《可编程控制器原理与应用》电子教案.ppt
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1、中等职业学校教学用书,可编程控制器原理与应用电子教案周惠文 主 编,可编程控制器原理与应用,第1章 可编程控制器初步,1.1 可编程控制器的起源与发展,一、背景 20世纪60年代,美国汽车制造业竞争日趋激烈,汽车产品更新换代的周期越来越短,而继电器控制的汽车自动生产流水线设备体积大,触点使用寿命低,可靠性差,故障率高,维修和维护不便;同时这种控制系统智能化程度很低,当产品更新,生产工艺和流程变化时,整个系统都需要重新设计和安装,从而严重影响了企业生产效率,延长了汽车产品的更新周期。因此人们迫切需要一种通用性强、灵活方便的新型控制系统来替代原来的继电器控制系统。,二、10项指标,1编程方便,可现
2、场修改程序。2维修方便,采用插件式结构。3可靠性高于继电器控制系统。4体积小于继电器控制柜。5数据可直接送入管理计算机。6成本可与继电器控制系统竞争。7输入可为市电。8输出可为市电,输出电流要求在2安培以上,可直接驱动电磁阀、接触器等。9系统扩展时,原系统变更最小。10用户存储器容量大于4K。,美国数字电子公司(DEC)-1969年研制出世界上第一台可编程控制器我国于1974年开始研制,并于1977年生产出了第一台有实用价值的可编程控制器。由于当初它主要用于逻辑控制、顺序控制,故称为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller),简称PLC,可编程控制器的功能,
3、逻辑运算、定时、计数,算术运算、数据处理和传输,通信联网 故障自诊断,PLC、CAD/CAM、机器人将会成为工业自动化的三大支柱,1.可编程控制器构成及工作原理,一、可编程控制器构成PLC基本组成,()CPU:中央处理器,PLC的核心,作用:运行用户程序,监控I/O接口状态,作出逻辑判断和进行数据处理,(2)存储器:用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其它一些信息,只读存储器(ROM):主要用来存放系统程序 只能读出不能写入 随机存取存储器(RAM):主要用来存放用户程序、各种暂存 数据和运算中间结果等。可以随机对其进行读出和写入,3.输入/输出(I/O)接口:,(1)输入接口:用于连接输入
4、设备,一般采用光电耦合电路,PLC通过输入接口接收各种控制信号,改变输入元件的状态,并参与用户程序的运算,(2)输出接口:用于连接输出设备,继电器输出型晶体管输出型晶闸管输出型,4.电源,PLC内部电路采用直流开关稳压电源输入传感器采用24V直流电源输入/输出回路的电源一般相互独立,避免干扰,5.扩展接口:,用于系统扩展,二、可编程控制器的工作原理,(一)PLC的工作方式:循环扫描的方式,(二)PLC的工作过程,1.输入采样阶段:PLC顺序扫描各输入端,并将各输入状态存入相应的输入映像寄存器中,输入映像寄存器被刷新,此状态将被保持到本扫描周期结束。2.程序执行阶段:PLC从第0步开始从左到右、
5、自上而下顺序扫描执行用户程序,并将当前输入映像寄存器和输出映像寄存器的相关内容读入,参与程序的运算、处理;最后将结果存入输出映像寄存器。3.输出刷新阶段:PLC将输出映像寄存器中的内容转存到输出锁存器,刷新输出锁存器的内容,从而改变输出端子的状态,驱动负载实现控制。,(三)PLC 的扫描周期,PLC每扫描一次称为一个扫描周期,主要分成三个阶段,1.3 三菱FX2系列可编程控制器,FX2系列的机型主要有FX216M、FX224M、FX2-32M、FX248M、FX264M、FX280M等几种。其型号的含义如图所示。,一、型号含义,二、三菱FX2-32MR型PLC的面板介绍,1输入端子:用于连接输
6、入元件,三菱FX2-32MR型PLC输入继电器(X)以8进制编码,编号为X000X007、010X017共16点。,输入回路连接,2输出端子:用于驱动负载(接触器、电磁阀和指示灯等)实现控制。,三菱FX2-32MR型PLC输出继电器(Y)以8进制编码,编号为Y000Y007、Y010Y017共16点,每4点共用一个公共端口(COM),以适应不同负载。,输出回路的连接,三菱FX系列PLC的通讯接口主要有RS-232C、RS-422和RS-485等。FX2系列PLC与计算机的通讯采用RS-232C接口,用一根SC-09电缆连接。SC-09电缆如图所示。SC-09电缆一端是9芯的D型插头,应插入计算
7、机的串行口COM1或COM2;电缆的另一端是25芯的D型插头,插入PLC的编程器接口,3.通讯接口:,4.SWOPC-FXGP-WIN-C:三菱FX系列PLC的专用编程软件,其初始界面如图所示。,(1)端口设置a.点击菜单栏“PLC”“端口设置”菜单,b.选择与计算机通讯的端口和传送速率,点击“确认”按钮。,(2)串口设置,a.点击“新文件”。,b选择PLC机型,c.点击菜单栏“PLC”“串行口设置”菜单。,d.进行串行口设置。,1.4 一个简单的开关量控制应用实例,一、,电动机单向运转继电器控制电路,主要元器件的功能表,二、输入/输出分配,输入/输出分配表,2输入/输出接线图,3.程序设计,
8、1 设计方法(1)翻译法:将继电器电路的控制逻辑图直接转化为PLC梯形图的程序设计方法。(2)解析法:是将输入信号、输出信号的逻辑关系用逻辑表达式表示,并用逻辑代数简化程序的设计方法。,2.梯形图程序设计基本原则,(1)梯形图程序起始于左母线,终止于右母线,应按自上而下、从左至右的方式编制。,逻辑线圈应和右母线直接相连,中间不能有任何元件。,(2)几条支路并联时,串联触点多的支路尽量放在上方。,(3)并联电路块串联时,并联支路多的电路块尽量靠近左母线。,(4)桥式电路应转换为连接关系更明确的电路。,(5)在梯形图中一般不宜出现双线圈。,本 章 结 束,第2章 可编程控制器基本指令的应用,2.1
9、 三相交流异步电动机的正反转控制,2.2 流水灯控制,2.3电动机的单按钮开关控制,2.4 小车自动往返控制,2.1 三相交流异步电动机的正反转控制,控制任务分析,1控制要求(1)三相交流异步电动机正转、反转均能启动(2)三相交流异步电动机正、反转之间能够直接进行切换(3)具有短路保护和过载保护。,2控制要求分析,电气原理图,图,主要元器件的功能,各个主令信号和PLC输入点相连,输出点Y0、Y1驱动接触器控制电机正反转,PLC控制系统的主电路与图1相同,而控制电路的功能通过编制PLC程序实现,用PLC控制三相交流异步电动机正反转时,通过程序控制输出线圈,输出点驱动接触器KM1、KM2实现电机正
10、反转,逻辑取(LD、LDI)与线圈驱动(OUT)指令LD:逻辑取常开触点指令,用于常开触点与左母线的连接,即逻辑运算起始于常开触点。LDI:逻辑取常闭触点指令,用于常闭触点与左母线的连接,即逻辑运算起始于常闭触点。OUT:线圈驱动指令,用于根据逻辑运算结果驱动一个指定线圈。,相关基础知识,指令的应用举例,说明:(1)LD、LDI的操作元件为输入继电器X、输出继电器Y、辅助继电器M、状态继电器S、定时器T、计数器C的触点。(2)LD、LDI除用于触点与左母线的连接外,还可与后面介绍的ANB、ORB指令配合使用于各分支的起始位置。(3)OUT指令的操作元件为Y、M、S、T、C的线圈,多次连续使用O
11、UT指令可实现多个线圈的并联;但OUT指令不能驱动输入继电器X。,AND:“与”操作指令,用于单个常开触点的串联,ANI:“与非”操作指令,用于单个常闭触点的串联,2.触点串联(AND、ANI)指令,说明:(1)AND、ANI指令的操作元件为X、Y、M、S、T、C的触点。(2)AND、ANI指令可连续重复使用,用于单个 触点的连续串联,使用次数不限。,指令的应用举例,OR:“或”操作指令,用于单个常开触点的并联。ORI:“或非”操作指令,用于单个常闭触点的并联。,3.触点并联(OR、ORI)指令,说明:(1)OR、ORI指令的操作元件为X、Y、M、S、T、C的触 点。(2)OR、ORI指令可将
12、触点并联于以LD、LDI起始的电路块。(3)OR、ORI指令可连续重复使用,用于单个触点的连续并联,使用次数不限。,指令的应用举例,4.串联电路块的并联(ORB)指令,ORB:串联电路块的并联指令,用于两个或两个以上串联电路块的并联。,串联电路块是指两个或两个以上触点串联连接的支路每个串联电路块都以LD、LDI指令起始,用ORB指令将两个串联电路块并联连接。,指令的应用举例,说明:(1)ORB指令不带操作元件。(2)多个串联电路块并联时,若每并联一个电路块均使用一次ORB指令,则并联的电路块数没有限制。(3)多个串联电路块并联时,也可集中连续使用ORB指令,但使用的次数应限制在8次。,5.并联
13、电路块的串联(ANB)指令,ANB:并联电路块的串联指令,用于并联电路块的串联,并联电路块是指两个或两个以上触点并联连接的电路,在并联电路块串联时,每个并联电路块都以LD、LDI指令起始,用ANB指令将两个并联电路块串联连接,指令的应用举例,说明:(1)ANB指令不带操作元件。(2)多个并联电路块串联时,若每串联一个电路块均使用一次ANB指令,则并联的电路块数没有限制。(3)多个并联电路块串联时,也可集中连续使用ANB指令,但使用的次数应限制在8次。,6.多重输出(MPS、MRD、MPP)指令,MPS(Push):进栈指令,用于存储当前的运算结果,栈中内容下移。MRD(Read):读栈指令,用
14、于读出栈顶的内容。MPP(Pop):出栈指令,用于读出并清除栈顶的内容,栈中内容上移。,栈操作示意图,三菱FX系列PLC中有11个用于存储中间运算结果的存储区域,称为栈存储器,相当于计算机中的堆栈,栈操作示意图,这3条指令可将当前接点的运算结果保存起来,当需要该接点处的运算结果时再读出,以保证多重输出电路的正确连接。,指令的应用举例,说明:(1)MPS、MRD、MPP指令不带操作元件。(2)多重输出指令为组合指令,不能单独使用,MPS、MPP指令必须成对使用,但使用次数应少于11次。(3)MRD指令可以多次出现,但应保证多重输出电路不超过24行。,输入/输出分配,1.输入/输出分配表,2输入/
15、输出接线图,程序设计,由翻译法容易得出电机正反转控制梯形图程序如图所示,修改后的正反转控制梯形图,2.2 流水灯控制,2.2.1 控制任务及分析,有三盏灯分别为红灯、绿灯和黄灯。要求:(1)按下启动按钮SB1三盏灯按以下顺序 循环:,(2)按下停止按钮SB2三盏灯均熄灭,系统恢复 初始状态。,1控制要求,2控制任务分析,这是一个典型的时间顺序控制问题,中间的时间间 隔可以通过定时器来控制,定时器和继电器电路中的时间继电器相似,也有线圈和常开、常闭延时触点,因此可以按继电器电路的设计方法来设计该PLC控制程序,2.2.2 相关基础知识,1.辅助继电器(M),辅助继电器相当于继电器电路中的中间继电
16、器,经常用作状态暂存、移位运算等,每个辅助继电器都有无数个常开、常闭触点可供PLC内部编程时使用,但不能直接驱动负载。,(1)通用辅助继电器,该继电器的元件编号为M0M499共500点,编程时每个通用辅助继电器的线圈仍由OUT指令驱动,而其触点的状态取决于线圈的通、断。,通用辅助继电器用法,按下X0,M0线圈接通自锁,其常开触点闭合Y0、Y1接通;按下X1时,M1线圈接通,其常闭触点断开,M0线圈断开,Y0、Y1断开。M0、M1在程序中起到了继电器电路中中间继电器的作用。,(2)停电保持辅助继电器,停电保持辅助继电器的元件编号为M500M1024共524点,用于保存停电瞬间的状态,并在来电后继
17、续运行。,若按下X0,M0、Y0、M500线圈均接通自锁,此时突然断电则M0、Y0、M500线圈均断开。当重新来电PLC投入运行时,M0、Y0线圈仍处于断开状态,而M500线圈恢复断电前的接通状态;若断电前已按下X1,M500线圈处于断开状态,则PLC重新投入运行时M500线圈不接通,仍保持断电前的断开状态。,a.不可驱动线圈型:,用户只能应用其触点编程,线圈由PLC自动驱动,用户不能编程驱动。,M8000:运行监控(PLC为RUN时接通)M8002:初始脉冲(PLC为RUN时接通一个扫描周期)M8013:1S时钟脉冲(以1S为周期不断地接通和断开),例:,(3)特殊辅助继电器,b.可驱动线圈
18、型:,需要用户编程驱动其线圈,接通后PLC完成特定的动作。,例:,M8030:熄灭锂电池欠压指示灯,M8033:PLC停止(STOP)时使输出保持,M8034:禁止所有输出,2.定时器(T),定时器作为时间元件主要用于定时控制,每个定时器也都有线圈和无数个触点可供用户编程使用。编程时其线圈仍由OUT指令驱动,但用户必须设置其设定值。三菱FX2系列PLC的定时器为增定时器,当其线圈接通时,定时器当前值由0开始递增,直到当前置达到设定值时,定时器触点动作。与继电器电路不同的是PLC中无失电延时定时器,若需使用可以通过编程实现。,定时器以十进制编号,可分为通用定时器和积算定时器两类。,(1)通用定时
19、器:通用定时器的编号为T0T245共245点。按定时单位不同可分为100ms定时器和 10ms定时器。,a.100ms定时器100ms定时器的编号为T0T199共200点,定时单位为0.1S,最大设定值为K32767(K表示十进制数),定时时间为0.1S3276.7S。b.10ms定时器10ms定时器的编号为T200T245共46点,定时单位为0.01S,最大设定值为K32767,定时时间为0.01S327.67S。,通用定时器应用举例如图所示,图中X0闭合,T0线圈接通开始计时,20S后定时器T0动作,其常开触点闭合,T1开始计时,20S后Y0接通。,用一个定时器定时的最长时间为3276.7
20、S,若定时时间超过这一值,就可以用几个定时器定时时间相加的方法来实现。,图中若定时器在计时期间X0断开或PLC断电,则定时器T0、T1复位,其当前值恢复为0。,(2)积算定时器,积算定时器所计时间为其线圈接通的累计时间,若在计时期间线圈断开或PLC断电,定时器并不复位,而是保持其当前值不变,当线圈再次接通或PLC上电定时器继续计时,直到累计时间达到设定值定时器动作。,积算定时器按定时单位不同可分为1ms积算定时器和100ms积算定时器。,100ms定时器的编号为T250T255共6点,定时单位为 0.1S,最大设定值为K32767,定时时间为0.1S3276.7S。,a.1ms积算定时器,b.
21、100ms积算定时器,1ms定时器的编号为T246T249共4点,定时单位为 0.001S,最大设定值为K32767,定时时间为0.001S32.767S。,积算定时器应用举例如图所示。,积算定时器可以用RST指令复位,将其当前值恢复为0。,3.主控(MC、MCR)指令,用于公共串联触点的连接,将左母线移至主控触点之后。,MC:主控指令,MCR:主控复位指令,使左母线回到使用主控指令前的位置,编程时,当多个线圈受控于同一个或一组触点时,若每个线圈都串入相同触点作为控制条件,将会占用更多的存储单元,此时使用主控指令则可使程序得到优化。,主控指令的应用举例,在使用主控复位(MCR)指令,左母线已恢
22、复原位,所以程序第16步X3常开触点也使用LD 指令。,按X0,M100接通,执行主控电路块内的程序。,按X2,Y0线圈接通自锁,定时器T0开始计时,10S后T0动作Y1线圈接通;,若按X1,M100断开不执行主控电路块内的程序,此时即使按下X2输出点Y0也不接通,但PLC仍扫描这段程序。,由于使用主控(MC)指令后,左母线移至主控触点之后,所以程序第6、12步X2、T0常开触点仍用LD指令;,说明:(1)主控指令的操作元件为Y、M(特殊辅助继电器除外)。(2)主控指令可嵌套使用,嵌套级的编号为07,最多不能超过8级。(3)主控指令嵌套使用时,嵌套级的编号应从0开始顺次递增,返回时从大的嵌套级
23、开始逐级返回。,等效电路,1.输入/输出分配表,2.2.3 输入/输出分配,2输入/输出接线图,2.4 程序设计,控制任务要求分别由启动按钮、停止按钮控制系统的启动和停止,因此可以用主控指令来编制程序。,将启动按钮作为主控指令的触发信号,并使其自锁保持,而将流水灯控制程序放在主控电路块之中;,当需要停止时,用停止按钮解除主控指令触发信号的自锁,使其断开,从而PLC不执行流水灯控制程序,系统停止工作。上图中分别用六个定时器T0T5进行六个时间段的时间控制,为保持T3和T5的线圈得电,程序中采用了两个通用辅助继电器M1和M2,以保证流水灯按控制要求正确运行。,2.3 电动机的单按钮开关控制,2.3
24、.1 控制任务分析,1控制要求,(1)按下按钮SB1奇数次时,交流接触器KM1得电,电动 机M1启动运转。(2)按下按钮SB1偶数次时,交流接触器KM1失电,电动机M1停止运转。(3)具有短路保护和过载保护。,2控制要求分析,利用一个按钮控制电动机的启停,类似于开关型轻触按键,但它要求内部必须具有自锁的功能。在整个的工作过程中,电动机的启停频率是按纽按下的频率的一半,因此要实现控制要求实际上只需将按钮信号的频率进行二分频。,2.3.2 相关基础知识,1.时序图及其画法,(1)时序图 是指输入状态、电路状态和输出状态等随时间变化的波形图。,(2)时序图的画法,a、画出输入点、时钟等信号变化的波形
25、图b、找出各相关元件状态变化的分界点c、根据电路的逻辑功能,准确确定各元件在各分界点时刻的状态d、最后画出各元件相应的波形。,(3)单按钮控制电动机启停时序图,按钮接于X0,控制电机的接触器接于Y0,2.微分脉冲输出(PLS、PLF)指令,PLS:上升沿微分脉冲输出指令,在触发信号的上升沿时使操作元件产生一个扫描周期的脉冲输出。PLF:下降沿微分脉冲输出指令,在触发信号的下降沿时使操作元件产生一个扫描周期的脉冲输出。微分脉冲指令可以将脉宽较宽的触发信号变成脉宽等于PLC扫描周期的触发脉冲信号,微分脉冲指令用法,当按下X000时,Y000接通并自锁,按下X002,Y000断开;当按下X001时,
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