PLC电子教案.pdf

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1、课 时 教 案 单位：授课教师：课程 PLC 系统设计与调试 第 周第 课时 年 月 日 课题 模块一 初识 PLC 任务一 从传统电气控制到 PLC 授课班级 教学目标 知识 目标 1.了解 PLC 定义、产生、发展和应用 控制系统和传统电气控制的异同 能力 目标 1.培养学生发现新事物、观察新事物并学习新事物的能力 2.明确课程内容和学习目标 3.了解 PLC 在工业控制中的地位和作用 素质 目标 1.树立安全生产，严谨求实的工程意识。2.培养学生良好的职业道德行为习惯。重点 PLC 定义、PLC 在工业控制中的作用（做好第一次课的入门演示动画，培养同学们学习积极性）难点 PLC 控制和传

2、统电气控制的异同 授课 方法 综合法（演示、讲练穿插、巡回指导）课型 新授课 教具 实验 PLC 实验箱、计算机、投影等 教学内容及过程【本课程在专业培养课程体系中的地位】【导入新课】一、与 PLC 的初次会面 PLC 是可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）的缩写，是作为传统继电-接触器的替代产品出现的。国际电工委员会（IEC）在其颁布的可编程控制器标准草案中给 PLC 做了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下的应用而设计。它采用可编程的存储器，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

3、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。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则设计。”PLC 将传统的继电器控制技术和现代的计算机信息处理技术的优点有机结合起来，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制设备之一，成为现代工业生产自动化三大支柱（PLC、CAD/CAM、机器人）之一。二、从传统电气控制到 PLC 电气控制，是一个内容十分广泛的概念，电路的通断、电动阀门的开关、电动机的启动与调速等，都属于电气控制的范畴。传统的继电接触器控制系统具有结构简单、价格低廉、容易操作、技术难度较小等优点，被长期广泛地使用在工业控制的各种领域中

4、。下面分别用继电器控制元件和 PLC 设计了一个卷扬机的正反转控制电路。通过对控制原理的分析，认识什么是 PLC 图 1-3 为卷扬机正反转仿真图。仿真动作见课件。图 1-3 卷扬机正反转运行控制仿真图 主电路图 控制电路图 图 1-4 卷扬机正反转继电器控制系统图 这种传统的继电器接触器控制方式控制逻辑清晰，采用机电合一的组合方式便于普通机类或电类技术人员维修，但由于使用的电气元件体积大、触点多、故障率大，因此，运行的可靠性较低。PPT 演示讲解 巡回指导 练习巩固 讨论交流 讲练穿插 工业控制器 主电路图 PLC 控制电路图 图 1-5 卷扬机正反转 PLC 控制系统图 图 1-5 是 P

5、LC 控制原理图。两种控制原理图中的主电路是一样的，控制电路不相同，PLC 控制电路所有按钮和触点输入以及接触器线圈均接到了 PLC 上，从接线方面来看要简单的多，其控制功能是由 PLC 内部的程序决定，通过更换程序可以更改相应的控制功能，从这一点上看要比继电器控制电路方便的多。例如：要求电机停止 30s 后自动反向运行。对于继电器构成的控制回路则需要添加时间继电器，重新设计原理图并接线；而 PLC 控制回路可以不变接线，只需要修改 PLC 内部程序即实现新的控制功能。电动机的传统控制方法和 PLC 控制方法的比较：(1)PLC 控制系统结构紧凑 (2)PLC 内部大部分采用“软”逻辑 (3)

6、PLC 控制功能改变极其方便 (4)PLC 控制系统制造周期短 此外，由于 PLC 技术是计算机控制的基础上发展而来，因此，它的软硬件设置上有着传统的继电器接触器控制无法比拟的优势，工作可靠性极高。三、追寻 PLC 的发展史 20 世纪 60 年代末期，美国的汽车制造工业竞争异常激烈。为了适应生产工艺不断更新的需要，降低成本，缩短新产品的开发周期，美国通用汽车公司（GM 公司）在 1968 年提出了招标开发研制新型顺序逻辑控制装置的十条要求，它就是有名的十条招标指标。主要内容如下：（1）编程简单，可在现场修改和调试程序。（2）维护方便，各部件最好是插件式的装置。PLC内部程序（3）可靠性高于继

7、电器控制柜。（4）体积小于继电器控制柜。（5）可将数据直接送入管理计算机。（6）在成本上可与继电器控制柜竞争。（7）输入可以是交流 115V（注：美国电网电压为 110V）。（8）输出为交流 115V、2A 以上，能直接驱动电磁阀。（9）具有灵活的扩展能力，在扩展时原系统只需做很少的变更。（10）用户程序存储容量至少能扩展到 4KB（根据当时的汽车装配过程的要求提出的）。1969 年，美国数字设备公司（DEC 公司）根据十项招标的要求，研制出世界上第一台可编程控制器，型号为 PDP-14。用它代替传统的继电器控制系统，在美国通用汽车公司的自动装配线上试用，获得了成功。PLC 的出现引起了世界各

8、国的普遍重视，日本和西欧国家通过引进技术也分别于 1971 年和 1973 年研制出自己的可编程控制器。从此以后 PLC 装置遍及世界各发达国家的工业现场。我国对此项技术的研究始于 1974 年，3 年后进入工业应用阶段。正是由于 PLC 具有多种功能，并集三电（电控装置、电仪装置、电气传动控制装置）于一体，使得 PLC 在工厂中备受欢迎，用量高居首位，成为现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。综述：作为传统继电器的替代产品出现的 集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的产物 新型的通用的工业自动化装置 现代工业生产自动化三大支柱（PLC、CAD/CAM、机器人）

9、之一。作业：（1）第一台 PLC 产生的时间是（）。A.1967 年 B.1968 年 年 D.1970 年（2）PLC 控制系统能取代继电-接触器控制系统的（）部分。A.整体 B.主电路 C.接触器 D.控制电路（3）可编程控制器的定义是什么（4）PLC 是如何分类的 课 时 教 案 单位：授课教师：课程 PLC 系统设计与调试 第 周第 课时 年 月 日 课题 模块一 初识 PLC 任务二 了解 PLC 的主要特点及应用 任务三 了解 PLC 的性能及选型 授课班级 教学目标 知识目标 了解 PLC 在工业控制中的应用及优点，掌握 PLC 的性能指标和选型原则。能力目标 通过对实验装置的认

10、识和了解，掌握 PLC 的应用领域、选型原则。素质目标 培养学生安全实操的良好行为习惯 培养学生良好的道德行为习惯，加强礼仪礼貌教育。重点 PLC 性能指标、选型原则 难点 PLC 选型 授课 方法 演示、讲解、实物 课型 新授课 教具 实验 PLC 实验箱、计算机、投影等 教学内容及过程【组织教学】【复 习】1、PLC 的定义概念是什么【导入新课】一、PLC 的主要特点 PLC 的设计是站在用户立场，以用户需要为出发点，以直接应用于各种工业环境为目标，同时又不断采用先进技术求发展。可编程控制器经过近四十年的发展，已日臻完善。其主要特点为：（1）可靠性高、抗干扰能力强（2）编程简单易学（3）使

11、用维护方便 a硬件配置方便。b安装方便。c使用方便。d维护方便。（4）体积小、重量轻、功耗低。（5）设计施工周期短。二、PLC 的应用领域 PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、石化、电力、机械制造、汽车制造、环保及娱乐等各行各业。其应用大致可分为以下几种类型：（1）用于逻辑开关和顺序控制 这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如：机床电气、电机控制等；亦可取代顺序控制，如：高炉上料、电梯控制等。（2）机械位移控制 位移控制是指 PLC 使用专用的位移控制模块来控制驱动步进电机或伺服电机

12、，实现对机械构件的运动控制。世界上各主要 PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械手、数控机床、机器人、电梯等场合。（3）数据处理 现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数复习 巩固 演 示讲解 巡 回指导 边 学边练 据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。（4）用于模拟量的控制

13、PLC 具有 D/A、A/D 转换及算术运算功能，可实现模拟量控制。现在大型的 PLC都配有 PID（比例、积分、微分）子程序或 PID 模块，可实现单回路、多回路的调节控制。（5）用于组成多级控制系统，实现工厂自动化网络 PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便，可以实现对整个生产过程的信息控制和管理。任务三 了解 PLC 的性能及选型 我们在一个控制系统里使用 PLC，PLC 种类很多，功能不同，

14、如何根据我们的控制要求选用我们需要的 PLC 呢 一、PLC 的性能指标 虽然各 PLC 生产厂家产品的型号、规格和性能各不相同，通常可以按照以下七种性能指标来进行综合描述。（1）I/O 点数 输入/输出点数是指 PLC 输入信号和输出信号的数量，也就是输入、输出端子数总和。（2）存储容量 存储容量是指 PLC 中用户程序存储器的容量，也就是用户 RAM 的存储容量。注意：“内存容量”实际是指用户程序容量，它不包括系统程序存储器的容量。程序容量与最大 I/O 点数大体成正比。（3）扫描速度 扫描速度一般指执行一步指令的时间，单位为 us/步。有时也以执行 1000 步指令的时间计，其单位为 m

15、s/千步。PLC 用户手册一般给出执行各条指令所用的时间，可以通过比较各种 PLC 执行相同的操作所用的时间，来衡量扫描速度的快慢。（4）编程语言与指令系统 PLC 的编程语言一般有梯形图、助记符、SFC（Sequential Function Chart）以及高级语言等。（5）内部寄存器 PLC 内部有许多辅助寄存器给用户提供特殊功能，以简化整个系统设计。内存寄存器的种类多少、容量大小和配置情况是衡量 PLC 硬件功能的一个主要指标。（6）功能模块 常用的功能模块主要有：A/D 和 D/A 转换模块、高速计数模块、位置控制模块、速度控制模块、轴定位模块、温度控制模块、远程通信模块、高级语言编

16、辑模块以及各种物理量转换模块等。（7）可扩展能力 PLC 的可扩展能力主要包括 I/O 点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展和各种功能模块的扩展等。在选择 PLC 时，经常需要考虑到 PLC 的可扩展性。二、PLC 的分类 可编程控制器产品的种类很多，一般可以从它的结构形式、输入输出点数及功能进行分类。（1）按结构形式分类 有整体式和模块式两种结构形式。整体式 PLC：又称单元式或箱体式，特点是结构紧凑、体积小、重量轻、价格低。图 1-6 整体式 PLC 外观图 模块式 PLC：将各部分以单独的模块分开，形成独立单元，使用时可将这些单元模块分别插入机架底板的插座上。特点是组装灵活，便于扩

17、展，维修方便，可根据要求配置不同模块以构成不同的控制系统。一般大、中型 PLC 采用模块式结构，有的小型 PLC 也采用这种结构。主基板 模块式 PLC 图 1-7 模块式 PLC 外观图（2）按输入输出点数和内存容量分类 分为微型机、小型机、中型机、大型机、超大型机等类型。IO 点数小于 32 为微型 PLC；IO 点数在 32128 为微小型 PLC；IO 点数在 128256 为小型 PLC；IO 点数在 2561024 为中型 PLC；IO 点数大于 1024 为大型 PLC；IO 点数在 4000 以上为超大型 PLC。以上划分不包括模拟量 I0 点数，且划分界限不是固定不变的。不同

18、的厂家也有自己的分类方法。三、PLC 的选型（1）PLC 的类型的选择 从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型 PLC 的 I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型 PLC 提供多种 I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的 I/O 点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。（2）输入输出模块的选择 输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点

19、；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程 I/O 机架等。（3）电源的选择 一般 PLC 的供电电源应设计选用 220V AC 电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果 PLC 本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入 PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二

20、极管或熔丝管隔离。（4）存储器的选择 按 256 个 I/O 点至少选 8K 存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。（5）经济性的考虑 选择 PLC 时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对 CPU 选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。课 时 教 案 单位：授课教师：课程 PLC 系统设计与调试 第 周第 课时 年

21、 月 日 课题 模块一 初识 PLC 任务四 PLC 的内部结构及工作原理 授课班级 教学目标 知识目标 了解 PLC 内部结构（重点输入输出的内部接线构造）；掌握 PLC 循环扫描工作原理，了解 PLC 的性能指标。能力目标 通过对实验装置的认识和了解，掌握 PLC 的组成、使用、以及 PLC 接口基本常识。掌握实训装置接线原则、方法 素质目标 培养学生安全实操的良好行为习惯 培养学生良好的道德行为习惯，加强礼仪礼貌教育。重点 PLC 外部端子接线、PLC 工作原理 难点 PLC 内部结构、工作原理 授课 方法 演示、讲解、实物 课型 新授课 教具 实验 PLC 实验箱、计算机、投影等 教学

22、内容及过程【组织教学】【复 习】1、PLC 的定义概念是什么【导入新课】一、PLC 的内部结构 PLC 采用了典型的计算机结构 图 1-8 PLC 的硬件系统结构 1中央处理器 CPU(Central Processing Unit)CPU 是整个 PLC 的核心，是一个控制指挥的中心。2存储器（Memory）PLC 的存储器由系统存储器和用户存储器组成。系统存储器用来存放系统管理程序，用户不能修改。用户存储器包括用户程序存储器和数据存储器，用来存放用户编制的梯形图程序或用户数据，常用高效的锂电池作后备电池。PLC 产品样本或使用手册中所列存储器的形式及容量是指用户存储器。当 PLC 提供的用

23、户程序存储器容量不够用，可用扩充存储器卡盒。3输入/输出接口电路（a）直流输入的接口电路 （b）继电器输出型接口电路（c）晶体管输出型接口电路 （d）晶闸管输出型接口电路 图 1-9 常用的 PLC 接口电路 输入接口电路 复习 巩固 演 示讲解 巡 回指导 边 学边练 采用光电耦合电路与现场输入信号相连是为了增强抗干扰能力，防止现场的强电干扰信号进入 PLC。光电耦合电路的关键器件是光耦合器，一般是由发光二极管和光电三极管组成。光耦合器的抗干扰性能：由于输入和输出端是靠光信号耦合的，在电气上是完全隔离的，因此输出端的信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰或其他串扰。输出接口电路 抗干扰：采

24、用光电耦合电路。功率驱动：有继电器、晶体管和晶闸管（可控硅）三种输出方式。继电器输出型为有触点输出方式，适用于低速、大功率交直流负载，负载电流大于 2A，这种方式存在继电器触点的电气寿命和机械寿命问题。晶体管输出型为无触点输出方式，适用于高速、小功率直流负载，负载电流约 0.5A。晶闸管输出型为无触点输出方式，适用于高速、大功率交流负载。负载电流约为 1A。4电源 PLC 配有开关电源，供内部电路使用。与普通电源相比，PLC 电源的稳定性好、抗干扰能力强。对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值15%的范围内波动。许多 PLC 还向外提供直流 24V 稳压电源，用于对外部传感

25、器供电。5其它接口电路 通信接口电路 扩展接口电路。二、S7-200PLC 外部端子接线 1输入接线 2输出接线 三、PLC 工作原理 1PLC 的工作方式 PLC 采用循环扫描工作方式，即按照“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作。整个工作过程可分为自诊断、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理五个阶段.图 1-10 PLC 循环扫描示意图（1）自诊断 每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。自诊断内容包括 I/O 部分、存储器、CPU 等，并且通过 CPU 设置定时器来监视每次扫描是否超过规定的时间，发现异常停机，显示出错。若自诊断正常，继续向下扫描。（2）通信服务 PLC 检查是否有

26、与编程器、计算机等的通信要求，若有则进行相应处理。（3）输入处理（又称输入刷新）PLC 在输入刷新阶段，首先按顺序从输入锁存器中读入所有输入端子的状态或数据，并将其存入内存中为其专门开辟的暂存区输入状态映像区中，这一过程称为输入采样或输入刷新。随后关闭输入端口，进入程序执行阶段。在程序执行阶段，即使输入端状态有变化，输入状态映像区中的内容也不会改变。变化了的输入信号的状态只能在下一个扫描周期的输入刷新阶段被读入。（4）程序执行 PLC 在程序执行阶段，按用户程序顺序执行每条指令，从输入状态映像区中读取输入信号的状态，经过相应的运算处理后，将结果写入输出状态映像区。程序执行时 CPU 并不直接处

27、理外部输入输出接口中的信号。（5）输出处理（又称输出刷新）同输入状态映像区一样，PLC 内存中也有一块专门的区域称为输出状态映像区，当程序所有指令执行完毕，输出状态映像区中所有输出继电器的状态在 CPU 的控制下被一次集中送至输出锁存器中，并通过一定输出方式输出，推动外部相应执行元件工作，这就是 PLC 的输出刷新阶段。可以看出，PLC 在一个扫描周期内，对输入状态的扫描只是在输入采样阶段进行，对输出赋的值也只有在输出刷新阶段才能被送出，而在程序执行阶段输入输出被封锁。这种方式称作“集中采样、集中输出”。2扫描周期 扫描周期即完成一次扫描所需时间。由 PLC 的工作过程可知，一个完整的循环扫描

28、周期 T 应为：T=（读入一点时间输入点数）+（运算速度程序步数）+（输出一点时间输出点数）+监视服务时间 扫描周期的长短主要取决于三个因素：一是 CPU 执行指令的速度；二是每条指令占用的时间；三是执行指令条数的多少，即用户程序的长短。扫描周期越长，系统的响应速度越慢。优点：抗干扰 缺点：输出滞后 总之，采用循环扫描的工作方式，是 PLC 区别于微机和其他控制设备的最大特点，在学习时应充分注意。通过循环扫描工作方式，有效地实现输入信号的延时滤波作用，提高了 PLC 的抗干扰能力，同时要求输入信号的接通时间至少要保持一个扫描周期以上的时间。阅读吧 如何下载 PLC 的资料与软件 目前，国际上生

29、产可编程控制器的厂家大多具有专业网站，可提供相关技术支持与讨论，并可从网站中下载一些免费资料或软件。西门子 PLC 的相关资料可在其下载中心网站下载；西门子工业业务领域的网站是。三菱电机公司的PLC 资料可在其工控网站下载。三菱电机自动化（上海）有限公司的网址是：。中国工业自动化网：、中国工控网等专题网站也可下载 PLC 相关资料，同时提供了同行交流的平台。四、知识测评（1）在 PLC 中程序指令是按“步”存放的，如果程序为 8000 步，则需要存储单元（）K。A.8 B.16 C.4 （2）一般情况下在对 PLC 进行分类时，IO 点数为（）点时，可以看做为大型PLC。A.128 点 B.256 点 C.512 点 点（3）对以下四个控制选项进行比较，选择 PLC 控制会更经济更有优势的是（）。A.4 台电动机 B.6 台电动机 C.10 台电动机 D.10 台以上电动机 2.简答 PLC 与继电-接触器控制比较有哪些优点