PLC應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)知識課件

1、可編程序控制器基礎(chǔ)1.1PLC的發(fā)展、分類及應(yīng)用 1.2結(jié)構(gòu)和工作原理 1.3技術(shù)性能指標(biāo) 1.4編程語言 2.1PLC的發(fā)展、分類及應(yīng)用 1.1.1產(chǎn)生 1.1.2定義1.1.3發(fā)展 1.1.4特點 1.1.5分類 1.1.6應(yīng)用 返回本章首頁1.1.1. PLC的產(chǎn)生 隨著社會的進(jìn)步，工業(yè)的發(fā)展，控制對象越來越多，其邏輯關(guān)系也越來越復(fù)雜，用繼電器組成的控制系統(tǒng)就會變得非常龐大，從而造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定和造價昂貴。主要表現(xiàn)在：當(dāng)某個繼電器損壞、甚至繼電器的某觸點接觸不良都會影響系統(tǒng)的運行；繼電器本身并不太貴，但控制柜內(nèi)元件的安裝和接線工作量極大，造成系統(tǒng)價格偏高；產(chǎn)品需要不斷地更新?lián)Q代，生產(chǎn)設(shè)備

2、的控制系統(tǒng)不斷地作相應(yīng)的調(diào)整。但對龐大的系統(tǒng)而言，日常維護(hù)已很難，再作調(diào)整難度更大。解決問題的設(shè)想 鑒于以上問題，1968年美國通用汽車公司(General Motors)向傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)： 設(shè)想是否能用一種新型的控制器，引入這種控制器后可使龐大的系統(tǒng)減小，并且能方便地進(jìn)行修改、調(diào)整。按照這個宗旨，該公司向外公開招標(biāo)，提出如下十大指標(biāo)： GE公司公開招標(biāo)的十大指標(biāo)：. 編程簡單，可在現(xiàn)場改程序；. 維護(hù)方便，最好是插件式 ；. 可靠性高于繼電器控制柜；. 體積小于繼電器控制柜；. 成本低于繼電器控制柜；. 可將數(shù)據(jù)直接輸入計算機 ；. 輸入可以是市電(AC110v)；. 控制程

3、序容量 4KB；. 輸出可驅(qū)動市電2A以下的負(fù)荷，能直接驅(qū)動電磁閥 ；. 擴展時，原有的系統(tǒng)僅作少許更改。 結(jié)果這次招標(biāo)引起了工業(yè)界的密切注視，吸引了不少大公司前來投標(biāo)，最后DEC公司一舉中標(biāo)，并于1969年研制成功第一臺PC，當(dāng)時命名為PC(Programmable Controller)。這臺PLC投運到汽車生產(chǎn)線后，取得了極為滿意的效果，引發(fā)了效仿的熱潮，從此PLC技術(shù)得以迅猛的發(fā)展。1.1.2 PLC的定義及其術(shù)語 1. 定義 可編程序控制器是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境條件下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作

4、的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 NEMA 1987年作的定義 美國電氣制造協(xié)會（NEMA）1987年作的定義如下：“它是一種帶有指令存儲器、數(shù)字或模擬I/O接口，以位運算為主，能完成邏輯、順序、定時、計數(shù)和算術(shù)運算功能，用于控制機器或生產(chǎn)過程的自動控制裝置?！?. PLC PC 之爭PC (Programmable Controller)PC (Personal Computer)PLC (Programmable Logic Controller)3. 常用術(shù)語 點數(shù) 指能夠輸入 / 輸出開關(guān)量、模擬量的總個數(shù)。一般是4或8的倍數(shù)。 掃描周期 是指PL

5、C執(zhí)行系統(tǒng)監(jiān)控程序、用戶程序、I/O刷新一次所用的時間。它直接反映PLC的響應(yīng)速度，因此是PLC的重要指標(biāo)之一，其單位是ms/kw (kb)。 1.1.3發(fā)展 1. 發(fā)展及現(xiàn)狀 2. 發(fā)展趨勢 （1）與計算機聯(lián)系密切 （2）發(fā)展多樣化 （3）模塊化 （4）網(wǎng)絡(luò)與通信能力增強 （5）多樣化與標(biāo)準(zhǔn)化 （6）工業(yè)軟件發(fā)展迅速 返回本節(jié)1.1.4特點 1. 可靠性高、抗干擾能力強2.程序可變、具有柔性 3.編程簡單、使用方便 4.功能強大 、完善5.組合靈活、擴充方便6.減少了工作量 7.體積小、重量輕、環(huán)境要求低 8.成本低、水平高 返回本節(jié)1、可靠性高、抗干擾能力強 故障原因設(shè)備故障原 因外部環(huán)境

6、、溫度、灰塵、有害氣體的影響由I/O線、電源線等引入的干擾振動、沖擊引起的器件損壞等輻射干擾電磁干擾存儲器信息的丟失、出錯內(nèi)部元器件的老化、失效程序錯誤運行進(jìn)入死循環(huán)解決方法硬件常規(guī)手段 ：優(yōu)質(zhì)元器件 ，合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 隔離 ：I/O電路光電隔離，無電氣回路的聯(lián)接點 濾波 ：對供電系統(tǒng)及輸入回路采用模擬量濾波和數(shù)字濾波屏蔽 ：導(dǎo)電、導(dǎo)磁性能良好的材料 ，防電磁波輻射的干擾 增強電源的適應(yīng)性 ：開關(guān)電源 采用模塊式結(jié)構(gòu) ：一旦某模塊有故障，能迅速更換解決方法軟件設(shè)置警戒時鐘WDT (看門狗) 系統(tǒng)軟件對用戶軟件自動進(jìn)行檢查 掉電保護(hù) 自檢 2 程序可變、具有柔性 生產(chǎn)工藝或設(shè)備改變后，在原設(shè)計的

7、PLC功能備用量夠用的情況下，可不變PLC的硬件，只要改編控制程序即可。 這點就充分體現(xiàn)了PLC具有繼電器控制系統(tǒng)所不具備和無可比擬的優(yōu)點。故PLC除應(yīng)用于單機控制外，還在柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)(FMC)、工廠自動化(FA)中被大量采用。 3 編程簡單、使用方便 PLC采用與繼電器控制邏輯圖非常接近的“梯形圖”進(jìn)行編程，這種編程方法既具備傳統(tǒng)控制線路的易懂易編，清晰直觀優(yōu)點，又顧及了多數(shù)電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣和微機應(yīng)用水平，易于被大眾接受，因此受到普遍歡迎，這種面向生產(chǎn)的編程方法與目前微機控制中常用的匯編語言或高級語言編程相比，其優(yōu)點是顯而易見的。 為進(jìn)一步優(yōu)化編程，PLC還針對

8、實際問題設(shè)計了諸如步進(jìn)順控指令、移位指令、鼓形控制器等功能性指令，減少編程工作量，加快了開發(fā)速度。 4 功能完善 現(xiàn)代的PLC還具有數(shù)字量及模擬量的輸入輸出、邏輯和算術(shù)運算、定時、計數(shù)、順序檢測、功率驅(qū)動、聯(lián)網(wǎng)通信、人機對話、自檢、記錄和顯示等功能，使控制系統(tǒng)的水平大大提高，功能更加完善。 5 組合靈活、擴充方便 PLC除摸塊化外，還具有各種擴充單元，I/O點數(shù)及各種I/O方式、I/O量均可選擇，可以方便地適應(yīng)不同的控制對象。6 減少了工作量 由于PLC是采用軟件編程來實現(xiàn)控制功能的，而繼電器控制采用硬接線來實現(xiàn)。這就減少了設(shè)計、施工的工作量。同時，PLC能事先進(jìn)行摸擬調(diào)試并且具有很強的監(jiān)視功

9、能，所以系統(tǒng)的調(diào)試、檢修、維護(hù)的工作量得到大大地減少。 7 體積小、重量輕、環(huán)境要求低 由于PLC是專為工控而設(shè)計的專用計算機，所以其結(jié)構(gòu)緊密、堅固、體積小巧、功能齊全，能直接投運在惡劣的工作環(huán)境。 一般PLC的功能若用繼電器來實現(xiàn)，需用3至4個1.8m高的大繼電器控制柜。8 成本低、水平高 PLC功能強大，使得控制系統(tǒng)的費用大量降低。 PLC具有易修改性、高可靠性、易擴展性、易維護(hù)性，降低了日常運行的檢修、維修工作量。 PLC安裝調(diào)試方便，開發(fā)、調(diào)試周期短，從而降低了設(shè)計、開發(fā)、安裝、調(diào)試的工作量。PLC靠軟件編程實現(xiàn)控制功能，硬件及其備件均具有通用性，也減少了采購的時間和費用。體積小、功能

10、強，所以占地少、耗電小，每年節(jié)省的電費就可將投資收回。 PLC是一種專用工控計算機，實現(xiàn)了智能控制，從而使得控制水平上了新臺階，并且具有聯(lián)網(wǎng)功能，很易構(gòu)成綜合控制系統(tǒng)。 1.1.5分類 1. 從結(jié)構(gòu)上可編程序控制器從結(jié)構(gòu)上可分為整體式和模塊式。2. 從規(guī)模上按PLC的輸入輸出點數(shù)可分為小型、中型和大型。 返回本節(jié)1.1.6應(yīng)用 1. 工業(yè)1）開關(guān)量控制，如邏輯、定時、計數(shù)、順序等；2）模擬量控制，部分PLC或功能模塊具有PID控制功能，可實現(xiàn)過程控制；3）監(jiān)控，用PLC可構(gòu)成數(shù)據(jù)采集和處理的監(jiān)控系統(tǒng)；4）建立工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，為適應(yīng)復(fù)雜的控制任務(wù)且節(jié)省資源，可采用單級網(wǎng)絡(luò)或多級分布式控制系統(tǒng)。2. 其

11、他行業(yè)可編程序控制器在其他行業(yè)的應(yīng)用也日益廣泛：在國防和民用，如建筑，環(huán)保，家用電器等。返回本節(jié)1.2結(jié)構(gòu)和工作原理2.2.1結(jié)構(gòu) 2.2.2工作原理 返回本章首頁1.2.1結(jié)構(gòu) PLC專為工業(yè)場合設(shè)計，采用了典型的計算機結(jié)構(gòu)，主要是由CPU、電源、存儲器和專門設(shè)計的輸入輸出接口電路等組成。圖2.1為一典型PLC結(jié)構(gòu)簡圖。圖2.1結(jié)構(gòu)簡圖一. 中央處理單元 中央處理單元（CPU）一般由控制器、運算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個芯片上。 CPU的主要功能：(1)控制用戶程序和數(shù)據(jù)的接收和存儲(2)用掃描的方式通過I/O部件接收現(xiàn)場信號的狀態(tài)和數(shù)據(jù),并存入輸入映像寄存器或數(shù)據(jù)存儲器中(3)診

12、斷PLC內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語法錯誤等(4)根據(jù)運算結(jié)果,更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映像寄存器的內(nèi)容,再經(jīng)輸出部件實現(xiàn)輸出控制,制表或數(shù)據(jù)通信等功能二. 存儲器 系統(tǒng)程序存儲器(1)系統(tǒng)管理程序(2)用戶指令解釋程序(3)標(biāo)準(zhǔn)程序模塊與系統(tǒng)調(diào)用 用戶程序存儲器 數(shù)據(jù)表存儲器 (I/O映像存儲器) PLC的I/O部分，因用戶的需求不同有各種不同的組合方式 開關(guān)量I/O模塊模擬量I/O模塊數(shù)字量I/O模塊高速計數(shù)模塊精確定時模塊快速響應(yīng)模塊中斷控制模塊PID模塊位置控制模塊軸向定位模塊通信模塊。 以下我們詳細(xì)介紹三. 輸入輸出單元 開關(guān)量I/O模塊(部分) (1)開關(guān)量輸入模塊開關(guān)量輸入模

13、塊的作用： 接收現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)信號、控制命令等，如限位開關(guān)、操作按鈕等，并且將此開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換成CPU能接收和處理的數(shù)字量信號。 開關(guān)量輸出模塊的作用： 將經(jīng)過CPU處理過的結(jié)果轉(zhuǎn)換成開關(guān)量信號送到被控設(shè)備的控制回路去，以驅(qū)動閥門執(zhí)行器、電動機的啟動器和燈光顯示等設(shè)備。開關(guān)量I/O模塊的特性 僅有通、斷兩種狀態(tài)；用發(fā)光二極管在面板上顯示。 輸入電壓等級 、 464點/模塊； 外部引線連接在模塊面板的接線端子上； （有些模塊使用插座型端子板，在不拆去外部連線的情況下，可迅速地更換模塊，便于安裝、檢修） 開關(guān)量輸入模塊的幾種型式（1） 開關(guān)量輸入模塊圖2.2 直流輸入電路圖開關(guān)量輸入模塊的幾種型式

14、（1） 開關(guān)量輸入模塊圖2.3交流輸入電路圖通常PLC的輸入類型可以是直流、交流和交直流。輸入電路的電源可由外部供給，有的也可由PLC內(nèi)部提供。圖2.2和圖2.3分別為一種型號PLC的直流和交流輸入接口電路的電路圖，采用的是外接電源。圖2.2描述了一個輸入點的接口電路。其輸入電路的一次電路與二次電路用光耦合器相連，當(dāng)行程開關(guān)閉合時，輸入電路和一次電路接通，上面的發(fā)光管用于對外顯示，同時光耦合器中的發(fā)光管使三極管導(dǎo)通，信號進(jìn)入內(nèi)部電路，此輸入點對應(yīng)的位由0變?yōu)?。即輸入映像寄存器的對應(yīng)位由0變?yōu)?。(2)開關(guān)量輸入模塊的主要技術(shù)指標(biāo) 輸入電壓：指PLC外接電源的電壓值。 輸入點數(shù)：指輸入模塊開關(guān)

15、量輸入的個數(shù)。 AC 頻率：指輸入電壓的工作頻率，一般為5060Hz。 輸入電流：指開關(guān)閉合時，流入模塊內(nèi)的電流。 一般為510mA。 輸入阻抗：指輸入電路的等效阻抗。 ON 電壓：指邏輯“1”之電壓值，開關(guān)接通時為“1”。 OFF電壓：指邏輯“0”之電壓值，開關(guān)斷開時為“0”。 OFFON的響應(yīng)時間：指開關(guān)由斷通時，導(dǎo)致內(nèi)部邏輯 由“0”“1”的變化時間。 ONOFF的響應(yīng)時間：指開關(guān)由通斷時，導(dǎo)致內(nèi)部邏輯 由“1”“0”的變化時間。 內(nèi)部功耗：指整個模塊所消耗的最大功率。 繼電器輸出晶體管輸出可控硅輸出(2)開關(guān)量輸出模塊每個輸出點均有：LED發(fā)光管、隔離元件（光電管 / 繼電器)、功率驅(qū)

16、動元件輸出保護(hù)電路三個PN結(jié)、整流、開關(guān)繼電器輸出J+1000.02uf負(fù)載(a) 繼電器輸出J24v負(fù)載(b) 晶體管輸出晶體管輸出0.01uf470(c) SSR/可控硅輸出負(fù)載可控硅輸出四、編程工具 簡易編程器圖形編程器 用專用編程軟件在個人計算機(PC)上實現(xiàn)編程功能 五、電源 電源是PLC最重要的部分之一，是正常工作的首要條件。當(dāng)電網(wǎng)有強烈波動遭強干擾時，輸出電壓要保持平穩(wěn)。因此在PLC的電源中要加入許多穩(wěn)壓抗擾措施，如浪涌吸收器、隔離變壓器、開關(guān)電源技術(shù)等。 1.2.2工作原理一. 循環(huán)掃描PLC采用循環(huán)掃描工作方式，這個工作過程一般包括五個階段：內(nèi)部處理、與編程器等的通信處理、輸

17、入掃描、用戶程序執(zhí)行、輸出處理，其工作過程如圖2.4所示。圖2.4中當(dāng)PLC方式開關(guān)置于RUN（運行）時，執(zhí)行所有階段；當(dāng)方式開關(guān)置于STOP（停止）時，不執(zhí)行后3個階段，此時可進(jìn)行通信處理，如對PLC聯(lián)機或離線編程。圖2.4 工作原理圖可編程序控制器的輸入處理、執(zhí)行用戶程序和輸出處理過程的原理如圖2.5所示。PLC執(zhí)行的五個階段，稱為一個掃描周期，PLC完成一個周期后，又重新執(zhí)行上述過程，掃描周而復(fù)始地進(jìn)行。圖2.5程序執(zhí)行原理圖舉例I/O狀態(tài)表點 狀態(tài)X00 0Y00 0Y01 0Y02 0Y00Y01Y02輸入端子輸出端子KA3HLKA1KA2Y00Y01Y02Y01X00Y01用戶程序

18、LD Y01OUT Y00LD X00OUT Y00LD Y01OUT Y02I/O刷新程序執(zhí)行圖2-7 掃描過程示意圖X00SB1四. 與計算機的異同 相同點：（1）基本結(jié)構(gòu)相同 （2）程序執(zhí)行原理相同 不同點： 兩者的不同點主要體現(xiàn)在工作方式上。五. 與繼電接觸器的異同 相同點：圖形結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系相同。 不同點：（1）實現(xiàn)原理不同（2）工作方式不同返回本節(jié)1.3技術(shù)性能指標(biāo) 1. 外形尺寸 2. 輸入輸出點數(shù) 3. 機器字長 4. 速度5. 指令系統(tǒng)6. 存儲器容量7. 擴展性8. 通信功能 返回本章首頁1.4編程語言1.4.1 編程語言簡介1.4.2 梯形圖使用的符號、概念及注意事項返回

19、本章首頁1.4.1 編程語言簡介一、梯形圖 它是由原繼電器控制系統(tǒng)演變而來，與電氣邏輯控制原理圖非常相似，形象、直觀實用，是PLC的主要編程語言，絕大多數(shù)PLC均具有這種編程語言，下一節(jié)將對此作重點介紹。二、助記符 助記符也稱語句表達(dá)式，它與計算機的匯編語言很相似，但比匯編語言簡單得多。PLC簡易編程器沒有梯形圖編程功能，必須把梯形圖翻譯成助記符指令后再輸入PLC。微型、小型PLC常采用這種方法，故助記符也是一種用得最多的編程語言。助記符是用若干個容易記憶的字符來代表PLC的某種操作功能。各PLC生產(chǎn)廠家使用的助記符不盡相同。 三、布爾表達(dá)式 它是一種找出輸入量、輔助量(內(nèi)部元件)、輸出量之間

20、關(guān)系，用布爾表達(dá)式或邏輯方程表達(dá)出來的編程方法?，F(xiàn)今有少部分PLC采用這種編程方法，它配有專用的布爾表達(dá)式編程器。 布爾表達(dá)式編程法也是一種較好的編程方法，若沒有專用編程器，采用此法先找出系統(tǒng)的布爾表達(dá)式組，然后再轉(zhuǎn)換成梯形圖編程。 四、功能塊圖 ( Function block diagram ) 這是一種建立在布爾表達(dá)式之上的圖形語言。實質(zhì)上是一種將邏輯表達(dá)式用類似于“與”、“或”、“非”等邏輯電路結(jié)構(gòu)圖表達(dá)出來的圖形編程語言。 這種編程語言及專用編程器也只有少量PLC機型采用。例如西門子公司的S5系列PLC采用STEP編程語言，它就有功能塊圖編程法。五、功能表圖 ( Function c

21、hart ) 也稱順序功能表圖 (Sequence Function chart )，簡稱SFC 。 它是一種位于前述4種編程語言之上的一種圖形語言，用來編制較為復(fù)雜的順序控制程序。對較復(fù)雜的控制系統(tǒng)用梯形圖作程序設(shè)計，存在如下問題： 設(shè)計方法很難掌握且設(shè)計周期長 裝置投運后維護(hù)、修改困難。 1.4.2 梯形圖使用的符號、概念及注意事項 前面曾講過，梯形圖與繼電器邏輯圖的設(shè)計思想是一致的，具體表達(dá)方式有點區(qū)別。PLC的梯形圖使用的是“軟元件”(I點、O點、內(nèi)部輔助繼電器、計數(shù)器等)。是PLC 存儲器中的某一位，由軟件(用戶程序)實現(xiàn)邏輯運算，使用和修改靈活方便。靠硬接線組成邏輯運算的繼電器控制

22、線路是無法與之相比的。 一、梯形圖中的符號、概念 母線：梯形圖的兩側(cè)各有1垂直的公共母線(Bus bar) ，母線之間是觸點和線圈 觸點 ：PLC內(nèi)部的I/O繼電器、輔助繼電器、特殊功能繼電器、定時器、計數(shù)器、移位寄存的常開/閉觸點，都用表3-2所示的符號表示，通常用字母數(shù)字串或 I/O地址標(biāo)注。觸點實質(zhì)上是讀存儲器中某1位，其邏輯狀態(tài)與通斷狀態(tài)間的關(guān)系見表 俗稱名稱符 號說 明常開觸點1為觸點“接通”，0為觸點“斷開”常閉觸點1為觸點“斷開”，0為觸點“接通”繼電器線圈1為線圈“得電”激勵，0為線圈“失電”不激勵繼電器線圈 對PLC內(nèi)部存儲器中的某一位寫操作時，這一位便是繼電器線圈，用表3-2中的符號表示，通常用字母數(shù)字串，輸出點地址，存儲器地址標(biāo)注，線圈一般有輸出繼電器線圈、輔助繼電器線圈。它們不是物理繼電器，而僅是存儲器中的1 bit。一個繼電器線圈在整個用戶程序中只能使用一次(寫)，但它還可當(dāng)