數(shù)控機床的可編程序控制器.ppt

第四講 數(shù)控機床的可編程序控制器,在這一講，我們一起學習 可編程序控制器的結(jié)構及工作原理 可編程序控制器的指令與編程,一、可編程序控制器的產(chǎn)生與發(fā)展 早期的電氣控制是采用繼電器接觸器邏輯控制，這種控制裝置具有結(jié)構簡單、易于掌握、價格便宜等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中應用很廣。但是，這些控制裝置體積大、動作速度較慢、耗電較多、功能少，特別是傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制采用的是固定接線方式，一旦生產(chǎn)過程有所變動，就得重新設計線路和連線安裝，不利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。,于是，有人設想把計算機的功能完善、通用靈活的優(yōu)點與繼電接觸器控制簡單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點結(jié)合起來，制成一種通用控制裝置，以取代原有的繼電器控制柜。終于，美國數(shù)字設備公司根據(jù)以上設想和要求，在1969年研制出第一臺可編程序控制器，型號為PDP-14，在通用汽車公司的汽車生產(chǎn)線上首次應用，并獲得了成功。由于當時只是用它來取代繼電接觸器控制，功能限于邏輯運算、計時、計數(shù)等，所以稱之為“可編程邏輯控制器（PLC）”。,1985年1月，國際電工委員會又對可編程序控制器作了如下定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境生產(chǎn)應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程”。 目前，PLC正朝著兩個方向發(fā)展。其一是向大型化、快速、高功能方面發(fā)展，以取代工業(yè)計算機的部分功能。其二是向小型化、專用化、成本低方向發(fā)展，以真正成為繼電器的替代品。PLC總的發(fā)展趨勢就是：功能越來越強，使用越來越方便，而性能價格比又不斷地提高?？梢?，PLC的發(fā)展方興未艾，前景十分可觀。,二、可編程序控制器的基本結(jié)構 PLC是一種面向工業(yè)環(huán)境設計的專用計算機系統(tǒng)，它與一般計算機的結(jié)構類似，也是由硬件和軟件所組成的。 1.PLC的硬件結(jié)構 PLC內(nèi)部硬件結(jié)構框圖如圖6.1所示。由中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入/輸出接口、編程器、電源等幾部分組成。,圖6.1 PLC的硬件結(jié)構框圖,1）中央處理單元（CPU） 中央處理單元CPU是PLC的核心，其主要作用是執(zhí)行系統(tǒng)控制軟件，從輸入接口讀取各開關狀態(tài)，根據(jù)梯形圖程序進行邏輯處理，并將處理結(jié)果輸出到輸出接口。 2）存儲器 PLC的存儲器是用來存儲 數(shù)據(jù)或程序的。存儲器中的程序包括系統(tǒng)程序和應用程序。 3）I/O接口電路 I/0（輸入/接口）接口是CPU與現(xiàn)場I/0設備聯(lián)系的橋梁。 輸入接口接收和采集輸入信號。數(shù)字量（或稱開關量）輸人接口用來接收從按鈕、開關、限位開關、接近開關、壓力繼電器等來的數(shù)字量輸入信號；模擬量輸入接口用來接收電位器、測速發(fā)電機和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號。PLC的輸入接口電路見圖6.2。 為防止各種干擾信號和高電壓信號，輸入接口一般要加光電耦合器進行隔離，圖6.2 中VL2就是光電耦合器。,圖6.2 PLC的輸入接口電路,現(xiàn)在以圖6.2 b)為例簡要說明以下開關信號輸入的原理：當外部開關打開時，光電耦合器VL2中的發(fā)光二極管沒有電流流過，光敏三極管處于結(jié)止狀態(tài)，所以電路輸出高電平到PLC內(nèi)部電路。若外部開關關閉，大家可以看到：光電耦合器VL2中的發(fā)光二極管所在的回路有電流流過，發(fā)光二極管驅(qū)動光敏三極管處于飽和導通狀態(tài)，電路輸出低電平到PLC內(nèi)部電路。,圖6.3 PLC的輸出接口電路 剛才我們分析了輸入接口電路，那么，輸出接口電路將內(nèi)部電路輸出的弱電信號轉(zhuǎn)換為控制現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以驅(qū)動執(zhí)行元件。數(shù)字量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈等開關量輸出設備，模擬量輸出模塊用來控制調(diào)節(jié)閥、變頻器等連續(xù)控制的執(zhí)行裝置。 PLC的各種輸出接口電路見圖6.3。輸出接口電路分為繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出三種形式，目前，采用繼電器輸出方式較多。,4）編程器 編程器是用來輸入和編輯用戶程序，也可用來監(jiān)視PLC運行時各編程元件的工作狀態(tài)。一般情況下只在程序輸入、調(diào)試階段和檢修時使用，所以一臺編程器可供多臺PLC使用。 目前，還有一種使用較多的方式：在微機上運行專用的編程軟件，通過串行通信口使微機與PLC連接，用微機編寫、修改程序，程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計算機。 5）電源 電源的作用是把外部供應的電源變換成系統(tǒng)內(nèi)部各單元所需的電源。有的電源單元還向外提供24V直流電源。電源單元還包括掉電保護電路和后備電池電源，以保持RAM在外部電源斷電后存儲的內(nèi)容不丟失。,2.PLC軟件 PLC的軟件分為系統(tǒng)軟件和用戶程序兩大部分。系統(tǒng)軟件由PLC制造商固化在機內(nèi)，用以控制PLC本身的運作。用戶程序由PLC的使用者編制并輸入，用于控制外部被控對象的運行。 1）系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序及標準程序模塊等。系統(tǒng)管理程序用于管理、控制整個系統(tǒng)的運行。 2）用戶程序 用戶程序是用戶根據(jù)現(xiàn)場控制的需要，用PLC的編程語言編制的應用程序，通過編程器將其輸入到PLC內(nèi)存中，用來實現(xiàn)各種控制要求。 同學們注意：根據(jù)不同控制要求編制不同的程序，相當于改變可編程控制器的用途，也相當于繼電接觸器控制設備的硬接線線路進行重設計和重接線，這就是所謂的“可編程序”的含義。,圖6.5 PLC掃描工作過程 三、PLC的工作過程 PLC的工作過程可分為輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新三個階段。PLC的工作過程是按這樣三個階段進行周期性循環(huán)掃描，如圖6.5所示。,1）輸入采樣階段 PLC在輸入采樣階段，首先按順序采樣所有的輸入端子，并將輸入點的狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)存入內(nèi)存中各對應的輸入映象寄存器，即輸入刷新，隨即關閉輸入端口。接著進入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行階段，即使輸人狀態(tài)有變化，輸入映象寄存器的內(nèi)容也不會改變。輸入信號變化了的狀態(tài)只能在下一個掃描周期的輸入采樣階段被讀入。 2）程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)行階段PLC對用戶程序順序掃描，在執(zhí)行每一條指令時，所需的輸入信號的狀態(tài)可從輸入映象寄存器中讀入，當前的輸出狀態(tài)從元件映象寄存器讀入，然后按程序進行相應的邏輯運算，運算結(jié)果再存入元件映象寄存器中。所以對每一個元件（PLC內(nèi)部的輸出軟繼電器）來說，元件映象寄存器的內(nèi)容，會隨著程序的執(zhí)行過程而變化。,3）輸出刷新階段 當所有指令執(zhí)行完畢，元件映象寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)（接通/斷開）在輸出刷新階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器，并通過一定的方式輸出，驅(qū)動外部負載，這才是PLC的實際輸出。 四、PLC程序的表達方式 PLC備有多種編程語言，供用戶選用。由于PLC是為在工業(yè)環(huán)境中應用而設計的，對PLC編程時可以不考慮其內(nèi)部的復雜結(jié)構，也不必使用計算機的編程語言，而把PLC內(nèi)部看作是由許多“軟繼電器”等邏輯部件組成的。 PLC中常用的編程語言有梯形圖、語句表（指令表）、功能表圖等。 1）梯形圖編程 梯形圖是各種PLC通用的一種圖形編程語言，在形式上類似于繼電器控制電路。它直觀、易懂，是目前應用最多的一種編程語言。,a ） 繼電器控制 b） PLC控制的外部線與梯形圖 圖6.7 三相異步電動機正反轉(zhuǎn)控制 如圖6.7a）所示為三相異步電動機正反轉(zhuǎn)控制的繼電器控制電路。圖6.7b）是采用PLC控制三相異步電動機正反轉(zhuǎn)的外部接線圖與等效梯形圖。,梯形圖按從上到下、從左到右順序排列。最左邊垂直線為輸入母線，常開觸點、常閉觸點的各種連接和線圈輸出，形成一條水平的邏輯行，即梯級。元件在水平線上為邏輯串聯(lián)，用垂直線連接的相鄰水平線為邏輯并聯(lián)。 梯形圖中仍然采用了“繼電器”這一名稱，但它們不是真正的物理繼電器，而是PLC內(nèi)部的編程元件，稱為“軟繼電器”。每一個編程元件與PLC元件映像器的一個存儲單元對應，當相應存儲單元為“l(fā)”時，表示繼電器線圈“通電”，動合觸點閉合，動斷觸點斷開。,梯形圖是一種編程語言，其母線端無任何電源。為了便于理解，在梯形圖中引入了一個假想的電流，稱為“能流”?！澳芰鳌痹谔菪螆D中只能從左向右單向流動。如圖6.7b）所示，當常開觸點I0.0閉合，就有一假想的“能流”從左向右依次經(jīng)I0.0的常開觸點和I0.2、I0.1、Q0.1的常閉觸點流入線圈Q0.0，這時，線圈Q0.0接通并自保，其相應存儲單元狀態(tài)為“1”。 2）語句表編程 語句表又叫做指令表，在形式上類似于計算機匯編語言。它是用指令的助記符來編程的，通常一條指令由步序號、助記符和元件號三部分組成。若干條指令組成的程序稱為語句表程序或指令表程序。,五、PLC指令與編程 可編程控制器的產(chǎn)品雖然眾多，但工作原理和基本結(jié)構組成基本相同。在中國市場，德國西門子公司生產(chǎn)的SIMATIC S7系列以其結(jié)構緊湊、可靠性高、功能全等優(yōu)點擁有很多的用戶。SIMATIC S7系列PLC的機型有S7-200,S7-300,S7-400，分別為S7系列的小、中、大型PLC系統(tǒng)?，F(xiàn)在僅以S7-200系列PLC為例，介紹小型PLC系統(tǒng)編程用的元器件與編址、指令系統(tǒng)、編程等PLC應用的基礎知識。 1 . S7-200的編址 所謂編址，就是對輸入輸出模塊上的IO點進行編碼，以便程序執(zhí)行時可以唯一地識別每個IO點。,1）數(shù)字量IO點的編址。數(shù)字量IO點是以字長為單位，采用標志域（I或Q）、字節(jié)號和位號（07共8位）三部分的組成形式來進行編址的。 例如：輸入點I 0.1中：I表示輸入接口，0.1表示0字節(jié)1號位輸入；同樣，使用Q 0.2表示輸出接口為0字節(jié)2號位輸出 2）模擬量IO的編址。模擬量IO是以字長（16位）為單位進行編址的。輸入只能進行讀操作，而輸出只能進行寫操作。地址采用標志域（AIAQ）、數(shù)據(jù)長度標志（W）以及字節(jié)地址（030之間的十進制偶數(shù)）的組成形式進行編址。 如AIW0，AIW2，AIW62，共有32個模擬量輸入點。,2. S7-200 PLC基本指令 S7-200 PLC具有豐富的指令集，基本上可分為基本元素、標準指令以及特殊指令等。基本元素包括邏輯操作指令、跳轉(zhuǎn)操作以及裝載操作和比較操作。標準指令是指定時功能、計數(shù)功能、算術功能等指令。特殊指令可以滿足諸如移位、循環(huán)、轉(zhuǎn)換以及高速計數(shù)等復雜功能。本節(jié)將介紹部分常用指令的梯形圖符號、指令表達方式以及功能和用法，并附帶相應的指令應用示例。 1） 二進制邏輯操作,圖6.10 裝載位操作指令的應用示例 LD裝載常開觸點（位操作）指令和LDN裝載常閉觸點（位“取反”操作）指令,它總是位于一段邏輯的開始，而“與” A 、“或” O 、“非”指令的功能是對該指令的操作數(shù)與前面得到的邏輯結(jié)果做相應的邏輯運算。 如圖6.10所示的邏輯操作指令功能是：當輸入點I0.0與輸入點I 0.1的狀態(tài)都為“l(fā)”時，Q 0.0為“l(fā)”；而輸入點I0.0或輸入點I0.1只要某一個為“l(fā)”狀態(tài)，即可使Q 0.2輸出“l(fā)”。注意：圖中梯形圖的右測是與之相應的語句表編程，同學們可以對照梯形圖一起學習。,圖6.11 ALD指令的應用示例 ALD塊“與”裝載和OLD塊“或”裝載 a)塊的“與”操作指令ALD。用于兩個或兩個以上的觸點并聯(lián)連接的電路之間的串聯(lián)，稱之為并聯(lián)電路塊的串聯(lián)連接。 ALD指令的應用示例如圖6.11所示。實例中，輸入I0.1與中間繼電器M0.1并連，再與輸入I0.2和中間繼電器M0.4的并連塊串聯(lián)起來。 塊的“與”操作是將梯形圖中以LD起始的電路塊與以LD起始的電路串聯(lián)起來。,圖6.12 OLD指令的應用示例 b)塊的“或”操作指令OLD。用于兩個或兩個以上的觸點串聯(lián)連接的電路之間的并聯(lián)，稱之為串聯(lián)電路塊的并聯(lián)連接。 OLD指令的應用示例如圖6.12所示。 如圖6.12所示的邏輯操作指令功能是：當輸入點I0.1與輸入點I 0.2的狀態(tài)都為“l(fā)”時，輸出Q 0.0為“l(fā)”；如果，輸入點I0.3和輸入點I0.4狀態(tài)都為“l(fā)”時，輸出Q 0.0為也“l(fā)”； 。 塊的“或”操作就是將梯形圖中以LD起始的電路塊和另外以LD起始的電路塊并聯(lián)起來。注意：對于復雜的串并聯(lián)關系可以多次使用ALD或OLD指令。,置位復位指令SR（SetReset） 置位復位指令具有保持功能, 當置位或復位條件滿足時，輸出狀態(tài)保持為l或0。同時，置位復位指令還可設置位數(shù)，例如：S Q0.2 ,3是指對輸出口從Q 0.2開始的三位數(shù)輸出置位。該位數(shù)默認值為“1”。 圖6.14所示為SR指令應用，左邊為梯形圖，右邊為相應的時序圖，時序圖表示各種電平狀態(tài)與時間的關系。實例中，當I0.0、I0.1都為低電平時，Q0.0保持原來的狀態(tài)；當I0.0有一個高電平時，高電平的信號影響輸出Q0.0的狀態(tài)， Q0.0置位（Set）為高電平；當I0.1有一個高電平時，高電平的信號影響輸出Q0.0的狀態(tài)， Q0.0復位（ Reset ）為低電平； 當I0.0、I0.1都為高電平時，寫在后面的指令優(yōu)先影響Q0.0的狀態(tài)。,圖6.14 SR指令應用,邊沿脈沖指令 邊沿脈沖指令EU（Edge Up）指令在對應輸入條件有一個上升沿時，產(chǎn)生一個寬度為一個掃描周期的脈沖，驅(qū)動其后面的輸出線圈（掃描周期就是：PLC工作時，CPU對用戶程序作周期性循環(huán)掃描，所用的時間 ） ；而邊沿脈沖指令ED （Edge Down）指令則對應輸入條件有一個下降沿時，產(chǎn)生一個寬度為一個掃描周期的脈沖，驅(qū)動其后的輸出線圈。 圖6.16所示為邊沿脈沖指令應用，實例中： 輸入I0.0有上升沿：觸點（EU）產(chǎn)生一個掃描周期的時鐘脈沖，M0.0線圈通電一個掃描周期，M0.0常開觸點閉合（一個掃描周期），使輸出線圈Q0.0置位有效（輸出線圈Q0.0=1），并保持。 輸入I0.1有下降沿：觸點（EU）產(chǎn)生一個掃描周期的時鐘脈沖，驅(qū)動輸出線圈M0.1通電一個掃描周期，M0.1常開觸點閉合（一個掃描周期），使輸出線圈Q0.O復位有效（輸出線圈QO.O=O），并保持。 邊沿脈沖指令在工程實踐中具有非常重要的實用價值。,圖6.16邊沿脈沖指令應用,2定時器指令 S7-200系列PLC的定時器為增量型定時器，用于實現(xiàn)時間控制，可以按照工作方式和時間基準（時基）進行分類。時間基準又稱為定時精度和分辨率。 1）分類 S7-200 PLC按工作方式分為三種類型的定時器：通電延時定時器TON（On DelayTimer）、斷電延時定時器TOF（Off Delay Timer）和保持型通電延時定時器TONR（Retentive On Delay Timer），按照時基基準，定時器又可分為1 ms、10 ms、100 ms三種類型， 2）使用方法 通電延時型（TON）。通電延時型定時器應用示例如圖6.19所示。從梯形圖結(jié)合時序圖分析：當輸入I0.2為高電平，使能端（IN）輸入有效，定時器開始計時，當前值從0開始遞增，大于或等于預置值（PT）時，定時器輸出狀態(tài)位置l，本例中，預置值（PT）為300，T33的分辯率為10ms,所以定時為3秒。當前預置值（PT）的最大值為32 767。最后注意：使能端（IN）無效時，T33定時器復位即為低電平。,圖6.19通電延時型定時器應用示例（1）,有記憶通電延時型（TONR）。當定時器輸入端有效時，定時器開始遞增計數(shù)，當前值大于或等于預置值（PT）時，輸出狀態(tài)位置l。注意：與通電延時型定時器不同之處在于，輸入端無效時，當前值保持（記憶），使能端（IN）再次接通有效時，在原記憶值的基礎上遞增計時。 有記憶通電延時型（TONR）定時器采用線圈的復位指令（R）進行復位操作，當復位線圈有效時，定時器當前值清0，輸出狀態(tài)位置0 3）應用定時器指令應注意的幾個問題。 一個定時器號不能同時用作斷電延時定時器TOF和通電延時定時器TON指令。 使用復位指令R對定時器復位后，定時器位為0，定時器當前值為0。 TONR指令只能通過復位指令進行復位操作。,3計數(shù)器指令 計數(shù)器是對輸入端的脈沖進行計數(shù)。S7-200PLC有三種類型的計數(shù)器：增計數(shù)器CTU（Count Up）、減計數(shù)器CTD（Count D