化工儀表及自動化(厲玉鳴)(第三版)第16章可編程控制器

化工儀表及自動化第十六章可編程控制器

內容提要可編程控制器概述可編程控制器(PLC)的發(fā)展過程可編程控制器的功能與特點可編程控制器的基本構成及工作原理可編程控制器的基本組成可編程控制器的軟件系統(tǒng)可編程控制器的分類1內容提要OMRONC系列PLC

簡介OMRONPLC指令應用實例水箱液位控制變量越限機警控制自動包裝機控制2第一節(jié)可編程序控制器概述

可編程控制器是一種以CPU為核心的計算機工業(yè)控制裝置,由于其良好的性能價格比和穩(wěn)定的工作狀態(tài)以及簡便的操作性?？删幊炭刂破魇且环N數(shù)字運算操作系統(tǒng),專為工業(yè)環(huán)境應用而設計,有較強的抗干擾能力?？删幊炭刂破骺梢詥为毷褂?也可以通過網(wǎng)絡成為DCS控制系統(tǒng)的一部分。3第一節(jié)可編程序控制器概述一、可編程控制器(PLC)的發(fā)展過程1969年美國研制出了第一臺可編程序控制器。從1971年開始,各國相繼開發(fā)了適于本國的PLC,并推廣使用。20世紀80年代末,PLC技術已經(jīng)很成熟,并從開關量邏輯控制擴展到計算機數(shù)字控制(CNC等)領域。近年生產(chǎn)的PLC向電氣控制、儀表控制、計算機控制一體化方向發(fā)展。4第一節(jié)可編程序控制器概述二、可編程控制器的功能與特點1.可編程控制器的功能PLC可以進行各種復雜的開關量邏輯控制，且配置了計數(shù)器、定時器等指令，進一步豐富了邏輯控制功能，同時可以完成各種類型的計數(shù)要求。PLC具有了A/D、D/A轉換的功能,豐富了控制手段和控制范圍。PLC有了較強的通信功能,可以組成PLC控制的計算機網(wǎng)絡。5第一節(jié)可編程序控制器概述2.可編程控制器的特點控制程序可編程編程方便擴展靈活可靠性高6第一節(jié)可編程序控制器概述比較項目繼電接觸控制PLC控制功能使用許多繼電器才能進行復雜的控制無論控制多復雜,均用程序編制完成控制內容變更需改變繼電器和配線只要改變程序即可自由完成控制速度依靠觸點機械動作實現(xiàn),工作頻率低靠微處理器實現(xiàn)控制,速度極快計數(shù)控制一般無此功能具有計數(shù)功能安裝施工連線復雜,施工繁瑣安裝容易,施工簡便可靠性觸點多、連線多、體積大、壽命短、可靠性差采用集成元件,體積小、壽命長、可靠性高可擴展性擴展困難在I/O點允許情況下可自由擴充維護需定期檢驗,查找故障困難,維護工作量大具有自診斷功能,查找故障迅速,維護方便表16-1PLC控制與繼電接觸控制比較7第一節(jié)可編程序控制器概述集散控制系統(tǒng)側重回路連續(xù)調節(jié)功能,在模擬量處理、反饋控制等方面具有明顯優(yōu)勢；可編程控制器側重開關量順序控制功能,在數(shù)字處理、順序控制方面具有一定優(yōu)勢?？删幊炭刂破髋c集散控制系統(tǒng)比較發(fā)展初期8第一節(jié)可編程序控制器概述網(wǎng)絡功能方面DCS從一開始就十分重視網(wǎng)絡通信,PLC也在不斷增強網(wǎng)絡通信功能。

順序控制功能方面

PLC優(yōu)勢強模擬量處理功能方面

DCS系統(tǒng)較完善9第二節(jié)可編程序控制器的基本構成及工作原理一、可編程序控制器的基本組成10圖16-1PLC的基本組成框圖第二節(jié)可編程序控制器的基本構成及工作原理111.中央處理器解釋并執(zhí)行用戶及系統(tǒng)程序，通過運行用戶及系統(tǒng)程序完成所有控制、處理、通信以及所賦予的其他功能，控制整個系統(tǒng)協(xié)調一致地工作。主要有通用微處理器、單片機和雙極型位片機。

2.存儲器（1）存儲器類型：

RAM、ROM、EPROM和E2PROM，外存常用盒式磁帶或磁盤等作用（2）存儲區(qū)分配圖16-2簡化的存儲映像第二節(jié)可編程序控制器的基本構成及工作原理123.輸入輸出模塊I/O模塊是可編程序控制器與生產(chǎn)過程相聯(lián)系的橋梁。

PLC連接的過程變量按信號類型可分為開關量（即數(shù)字量）、模擬量和脈沖量等，相應輸入輸出模塊可分為開關量輸入模塊、開關量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊和脈沖量輸入模塊等。第二節(jié)可編程序控制器的基本構成及工作原理4.編程器功能

編程器是PLC必不可少的重要外部設備。編程器將用戶所希望的功能通過編程語言送到PLC的用戶程序存儲器。編程器不僅能對程序進行寫入、讀出、修改，還能對PLC的工作狀態(tài)進行監(jiān)控，同時也是用戶與PLC之間進行人機界面。13第二節(jié)可編程序控制器的基本構成及工作原理14工作方式編程器與PLC上的專用插座相連，或通過專用接口相連，程序可直接寫入PLC的用戶程序存儲器中，也可先在編程器的存儲器內存放，然后再下裝到PLC中。離線（脫機）編程方式

編程器先不與PLC相連，編制的程序先存放在編程器的存儲器中，程序編寫完畢，再與PLC連接，將程序送到PLC存儲器中。在線（聯(lián)機）編程方式分類便攜式編程器和通用計算機。第二節(jié)可編程序控制器的基本構成及工作原理二、可編程序控制器的軟件系統(tǒng)15(1)梯形圖語言目前常用的編程語言有：梯形圖語言助記符語言功能表圖某些高級語言1.可編程控制器的編程語言梯形圖的表達式沿用了原電氣控制系統(tǒng)中的繼電接觸控制電路圖的形式，二者的基本構思是一致的，只是使用符號和表達方式有所區(qū)別。第二節(jié)可編程序控制器的基本構成及工作原理16舉例例16-1某一過程控制系統(tǒng)，工藝要求開關1閉合40s后，指示燈亮，按下開關2后燈熄滅。

圖16-3（a）為實現(xiàn)這一功能的一種梯形圖程序（OMRONPLC），它是由若干個梯級組成的，每一個輸出元素構成一個梯級，而每個梯級可由多條支路組成。圖16-3梯形圖程序第二節(jié)可編程序控制器的基本構成及工作原理17(2)助記符語言又稱為命令語句表達式語言，常用一些助記符來表示PLC的某種操作。

助記符語言類似微機中的匯編語言，但比匯編語言更直觀易懂。

圖16-3（b）為梯形圖對應的用助記符表示的指令表。

不同廠家生產(chǎn)的PLC所使用的助記符各不相同，因此同一梯形圖寫成的助記符語句不相同。用戶在梯形圖轉換為助記符時，必須先弄清PLC的型號及內部各器件編號、使用范圍和每一條助記符的使用方法。注意！第二節(jié)可編程序控制器的基本構成及工作原理2.可編程控制器的工作過程讀入現(xiàn)場信號自診斷與編程器、計算機等通信執(zhí)行用戶程序輸出結果圖16-4PLC工作過程框圖PLC對用戶程序的執(zhí)行分三個階段：輸入掃描程序執(zhí)行輸出刷新18第二節(jié)可編程序控制器的基本構成及工作原理191.按容量分（1）小型PLC

I/O點總數(shù)一般為20～128點。

主要功能邏輯運算、定時計數(shù)、移位處理等，采用專用簡易編程器。（2）中型PLC

其I/O點總數(shù)通常為129～512點，內存在８K以下，適合開關量邏輯控制和過程變量檢測及連續(xù)控制。

主要功能除有小型PLC的功能外，還有算術運算、數(shù)據(jù)處理及A/D、D/A轉換、聯(lián)網(wǎng)通信、遠程I/O等功能，可用于比較復雜過程的控制。三、可編程控制器的分類第二節(jié)可編程序控制器的基本構成及工作原理20（3）大型PLC

其I/O點總數(shù)在513點以上。

主要功能除了具有中小型PLC的功能外，還具有PLD運算及高速計數(shù)等功能，用于機床控制時，具有增加刀具精確定位、機床速度和閥門控制等功能，配有CRT顯示及常規(guī)的計算機鍵盤，與工業(yè)控制計算機相似。編程可采用梯形圖、功能表圖及高級語言等多種方式。

第二節(jié)可編程序控制器的基本構成及工作原理21２.按硬件結構分（1）整體式PLC

它將PLC各組成部分集裝在一個機殼內，輸入、輸出接線端子及電源進線分別在機箱的上、下兩側，并有相應的發(fā)光二極管顯示輸入/輸出狀態(tài)。面板上留有編程器的插座、EPROM存儲器插座、擴展單元的接口插座等。優(yōu)點具有這種結構的可編程序控制器結構緊湊、體積小、價格低。

圖16-5SIMENSSIMATICS7-200的外形圖第二節(jié)可編程序控制器的基本構成及工作原理22（2）模塊式PLC

輸入/輸出點數(shù)較多的大型、中型和部分小型PLC采用模塊式結構。其優(yōu)點為：圖16-6SIMENSSIMATICS7-300的外形圖采用積木搭接的方式組成系統(tǒng)，便于擴展，其CPU、輸入、輸出等都是獨立的模塊，有的PLC的電源包含在CPU模塊之中。品種多，硬件配置靈活，更換模塊方便。（3）疊裝式PLC

它吸收了整體式和模塊式PLC的優(yōu)點，其基本單元、擴展單元等高等寬，它們不用基板，僅用扁平電纜連接，緊密拼裝后組成一個整齊的體積小巧的長方體，而且輸入、輸出點數(shù)的配置也相當靈活。第三節(jié)OMRONC系列PLC一、簡介23OMRONC系列PLC有微型、小型、中型和大型四大類十幾種型號。微型PLC以C20P和C40H為代表，是整體結構，I/O容量為幾十點，最多可擴至120點。小型PLC分為C120和C200H兩種，C120最多可擴展256點I/O，是緊湊型整體結構。第三節(jié)OMRONC系列PLC中型PLC有C500和C1000H兩種，I/0容量分別為512點和1024點。大型PLC有C2000H，I/O點數(shù)可達2048點，同時多處理器和雙冗余結構使得C2000H不僅功能全、容量大，而且速度快，由于也是模塊化結構，外形與C200H相近。24圖16-7SYSMACC28H外形示意圖圖16-9C200H外觀示意圖25圖16-8CPM1AC**P外觀圖第三節(jié)OMRONC系列PLC二、

OMRONPLC指令

指令大多數(shù)是按照位（bit）尋址，個別指令按照通道尋址。按位尋址的地址編號為：通道號。位號，如0.00表示0通道的第0位，位的表示采用十進制數(shù)，范圍為0～15。

在OMRONPLC中，對于輸入、輸出等繼電器的編號不用加字母。小型整體PLC的輸入、輸出編號是固定不變的，使用者可以按照PLC主機標注編號編程；對于模塊式PLC則根據(jù)輸入或輸出模塊安裝位置決定其編號。26第三節(jié)OMRONC系列PLC按功能分類基本指令特殊功能指令構成助記符：表示指令要完成的功能。操作數(shù)：指出了要操作的對象。27第三節(jié)OMRONC系列PLC圖16-10OMRONPLC的基本指令應用示例(1)LD和LDNOT指令(2)OUT和OUTNOT指令(3)AND和ANDNOT指令(4)OR和ORNOT指令(5)ANDLD指令(6)ORLD指令(7)END指令281.OMRONPLC的基本指令第三節(jié)OMRONC系列PLC29２.幾個功能指令

（1）保持指令KEEP（11）

它執(zhí)行繼電器保持操作，可保持為ON或OFF狀態(tài)，直到它的兩個輸入端之一使它復位或置位。圖16-11電機啟動、停止控制第三節(jié)OMRONC系列PLC30（2）微分指令DIFU（13）和DIFD（14）

微分指令在執(zhí)行條件滿足后第一次掃描時才執(zhí)行，且只執(zhí)行一次；若執(zhí)行條件解除后再次滿足，則再執(zhí)行。DIFU是上升沿微分指令，DIFD是下降沿微分指令。

圖16-12微分指令應用示例第三節(jié)OMRONC系列PLC31（3）定時器

定時器為遞減型，有低速TIM和高速TIMH（15）兩種。定時器的操作數(shù)包括定時器編號（N）和設定值（SV）兩個數(shù)據(jù)。（4）計數(shù)器

計數(shù)器包括單向遞減型CNT和雙向可逆型CNTR（12）兩種，其操作數(shù)包括計數(shù)器編號和設定值兩個數(shù)據(jù)。圖16-13計數(shù)包裝控制程序第四節(jié)應用實例一、水箱液位控制32輸入、輸出點分配如下：上限檢測開關0.00；下限檢測開關0.01平；電磁閥10.00

圖16-14水箱液位控制示意圖

為了保證水箱液位保持在一定范圍，分別在控制的上限和下限設置檢測傳感器，用PLC控制注入水電磁閥。

當液位低于下限時，下限檢測開關斷開，打開電磁閥開始注水；當注水達到上限位置時，上限檢測開關閉合，切斷電磁閥。PLC采用OMRON的CPM2A-60CDR。工藝要求如圖16-14所示。第四節(jié)應用實例33

控制接線如圖16-15所示，圖16-16為液位控制梯形圖。當?shù)陀谝何幌孪迺r，下限開關與上限開關均斷開，0.00與0.01常閉觸點閉合，使輸出繼電器10.00導通，注水電磁閥打開；一旦超過下限液位，雖然0.01觸點斷開，但由于10.00觸點的自鎖作用，仍保證注水閥打開，直至上限檢測開關閉合，0.00的常閉觸點斷開，輸出繼電器10.00斷開，注水閥關閉。第四節(jié)應用實例圖16-15控制接線示意圖圖16-16液位控制梯形圖34第四節(jié)應用實例35二、變量越限報警控制1.基本控制環(huán)節(jié)②在實際中往往要求一旦變量超限，即使恢復到正常值，仍然進行聲光報警，直到操作人員按下確定按鈕后，報警才解除。③在②的要求基礎上，要求一旦報警，指示燈是閃亮的。④在③的要求基礎上，如果允許按下消音按鈕（點動），則電笛斷開，燈變成平光。①工藝要求過程變量越限后立即用指示燈和電笛報警，當工藝變量恢復到正常之后，報警自動解除。第四節(jié)應用實例報警梯形圖36第四節(jié)應用實例372.閃光報警系統(tǒng)圖16-21加熱爐的安全聯(lián)鎖保護系統(tǒng)三個聯(lián)鎖報警點

燃料流量下限原料流量下限火焰檢測

要求用三個指示燈指示三個報警點。在整個系統(tǒng)中有三個工藝檢測輸入、一個復位按鈕、一個實驗按鈕和一個消音按鈕