可编程控制器PLC.pdf

《可编程控制器PLC.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《可编程控制器PLC.pdf（86页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、可编程控制器PLC主讲人：姚杰第一讲第一讲第一讲第一讲：PLC的基本概念的基本概念的基本概念的基本概念 可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC 二二二二.PLC的特点的

2、特点的特点的特点(一)高可靠性(二)丰富的I/O接口模块(三)采用模块化结构(四)编程简单易学(五)安装简单，维修方便(一)高可靠性1.所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。2.各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms.3.各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。4.采用性能优良的开关电源。5.对采用的器件进行严格的筛选。6.良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。7.大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。(二)丰富的I/O

3、接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：1.交流或直流；2.开关量或模拟量；3.电压或电流；4.脉冲或电位；5.强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备 1.按钮 2.行程开关 3.接近开关 4.传感器及变送器 5.电磁线圈 6.控制阀(三)采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合(四)编程简单易学 PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专

4、门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。(五)安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。PLC的基本结构的基本结构的基本结构的基本结构输入/输出系统CPU其他可选部件系统程序存储器用户程序存储器系统总线PLC的基本结构的基本结构的基本结构的基本结构 一.中央处理单元CPU 二.存储器 三三三三.PLC的I/O系统 以上是基本组成

5、四.其他可选部件一.中央处理单元 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能，接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。二.存储器 1.系统程序存储器。存放系统软件的存储器 2.用户程序存储器。存放应用软件的存储器 3.数据存储器 存放工作数据的存储器。二.一PLC存储空间的分配 虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理 其存储空间一般包括以下三个区域：1.系统程序存储区 2.系统RAM存储区(包括I/O映象区和系统软设备等)3.用户程序存储区二.一.1.系统程

6、序存储区 在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的性能。二.一.2.系统RAM存储区 系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如：逻辑线圈 数据寄存器 计时器 计数器 变址寄存器 累加器二.一.3 用户程序存储区 用户程序存储区存放用户编制的用户程序。不同类型的PLC，其存储容量各不相同。二.二按存储性质分PLC常用的存储器类型一般分RAM和ROM详细可分为1.RAM2.EPROM3.EEPROM4.ROM二.二.1.RAM

7、(Random Assess Memory)这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。当电池没电或没装电池时并且CPU输入电源断电时RAM中的信息丢失。一般作为数据存储器二.二.2.EPROMEPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。一般由生产厂家固化，用户不可改变。PLC操作系统固化在里面。二.二.3.EEPROMEEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only

8、Memory)这是一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。必须先擦除内容再写，可用1万次。二.二.4.ROM(Read Only Memory)ROM称为只读存储器。其内容一般不能修改。可将系统程序固化在ROM中，掉电后期内容不变。三三三三.PLC的I/O系统PLC的I/O系统是过程状态和参数输入到PLC以及PLC实现控制时,控制信号输出的通道.实现电平转换,电气隔离,串/并转换,A/D与D/A转换等.根据它们实现的功能不同，可将I/O通道分为以下几种。1.模拟量输入/输出通道 2数字量输入/输出通道脉冲输入通道三三三三.1.模拟量输入/输出通道 模拟量就是各

9、种连续的物理量 输入如：温度，压力，压差应力，位移 速度，加速度，电流，电压 输出如：，等。三三三三.2数字量输入/输出通道 数字量：各类开关等的状态 输入如：各种限位开关继电器指示灯声光报警器等的状态 输出如：控制电磁阀门定位器继电器指示灯声光报警器 一般有继电器输出 晶体管输出，晶闸管输出等三三三三.脉冲输入通道 转速表，频率表，涡轮流量计，涡街流量计，罗茨流量计等四.其他可选部件 包括 1.编程器，2.小型盒式磁带机,3.数据通讯接口,4.I/O信号模拟盘 5.I/O扩展器 有的还分为智能接口模块 包括高速计数器模块，定位控制模块，PID模块，PLC网络模块，PLC与计算机通信模块，中断

10、控制模块，温度传感器输入模块，BASIC模块，语言输出模块等。 编程器 PLC 是靠执行内部存储的程序顺序地完成某一工作的。而程序是靠一专 门的装置来输入的(或调试的),这个专门的装置就是编程器 编程器的结构编程器主要有以下三个部分。1.显示部分 2.键盘部分 3.通信接口 编程器的工作方式主要有两种,一种是编程工作方式,另一种是监控工作方式。有些编程器还有其他的工作方式,如命令工作方式、加载工作方式等。PLC的分类的分类的分类的分类(一)小型PLC 小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特

11、殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。(二)中型PLC 中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在2561024点之间。I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。(三)大型PLC一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。大型PLC的软、硬件功能极强。具有极强的自诊断功能。通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。大型P

12、LC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高。PLC的发展趋势 1。系统功能完善化 2。体系结构开放化及通讯功能标准化 3。I/O模块智能化及安装现场化 4。功能模块专用化 5。编程组态软件图形化 6。硬件结构集成化，冗余化 7。控制管理功能一体化PLC的工作原理的工作原理的工作原理的工作原理 一.基本原理 二.扫描原理 三.建立I/O映像区 四.智能模板的开发 五.输入输出操作 六.中断输入处理一.基本原理 可编程控制器在其硬件的支持下,通过执行用户软件完成控制任务二.扫描原理 当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三

13、个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。(一)输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。(二)用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形

14、图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在

15、其上面的程序起作用。(三)输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。 一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。上电RUN自诊断通讯输入采样用户程序执行输出刷新故障二.三.I/O映像区用户程序输入映像区输入端子输入信号输出映像区输出端子输出信号用户程序执行输入采样和输出刷新 执行用户程序所需的现场信息都在输入映像区取用，而不是直接去外设取。这种方式世

16、纪中采集现场信息，虽然从理论上分析每个信息被采集的时间仍有差异，但他很少（最多100ms）因此可以认为采集到的信息是同时的。 同样，对被控制对象的控制信息，也不是形成一个就去改变一个，而是先把他们存放在随机存储器的某个特定区域，该区域称之为输出映像区。当用户程序扫描结束后，将所存被控对象的控制信息，集中输出，改变被控对象的状态。 可见，PLC系统不像硬件逻辑系统那样随时反映工作状态变化对系统的控制作用，但是采样时刻则基本符合实际工作状态，只要采样周期足够小，即采样频率足够高，就可以认为这样的采样控制系统有足够的精度，可以满足控制要求。二.三.一.I/O寻址方式 固定的I/O寻址方式 这种I/O

17、寻址方式是由PLC制造厂家在设计、生产PLC时确定的，它的每一个输入/输出点都有一个明确的固定不变的地址。一般来说，单元式的PLC采用这种I/O寻址方式。开关设定的I/O寻址方式 这种I/O寻址方式是由用户通过对机架和模块上的开关位置的设定来确定的。 用软件来设定的I/O寻址方式 这种I/O寻址方式是有用户通过软件来编制I/O地址分配表来确定的。PLC的输入输出模块的输入输出模块的输入输出模块的输入输出模块 数字量输入/输出通道交流220V型号输入原理图先经过交流变直流 首先通过 56 kl1 电阻限流再经过电桥将交流变成直流,这样便流过光电隔离器的光电二极管的电流就是一个具有适当大小的直流电

18、流,保证其安全有效地工作.图中 240 l1 电阻 和 0.1 F 电容,20 kl1 电阻和 1 000 pF 电容,150 kl1 电阻和 2.2 F 电容分别构成交流和 直流三级阻容滤波, 模块上的电气线路基本由两部分组成,左半部分为控制部分,右半部分为功率输出部 分。控制部分的组成结构与输入模板类似,但在这里数据的流向是输出,因此所用的联络信 息有所不同。如输入模块是用读信号(俨 MRDJ.现场则用写信号(俨 MWDJ;又如当 CPU 将数据送至缓冲锁存器后何时输送给外设,还要受 28 样端子 BASP 的控制,它是专门 控制数字量信号输出的信号,称之为禁止输出信号(高电平有效)等。对

19、于功率输出部分。当缓冲器的信号允许输出时,首先经过光电隔离器 PC890、功率驱动器 FZL4141.再经发光 管 V90 控制功率晶体管 v 给负载供电 a 其中发光管 V 凹显示有元负载输出;F820 为过流保 护熔管,稳压管 IN4055 及 IN4005 分别保持电源及输出端的恒压,以防过电压对输出模板 及外设的破坏。模拟量输入接口电路结构原理图 数码转换,这是由于在 PLC 内部数据处理中并不是都用带符号的二进制数码表示,有 时是以补码或 BCD 码等表示,而 AID 转换器输出的数定量一般均为带符号的二进制码,因 此,应在它参与运算或被处理之前转换成适合的数码。光电隔离器的作用是将

20、现场与 PLC 电量分开,防止干扰信号的输入,其光电隔离器既 保证了系统的可靠性,又降低了成本。若直接用模拟光电隔离不仅线性度差,而且成本也很 高,得不偿失。可编程控制器的基本技术指标 PLC 的技术指标很多,但最主要的不外乎以下五个基本技术指数:1.CPU 类型、2.存储器 容量、3.编程语言、4.扫描速度 5.I/O 点数可编程控制器的通信系统 在进行工业控制过程中,实际工业过程比较复杂,一个控制过程可能由许多控制任务组 成.这些控制任务既有相对的独立性,又需与其他任务联系,众多相对独立的任务又需在总 的方面构成一个整体。这种控制过程若仅靠扩大机型来解决,效果不理想。因此,许多 PLC 的

21、生产厂家为自己产品打开销路而开发了网络系统。用 PLC 构成的系统,要得到广泛 应用必须要考虑几个实际问题,即对大、中、小控制任务都具有适应性;与现存系统有可连 接性;保证系统有长期的规划使用价值。PLC 网络系统的迅速发展使应用更加广泛。 PLC 的通信包括 PLC 之间、PLC 与上位计算机之间 PLC 与其他智能设备间的通 信。PLC 系统采用网络连接构成集中管理的分布式网络系统。 随着 PLC 的不断发展,很多 PLC 产品都在CPU 本身加上具有网络功能的硬件及软件.从而组成 PLC 网络,各站主机之间元件状态信息和 交换是由PLC 系统自己完成的,不需要用户编程典型网络介绍SINE

22、C LI LAN 网络该网络是用于西门子 PLC 间小量数据交换的低速通信网络,通信速率为 9.6 K/s,通信方式为主从式,一个主站最多可挂 30 个从站。主站处于主动地 位,协调网上的信息传输,从站为被动。BT777 是网络祸合器,每站通过网络祸合器与网 络连接?数据传输基本原理 用户必须为每个站定义一个发送“信箱”和接收“信箱”,有两 个控制字节分别控制两个方向的数据传递,即发送和接收。?数据交换格式 该网络有三种数据交换格式查询方式、中断方式、广播式。?主站、从站初始化 主站的通信控制模块 CP530 协调整个网络的信息交换,初始化就是要对 CP530 进行编程。?应用软件编制 编制发

23、送 信箱 和接收 信箱 (3)SlNEC HI LAN 可编程控制器网络该网络是用于大型分布自动化控制系统的高 速网络系统,(3)SlNEC HI LAN 可编程控制器网络?结构?数据交换方式?功能方式?连接方式?优先级 结构该网络的结构图如图 7-14 所示。该网络由独立的网段组成,每个网段长500 m,可挂 100 个站.网段之间用中继站连接.两站之间最多挂两个中继站.在一个网络中,一个中继站可分成一对远程中继站,远程中继站间的距离为 1 000 m,每个站和中继站 都通过 755 藕合器连接到网上,PLC 与网的通信是通过通信处理板 CP535 进行的。?数据交换方式该网络相当于 Eth

24、ernet 网络。符合 IEEE802.3 标准,竞争式存取,是载波侦听多重访问/冲突检测(CSMA/CDl信令方式。?功能方式该网络有三种任务功能:发送功能、写功能、读功能。?连接方式有两种连接方式:直接连接方式和多掷连接方式。?优先级可编程控制器的软件系统 可编程控制器软件的发展过程(1)基于个人计算机的编程软件取代手持式编程器(2)可编程控制器的软件化与 PC 化(3)组态软件引发的上位计算机编程革命可可可可编编编编程控制器的程控制器的程控制器的程控制器的软软软软件件件件编编编编制制制制 PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来、用作数字控制的专用计算机，其发展初期主要侧重于开关量控制方面，

25、目前在数据运算、过程控制等方面的功能也逐步增强。但它更适合在开关控制量多、模型复杂性较低、工作环境恶劣而可靠性要求高的场合。PLC的这一技术发展背景及主要应用场合也决定了其在软件开发上的特点，即有一套独特的编程语言和专门的指令系统。这里重点介绍PLC的梯形图的特点、指令系统。PLC的编程语言 PLC通常不直接采用微机的编程语言，而常常用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程。（因为它所面对的对象是工程技术人员和操作维护人员）国际电工委员会IEC在1994年公布了可编程控制器标准（IEC1131）该标准的第三部分（IEC1131-3）是PLC的编程语言标准，目前许多PLC制造厂商独提供符合IE

26、C1131-3标准的产品。 IEC113-3标准中定义了5种PLC编程语言的表达方式：1.梯形图LAD 2.语句表STL 3.功能块FBD 4.结构文本ST 5.顺序功能图SFC常见编程语言简介 1.梯形图梯形图梯形图梯形图 梯形图是在传统的电器控制系统电路图的基础上演变而来，在形式上类似电器控制电路，有触点、线圈和功能块组成。触点：代表逻辑输入条件，如外部的开关、按钮和内部条件。线圈：代表逻辑输出结果，用来控制外部的负载或内部的输出条件。功能块：用来表示计时器、计数器或数学运算等功能指令。 如下图所示 是一个继电器控制电路图与相应梯形图的比较。可以看出，梯形图是用图形符号连接而成，这些符号与

27、继电器控制电路图中的常开节点、常闭节点、并联连接、串联连接、继电器线圈等是相对应的，每一个接点和线圈对应有一个编号。J1S1S2J1X400Y430X401Y2.布尔助记符布尔助记符布尔助记符布尔助记符,语句表语句表语句表语句表PLC的指令有叫做语句，若干条指令组成的程序叫做语句表程序，每条语句表示给CPU一条指令，规定CPU如何操作。如上图的语句表如下：LD X400 A I0.0 LD 000.00 OR Y430 OR Q1.0 OR 100.00 AND NOT X401 AN I0.1 AND NOT 000.01 OUT Y430 =Q1.0 OUT 100.00 语句表由操作码和

28、操作数两部分组成。 语句表由操作码和操作数两部分组成。操作码：用助记符表示，它表明CPU要完成的某种操作功能。操作数：包含为执行某种操作所必需的信息。类似与计算机的汇编语言，但比汇编语言通俗易懂，用简易的编程器就可操作，因此也是应用广泛的一种编程语言。语句表比较适合熟悉PLC和逻辑程序设计经验丰富的人员，它可以实现某些不能用梯形图或功能块图实现的功能。3.功能表功能表功能表功能表图图图图 编程功能表图是用图形符号和文字叙述相结合的表示方法,对顺序控制 系统的过程、功能和特征进行描述的方法。简称为 SFC。顺序功能图提供了一种组织程序的图形方法，它包括3种主要元素：工步、转换条件、动作。 功能表

29、图具有如下特点?以功能为主线,条理清楚,便于对程序操作的理解和沟通?对大型程序,可分工设计,采用较为灵活的程序结构,可节省程序设计时间和调试时间.常用于系统规模较大、程序关系较复杂的场合 只有在活动步的命令和操作被执行时,才对活动步后的转换进行扫描,因此,整个程序的扫描时间较其他编程语言的程序扫描时间要大为缩短。 功能表图由步、转换和有向连线三种基本元素组成?步(Step),用矩形框表示(初始步用双线转换矩形框表示).它相当于一个状态(逻辑 I或0)转换(Transition):图形符号是一根短划线,通过有向连线与有关的步相连。有向连线(Arc),表示步的进展,它把步连接到转换,再把转换连接到步。有向连 线是垂直的和水平的,通常是从上向下或从左到右。4.顺序功能图顺序功能图顺序功能图顺序功能图 顺序功能图又叫做状态转移图，他是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，也是设计PLC顺序控制程序的一种有力工具。顺序功能图提供了一种组织程序的图形方法，它包括3种主要元素：工步、转换条件、动作。