機電一體化技術(shù) -課件 - 項目六

機電一體化技術(shù)主編

張奇良

魯佳

王紅錦PARTONE項目六可編程控制器目錄/CONTENTS任務一可編程控制器概述任務二可編程控制器編程基礎(chǔ)任務三可編程控制器的應用系統(tǒng)任務四STEP7-Micro/WIN編程軟件的使用行業(yè)PPT模板/hangye/PARTONE任務一可編程控制器概述一、可編程控制器的特點

1.PLC的基本結(jié)構(gòu)

PLC主要由CPU模塊、I/O模塊、編程裝置、電源和內(nèi)存模式組成,PLC基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖6-1所示。PLC的特殊功能模塊用來完成某些特殊的任務。(1)CPU模塊

(2)I/O模塊

(3)編程裝置

(4)電源

(5)內(nèi)存模塊(1)邏輯順序控制功能

邏輯順序控制功能是PLC的基本功能。它可以根據(jù)按鈕、行程開關(guān)、接觸器觸點等開關(guān)量輸入的狀態(tài),通過邏輯運算與處理,實現(xiàn)指示燈、電磁閥、接觸器線圈等執(zhí)行元件的通/斷控制。(3)通信網(wǎng)絡控制功能

網(wǎng)絡與通信功能是PLC與PLC、PLC與其他控制裝置、PLC與上級控制計算機之間的網(wǎng)絡互聯(lián)功能,通過通信網(wǎng)絡控制不但可組成設(shè)備內(nèi)部網(wǎng)絡系統(tǒng),而且還可構(gòu)成大型工廠自動化控制系統(tǒng)。

(2)速度/位置控制功能

速度/位置控制功能是PLC的擴展功能,一般需要通過A/D與D/A轉(zhuǎn)換、定位控制等特殊功能模塊來實現(xiàn)。通過特殊功能模塊,PLC可像CNC一樣連接伺服驅(qū)動器、變頻器等控制裝置,實現(xiàn)速度/位置控制;也可連接編碼器、光柵傳感器等檢測裝置以實現(xiàn)閉環(huán)控制。二、可編程控制器的工作原理1.工作原理

PLC通電后,需要對硬件和軟件做一些初始化工作。為了使PLC上的輸出及時地響應各種輸入信號,初始化后PLC要反復不停地分階段處理各種不同的任務,其掃描過程如圖6-2所示,這種周而復始的循環(huán)工作模式稱為掃描工作模式。(1)讀取輸入(2)執(zhí)行用戶程序(3)處理通信請求(4)自診斷檢查(5)改寫輸出(6)中斷程序的處理(7)立即I/O處理(8)輸入/輸出滯后時間(3)掃描速度(5)內(nèi)部繼電器和寄存器2.PLC的主要參數(shù)(1)輸入/輸出點數(shù)(I/O點數(shù))(2)程序容量(4)指令條數(shù)(6)編程語言及編程手段(7)高級模塊PARTTWO任務二可編程控制器編程基礎(chǔ)一、可編程控制器的編程語言

1.順序功能圖

這是一種位于其他編程語言之上的圖形語言,用來編制順序控制程序。順序功能圖提供了一種組織程序的圖形方法,步、轉(zhuǎn)換和動作是順序功能圖中的3種主要元件。2.梯形圖3.功能塊圖

4.指令表

S7系列PLC將指令表稱為語句表。PLC的指令是一種與微機的匯編語言中指令相似的助記符表達式,由指令組成指令表程序或語句表程序。5.結(jié)構(gòu)文本結(jié)構(gòu)文本是為IEC61131-3標準創(chuàng)建的一種專用的高級編程語言。與梯形圖相比,它能實現(xiàn)復雜的數(shù)學運算,編寫的程序非常簡潔和緊湊。二、可編程控制器的基本指令(1)標準觸點指令(2)堆棧指令

①棧裝載與(AndLoad,ALD)指令。ALD和OLD指令如圖6-7所示,其中OLD后面的兩條指令將兩個觸點并聯(lián),運算結(jié)果

被壓入棧頂,堆棧中原來的數(shù)據(jù)依次向下一層推移,棧底值被推出丟失。

②棧裝載或(OrLoad,OLD)指令。觸點的串并聯(lián)指令只能將單個觸點與其他觸點或電路串并聯(lián)。要想將圖6-7中由I3.2和T16的觸點組成的串聯(lián)電路與它上面的電路并聯(lián),首先需要完成兩個串聯(lián)電路塊內(nèi)部的“與”邏輯運算(觸點的串聯(lián)),這兩個電路塊分別用LDN和LD指令表示電路塊的起始觸點。③其他堆棧操作指令,堆棧操作如圖6-8所示。

(3)立即觸點指令。立即(Immediate)觸點指令只能用于輸入量I,執(zhí)行立即觸點指令時,立即讀入物理輸入點的值,根據(jù)該值決定觸點的接通/斷開狀態(tài),但是并不更新該物理輸入點對應的輸入過程映像寄存器。2.輸出指令與其他指令

(1)輸出指令。當輸出指令(=)與線圈相對應,驅(qū)動線圈的觸點電路接通時,線圈流過“能流”,指定位對應的映像寄存器為1,反之則為0。執(zhí)行輸出指令時,將棧頂值復制到對應的映像寄存器。表6-4中的輸出類指令應放在梯形圖的最右邊,指令中的變量bit為BOOL型。

(2)置位與復位指令。S(Set)是置位指令,R(Reset)是復位指令。當執(zhí)行置位指令或復位指令時,從指定的位地址開始的N個連續(xù)的位地址都被置位(變?yōu)?)或復位(變?yōu)?),N=1~255,如圖6-11所示的置位與復位指令中N=1。(3)RS觸發(fā)器指令。RS觸發(fā)器指令如圖6-12所示,其基本功能與置位指令S和復位指令R的功能相同。(4)其他指令,如表6-5所示。①取反指令②跳變觸點指令，取反與跳變指令如圖6-13所示。③空操作指令3.定時器與計數(shù)器指令

(1)定時器指令。

①接通延時定時器。定時器、計數(shù)器的當前值、設(shè)定值均為16位有符號整數(shù)(INT),允許的最大值為32767。

②斷開延時定時器。當接在斷開延時定時器(TOF)的使能輸入端的輸入電路接通時,定時器位變?yōu)镺N,當前值被清零,如圖6-15所示。

③保持型接通延時定時器。如圖6-16所示,保持型接通延時定時器(RetentiveOn-DelayTimer,TONR)的使能輸入端的輸入電路接通時,開始定時。

④分辨率對定時器的影響。

⑤時間間隔定時器。如圖6-17所示(2)計數(shù)器指令。①加計數(shù)器(CTU)。如圖6-18所示②減計數(shù)器(CTD)。如圖6-19所示③加減計數(shù)器(CTUD)。如圖6-20所示PARTTHREE任務三可編程控制器的應用系統(tǒng)一、可編程控制器應用系統(tǒng)開發(fā)的一般過程PLC應用系統(tǒng)開發(fā)的一般過程如圖6-21所示。(1)深入了解被控系統(tǒng)

這一步是系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ),設(shè)計前應熟悉圖紙資料,深入調(diào)查研究,與工藝、機械方面的技術(shù)人員和現(xiàn)場操作人員密切配合,共同討論,解決設(shè)計中出現(xiàn)的問題。

(2)人機接口的選擇

人機接口用于操作人員與PLC之間的信息交換。(3)通信方式的選擇

在選擇通信方式時,應考慮通信網(wǎng)絡允許的最大節(jié)點數(shù)、最大通信距離和通信接口是否需要光電隔離等問題。1.系統(tǒng)設(shè)計2.PLC硬件選型PLC硬件選型包括CPU型號和I/O模塊的選擇。3.硬件軟件設(shè)計與調(diào)試(1)系統(tǒng)硬件設(shè)計與組態(tài)。①為各輸入變量和輸出變量分配地址。梯形圖中變量的地址與PLC的外部接線端子號是一致的,這一步為繪制硬件接線圖和梯形圖的設(shè)計做好了準備。②畫出PLC的外部硬件接線圖,以及其他電氣原理圖和接線圖。③畫出操作站和控制柜面板的機械布置圖和內(nèi)部的機械安裝圖。(2)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括設(shè)計系統(tǒng)初始化程序、主程序、子程序、中斷程序、故障應急措施和輔助程序等,小型數(shù)字量控制系統(tǒng)一般只有主程序。(3)軟件的模擬調(diào)試。用戶程序設(shè)計好后,一般先進行模擬調(diào)試。

(4)硬件調(diào)試與系統(tǒng)調(diào)試。

在對程序進行模擬調(diào)試的同時,可以設(shè)計、制作控制屏,PLC之外其他硬件的安裝和接線工作也可以同時進行。完成硬件的安裝和接線后,應對硬件的功能進行檢查,觀察各輸入點的狀態(tài)變化是否能準確輸送到PLC。

(5)整理技術(shù)文件。系統(tǒng)交付使用后,應根據(jù)調(diào)試的最終結(jié)果整理出完整的技術(shù)文件,供本單位存檔,部分資料應提供給用戶,以利于系統(tǒng)的維修和改進。技術(shù)文件應包括以下4種。①PLC的外部接線圖和其他電氣圖樣。②PLC的編程元件表,包括程序中使用的輸入位、輸出位、存儲器位、定時器、計數(shù)器、順序控制繼電器等的地址、符號、功能,以及定時器、計數(shù)器的設(shè)定值等。③帶注釋的梯形圖和必要的總體文字說明。④如果梯形圖是用順序控制法編寫的,則應提供順序功能圖。二、可編程控制器應用系統(tǒng)實例分析1.用PLC切換電動機的變頻電源和工頻電源(1)單臺電動機的電源切換。在如圖6-22所示的工頻/變頻電源切換控制的主電路中,接觸器KM1和KM2動作時為變頻運行,KM3動作時工頻電源直接接到電動機。①工頻運行。工頻運行時將選擇開關(guān)SA1扳到“工頻模式”位置,此時,I0.4為1狀態(tài),為工頻運行做準備。②變頻運行。變頻運行時將選擇開關(guān)SA1旋至“變頻模式”位置,I0.5為1狀態(tài),為變頻運行做準備。③故障時的電源切換。如果變頻器出現(xiàn)故障,則變頻器內(nèi)部的MA與MC端子之間的常開觸點閉合,使PLC的輸入點I1.0變?yōu)?狀態(tài),Q0.1、Q0.0和Q0.4的線圈斷電,接觸器KM1和KM2線圈斷電,變頻器的電源被斷開。(2)互為備用的兩臺電動機的工頻/變頻電源切換,其主電路圖如圖6-24所示。2.用變頻器實現(xiàn)泵站恒壓供水控制

(1)恒壓供水的基本方案。

如圖6-25所示是多泵并聯(lián)供水的水泵電動機主接線示意圖,PLC可以選擇任意一臺電動機做變頻運行,其余各臺電動機由工頻驅(qū)動。根據(jù)當前的供水量和泵站出口處的水壓,控制工頻運行的水泵的臺數(shù),對供水量和水壓進行粗調(diào),用變頻電動機進行細調(diào)。

(2)實現(xiàn)壓力閉環(huán)控制的方法。現(xiàn)代的變頻器內(nèi)部一般都有一個PI控制器或PID控制器。對于恒壓供水這一類閉環(huán)控制系統(tǒng),可以將反饋信號(如壓力信號)接到變頻器的反饋信號輸入端,用變頻器內(nèi)部的控制器實現(xiàn)閉環(huán)控制,以減少壓力偏差,保持水壓恒定。PARTFOUR任務四STEP7-Micro/WIN編程軟件的使用一、編程軟件概述

1.項目的組成從圖6-27所示的STEP7-Micro/WINV4.0版編程軟件的界面可以看出,項目包括以下基本組件。(1)程序塊(2)數(shù)據(jù)塊(3)系統(tǒng)塊(4)符號表(5)狀態(tài)圖(6)交叉引用(7)項目中各部分的參數(shù)設(shè)置2.通信參數(shù)的設(shè)置與在線連接的建立(1)PC/PPI電纜的安裝與設(shè)置。①用鼠標左鍵雙擊指令樹“通信”文件夾中的“設(shè)置PG/PC接口”圖標,在打開的對話框中設(shè)置編程計算機的通信參數(shù)。②用鼠標左鍵雙擊指令樹“系統(tǒng)塊”文件夾中的“通信端口”圖標,設(shè)置PLC通信接口的參數(shù),默認的站地址為2,波特率為9600bit/s,設(shè)置完成后,需要把系統(tǒng)塊下載到PLC中才會起作用。③通過PPI電纜上的DIP開關(guān)設(shè)置PPI電纜的參數(shù)。(2)計算機與PLC在線連接的建立。(3)PLC中信息的讀取(4)CPU事件的歷史記錄二、程序的編寫與傳送1.編程的準備工作(1)創(chuàng)建項目或打開已有的項目(2)設(shè)置PLC的型號(3)選擇默認的編程語言和指令助記符集(4)確定程序結(jié)構(gòu)(5)用系統(tǒng)塊設(shè)置PLC的參數(shù)2.編寫與傳送用戶程序(1)定義符號地址(2)編寫用戶程序(3)對網(wǎng)絡的操作(4)符號的顯示(5)注釋與符號信息表(6)編譯程序(7)下載程序(8)上載程序(9)運行和調(diào)試程序三、用編程軟件監(jiān)控與調(diào)試程序1.基于程序編輯器的程序狀態(tài)監(jiān)控(1)梯形圖程序的程序狀態(tài)監(jiān)控,如圖6-34所示。①運行狀態(tài)的程序狀態(tài)監(jiān)控②“掃描結(jié)束”狀態(tài)的狀態(tài)監(jiān)控(2)語句表程序的程序狀態(tài)監(jiān)控2.用狀態(tài)表監(jiān)控與調(diào)試程序(1)打開和編輯狀態(tài)表(2)創(chuàng)建新的狀態(tài)表(3)啟動和關(guān)閉狀態(tài)表的監(jiān)控功能(4)單次讀取狀態(tài)信息(5)趨勢圖3.用狀態(tài)表強制改變數(shù)值(1)強制的基本概念(2)強制的操作方法(3)在STOP模式下寫入和強制輸出4.在RUN模式下編輯用戶程序5.調(diào)試用戶程序的其他方法(1)使用書簽(2)單次掃描(3)多次掃描四、編程軟件與PLC的參數(shù)設(shè)置

執(zhí)行“查看”→“組件”→“系統(tǒng)塊”菜單命令,系統(tǒng)塊位置如圖6-41所示,或者單擊指令樹中“系統(tǒng)塊”文件夾中的某一圖標,可以直接打開“系統(tǒng)塊”對話框。

打開“系統(tǒng)塊”對話框后,用鼠標左鍵單擊左側(cè)窗口中的某個圖標,設(shè)置斷電數(shù)據(jù)保持如圖6-42所示,進入對應的選項卡后,可以進行有關(guān)參數(shù)設(shè)置。①用CPU中的超級電容器保存RAM中的V、M、T、C存儲區(qū)的數(shù)據(jù)。②電池卡可以延長RAM保持信息的時間,只是在超級電容器電量耗盡后電池卡才開始提供電源。③MB0~MB13如果在系統(tǒng)塊中被設(shè)置為斷電保持,則在CPU模塊斷電時被永久保存在EEPROM中。1.斷電數(shù)據(jù)保持的設(shè)置(1)S7-200保存數(shù)據(jù)的方法④數(shù)據(jù)塊用來給V存儲區(qū)賦初值,數(shù)據(jù)塊下載到CPU后,存儲在EEPROM中,所以,可以用數(shù)據(jù)塊來保存程序中用到的但不需要改變的數(shù)據(jù)。⑤用可拆卸的EEPROM卡來保存程序塊、數(shù)據(jù)塊、系統(tǒng)塊、配方、數(shù)據(jù)記錄和強制值。通過S7-200的資源管理器,可以將文件儲存在存儲器卡中。(2)設(shè)置PLC斷電后的數(shù)據(jù)保存方式

單擊指令樹“系統(tǒng)塊”文件夾中的“斷電數(shù)據(jù)保持”圖標,選擇從通電切換到斷電時希望保存數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)域。(3)開機后數(shù)據(jù)的恢復。上電后,CPU會自動地從EEPROM中恢復程序塊和系統(tǒng)塊。然后檢查是否安裝了超級電容器和可選的電池卡。如果是,則確認數(shù)據(jù)是否成功地保存到RAM中。①將要保存的V存儲器的地址送至特殊存儲器字SMW32。②將數(shù)據(jù)長度單位寫入SM31.0和SM31.1,這兩位為00和01時表示字節(jié),為10時表示字,為11時表示雙字。③令SM31.7=1,在每次掃描結(jié)束時,CPU自動檢查SM31.7,該位為1時將指定的數(shù)據(jù)存入EEPROM,CPU將該位置“0”后操作結(jié)束。(4)將V存儲器的數(shù)據(jù)復制到EEPROM中(5)用存儲器卡保存用戶程序?？梢杂每蛇x的存儲器卡將用戶程序復制到其他CPU。如果用戶文件太大,沒有足夠的存儲空間,則可以執(zhí)行“PLC”→“存儲卡擦除”菜單命令來清空存儲器卡,或者打開S7-200的資源管理器,移除不需要的文件。將程序復制到存儲器卡的步驟如下。①將CPU置于STOP狀態(tài)。②執(zhí)行“PLC”→“存儲卡編程”菜單命令,在打開的對話框中選擇需要復制的部分,將程序復制到存儲器卡中。如果選中了系統(tǒng)塊,則強制值也會被復制,單擊“編程”按鈕,進行復制。①將存儲器卡中的程序塊復制到EEPROM。②V存儲器被清空,將存儲器卡的數(shù)據(jù)塊復制到EEPROM。③將存儲器卡中的系統(tǒng)塊復制到EEPROM,強制值被替換,所有的保持存儲器被清空。復制完成后可以取下存儲器卡,如果存儲器卡內(nèi)有配方和數(shù)據(jù)記錄,則它必須一直安裝在CPU上。(6)用存儲器卡恢復用戶程序和存儲器中的數(shù)據(jù)。2.創(chuàng)建CPU密碼

(1)密碼的作用

(2)密碼的設(shè)置

用鼠標左鍵雙擊圖6-42左邊窗口中的“密碼”圖標,在系統(tǒng)塊的“密碼”對話框中,選擇限制級別為2~4級,輸入并核實密碼,密碼最多8位,字母不區(qū)分大小寫。

(3)忘記密碼的處理。

如果忘記密碼,則必須清除存儲器,重新下載程序。清除存儲器會使CPU進入STOP模式,并將它設(shè)置為廠家設(shè)定的默認狀態(tài)(CPU地址、波特率和時鐘除外)。(4)POU和項目文件的加密。POU即程序組織單元,包括主程序(OB1)、子程序和中斷服務程序?？梢詥为殞OU加密。

①加密POU的操作步驟。用鼠標右鍵單擊指令樹中要加密的POU(如主程序OB1),在彈出的快捷菜單中選擇“屬性”選項,在打開的對話框中選擇“保護”選項卡,對POU加密如圖6-43所示。

②打開被加密的POU。用鼠標右鍵單擊指令樹中被加密的POU,在彈出的快捷菜單中,執(zhí)行“屬性”菜單命令。在彈出的對話框中,選擇“保護”選項卡。在