第2章可编程序控制器概述.ppt
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1、现代电气控制及现代电气控制及PLC应用技术应用技术1第第2章章 可编程序控制器概述可编程序控制器概述主要内容:主要内容:中国矿业大学徐海学院2.1 PLC的定的定义义与与发发展展2.2 PLC的主要功能、特点与分的主要功能、特点与分类类2.3 PLC的基本的基本组组成与工作原理成与工作原理1.PLC的定义的定义美国电气制造商协会(NEMA)的定义“可编程序控制器是一种数字式的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令,并实现逻辑运算、顺序控制、计数、计时和算术运算功能,用来对各种机械或生产过程进行控制。”国际电工委员会(IEC)的定义“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境
2、下应用而设计。它采用可编程序的存储器,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命令,并通过数字式模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外部设备,都应按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充功能的原则而设计”。2中国矿业大学徐海学院2.1 PLC的定义及发展的定义及发展现代电气控制及现代电气控制及PLC应用技术应用技术1.PLC的定义的定义PLC的实质以上PLC的定义说明,PLC是一种“数字运算操作的电子系统”,实质上是一种计算机。但强调了PLC应直接应用于工业环境,它必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
3、控制系统的一个重要特征。3中国矿业大学徐海学院2.1 PLC的定义及发展的定义及发展现代电气控制及现代电气控制及PLC应用技术应用技术2.PLC的的发展发展PLC的产生PLC产生之前,工业控制领域中继电器控制占主导地位。随着控制系统的复杂化,继电器控制系统的缺点凸显:体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差,尤其当生产工艺发生变化时,就必须重新设计、重新安装,造成时间和资金的严重浪费。为了改变这一现状,1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM),为了适应汽车型号不断更新的需求,以在激烈竞争的汽车工业中占有优势,提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置,为此,特
4、拟定了十项公开招标的技术要求,也就是著名的“GM十条”。根据招标要求,1969年美国数字设备公司(DEC)研制出世界上第一台PLC(PDP-14型),并在通用汽车公司自动装配线上试用,获得了成功,从而开创了工业控制新时代。从此,可编程序控制器这一新的控制技术迅速发展起来。4中国矿业大学徐海学院2.1 PLC的定义及发展的定义及发展现代电气控制及现代电气控制及PLC应用技术应用技术2.PLC的的发展发展PLC的发展过程1)第一阶段 从1969年第一台PLC问世到1972年,是PLC的初创阶段。第一台PLC与现代的PLC有很大的差别,它的实质只是一台专用的逻辑控制计算机,还缺乏PLC自己的鲜明的性
5、格。第一台PLC的功绩是把计算机的程序存储技术引入继电器控制系统。这个阶段的PLC控制功能比较简单,主要用于逻辑运算、计时、计数和顺序控制等功能。2)第二阶段 从20世纪70年代初期到80年代初期,是崛起阶段。由于PLC在取代继电器控制系统方面的卓越表现,所以自从它在电气自动控制领域开始普及应用后便得到了飞速的发展。计算机的发展促进了PLC的发展,很快出现了以微处理器为核心的新一代PLC。这个阶段的PLC的功能增强了很多,处理速度更快。增加了多种特殊功能,如浮点数运算、平方、三角函数、数据表运算、脉宽调制变换、高速计数、PID控制、定位控制、中断控制和模拟量控制等。5中国矿业大学徐海学院2.1
6、 PLC的定义及发展的定义及发展现代电气控制及现代电气控制及PLC应用技术应用技术2.PLC的的发展发展PLC的发展过程3)第三阶段 从20世纪80年代初期到90年代初期,是成熟阶段。这个时期,PLC由最初用于汽车工业取代继电器控制系统,发展到广泛应用于机械、冶金、石油、化工、煤炭等工业领域,几乎覆盖了所有工业企业。在大型的PLC中,一般都扩展上了通信接口,通过PLC的网络通信功能,可构成多级通信网络,实现工厂的管理与控制的自动化。通信和联网功能,是PLC发展成熟的标志。4)第四阶段 从20世纪90年代初期到90年代末期,是飞速发展阶段。此阶段各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高,进
7、一步提高PLC的处理速度,PLC已具有接近于工业控制计算机的强有力的软、硬件功能。由于模拟量处理功能和网络通信功能的提高,PLC控制系统在过程控制领城也开始大面积使用。20世纪90年代,是PLC发展的最快时期,年增长率一直都保持在30%40%之间。6中国矿业大学徐海学院2.1 PLC的定义及发展的定义及发展现代电气控制及现代电气控制及PLC应用技术应用技术2.PLC的的发展发展PLC的发展过程5)第五阶段 从20世纪90年代中期以后,是标准化阶段。长期以来PLC的研制走的是专门化道路,PLC的硬件和软件的体系结构都是封闭的。在硬件方面各厂家的CPU和I/O模块互不通用,通信网络和通信协议往往也
8、是专用的。在软件方面,各厂家的PLC的编程语言和指令系统的功能和表达方式也不一致,甚至差异很大,因而各厂家的PLC互不兼容。这种不兼容问题为在工业自动化中实现互换性、互操作性和标准化都带来了极大的不便。如今,随着可编程序控制器国际标准IEC61131的逐步完善和实施,特别是IEC61131-3标准编程语言的推广,使得PLC真正走入了一个开放性和标准化的时代。7中国矿业大学徐海学院2.1 PLC的定义及发展的定义及发展现代电气控制及现代电气控制及PLC应用技术应用技术2.PLC的的发展发展PLC的发展趋势1)大型化增强网络通信功能 网络化和强化通信能力是PLC的一个重要发展趋势。PLC构成的网络
9、将有多个PLC、多个I/O模块相连,并可与工业计算机、以太网等构成整个工厂的自动控制系统。现场总线(Fieldbus)技术在工业控制中将会得到越来越广泛应用。发展智能模块 为了满足各种特殊功能的需要,各种智能模块层出不穷。智能模块是以微处理器为基础的功能部件,它们的CPU与PLC的CPU并行工作,占用主机的CPU时间很少,有利于提高PLC的扫描速度和完成特殊的控制要求。外部故障诊断功能 PLC广泛应用了自诊断技术、冗余技术、容错技术,不断提高PLC的可靠性。同时,PLC还不断提高外部诊断功能。8中国矿业大学徐海学院2.1 PLC的定义及发展的定义及发展现代电气控制及现代电气控制及PLC应用技术
10、应用技术2.PLC的的发展发展PLC的发展趋势1)大型化实现软件、硬件标准化 由于早期PLC没有一个统的规范和标准,所以PLC产品在使用上都存在着一些差别,而这此差别的存在对PLC产品制造商和用户都是不利的。既增加了制造商的开发费用;又增加了用户学习和培训的负担。需要通过标准化来消除这种不利影响。人机交互方式迅速发展 在中大型的PLC控制系统中,基于Windows的PC机与PLC进行人机交互成为最佳的选择。配合有适当的通信接口或适配器,再结合组态软件,PC机就可以和PLC之间进行信息交换,就能完成复杂的和大量的画面显示,数据处理、报警处理、设备管理等任务。使用PC机结合组态软件来取代触摸屏的方
11、案已成为一种比较好的选择。9中国矿业大学徐海学院2.1 PLC的定义及发展的定义及发展现代电气控制及现代电气控制及PLC应用技术应用技术2.PLC的的发展发展PLC的发展趋势2)小型化 发展小型PLC,其目的是为了适应广大的、分散的、中小型的工业控制场合,使PLC不仅成为继电器控制柜的替代物,而且超过继电器控制系统的功能。小型、超小型、微小型PLC不仅便于机电一体化,也是实现家庭自动化的理想控制器。小型PLC向着简易化、体积小、功能强、价格低的方向发展。随着PLC技术提高,目前已将原有大、中型PLC的功能移植到小型机上,如模拟量处理、复杂的功能指令和网络通信等,使之具有灵活的组态特性。微小型P
12、LC一般采用整体式结构,集成有控制功能、操作和显示单元、电源、I/O接口、扩展接口、通信接口等。不仅可用于小型工业控制领域,而且也可以用于家庭自动化、建筑、商业、农业、交通等领域。10中国矿业大学徐海学院2.1 PLC的定义及发展的定义及发展现代电气控制及现代电气控制及PLC应用技术应用技术1.PLC的的主要功能主要功能1)开关量逻辑控制这是PLC的最基本的功能。PLC具有强大的逻辑运算能力,可以实现各种简单和复杂的逻辑控制,常用于取代传统的继电器控制系统。2)模拟量控制在工业生产过程中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。而PLC中的微处理器CPU只能处理数字量。
13、所以PLC中配置了A/D和D/A转换模块,把现场输入的模拟量经A/D转换后送CPU处理。而CPU处理的数字量结果,经D/A转换后,转换成模拟量去控制被控设备,以完成对连续量的控制。3)闭环过程控制运用PLC不仅可以对模拟量进行开环控制,而且还可以进行闭环控制。配置PID控制单元或模块,对控制过程中某一变量(如电压、电流、温度、速度、位置等)进行PID控制。11中国矿业大学徐海学院2.2 PLC的的主要功能、特点与分类主要功能、特点与分类现代电气控制及现代电气控制及PLC应用技术应用技术1.PLC的的主要功能主要功能4)定时控制PLC具有定时控制的功能,它为用户提供了若干个定时器。定时器的时间可
14、以由用户在编程时设定,也可以用输入设备在外部设定,实现定时或延时的控制。5)计数控制PLC具有计数控制功能,它为用户提供了若干个计数器。计数器的计数值可以由用户在编程时设定,也可以用输入设备在外部设定,实现计数控制。6)顺序(步进)控制在工业控制中,选用PLC实现顺序(步进)控制,可以采用IEC规定的用于顺序控制的标准化语言顺序功能图(Sequential Function Chart,SFC)进行设计。可以用移位寄存器和顺控指令编写程序。12中国矿业大学徐海学院2.2 PLC的的主要功能、特点与分类主要功能、特点与分类现代电气控制及现代电气控制及PLC应用技术应用技术1.PLC的的主要功能主
15、要功能7)数据处理现代PLC具有数据处理的能力。它不仅能进行数据运算和数据传送,而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示、打印以及数据通信等。8)通信和联网现代PLC具有网络通信的功能,它既可以对远程I/O进行控制,又能实现PLC与PLC、PLC与计算机之间的通信,从而构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统,实现工厂自动化。PLC还可与其他智能控制设备(如变频器、数控装置)实现通信。PLC与变频器组成联合控制系统,可提高控制交流电动机的自动化水平。13中国矿业大学徐海学院2.2 PLC的的主要功能、特点与分类主要功能、特点与分类现代电气控制及现代电气控制及PLC应用技术应用技术2.PLC的
16、的特点特点1)可靠性高、抗干扰能力强在设计中强化了PLC的抗干扰能力,使之能耐受诸如电噪声、电源波动、振动、电磁波等干扰,能耐受1000V、1m的脉冲干扰,能在高温、高湿以及存在强腐蚀物质粒子的恶劣环境下可靠地工作。通常PLC的平均无故障时间可达几万小时以上,有的甚至达几十万小时。2)通用性强、灵活性好、功能齐全PLC是通过软件实现控制的,其控制程序编在软件中,对于不同的控制对象都可采用相同的硬件进行配置。目前,PLC产品已系列化、模块化、标准化,能方便灵活地组成大小不同、功能不同的控制系统,通用性强。由于可编程序控制功能齐全,几乎可以满足所有控制场合的需求。组成系统后,即使控制程序发生变化,
17、只要修改软件即可,增强了控制系统的柔性。14中国矿业大学徐海学院2.2 PLC的的主要功能、特点与分类主要功能、特点与分类现代电气控制及现代电气控制及PLC应用技术应用技术2.PLC的的特点特点 3)编程简单、使用方便PLC在基本控制方面采用“梯形图”语言进行编程,这种梯形图是与继电器控制电路图相呼应的,形式简练,直观性强,易于被广大电气工程人员接受。PLC还可以采用面向控制过程的控制系统流程图编程和语句表方式编程。梯形图、流程图、语句表之间可有条件地相互转换,使用极其方便。这是PLC能够迅速普及和推广的重要原因之一。4)模块化结构PLC的各个部件,包括CPU、电源、I/O接口等均采用模块化设
18、计,由机架和电缆将各模块连接起来。系统的功能和规模可根据用户的实际需求自行配置,从而实现最佳性能价格比。由于配置灵活,使扩展、维护更加方便。15中国矿业大学徐海学院2.2 PLC的的主要功能、特点与分类主要功能、特点与分类现代电气控制及现代电气控制及PLC应用技术应用技术2.PLC的的特点特点5)安装简便、调试方便PLC安装简便,只要把现场的I/O设备与PLC相应的I/O端子相连就完成了全部的接线任务,缩短了安装时间。PLC的调试工作大都分为室内调试和现场调试。室内调试时,用模拟开关模拟输入信号,其输入状态和输出状态可以观察PLC上的相应的指示灯。可以根据PLC上的指示灯和编程器提供的信息方便
19、地进行测试、排错和修改。室内模拟调试后,即可到现场进行连机调试。6)网络通信PLC提供标准通信接口,可以方便地进行网络通信。16中国矿业大学徐海学院2.2 PLC的的主要功能、特点与分类主要功能、特点与分类现代电气控制及现代电气控制及PLC应用技术应用技术3.PLC的的分类分类1)按控制规模分类小型机的控制点数小于256点,用户程序存储器的容量小于8K字。小型机常用于单机控制和小型控制场合,在通信网络中常作从站。例如,西门子公司的S7-1200 PLC就属于小型机。小型机中,控制点数小于64点的为超小型机或微型PLC。中型机的控制点数一般在256点2048点范围内,用户程序存储器的容量小于50
20、K字。中型机控制点数较多、控制功能强,常用于中型控制场合,在通信网络中可作主站也可作从站。例如,西门子公司的S7-300 PLC就属于中型机。大型机的控制点数都在2048点以上,用户程序存储器的容量达50K字以上。大型机控制点数多、功能很强、运算速度很快,常用于大型控制场合,在通信网络中常作主站。例如,西门子公司的S7-400 PLC就属于大型机。以上分类没有十分严格的界限,随着PLC技术的飞速发展,这些界限会发生变更。17中国矿业大学徐海学院2.2 PLC的的主要功能、特点与分类主要功能、特点与分类现代电气控制及现代电气控制及PLC应用技术应用技术3.PLC的的分类分类2)按PLC的结构形式
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