PLC原理与应用.ppt

PLC原理与应用,电气学院自动化杨霞2007年2月,PLC原理与应用第4讲,讲解内容3可编程序控制器基础3.1PLC的发展过程3.2PLC的作用、组成、分类学习说明本讲是学习PLC的基础知识。重点掌握1PLC的定义、特点、使用方法、应用。2PLC硬件组成、软件系统、主要性能指标、分类。3总结上篇电气控制中经典控制电路,PLC的引出,继电器控制系统存在的缺点一.继电器控制线路是接线开关电路，实现控制的程序就在线路接法的本身，线路一旦确定，难以调整和更改，不能适应当前快速的技术进步和产品更新的要求。二.输出响应时间长，不能适应生产自动化程度不断提高的要求。三.控制要求复杂时，继电器控制系统将变得十分庞大笨重，难以实现。因此随着科学技术的发展，人们在不断探求着实现开关量控制的新途径。,PLC的产生,1969年，美国数字设备公司（DEC公司）首先研制成功第一台可编程控制器PDP－14。接着，美国MODICON公司也开发出可编程控制器084。1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制成了日本第一台可编程控制器DSC－8；1973年，西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器；我国从1974年也开始研制可编程控制器，1977年开始工业应用。,3可编程序控制器基础3.1概述,可编程序控制器（ProgrammbleController）简称PC或PLC■PLC是一种工业控制装置PLC是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。,PLC简介与定义,PLC是着眼于开关量的控制，并为取代继电器控制系统而开发的。目的是解决继电器控制系统中存在的问题。解决问题的方向主要有两个，一是灵活性高，二是体积小。而微电子技术和计算机技术的发展为PLC的开发提供了可能性。按美国电气制造协会1987年给出的定义“可编程序控制器是一种带有指令存储器、数字或模拟I/O接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运行功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置”。可编程序控制器是一个专门用于控制领域的专用计算机。可编程序控制器是用微处理器做CPU，或是用单片机芯片做CPU，加上RAM、EPROM、译码、锁存，输入输出接口等集成电路芯片和光电隔离、输出驱动等电路组成的微型计算机专门应用系统。,PLC的特点,①可靠性高、抗干扰能力强可靠性高、抗干扰能力强是PLC最重要的特点之一。PLC的平均无故障时间可达几十万个小时。★硬件方面I/O接口采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源的影响；对供电电源及线路采用多种形式的滤波，从而消除或抑制了高频干扰；对CPU等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰；对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等。光电隔离消除高频、电磁干扰）★软件方面采用扫描工作方式，减少了外界的干扰；设有故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；当由干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。,PLC的特点,②编程简单、操作使用简单目前，各种PLC都采用梯形图语言为第一编程语言，它是一种面向生产、面向用户的编程语言。梯形图与电器控制线路图相似，形象、直观，不需要掌握计算机知识，很容易让广大工程技术人员掌握。当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活。同时，PLC编程器的操作和使用也很简单。这也是PLC获得普及和推广的主要原因之一。许多PLC还针对具体问题，设计了各种专用编程指令及编程方法，进一步简化了编程。,PLC的特点,③功能完善、通用性强，便于使用现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID控制、通信联网以等许多功能。同时，由于PLC产品的系列化、模块化，有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成满足各种要求的控制系统。④设计安装简单、维护方便由于PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。PLC的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。在维修方面，由于PLC的故障率极低，维修工作量很小；而且PLC具很强的自诊断功能，如果出现故障，可根据PLC上指示或编程器上提供的故障信息，迅速查明原因，维修极为方便。⑤体积小、重量轻、能耗低PLC结构紧凑、体积小、能耗低，是实现机电一体化的理想控制设备。,PLC控制系统与电气控制系统的区别,①控制方法上硬软②工作方式上并行工作方式串行工作方式③控制速度上速度慢快④定时和计数控制上精度低高⑤可靠性和可维护性上可靠性低高,PLC三大流派,自从第一台PLC出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制PLC，并得到了迅速的发展。各国PLC都有自己的特色。●欧洲西门子（Siemens）；法国的TE（Telemecanique）●美国A-B（Allen-Bradly）、GE（GeneralElectric）●日本三菱电机（MitsubishiElectric）、欧姆龙（OMRON）、FUJI（日本主要发展中小型PLC，其小型机性能先进，结构紧凑，价格便宜）目前国内市场还有韩国、台湾等PLC产品,PLC的发展,在系统构成规模上向大、小两个方向发展；功能不断增强，各种应用模块不断推出；产品更加规范化、标准化。,图例FX-PLC,图例FX-PLC,图例西门子S7-200,图例西门子S7-300,图例西门子S7-400,图例欧姆龙,图例ABSLC500,PLC的应用领域,目前，PLC在国内外已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格比的不断提高，其应用领域不断扩大。从PLC应用类型看，大致可归纳为以下几个方面开关量逻辑控制、运动控制、过程控制（PID闭环控制）、数据处理、通信联网（构成DCS、FCS系统）。PLC的应用范围已从传统的产业设备和机械的自动控制，扩展到以下应用领域中小型过程控制系统、远程维护服务系统、节能监视控制系统，以及与生活相关的机器、与环境相关的机器，而且有急速的上升趋势。DCS集散控制系统；FCS现场总线控制系统,PLC的使用方法,一般是按控制要求，编写好梯形图程序，或写出语句指令程序，用编程器将程序输入到PLC中去，接好PLC的外部输入输出电路，接通电源，操纵相应的按钮或开关，PLC就会按照预定的程序使输出点导通或关断，控制执行部件工作。,3.2PLC的组成和分类3.2.1PLC的硬件系统组成,图3-2-1PLC的硬件组成简图,3.2.1PLC的硬件系统组成,因为PLC是工业控制用的专用计算机，它的硬件组成实际上与微机应用系统的硬件组成是一样的。注意世界上生产PLC的厂家有上百个，PLC产品类型上百种，不同厂家不同类型的PLC的硬件电路是不同的；由于采用的CPU不同，使用的汇编语言也不同，不同厂家不同类型的PLC指令系统的指令符号、指令内容、指令条数也是不同；关于软器件和I/O口的相应规定也不一样。虽然PLC方方面面都有很多不同，但是这种装置都称为可编程序控制器，它们在基本内涵上一定同多异少。,3.2.1PLC的硬件系统组成（6部分）,（一）CPUCPU是中央处理单元，一般由控制器、运算器和寄存器组成，它是PLC的控制中心和运算中心，和一般计算机CPU一样，从存储器中读取指令，执行指令，通过数据总线传送数据，通过控制总线传送控制命令。CPU在系统程序的配合下，做以下工作（1）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。（2）诊断电源、PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。（3）从程序存储器中读取用户程序，经编译程序解释后转化为相应的机器码，按机器码产生相应的控制信号完成用户程序规定的运算任务和控制任务。（4）主要用扫描方式，也用中断方式，接收现场输入设备的状态信息，并存入相应的存储单元。（5）按要求输出相应的运算结果和控制信号。（6）控制打印、显示、通讯等工作的执行。PLC的CPU由一般微处理器芯片，或由单片机芯片等担任。,3.2.1PLC的硬件系统组成（6部分）,（二）存储器存储器有ROM和RAM两种，用来保存程序和数据。1．系统程序存储器系统程序是系统的监控管理、故障检测、指令解释程序，它不需用户干预，由厂家直接固化到EPROM中。2．用户程序存储器用来存放用户程序。用户编好程序后，先输入到PLC中带有后备电源的RAM中，经调试修改后，可以固化到EPROM、E２PROM中长期使用。3．数据存储器数据存储器用来存放I/O状态，中间开关量状态，定时器、计数器的设定值和现在值,各种运算的源数据和结果数据，状态标志位等。采用带后备电源的RAM。,3.2.1PLC的硬件系统组成（6部分）,（三）控制用I/O接口是CPU与现场的被控I/O设备之间的连接部件。（四）外设用I/O接口是CPU与保证CPU正常工作的外部设备进行联系的接口。外部设备通过一个或多个外设用I/O接口与PLC的CPU进行联系或通讯。通过外设用I/O接口还可以实现PLC之间、PLC与上位机之间的通讯。注必备的外部设备是编程器。外部设备还有打印机、EPROM写入器、专用彩色图形监控器、外部RAM、ROM单元、盒式磁带机。注意PLC可以直接或通过专用链接单元与PC机连接通讯，由计算机实现程序编制、调试、监控，以文件形式存取程序、打印、EPROM写入等，还可以实现PLC之间、PLC与上位机之间通讯联网的功能。,3.2.1PLC的硬件系统组成（6部分）,（五）扩展用I/O接口可用来外接扩展的控制用I/O接口，增加PLC的输入输出能力。（六）电源电源用来提供PLC正常工作的各种电压。交流电源PLC的外接功率电源是220V/110V电压的交流电源，有的PLC的电源电压的适用范围可达到85V264V。电源电压的平稳可靠是PLC正常工作的首要条件。因此PLC的电源技术中采用了很多稳压、抗干扰措施。例如，采用浪涌吸收电路等。直流电源有的PLC还可以向外部提供一定功率的直流24V电压，提供给PLCI/O接口使用,或提供给适量的负载使用。注意为了保证RAM芯片在PLC断电后仍保持数据，PLC内部装有干电池或锂电池做后备电源。这样的电池两年左右要更换一次。有的PLC存储器不用RAM，而使用E2PROM。而E2PROM可以不用后备电池。,3.2.2PLC的软件系统（2部分）,PLC的软件系统是指PLC使用的各种程序的集合，包括系统程序和用户应用程序。（一）系统程序系统程序又称为系统软件。它包括PLC整个系统及各部分的管理程序，监控程序，系统故障检测程序或故障诊断程序，PLC指令系统的解释程序。系统程序一般由PLC采用的微处理器相应的汇编语言编写，由厂家提供，固化在EPROM中。系统程序一般不能也不需要由用户干预。（二）用户程序用户程序是用来实现用户的控制要求的应用程序，由用户编制。编制用户程序，使用的不是原来的汇编语言，而是PLC的指令系统，这是由原来的汇编语言开发出来的PLC的程序语言。用户程序由用户使用专用编程器或通用微机输入到PLC内存中。PLC的程序语言或指令系统，当前主要是梯形图语言及与梯形图相对应的助记符语句指令。也有PLC采用流程图语言GRAFACET、顺序功能图语言SFC或专用高级语言，也有使用像BASIC这样高级语言的。我们主要介绍梯形图语言。,3.2.3PLC的主要性能指标,1．输入输出点数指一台PLC提供的可接输入开关量和输出开关量的最大数目。评价PLC，一般常说，这个型号的PLC多少点。例如，MASTERK30HPLC32点，16点输入，16点输出，就是说，这个型号的PLC提供的输入开关量接口端点为16个，输出开关量接口端点为16个，共32个点。2．程序容量指可存放用户程序的内存容量，常以编程步数表示。一步相当于一个字长（16位）。程序容量少的小于1k步，多的可达256k步。一条指令占1、2、3、5、7、9、11步不等。3．指令条数以系统提供的助记符语句指令的多少来记载指令条数。各种PLC基本逻辑指令数量相差不多，但应用指令相差很大。总指令条数少的20多条（只有基本指令），多的超过200条。4．指令处理速度一般指一条基本指令执行的平均时间，快的可达到0.1μs，慢的为10μs。高速可编程序控制器基本指令的执行时间可达0.02μs。5．有关内部继电器的种类、数量（后面专门介绍）。,3.2.4PLC的分类,（一）按可编程序控制器的结构分类可分为整体式结构和模块式结构两类。1．整体式结构的PLC把CPU、存储器、输入输出接口电路、电源都装入一个金属或塑料外壳的机箱之中，称为主机。机箱上有输入输出接线端子排及电源进线端子；机箱上还有发光二极管，反映PLC运行模式和输入输出点状态。整体式结构的PLC的I/O点数是固定的，而且数量不多。如10点、24点、32点、40点、60点等。有的PLC主机带有扩展接口，可以连接扩展箱体。2．模块式结构的PLC把PLC系统的各组成部分分成各个独立的模块，使用时把各部分模块在一个框架上组装在一起；或通过各模块的插口，把各模块依次插接在一起，形成一个完整的PLC系统进行工作。一般模块有CPU模块、输入模块、输出模块、I/O混合模块、电源模块。,3.2.4PLC的分类,（二）按I/O点数分类PLC按I/O点数可分为小型PLC、中型PLC、大型PLC。一般小型PLC在200点以下，中型PLC在500点左右，大型机在1000点以上。注意小型机一般是整体式，中、大型机一般是模块式。（三）按功能分类PLC按功能、容量、点数等综合指标划分，可分为低档、中档、高档机三类。1．低档机开关量控制为主,I/O点数较少，有一般的数据运算和处理能力，有少量的模拟量输入输出。这种PLC体积小巧，价格低廉。2．中档机模拟量控制部分增大，I/O点数在500左右。3．高档机控制点数达1000点以上，具有计算、控制和调节功能，与工业控制计算机接近。内存容量大，可达600k或1M、2M。监控能力强，方便地显示运行过程及运行结果。有较强的通讯联网能力。有的采用多CPU控制。可构成集散分布式控制系统，实现大型、复杂的生产过程控制和管理。可靠性强。,总结上篇电气控制技术内容一.主要掌握的基础知识,开关量分析有两个稳定状态导通状态和关断状态；有两个切换状态关断→导通切换（称导通切换）和导通→关断切换（称关断切换）；有两个保持导通保持控制和关断保持控制。一）要掌握的常用控制类电器1.低压开关电器作用、结构组成、型号参数及图形符号。2.接触器用途、分类、工作原理、结构组成、型号参数及图形符号，其中电磁型的需要掌握有关电弧的知识（产生、危害、灭弧）。3.控制继电器电流、电压、时间、速度、中间（工作、性能）。4.主令电器有控制按钮、各种控制开关，如行程开关、接近开关、脚踏开关、紧急开关、万能转换开关（组合开关）、控制继电器等。（种类、应用）5.隔离器作用二）执行类电器电磁铁、电磁阀（组成、分类、特点、符号）三）要掌握的保护类电器熔断器、保护继电器热继电器、断路器（结构、工作、应用）,一.主要掌握的基础知识,四）低压电器的一些概念及术语五）绘制电气原理图时，一般应遵循的原则（7条）六）控制线路设计注意控制线路中自锁、互锁及顺序工作时联锁控制；保护接地、短路（熔断器）、过载（热继电器）、欠压保护。,二.基本控制电路（典型电路举例）,例1按钮、接触器和电动机的启动停止控制线路（启保停电路）,分析（一）工作1.合刀开关Q；2.按下启动按钮SB2；3.接触器线圈KM上电，其触点切换，其常开KM触点闭合（自锁失压保护），电机运转；按SB1电机停车。（二）保护1.短路保护FU；2.过载保护FR；3.自锁保护；4.PE接地保护；5.欠压保护（接触器）。,例2按钮、接触器和电动机的点动控制电路,最简单的电动机点动控制电路（小功率电机）,电动机的点动控制电路（大功率电机控制）,例3三相笼型异步电动机的正、反转控制电路（主及控制电路）,分析（一）工作1.合刀开关QS；2.按下启动按钮SB2（正转）3.接触器线圈KM1上电，其常开KM1触点闭合（自锁失压保护）；4.松开SB2正转已开始；5.按停车SB1即停。反转同正转。（二）保护1.短路保护FU；2.过载保护FR；3.自锁、互锁保护；4.PE接地保护；5.欠压保护（接触器）。,例4按顺序工作的联锁控制线路，在电动机M1（油泵）起动后M2才能起动的控制电路。,分析（一）工作1.合刀开关QS；2.按下启动按钮SB2，接触器线圈KM1上电，其常开KM1触点闭合，常闭KM2触点打开，自锁并互锁，油泵电动机M1运行；3.按下启动按钮SB3，接触器线圈KM2上电，其常开KM1触点闭合，常闭KM2触点打开，自锁，电动机M2运行。（二）保护1.短路保护FU；2.过载保护FR；3.自锁、互锁保护；4.PE接地保护；5.欠压保护（接触器）。,例5按时间控制实现三相笼型异步电动机星-三角减压起动控制电路（主及控制电路）。,分析（一）工作1.合刀开关QS；2.按下启动按钮SB2；3.接触器线圈KM3上电，其常开KM3触点闭合，常闭KM3触点打开；4.同时时间继电器KT及KM1线圈上电，KM1常开触点闭合，定子绕组接成Y型，电动机进行Y起动（降压）；经过一定时间延时，时间继电器KT触点切换，延时闭合常开触点闭合（延时断开常闭触点断开）；5.KM3线圈掉电，其对应触电恢复原位Y打开；同时KM2线圈上电，其常开触点闭合，常闭触点打开，并自锁，定子绕组接成△型起动（全电压），则其Y-△减压起动完成。（二）保护1.短路保护FU；2.过载保护FR；3.自锁、互锁保护；4.PE接地保护；5.欠压保护（接触器）。,例6速度控制实现三相笼型异步电动机反接制动控制电路（主及控制电路）,分析（一）工作1.启动合刀开关QS；按下启动按钮SB2；接触器线圈KM1上电并自锁，KM1常开触点闭合，常闭触点打开；电动机M正向起动并运行，速度大于120r/min时速度继电器KS动作常开触点闭合。2.制动按下停车按钮SB1，线圈KM1上失电，其触点复位，电动机M断电，做惯性运转；同时，SB1的动合触点合上（此时KS触点应闭合），线圈KM2上电并自锁，电动机M反接电源，开始制动，当速度小于100r/min时，KS触点复位，KM2断电，制动结束。（二）保护1.短路保护FU；2.过载保护FR；3.自锁、互锁保护；4.PE接地保护；5.欠压保护（接触器）。,例7行程控制实现工作台自动往复运动控制线路,分析（一）工作1.合刀开关QS；2.按下启动按钮SB1；接触器线圈KM1上电，进给，到SQ1切换状态，KM2得电，KM1失电复位；返回，到SQ2切换，循环往复。（二）保护1.短路保护FU；2.过载保护FR；3.自锁、互锁保护；4.PE接地保护；5.欠压保护（接触器）。,例8行程、时间控制实现动力头滑台钻孔加工自动循环电器控制线路,分析（一）工作1.合刀开关QS；2.按下启动按钮SB1；接触器线圈KM1上电，进给加工开始，到SQ2切换状态，时间继电器KT得电延时开始即进行无进给切削；同时KM1失电复位；KT时间到触点切换，KM2得电，返回，到SQ1切换，KM2失电，释放;KM1得电,重复前面的过程.（二）保护1.短路保护FU；2.过载保护FR；3.自锁、互锁保护；4.PE接地保护；5.欠压保护（接触器）。,例9行程、时间控制实现动力头滑台钻孔加工的电器控制线路对例8进行改造,分析（一）工作1.合刀开关QS；2.按下启动按钮SB1；接触器线圈KM1上电，进给加工开始，到SQ2切换状态，时间继电器KT得电延时开始即进行无进给切削；同时KM1失电复位；KT时间到触点切换，KM2得电，返回，到SQ1切换，KM2失电，释放。（二）保护1.短路保护FU；2.过载保护FR；3.自锁、互锁保护；4.PE接地保护；5.欠压保护（接触器）。,