第1讲可编程序控制器原理精选PPT.ppt
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1、第1讲可编程序控制器原理第1页,此课件共42页哦1.1 可编程序控制器简介可编程序控制器简介 可编程序控制器(又称可编程控制器)是以自动控制技术、微计算机技术和通信技术为基础发展起来的新一代工业控制装置,目前已被广泛应用于各个领域。由于早期的可编程序控制器只能进行计数、定时以及对开关量的逻辑控制,因此,它被称为可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller),简称PLC。后来,可编程序控制器采用微处理器作为其控制核心,它的功能已经远远超出逻辑控制的范畴,于是人们又将其称为 Programmable Controller,简称 PC。但个人计算机(Personal
2、 Computer)也常简称PC,所以为了避免混淆,可编程序控制器仍被称为PLC。第2页,此课件共42页哦 1987年,国际电工委员会(IEC)在可编程序控制器国际标准草案第三稿中,对可编程序控制器定义如下:可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境下应用而设计。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指令,并通过数字式、模拟式的输入和输出控制各种机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。PLC是生产力发展的必然产物。20世纪60年代初,美国的汽车制造业竞争激烈
3、,产品更新换代的周期越来越短,其生产线必须随之频繁地变更。传统的继电器控制对频繁变动的生产线很不适应,因此人们对控制装置提出了更高的要求,即经济、可靠、通用、易变、易修。第3页,此课件共42页哦 自从1969年美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台PLC,并在美国GM公司的汽车自动装配生产线上获得试用成功以来,由于PLC优越的性能,其技术得到了飞速的发展。1971年,日本引进了这项技术并开始生产PLC。1973年,原西德和法国也研制出自己的PLC。随着微电子技术的迅猛发展,到20世纪80年代中期,PLC的处理速度和可靠性大大提高,不仅增加了多种特殊功能,而且体积进一步缩小,成本大幅度下
4、降。到20世纪90年代中期之后,PLC几乎完全计算机化,其速度更快,功能更强,PLC的各种智能化模块不断被开发出来。为了推动PLC的应用,一些厂家还推出了PLC的计算机辅助编程软件。现在,PLC不仅能进行逻辑控制,还在模拟量的闭环控制、数字量的智能控制、数据采集、监控、通信联网及集散控制等方面都得到了广泛的应用。如今大中型,甚至小型PLC都配有A/D、D/A转换及算术运算功能,有的还具有PID功能。这些功能使PLC的应用具有了硬件基础。另外,PLC还具有较强的通信功能,可与计算机或其他智能装置进行通信和联网,从而方便地实现集散控制。第4页,此课件共42页哦 目前,世界上一些著名电器生产厂家几乎
5、都在生产PLC,产品功能日趋完善,换代周期越来越短。为了进一步扩大PLC在工业自动化领域的应用范围,适应大、中、小型企业的不同需要,PLC产品大致向两个方向发展:小型PLC向体积缩小,功能增强,速度加快,价格低廉的方向发展,使之能更加广泛地取代继电器控制,更便于实现机电一体化;大、中型PLC向高可靠性、高速度、多功能、网络化的方向发展,将PLC系统的控制功能和信息管理功能融为一体,使之能对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。我国从20世纪70年代中期开始研制和开发国产PLC,许多企业在PLC的应用方面进行了积极的探索,取得了成功的经验和良好的效益。随着PLC产品性能价格比的不断提高,中小企业
6、普及应用PLC的投资已经完全可以承受。可以预见,PLC技术的推广应用会使我国的工业自动化水平产生极大的飞跃。第5页,此课件共42页哦1.2 可编程序控制器的特点可编程序控制器的特点 1灵活性和通用性强灵活性和通用性强 2抗干扰能力强、可靠性高抗干扰能力强、可靠性高 1)硬件方面的抗干扰措施硬件方面的抗干扰措施对电源变压器、CPU、编程器等主要部件,均采用严格措施进行屏蔽,以防外界干扰。对供电系统及输入电路采用多种形式的滤波,以消除或抑制高频干扰,也削弱了各部分之间的相互影响。对PLC内部所需的+5V电源采用多级滤波,并用集成电压调整器进行调整,以消除由于交流电网的波动引起的过电压、欠电压的影响
7、。采用光电隔离措施,有效地隔离了内部与外部电路间的直接电联系,以减少故障和误动作。采用模块式结构的PLC,一旦某一模块有故障,可以迅速更换模块,从而尽可能缩短系统的故障停机时间。第6页,此课件共42页哦2)软件方面的抗干扰措施软件方面的抗干扰措施PLC通过监控程序定时地对电源及强干扰信号等进行检测。当检测到故障时,立即转入故障处理程序,保存当前状态,禁止对程序的任何操作,以防存储信息被破坏。待故障排除后,立即恢复到故障前的状态,继续执行程序。PLC设置了监视定时器,如果程序每次循环的执行时间超过了规定值,表明程序已进入死循环,则立即报警。加强对程序的检查和校验,发现错误立即报警,并停止程序的执
8、行。利用后备电池对用户程序及动态数据进行保护,确保停电时信息不丢失。由于采取了以上措施,PLC的抗干扰能力和可靠性得到了提高。第7页,此课件共42页哦3编程语言简单易学编程语言简单易学 4PLC与外部设备的连接简单,使用方便与外部设备的连接简单,使用方便 5PLC具有完善的功能和较强的扩展能力具有完善的功能和较强的扩展能力 第8页,此课件共42页哦1.3 可编程序控制器的发展趋势可编程序控制器的发展趋势 目前,PLC技术和产品的发展非常活跃,各厂家不同类型的PLC品种繁多,各具特色。综合起来看,PLC的发展趋势有以下几个方面。1)系统功能完善化系统功能完善化2)体系结构开放化及通信功能标准化体
9、系结构开放化及通信功能标准化3)I/O模块智能化及安装现场化模块智能化及安装现场化 4)功能模块专用化功能模块专用化5)编程组态软件图形化编程组态软件图形化 6)硬件结构集成化、冗余化硬件结构集成化、冗余化 7)控制与管理功能一体化控制与管理功能一体化 第9页,此课件共42页哦1.4 可编程序控制器的基本组成可编程序控制器的基本组成 图1-1 整体式PLC组成示意图 第10页,此课件共42页哦 组合式PLC组成如图1-2所示。这种结构的PLC是将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块,各模块可以插在底板上,模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CP
10、U的单元称为CPU模块,其他称为扩展模块。CPU与各扩展模块之间若通过电缆连接,距离一般不超过10m。中、大型机常采用组合式PLC。图1-2 组合式PLC组成示意图 第11页,此课件共42页哦1.4.1 中央处理单元中央处理单元(CPU)中央处理单元是PLC的主要组成部分,是系统的控制中枢。它的主要功能是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,并诊断用户程序的语法错误。当PLC投入运行时,首先以扫描方式接收现场各输入装置的状态或数据,并分别存入I/O映像区;然后从用户程序存储器中逐条取指令,按指令的规定执行逻辑或算术运算任务,并将运算结果存入I/O
11、映像区或数据寄存器内。等到所有用户程序扫描执行完毕后,才将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置。如此循环运行,直至停止运行为止。第12页,此课件共42页哦 PLC和一般微处理机不同,它常以字(16位)为单位而不是以字节(8位)为单位存储与处理信息。不同厂家、不同产品的CPU也不一样,但CPU在系统中的作用是一致的。只不过在CPU本身的集成度、运算速度和位数等方面略有差异。一般的中型PLC多为双CPU系统,其中一个为主处理器,主要处理字节操作指令,控制系统总线、内部计数器、内部定时器,监视扫描时间,统一管理编程接口,同时协调位处理器及输入/输出。如OMRON公司的 C
12、200H用的是美国Motorola公司的MC681309CP。也有一些PLC采用单片机,如8051、8031等;另一个CPU则作为从处理器,专门用来处理位操作指令和在机器操作系统的管理下实现PLC编程语言向机器语言的转换,它是加快PLC工作处理速度的关键。一般情况下,这样的 CPU都是各公司自己开发的专用CPU。因此,实际上PLC是一个双CPU的微机(或单片机)系统,它的可靠性也比较高。第13页,此课件共42页哦1.4.2 存储器存储器 PLC的存储器可以分为以下3种。1系统程序存储器系统程序存储器 系统程序是厂家根据其选用的CPU的指令系统编写的,它决定了PLC的功能。系统程序存储器是只读存
13、储器,用户不能更改其内容。2用户程序存储器用户程序存储器 根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序。不同机型的PLC的用户程序存储器的容量可能差异较大。根据生产过程或工艺的要求,用户程序经常需要改动,所以用户程序存储器必须可读写。一般要用后备电池(锂电池)进行掉电保护,以防掉电时丢失程序。目前较先进的PLC(如CPM1A等)采用可随时读/写的快闪存储器作为用户程序存储器。快闪存储器不需要后备电池,掉电时数据也不会丢失。第14页,此课件共42页哦3工作数据存储器工作数据存储器 用来存储工作数据的区域叫工作数据区。工作数据是经常变化、经常存取的,所以这种存储器必须可读/写。在工作数据区中开辟有元件
14、映像寄存器和数据表。其中,元件映像寄存器用来存储开关量的输入/输出状态以及定时器、计数器、辅助继电器等内部器件的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据,它存储用户程序执行时的某些可变参数值及A/D转换得到的数字量和数学运算的结果等。在PLC断电时能保持数据的存储器区称数据保持区。第15页,此课件共42页哦1.4.3 输入输入/输出接口输出接口 1开关量输入开关量输入 按照输入端电源类型的不同,开关量输入可分为直流输入和交流输入。直流输入的电路如图1-3所示,外接的直流电源极性可任意,虚线框内是PLC内部输入电路,虚线框外为外部用户接线。图1-3 直流输入电路 第16页,此课件共42页哦 图1
15、-3中,T为一光电耦合器,发光二极管与光电三极管封装在一个管壳中。当二极管中有电流时其发光,此时光电三极管导通。R1为限流电阻,R2和C构成滤波电路,可滤除输入信号中的高频干扰。LED显示该输入点的状态。由于电路中采用了光电耦合器,故在电性能上是完全隔离开的,同时,由于发光二极管的正向阻抗约为1001k,因此输入阻抗较低。而外界干扰源的内阻一般都比较大,故干扰源送到输入端的干扰噪声很小。并且由于干扰源内阻大,尽管能产生较高的干扰电压,但能量却很小,因此只能产生很弱的电流。而发光二极管只有通过一定的电流才能发光,这就抑制了干扰信号。可见在输入端采用了光电耦合器件后,提高了PLC的抗干扰能力。第1
16、7页,此课件共42页哦 有的PLC内部提供24V的直流电源,这时直流输入单元无需外接电源,用户只需将开关接在输入端子和公共端子之间即可,这就是所谓无源式直流输入单元。无源式直流输入单元简化了输入端的接线,方便了用户。PLC的输入电路有共点式、分组式和隔离式之别。输入单元只有一个公共端子(COM)的称为共点式,外部各输入元件都有一个端子与COM相接;分组式是将输入端子分为若干组,每组各共用一个公共端子;隔离式输入电路是具有公共端子的各组输入点之间互相隔离,可各自使用的独立电源。第18页,此课件共42页哦2开关量输出开关量输出 按输出电路所用开关器件的不同,PLC的开关量输出可分为晶体管输出、双向
17、晶闸管输出和继电器输出,如图1-4所示。(1)在晶体管输出电路中,负载电源只能是直流,由用户提供。输出电路负载能力小(工作电流仅0.30.5A),为无触点开关。晶体管输出接口使用寿命长,响应速度快,其延迟一般为0.51ms。(2)在双向晶闸管输出电路中,输出电路采用的开关器件是光控双向晶闸管,负载电源由用户提供,它使PLC的负载可以根据需要选用直流或交流电源。输出电路负载能力较大(工作电流约1A左右),响应速度较快,一般导通延迟为12 ms,关断延迟为810ms。(3)继电器输出电路中,负载电源由用户提供,可以是交流也可以是直流,视负载情况而定。输出电路抗干扰能力强,负载能力大(工作电流可达2
18、5A),但信号响应速度较慢,其延迟一般为810ms。第19页,此课件共42页哦 由于继电器触点电气寿命一般仅为1030万次,因此在需要输出点频繁通断的场合(如高频脉冲输出),应选用晶体管或晶闸管输出型的PLC。另外,继电器从线圈通电到触点动作存在延迟时间,是造成输出滞后于输入的原因之一。PLC输出电路也有共点式、分组式和隔离式之分。输出只有一个公共端子的称为共点式;分组式是将输出端子分为若干组,每组共用一个公共端子;隔离式是具有公共端子的各组输出点之间互相隔离,可各自使用独立的电源。第20页,此课件共42页哦图1-4 开关量输出(a)晶体管输出;(b)双向晶闸管输出;(c)继电器输出 第21页
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