可编程控制器原理及应用

可编程控制器原理及应用PC：ProgrammableControllerPLC：ProgrammableLogicController2课程安排第一章概述由来；特点；应用状况位及发展趋势第二章PC(PLC)硬件构成工作原理；构成；结构特点；技术指标第三章PC(PLC)软件梯形图；指令第四章PC应用系统设计及实例3第一章概述1.1PC(PLC)发展及现状1.2可编程控制器的定义及特点41.1PC(PLC)发展及现状1.1.1由来1.1.2出现及发展1.1.3系列化、标准化、规模化、网络化51.1PC(PLC)发展及现状1.1.1由来20世纪60年代来自控制装置产品结构：由大批量少品种——小批量多品种；生产线的控制系统：继电器控制系统特点：体积大、可靠性低、耗电多、更改难。6l美国通用汽车公司GM招标——十项要求1)计算机取代继电器逻辑控制体积小于继电器控制盘；可靠性高于继电器控制盘；数据可直接送入计算机；成本可与继电器控制盘竞争；用户存储器容量大于4K2)程序代替硬件接线编程方便，现场可修改程序；73)输入/输出电平直接与外部装置接口输入可为市电；输出可为市电，要求2安培以上，可直接驱动电磁阀、接触器；4)结构易于扩展维修方便，采用插件式结构；扩展时原系统变更最小；满足上述四方面十项要求的控制装置在当时是先进的；现在的可编程控制器的性能已远远超出上述要求。81.1.2出现及发展l出现*1969年美国数字设备公司DEC研制成功第一台PLC用于通用汽车公司生产线,开创了PLC新纪元。*1971年日本*1973年欧洲*1974年中国91.1.3系列化、标准化、规模化、网络化1)系列化：大、中、小、微型系列2)标准化：*国际电工委员会IEC*IEC61131可编程控制器-1992年开始制定标准—1总论—2装置要求与试验—3编程语言—4用户指南—5技术条件3)规模化——自动控制领域中销量最大4)网络化——串行、并行、以太网现场总线101.2可编程控制器的定义及特点1.2.1定义l“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等面向用户的操作指令，并通过数字式或模拟式的输入/输入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。”——IEC，1985年可编程控制器标准草案IEC61131-11992。11可编程控制器是：l一种计算机，“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统”；l工业控制计算机，“专为在工业环境下应用而设计”；l蓝领计算机，“面向用户的操作指令”。12l发展1）20世纪70年代中期——实用化*8位微处理器，8位单片机*数值运算*速度加快，规模扩大*与计算机网络接口——PLC集散控制2）20世纪70年代末期——成熟*16位微处理器，8/16位单片机，协处理器*系列化*分布网络*梯形图语言*外部设备（编程器、通信接口….）3）20世纪80年代中末期——广泛应用131.2.2特点1）高可靠性，强抗干扰性*影响可靠性因素外因：电磁、辐射干扰。I/0、电源线干扰，环境（湿度、温度、粉尘、振动、冲击）内因：器件失效、老化，存储器信息丢失、错误，程序分支错误。14*PLC的措施硬件：全部I/0光隔模拟/数字滤波电磁屏蔽开关电源元器件筛选、老化、环境试验软件：Watchdog自检操作系统在线监控设计、生产专业人员设计规模化生产——严格工艺质量保证152）编程简单，使用方便，适用性强*梯形图接近实际电路图——蓝领计算机*编程集中于设计思想，编程只是一个简单的手段*现场调试、维护、扩展方便3）适用于工业等运行现场环境温度、温度、振动、干扰….164)与其它装置接口方便*接口种类：数字I/0、模拟I/0各种通信接口（RS232、RS422、RS485以太网，现场总线）*模块系列化、标准化、通用化*接口符合国际标准*特殊接口：数显、触摸屏、声音、打印、位置控制….△自动控制产品选用15个因素排序可靠性、性能、维护、工作环境、使用方便、使用效果、编程方便与原有设备兼容，扩展能力、诊断、接口容量、价格、特殊性能、联网能力运算速度△单片机、STD总线、PLC——几个里程碑。数控、工业机器人、PLC——机械工业自动化三大支柱新一代工人的蓝领计算机计算机技术，自动控制技术，通信技术完善结合。17第二章可编程控制器硬件构成2.0基于计算机的控制系统2.1可编程控制器的构成及原理2.2PC分类及主要系列简介2.3CPU单元（模块）2.4开关量输入/输出2.5特殊模块2.6通信系统2.7编程设备2.8微型PLCFX02.9FX2n特殊模块2.10FX2N硬件配置182.0基于计算机的控制系统2.0.1微型计算机工作原理2.0.2基于微机的应用系统2.0.3微机控制系统的难点192.0.1微型计算机工作原理冯·诺依曼原理：以电子器件为硬件基础；以二进制编码为软件基础；程序存储原理；程序控制原理。l什么是指令？l指令和程序是如何自动执行的？201）指令指令是规定机器完成某一操作的约定代码。即：事先约定一种机器能够识别的代码描述形式，规定某个具体代码对应机器的某种具体操作。那么，任何时候，给机器一个指令代码，机器将完成代码所约定的操作。电子线路的实现：加法电路可控加法电路加法减法电路可控减法电路集成为减法可控左移位电路左移可控右移位电路右移……21若约定控制线为高电平(1)时，选中集成电路中相应的功能电路，那么有：1000……电路将执行加法运算；0100……电路将执行减法运算；0010……电路将执行左移位运算；0001……电路将执行右移位运算；……上述01代码即是指令。注意：原理理解与工程技术的差别，实际芯片尚需考虑更多的细节，如：考虑电路的合并、译码策略、执行时序等；商用CPU中为什么只有少数几个寄存器（特别是累加器）具有丰富的操作功能。222）指令程序的自动执行CPU自动执行程序（一定顺序的若干条指令的集合）的关键在于CPU内部的程序计数器（PC,ProgramCounter）。程序记数器的计数值作为CPU从存储器中取指令的依据，即：程序计数器的计数值标识CPU将要执行指令所在存储器单元的地址。程序计数器有两个功能：能够被赋予初始值，即计数起点可以设定；一条指令执行完后，在内部时序电路的控制下程序计数器的数字加1。通过对程序记数器的控制，可以让CPU完成程序的顺序执行，可以根据需要完成各种分支、跳转、调用。一般来说，对程序计数器的控制是CPU制造商预先规定的，如：CPU上电或复位，程序计数器清0；中断入口有固定入口和矢量方式；子程序调用、跳转指令等。232.0.2基于微机的应用系统1)微机系统的原理构成CPUDB/AB/CBRAM/ROM微机I/O口微机系统I/O设备242)调速系统（调速器部分）l硬件I/O口：A/D，D/A，开关量输入/输出……l软件及其运行方式主控程序以一定周期运行；扫描输入：键盘/按钮、开关位置、模拟量(频率/接力器行程/导叶开度等)采集；控制策略：根据当前状况计算控制量；输出：D/A转换（接力器行程指令）、工作状态的显示。频率采样程序则以中断方式运行。253)单板机l硬件I/O口：开关量输入/输出。。。。。。l软件及其运行方式主控程序以一定周期运行；扫描输入：键盘/按钮控制策略：根据当前状况及键盘/按钮状态进行相应操作编辑指令、运行程序、等待等；输出：工作状态的显示。复位程序则以中断方式运行。异同点：所有系统均包含微机的核心部分，硬件上差异在I/O部分；程序运行框架大同小异，一般以定时方式启动，完成输入/处理/输出。262.0.3微机控制系统的难点1）系统开发的快捷2）保证系统的可靠运行硬件缺点：很难形成工业化生产，线路设计没有优化，元器件没有严格筛选，抗干扰措施不够。软件缺点：没有统一标准，技术文档缺失，缺乏后续改进和维护。3）系统维护的简便系统维护人员需要有对计算机硬件和软件有深入详细的掌握。272.1可编程控制器的构成及原理2.1.1PC(PLC)硬件框图编程器编程接口扩展接口输出接口电源、后备电池通信接口输入接口智能接口CPU模块ROM、RAM28*CPU模块：CPU操作系统、用户程序存储器总结控制、计数器、定时器、继电器*数字开关量输入/输出（I/0）*模拟量*通信：人——机、机——机*智能I/0：自带CPU、独立工作（模拟、定位、声音、通信、PIC）*扩展I/0：*编程292.1.2原理自检输入处理执行用户程序输出处理特殊处理顺序执行？定时到?302.2PC分类及主要系列简介2.2.1PC分类1)按规模分类31性能机型微型小型中型大型CPU单CPU8/16位单CPU8/16位双CPU16/32多CPU16/32I/0量〈80点356点256~2048点2048点速度20~50ms/k字10~20ms/k字5~10ms/k字1~3ms/k字存储量1k字8k字8~64k字64k字指令少多多多编程语言梯形图、流程图、功能块图、高级语言特殊模块A/D、D/A、通信A/D、D/A、定位、通信、触摸屏A/D、D/A、通信、定位、触摸屏A/D、D/A、通信、定位、触摸屏、声音322）按结构分类*单元型（整体型）….微型硬件（CPU、I/0、电源）一体，可扩展简单*模块型——大、中型模块化、标准化灵活、扩展组合方便*混合型——小型基本单元、扩展单元+扩展模块兼具以上两种优点332.2.2PC主要生产厂家1德国西门子（SIEMENS）SIMATICS7—200，S7—300，S7—4002美国GEGE90—20，GE90—303美国A-B（ALLEN—BRADLEY）PLC-5/XX（10、12、15、25、40、60、250）SLC4施耐德公司（SCHNE1DER）ModiconTSXMICRO,ModiconTSX9845日本欧姆龙（OMRON）SYSMACCVMI/CVCLOOH,C200HX/HG/HE,CQM1/CV346日本三菱（MITSUBISHI）电气公司FX0S，FX0N，FX2n,AnS,MELSEC-Q,FX1N,FX1Z,FX2NC7罗克威尔（ROCKWELL）公司SLC500，Micrologix10008日本松下（Natiomal）公司FP39日本光洋（KOYO）公司SG-810日本富士（FUJ1）公司FLEX-PC11日本东芝（TOSH1BA）公司EX100352.3CPU单元（模块）2.3.1微处理器（CPU）1处理器——总线控制、自诊断、输入/输出、字节指令、计数/定时2位处理器——位指令、语言转换（梯形图——机器语言）3协处理器——运算、超越，2.3.2存储器——ROMRAM备用得电池E2PROM362.3.3操作、显示——运行、停机——电源、后备电池，CPU出错2.3.4编程器接口——RS232C，RS422372.4开关量输入/输出2.4.1开关量输入模块2.4.2开关量输出模块382.4.1开关量输入模块1直流输入模块——源入（source）漏入（sink）①源入：电流由输入点流入。39COM(7~10)mA1.3K2.5K2CW52100F+5V(12/24W)40②漏入：电流由输入点流出。COM+5V12/24V(7~10)mA41*限流：不同PC输入电流（7-10）mA。*滤波*过压保护*光电隔离*输入显示*电源可由外接，也可由PC提供422交流输入模块*滤波*电流*光隔*电源一般由外部供给*输入显示43~220V15mA56K2400.1F20K1000p442.4.2开关量输出模块1直流输出模块①继电器输出模块*光电隔离*电接点输出*接点间并压敏电阻*输出显示4546②源出：电流由输出点流出。COM负载+5V(12/24V)0.1A0.5A2.0A47③漏出：电流由输出点流入。COM负载+5V(12/24V)0.1A0.5A2.0