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课题一:可编程控制器的概述(一)【教学目的】:1、什么是可编程序控制器2、PLC的产生与发展3、可编程控制器的特点4、可编程控制器的应用【教学重点】:什么是可编程序控制器【教学难点】:可编程控制器的特点【课型】:新授课【课时】:2课时【讲授内容】:一、什么是可编程序控制器1、什么是可编程序控制器？可编程序控制器（ProgrammableController）简称（PLC），是在继电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。它具有结构简单、可靠性高、通用性强、易于编程、使用方便等优点。2、定义：国际电工委员会（IEC）于1987年颁布了可编程控制器标准草案第三稿。在草案中对可编程控制器定义如下：“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，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，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围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。注：近年来，可编程控制器发展很快，几乎每年都推出不少新系列产品，其功能已超出了上述定义的范围。二、PLC的产生与发展1、PLC的产生1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司（GM）的要求研制成第一台可编程序控制器。发展极为迅速。产生背景：1）继电控制系统的缺点：通用性和灵活性差、可靠性低。继电器控制系统体积大、耗电多、可靠性低、接线复杂、不易更改、查找和排除故障困难，对生产工艺变化的适应性差，但简单易懂、价格便宜2）1968年，美国通用汽车公司（GM公司）为适应汽车型号不断翻新（小批量、多品种、多规格、低成本和高质量），提出要用一种新型的控制装置取代继电—接触器控制装置。拟订了十项公开招标的技术要求：①编程方便，可现场修改程序；②维修方便，采用插件式结构；③可靠性高于继电器控制装置；④体积小于继电器控制盘；⑤数据可直接送入管理计算机；⑥成本可与继电器控制盘竞争；⑦输入可为市电；⑧输出可为市电，容量要求在2A以光上，可直接驱动接触器等；⑨扩展时原系统改变最少；⑩用户存储器大于4KB。2、可编程序控制器的发展1)70年代初期：可编程序控制器仅具有逻辑运算、定时、计数等一些功能，因此称为可编程序逻辑控制器，简称PLC。2）70年代中期：70年代后随着电子技术和计算机技术的发展，微处理技术应用，PLC还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。3）80年代以后：随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。PLC不仅控制功能增强，可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能。4）近年来PLC发展迅速具备了计算机功能的一种通用工业控制装置，成为现代工业自动化的三大技术支柱（PLC技术、机器人、CAD/CAM）之一。3、PLC的主要生产厂家欧洲：西门子（Siemens）；法国的TE（Telemecanique）公司美国：A-B（Allen-Bradly）、GE（GeneralElectric）公司日本：三菱电机（MitsubishiElectric）、欧姆龙（OMRON）、FUJI注：日本主要发展中小型PLC，其小型机性能先进，结构紧凑，价格便宜。三、可编程控制器的特点PLC是综合继电—接触器控制技术和计算机控制技术而开发的，是以微处理器为核心，集计算机技术、自动控制技术、通信技术于一体的控制装置，PLC具有其他控制器无法比拟的特点：1、可靠性高，抗干扰能力强。PLC是专门为工业环境下应用而设计的，在硬件和软件上都采用了以下可抗干扰措施：（1）硬件措施1）屏蔽：对PLC的电源变压器、内部CPU的主要的部件采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，防止外界的电磁干扰。2）滤波：对供电电源及I/O线路采用多中形式的滤波，以消除、抑制高频干扰。3）隔离：I/O线路采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源的影响；4）模块化结构：便于系统修复，减少停机时间。（2）软件措施1）采用扫描工作方式：减少了外界的干扰；2）设有故障检测和自诊断程序：能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；当由干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。3）设置警戒时钟WDT：PLC程序循环执行时间超过WDT规定的时间，预示程序出错，立即进行报警。4）对程序进行检查和检验。采取以上的抗干扰措施，一般PLC的平均无故障时间可达几十万小时以上。2、编程简单，使用方便PLC编程语言：梯形图、指令语句、功能图。大多数PLC采用梯形图的编程语言。梯形图与电器控制线路图相似，具有形象、直观、易学的特点。当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活。同时，PLC编程器的操作和使用也很简单。这也是PLC获得普及和推广的主要原因之一。许多PLC还针对具体问题，设计了各种专用编程指令及编程方法，进一步简化编程。3、功能完善、通用性强现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID控制、通信联网以等许多功能。PLC产品已系列化、模块化，品种齐全的各种硬件装置可供用户选用和组成满足各种要求的控制系统。4、设设计计安安装装简简单单、、维维护护方方便便PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件，使得控制柜的设计、安装的接线工作量大为减少。PLC的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。在维修方面，由于PLC的故障率极低，维修工作量很小；而且PLC具很强的自诊断功能，如果出现故障，可根据PLC上指示或编程器上提供的故障信息，迅速查明原因，维修极为方便。5、体体积积小小、、重重量量轻轻、、能能耗耗低低由于PLC采用了集成电路，其结构紧凑、体积小、能耗低。四、可编程控制器的应用PLC具有体积小、可靠性高、功能强、程序设计方便、通用性强、维护方便等优点，在各个行业中有着广泛的应用，以成为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）。1、逻辑控制利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能可实现对机床、自动生产线、电梯等的扩展。2、位置控制较高档次的PLC具有单轴或多轴位置控制模块，可实现对步进电动机或伺服电动机的速度和加速度的控制，确保运行平滑。3、过程控制PLC的模拟量输入输出和PID控制，可构成闭环控制系统，可应用于冶金、化工等行业4、监控系统PLC能记忆某些异常情况，并可进行数据采集。操作人员还可利用监控命令进行生产过程的监控，及时调整相关参数。5、集散控制PLC与PLC，PLC与上位机之间的联网，可构成工厂自动化网络系统。课题二:可编程控制器的概述(二)【教学目的】:1、掌握可编程控制器的硬件结构2、了解可编程序控制器的软件组成【教学重点】:可编程控制器的硬件结构【教学难点】:理解可编程控制器的硬件结构各部分的作用【课型】:新授课【课时】:2课时【讲授内容】可编程控制器的组成可编程控制器由CPU、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、I/O扩展接口、电源和编程器等组成。一、PLC的硬件结构PLC是一种工控计算机，与计算机的组成十分相似，但具有更强的与工业过程相连接的接口。其结构框图如下：（一）CPUCPU是整个PLC系统的核心，指挥PLC有条不紊地进行各种工作。1、CPU类型：1）通用微处理器（8080、8086、80286、80386等）2）单片机（8031、8096等）3）位片式微处理器（AM2900、AM2901、AM2903等）小型PLC：单CPU系统。中、大型PLC：双CPU系统（字处理器、位处理器）2、CPU的作用：CPU是PLC系统的核心，其主要作用：1）接收并存储用户程序和数据。2）检查、校验用户程序。对正在输入的用户程序进行检查，发现语法错误立即报警，并停止输入；在程序运行过程中若发现错误，则立即报警或停止程序的执行。3）接收现场的状态或数据并存储。将接收到现场输入的数据保存起来，在需要改数据的时候将其调出、并送到需要该数据的地方。4）PLC进入运行后，执行用户程序，存储执行结果，并将执行结果输出。当PLC进入运行状态，CPU根据用户程序存放的先后顺序，逐条读取、解释和执行程序，完成用户程序中规定的各种操作，并将程序执行的结果送至输出端口，以驱动可编程控制器的外部负载。5）诊断电源、PLC内部电路的工作故障。诊断电源、可编程控制器内部电路的故障，根据故障或错误的类型，通过显示器显示出相应的信息，以提示用户及时排除故障或纠正错误。（二）存储器1、存储器为记忆性部件。2、PLC存储器的分类PLC的存储器可以分为：系统程序存储器、用户程序存储器、工作数据存储器。1）系统程序存储器存放由可编程控制器生产厂家编写的系统监控程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。2）用户程序存储器根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序。小型的PLC的存储容量一般在8K字节以下。（三）输入/输出接口单元输入/输出单元：PLC与被控对象之间传送输入输出信号的接口部件，输入/输出单元有良好的电隔离和滤波功能。1、II//OO单单元元的的作作用用：：1）电平转换功能：由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平2）光电隔离和滤波功能：以提高PLC的抗干扰能力3）状态指示：工作状况直观，便于维护2、开关量输入/输出接口1）开关量输入接口开关量输入器件：按钮、选择开关、数字拨码开关、行程开关、接近开关、光电开关、继电器触点等。作用：现场的数字（开关）量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号。分类：按可接纳的外部信号电源的类型不同分为直流输入接口单元和交流输入接口单元。如图1、图2、图3所示。一般单元式PLC中输入接口单元都使用可编程本机的直流电源供电，不再需要外接电源。2）开关量输出接口开关量输出器件：接触器线圈、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备。作用：将PLC内部的标准信号转换成现场执行机构所需的开关量信号。开关量输出接口类型：（1）继电器输出（电磁隔离）说明：用于交流、直流负载，但接通断开的频率低。（2）晶体管输出（光电隔离）说明：有较高的接通断开频率，用于直流负载。（3）晶闸管输出（光触发型进行电气隔离）说明：仅适用于交流负载。图1直流输入接口单元电路图2交/直流输入接口单元电路图3交流输入电路路说明：a）输出电路的负载电源由外部提供。b）负载电流一般不超过2A。使用中，输出电流额定值与负载性质有关系。3）输出端子的接线方式输出端子有两种接线方式：a)输出各自独立（无公共点）b)每4～8个输出点构成一组，公用一个公共点。注：1）输出公用一个公共点时，同组用同一电压类型和等级，不同组之间可以用不同类型和等的电压。2）PLC的输入接口个数和输出接口个数之和称为PLC的点数。3、模拟量输入/输出接口1）模拟量输入接口作用：将现场的模拟量标准信号转换成PLC内部处理的的信号。模拟量输入接口接受标准模拟信号，标准模拟信号可以是电压信号或电流信号。标准信号：符合国际标准的通用交互用电压电流信号值，如4～20mA的直流电流信号，1～10V的直流电压信号等。工业现场中模拟量信号的变化范围一般是不标准的，在送入模拟量接口时一般都需经变送处理才能使用，模拟量输入接口的内部电路框图：模拟量信号输入后一般经运算放大器放大后进行A/D转换，再经光电耦合后转换为PLC能识别数字量信号。图4模拟量输入电路框图开关量输出电路PLC输入/输出接口等效电路图2）模拟量输出接口作用：将PLC运算处理后的数字量信号转换模拟量信号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需求。组成：光电隔离、D/A转换和信号驱动等。其原理框图：模拟量