機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計-第五章-工業(yè)控制計算機(jī)及其接口技術(shù)(5.3可編程控制器)

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計--第五章-工業(yè)控制計算機(jī)及其接口技術(shù)(5.3可編程控制器)第一頁，共32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(hù)方便，最好是插件式；可將數(shù)據(jù)直接送入管理計算機(jī)；在成本上可與繼電器控制柜競爭；輸入可以是交流115V；輸出為交流115V、2A以上，能直接驅(qū)動電磁閥等；在擴(kuò)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(kuò)展到4K。GM10條是可編程序控制器出現(xiàn)的直接原因：第二頁，共32頁。可編程控制器的定義

1969年，美國數(shù)據(jù)設(shè)備公司(DEC)研制出世界上第一臺可編程控制器，并成功地應(yīng)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(jìn)行邏輯運(yùn)算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC(ProgrammableLogicController)。70年代后期，隨著微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使PLC從開關(guān)量的邏輯控制擴(kuò)展到數(shù)字控制及生產(chǎn)過程控制領(lǐng)域，真正成為一種電子計算機(jī)工業(yè)控制裝置，故稱為可編程控制器，簡稱PC(ProgrammableController)。但由于PC容易和個人計算機(jī)(PersonalComputer)相混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用PLC作為可編程控制器的縮寫。第三頁，共32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(yùn)算的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)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(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴(kuò)充的原則設(shè)計”。第四頁，共32頁。三、PLC與通用微處理機(jī)的區(qū)別①掃描工作機(jī)制是PLC與通用微處理機(jī)的基本區(qū)別。②在理論上，微機(jī)可以編程，形成PLC的多數(shù)功能，然而通用微機(jī)不是專門為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用設(shè)計的；③微機(jī)與外部世界連接時．需要專門的接口電路板，而PLC帶有各種I／O模塊可供直接利用，且輸入輸出線可多至數(shù)百條；④PLC具有多種診斷能力，模塊式結(jié)構(gòu)，易于維修；⑤PLC可采用梯形圖編程，編程語言直觀簡單，容易掌握；⑥雖然許多PLC能夠接收模擬信號和進(jìn)行簡單的算術(shù)運(yùn)算，但是，當(dāng)數(shù)學(xué)運(yùn)算復(fù)雜時，PLC是無法與通用微機(jī)相競爭。第五頁，共32頁。四、可編程控制器的組成第六頁，共32頁。1、CPU的作用診斷PLC電源、內(nèi)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(yùn)算和操作。將處理結(jié)果送至輸出端。響應(yīng)各種外部設(shè)備的工作請求。第七頁，共32頁。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(nèi)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)。這類存儲器一般由低功耗的CMOS-RAM構(gòu)成，其中的存儲內(nèi)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。第八頁，共32頁。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(guān)、手動開關(guān)、編碼器等現(xiàn)場輸入設(shè)備的控制信號轉(zhuǎn)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）

第九頁，共32頁。輸出接口電路：采用光電耦合電路，將CPU處理過的信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強(qiáng)電信號輸出，以驅(qū)動接觸器、電磁閥等外部設(shè)備的通斷電。有三種類型：

繼電器輸出型繼電器輸出型：為有觸點(diǎn)輸出方式，用于接通或斷開開關(guān)頻率較低的直流負(fù)載或交流負(fù)載回路。第十頁，共32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(diǎn)輸出方式，用于接通或斷開開關(guān)頻率較高的直流電源負(fù)載。晶閘管輸出型：為無觸點(diǎn)輸出方式，用于接通或斷開開關(guān)頻率較高的交流電源負(fù)載。第十一頁，共32頁。電源

PLC的電源是指將外部輸入的交流電處理后轉(zhuǎn)換成滿足PLC的CPU、存儲器、輸人輸出接口等內(nèi)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(guān)穩(wěn)壓電源，不僅可提供多路獨(dú)立的電壓供內(nèi)部電路使用，而且還可為輸入設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)電源。

第十二頁，共32頁。手持編程器

手持編程器采用助記符語言編程，具有編輯、檢索、修改程序、進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置、內(nèi)存監(jiān)控等功能。可一機(jī)多用，具有使用方便、價格低廉的特點(diǎn)。缺點(diǎn)：不夠直觀可通過PLC的RS232外設(shè)通訊口(或RS422口配以適配器)與計算機(jī)聯(lián)機(jī)，利用專用工具軟件（NPST－GR、FPSOFT、FPWIN－GR）對PLC進(jìn)行編程和監(jiān)控。利用計算機(jī)進(jìn)行編程和監(jiān)控比手持編程工具更加直觀和方便。第十三頁，共32頁。輸入輸出I／0擴(kuò)展接口

若主機(jī)單元的I／O點(diǎn)數(shù)不能滿足需要時，可通過此接口用扁平電纜線將I／O擴(kuò)展單元與主機(jī)相連，以增加I／O點(diǎn)數(shù)。PLC的最大擴(kuò)展能力主要受CPU尋址能力和主機(jī)驅(qū)動能力的限制。

第十四頁，共32頁。五、可編程控制器的工作原理微機(jī)：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(zhuǎn)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(jié)束符后又返回第一條指令，周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。第十五頁，共32頁。第十六頁，共32頁。六、PLC生產(chǎn)廠家及代表產(chǎn)品日本立石（OMRON，歐姆龍）公司C系列日本三菱公司F、FX、A系列德國西門子（SIEMENS）公司S5、S7、TI系列法國TE公司TSX7系列美國通用電氣（GENERALELECTRIC）公司，簡稱GE公司GE、SR系列美國艾倫—布拉德利（ALLEN—BRADLEY)公司，簡稱AB公司SLC、PLC系列第十七頁，共32頁。三菱系列可編程控制器特點(diǎn)：

指令速度快，系統(tǒng)配置靈活，功能強(qiáng)大。具有豐富的擴(kuò)展模塊及特殊功能模塊，可實(shí)現(xiàn)PLC于上位機(jī)之間完善的網(wǎng)絡(luò)通訊，具有網(wǎng)絡(luò)控制功能。

第十八頁，共32頁。一、型號的表示法例如F—20MR—E——表示輸入/輸出總點(diǎn)數(shù)M——表示本單元類型：M為基本單元、E為擴(kuò)展單元R——表示輸出類型：R為繼電器、T為晶體管、S為晶閘管E——表示電源電壓種類：V為100/110V交流、E為220/240V交流、D為24V直流第十九頁，共32頁。為適應(yīng)不同負(fù)載，輸出方式有：晶體管輸出方式：用于直流負(fù)載晶閘管輸出方式：交流負(fù)載繼電器輸出方式：交流或直流負(fù)載。第二十頁，共32頁。七、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計：1.PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計原則有：（1）最大限度的滿足生產(chǎn)過程的控制要求；（2）在滿足控制要求的前提下，盡量使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)；（3）保證控制系統(tǒng)安全可靠；（4）在選擇PLC容量時，應(yīng)考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝改進(jìn)，必須留有余地。第二十一頁，共32頁。2.PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟：（1）熟悉控制對象的工藝條件確定輸入／輸出設(shè)備及I／o點(diǎn)數(shù)（2）選擇合適的PLC類型（3）畫輸入輸出接線圖

（4）PLC的編程

第二十二頁，共32頁。八、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計舉例

工件搬運(yùn)裝置示意圖

第二十三頁，共32頁。搬運(yùn)工件機(jī)械手PLC控制，動作要求如下：

對機(jī)械手的控制主要是位置識別、運(yùn)動方向控制和物料是否存在的判別。它的任務(wù)是將傳送帶A上的工件搬運(yùn)到傳送帶B上。機(jī)械手的左工位、右工位、伸出、縮回、上升、下降都用雙線圈三位電磁閥氣動缸完成，機(jī)械手的放開用單螺線管的電磁閥。設(shè)備上裝有上、下、左、右、伸、縮、松開7個傳感器，控制對應(yīng)工步的結(jié)束。傳輸帶上設(shè)有一個光電開關(guān)，監(jiān)視工件是否到位。第二十四頁，共32頁。第二十五頁，共32頁。設(shè)計步驟:1．確定所需的用戶輸入／輸出設(shè)備及I／O點(diǎn)數(shù)(1)設(shè)備的輸入信號操作方式轉(zhuǎn)換開關(guān)：手動、單步、單周期、連續(xù)；手動時運(yùn)動選擇開關(guān)：上／下、左／右、夾／松；位置檢測元件：機(jī)械手的上、下、左、右的限位行程開關(guān)有無工件檢測元件：右工作臺有無工件用光電開關(guān)檢測。(2)設(shè)備的輸出信號氣缸運(yùn)動電磁閥：上升、下降、右移、左移、夾緊；指示燈：機(jī)械手處于原點(diǎn)指示燈。據(jù)上面分析可知、PLC共需15點(diǎn)輸入、6點(diǎn)輸出。第二十六頁，共32頁。2．選擇PLC