PLC電氣控制與組態(tài)設計第一章課件

1、哈爾濱理工大學周美蘭 周封 王岳宇PLC電氣控制與組態(tài)設計8/20/20221第1頁，共34頁?？删幊绦蚩刂破鲉柺烙?969年。是美國汽車制造工業(yè)激烈競爭的結果。更新汽車型號必然要求加工生產(chǎn)線改變。正是從汽車制造業(yè)開始了對傳統(tǒng)繼電器控制的挑戰(zhàn)。1968年美國General Motors公司，要求制造商為其裝配線提供一種新型的通用程序控制器，并提出10項招標指標。這就是著名的GM 10條。第一章 可編程控制器的基本知識第一節(jié) 可編程控制器的產(chǎn)生和發(fā)展一、可編程控制器的產(chǎn)生8/20/20222第2頁，共34頁。編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序；可靠性高于繼電器控制柜；體積小于繼電器控制柜；維護方便，最好

2、是插件式；可將數(shù)據(jù)直接送入管理計算機；在成本上可與繼電器控制柜競爭；輸入是交流115V；輸出為交流115V、2A以上，能直接驅動電磁閥等；在擴展時，原系統(tǒng)只需很小變更；用戶程序存貯器容量至少能擴展到4K。GM10條是可編程序控制器出現(xiàn)的直接原因：8/20/20223第3頁，共34頁。可編程控制器的發(fā)展及定義 1969年，美國數(shù)據(jù)設備公司(DEC)研制出世界上第一臺可編程控制器，并成功地應用在GM公司的生產(chǎn)線上。這一時期它主要用于順序控制，只能進行邏輯運算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC(Programmable Logic Controller)。 70年代后期，隨著微電子技術和計算機技術

3、的迅猛發(fā)展，使PLC從開關量的邏輯控制擴展到數(shù)字控制及生產(chǎn)過程控制領域，真正成為一種電子計算機工業(yè)控制裝置，故稱為可編程控制器，簡稱PC(Programmable Controller)。但由于PC容易和個人計算機 (Personal Computer)相混淆，故人們仍習慣地用PLC作為可編程控制器的縮寫。8/20/20224第4頁，共34頁。 1985年1月國際電工委員會的定義： “可編程序控制器是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機

4、械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充的原則設計”。8/20/20225第5頁，共34頁。 第二節(jié) 可編程控制器的特點及分類 PLC的主要特點可靠性高、抗干擾能力強。主要有以下幾個方面： 隔離(采用光電耦合器 )濾波 對PLC的內部電源采取了屏蔽、穩(wěn)壓、保護等措施。 設置了連鎖、環(huán)境檢測與診斷、Watchdog等電路。 利用系統(tǒng)軟件定期進行系統(tǒng)狀態(tài)、用戶程序、工作環(huán)境和故障檢測。對用戶程序及動態(tài)工作數(shù)據(jù)進行電池備份。 采用密封、防塵、抗振的外殼封裝結構。 以集成電路為基本元件，內部處理過程不依賴于機械觸點。采用循環(huán)掃描的工作方式，也提高了抗干擾

5、能力。 8/20/20226第6頁，共34頁。可實現(xiàn)三電一體 三電是指電控、電儀、電傳。根據(jù)工業(yè)自動化系統(tǒng)的分類，對于開關量的控制，即邏輯控制系統(tǒng)，繼電接觸器控制裝置，為電控裝置。對于慢的連續(xù)控制，即過程控制系統(tǒng)，采用是電動儀表控制，為電儀裝置。對于快的連續(xù)量控制，即運動控制系統(tǒng)，采用的是電傳裝置。 PLC集電控、電儀和電傳于一體。一臺控制裝置既有邏輯控制功能，又有過程控制功能，還有運動控制功能，可以方便、靈活地適應各種工業(yè)控制的需要。8/20/20227第7頁，共34頁。 3.PLC與傳統(tǒng)的繼電器邏輯相比 可靠性高、邏輯功能強、體積小。在需要大量中間繼電器、時間繼電器及計數(shù)繼電器的場合，PL

6、C 無需增加硬設備。 隨著要求的變更PLC對程序修改方便。繼電器線路要想改變控制功能，必須變更硬接線，靈活性差。 具有網(wǎng)絡通訊功能，可附加高性能模塊對模擬量進行處理，實現(xiàn)各種復雜控制功能。 8/20/20228第8頁，共34頁。 4.PLC與工業(yè)控制計算機相比 PLC繼承了繼電器系統(tǒng)的基本格式和習慣，對于有繼電器系統(tǒng)方面知識和經(jīng)驗的人來說，尤其是現(xiàn)場的技術人員，學習起來十分方便。 PLC一般是由電氣控制器的制造廠家研制生產(chǎn)，各廠家的產(chǎn)品不通用。工業(yè)控制機是由通用計算機推廣應用發(fā)展起來的，一般由微機廠、芯片及板卡制造廠開發(fā)生產(chǎn)。它在硬件結構方面的突出優(yōu)點是總線標準化程度高，產(chǎn)品兼容性強。 PLC

7、的運行方式與工業(yè)控制機不同，微機的許多軟件不能直接使用。工業(yè)控制機可使用通用微機的各種編程語言，對要求快速、實時性強、模型復雜的工業(yè)對象的控制占有優(yōu)勢。8/20/20229第9頁，共34頁。PLC和工業(yè)控制機都是專為工業(yè)現(xiàn)場應用環(huán)境而設計的。 都具有很高的可靠性。PLC一般具有模塊結構，可以針對不同的對象進行組合和擴展。 8/20/202210第10頁，共34頁。 二、PLC的分類按結構形式分類整體式模塊式 單板式 按功能分類低檔機中檔機 高檔機 分 類I0點數(shù)程序容量超小型機64點以內2561000字節(jié)小型機6425613.6K字節(jié)中型機25620483.613K字節(jié)大型機2048以上13K

8、字節(jié)以上 3. 按IO點數(shù)和程序容量分類8/20/202211第11頁，共34頁。一、PLC的應用場合邏輯控制 ：可取代傳統(tǒng)繼電器系統(tǒng)和順序控制器。如各種機床、自動電梯、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線、運輸和檢測等的控制。 運動控制 ：通過配合PLC使用的專用智能模塊，可以對步進電動機或伺服電動機的單軸或多軸系統(tǒng)實現(xiàn)位置控制，可用于精密金屬切削機床、機械手、機器人等設備的控制。 過程控制 ：通過配用AD、DA轉換模塊及智能PID模塊實現(xiàn)對生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、速度等連續(xù)變化的模擬量進行閉環(huán)調節(jié)控制。機械加工的數(shù)字控制 PLC和計算機數(shù)控（CNC）裝置組合成一體，可以實現(xiàn)數(shù)值控制，組成數(shù)控機床。

9、 第三節(jié) 可編程控制器的應用場合 和發(fā)展趨勢 8/20/202212第12頁，共34頁。5機器人控制 應用PLC可實現(xiàn)對機器人的控制。德國西門子制造的機器人就是采用本公司生產(chǎn)的16位PLC組成的控制裝置進行控制的。6多級控制 多級控制是指利用PLC的網(wǎng)絡通信功能模塊及遠程IO控制模塊實現(xiàn)多臺PLC之間的鏈接、PLC與上位計算機的鏈接，這種方式，能夠完成較大規(guī)模的復雜控制，甚至實現(xiàn)整個工廠生產(chǎn)的自動化。 8/20/202213第13頁，共34頁。 二、可編程控制器的發(fā)展趨勢1、在系統(tǒng)構成規(guī)模上向大、小兩個方向發(fā)展；2、功能不斷增強，各種應用模塊不斷推出 ；3、產(chǎn)品更加規(guī)范化、標準化 。8/20/

10、202214第14頁，共34頁。 第四節(jié) 可編程控制器的基本結構PLC的系統(tǒng)結構8/20/202215第15頁，共34頁。PLC各部分的作用 CPU診斷PLC電源、內部電路的工作狀態(tài)及編制程序中的語法錯誤。采集現(xiàn)場的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并送人PLC的寄存器中。逐條讀取指令，完成各種運算和操作。 將處理結果送至輸出端。 響應各種外部設備的工作請求。 8/20/202216第16頁，共34頁。PLC各部分的作用存儲器 系統(tǒng)程序存儲器：用以存放系統(tǒng)管理程序、監(jiān)控程序及系統(tǒng)內部數(shù)據(jù)。PLC出廠前已將其固化在只讀存儲器ROM或PROM中，用戶不能更改。用戶存儲器：包括用戶程序存儲區(qū)及工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)。這類存儲器一

11、般由低功耗的CMOS-RAM構成，其中的存儲內容可讀出并更改。注意： PLC產(chǎn)品手冊中給出的“存儲器類型”和“程序容量”是針對用戶程序存儲器而言的。8/20/202217第17頁，共34頁。PLC各部分的作用輸入輸出接口電路輸入接口電路：采用光電耦合電路，將限位開關、手動開關、編碼器等現(xiàn)場輸入設備的控制信號轉換成CPU所能接受和處理的數(shù)字信號。 PLC的輸入接口電路（直流輸入型） 8/20/202218第18頁，共34頁。PLC各部分的作用輸出接口電路：采用光電耦合電路，將CPU處理過的信號轉換成現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以驅動接觸器、電磁閥等外部設備的通斷電。有三種類型： 繼電器輸出型繼電器輸

12、出型：為有觸點輸出方式，用于接通或斷開開關頻率較低的直流負載或交流負載回路。8/20/202219第19頁，共34頁。（b） 晶閘管輸出型（c） 晶體管輸出型（NPN集電極開路）（d） 晶體管輸出型（PNP集電極開路）晶體管輸出型：為無觸點輸出方式，用于接通或斷開開關頻率較高的直流電源負載。晶閘管輸出型：為無觸點輸出方式，用于接通或斷開開關頻率較高的交流電源負載。8/20/202220第20頁，共34頁。電源 PLC的電源是指將外部輸入的交流電處理后轉換成滿足PLC的CPU、存儲器、輸人輸出接口等內部電路工作需要的直流電源電路或電源模塊。許多PLC的直流電源采用直流開關穩(wěn)壓電源，不僅可提供多路

13、獨立的電壓供內部電路使用，而且還可為輸入設備提供標準電源。 8/20/202221第21頁，共34頁。5.輸入輸出I0擴展接口 若主機單元的IO點數(shù)不能滿足需要時，可通過此接口用扁平電纜線將IO擴展單元與主機相連，以增加IO點數(shù)。PLC的最大擴展能力主要受CPU尋址能力和主機驅動能力的限制。 8/20/202222第22頁，共34頁。 第五節(jié) 可編程控制器的工作原理及技術性能PLC的基本工作原理 微機：等待命令的工作方式 PLC：循環(huán)掃描的工作方式 CPU從第一條指令開始按指令步序號作周期性的循環(huán)掃描，如果無跳轉指令,則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結束符后又返回第一條指令，周

14、而復始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。8/20/202223第23頁，共34頁。 一個掃描周期主要分為三個階段： 輸入刷新階段 程序執(zhí)行階段 輸出刷新階段 輸入刷新 程序執(zhí)行輸出刷新一個掃描周期輸入刷新 PLC的掃描工作過程用戶輸出設備輸入端子輸入鎖存器輸入映象寄存器輸出映象寄存器輸出鎖存器輸出端子程序執(zhí)行用戶輸入設備寫讀讀8/20/202224第24頁，共34頁。 由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進行的，所以亦將這兩個階段統(tǒng)稱為IO刷新階段。實際上，除了執(zhí)行程序和IO刷新外，PLC還要進行各種錯誤檢測(自診斷功能)并與編程工具通訊，這些操作統(tǒng)稱為“監(jiān)視服務”。 掃描周期的長短主

15、要取決于程序的長短。 由于每一個掃描周期只進行一次I0刷新，故使系統(tǒng)存在輸入、輸出滯后現(xiàn)象。這對于一般的開關量控制系統(tǒng)不但不會造成影響，反而可以增強系統(tǒng)的抗干擾能力。但對于控制時間要求較嚴格、響應速度要求較快的系統(tǒng)，就需要精心編制程序，必要時采用一些特殊功能，以減少因掃描周期造成的響應滯后。8/20/202225第25頁，共34頁。PLC的主要技術指標輸入輸出點數(shù)（I/O點數(shù)）內存容量 注意： “內存容量”實際是指用戶程序容量，不包括系統(tǒng)程序存儲器的容量。 掃描速度 (單位：msk或s/步。 )指令條數(shù) 內部繼電器和寄存器數(shù)目 編程語言及編程手段 高級模塊 主控模塊可實現(xiàn)基本控制功能，高級模塊

16、可實現(xiàn)一些特殊的專門功能。如AD和DA轉換模塊等 。 8/20/202226第26頁，共34頁。PLC的內存分配I0繼電器區(qū)： I0區(qū)的寄存器可直接與PLC外部的輸入、輸出端子傳遞信息，具有“繼電器”的功能，有自己的“線圈”和“觸點”。故常稱為“I0繼電器區(qū)”。內部通用繼電器區(qū)：只能在PLC內部使用，其作用與中間繼電器相似，在程序控制中可存放中間變量。 數(shù)據(jù)寄存器區(qū) ：只能按字使用，不能按位使用。一般只用來存放各種數(shù)據(jù)。 特殊繼電器、寄存器區(qū) ：被系統(tǒng)內部占用，專門用于某些特殊目的，一般不能由用戶任意占用。 系統(tǒng)寄存器區(qū)：用來存放各種重要信息和參數(shù)。通過用戶程序，不能讀取和修改系統(tǒng)寄存器的內容

17、。 8/20/202227第27頁，共34頁。 第六節(jié) PLC的幾種編程語言 不采用微機的編程語言，采用梯形圖語言、指令助記符語言、控制系統(tǒng)流程圖語言、布爾代數(shù)語言等。其中梯形圖、指令助記符語言最為常用。 PLC的設計和生產(chǎn)至今尚無國際統(tǒng)一標準，不同廠家所用語言和符號也不盡相同。但它們的梯形圖語言的基本結構和功能是大同小異的。 8/20/202228第28頁，共34頁。梯形圖語言 梯形圖是在原繼電器接觸器控制系統(tǒng)的繼電器梯形圖基礎上演變而來的一種圖形語言。它是目前用得最多的PLC編程語言。 注意：梯形圖表示的并不是一個實際電路而只是一個控制程序，其間的連線表示的是它們之間的邏輯關系，即所謂“軟

18、接線”。 常開觸點 ： 常閉觸點： 線圈： 注意：它們并非是物理實體，而是“軟繼電器”。每個“軟繼電器”僅對應PLC存儲單元中的一位。該位狀態(tài)為“1”時，對應的繼電器線圈接通，其常開觸點閉合、常閉觸點斷開；狀態(tài)為“0”時，對應的繼電器線圈不通，其常開、常閉觸點保持原態(tài)。 8/20/202229第29頁，共34頁。梯形圖語言程序舉例8/20/202230第30頁，共34頁。助記符語言類似于計算機匯編語言，用一些簡潔易記的文字符號表達PLC的各種指令。同一廠家的PLC產(chǎn)品，其助記符語言與梯形圖語言是相互對應的，可互相轉換。助記符語言常用于手持編程器中，梯形圖語言則多用于計算機編程環(huán)境中。 二、指令助記符語言 地址 指令 與上例梯形圖相對應的指令助記符語言程序8/20/202231第31頁，共34頁。第七節(jié) 軟PLC簡介 軟件PLC（SoftPLC，也稱為軟邏輯SoftLogic）是一種基于PC機開發(fā)結構的控制系統(tǒng)，它具有硬PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特點，利用軟件技術可以將標準的工業(yè)PC轉換成全功能的PLC過程控制器。軟件PLC綜合了計算機和PLC的開關量控制、模擬量控制、數(shù)學運算、數(shù)值處理、網(wǎng)絡通信、PID調節(jié)等功能，通過一個多任務控制內核，提供強大的指令集、可靠的操作和可連接各種I/O系統(tǒng)的網(wǎng)絡開放式結構。所以，軟件PLC