PLC電氣控制與組態(tài)設(shè)計(jì)第一章課件

1、哈爾濱理工大學(xué)周美蘭 周封 王岳宇PLC電氣控制與組態(tài)設(shè)計(jì)8/20/20221第1頁，共34頁。可編程序控制器問世于1969年。是美國汽車制造工業(yè)激烈競爭的結(jié)果。更新汽車型號必然要求加工生產(chǎn)線改變。正是從汽車制造業(yè)開始了對傳統(tǒng)繼電器控制的挑戰(zhàn)。1968年美國General Motors公司，要求制造商為其裝配線提供一種新型的通用程序控制器，并提出10項(xiàng)招標(biāo)指標(biāo)。這就是著名的GM 10條。第一章 可編程控制器的基本知識第一節(jié) 可編程控制器的產(chǎn)生和發(fā)展一、可編程控制器的產(chǎn)生8/20/20222第2頁，共34頁。編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序；可靠性高于繼電器控制柜；體積小于繼電器控制柜；維護(hù)方便，最好

2、是插件式；可將數(shù)據(jù)直接送入管理計(jì)算機(jī)；在成本上可與繼電器控制柜競爭；輸入是交流115V；輸出為交流115V、2A以上，能直接驅(qū)動電磁閥等；在擴(kuò)展時，原系統(tǒng)只需很小變更；用戶程序存貯器容量至少能擴(kuò)展到4K。GM10條是可編程序控制器出現(xiàn)的直接原因：8/20/20223第3頁，共34頁。可編程控制器的發(fā)展及定義 1969年，美國數(shù)據(jù)設(shè)備公司(DEC)研制出世界上第一臺可編程控制器，并成功地應(yīng)用在GM公司的生產(chǎn)線上。這一時期它主要用于順序控制，只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC(Programmable Logic Controller)。 70年代后期，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)

3、的迅猛發(fā)展，使PLC從開關(guān)量的邏輯控制擴(kuò)展到數(shù)字控制及生產(chǎn)過程控制領(lǐng)域，真正成為一種電子計(jì)算機(jī)工業(yè)控制裝置，故稱為可編程控制器，簡稱PC(Programmable Controller)。但由于PC容易和個人計(jì)算機(jī) (Personal Computer)相混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用PLC作為可編程控制器的縮寫。8/20/20224第4頁，共34頁。 1985年1月國際電工委員會的定義： “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器，用來在內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)

4、械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴(kuò)充的原則設(shè)計(jì)”。8/20/20225第5頁，共34頁。 第二節(jié) 可編程控制器的特點(diǎn)及分類 PLC的主要特點(diǎn)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。主要有以下幾個方面： 隔離(采用光電耦合器 )濾波 對PLC的內(nèi)部電源采取了屏蔽、穩(wěn)壓、保護(hù)等措施。 設(shè)置了連鎖、環(huán)境檢測與診斷、Watchdog等電路。 利用系統(tǒng)軟件定期進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)、用戶程序、工作環(huán)境和故障檢測。對用戶程序及動態(tài)工作數(shù)據(jù)進(jìn)行電池備份。 采用密封、防塵、抗振的外殼封裝結(jié)構(gòu)。 以集成電路為基本元件，內(nèi)部處理過程不依賴于機(jī)械觸點(diǎn)。采用循環(huán)掃描的工作方式，也提高了抗干擾

5、能力。 8/20/20226第6頁，共34頁?？蓪?shí)現(xiàn)三電一體 三電是指電控、電儀、電傳。根據(jù)工業(yè)自動化系統(tǒng)的分類，對于開關(guān)量的控制，即邏輯控制系統(tǒng)，繼電接觸器控制裝置，為電控裝置。對于慢的連續(xù)控制，即過程控制系統(tǒng)，采用是電動儀表控制，為電儀裝置。對于快的連續(xù)量控制，即運(yùn)動控制系統(tǒng)，采用的是電傳裝置。 PLC集電控、電儀和電傳于一體。一臺控制裝置既有邏輯控制功能，又有過程控制功能，還有運(yùn)動控制功能，可以方便、靈活地適應(yīng)各種工業(yè)控制的需要。8/20/20227第7頁，共34頁。 3.PLC與傳統(tǒng)的繼電器邏輯相比 可靠性高、邏輯功能強(qiáng)、體積小。在需要大量中間繼電器、時間繼電器及計(jì)數(shù)繼電器的場合，PL

6、C 無需增加硬設(shè)備。 隨著要求的變更PLC對程序修改方便。繼電器線路要想改變控制功能，必須變更硬接線，靈活性差。 具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能，可附加高性能模塊對模擬量進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜控制功能。 8/20/20228第8頁，共34頁。 4.PLC與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比 PLC繼承了繼電器系統(tǒng)的基本格式和習(xí)慣，對于有繼電器系統(tǒng)方面知識和經(jīng)驗(yàn)的人來說，尤其是現(xiàn)場的技術(shù)人員，學(xué)習(xí)起來十分方便。 PLC一般是由電氣控制器的制造廠家研制生產(chǎn)，各廠家的產(chǎn)品不通用。工業(yè)控制機(jī)是由通用計(jì)算機(jī)推廣應(yīng)用發(fā)展起來的，一般由微機(jī)廠、芯片及板卡制造廠開發(fā)生產(chǎn)。它在硬件結(jié)構(gòu)方面的突出優(yōu)點(diǎn)是總線標(biāo)準(zhǔn)化程度高，產(chǎn)品兼容性強(qiáng)。 PLC

7、的運(yùn)行方式與工業(yè)控制機(jī)不同，微機(jī)的許多軟件不能直接使用。工業(yè)控制機(jī)可使用通用微機(jī)的各種編程語言，對要求快速、實(shí)時性強(qiáng)、模型復(fù)雜的工業(yè)對象的控制占有優(yōu)勢。8/20/20229第9頁，共34頁。PLC和工業(yè)控制機(jī)都是專為工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境而設(shè)計(jì)的。 都具有很高的可靠性。PLC一般具有模塊結(jié)構(gòu)，可以針對不同的對象進(jìn)行組合和擴(kuò)展。 8/20/202210第10頁，共34頁。 二、PLC的分類按結(jié)構(gòu)形式分類整體式模塊式 單板式 按功能分類低檔機(jī)中檔機(jī) 高檔機(jī) 分 類I0點(diǎn)數(shù)程序容量超小型機(jī)64點(diǎn)以內(nèi)2561000字節(jié)小型機(jī)6425613.6K字節(jié)中型機(jī)25620483.613K字節(jié)大型機(jī)2048以上13K

8、字節(jié)以上 3. 按IO點(diǎn)數(shù)和程序容量分類8/20/202211第11頁，共34頁。一、PLC的應(yīng)用場合邏輯控制 ：可取代傳統(tǒng)繼電器系統(tǒng)和順序控制器。如各種機(jī)床、自動電梯、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線、運(yùn)輸和檢測等的控制。 運(yùn)動控制 ：通過配合PLC使用的專用智能模塊，可以對步進(jìn)電動機(jī)或伺服電動機(jī)的單軸或多軸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置控制，可用于精密金屬切削機(jī)床、機(jī)械手、機(jī)器人等設(shè)備的控制。 過程控制 ：通過配用AD、DA轉(zhuǎn)換模塊及智能PID模塊實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、速度等連續(xù)變化的模擬量進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。機(jī)械加工的數(shù)字控制 PLC和計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）裝置組合成一體，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)值控制，組成數(shù)控機(jī)床。

9、 第三節(jié) 可編程控制器的應(yīng)用場合 和發(fā)展趨勢 8/20/202212第12頁，共34頁。5機(jī)器人控制 應(yīng)用PLC可實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的控制。德國西門子制造的機(jī)器人就是采用本公司生產(chǎn)的16位PLC組成的控制裝置進(jìn)行控制的。6多級控制 多級控制是指利用PLC的網(wǎng)絡(luò)通信功能模塊及遠(yuǎn)程IO控制模塊實(shí)現(xiàn)多臺PLC之間的鏈接、PLC與上位計(jì)算機(jī)的鏈接，這種方式，能夠完成較大規(guī)模的復(fù)雜控制，甚至實(shí)現(xiàn)整個工廠生產(chǎn)的自動化。 8/20/202213第13頁，共34頁。 二、可編程控制器的發(fā)展趨勢1、在系統(tǒng)構(gòu)成規(guī)模上向大、小兩個方向發(fā)展；2、功能不斷增強(qiáng)，各種應(yīng)用模塊不斷推出 ；3、產(chǎn)品更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化 。8/20/

10、202214第14頁，共34頁。 第四節(jié) 可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8/20/202215第15頁，共34頁。PLC各部分的作用 CPU診斷PLC電源、內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編制程序中的語法錯誤。采集現(xiàn)場的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并送人PLC的寄存器中。逐條讀取指令，完成各種運(yùn)算和操作。 將處理結(jié)果送至輸出端。 響應(yīng)各種外部設(shè)備的工作請求。 8/20/202216第16頁，共34頁。PLC各部分的作用存儲器 系統(tǒng)程序存儲器：用以存放系統(tǒng)管理程序、監(jiān)控程序及系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)。PLC出廠前已將其固化在只讀存儲器ROM或PROM中，用戶不能更改。用戶存儲器：包括用戶程序存儲區(qū)及工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)。這類存儲器一

11、般由低功耗的CMOS-RAM構(gòu)成，其中的存儲內(nèi)容可讀出并更改。注意： PLC產(chǎn)品手冊中給出的“存儲器類型”和“程序容量”是針對用戶程序存儲器而言的。8/20/202217第17頁，共34頁。PLC各部分的作用輸入輸出接口電路輸入接口電路：采用光電耦合電路，將限位開關(guān)、手動開關(guān)、編碼器等現(xiàn)場輸入設(shè)備的控制信號轉(zhuǎn)換成CPU所能接受和處理的數(shù)字信號。 PLC的輸入接口電路（直流輸入型） 8/20/202218第18頁，共34頁。PLC各部分的作用輸出接口電路：采用光電耦合電路，將CPU處理過的信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強(qiáng)電信號輸出，以驅(qū)動接觸器、電磁閥等外部設(shè)備的通斷電。有三種類型： 繼電器輸出型繼電器輸

12、出型：為有觸點(diǎn)輸出方式，用于接通或斷開開關(guān)頻率較低的直流負(fù)載或交流負(fù)載回路。8/20/202219第19頁，共34頁。（b） 晶閘管輸出型（c） 晶體管輸出型（NPN集電極開路）（d） 晶體管輸出型（PNP集電極開路）晶體管輸出型：為無觸點(diǎn)輸出方式，用于接通或斷開開關(guān)頻率較高的直流電源負(fù)載。晶閘管輸出型：為無觸點(diǎn)輸出方式，用于接通或斷開開關(guān)頻率較高的交流電源負(fù)載。8/20/202220第20頁，共34頁。電源 PLC的電源是指將外部輸入的交流電處理后轉(zhuǎn)換成滿足PLC的CPU、存儲器、輸人輸出接口等內(nèi)部電路工作需要的直流電源電路或電源模塊。許多PLC的直流電源采用直流開關(guān)穩(wěn)壓電源，不僅可提供多路

13、獨(dú)立的電壓供內(nèi)部電路使用，而且還可為輸入設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)電源。 8/20/202221第21頁，共34頁。5.輸入輸出I0擴(kuò)展接口 若主機(jī)單元的IO點(diǎn)數(shù)不能滿足需要時，可通過此接口用扁平電纜線將IO擴(kuò)展單元與主機(jī)相連，以增加IO點(diǎn)數(shù)。PLC的最大擴(kuò)展能力主要受CPU尋址能力和主機(jī)驅(qū)動能力的限制。 8/20/202222第22頁，共34頁。 第五節(jié) 可編程控制器的工作原理及技術(shù)性能PLC的基本工作原理 微機(jī)：等待命令的工作方式 PLC：循環(huán)掃描的工作方式 CPU從第一條指令開始按指令步序號作周期性的循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令,則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，周

14、而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。8/20/202223第23頁，共34頁。 一個掃描周期主要分為三個階段： 輸入刷新階段 程序執(zhí)行階段 輸出刷新階段 輸入刷新 程序執(zhí)行輸出刷新一個掃描周期輸入刷新 PLC的掃描工作過程用戶輸出設(shè)備輸入端子輸入鎖存器輸入映象寄存器輸出映象寄存器輸出鎖存器輸出端子程序執(zhí)行用戶輸入設(shè)備寫讀讀8/20/202224第24頁，共34頁。 由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進(jìn)行的，所以亦將這兩個階段統(tǒng)稱為IO刷新階段。實(shí)際上，除了執(zhí)行程序和IO刷新外，PLC還要進(jìn)行各種錯誤檢測(自診斷功能)并與編程工具通訊，這些操作統(tǒng)稱為“監(jiān)視服務(wù)”。 掃描周期的長短主

15、要取決于程序的長短。 由于每一個掃描周期只進(jìn)行一次I0刷新，故使系統(tǒng)存在輸入、輸出滯后現(xiàn)象。這對于一般的開關(guān)量控制系統(tǒng)不但不會造成影響，反而可以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。但對于控制時間要求較嚴(yán)格、響應(yīng)速度要求較快的系統(tǒng)，就需要精心編制程序，必要時采用一些特殊功能，以減少因掃描周期造成的響應(yīng)滯后。8/20/202225第25頁，共34頁。PLC的主要技術(shù)指標(biāo)輸入輸出點(diǎn)數(shù)（I/O點(diǎn)數(shù)）內(nèi)存容量 注意： “內(nèi)存容量”實(shí)際是指用戶程序容量，不包括系統(tǒng)程序存儲器的容量。 掃描速度 (單位：msk或s/步。 )指令條數(shù) 內(nèi)部繼電器和寄存器數(shù)目 編程語言及編程手段 高級模塊 主控模塊可實(shí)現(xiàn)基本控制功能，高級模塊

16、可實(shí)現(xiàn)一些特殊的專門功能。如AD和DA轉(zhuǎn)換模塊等 。 8/20/202226第26頁，共34頁。PLC的內(nèi)存分配I0繼電器區(qū)： I0區(qū)的寄存器可直接與PLC外部的輸入、輸出端子傳遞信息，具有“繼電器”的功能，有自己的“線圈”和“觸點(diǎn)”。故常稱為“I0繼電器區(qū)”。內(nèi)部通用繼電器區(qū)：只能在PLC內(nèi)部使用，其作用與中間繼電器相似，在程序控制中可存放中間變量。 數(shù)據(jù)寄存器區(qū) ：只能按字使用，不能按位使用。一般只用來存放各種數(shù)據(jù)。 特殊繼電器、寄存器區(qū) ：被系統(tǒng)內(nèi)部占用，專門用于某些特殊目的，一般不能由用戶任意占用。 系統(tǒng)寄存器區(qū)：用來存放各種重要信息和參數(shù)。通過用戶程序，不能讀取和修改系統(tǒng)寄存器的內(nèi)容

17、。 8/20/202227第27頁，共34頁。 第六節(jié) PLC的幾種編程語言 不采用微機(jī)的編程語言，采用梯形圖語言、指令助記符語言、控制系統(tǒng)流程圖語言、布爾代數(shù)語言等。其中梯形圖、指令助記符語言最為常用。 PLC的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)至今尚無國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家所用語言和符號也不盡相同。但它們的梯形圖語言的基本結(jié)構(gòu)和功能是大同小異的。 8/20/202228第28頁，共34頁。梯形圖語言 梯形圖是在原繼電器接觸器控制系統(tǒng)的繼電器梯形圖基礎(chǔ)上演變而來的一種圖形語言。它是目前用得最多的PLC編程語言。 注意：梯形圖表示的并不是一個實(shí)際電路而只是一個控制程序，其間的連線表示的是它們之間的邏輯關(guān)系，即所謂“軟

18、接線”。 常開觸點(diǎn) ： 常閉觸點(diǎn)： 線圈： 注意：它們并非是物理實(shí)體，而是“軟繼電器”。每個“軟繼電器”僅對應(yīng)PLC存儲單元中的一位。該位狀態(tài)為“1”時，對應(yīng)的繼電器線圈接通，其常開觸點(diǎn)閉合、常閉觸點(diǎn)斷開；狀態(tài)為“0”時，對應(yīng)的繼電器線圈不通，其常開、常閉觸點(diǎn)保持原態(tài)。 8/20/202229第29頁，共34頁。梯形圖語言程序舉例8/20/202230第30頁，共34頁。助記符語言類似于計(jì)算機(jī)匯編語言，用一些簡潔易記的文字符號表達(dá)PLC的各種指令。同一廠家的PLC產(chǎn)品，其助記符語言與梯形圖語言是相互對應(yīng)的，可互相轉(zhuǎn)換。助記符語言常用于手持編程器中，梯形圖語言則多用于計(jì)算機(jī)編程環(huán)境中。 二、指令助記符語言 地址 指令 與上例梯形圖相對應(yīng)的指令助記符語言程序8/20/202231第31頁，共34頁。第七節(jié) 軟PLC簡介 軟件PLC（SoftPLC，也稱為軟邏輯SoftLogic）是一種基于PC機(jī)開發(fā)結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，它具有硬PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特點(diǎn)，利用軟件技術(shù)可以將標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)PC轉(zhuǎn)換成全功能的PLC過程控制器。軟件PLC綜合了計(jì)算機(jī)和PLC的開關(guān)量控制、模擬量控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)值處理、網(wǎng)絡(luò)通信、PID調(diào)節(jié)等功能，通過一個多任務(wù)控制內(nèi)核，提供強(qiáng)大的指令集、可靠的操作和可連接各種I/O系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)開放式結(jié)構(gòu)。所以，軟件PLC