电气控制与PLC-第五章.ppt

7070年代以前的控制系统年代以前的控制系统继电器控制系统继电器控制系统 ：将继电器：将继电器,定时定时器器,接触器等电气元件按一定的逻接触器等电气元件按一定的逻辑关系连接起来辑关系连接起来,组成控制系统组成控制系统2021/9/151继电器控制系统的优缺点继电器控制系统的优缺点:优点优点:结构简单结构简单,容易容易掌握掌握,价格便宜价格便宜 适用于工作模式固定适用于工作模式固定,工作方式简单的场合工作方式简单的场合缺点缺点:对大系统对大系统,设计设计连线复杂连线复杂,控制柜庞大控制柜庞大,故障点多故障点多,维修困难维修困难,通用性、灵活性差。不通用性、灵活性差。不支持网络通讯。支持网络通讯。2021/9/152可编程控制器技术2021/9/153第五章 可编程控制器概述内 容 提 要可编程控制器的基本概念可编程控制器的特点及应用可编程控制器的发展可编程控制器的组成及各部分功能可编程控制器的工作原理可编程控制器系统与继电接触器系统的区别2021/9/154PLC(Programmable Logic Controller)国际电工委员会给出的定义（国际电工委员会给出的定义（1987年）年）PLC是一种专门为在是一种专门为在工业环境下工业环境下应用而设计的应用而设计的数字运算操作的电子装置数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或者模拟式的输入和输出，令，并能通过数字式或者模拟式的输入和输出，控制控制各种类型的机械或生产过程各种类型的机械或生产过程。PLC及其有及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。一 可编程控制器的基本概念2021/9/155一 可编程控制器的基本概念可编程序控制器是以微处理器为基础，可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。自动控制装置。PLC目前已成为一种最重要、最普及、目前已成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器。与机器人、应用场合最多的工业控制器。与机器人、数控技术并称为工业生产自动化的三大数控技术并称为工业生产自动化的三大支柱。支柱。2021/9/1561968年年 美国美国GM汽车公司提出的汽车公司提出的替代继电替代继电器器控制系统的新型控制器的控制系统的新型控制器的十项指标十项指标：1）编程简单、现场可编程简单、现场可修改程序；修改程序；2）维护方便、采用插）维护方便、采用插件式结构；件式结构；3）可靠性高于继电器）可靠性高于继电器控制系统；控制系统；4）体积小于继电器控）体积小于继电器控制系统；制系统；5）数据可以直接送入）数据可以直接送入计算机；计算机；6）成本可与继电器系）成本可与继电器系统竞争；统竞争；7）输入可为）输入可为115V；8）输出可为）输出可为115V，2A，能直接驱动电磁阀、，能直接驱动电磁阀、交流接触器等；交流接触器等；9）通用性强、易于扩）通用性强、易于扩展；展；10）用户存储器大于）用户存储器大于4K。二 可编程控制器的诞生与发展2021/9/157PLC 的的 产生与发展产生与发展第一代：从第一台第一代：从第一台PLC诞生到上个世纪诞生到上个世纪70年代初年代初第二代：第二代：70年代初至年代初至70年代末年代末 CPU使用中小规模集成电路，采用磁芯存储器。使用中小规模集成电路，采用磁芯存储器。CPU使用微处理器，采用半导体存储器使用微处理器，采用半导体存储器EPROM。可靠性较差，略强于继电器控制。可靠性较差，略强于继电器控制。机种单一，没形成系列。机种单一，没形成系列。有了计算机接口和模拟量控制功能。有了计算机接口和模拟量控制功能。可靠性提高。可靠性提高。整机功能向系列化、标准化发展，并由专用向通用方向过渡。整机功能向系列化、标准化发展，并由专用向通用方向过渡。功能简单（只有计数功能简单（只有计数/定时功能）。定时功能）。功能增强（增加逻辑功能增强（增加逻辑/数据运算、数据处理、自诊断等功能）。数据运算、数据处理、自诊断等功能）。2021/9/158第三代：第三代：80年代初期年代初期 CPU使用使用8或或16位微处理器甚至多微处理器，采用半位微处理器甚至多微处理器，采用半导体存储器导体存储器EPROM、CMOSRAM等。等。增加浮点数运算，平方、三角函数等运算。增加浮点数运算，平方、三角函数等运算。增加查表、列表功能。增加查表、列表功能。自诊断及容错技术提高。自诊断及容错技术提高。梯形图语言及语句表成熟。梯形图语言及语句表成熟。小型小型PLC体积减小、可靠性提高、成本下降。体积减小、可靠性提高、成本下降。大型大型PLC向模块化、多功能方向发展。向模块化、多功能方向发展。2021/9/159 第四代：第四代：80年代中期到年代中期到90年代中期年代中期第五代：第五代：90年代中期之后年代中期之后 增加高速计数、中断、增加高速计数、中断、A/D、D/A、PID等功能。等功能。处理速度进一步提高（处理速度进一步提高（1 s/步步）。）。连网功能增强。连网功能增强。编程语言进一步完善，开发了编程软件。编程语言进一步完善，开发了编程软件。CPU使用使用16位或位或32位微处理器。位微处理器。PLC的的I/O点增加，最多可达点增加，最多可达32K个个I/O点。点。处理速度进一步提高（处理速度进一步提高（1ns/步步）。）。PLC都可以与计算机通信。都可以与计算机通信。具有强大的数值运算、函数运算、大批量数据处理的功能。具有强大的数值运算、函数运算、大批量数据处理的功能。开发了大量的特殊功能模块。开发了大量的特殊功能模块。编程软件功能更强大。编程软件功能更强大。不断开发出功能强大可编程终端。不断开发出功能强大可编程终端。2021/9/1510PLC及其控制系统的发展趋势及其控制系统的发展趋势 PLC的性能的性能 对小型对小型PLC 对大中型对大中型PLC向着更大容量、更高速度、更多的功能、更高的可靠向着更大容量、更高速度、更多的功能、更高的可靠性、易于连络通信的方向发展。使之更利于对大规模、性、易于连络通信的方向发展。使之更利于对大规模、复杂系统的控制。复杂系统的控制。向着体积更小、速度更高、功能增强、价格低廉的方向着体积更小、速度更高、功能增强、价格低廉的方向发展。使之更利于取代继电器控制。向发展。使之更利于取代继电器控制。2021/9/1511PLC的特点的特点可靠性高，抗干扰能力强可靠性高，抗干扰能力强配套齐全，功能完善，适用性强配套齐全，功能完善，适用性强 编程方法简单，容易掌握编程方法简单，容易掌握，深受工程技，深受工程技术人员欢迎术人员欢迎系统设计周期短，维护方便，改造容易系统设计周期短，维护方便，改造容易 体积小、重量轻、功耗低体积小、重量轻、功耗低三 可编程控制器的特点及应用2021/9/1512PLC的应用的应用开关量逻辑控制开关量逻辑控制 模拟量控制模拟量控制运动控制运动控制 闭环过程控制闭环过程控制 数据处理数据处理 通讯联网通讯联网2021/9/1513可编程控制器的组成四 可编程控制器的组成及其功能2021/9/1514系统的控制中枢，由控制电路、运系统的控制中枢，由控制电路、运算器、寄存器组成。算器、寄存器组成。功能：功能：1)接受并存储从编程器键入的用户接受并存储从编程器键入的用户程序和数据。程序和数据。2)检查硬件的工作状态，如：电源、检查硬件的工作状态，如：电源、存储器、存储器、I/O以及定时器的状态，并以及定时器的状态，并诊断用户程序的语法错误。诊断用户程序的语法错误。3)运行时，读指令运行时，读指令执行指令执行指令取取下一条指令，处理中断。下一条指令，处理中断。CPU单元：单元：CS1G-H（一）中央处理器（一）中央处理器(CPU)2021/9/1515（二）存储器（二）存储器 存储器一般由存储体、地址译码电路、读写控制电路和数存储器一般由存储体、地址译码电路、读写控制电路和数据寄存器组成。用于存放系统程序、用户程序、逻辑变量和据寄存器组成。用于存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他信息。其他信息。常用的存储器：常用的存储器：1）只读存储器（）只读存储器（ROM）存放系统程序。存放系统程序。2）随随机机存存储储器器（RAM）存存入入用用户户程程序序、逻逻辑辑变变量量和和其其他他一一些些信信息息。PLC使使用用锂锂电电池池作作为为RAM的的备备用用电电源源，或或采采用用快闪存储器（如快闪存储器（如CPM1A）。）。2021/9/1516（三）输入、输出接口（三）输入、输出接口 功能：功能：在在内内部部，由由于于本本身身工工作作电电压压比比较较低低（一一般般5V左左右右），而而输输入入、输输出出信信号号电电压压一一般般比比较较高高（如如直直流流24V和和交交流流220V），所所以以不不能能直直接接与与外外部部输输入入、输输出出装装置置连连接接，而而由由输输入入、输输出出接接口口电电路路转转接接。这这样样，输输入入、输输出出接接口口电电路路除除了了传传递递信信号号外外，还还有有电电平平转转换换和和噪噪声隔离的作用。声隔离的作用。输入单元：输入单元：ID212输出单元：输出单元：OC2252021/9/1517 1.输入接口电路输入接口电路 输入接口电路将现场输入的信号输入接口电路将现场输入的信号变成变成CPU能接受的信号。按信号电源能接受的信号。按信号电源的不同可分为直流输入和交流输入两的不同可分为直流输入和交流输入两种类型。种类型。2021/9/1518 1）直流输入接口电路）直流输入接口电路 两个电阻的作用分两个电阻的作用分别是分压和限流。别是分压和限流。光耦合器光耦合器:抗干扰抗干扰,将电信号转换为光信号将电信号转换为光信号进行传输；电平转换，进行传输；电平转换，将将DC24V输入信号转输入信号转换成换成TTL（5V）标准）标准信号。信号。2021/9/1519 两个电阻的作用分两个电阻的作用分别是分压和限流。别是分压和限流。电容是滤波的。电容是滤波的。光耦合器光耦合器:抗干扰抗干扰,将电信号转换为光信号将电信号转换为光信号进行传输；电平转换，进行传输；电平转换，将将DC24V输入信号转换输入信号转换成成TTL（5V）标准信号。）标准信号。2021/9/15202）交流输入接口电路）交流输入接口电路2021/9/1521 2.输出接口电路输出接口电路 输出接口电路将输出接口电路将CPU的决策的决策信号变成驱动控制对象执行的控信号变成驱动控制对象执行的控制信号制信号。输出接口电路有三种形。输出接口电路有三种形式：继电器式、晶体管式和晶闸式：继电器式、晶体管式和晶闸管式。管式。2021/9/15221）继电器式输出接口电路）继电器式输出接口电路继电器：既是输出开关器件，又是隔离器件。继电器：既是输出开关器件，又是隔离器件。R和和LED组成输出状态显示器。组成输出状态显示器。R和和C组成组成RC灭弧电路。灭弧电路。继电器触点动作的响应时间约为继电器触点动作的响应时间约为10ms。继电器输出模块的负载回路，可选用直流电源，也可选用交流继电器输出模块的负载回路，可选用直流电源，也可选用交流电源。电源。在电阻性负载时，输出的最大负载电流为在电阻性负载时，输出的最大负载电流为2A/点点2021/9/15232）晶体管式输出接口电路）晶体管式输出接口电路晶体管为输出开关器件，光耦合器为隔离器件。晶体管为输出开关器件，光耦合器为隔离器件。晶体管输出模块所带负载只能使用直流电源。晶体管输出模块所带负载只能使用直流电源。在电阻性负载时，最大负载电流为在电阻性负载时，最大负载电流为0.5A/点，通断响应点，通断响应时间均时间均0.2ms。2021/9/15243）晶闸管式输出接口电路）晶闸管式输出接口电路双向晶闸管为输出开关器件，由他组成的固态继电器双向晶闸管为输出开关器件，由他组成的固态继电器（AC SSR）具有光电隔离作用，作为隔离元件。具有光电隔离作用，作为隔离元件。R与与C组成高频滤波电路。组成高频滤波电路。双向晶闸管开通响应时间双向晶闸管开通响应时间1ms，关断响应时间关断响应时间10ms。在输出负载回路中的电源只能选用交流电源。在输出负载回路中的电源只能选用交流电源。2021/9/1525 （四）电源（四）电源PLC的电源分两类：的电源分两类：1）开开关关电电源源 用用于于驱驱动动PLC各各个个工工作部分的电源。作部分的电源。2）后备电源）后备电源 在停机或突然失电时，在停机或突然失电时，保证保证RAM中的信息不丢失。中的信息不丢失。电源单元：电源单元：PA209R2021/9/1526（五）外部设备（五）外部设备编程器一般都具有下列编程器一般都具有下列5种功能：种功能：1）编辑功能）编辑功能 2）编程功能）编程功能 3）监视功能）监视功能 4）检查功能）检查功能 5）命令功能）命令功能 编程器还具有与编程器还具有与EPROM写入器、写入器、打印机、盒式录音机等外围设备通打印机、盒式录音机等外围设备通信的功能。信的功能。计算机应用相应的编程软件也可作计算机应用相应的编程软件也可作为为PLC的编程器。的编程器。2021/9/1527 PLC与编程器的连接与编程器的连接2021/9/15281 可编程控制器的结构（一）单元式（一）单元式把把CPU、RAM、ROM、I/O接口、编程器或接口、编程器或EPROM写入器相连的接口、输入输出端子、电源、指示灯等写入器相连的接口、输入输出端子、电源、指示灯等装配在一起的整体装置。装配在一起的整体装置。优点：结构紧凑，体积小，成本低，安装方便。优点：结构紧凑，体积小，成本低，安装方便。缺点：输入输出点数是固定的，不一定能适合具体的缺点：输入输出点数是固定的，不一定能适合具体的控制现场的需要。控制现场的需要。有时整体有时整体PLC的输入口或输出口要扩展，这就又需要的输入口或输出口要扩展，这就又需要一种只有一些接口而没有一种只有一些接口而没有CPU也没有电源的装置。也没有电源的装置。为了区分这二种装置，人们把前者叫做基本单元，而为了区分这二种装置，人们把前者叫做基本单元，而把后者叫做扩展单元。把后者叫做扩展单元。五 可编程控制器的结构及软件 按硬件的结构类型分类按硬件的结构类型分类2021/9/15292021/9/1530（二）模块式结构（二）模块式结构模块式结构又叫积木式。模块式结构又叫积木式。把把PLC的每个工作单元都制成独立的模块，如的每个工作单元都制成独立的模块，如CPU模块，输入模块，输出模块，电源模块，模块，输入模块，输出模块，电源模块，通讯模块等等。另外有一块带有插槽的母板，通讯模块等等。另外有一块带有插槽的母板，实质上就是计算机总线。把这些模块按控制系实质上就是计算机总线。把这些模块按控制系统需要选取后，都插到母板上，就构成一个完统需要选取后，都插到母板上，就构成一个完整的整的PLC。特点：系统构成非常灵活，安装，扩展，维修特点：系统构成非常灵活，安装，扩展，维修都很方便。都很方便。缺点是体积比较大。缺点是体积比较大。2021/9/15312021/9/1532（三）叠装式结构（三）叠装式结构叠装式结构是单元式和模块式相结合的叠装式结构是单元式和模块式相结合的产物。产物。将将CPU，I/O口及电源模块仍然作成独口及电源模块仍然作成独立的，不使用模块式立的，不使用模块式PLC中的母板，采中的母板，采用电缆联接各个单元，在控制设备中安用电缆联接各个单元，在控制设备中安装时可以一层层地安装。装时可以一层层地安装。特点：配置灵活，体积小。特点：配置灵活，体积小。2021/9/15331）超小型，）超小型，I/O点数点数64点点2）小型机，）小型机，64点点 I/O点数点数256点，如点，如OMRON公司的公司的C-60P。3）中型机，）中型机，128点点 I/O总点数总点数512点，如美国公司的点，如美国公司的PLC5系列产品。系列产品。4）大型机，）大型机，512点点 I/O总点数总点数8192点，如德国点，如德国Siemens公司的公司的S5-150U。5）超大型，）超大型，I/O总点数总点数8192点点 按应用规模及功能分类按应用规模及功能分类2021/9/15342 可编程控制器的软件软件的分类软件的分类 PLC的软件包含系统软件和应用软件两种。的软件包含系统软件和应用软件两种。（一）系统软件（一）系统软件 系统软件包含系统的管理程序，用户的解释系统软件包含系统的管理程序，用户的解释程序，另外还包括一些供系统调用的专用标程序，另外还包括一些供系统调用的专用标准程序块等。准程序块等。系统管理程序用以完成机内运行相关时间分系统管理程序用以完成机内运行相关时间分配、存储空间分配管理及系统自检等工作。配、存储空间分配管理及系统自检等工作。用户指令的解释程序用以完成用户指令变换用户指令的解释程序用以完成用户指令变换为机器码的工作。为机器码的工作。2021/9/1535（二）应用软件（二）应用软件 应用软件也叫做用户软件。是用户应用软件也叫做用户软件。是用户为达到某种控制目的，采用为达到某种控制目的，采用PLC厂家提厂家提供的编程语言自主编制的程序。同一台供的编程语言自主编制的程序。同一台PLC用于不同控制目的时就需要编制不用于不同控制目的时就需要编制不同的应用软件。用户软件存入同的应用软件。用户软件存入PLC后如后如需要改变控制目的可多次改写。需要改变控制目的可多次改写。2021/9/1536 应用软件编程语言的表达方式应用软件的编制需使用可编程控制器生应用软件的编制需使用可编程控制器生产厂方提供的编程语言。不同的产厂方提供的编程语言。不同的PLC使使用不同的编程语言。用不同的编程语言。梯形图梯形图指令表指令表顺序功能表顺序功能表功能块图功能块图结构文本结构文本2021/9/15371 1、梯形图（、梯形图（Ladder DiagramLadder Diagram）梯形图语言是一种以图形符号及其在图中的相梯形图语言是一种以图形符号及其在图中的相互关系表示控制关系的编程语言。互关系表示控制关系的编程语言。2021/9/15382、指令表（指令表（instruction list）指令表也叫语句表指令表也叫语句表程序由一条一条语句来表示，它和微机的指令程序由一条一条语句来表示，它和微机的指令一样，也是由操作码和操作数组成的。一样，也是由操作码和操作数组成的。l 操作码：表示哪一种操作和运算。操作码：表示哪一种操作和运算。l 操作数：包含执行该操作所必需的信息，指明操作数：包含执行该操作所必需的信息，指明CPU用哪个存储器的什么内容来执行此操作。用哪个存储器的什么内容来执行此操作。2021/9/15393、顺序功能图（、顺序功能图（Sequential function chart）顺序功能图常用来编制顺序控制类程序顺序功能图常用来编制顺序控制类程序.2021/9/15404、功能块图（、功能块图（Function block diagram）功能块图是一种类似于数字逻辑的编程语功能块图是一种类似于数字逻辑的编程语言，熟悉数字电路的人比较容易掌握。言，熟悉数字电路的人比较容易掌握。没有梯形图编程器中的触点和线圈，没有梯形图编程器中的触点和线圈，FBD编程语言有利于程序流的跟踪编程语言有利于程序流的跟踪.2021/9/15415、结构文本（、结构文本（Structured Text）高级语言：高级语言：basic、c语言语言2021/9/1542 六 可编程控制器的工作原理 1、工作原理工作原理 PLC采用循环扫描采用循环扫描的工作方式。的工作方式。当处于当处于RUN状态时，状态时，包括包括内部处理、通讯内部处理、通讯操作、输入处理、程操作、输入处理、程序执行、输出处理序执行、输出处理五五个阶段。全过程扫描个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为一次所需的时间称为扫描周期。扫描周期。当处于当处于STOP状态时，状态时，只执行内部处理和通只执行内部处理和通信操作。信操作。2021/9/15432021/9/15442、输入输出滞后时间系统响应时间，是指系统响应时间，是指PLCPLC外部输入信号发生外部输入信号发生变化的时刻开始到它控变化的时刻开始到它控制的有关外部输出信号制的有关外部输出信号发生变化的时刻为止之发生变化的时刻为止之间的时间间隔。间的时间间隔。组成：组成：1.1.输入电路的滤波时间输入电路的滤波时间2.2.输出模块的滞后时间输出模块的滞后时间3.3.因扫描工作方式产生因扫描工作方式产生的滞后时间的滞后时间2021/9/1545继电器控制电路和继电器控制电路和PLC梯形图的异同点梯形图的异同点 1.相同点相同点 图图形形符符号号基基本本类类似似，结结构构形形式式基基本本相相同同，输输入入、输出逻辑关系基本一致。输出逻辑关系基本一致。七 可编程控制器控制系统与继电接触器控制系统区别2021/9/15462.不同点：不同点：1）组成器件不同）组成器件不同 真真实实虚虚拟拟，硬硬件件软软件件（PLC内内部部存存储储单单元元中中的的一一位位，可可称称为为“软软继电器继电器”）2）触点情况不同）触点情况不同 结结构构：硬硬件件软软件件（由由存存储储器器中中相相应应位位的的状状态态1或或0来来决决定定的的,可可称称为为“软触点软触点”）数量：有限数量：有限很多，寿命：有限很多，寿命：有限很长。很长。3）工作电流不同）工作电流不同 实际电流实际电流信息流（实质是程序的运算过程，可称为信息流（实质是程序的运算过程，可称为“能流能流”）。）。4）接线方式不同）接线方式不同 逐根连接逐根连接修改程序。修改程序。5）工作方式不同）工作方式不同 立即方式（并行）立即方式（并行）循环扫描方式（串行）。循环扫描方式（串行）。2021/9/1547