可编程控制器.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流可编程控制器.精品文档.可编程控制器Programmable Controller (Programmable Logic Controller)授课教师:李剑中开设可编程序控制器课程的目的可编程序控制器简称PC。本课程是工科机电类学生学习和掌握可编程序控制器的基本知识、编程方法和工程应用的专业课。该课程的任务是从应用角度出发,通过学习使学生掌握PC的硬件结构、基本原理、指令系统及编程方法,学会分析PC控制系统,具有初步应用PC设计机电控制系统的能力,并了解机电控制系统从设计、安装、编程、调试到实施的整个过程,为毕业后应用PC解决实际机电控制
2、问题打下基础。第一章 概论1.1可编程控制器的产生1.2可编程控制器的定义1.3可编程控制器的特点1.4可编程控制器的应用1.5可编程控制器的发展1.1可编程控制器的产生1968年,美国最大的汽车制造商通用汽车公司从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件,旨在寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器,立即引起了开发热潮。 1969年,美国数字设备公司(DEC公司)首先研制成功第一台可编程控制器PDP14。接着,美国MODICON公司也开发出同名的控制器084。1971年,日本从美国引进了此项新技术,研制出日本第一台可编程控制器DSC8。1973年,西欧国家研制出自己
3、的第一台可编程控制器。1974年,中国开始研制,并于1977年开始应用于工业。 早期的可编程控制器是为取代继电器控制线路,采用存储程序指令完成顺序控制而设计的。仅具有逻辑运算、计时、计数等顺序控制功能,用于开关量控制。故通常将可编程控制器简称为PLC(Programmable Logic Controller)即可编程逻辑控制器。70年代,PLC开始采用通用微处理器,功能不断增强,不再限于当初的逻辑运算。因此,目前被称为PC可编程控制器(Programmable Controller)。 80年代,PC在概念、设计、性能价格比以及应用方面都有了新的突破。不仅控制功能增强,功耗、体积减小,成本下
4、降,可靠性提高,编程和故障检测更为灵活方便,而且远程I/O和通信网络、数据处理以及图像显示的发展,已经使PC向用于连续生产过程控制发展,成为实现工厂自动化的一大支柱。 1.2可编程控制器的定义 可编程控制器一直在发展中,因此直到目前为止,尚未能对其下最后的定义美国电气制造商协会NEMA(National Electrical Manufactures Association)在1980年给PC做了如下定义: “PC是一个数字式的电子装置,它使用了可编程序的记忆体以储存指令,用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与验算等功能,并通过数字或模拟的输入和输出,以控制各种机械或生产过程。一部数字电子计算机
5、若是用来执行PC之功能者,亦被视同为PC,但不包括鼓式或机械式顺序控制器。” 国际电工委员会(IEC)曾于1982年11月颁发了可编程控制器标准草案第一稿,1985年1月又发表了第二稿,1987年2月颁发了第三稿。该草案中对可编程控制器的定义是:可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时,计数和算术运算等操作的指令,并通过数字式和模拟式的输入和输出,控制各种类型机械的生产过程。可编程控制器及其有关外围设备,都按易于与工业系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。 定义强调了可编程控制器应直接应用
6、于工业环境,须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和应用范围。这是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。可编程控制器与以往的鼓式、机械式的顺序控制器在“可编程”方面有质的区别。由于PC引入了微处理机及半导体存储器等新一代电子器件,并用规定的指令进行编程,能灵活的修改,也就是说可以用软件方式来实现“可编程”的目的。什么是可编程控制器?就是现场可编程的工业控制计算机。采用面向用户指令,在现场用软件方式编程,完成逻辑运算、顺序控制、定时控制与算术操作,具有数字量和模拟量输入输出控制能力,灵活扩充,为在工业环境下应用而设计的专用计算机。1.3可编程控制器的特点一、可靠性高,抗干扰能力强 工业生产一般对
7、控制设备的可靠性提出很高的要求,应具有很强的抗干扰能力,能在恶劣的环境中可靠地工作,平均故障间隔时间(MTBF,Mean Time Between Failures,也叫平均无故障时间)高,故障修复时间短。这也是PC控制优于微机控制的一大特点。 电子设备的故障通常有两种:偶发性故障:由于外界恶劣环境,如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压等引起的故障。可恢复故障永久性故障:由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。 为消除故障在硬件、软件上采取提高可靠性的主要措施有:硬件措施:1.屏蔽2.滤波3.电源调整与保护4.隔离5.采用模块式结构 软件措施:1.故障监测2.信息保护和恢复3.设置了警戒时
8、钟WDT4.加强对程序的检查和校验5.对程序及动态数据进行电池后备 二、控制程序可变,具有很好的柔性在生产工艺流程改变或生产线设备更新的情况下,不必改变PC的硬设备,只需改编程序就可以满足要求。所以PC可以取代传统的继电器控制,而且具有继电器控制所不具备和无可比拟的优点。 三、编程简单,使用方便是PC优于微机的另一特点 四、功能完善 五、扩充方便,组合灵活六、减少了控制系统设计及施工的工作量七、体积小、重量轻、是“机电一体化”特有的产品。PC技术代表了当前电气程序控制的世界先进水平,PC与数控技术和工业机器人已成为机械工业自动化的三大支柱1.4可编程控制器的应用顺序控制运动控制过程控制数据处理
9、通信1.5可编程控制器的发展国外PC及其发展概况 (一)国外PC产业发展概况(二)国外PC应用概况(三)PC技术发展动向 1.产品规模向大、小两个方向发展2.PC向过程控制渗透与发展3.PC加强了通信功能4.新器件和模块不断推出5.编程工具丰富多样,功能不断提高,编程语言趋向标准化6.发展容错技术7.追求软硬件的标准化。 国内PC发展及其应用概况 (一)国内PC发展概况(二)国内PC应用概况 第二章 可编程控制器的基本原理2.1 PC的基本控制原理2.2 PC硬件框图及各部分的作用2.3 PC系统控制软件框图及特点2.4 PC与微机及继电器控制的区别2.1 PC的基本控制原理一、PC的基本组成
10、继电器控制系统 任何一种继电器控制系统由三个基本部分组成,即输入部分,逻辑部分和输出部分。其中,输入部分是指各类按钮、行程开关、接近开关、转换开关等;逻辑部分是指由各种继电器及其触点组成的实现一定逻辑功能的控制线路;输出部分是指各种电磁阀线圈、接通电动机的各种接触器以及信号指示灯等执行电器。图2-1 是一个很简单的继电器控制系统,它控制指示灯的接通和断开。工作过程:当X1或X2任何一个按钮按下后,继电器线圈Y1接通,继电器Y1的常开触点闭合,指示灯红灯点亮。此时,时间继电器T1(整定值是20s)同时接通,并开始计时。当时间继电器线圈接通20s后,继电器线圈Y2接通,继电器Y2的常开触点接通指示
11、灯绿灯。 由这个简单指示灯的继电器控制线路中可以知道,继电器控制系统是根据各种输入条件去执行逻辑控制线路。逻辑线路是一种按被控制对象实际需要的动作要求而设计,并由许多继电器按某种固定方式接好的控制线路。由于是固定接好的控制线路,所以不能灵活变更逻辑控制功能。由逻辑线路的动作结果去驱动执行电器。PC控制系统 PC控制系统也由输入部分、逻辑部分和输出部分组成,如下图所示。各部分主要作用输入部分:收集并保存被控对象实际运行的数据和信息。逻辑部分:处理输入部分所取得的信息,并按照被控对象 实际的动作要求做出反应。输出部分:提供正在被控制的许多装置中,哪几个设备需 要实时操作处理。教材P11:图2-3
12、PC控制系统图PC采用由大规模集成电路构成的微处理器和存储器来组成逻辑部分。PC的制造厂家对微处理机进行了软硬件的开发,为用户提供了许多适用于电气控制的逻辑部件。例如继电器逻辑、定时器、计数器、寄存器等。同时也提供了描述这些逻辑部件的符号和语句,也就是PC的编程语言。 PC基本控制原理:PC通过编程器编制控制程序,即将PC内部的各种逻辑部件按照控制工艺进行组合以达到一定的逻辑功能。PC将输入信息采入PC内部,之后执行逻辑部件组合后所达到的逻辑功能,最后输出达到控制要求。二、PC的主要逻辑部件1 继电器逻辑用逻辑与、逻辑或、逻辑非等逻辑运算来处理各种继电器的连接。PC中所说继电器是一个逻辑概念,
13、有时称为“软继电器”,与通常的物理继电器相比主要有以下三个特点:体积小、功耗低无触点、速度快、寿命长有无数多个常开,常闭接点供程序使用,在使用中不必考虑接点的容量。PC一般为用户提供以下几种继电器:输入继电器:接收来自控制现场的各种信号。输出继电器:具备一对物理接点,可以串接在负载回路中,对应的物理元件有继电器、晶闸管和晶体管。内部继电器:与外界没有联系,仅作运算的中间结果使用。有时也称作辅助继电器或中间继电器。它们又分为掉电不保护的继电器和掉电保护的继电器。以欧姆龙(OMRON)C系列PC为例,C20为用户提供80个输入继电器,60个输出继电器,136个掉电不保护和160个掉电保护的内部中间
14、继电器。2 定时器逻辑PC一般采用硬件定时中断、软件计数方法实现定时逻辑功能。定时器一般包括:定时条件。控制定时器操作。定时语句。指定所使用的定时器,给出定时设定值。定时器的当前值。记录定时时间。定时继电器。定时器到达设定的定时值时为ON,未开始定时或未达到定时设定值时为OFF。以C系列PC为例,C20为用户提供48个定时器,C120和C500为用户提供了128个定时器。定时时间为0.1-999.9s或0.01-99.99s3 计数器逻辑PC为用户提供了若干个计数器,并由软件实现,一般采用递减计数。一个计数器包括有以下几个内容:计数器的复位信号计数器的计数信号计数器设定值的记忆单元计数器当前计
15、数值单元计数继电器:计数到时输出ON,计数未到或复位时输出OFF。欧姆龙(OMRON)C20为用户提供48个计数器,C120和C500为用户提供了128个计数器。计数器计数范围为0-9999。计数器有复位输入和计数脉冲输入。4 触发器逻辑PC为用户提供触发器,用来记忆某些信息。该触发器逻辑可以被置位成“1”,或复位成“0”。触发器有置位输入(S)和复位输入(R)。5 移位寄存器PC为用户提供移位寄存器。移位寄存器由填充输入IN、移位脉冲输入CP和复位输入R 组成。6 数据存储器PC为用户提供若干个数据寄存器。其作用是存放数据。欧姆龙(OMRON)C系列PC可对16位字长的数据进行加、减、乘、除
16、、比较、开方等多种运算。三、PC的编程语言PC编程语言通常有三种:梯形图、功能图和布尔逻辑编程1 梯形图编程梯形图编程有时又称继电器梯形逻辑图编程。它和以往的继电器控制线路十分接近,是当今使用最为广泛的编程方法。图2-4是典型的梯形图示意图PC梯形图的一个关键概念:能流2 功能图编程功能图编程是一种较新的编程方法。作用:用功能图来表达一个顺序控制过程。图2-5是利用功能图编程实现顺序钻孔的例子。数字代表顺序步。3 布尔逻辑编程布尔逻辑包括“与”(AND)、 “或”(OR)、 “非”(NOT)以及定时器、计数器、触发器等。图2-6是布尔逻辑代数编程例。图2-7是三种编程语言的比较。总结PC由三部
17、分组成,即输入部分、逻辑部分、输出部分。PC的逻辑部分是PC的关键,PC提供了各种逻辑部件,同时提供了组合这些逻辑部件的编程语言。PC将各种输入信号采入到PC内部,之后根据编程语言所组合的控制逻辑来执行规定的输出。图2-8对PC的控制过程作了解剖分析。2.2 PC硬件框图及各部分作用图2-9是PC的原理框图,图2-10是超小型PC的硬件框图。可以看出,PC应用了计算机技术,并在IO接口做了特殊处理。它实质上是一种专用计算机,其内部采用了由大规模集成电路构成的微处理器和存储器等。一、PC内部主要部件功能1、CPU它是PC的核心组成部分,与通用微机的CPU一样,它在PC系统中的作用类似于人体的神经
18、中枢,故称为“电脑”。其功能是:1 按PC中系统程序赋予的功能,接收并存储从编程器输入的用户程序和数据;2 用扫描方式接收现场输入装置的状态或数据,并存入输入映像寄存器或数据寄存器中;3诊断电源、PC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误;4PC进入运行状态后,从存储器中逐条读取用户程序,经命令解释后,按指令规定的任务,产生相应的控制信号,去启闭有关控制门电路等。2、系统程序存储器用以存放系统各种工作程序(监控程序)及各种的系统参数。3、用户存储器用以存放用户程序即存放通过变成器输入的用户程序。4、输入输出组件(I/O模块)I/O模块是CPU与现场I/O装置或其他外部设备之间的连接部件。图2-
19、11是一个输入输出线路图的实际例子。5、编程器编程器是用于用户程序的编制、编辑、调试检查和监视。还可以通过键盘去调用和显示PC的一些内部状态和系统参数。6、外部设备7、电源二、PC中常用的CPU及其特征1.PC常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机或双极型位片式微处理器。2.通用微处理器常用的是8位机和16位机,如Z80A、8085、8086、6502、M6800、M6809、M68000等。3.单片机常用的有8039、8049、8031、8051等。4.双极型位片式微处理器常用的有AM2900、AM2903等。5.在小型PC中,大多采用8位微处理器和单片机;中型PC,大多采用16位微处理器
20、或单片机;大型PC,大多采用高速位片机。2.3 可编程控制器系统控制软件框图及其特点1、PC系统控制软件框图图212是超小型PC监控程序框图。2、PC工作过程的特点(1) PC的工作过程是周期性循环扫描的过程图213是PC系统周期循环扫描的工作原理图用户程序通过编程器或其他输入设备输入存放在PC 的用户存储器中。当PC开始运行时,CPU 根据系统监控程序的规定顺序,通过扫描,完成各输入点的状态采集或输入数据采集、用户程序的执行、各输出点状态更新、编程器键入响应和显示更新、及CPU自检等功能。PC的扫描既可按固定顺序进行,也可按用户程序规定的可变顺序进行。 这不仅仅因为有的程序不需要每扫描一次就
21、执行一次,也因为在一个大控制系统中,需要处理的I/O点数较多。通过不同的组织模块的安排,采用分时分批扫描执行的方法,可缩短扫描周期和提高控制的实时响应性。 (2)PC采用集中采样、集中输出方式工作,减少了外界干扰的影响。 PC的工作过程分三个阶段进行,即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段,如图2-14所示。(3) PC对输入/输出的处理原则1.输入映像寄存器的数据,取决于输入端子板上各输入点的在上一个刷新期间的接通/断开状态。2.程序如何执行取决于用户所编程序和输入/输出映像寄存器的内容及其它各元件映像寄存器的内容。3.输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果。4.输出锁存器中的数据
22、,由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定。5.输出端子的接通/断开状态,由输出锁存器决定。2.4 可编程控制器与微机及继电器控制的区别一、PC与微机(MC)的区别简言之,MC是通用的专用机,PC则是专用的通用机。就应用范围来说,MC通用,适合计算、管理、工业控制,而PC专为工业控制所设计,仅用于工业控制;但在用于工业控制时,PC通用,适合各种各样的控制场合,MC若用于工业控制,则需针对具体对象专配软硬件,属专用。近年发展趋势:PC越来越多采用微型计算机技术,日益趋于MC化;MC则越来越多采用PC的可靠耐用技术,日益趋于PC化。用于工业控制时PC与MC的主要差异:1.PC抗干扰性能比MC
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