电气控制与plc教学资料第四章可编程控制器概述.ppt
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1、第四章可编程控制器概述,4.1 可编程控制器概述,1969年诞生时被称为可编程序逻辑控制器,简称PLC(Programmable Logic Controller)。70年代后期,随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展,称其为可编程序控制器,简称 PC(Programmable Controller)但由于PC容易和个人计算机相混淆,故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。,4.1.1 PLC 的定义,PLC 是微机技术与继电接触器常规控制概念相结合的产物,即采用了微型计算机的基本结构和工作原理,融合了继电接触器控制的概念构成的一种新型电控器。它专为在工业环境下应用而设计,采用可编程序的存
2、储器,用来存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字、模拟式的输入输出,控制各类机械或生产过程。可编程控制器的定义:(1987年,国际电工委员会IEC)可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,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。,三菱PLC外形图,2006-3-3,4,Q系列PLC,FX2N系列PLC,FX1N系列PLC,FX1S系列PLC,西门子PLC外形图,2006-3-3,5,S7-200系列PLC,S
3、7-300系列PLC,S7-400系列PLC,欧姆龙PLC外形图,C200H系列PLC,CPM1A、CPM2A系列PLC,4.1.2 可编程控制器的由来与发展,在可编程序控制器问世以前,工业控制领域中是以继电器控制占主导地位的。对生产工艺多变的系统适应性差,一旦生产任务和工艺发生变化,就必须重新设计,并改变硬件结构。1968年,美国通用汽车公司(GM公司)为了在每次汽车改型或改变工艺流程时不改动原有继电器柜内的接线,降低成本,缩短开发周期,而提出了研制新型逻辑顺序控制装置,并提出了10项招标技术指标(GM10条)。,一、可编程控制器的由来,大型继电器逻辑电路异常复杂的配线,带来制造、使用和维护
4、的高成本,10 项 指 标:,1、在工厂里能迅速方便地对其控制系统进行编程。2、所有系统单元必须能在工厂内独立运行。3、系统的维修必须简单易行。4、装置的体积、能耗小于继电器控制系统。5、必须具有通信功能。6、输入开关量可以是已有的交流115 V电压信号。7、输出必须设计为能驱动具有115 V、2 A以下的负载。8、具有灵活的扩展能力。9、在购买和安装费用上,应具有较高的性能价格比。10、用户存储器容量至少在4 KB以上。,10项指标的核心内容:,用计算机代替继电器控制盘。能用于工业现场。用程序代替硬件接线,即能改变其控制“逻辑”,而不需要变动组成它的元件和修改内部接线。出现故障时易于诊断和维
5、修。输入/输出电平可与外部装置直接连接,结构易于扩展。,二、可编程控制器的发展,1968年,美国通用汽车公司(GM公司)提出设想。1969年,美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台可编程控制器PDP-14,在通用汽车公司的生产线上试用成功并取得了满意的效果,可编程控制器自此诞生。,第一阶段是初创阶段。主要用于逻辑运算和定时、计数,它的控制功能比较简单。第二阶段是扩展阶段。它的主要功能是逻辑运算,同时增加了模拟运算。第三阶段 是PLC通信功能的实现阶段。产品有西门子的SYMATIC S6系列等。第四阶段是PLC的开放阶段。通信协议的标准化使用户得到了好处。产品有SYMATIC S5和S7
6、系列等,1.可编程序控制器(PLC)发展的几个阶段,第一代:从第一台可编程控制器诞生到70年代初期。其特点是:CPU由中小规模集成电路组成,存储器为磁芯存储器;第二代:70年代初期到70年代末期。其特点是:CPU采用微处理器,存储器采用EPROM;第三代:70年代末期到80年代中期。其特点是:CPU采用8位和16位微处理器,有些还采用多微处理器结构,存储器采用EPROM、EAROM、CMOSRAM等;第四代:80年代中期到90年代中期。PC全面使用8位、16位微处理芯片的位片式芯片,处理速度也达到1us/步;第五代:90年代中期至今。PC使用16位和32位的微处理器芯片,有的已使用RISC芯片
7、。,美国从 1971 年开始输出这种技术,1973 年以后,西德、日本、英国、法国相继开发了各自的 PLC,并广泛应用。廿余年来,PLC 的发展迅猛异常,它的应用领域可谓是各行各业。PLC 的出现和发展,是工业控制技术上的一个飞跃。PLC 的应用在工业界产生了巨大的影响,它与监控和数据采集(Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA)和集散控制系统(Distribution Control System,DCS)相互集成、相互补充、综合应用,将对工业控制各领域产生巨大的影响。,2.我国PLC的发展,1974年我国开始仿制美国的第二代PLC产品,
8、直到1977年,我国才研制出第一台具有实用价值的PLC,主要的控制方式是开关量控制。从1982年开始,由于合资或引进技术、生产流水线等,使我国PLC的应用有了较大的发展。同时也促进了PLC的发展。这一阶段的主要特点是以产品的引进、技术的消化、应用的普及为目标。规模在1000点以下。近年来,我国PLC的应用也取得了可喜的成果。PLC 在我国机械、冶金、化工、轻工的大多数工业部门已开始得到广泛应用。,PLC 的主要生产厂家,当今世界上 PLC 生产厂家按地域可分为 三大流派:美国、欧洲和日本。美国和欧洲以大中型 PLC 而闻名,但产品的差异性很大,这是由于它们是在相互隔离的情况下独立开发出来的;日
9、本以小型 PLC 著称,它的技术是从美国引进的,因此对美国的产品有一定的继承性。美国是 PLC 生产大国,有 100 多家 PLC 厂商,著名的有 A-B 公司、通用电气(GE)公司、莫迪康(MODICON)公司、德州仪器(TI)公司、西屋电气公司等。欧洲著名的 PLC 生产厂商有德国的西门子(SIEMENS)公司、AEG 公司,法国的 TE 公司等。日本有许多 PLC 制造商,如:三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等。我国的 PLC 生产厂家规模一般不大,主要有无锡华光电子工业有限公司、上海香岛机电制造有限公司、杭州机床电器厂、天津中环自动化仪表公司等。,4.1.3 可编程控制器的特点,通
10、用性、灵活性强,控制系统具有良好的柔性和可扩展性:由于采用了微型计算机的基本结构和工作原理,而且接口电路考虑了工业控制的要求,输出接口能力强,因而对不同的控制对象,可以采用相同的硬件,只需编制不同的软件,就可实现不同的控制;PLC 一般采用模块结构,只需要增加模块,就可以实现系统功能的强化和升级。编程简单,使用方便,控制系统易于实现,开发工作量少,周期短:一般使用与继电接触器控制电路原理图相似的梯形图或用面向工业控制的简单指令形式编程。因而编程语言形象直观,容易掌握,具有一定的电工和工艺知识的人员可在短时间学会并应用自如。,接线简单,安装、调试工作量少:只要将用于控制的接线、限位开关和光电开关
11、等接入控制器的输入端,将被控制的电磁铁、电磁阀、接触器和继电器等功率输出元件的线圈接至控制器的输出端,就完成了全部的接线任务。抗干扰能力强、可靠性高,维修方便:PLC 的输入输出采取了隔离措施,并应用大规模集成电路,故它能适应各种恶劣的环境,能直接安装在机器设备上运行。PLC 一般采用模块结构,又具有自诊断功能,判断故障迅速方便,维修时只需更换插入式模块,因而维修十分方便。性能价格比高、体积小、重量轻、能耗低、成本低、容量大、功能强:例如一台具有 128 个输入输出点的小型 PLC,其尺寸为 216 127 110mm 3,重约 2.3Kg,空载功耗为 1.2W,它可以完成相当于 400 80
12、0 个继电器组成的系统的控制功能,而其成本仅相当于相同功能继电器系统的(10 20);,PLC与其他工业控制系统的比较,PLC与继电器比较 继电器控制采用硬接线方式装配而成,只能完成既定的功能。PLC控制只要改变程序并改动少量的接线端子,就可适应生产工艺的改变。从适应性、可靠性及设计、安装、维护等各方面进行比较。传统的继电器控制大多数将被PLC所取代。,与工业计算机比较工业控制机控制要求开发人员具有较高的计算机专业知识和微机软件编程的能力。PLC采用了工厂技术人员熟悉的梯形图语言编程,易学易懂,便于推广应用。PLC是专为工业现场应用而设计的,具有更高的可靠性。在模型复杂、计算量大且较难、实时性
13、要求较高的环境中,工业控制机则更能发挥其专长。,小型PLC I/O点数在256点以下,用户程序存储器容量在2K步以下。其中I/O点数小于64点的PLC又称为超小型或微型PLC。型号有日本松下电工FP1型、日本三菱FX系列和日本欧姆龙C40P等。中型PLC I/O点数在2562048点之间,用户程序存储器容量在2K8K步之间。型号有日本三菱的A1系列、日本日立公司的H-200、美国A-B公司的PLC2/80等。大型PLC I/O点数在2048点之上,用户程序存储器容量达8K步之上。型号有美国A-B公司的PLC-3,I/O点数有8192个;德国西门子公司S5-155U,I/O点数有10000个,具
14、有多个处理器。,按I/O点数分和存储器容量分,一、可编程控制器的分类,4.1.4 PLC的分类与性能指标,模块式PLC 将PLC各组成部分分别作成若干个单独的模块,如CPU模块、I/O模块、电源模块(有的含在CPU模块中)以及各种功能模块。,叠装式PLC 还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来。,整体式PLC 将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内,具有结构紧凑、体积小、价格低等特点。,按结构形式分,整体式PLC,模块式PLC,模块式PLC,按功能分低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能,还可有少量模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、通信
15、等功能。中档PLC 具有低档PLC功能外,增加模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还增设中断、PID控制等功能。高档PLC 具有中档机功能外,增加带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数运算、制表及表格传送等。高档PLC机具有更强的通信联网功能。,二、可编程控制器的性能指标,各厂家的PLC产品虽然各有特色,但是总体来讲均可用以下几项指标来衡量对比其性能:,I/O点数;存储器容量;扫描速度;内部寄存器;指令系统;特殊功能及模块;工作环境。,4.1.5 可编程序控制器的应用,开关逻辑和顺序控制:开关量的逻辑控制使P
16、C的最基本控制功能。目前,PC首用的目标,就是用于开关量的控制。模拟控制:PLC具有A/D、D/A转换及算术运算等功能,因此可以实现模拟量控制。数据采集与监控:利用PLC能接受和输出高速脉冲的功能,在配备了相应的传感器(如旋转编码器)或脉冲伺服装置(如环型分配器、功放、步进电机)就能实现数字量的智能控制。,随着微电子技术的快速发展,PLC 的制造成本不断下降,而功能却不断增强。目前在先进工业国家 PLC 已成为工业控制中的标准设备,应用的领域已覆盖工业各领域。概括起来主要应用在以下几个方面:,运动控制:如电机等设备的控制,提供步进电机和伺服电机的单轴和多轴运动控制模块。过程控制:大型化工企业等
17、的生产过程控制,过程控制指对温度、压力、流量和速度等模拟量的闭环控制。数据处理:目前,现代PLC具有强大的数据处理功能,能实现复杂工业控制过程中的数据处理功能,实现与计算机数控(CNC)设备相结合,使PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。通信联网及集散控制:利用PLC的强大的通信联网功能,把PLC分布到控制现场,并实现各站间的通信,上、下层间的通信,达到分散控制、集中管理的目的。,应用例子.,包裹运输,工厂自动化,停车场,农场,可编程控制器的应用领域,向小型化和大型化两个方向发展小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展,使配置更加灵活,为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型P
18、LC,最小配置的I/O点数为816点,以适应单机及小型自动控制的需要。大型化是指大中型PLC 向大容量、智能化和网络化发展,使之能与计算机组成集成控制系统,对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC,其使用32位微处理器,多CPU并行工作和大容量存储器,功能强。,4.1.6 PLC技术发展动向,高性能、高速度、大容量发展为了提高PLC的处理能力,要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前,有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。在存储容量方面,有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量,有的
19、公司已使用了硬盘。,编程语言多样化向、标准化靠拢在PLC系统结构不断发展的同时,PLC的编程语言也越来越丰富,功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图、语句表语言外,为了适应各种控制要求,出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言(BASIC、C语言等)等。多种编程语言并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。,IEC1131-3标准中规定了五种标准语言梯形图(Ladder diagram)和功能块图(Function block diagram)为图形语言;指令表(Instruction list)和结构文本(Struction text)为文字语言
20、;顺序功能图(Sequential function chart),大力开发智能模块,加强联网与通信能力为满足各种控制系统的要求,不断开发出许多功能模块,如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。PLC的联网与通信有两类:PLC之间联网通信,各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段;PLC与计算机之间的联网通信。为了加强联网与和通信能力,PLC生产厂家也在协商制订通用的通信标准,以构成更大的网络系统。,增强外部故障的检测与处理能力据统计资料表明:在PLC控制系统的故障中,CPU占5%,I/O接口占15%,输入设备占45%,输出设备占30%,线路占5%。前二项共20%故障
21、属于PLC的内部故障,它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理。而其余80%的故障属于PLC的外部故障。PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块,进一步提高系统的可靠性。,控制与管理功能一体化在一台控制器上同时实现控制功能和信息处理功能。PLC产品广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术,使得PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体,进一步提高了PLC的功能,更好地满足了现代化大生产的控制与管理的需要。美国A-B公司的新产品PYRAMID INTEGRATOR,首次将PLC、机器视觉和信息处理器结合在一起,具有基础自动化、过程自动化以及信息管理等多层
22、次功能,适用于工业自动化系统。,4.2 可编程控制器的组成,PLC的基本组成部件如下图所示:,返回,可编程控制器由哪几部分组成?,硬件,软件,存储器,CPU,I/O口,编程器,电源,系统程序,用户程序,FX 系列PLC的硬件配置图,FX 系列PLC的网络通信能力,4.2.1 中央处理单元(CPU),中央处理单元是PLC的核心部件,采用8位、16位或更高级的单片机或通用微处理器,负责完成逻辑运算、数字运算以及协调系统内各部分的工作。它在系统程序的管理下运行,主要功能有:,接受并存储由编程器键入的用户程序和数据;诊断电源故障以及用户程序的语法错误;读取输入状态和数据并存储到相应的存储区;读取用户程
23、序指令,解释执行用户程序,完成逻辑运算、数字运算、数据传递等任务,刷新输出映像,将输出映像内容送至输出单元。,4.2.2 存储器单元,PLC的存储器单元分成两个部分:,系统程序存储器(ROM);用于存放PLC生产厂家编写的系统程序,系统程序在出厂时已经被固化在PROM或EPROM中。用户程序存储器(RAM)。可分为程序存储区和数据存储区,程序存储器用于存放用户编写的控制程序,数据存储区存放的是程序执行过程中所需要的或者所产生的中间数据。这类存储器一般由低功耗的CMOS-RAM构成,其中的存储内容可读出并更改。掉电会丢失存储的内容,一般用锂电池来保持。注意:PLC产品手册中给出的“存储器类型”和
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