PLC原理与应用 第1章__PLC原理与应用.ppt
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1、PLCPLC原理与应用原理与应用2121世纪高职高专规划教材世纪高职高专规划教材 俞国亮俞国亮 主编主编12/22/20221第第1章可编程控制器基础章可编程控制器基础 本章要求 本章主要介绍可编程控制器基础知识。要求了解可编程控制器的硬件结构、软件系统和用户程序的特点;熟悉可编程控制器的性能指标、扫描周期、I/O响应时间;掌握可编程控制器的扫描工作方式的基本原理。12/22/202221.11.1可编程控制器概述可编程控制器概述可编程控制器(ProgrammableController)的英文缩写是PC,容易同个人计算机(PersonalComputer)混淆,因此通常都称其为PLC(Pro
2、grammableLogicController)。PLC是在继电器控制基础上以微处理器为核心,将自动控制技术,计算机技术和通信技术融为一体而发展起来的一种新型工业自动控制装置。目前PLC已基本替代了传统的继电器控制系统,成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置,居工业生产自动化三大支柱(可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造)的首位。12/22/20223继电器控制系统用硬件实现控制程序,当产品更新时,必须改变相应的器件和接线。现代社会制造工业迫切需要一种新的更先进的“柔性”的控制系统来取代。20世纪60年代末,美国通用汽车公司(GM)希望有一种“柔性”的汽车制造生产线来适应汽车型
3、号不断更新的要求,GM提出10条要求,并公开向制造商招标。美国数字设备公司(DEC)根据以上要求,于1969年研制出了第一台可编程控制器PDP14,并在美国通用汽车公司的生产线上取得了成功。它用计算机的软组件的逻辑编程成功取代了继电器控制的硬接线编程,生产硬设备的生产线是“柔性”的愿望终于实现了。1.1.1 可编程控制器的产生可编程控制器的产生12/22/202241.1.2PLC的特点的特点初期:用来替代继电器控制,进行开关量逻辑控制。70年后:随着微电子技术、计算机技术的发展,PLC以单片机或其它16位、32位的微处理器作为主控芯片,输入/输出等电路也采用LSI或VLSI,功能有了突飞猛进
4、的发展。PLC除有开关量控制外,还具有数据处理、数据通信、模拟量控制和PID调节等功能。80年:NEMA(美国电气制造商协会)将命名中的“逻辑”一词摘掉,称为ProgrammableController。定义:PC是一种数字式的电于装置,它使用可编程序的存储器以及存储指令,能够完成逻辑、顺序、定时、计数及算术运算等功能,并通过数字或模拟的输入、输出接口控制各种机械或生产过程。PLC有如下特点:12/22/202251.1.2PLC的特点的特点2(1)可靠性高,抗干扰能力强采用LSI,开关是无触点的,而硬继电器用的是机械触点开关,可靠程度无法比拟。软硬件抗干扰措施:硬件:器件筛选和老化。电路采用
5、光电隔离器,隔断I/O电路与内部电路的直流通路,抑制外部干扰源的影响。电源采取屏蔽、稳压、保护等措施。设置“看门狗”(watchdog)电路,能把走飞程序拉回来(自动恢复)。结构上采用耐热、密封、防潮、防尘和抗振的外壳封装,适应恶劣工业环境。软件:数字滤波、故障检测与诊断,自动扫描,出错自动处理(报警、保护数据和封锁输出)。采用EEPROM,保护断电后用户程序和数据不会丢失。采用循环扫描的方式。12/22/202261.1.2PLC的特点的特点3(2)编程软件,简单易学从清晰直观的继电器控制线路演化过来的梯形图程序易学易懂,易修改,深受电器工作人员的欢迎。(3)适应性好,具有柔性生产工艺或设备
6、改变时,不必改变硬设备,只需改变相应的软件就可满足新的控制要求。产品已标准化、系列化和模块化,以适应不同的控制要求。(4)功能完善,接口多样除基本单元外,还可选配各种特殊适配器,满足不同的需要,如数字量/模拟量输入输出,定时计数,A/D与DA转换,数据处理,通信联网等功能。(5)易于操作,维护方便12/22/202271.1.2PLC的特点的特点4安装方便:具有DIN标准导轨安装用卡扣。连接方便:具有输入/输出端子排,只要用螺丝刀就可以与不同的控制设备连接。调试方便:输入信号可用开关来模拟,输出信号可观察面板发光二极管。维护方便:完善的自诊断功能和运行故障指示装置。(6)体积小、重量轻、功耗低
7、产品结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低。如FX1S20MT型PLC:外形尺寸:75mm90mm87mm,重量:400g,功耗:20W。这种迷你型PLC很容易嵌入机械设备内部,是实现机电一体化的理想控制设备。12/22/202281.1.3 PLC应用应用 PLC的主要应用有以下5个方面。(1)开关量逻辑控制是PLC最基本的应用,即用PLC取代传统的继电器控制系统,实现逻辑控制和顺序控制。(2)模拟量过程控制 控制连续变化的模拟量,如温度、压力、速度、流量、液位、电压和电流等均为模拟量。通过各种传感器将相应的模拟量转化为电信号,然后通过A/D模块将它们转换为数字量送PLC内部CPU处理,处理后的数
8、字量再经过D/A转换为模拟量进行输出控制。(3)机械件位置控制用专用的位置控制模块来控制步进电机或伺服电机,12/22/202291.1.3 PLC应用应用 实现对各种机械构件的运动控制,如速度、位移、方方向等。典型应用有:机器人的运动控制、机械手的位置控制、电梯运动控制等;PLC还可与计算机数控(CNC)装置组成数控机床,以数字控制方式控制零件的加工、金属的切削等等,实现了高精度的加工。(4)现场数据采集处理可以方便地对生产现场的数据进行采集、分析和加工处理。(5)通信联网、多级控制PLC与PLC之间、PLC与上位计算机之间通信,要采用专用通信模块,并利用RS232C或RS-422A接口,用
9、双绞线或同轴电缆或光缆将它们联成网络。12/22/2022101.1.4 PLC的分类的分类 可以按照结构形式、I/O点数和功能两种形式分类。1.按结构形式分类PLC可分为整体式和模块式两种。(1)整体式将CPU、存储器、IO和电源等部件集中于一体,安装在一个金属或塑料的机壳的基本单元内,机壳的上下两侧是输入输出接线端子,并配有反映输入输出状态的微型发光二极管。图1.1三菱FX1S系列PLC12/22/2022111.1.4 PLC的分类的分类 2整体式结构的PLC具有结构紧凑、体积小巧、重量轻、价格低的优势,适用于嵌入控制设备的内部,常用于单机控制。一般小型以下PLC多采用这种结构,如三菱公
10、司的FX2N、FX0N、FX1S系列。(2)模块式把各个组成部分CPU、I/O、电源等分开,做成各自独立的模块,各模块做成插件式,插入机架底板的插座上。图1.2三菱A2NQ系列PLC12/22/2022121.1.4 PLC的分类的分类 3可按照控制要求,选用不同档次的CPU模块、各种I/O模块和其它特殊模块,构成不同功能的控制系统。模块式结构的PLC具有配置灵活、组装方便,扩展容易。其缺点是结构较复杂,造价也较高。一般大、中型PLC都采用这种结构,如三菱A2NQ系列PLC。2.按I/O点数和功能分类按I/O点数、内存容量和功能来分,PLC可分为微型、小型、中型、大型和超大型五类,如表1.1所
11、示。小型PLC的存储器容量一般在2KB4KB之间,I/O点数一般在64128之间。小型PLC具有逻辑运算、定时和计数等功能,适合于开关量控制、定时和计数控制等场合,常用于代替继电器控制的单机线路中。12/22/2022131.1.4 PLC的分类的分类 4表1.1PLC分类类型I/O点数存储容量(KB)机型微型642三菱FX1S系列小型6412824三菱FX2N系列中型128512416三菱A1N系列大型51281921664三菱A3N系列超大型819264西门子SU-15512/22/2022141.1.5 PLC的发展的发展 1.国内外PLC的发展69年:DEC研制了第一台PLC。70年:
12、日、德和法等国从美国引进这项技术,开始生产PLC。PLC应用几乎覆盖了机械、冶金、矿山、石油化工、轻工、交通运输等所有工业行业,成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制设备,并已跃居现代工业自动化三大支柱的首位。70年:我国研制、生产自己的PLC,如江苏嘉华公司的JH系列PLC等。我国的PLC技术已经进入较快速度的发展阶段,国产机在机床设备、生产自动线等的应用也越来越广泛、占有率也逐步提高。12/22/2022151.1.5 PLC的发展的发展 2PLC将向着更强大和更小巧的两个方向发展。更强大是指存储容量更大、I/O点数更多、执行速度更高、智能化程度更强,数据更安全。这些大型PLC能与计算
13、机组成多级分布式控制系统、实现对生产全过程的集中管理。大型PLC代表了当今世界的PLC发展的水平。更小巧是指体积更小、价格更低,但性能却更强的微型化PLC。主要用于取代继电器系统,如注塑机、印刷机、包装机、纺织机和电梯控制等机械配套控制电器上,也能适应复杂单机、数控机床和工业机器人等领域的控制要求。小型和微型PLC使用的数量,代表了PLC普及的程度。12/22/2022161.1.6 PLC的主要技术指标的主要技术指标 1PLC的主要性能的可以按照以下6种指标来描述。1.I/O总点数指PLC输入信号和输出信号的数量,也就是输入、输出的端子数总和。注意,电源、COM等端子不能作为I/O端子计入。
14、I/O总点数是描述PLC性能的重要指标。2.存储容量指用户程序存储器的容量,即用户RAM的存储容量。指令是按“步”存放的,一“步”占用一个地址单元。所以1步步2字节字节。3.扫描速度指PLC扫描1000步指令所需的时间,以毫毫秒秒/千千步步为单位,也有用s/步步为单位。12/22/2022171.1.6 PLC的主要技术指标的主要技术指标 24.内部寄存器PLC内部寄存器用以存放输入/输出变量的状态、逻辑运算的中间结果、定时器/计数器的数据。内部寄存器的种类多少、容量大小,将影响到用户编程的效率。5.编程语言与指令系统有梯形图、助词符、SFC(SequentialFunctionChart)以
15、及高级语言等。在PLC的指令系统中,包含的指令种类越多,其功能就越强。6.特殊功能模块PLC除了基本单元外,还可选配各种特殊功能模块。特殊功能模块的种类多少、功能强弱是衡量PLC技术水平高低的一个重要指标。12/22/2022181.2可编程控制器的一般结构可编程控制器的一般结构 1.2.1PLC的硬件系统的硬件系统PLC是专为工业控制而设计,采用了典型的计算机结构,主要由CPU、存储器、采用扫描方式工作的I/O接口电路和电源等组成。图1.3PLC硬件系统结构框图12/22/2022191.2.1PLC的硬件系统的硬件系统 21.微处理器(微处理器(CPU)CPU由控制器、运算器和寄存器组组成
16、,大多用8位、16位和32位微处理器或单片机作为主控芯片,是系统的控制/运算中心,其它部件,如ROM、RAM和I/O部件等都是通过3总线AB、DB和CB挂靠在CPU上的。2.存储器(存储器(ROM和和RAM)ROM(ReadOnlyMemory):存放系统程序,相当于通用计算机中的BIOS。EPROM(ErasableROM):可擦除可编程只读存储器。EEPROM(ElectricalEPROM):电擦除可编程只读存储器。正常运行时,和普通RAM一样,可随机读写,又能象ROM那样断电后具有信息的非易失性。12/22/2022201.2.1PLC的硬件系统的硬件系统 3RAM(RandomAcc
17、essMemory):放用户应用程序。3.输入输入/输出(输出(IO)单元单元IO单元是PLC与输入/输出设备间信息传送的接口。(1)为什么要用输入/输出接口电路?数据锁存向外设输出数据时的需要。电平隔离使外设和CPU电路之间直流电平互不影响。速度协调使外设和CPU之间,准备好后才传送数据。数据变换:串/并变换、并/串变换、A/D变换、D/A变换等。(2)FX系列PLC基本单元输入电路12/22/2022211.2.1PLC的硬件系统的硬件系统 4 单元内部已有24V的直流电源,所以输入端子和12/22/2022221.2.1PLC的硬件系统的硬件系统 5COM端间可接无电压开关,也可接NPN
18、型集电极开路晶体管,输入接好后,对应的LED就会发亮。输入采用:光电耦合器:耦合交流,隔离直流。RC滤波器:防止输入干扰,引起10ms的I/O响应延迟。X000X017内置数字滤波器:可按功能指令在060ms范围内变动。输入电压/电流:DC24V/7mAX010后:DC24V/5mA。为可靠起见,ON电流分别为:4.5mA/3.5mAOFF电流为:1.5m。利用外接电源驱动光电开关等传感器时,要求外接12/22/2022231.2.1PLC的硬件系统的硬件系统 6电源的电压同内部电源电压相同;允许的范围是:DC24V4V。(3)FX系列PLC基本单元输出电路输出继电器的输出触点接到PLC的输出
19、端子上,外部负载和工作电源与PLC的输出端子和公共端子COM相连,负载工作与否受PLC程序运行结果的控制。PLC输出形式:继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出 继电器输出优点:电压范围宽,导通压降小,价格也便宜,可控制交直流负载。缺点:触点寿命短,断开有电弧,易产生干扰,转换频率低,响应时间10ms。12/22/202224表1.2PLC分类。12/22/2022251.2.1PLC的硬件系统的硬件系统 8当PLC有输出时,输出继电器线圈得电,其主触点闭合,驱动外部负载工作。继电器可以将PLC的内部电路与外部负载电路进行电气隔离。最大负载:纯电阻负载2A/1点;感性负载80VA以下。图1.5继电
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