可編程控制器與現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)控制駱德漢主編.ppt

可編程控制器與現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)控制 駱 德 漢 主編,2005.05.05,第一章 可編程序控制器基礎(chǔ)知識(shí),1.1 可編程序控制器的發(fā)展與特點(diǎn) 1.2 可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu)與工 作原理 1.3 西門子SIMENS控制器簡(jiǎn)介,1.1 可編程序控制器發(fā)展與特點(diǎn),1.1.1 可編程序控制器產(chǎn)生與現(xiàn)狀 繼電器一接觸器控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為繼電控制系統(tǒng)。 第一臺(tái)PLC （Programmable Logic Controller)是美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制并成功地應(yīng)用到美國(guó)通用汽車公司（GM）的生產(chǎn)線上 70年代中期，隨著大規(guī)模集成電路和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)、日本、德國(guó)等把微處理器引入PLC 80年代工業(yè)界把引進(jìn)了微處理器的可編程序邏輯控制器命名為可編程序控制器（Programmable Controller),簡(jiǎn)稱為PC。,1.1 可編程序控制器發(fā)展與特點(diǎn),1.1.1、可編程序控制器產(chǎn)生與現(xiàn)狀 第一代PLC只有邏輯控制功能； 第二代PLC采用8位微處理具有邏輯控制、計(jì)數(shù)、定時(shí)等功能； 第三代PLC采用8位微處理器和位片式CPU，控制功能和處理速度大大提高。 第四代PLC采用16位、32位微處理器，并采用多處理器并行處理方式，具有邏輯控制功能、過(guò)程控制功能、運(yùn)動(dòng)控制功能、數(shù)據(jù)處理控制功能和網(wǎng)絡(luò)通訊控制功能等。 第五代PLC誕生于上世紀(jì)末，特點(diǎn)是在第四代PLC基礎(chǔ)上，增加了現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，從而為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提供了開(kāi)放式接口，使PLC應(yīng)用更為靈活、方便。,1.1 可編程序控制器發(fā)展與特點(diǎn),1.1.1、可編程序控制器產(chǎn)生與現(xiàn)狀,目前全世界PLC制造商有200多家，產(chǎn)品有400多個(gè)系列。按 其地域影響力可分為三大流派， 1、歐洲產(chǎn)品以西門子（SIEMENS）PLC為代表； 2、美國(guó)產(chǎn)品以A-B (Allen-Bradley) PLC為代表； 3、日本產(chǎn)品以歐姆龍（OMRON）PLC為代表,可編程序控制器定義： “可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)線。,1.1.2 可編程控制器的特點(diǎn),1. 功能齊全 基本功能 開(kāi)關(guān)量輸入/輸出控制 模擬量輸入/輸出控制 提供內(nèi)部中間繼電器、 延時(shí)繼電器、鎖存繼電器、主控繼 電器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器等、具有四則運(yùn)算、 比較、二一十進(jìn)制轉(zhuǎn)換、中斷控制、程序跳轉(zhuǎn)； 擴(kuò)展功能 網(wǎng)絡(luò)通信、批數(shù)據(jù)傳送、矩陣運(yùn)算、PID閉環(huán)回路控制、 排序查表功能、及特殊功能函數(shù)運(yùn)算等功能。,1.1.2 可編程控制器的特點(diǎn),2. 抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高 開(kāi)關(guān)動(dòng)作由無(wú)觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來(lái)完成； PLC采取了屏蔽、濾波; 輸入/輸出采用光電隔離； 軟件方面，PLC具有斷電保護(hù)和故障自診斷功能。 3.組合靈活 PLC通常采用模塊式結(jié)構(gòu)，便于將PLC與數(shù)據(jù)總線連接。 PLC的功能模塊品種多，可以靈活組合成各種規(guī)模和不同功 能的控制系統(tǒng),1.1.2 可編程控制器的特點(diǎn),4. 現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)接線簡(jiǎn)單 針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)有相應(yīng)的輸入和輸出模塊可與現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)設(shè)備部件直接連接，并通過(guò)數(shù)據(jù)總線與微處理器模塊相連接。 5. 編程簡(jiǎn)單 PLC采用面向控制過(guò)程,編程一般使用與繼電器電路原理圖相似的梯形圖編程方式，既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清清晰直觀感，又考慮到大多數(shù)電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣，使得編程簡(jiǎn)單、形象，修改靈活、方便。 6.維修維護(hù)方便 PLC有完善的自診斷功能，其內(nèi)部狀態(tài)、通信狀態(tài)、I/O接口工作狀態(tài)及異常狀態(tài)均有顯示，通過(guò)分析這些狀態(tài)可迅速查出故障原因，便于及時(shí)處理。,1.1.3 可編程控制器的性能指標(biāo),1.編程語(yǔ)言 梯形圖、語(yǔ)句表、控制系統(tǒng)流程圖及高級(jí)語(yǔ)言四種編程語(yǔ)言。 2. 用戶程序存貯容量 中小型PLC存貯容量一般8K以下，大型PLC存貯量有的256K及2M。 3. I/O總數(shù) PLC的輸入、輸出開(kāi)關(guān)量IO總數(shù)用最大I0點(diǎn)數(shù)表示；模擬量I0總數(shù)用最大I/O通道路數(shù)表示。,1.1.3 可編程控制器的性能指標(biāo),4. 掃描速度 以ms/K字表示。如20msK表示掃描1K字程序所需的時(shí) 間為20ms。 5. 指令種數(shù) 用以表示PLC的編程功能。指令種數(shù)越多，PLC功能越強(qiáng)， 編程越方便。 6. 內(nèi)部繼電器 內(nèi)部繼電器的種數(shù)和點(diǎn)數(shù)包括輔助繼電器、計(jì)時(shí)器計(jì) 數(shù)器、移位寄存器、特殊繼電器等。,1.1.4 可編程控制器的分類,(一) 按結(jié)構(gòu)形式分類 1 整體式- CPU、存貯器及I/O、電源等基本單元裝在一起。 2 模塊式- CPU、包括存貯器、輸入、輸出單元為獨(dú)立的模塊。 (二) 按I/O點(diǎn)數(shù)分類 1 小型- IO點(diǎn)數(shù)為256點(diǎn)以下,如F1F2、S5一100U等。 2 中型- IO點(diǎn)數(shù)為256點(diǎn)以上，2048點(diǎn)以下。如S5一115U等。 3 大 型- I/O點(diǎn)數(shù)為2048點(diǎn)以上，如S5一150U等。,1.1.4 可編程控制器的分類,(三) 按功能分類 1.低檔PLC 具有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、移位及自診斷、監(jiān)控等功能。 2.中檔PLC 還具有較強(qiáng)的模擬量輸入輸出、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程I/0、通訊聯(lián)網(wǎng)等功能。 3. 高檔PLC 還增設(shè)有帶符號(hào)算術(shù)運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、位邏輯運(yùn)算、平方根運(yùn)算及函數(shù)運(yùn)算、表格傳送等功能。,1.1.5 可編程控制器的發(fā)展趨勢(shì),1. 過(guò)程控制領(lǐng)域的發(fā)展 高速模擬量輸入模塊、專用PID控制器、專用輸 入模塊、專用快速計(jì)算模塊。 2. 網(wǎng)絡(luò)功能的發(fā)展 多可編程控制器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，各PLC之間實(shí)現(xiàn)通訊和控制。,1.1.5 可編程控制器的發(fā)展趨勢(shì),3. 智能輸入輸出模塊的發(fā)展 專用智能PID控制器、語(yǔ)音處理模塊、圖像識(shí)別專用模塊. 4. 外部故障檢測(cè)能力的發(fā)展 用于檢測(cè)外部故障的專用智能模塊，提高可編程控制器系統(tǒng)的可靠性。 5. 編程語(yǔ)言的發(fā)展,1.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)與工作原理,1.2.1 PLC程序控制的基本概念 1 繼電-接觸器控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)程序由導(dǎo)線、繼電器、接觸器的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)，輸入對(duì)輸出的控制完全由硬件實(shí)現(xiàn)。,1.2.1 PLC程序控制的基本概念 2 軟件程序控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)程序由軟件語(yǔ)言表達(dá)，輸入對(duì)輸出的控制由硬件和軟件共同實(shí)現(xiàn)，其軟件存放在硬件的存貯器中。,3、延時(shí)控制電路舉例,2個(gè)開(kāi)關(guān)X1、X2，任一接通立即點(diǎn)亮紅燈，2秒后點(diǎn)亮綠燈。 繼電接觸器控制系統(tǒng) 選用2個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)、2個(gè)常開(kāi)繼電器及1個(gè)具有延時(shí)2秒后閉合的時(shí)間繼電器,3、延時(shí)控制電路舉例,當(dāng)X1或X2任一按下，線圈Y1接通，Y1常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，時(shí)間繼電器T開(kāi)始計(jì)時(shí)，T常開(kāi)觸點(diǎn)因時(shí)間未到未閉合。時(shí)間到， T常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，Y2線圈接通，同時(shí)Y2觸點(diǎn)接通，過(guò)程完成,3、延時(shí)控制電路舉例,PLC控制系統(tǒng) 選用2個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)，PLC的2個(gè)輸入點(diǎn)和2個(gè)輸出點(diǎn)。,3、延時(shí)控制電路舉例,PLC控制系統(tǒng) PLC工作過(guò)程： 先讀入X1、 X2觸點(diǎn)信息，然后對(duì)X1、X2狀態(tài)進(jìn)行邏輯運(yùn) 算，若邏輯條件滿足，Y1線圈接通，此時(shí)外觸點(diǎn)Y1接 通，外電路形成回路，紅燈亮； 在定時(shí)時(shí)間未到時(shí)，T觸點(diǎn)接通的條件不滿足,因此Y2線圈 不通電，綠燈不亮。在到T時(shí)間后，Y2線圈才接通，Y2觸點(diǎn) 接通，綠燈亮。,1.2.2 PLC工作原理,（一）PLC的等效（軟）繼電器 輸入等效繼電器 與外部輸入設(shè)備連接，如按鈕、操作開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、傳感器等。 控制等效繼電器 按照被控對(duì)象實(shí)際要求而動(dòng)作的繼電器控制線路。,1.1.2 PLC工作原理, 輸出等效繼電器 外部輸出設(shè)備連接，如繼電器、接觸器、電磁閥等執(zhí)行元件以及信號(hào)燈、電鈴等信號(hào)器件。 PLC的控制 采用存貯器來(lái)代 替繼電器， 通過(guò) 編制好的程序?qū)?現(xiàn)控制,(二） PLC 工作過(guò)程,1. 第一階段輸入掃描 PLC按掃描方式讀入所有輸入端子上輸入信號(hào)，并將其存入輸入信號(hào)緩沖區(qū)（輸入映象區(qū)）。 輸入采樣結(jié)束后即轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行期間，即使輸入狀態(tài)變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會(huì)改變,一般輸入映象區(qū)中的內(nèi)容只有在輸入掃描階段才會(huì)被刷新,（二）PLC 工作過(guò)程,2. 第二階段執(zhí)行掃描 （1）PLC對(duì)梯形圖程序從上到下，從左到右的順序掃描各條指令； （2）從輸入映象區(qū)取出相應(yīng)數(shù)據(jù)或從輸出映象區(qū)讀取有關(guān)的數(shù)據(jù)； （3）進(jìn)行由程序確定的邏輯運(yùn)算或其它數(shù)字運(yùn)算，結(jié)果存入輸出映象。,（二）PLC 工作過(guò)程,2. 第二階段執(zhí)行掃描,PLC在執(zhí)行程序時(shí)所用到的狀態(tài)值不是直接從實(shí)際輸入端口獲得的，而是來(lái)源于輸入映象寄存器和輸出映象寄存器。 輸入映象寄存器的狀態(tài)值，取決于上一掃描周期從輸入端口采樣取得的數(shù)據(jù)，并在程序執(zhí)行階段保持不變。 輸出映象寄存器中的狀態(tài)值，取決于執(zhí)行程序輸出指令的結(jié)果。,（二）PLC 工作過(guò)程,3. 第三階段輸出掃描 執(zhí)行完用戶程序后，PLC將輸出映象區(qū)中的內(nèi)容同時(shí)送入到輸出鎖存器中（稱為輸出刷新），然后由鎖存器去驅(qū)動(dòng)繼電器的線圈，以驅(qū)動(dòng)被控設(shè)備，完成本次工作周期運(yùn)行結(jié)果的實(shí)際輸出。,（三）掃描周期與響應(yīng)滯后,1 掃描周期 PLC 經(jīng)過(guò)三個(gè)階段的工作過(guò)程為一個(gè)掃描周期。 2 輸入、輸出狀態(tài)的改變 輸入、輸出狀態(tài)的改變需一個(gè)掃描周期，即輸入、輸 出狀態(tài)保持為一個(gè)掃描周期。 3 掃描周期大小 （1）取決于程序長(zhǎng)短，一般在幾ms至幾十ms之間； （2）取決于硬件及CPU速度,（三）掃描周期與響應(yīng)滯后,4 輸入輸出響應(yīng)滯后 （1）主程序循環(huán)掃描執(zhí)行產(chǎn)生輸入輸出響應(yīng)滯后現(xiàn)象； （2）調(diào)用子程序或中斷程序輸入輸出響應(yīng)滯后現(xiàn)象； （3）一般來(lái)說(shuō)，輸入輸出響應(yīng)滯后23個(gè)掃描工作周期。 對(duì)一般工業(yè)控制設(shè)備來(lái)說(shuō)，這些滯后現(xiàn)象是允許的。但對(duì)有些要求輸入輸出作快速反應(yīng)的場(chǎng)合，則是不允許的。但可采用快速響應(yīng)模塊，高速計(jì)數(shù)模塊以及中斷處理等措施來(lái)盡量減少滯后時(shí)間。,1.2.3 PLC基本結(jié)構(gòu),1 總體結(jié)構(gòu) 輸入輸出、中央控制單元、電源及編程器等。 2. 輸入部件 （1） 輸入部件 是PLC與外部連接的輸入通道（數(shù)字通道或模擬通道） （2） 輸入信號(hào) 是按鈕、行程開(kāi)關(guān)、傳感器輸出的開(kāi)關(guān)量或模擬量, （3） 輸入部件 由光電耦合器和輸入寄存器組成，實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離。,3. 輸出部件,（1）輸出部件 向外部現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行部件輸出相應(yīng)控制信號(hào)。 （2）輸出部件規(guī)模大小 決定可編程序控制器的輸出點(diǎn)數(shù)。 4. 中央控制單元 （1）由CPU、系統(tǒng)程序貯存器、用戶程序貯存器及編程器接口等組成； （2）CPU是PLC的控制中樞，系統(tǒng)程序貯存器存放系統(tǒng)管理和監(jiān)控程序及對(duì)用戶程序做編譯處理的程序。,5. 電源部件 （1）電源部件將交流電轉(zhuǎn)換直流電源，使PLC能正常工作； （2）電源內(nèi)部有多級(jí)濾波、交、直流電源的必要絕緣、穩(wěn)壓電源等； （3）電源部件內(nèi)還裝有備用電池（鋰電池）。 6. 編程器 編程器對(duì)PLC程序進(jìn)行編制、調(diào)試、監(jiān)視、修改、編輯，最后將程序固化在EPR0M中。,(一) 輸入模板,1. 數(shù)字量輸入接口模板 采集現(xiàn)場(chǎng)各種開(kāi)關(guān)接點(diǎn)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平，送給CPU處理。 （1）07為8個(gè)輸入接線端子， COM為輸入公共端； （2）24V直流電源專供輸 入接口用； （3）K0K7為現(xiàn)場(chǎng)外接 的開(kāi)關(guān)。 （4）發(fā)光二極管LED為輸 入狀態(tài)指示燈，R為 限流電阻，為L(zhǎng)ED和 光電耦合器,提供合適的工作電流。,(一) 輸入模板,(5) 光電耦合器件有三個(gè)作用： （1）實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與PLC主機(jī)的電氣隔離，以提高抗干擾性。 （2）避免外電路出故障時(shí)，外部強(qiáng)電侵入PLC而損壞CPU模板； （3）實(shí)現(xiàn)電平變換，將現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)各種電平信號(hào)變換成CPU主模板要 求的標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平，,(一) 輸入模板,2 交流輸入接口模板, R11、C11組成輸入濾波電路，以提高電路的輸入抗干擾能力 R12為限流電阻以限制進(jìn)入輸入模塊的電流強(qiáng)度,2 交流輸入接口模板, B1為整流電路，220V的交流信號(hào)經(jīng)它整流后得到直流信號(hào)； R13和C12組成高頻濾波電路對(duì)整流后的直流進(jìn)行高頻濾波 V11是LED指示燈，用于對(duì)外指示該路是否有信號(hào)接通； VT1為光電藕合器，將濾波后的直流信號(hào)通過(guò)光介質(zhì)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平送到總線接口電路中,(一) 輸入模板,3.模擬量輸入模板 4路模擬電壓輸入和4路模擬電流輸入 由輸入濾波及多路模擬開(kāi)關(guān)電路、采樣/保持電路、A/D轉(zhuǎn)換 電路、控制電路和總線接口電路組成,(一) 輸入模板,3.模擬量輸入模板 工作過(guò)程： (1) PLC發(fā)出采樣控制信號(hào)； (2)自動(dòng)切換多路開(kāi)關(guān)接通相應(yīng)的采樣通道，使被采樣信號(hào)通過(guò)多路開(kāi)關(guān)進(jìn)入采樣/保持器， (3)同時(shí)CPU啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)光電隔離后被送到總線接口電路。,1 模板主要結(jié)構(gòu) CPU及其外圍電路、ROM和RAM、譯碼及控制；,（二）中央處理模板,2 CPU及其外圍電路 （1）小型PLC的CPU模板上有1個(gè)處理器 （2）大中型PLC的CPU模板上有兩個(gè)處理器：一個(gè)是字處理 器（稱為主 處理器），一個(gè)是位處理器（也稱從 處理器、布爾處理器）。,（二）中央處理模板,3 存儲(chǔ)器ROM（EPROM）和RAM (1) ROM（EPROM）存儲(chǔ)系統(tǒng)監(jiān)控程序和用戶程序 (2) RAM 存儲(chǔ)PLC內(nèi)部的輸入輸出信息，并用于內(nèi)部繼電 器（軟繼電器）、移位寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、定時(shí) 器計(jì)數(shù)器以及累加器等；,（二）中央處理模板,(三) 輸出接口模板,（1） 晶體管輸出方式, 晶體管輸出方式用于直流負(fù)載，采用 光電隔離 （2） 晶閘管輸出方式, 雙向晶閘管輸出用于交流負(fù)載，采用 光電隔離,(三) 輸出接口模板,（3） 繼電器輸出方式, 可用于直流負(fù)載，或用于交流負(fù)載。 無(wú)光電隔離 當(dāng)PLC通過(guò)輸出寄存器在輸出點(diǎn)輸出0電平時(shí)，繼電器KA得電，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，負(fù)載得電。一般輸出可帶2A的負(fù)載。,(三) 輸出接口模板,（4） 模擬輸出模板 控制電路、D/A轉(zhuǎn)換器、電壓/電流轉(zhuǎn)換器、輸出保持器 和功率放大電路等組成。,(三) 輸出接口模板,（4） 模擬輸出模板 數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電流或電壓信號(hào)，并經(jīng)功率放大成標(biāo) 準(zhǔn)信號(hào)，如15V電壓或420mA電流，或-10V10V電壓等。 D/A決定了模擬輸出部件的工作速度和精度，通常有8位、 10位和12位D/A轉(zhuǎn)換器之分，位數(shù)越高，轉(zhuǎn)換精度,1.3 西門子SIMATIC控制器簡(jiǎn)介,1.3.1 西門子SIMATIC系統(tǒng) 西門子SIMATIC系統(tǒng)由SIMATIC硬件和軟件組成 SIMATIC 軟件是一個(gè)連接緊密的軟件工具系統(tǒng)，用于 SIMATIC S7 、SIMATIC C7 和SIMATIC M7 PL