第5章可編程控制器.ppt

1、可編程控制器的特點(diǎn) 可編程控制器的組成,第5章 可編程控制器,功能：監(jiān)控（ 工藝流程顯示、表格顯示、趨勢顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警信息的記錄、手自動切換/手動操作、參數(shù)設(shè)置、其它功能） 操作員站：一般操作功能（往往不包括系統(tǒng)中重要參數(shù)的設(shè)置） 工程師站：全部功能 可以通過硬件區(qū)分（設(shè)置不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、設(shè)置不同的鍵盤等等） 通過操作人員所擁有 的密碼區(qū)分，硬件系統(tǒng)完全相同,功能：信號的采集、運(yùn)算（決策）、控制信號的輸出、報(bào)警處理、網(wǎng)絡(luò)通信（與其它控制站或者與操作站）,系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),5.1概述,5.1.1PLC的發(fā)展、分類及應(yīng)用,一、產(chǎn)生,可編程序邏輯控制器PLC產(chǎn)生

2、于1969年，最初只具備邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能，主要是用來取代繼電接觸器控制。 現(xiàn)在所說的可編程序控制器PC（Programmable Controller）是1980年以來，美、日、德等國由先前的可編程序邏輯控制器PLC進(jìn)一步發(fā)展而來。 1985年，國際電工委員會IEC對可編程序控制器作了如下規(guī)定：可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。,可編程邏輯控制器,早期,邏輯控制為主,Programmable Logical Controller PLC,現(xiàn)代PLC絕不意味著只有邏輯控制的功能，它是一種以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起

3、來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置；具有體積小，功能強(qiáng)，程序設(shè)計(jì)簡單，靈活通用，維護(hù)方便等一系列的優(yōu)點(diǎn)，特別是它的高可靠性和較強(qiáng)的適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境的能力，使PLC廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域。,原動力60年代末期，美國的汽車工業(yè)的迅速發(fā)展,在PLC問世以前，繼電器控制在順序控制領(lǐng)域中占有主導(dǎo)地位，但由繼電器構(gòu)成的控制系統(tǒng)對生產(chǎn)工藝多變化的系統(tǒng)適應(yīng)性極差： 需要使用大量的繼電器 繼電器間通過硬接線相連接 一旦工藝發(fā)生或控制要求變化，需要改變控制柜內(nèi)繼電器系 統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，甚至需要重新設(shè)計(jì)新系統(tǒng),初 衷開發(fā)新的可編程序的控制設(shè)備取代繼電器控制系統(tǒng),美國數(shù)字設(shè)備公司DEC于1969年根據(jù)通用公司的要求，研制出

4、了世界上第一臺可編程序控制器PDP-14，并在的汽車生產(chǎn)線上獲得成功應(yīng)用,二、發(fā)展,1. 發(fā)展及現(xiàn)狀 2. 發(fā)展趨勢 （1）與計(jì)算機(jī)聯(lián)系密切 （2）發(fā)展多樣化 （3）模塊化 （4）網(wǎng)絡(luò)與通信能力增強(qiáng) （5）多樣化與標(biāo)準(zhǔn)化 （6）工業(yè)軟件發(fā)展迅速,三、特點(diǎn),1. 可靠性高 2. 功能強(qiáng)大 3.簡單方便 4. 通用性強(qiáng) 5. 維護(hù)方便,四、分類,1. 從結(jié)構(gòu)上 可編程序控制器從結(jié)構(gòu)上可分為整體式和模塊式。 2. 從規(guī)模上 按PLC的輸入輸出點(diǎn)數(shù)可分為小型、中型和大型。,五、應(yīng)用,1. 工業(yè) 1）開關(guān)量控制，如邏輯、定時(shí)、計(jì)數(shù)、順序等； 2）模擬量控制，部分PLC或功能模塊具有PID控制功能，可實(shí)現(xiàn)

5、過程控制； 3）監(jiān)控，用PLC可構(gòu)成數(shù)據(jù)采集和處理的監(jiān)控系統(tǒng)； 4）建立工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，為適應(yīng)復(fù)雜的控制任務(wù)且節(jié)省資源，可采用單級網(wǎng)絡(luò)或多級分布式控制系統(tǒng)。 2. 其他行業(yè) 可編程序控制器在其他行業(yè)的應(yīng)用也日益廣泛：在國防和民用，如建筑，環(huán)保，家用電器等。, PLC的分類,按廠家分類,在我國占有較大市場份額、較有影響的公司和PLC有：,1.SIEMENS公司 80年代S5系列PLC，主要有（更早還有S3系列PLC） S590U、95U：微型PLC，整體式 S5100U：小型PLC，模塊式（提供3種型號的CPU） S5115U：中型PLC，模塊式（提供5種型號的CPU） S5115H：中型PLC，是由

6、S5115U組成的雙冗余系統(tǒng)，高可靠性 S5135U、S5155U：大型PLC，控制點(diǎn)數(shù)可達(dá)6000多點(diǎn) S5155H：大型PLC，是由S5155U組成的雙冗余系統(tǒng)，高可靠性 90年代S7系列PLC，主要有 S7200系列：小型PLC，模塊式 S7300系列：中型PLC，（事實(shí)上，這類PLC也可以構(gòu)成規(guī)模很大的系統(tǒng)） S7400系列：大型PLC,2.OMRON公司 80年代初，主要有C系列PLC，如C2000、C1000、C500、C20 隨后出現(xiàn)C系列P型機(jī)，如C20P，普通型號尾部加字母“P” 80年代后期推出H型機(jī)，如C20H、C2000H，尾部加字母“H” 還有SP系列超小型PLC，如

7、SP20/SP16/SP10，點(diǎn)數(shù)小/價(jià)格低/速度極快/體積小 90年代初期，推出大型機(jī)CV系列和小型機(jī)CQM1，前者性能比大型H機(jī)更高，后者為無底板、模塊式結(jié)構(gòu)，執(zhí)行速度比中型機(jī)C200H還快 90年代后期，中型機(jī)C200H發(fā)展到C200HS(96年)、C200H(97年)，后者組網(wǎng)能力更強(qiáng) 97年推出來P型機(jī)的升級產(chǎn)品，即CPM1A，體積小、通信功能加強(qiáng) 99年推出功能比機(jī)更完美的CS1系列PLC（代表來當(dāng)今PLC發(fā)展動向） 與此同時(shí)，還有CPM2A、CPM2C、CPM2AE等小型機(jī) 總之，有CPM1A，P型機(jī)，H型機(jī)，CQM1、CV、CV型機(jī)，型等 大、中、小、微均有，特別在中、小、微方

8、面更具特長 在中國及世界市場，都占有相當(dāng)?shù)姆蓊~。,美國GE公司、日本FANAC合資的GEFANAC 美國Modicon 公司(被施奈德兼并) 美國AB（AlienBradley） 日本三菱公司 日本日立公司 日本東芝公司 日本松下公司 日本富士公司等都生產(chǎn)PLC，并有一定的地位。 國內(nèi)PLC廠家規(guī)模多不大。例如無錫華光電子工業(yè)有限公司生產(chǎn)的SR系列PLC、和利時(shí)公司于2004年推出完全自主生產(chǎn)的小型一體化PLCHOLLiAS-LEC等等，一般國產(chǎn)PLC在價(jià)格上很有優(yōu)勢。相信會在世界PLC之林中一定有其位置的。,5.1.2結(jié)構(gòu)和工作原理,一、結(jié)構(gòu),PLC專為工業(yè)場合設(shè)計(jì)，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，

9、主要是由CPU、電源、存儲器和專門設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路等組成。圖2.1為一典型PLC結(jié)構(gòu)簡圖。,圖1結(jié)構(gòu)簡圖,PLC基本組成,PLC的產(chǎn)品很多，不同型號、不同廠家的PLC在結(jié)構(gòu)特征上各不相同，但絕大多數(shù)PLC的工作原理都基本相同。,中央處理單元CPU,存儲器,I/O接口,智能模塊,接口和擴(kuò)展接口模塊,電源模塊,編程工具,PLC基本組成,1. 中央處理單元,中央處理單元（CPU）一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個(gè)芯片上。 CPU的主要功能： 1）從存儲器中讀取指令 2）執(zhí)行指令 3）順序取指令 4）處理中斷,2. 存儲器,1）只讀存儲器 2）隨機(jī)存儲器RAM,3. 輸入輸出

10、單元,（1）輸入接口電路 （2）輸出接口電路,通常PLC的輸入類型可以是直流、交流和交直流。輸入電路的電源可由外部供給，有的也可由PLC內(nèi)部提供。圖2.2和圖2.3分別為一種型號PLC的直流和交流輸入接口電路的電路圖，采用的是外接電源。 圖2.2描述了一個(gè)輸入點(diǎn)的接口電路。其輸入電路的一次電路與二次電路用光耦合器相連，當(dāng)行程開關(guān)閉合時(shí)，輸入電路和一次電路接通，上面的發(fā)光管用于對外顯示，同時(shí)光耦合器中的發(fā)光管使三極管導(dǎo)通，信號進(jìn)入內(nèi)部電路，此輸入點(diǎn)對應(yīng)的位由0變?yōu)?。即輸入映像寄存器的對應(yīng)位由0變?yōu)?。,圖2 直流輸入電路圖,圖3交流輸入電路圖,二、工作原理,1. 循環(huán)掃描 PLC采用循環(huán)掃描工

11、作方式，這個(gè)工作過程一般包括五個(gè)階段：內(nèi)部處理、與編程器等的通信處理、輸入掃描、用戶程序執(zhí)行、輸出處理，其工作過程如圖2.4所示。 圖2.4中當(dāng)PLC方式開關(guān)置于RUN（運(yùn)行）時(shí)，執(zhí)行所有階段；當(dāng)方式開關(guān)置于STOP（停止）時(shí)，不執(zhí)行后3個(gè)階段，此時(shí)可進(jìn)行通信處理，如對PLC聯(lián)機(jī)或離線編程。,圖4 工作原理圖,可編程序控制器的輸入處理、執(zhí)行用戶程序和輸出處理過程的原理如圖2.5所示。 PLC執(zhí)行的五個(gè)階段，稱為一個(gè)掃描周期，PLC完成一個(gè)周期后，又重新執(zhí)行上述過程，掃描周而復(fù)始地進(jìn)行。,圖5程序執(zhí)行原理圖,2. 與計(jì)算機(jī)的異同,相同點(diǎn)： （1）基本結(jié)構(gòu)相同 （2）程序執(zhí)行原理相同 不同點(diǎn)： 兩

12、者的不同點(diǎn)主要體現(xiàn)在工作方式上。,3. 與繼電接觸器的異同,相同點(diǎn)： 圖形結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系相同。 不同點(diǎn)： （1）實(shí)現(xiàn)原理不同 （2）工作方式不同,5.1.3技術(shù)性能指標(biāo),1. 外形尺寸 2. 輸入輸出點(diǎn)數(shù) 3. 機(jī)器字長 4. 速度 5. 指令系統(tǒng) 6. 存儲器容量 7. 擴(kuò)展性 8. 通信功能,5.1.4編程語言,1. 梯形圖 2. 語句表 3. 邏輯符號圖 4. 高級語言,1. 梯形圖,梯形圖舉例,2. 語句表,語句表（STL）語言類似于計(jì)算機(jī)的匯編語言，特別適合于來自計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的工程人員。用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面向機(jī)器硬件的語言，STEP 7 Micro/Win32的語句表如圖3

13、.9所示。,3. 功能塊圖,功能塊圖（FBD）的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電子電路的結(jié)構(gòu)極為相似，如下圖3.11所示。,4. 其他編程語言,SIMATIC工業(yè)軟件中的工程工具中為大型或中型PLC提供了許多高級編程工具，以下簡要其中的幾種： （1）S7-SLC和 M7-Pro C/C+ （2）S7-GRAPH （3）S7-HiGraph （4）CFC,（1）S7-SLC和 M7-Pro C/C+,SLC語言,S7-SLC的語言與PASCAL非常相似，如圖3.12所示。,（2）S7-GRAPH,順序流程圖,5.2S7系列可編程控制器,德國的西門子（SIEMENS）公司是歐洲最大的電子和電氣設(shè)備制造商，生產(chǎn)的S

14、IMATIC可編程序控制器在歐洲處于領(lǐng)先地位。其第一代可編程序控制器是1975年投放市場的SIMATIC S3系列的控制系統(tǒng)。 在1979年，微處理器技術(shù)被應(yīng)用到可編程序控制器中，產(chǎn)生了SIMATIC S5系列，取代了S3系列，之后在20世紀(jì)末又推出了S7系列產(chǎn)品。 最新的SIMATIC產(chǎn)品為SIMATIC S7、M7和C7等幾大系列。,從CPU模塊的功能來看，SIMATIC S7-200系列小型可編程序控制器發(fā)展至今，大致經(jīng)歷了兩代： 第一代產(chǎn)品其CPU模塊為CPU 21X，主機(jī)都可進(jìn)行擴(kuò)展，它具有四種不同結(jié)構(gòu)配置的CPU單元：CPU 212，CPU 214，CPU 215和CPU 216，

15、對第一代PLC產(chǎn)品不再作具體介紹。 第二代產(chǎn)品其CPU模塊為CPU 22X，是在21世紀(jì)初投放市場的，速度快，具有較強(qiáng)的通信能力。它具有四種不同結(jié)構(gòu)配置的CPU單元：CPU 221，CPU 222，CPU 224和CPU 226，除CPU 221之外，其他都可加擴(kuò)展模塊。,系統(tǒng)基本構(gòu)成,SIMATIC S7-200系統(tǒng)由硬件和工業(yè)軟件兩大部分構(gòu)成，如圖所示。,S7-200 PLC系統(tǒng)組成,系統(tǒng)基本構(gòu)成 1. 硬件 （1）基本單元 （2）擴(kuò)展單元 （3）特殊功能模塊 （4）相關(guān)設(shè)備 2. 工業(yè)軟件 工業(yè)軟件是為更好地管理和使用這些設(shè)備而開發(fā)的與之相配套的程序、文檔及其規(guī)則的總和，它主要由標(biāo)準(zhǔn)工具

16、、工程工具、運(yùn)行軟件和人機(jī)接口等幾大類構(gòu)成。,主機(jī)結(jié)構(gòu),1. 各CPU介紹及I/O系統(tǒng) （1）主機(jī)外形 SIMATIC S7-200系統(tǒng)CPU 22X系列PLC主機(jī)（CPU模塊）的外形如圖3.2所示：,圖2S7-200主機(jī)外形,（2）基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn),輸出信號類型 電源輸出 基本I/O 存儲安全 高速反應(yīng) 模擬電位器 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 輸入輸出可擴(kuò)展性,4種CPU各有晶體管輸出和8繼電器輸出兩種類型，具有不同電源電壓和控制電壓。各類型的型號如表3.1所示。,表1CPU型號,SIMATIC S7-200系統(tǒng)CPU 22X系列PLC主機(jī)及I/O特性如表3.2所示。,表2主機(jī)及I/O特性,2. 存儲系統(tǒng) （1）

17、存儲系統(tǒng) （2）存儲器及使用 （3）存儲安全,圖3存儲系統(tǒng),表3存儲容量,（2）存儲器及使用 上裝和下裝用戶程序 定義存儲器保持范圍 用程序永久保存數(shù)據(jù) 存儲器卡的使用,（3）存儲安全 1）主機(jī)CPU模塊內(nèi)部配備的EEPROM，上裝程序時(shí)，可自動裝入并永久保存用戶程序、數(shù)據(jù)和CPU的組態(tài)數(shù)據(jù)。 2）用戶可以用程序?qū)⒋鎯υ赗AM中的數(shù)據(jù)備份到EEPROM存儲器。 3）主機(jī)CPU提供一個(gè)超級電容器，可使RAM中的程序和數(shù)據(jù)在斷電后保持幾天之久。 4）CPU提供一個(gè)可選的電池卡，可在斷電后超級電容器中的電量完全耗盡時(shí)，繼續(xù)為內(nèi)部RAM存儲器供電，以延長數(shù)據(jù)所存的時(shí)間。 5）可選的存儲器卡可使用戶像使

18、用計(jì)算機(jī)磁盤一樣來方便地備份和裝載程序和數(shù)據(jù)。,掃描周期及工作方式,1. 掃描周期 2. 工作方式 3. 改變CPU工作方式的方法,圖4CPU的掃描周期,1. 掃描周期,（1）輸入處理 （2）執(zhí)行程序 （3）處理通信請求 （4）執(zhí)行CPU自診斷測試 （5）寫數(shù)字輸出,2. 工作方式,（1）STOP方式 （2）RUN方式,3. 改變CPU工作方式的方法,1）用PLC上的方式開關(guān)來手動切換，方式開關(guān)有3個(gè)擋位 。 2）用STEP 7-Micro/Win32編程軟件，應(yīng)首先把主機(jī)的方式開關(guān)置于TERM或RUN位置，然后在此軟件平臺用鼠標(biāo)單擊STOP和RUN方式按鈕即可。 3）在用戶程序中用指令由RU

19、N方式轉(zhuǎn)換到STOP方式，前提是程序邏輯允許中斷程序的執(zhí)行。,輸入輸出擴(kuò)展,1. 設(shè)備連接 2. 最大I/O配置的預(yù)算 3. 輸入輸出及CPU組態(tài),1. 設(shè)備連接,圖3.5I/O擴(kuò)展示意圖,2. 最大I/O配置的預(yù)算,（1）映像寄存器數(shù)量 （2）電流提供 （3）模塊電流 （4）電流預(yù)算規(guī)則,（2）電流提供 各CPU所能提供的最大5VDC電流如表3.4所示。,（3）模塊電流CPU 22X可連接的各擴(kuò)展模塊消耗5VDC電流如表3.5所示。,3. 輸入輸出及CPU組態(tài),（1）I/O點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展和編址 （2）設(shè)置輸入濾波 （3）設(shè)置脈沖捕捉 （4）輸出表配置 （5）定義存儲器保持范圍,例如，某一控制系統(tǒng)選

20、用CPU 224，系統(tǒng)所需的輸入輸出點(diǎn)數(shù)各為：數(shù)字量輸入24點(diǎn)、數(shù)字量輸出20點(diǎn)、模擬量輸入6點(diǎn)、模擬量輸出2點(diǎn)。 本系統(tǒng)可有多種不同模塊的選取組合，表3.6所示為其中的一種可行的系統(tǒng)輸入輸出組態(tài)狀況。,若按表3.6的擴(kuò)展方式，各模塊在I/O鏈中的位置排列方式也可以有多種，圖3.6所示為其中的一種模塊連接形式。,圖6擴(kuò)展連接圖,S7-200 CPU為每個(gè)主機(jī)數(shù)字量輸入提供了脈沖捕捉功能，它可以使主機(jī)能夠捕捉小于一個(gè)掃描周期的短脈沖，并將其保持到主機(jī)讀到這個(gè)信號，但前提是只有通過濾波器后，脈沖捕捉才有效。此外，在一個(gè)給定的掃描周期內(nèi)如果有不只一個(gè)脈沖，則只有第一個(gè)脈沖可以被捕捉到，幾種情況下的脈

21、沖捕捉波形如圖3.7所示。,圖7脈沖捕捉波形圖,表722X主機(jī)主要技術(shù)指標(biāo),主機(jī)性能指標(biāo),S7-200 22X各主機(jī)的主要技術(shù)性能指標(biāo)如下表7所示。,程序結(jié)構(gòu),1. 用戶程序 （1）主程序 （2）子程序 （3）中斷處理程序 2. 數(shù)據(jù)塊 3. 參數(shù)塊,如果編程使用的是手編器，主程序應(yīng)安排到程序的最前面。其他部分的位置安排沒有嚴(yán)格的順序，但習(xí)慣上把子程序安排在中斷程序的前面。如圖3.16所示。,程序結(jié)構(gòu),相關(guān)設(shè)備,手編器 計(jì)算機(jī) 人機(jī)界面 特殊功能模塊,手編器,工業(yè)上用的各廠商的可編程序控制器的使用中，手編器曾是主要編程設(shè)備，后來出現(xiàn)了圖形輸入設(shè)備，又出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)編程軟件。通過通信設(shè)備，使PLC

22、和計(jì)算機(jī)相連，用編程軟件可直接在計(jì)算機(jī)上編程，由于計(jì)算機(jī)的顯示器屏幕較大，對程序的編制和修更加方便高效。但即使是現(xiàn)在，手編器的使用仍十分廣泛，特別是用小型和微型PLC實(shí)現(xiàn)的小規(guī)模系統(tǒng)。,計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)包括個(gè)人計(jì)算機(jī)和工業(yè)計(jì)算機(jī)，在可編程序控制器系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮著越來越重要的作用，幾乎PLC系統(tǒng)從工程項(xiàng)目開發(fā)、編程、調(diào)試到系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)，計(jì)算機(jī)越來越成了不可缺少的工具。,人機(jī)界面,1. 構(gòu)造特點(diǎn) 文本顯示區(qū)：可顯示兩行信息（每行20個(gè)字符）的液晶顯示LCD 。 按鍵：共有9個(gè)鍵 。 通信：通過TD/CPU電纜（通用RS232接口）可以提供可編程序控制器與TD 200的通信，同時(shí)可以提供TD的電源，而不必再另接電源。 電源：如果不用TD/CPU通信電纜，可以通過面板右側(cè)的電源接口連接外部電源。,2. 主要功能 可以顯示從CPU主機(jī)讀出的信息（如讀取指令、數(shù)據(jù)、當(dāng)前值及狀態(tài)）；可以調(diào)整運(yùn)行中選定的程序變量；可以提供對輸入輸出點(diǎn)的強(qiáng)制功能；可以為實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)置日期和時(shí)間；支持多種語言形式的菜單和提示并支持中文。,工業(yè)軟件的特點(diǎn)