应用于机械加工、自动化制造、材料处理和过程控制等领域。2.6.3A-B公司的PLCA-B公司是美国著名PLC生产厂商，其产品功能强大、种类丰富，该公司的主力机型是PLC—5系列。PLC—5系列采用了模块式结构，其中PLC—5/10、PLC—5/12、PLC—5/15、PLC—5/25为中型PLC，I/O点配置范围为256～1024点；PLC—5/11、PLC—5/20、PLC—5/30、PLC—5/40、PLC—5/60、PLC—5/40L、PLC—5/60L为大型PLC，I/O点最多可配置到3072点。A-B公司的小型PLC产品为SLC500系列等。