《电工基础与测量》第6章-电动机的控制- 可编程控制器PLC及其应用.ppt

第6章电动机的控制,广东水利电力职业技术学院电力工程系-供用电技术专业,6.2可编程控制器PLC及其应用上世纪60年代前，工业控制主要还是以继电接触器组成控制系统。由于继电接触器机械接触点多、接线复杂、可靠性低、功耗高，并在生产工艺流程改变时须重新设计和改装控制线路，通用性和灵活性较差，因此满足不了现代化生产过程复杂多变的控制要求。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电电气控制装置的要求，并由美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术，并采用程序化手段，用于电气控制的控制装置，即所谓的可编程控制器（ProgrammableLogicController，简称为PLC）。PLC将继电接触器控制的概念和计算机相结合，用“软件编程”代替继电接触器控制的“硬触点”和“硬接线”实现自动控制。当控制功能需要改变时，只须变更少量外部接线，主要是通过修改相应的控制程序即可。,6.2.1PLC的特点和主要技术性能可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，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指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。,图6.19三菱公司FX2N系列的PLC外观,PLC有如下特点（1）编程方法直观易学；（2）硬件配套齐全，用户使用方便；（3）通用性强，适用性强，产品系列化、模块化，硬件配置灵活；（4）可靠性高，抗干扰能力强，平均无故障时间约30万小时；（5）系统的设计、安装、调试工量小；（6）维修工量小，维修方便；（7）体积小、重量轻、功耗小。,,现有的PLC可分为各种不同型号和档次，其主要技术性能有以下几个方面（1）I/O点数指PLC外部输入和输出端子数。（2）用户程序存储容量用来衡量PLC所能存储用户程序的多少。在PLC中，程序指令是按“步”存储的，一“步”占用一个地址单元，一条指令往往不止一“步”。一个地址单元一般占两个字节。（3）扫描速度指扫描1000步用户程序所需的时间，以ms/千步为单位。（4）指令系统条数PLC具有的基本指令和高级指令，指令的种类和数量越多，其软件功能越强。,（5）内存分配及编程元件的种类PLC内部的存储器有一部分用于存储各种状态和数据，包括输入按钮、输出继电器、内部辅助继电器、特殊功能内部继电器、定时器、计数器、通用“字”寄存器、数据寄存器等，其种类和数量是衡量PLC硬件功能强弱的重要指标。这里提到的按钮、继电器、定时器等，都是指软器件。一般PLC按I/O点数和存储容量来划分，可为小型、中型和大型PLC三个等级。,6.2.2PLC基本结构PLC的种类繁多，功能和指令系统也不尽相同，但其结构和工作方式则大同小异，主要由主机（CPU和存储器）、输入/输出（I/O）模块、编程器和电源四大部分组成，如图6.2.2所示。,图6.20PLC的硬件系统结构图,（1）主机主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。CPU是PLC的核心，起着总指挥的作用，它主要用来运行用户程序，监控输入/输出接口状态，作出逻辑判断和进行数据处理。其功能①用扫描方式接收现场输入装置的状态或数据，并存入输入映象寄存器或数据寄存器；②接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；③诊断电源和PLC内部电路的工作状态及编程过程中的语法错误；,④在PLC进入运行状态后执行用户程序产生相应的控制信号，从用户程序存储器中逐条读取指令，经命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路。进行数据处理分时、分渠道地执行数据存取、传送、组合、比较、变换等动作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算任务。更新输出状态输出实施控制，根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，再由输入映象寄存器或数据寄存器的内容，实现输出控制、制表、打印、数据通讯等。,（2）输入/输出电路（I/O）接口I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。输入接口接收输入设备（如按钮、行程开关、各种继电器触点、传感器等）的控制信号。输出接口是将经主机处理过的结果通过输出电路去驱动输出设备（如继电器、接触器、电磁阀、指示灯等）。一般CPU模块的工作电压是5伏，而I/O信号的电压一般较高，如直流24伏和交流220伏，所以CPU模块不能直接与外部I/O装置相联，I/O接口电路一般采用光电耦合电路。图6.2.3是PLC的输入接口电路与输入设备之间的连接示意图（直流输入型）。输入信号通过光电耦合电路传送内部电路,当外部输入触点闭合时，指示灯亮，光敏三极管饱和导通，对应的输入映象寄存器的内容为“1”；当外部输入触点断开时，指示灯灭，光敏三极管截止，对应的输入映象寄存器的内容为“0”。,,图6.21PLC的输入接口电路（直流输入型）,图6.2.4是PLC的继电器输出接口电路的几种方式。图（a）是一种继电器输出方式，当对应于继电器的输出映象寄存器状态为“1”时，输出指示灯亮，继电器得电吸合，其常开触点闭合，负载得电。当对应于继电器的输出映象寄存器状态为“0”时，输出指示灯灭，继电器失电，其常开触点断开，负载失电。此方式存在触点的寿命问题，一般用于开关通断频率较低的直流负荷和交流负荷。图（b）是一种晶体管输出方式，为无触点输出方式，可以用于驱动直流负载。当对应于三极管的输出映象寄存器状态为“1”时，输出指示灯亮，三极管饱和导通，负载得电。当对应于三极管的输出映象寄存器状态为“0”时，输出指示灯灭，三极管T截止，负载失电。,（a）继电器输出型（b）晶体管输出型图6.22PLC的继电器输出接口电路,（3）电源PLC的电源指为CPU、存储器、I/O接口等内部电路工作所配备的直流稳压电源。PLC一般使用220伏交流电源（或24V直流电源）供电，PLC内部的直流稳压电源为各模块内的元件提供电源，驱动现场执行机构的电源一般由用户提供。（4）编程器编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的一种重要的外部设备。编程器分为两种，一种是手持编程器，使用简便；二种是通过PLC的RS232口与计算机相连，通过编程软件向PLC内部输入程序。编程器不直接加入现场控制运行，一台编程器可开发、监护许多台PLC的工作。,6.2.3PLC的工作原理PLC采用“顺序扫描、不断循环”的工作方式，即PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于存储器中的程序，按指令步信号做周期性扫描。首先从第一条指令开始逐条顺序置信用户程序，直到程序结束，然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的扫描工作过程大致可分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。,（1）输入采样阶段PLC在输入采样阶段，首先以扫描方式顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将此状态存入各对应的输入状态寄存器，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。在程序执行阶段，即使输入状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，变化了的输入信号状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入。（2）程序执行阶段在程序执行阶段，PLC按用户程序指令存放的先后顺序执行每条指令。所需的执行条件可从输入状态寄存器和当前输出状态寄存器中读入，经过相应的运算和处理后，将结果再写入输出状态寄存器中。所以，输出状态寄存器中的所有内容随着程序的执行而变化。,（3）输出刷新阶段当所有指令执行完毕后，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通输出端子输出，驱动相应输出设备工作。经过这三个阶段，完成一个扫描周期。实际上PLC在程序执行后还要进行各种错误检测，并与外部设备进行通讯，这一过程称为“监视服务”。扫描周期为完成一次扫描所需的时间（包括输入采样、程序执行、监视服务、输出刷新），其长短取决于三个因素，即CPU执行指令的速度、每条指令占用的时间和执行指令的数量，一般不超过100ms。,图6.23PLC的扫描工作过程,6.2.4PLC的主要功能PLC应用主要有以下几方面（1）开关量的逻辑控制可用PLC取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制。开关量的逻辑控制可用于单机控制，也可用于多机群控，亦可用于自动生产线的控制等。这是PLC最基本的应用领域。（2）模拟量控制PLC通过模拟量的I/O模块实现模拟量与数字量的A/D、D/A转换，可实现对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的PID控制（比例积分微分控制）。（3）运动控制PLC可用于直线运动或圆周运动的控制。早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机械，现在一般使用专用的运动模块。目前，制造商已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，即把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴或多轴到目标位置。当每个轴运动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。（4）数据处理高性能的PLC还具有数学运算、数据传递、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理，把支持顺序控制的PLC与数字控制设备紧密结合，实现CNC（数控系统）功能。,6.2.5PLC的编程及应用目前，PLC常用的编程语言有梯形图语言和指令语句表语言。由于梯形图直观易懂，常用来编制程序，然后转换成指令语句表，再通过手持编程器将指令输入到PLC内部的用户存储器中，作为用户程序保存下来。梯形图语言（LD）梯形图语言是一种与继电器控制电路图类似的图形编程语言。它借助了继电器的动合触点、动断触点、线圈，以及触点的串联与并联概念，以图形的方式反映了PLC输入与输出之间的逻辑关系。梯形图很适合于开关量的逻辑控制编程。PLC的输入寄存器可视为一组软输入继电器（X），而输出寄存器可视为一组软输出继电器（Y），每一个软继电器与映象寄存器的一个存储单元（1bit）相对应。该存储单元如为“1”，则表示对应的软继电器的“线圈”为“通电”状态；存储单元如为“0”，则表示为“断电”状态。,梯形图中常用,图形符号分别表示PLC内部的软继电器的动合和动断“触点”，用,表示软继电器的“线圈”。这些图形符号也称为编程元件。编程元件用图形符号和带数字的字母加以区别，如图6.2.6（a）所示。对梯形图的几点说明,图6.24梯形图和指令语句表,,,1）梯形图由多个梯级（或称为逻辑行）组成，两边的垂直线称为母线。每一梯级起始于左母线，然后是“触点”元件的串、并联接，最后是“线圈”元件终止于右母线。梯形图按从左到右、自上而下的顺序排列。2）梯形图中每一个梯级是一个因果关系，梯级左端的“触点”元件的组合形态，构成右端“线圈”元件接通的条件。可形象地认为当组合“触点”为接通时，有一“概念电流”从左母线流向右母线。然而两母线之间并没有电源。3）同一个“触点”元件可多次地使用，但同一个“线圈”元件只能出现一次。4）软输入继电器（X）是用于接收外部的控制信号，外部信号的状态是通过其“触点”状态反映的，故梯级的左端只出现X的“触点”元件。软输出继电器（Y）的“触点”状态往往是其“线圈”是否“通电”的一个条件，所以Y的“触点”元件也应作在梯级的左端。5）当“线圈”元件为“通电”状态时，对应输出寄存器在输出刷新阶段将“接通”信号送到输出接口的继电器、晶体管或晶闸管电路，从而驱动外部输出设备。,,,表6.2.1常用的指令,,2.指令语句表语言（IL）指令语句表是一种用指令助记符来编制PLC程序的语言。如图6.2.6（b）所示，是与梯形图图（a）对应的指令语句表。指令语句表由若干条指令组成，一条指令由步序、指令和元件编号三部分组成，每条指令与梯形图的元件有一一对应的关系。PLC一般有几十至上百个指令，最常用的指令见表6.2.1。下面介绍PLC在电动机控制方面的应用。,,,见图6.1.13，是用继电接触器控制的三相电动机直接起动线路图，图6.2.7（a）是它的继电器控制图。若用PLC控制，其梯形图如图6.2.7（b）所示。将图（a）与图（b）比较可看到，按钮SB1和SB2分别与梯形图的“触点”X1、X2对应，继电器KM的线圈与梯形图的“线圈”Y1对应，而继电器KM的触点与梯形图的“触点”Y1对应。,,图6.25异步电动机直接起动的PLC控制,,,图6.2.7（d）为PLC的外部接线图，X1、X2为PLC的输入端子，对应内部软输入继电器X1、X2。当作为PLC外部输入设备的按钮SB1’、SB2’动作时，内部软输入继电器X1、X2为“通电”状态，相应的“触点”动作。应注意的是SB1’是动合按钮，而图（a）中动断按钮SB1的行为由梯形图中的动断“触点”X1来反映。Y1为PLC的输出端子，对应内部软输出继电器Y1，当Y1为“通电”状态，其“触点”闭合而驱动外部接触器KM’，使三相电动机通电运转。应注意的是，梯形图中的“触点”Y1是软输出继电器Y1的一个内部逻辑动合触点，起自锁的作用。由梯形图很容易作出图6.2.7（c）所示的指令语句表，将指令语句表的内容通过手持编程器逐条输入到PLC内部用户存储器中，即可实现控制功能。图6.2.8是异步电动机正反转的PLC控制图（继电器控制电路见图6.1.14），外部输入设备SB1、SB2和SB3分别为正转按钮、反转按钮和停止按钮；外部输入设备KM1和KM2分别为正转接触器线圈和反转接触器线圈。,,,在梯形图中“动断触点”Y1和“动断触点”Y2为互锁关系，当“线圈”Y1（Y2）通电时，“动断触点”Y2（Y1）断开，使得“线圈”Y2（Y1）保持为断电状态，以确保KM1和KM2只有一个通电。“动合触点”Y1和“动合触点”Y2为各自梯级的自锁触点。,图6.26三相异步电动机正反转的PLC控制,,,与图6.1.14所示的控制线路一样，在电动机由正转（反转）运行切换为反转（正转）时，必须先按停止按钮SB3，使“动断触点”Y1（Y2）为闭合状态，才能按SB2（SB1）作切换。这是这种控制逻辑的一个缺点，给操作上来不便。当控制规模较大、控制关系较复杂时，仅用梯形图语言编程有它很大的局限性。这种情况下可采用PLC的时顺序功能流程语言（SFC）、功能模块图语言（FBD）或结构化文本语言（SF）编制出可读性强、功能关系清晰、调试方便的大规模应用程序。,在正转控制梯级中，当SB1按下时“触点”X1闭合，“线圈”Y1通电，由于“动合触点”Y1的自锁作用，即使SB1断开，“线圈”Y1仍为通电状态，保持电动机正转运行。同时“动断触点”Y1将反转控制梯级断开。对反转控制梯级有同样的分析。,广东水利电力职业技术学院电力工程系-供用电技术专业,谢谢,