第1章 可编程控制器基础Word下载.docx
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在生产厂家的增多、集成电路技术的进步等因素的影响下,PLC的价格越来越低。
1.1.3可编程控制器可以干什么?
可编程控制器可以干什么?
1.取代继电器控制
在灯光照明、机床电控、食品加工、印刷机械、电梯、自动化仓库、生产流水线等方面进行逻辑控制。
2.过程控制
对温度、压力、流量、物位高度等连续变化的物理量进行控制。
3.位置、速度控制
在机器人、机床、电机调速等领域进行位置、速度控制。
4.数据监控
在电力、自来水处理、化工、炼油、轧钢等方面进行数据采集、监测和控制。
5.组成分散控制系统
把PLC作为下位机,与上位机的计算机共同组成分散控制系统。
可以说PLC几乎应用到了工业控制的每一个领域,小到家庭的灯光照明,大到冶金、石化企业的生产过程都有PLC的应用。
1.1.4可编程控制器的发展
可编程控制器现在发展很快,发展方向是:
1.小型、微型化
PLC的一个发展方向是越来越小,这些PLC只有手掌大小,使用起来灵活方便。
2.大型、超大型化
PLC的另一个发展方向是大型和超大型,这些PLC具有上万个输入输出量,用于大型石化、冶金、汽车制造等领域。
3.智能化
PLC中的输入输出单元越来越智能化,这些单元具有模糊控制、PID控制、位置控制、温度控制、远程通信等功能,而根据生产需求,新的智能单元正在不断推出。
4.CPU能力更强
选用时钟更快、功能更强的CPU是PLC的发展趋势。
5.支持更多的工业总线
支持多种工业标准总线,使连网更加容易和简单,更易于组成工程控制网。
6.编程软件标准化
采用国际标准化的IEC1131-3编程语言,可以使开发周期大大缩短。
7.人-机交流功能增强
在为PLC配置了操作面板、触摸屏等人机对话手段后,其应用领域进一步扩展,应用更加方便。
8.数据处理能力大大增强
PLC与个人计算机技术结合后,使得PLC的数据处理、存储功能大大增强。
1.1.5可编程控制器分类
1.按照结构分类
(1)整体式
将CPU、输入/输出单元、电源、通讯等部件集成到一个机壳内的PLC称为整体式PLC。
整体式PLC一般都是小型或微型PLC。
(2)模块式
模块式PLC是将CPU、输入单元、输出单元、电源、通讯等分别做成模块,在应用中根据按照需要进行模块组装,大、中型PLC一般都是模块式结构。
(3)整体模块混合式
将CPU、电源模块、通讯模块和一定数量的输入/输出单元集成到一个机壳内,当使用中输入/输出模块不够使用时,再进行模块扩展。
2.按照输入输出点数
(1)小型
小型又称为低档PLC,输入输出点数小于128点(所谓输入输出点数就是输入开关和输出继电器的个数)。
(2)中型
中型PLC的点数在128到512之间。
(3)大型
大型PLC的点数在512点以上。
1.1.6可编程控制器的主要技术指标
1.用户存储器容量
PLC中的用户存储器由用户程序存储器和数据存储器组成,该存储器的容量大,就可以编制出复杂的程序,一般来说,小型机的用户存储器容量为几千字,而大型机的用户存储器容量为几十千字。
2.输入输出点数
输入输出的点数是PLC可以接受的输入开关信号和输出开关信号的总和。
3.模数和数模通道数
模数转换和数模转换的通道数就是可以输入和输出的模拟量总和。
4.扫描速度
扫描速度是指PLC扫描1K字用户程序所需的时间,通常以ms/千字为单位。
扫描速度越快越好。
5.指令数量和功能
用户编制的程序所完成的控制任务,取决于PLC指令的多少,指令的功能越多,编程越简单和方便,越可以完成复杂的控制任务。
6.内部寄存器的配置及容量
在编制PLC程序时,需要用到大量的寄存器来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息,这些寄存器的多少,直接关系到程序的编制。
7.特殊功能单元
特殊功能单元的种类多,可以说PLC的功能多,例如,有模糊控制单元,就说明PLC具有模糊控制能力。
8.可扩展性
在选择PLC时,需要考虑PLC的可扩展性,可扩展性包括如下内容:
(1)输入输出点数的扩展。
(2)存储容量的扩展。
(3)连网功能的扩展。
(4)可扩展的模块数。
1.1.7学习PLC的关键是什么?
学习PLC主要是学习如下三点:
1.PLC的安装与配线
熟悉PLC的输入和输出电路,会将PLC和它的外围电路连接起来。
应该注意输入输出电路的动作特点、电压、负载电流等参数。
一般这些内容在PLC的安装手册中可以得到。
2.PLC的用户存储器组织
只有看懂存储器的分配,才会分配输入输出量、计数器、定时器和功能指令的地址。
有关存储器组织方面的内容,需要查看PLC编程手册。
3.会画顺序功能(SFC)图和PLC的梯形图(LD)
会画实际控制问题的SFC图,并将SFC图转化成梯形图或助记符程序。
这一步是最难的,需要使用PLC的工程师熟悉生产流程,被控设备的特性和控制要求,熟悉PLC的外围配线和存储器组织,熟悉PLC的指令系统,只有这样,才能设计出好的梯形图程序。
1.2可编程控制器的一般结构
从数字系统的角度来看PLC,其实它就是一个单片机系统。
1.2.1基本结构
1.整体式PLC的结构
整体式PLC硬件系统由CPU、存储器、通信接口、输入输出电路和电源电路组成见图1-1。
图1-1整体式PLC
图1-2模块式PLC
2.模块式PLC的结构
在模块式PLC中,组成PLC的各个部分都是模块,这些模块由PLC的系统连接,见图1-2。
图1-3混合式结构的PLC
3.混合式结构
在混合式结构中,PLC是由PLC主机和扩展模块组成,其中PLC主机由CPU、存储器、通讯电路、基本输入输出电路组成,而扩展模块可以是输入输出模块、模拟量模块、位置控制模块等等。
见图1-3。
1.2.2PLC各部分电路介绍
1.CPU芯片
CPU芯片是PLC的核心,所有PLC的动作(程序输入、程序执行、通信、自检等等)都需要CPU芯片的参与。
各个公司的PLC的CPU芯片类型不同,一般是8位或16位单片机。
2.存储器
PLC中的存储器用于存放:
(1)系统程序,系统程序是PLC生产厂赋予PLC功能的程序,就是由于有了系统程序,单片机组成的系统,就变成了PLC。
(2)用户程序,用户程序就是需要PLC发出动作进行工业控制的程序
(3)数据,数据包括PLC运行中的各种数据,例如,I/O、定时、计数、保持、模拟量、各种标志等等。
一般PLC的系统程序存放在E2PROM中,而用户程序和数据放在后备电池支持的RAM中。
3.I/O电路
I/O电路是PLC与现场工业设备连接的电路,现场的开关量(行程开关、传感器等)信号通过I/O电路输入PLC,而PLC输出的开关(例如,继电器、晶体管等)信号从PLC输出到工业设备(例如电磁铁、电机等)。
4.电源模块
PLC电源的输入电压有直流12V、24V、48V和交流110V、220V,使用时根据需要选择。
由于PLC中的电源都是开关式电源,所以在输入电压大幅度波动时PLC仍能够稳定的工作。
电源模块的输出一般为直流5V和24V,它们向PLC的CPU、存储器等提供工作电源。
5.通信接口
一般PLC的CPU模块上至少有一个RS-232通信口或者是RS-485通信口,PLC可以通过RS-232通信口直接和上位计算机通信,若是RS485通信口,则和上位计算机通信时需要一个连接器。
无论是RS-232或是RS-485通信口都可以和PLC配套的编程器通信。
PLC上还有通信模块,通过这些模块,PLC可以组成网络或下位上位的分散控制系统。
6.特殊功能单元
特殊功能单元包括高密度I/O单元、模拟I/O单元、模糊单元、温度传感单元、温度控制单元、热冷控制单元、凸轮控制单元、PID单元、位置控制单元、高速计数单元和语音单元等。
这些单元越多,说明PLC的功能越强。
7.编程器
编程器是PLC的常用的外部设备,用户通过编程器编写控制程序,并通过通信单元(编程器接口)将程序装入PLC。
编程器还可以监控PLC的运行。
随着计算机的价格下降,计算机配编程软件后,成为一个功能强大的编程器。
在计算机上可以对PLC进行设置、编程、调试、监控、显示、打印等工作。
1.3可编程控制器是怎样工作的?
1.3.1工作原理
与其它控制装置一样,PLC根据输入信号的状态,按照控制要求进行处理判断、产生控制输出。
PLC采用循环扫描的工作方式,其过程如图1-4所示。
这个过程分为读输入、程序执行、写输出三各阶段,整个过程进行一次所需要的时间成称为扫描周期。
图1-4循环扫描过程
1.三各阶段的工作过程
以下详细叙述PLC三各阶段的工作过程。
工作过程如图1-5所示。
图1-5PLC三各阶段的工作过程
(1)读输入(输入刷新)阶段
PLC在读输入阶段,以扫描方式依次地读入所有输入信号的通/断状态,并将它们存入存储器输入暂存区的相应单元内,这部分存储区也被特别地称为输入映象区,在读输入结束后,PLC转入用户程序执行阶段。
(2)用户程序执行阶段
PLC在程序执行阶段,按照先后次序逐条执行用户程序指令,从输入映象存储区中读取输入状态、上一扫描周期的输入状态以及定时器、计数器状态等条件,根据用户程序进行逻辑运算,不断得到运算结果,一步步运算得到的一步步结果并不直接输出,而是将其对应地先存入输出暂存区的相应单元中,输出暂存区也称为输出映象区,直到用户程序全部被执行完。
用户程序执行完后,得到最后的可以输出的结果。
本扫描周期内的用户程序执行阶段结束,PLC转入写输出阶段。
(3)写输出(输出刷新)阶段
当扫描用户程序结束后,PLC就进入输出刷新阶段,在此期间PLC根据输出映象区中的对应状态刷新所有的输出锁存电路,再经隔离驱动到输出端子,向外界输出控制信号,控制指示灯、电磁阀、接触器等,这才是PLC的实际输出。
2.响应时间
由于采用了扫描工作方式,所以当PLC输入端有一个输入信号发生变化到输出端对该输入变化作出反应,需要一段时间,这段时间就称为PLC的响应时间或滞后时间,这段时间往往较长,但是对于一般的工业控制,这种滞后是允许的。
响应时间的大小与如下因素有关:
① 输入电路的时间常数。
② 输出电路的时间常数。
③ 用户语句的安排和指令的使用。
④ PLC的循环扫描方式。
⑤ PLC对I/O的刷新方式。
其中前三个因素可以通过选择不同的模块和合理编制程序得到改善。
由于PLC是循环扫描工作方式,因此响应时间与收到输入信号的时刻有关,在此给出最短和最长响应时间。
(1)最短响应时间
如果n-1个扫描周期刚结束时,收到一个输入信号,则第n个扫描周期一开始这个信号就被采样,使输出更新,这时响应时间更短。
如图1-6所示所示。
如果考虑到输入电路造成的延迟和输出电路造成的延迟,最短响应时间可以用下式表示:
最短响应时间=输入延迟时间+一个扫描周期+输出延迟
图1-6最短响应时间
(2)最长响应时间
如果在第n个扫描刚执行完输入刷新后,输入发生了变化,在该扫描周期内这个信号不会发生作用,要到n+1个扫描周期的输入刷新阶段才能采样到输入变化,在输出刷新阶段输出作出反应,这时响应时间最长,可用下式表示:
最长响应时间=输入延迟时间+二个扫描周期+输出延迟时间
图1-7最长响应时间
从图1-7可以看出,对输入信号的持续时间也是有一定要求的,如果输入信号的持续时间不能大于一个扫描周期(所谓窄脉冲),则输入就不能确保被采样,也就不能被响应。
在PLC中读输入和输出刷新时间基本固定不变,且占扫描周期的份额较小,扫描周期的长短主要由用户程序执行的时间决定。
用户程序执行时间取决于用户程序量和CPU的运算速度。
通常情况下,PLC的扫描周期小于100ms,从控制的角度,这个时间还是可以接受的。
PLC为什么要采用统一输入采样、用户程序执行、输出统一刷新这种循环扫描工作呢?
最初研制生产PLC的目的是为了代替传统的由继电器、接触器构成的控制装置,而继电器控制装置采用硬逻辑并行运行方式,如果一个继电器的线圈通电或断电,则该继电器所有的触点(包括常开和常闭触点)在继电器控制电路中都会同时动作,发挥控制作用。
继电器控制电路的并行工作方式,也可以理解为控制装置随时根据所有输入条件/状态或其它条件/状态,由控制电路作出判断,随时产生输出。
而PLC是计算机控制装置,计算机的根本特征是串行工作的,即每一时刻只能做一件事情,因此为了模拟传统的继电器控制装置的工作特点,以梯形图方式编程,只能统一采样同一时刻的输入状态,然后执行用户程序、进行逻辑运算,最后统一刷新所有输出,这样的扫描过程循环不断的始终进行。
如果PLC的扫描过程足够短(<
100ms),接近继电器的动作时间延迟,则PLC与继电器控制装置的处理结果就没有什么区别了。
事实上PLC在一个扫描周期内除了完成前叙的三个阶段工作外,还要做一些辅助工作,如内部诊断、通信等工作。
顺序扫描工作方式简单直观,便于程序设计和PLC自身的检查。
因为在扫描完成后,其结果马上会被紧随其后的扫描所利用;
一般在PLC内设置有监视定时器,用来监视每次扫描的时间是否超出规定值,避免由于PLC内部的CPU故障使程序进入死循环。
扫描顺序可以是固定的,也可以是可变的。
一般小型PLC采用固定的扫描顺序,大中型PLC采用可变的扫描顺序。
这是因为大中型PLC扫描的点数多,每次扫描只对需要扫描的点进行扫描,可以减少扫描的点数,缩短扫描周期,提高实时控制中的响应速度。
PLC的工作过程如下:
大中型PLC,例如欧姆龙C200HX/HG/HE可编程控制器的扫描工作过程如图1-8所示。
只要PLC一通电,就立即执行最初的三个操作。
剩下的各个操作以扫描的形式执行,在一个扫描周期中包含9个基本操作。
(1)监督检查(需要0.7ms)
(2)执行程序(需要的时间随执行指令时间的长短确定)
(3)计算扫描周期(执行时间可以忽略)
(4)I/O刷新(需要的时间随点数不同而不同)
(5)上位机链接单元服务(最多需要0.6ms)
(6)RS-232C端口服务(不连接设备时0ms,连接设备时最小0.26ms)
(7)外围设备服务(不连接设备时0ms,连接设备时最小0.26ms)
(8)通信板服务(需要时间0.5ms+每个端口处理时间)
(9)SYSMACLINK和SYSMACNET服务(不安装通信单元0ms,安装时取决于通信单元数)
实际上整个扫描周期分为:
自监视扫描阶段、与网络通信扫描阶段、用户程序扫描阶段和I/O刷新扫描阶段。
在自监视扫描阶段,PLC进行自我监视或自我诊断,这个主要是有监视定时器WDT(WatchDogTimer)完成的。
若是由于故障或用户程序太长不及时WDT复位,WDT就会停止PLC运行并报警。
只有配有网络的PLC系统中,才有通信扫描阶段,在这一阶段,PLC与PLC之间,PLC与上位计算机之间进行信息交换。
在用户程序扫描阶段,对于用户程序存储器所存的指令,PLC从输入状态暂存区中取出输入端状态,从第一条程序开始执行,并且将每一步的执行结果送入输出暂存区。
在I/O刷新阶段,CPU将输入的状态读入输入暂存区、将输出暂存区的状态写入输出状态锁存器。
采用这样的扫描过程具有如下的特点:
(1)输入刷新阶段,将输入端子的状态存入输入暂存区,暂存区的数据取决于输入刷新阶段各个实际输入点的通/断状态。
在用户程序执行阶段,输入状态暂存区的数据不再随输入的变化而变化。
(2)在用户程序执行阶段,输出状态暂存区的内容随程序执行的结果不同而随时改变,但是输出状态锁存器的内容不变。
(3)在输出刷新阶段,将用户程序执行阶段的最终结果由输出状态暂存区一起传递到输出状态锁存器。
输出端子的状态由输出状态锁存器决定。
对于需要快速作出反应的控制要求,一定要考虑PLC的响应时间,若是PLC的响应速度不够,则可以采用特殊的PLC模块以弥补PLC速度慢的缺点。
图1-8PLC的扫描工作过程
1.3.2可编程控制器中的存储区
PLC中用户程序的操作数都是存储区中的存储单元,若想操作这些单元的内容,就要需要知道单元地址,这些单元地址有些是PLC系统程序指定的,有些是用户指定的,怎样确认这些地址,是使用PLC首要解决的问题。
例如,对应某输入开关量应该有一个存储单元,要想使用该开关控制一个输出,就需要知道该开关的地址。
例如,当具有模数转换单元模块时,模拟量经过转换后被放在哪些存储单元中,怎样确定这些单元的地址。
例如,增加了扩展模块,这些扩展模块的存储单元地址如何指定。
由于PLC种类很多,每一种类都有确认存储区地址的方法。
所以应该仔细阅读存储单元说明,只有正确的确认存储单元,才能够正确编制用户程序。
对于中、大型PLC来说,其存储区中存储单元的地址确认是非常复杂的,初学者应该仔细、认真对待这个问题。
1.3.3可编程控制器的编程语言
PLC常用的语言是梯形图语言和助记符语言,因为PLC是专为工业控制开发的装置,主要使用对象是广大技术人员,它们可能不十分懂电气,但是对生产流程确非常在行,梯形图和助记符语言就是为它们开发的语言。
梯形图语言一般都在计算机屏幕上编辑,使用起来简单方便,特别是对继电器控制电路有所了解的技术人员来说,使用梯形图语言就更显的容易。
助记符语言类似与计算机编程序,若是具有程序基础,学习助记符语言会容易一些,只要理解各个指令的含义,就可以像做计算机程序一样书写PLC的控制程序。
两种语言各有特点,最好是两个都会使用,因为在PLC编程软件中,这两种语言是可以互相转换的。
一般的感觉是简单控制使用梯形图语言较容易做,但是对于有子程序、分支、中断和复杂指令的程序来说,还是助记符语言要好用一些。
各个PLC厂家使用的梯形图语言基本类似,互相转换比较容易一些,但是助记符语言各个厂家是完全不同的,转换起来比较困难。
需要指出的是PLC实际上只认识助记符语言,梯形图语言是要转换成助记符语言后存入PLC的存储器中的。
1.3.4可编程控制器的指令系统
指令就是指挥PLC动作的命令,PLC的一连串动作实际就是在执行一连串的指令。
指令系统就是指令的集合。
各个PLC厂家的指令系统是不同的,就是一个厂家的PLC,若是系列不同,指令系统也是有差别的。
指令越丰富,用户编程就越简单和方便,例如OMRON系列P型PLC的指令为37条,而H型PLC的指令为173条,可见不同的PLC,其指令的丰富程度是不同的。
一般指令分为基本指令和功能指令,基本指令的使用较简单,可以完成继电器控制系统的功能,而功能指令较复杂,可以实现继电器控制系统无法实现的控制要求。
1.3.5可编程控制器的编程
将梯形图和助记符语言编制程序并将该程序送入PLC,称为PLC的编程。
编程方法可以使用专用编程器,或是使用计算机。
一般编程器只能使用助记符语言,而使用计算机编程,梯形图和助记符语言都可以使用。
编程器需要专门购买,虽然编程不是太方便,但是它小巧轻便,在控制现场使用方便。
若是有计算机,特别是有笔记本计算机时,就不需要购买编程器了。
使用计算机编程时需要PLC公司提供的编程软件。
这些软件不仅能编程和调试程序,而且能够监视PLC的运行。
1.4梯形图
1.4.1梯形图的由来
梯形图语言实际就是图形,它来源于继电器控制电路图,在继电器控制电路图中,有5种基本图形就可以组成很复杂的控制线路。
(1)常开按钮,该按钮的触点平常的工作状态是断开状态,当用手按动时,触点闭合,为连接状态,当手离开按钮时,触点断开,恢复断开状态。
(2)常闭按钮,该按钮的触点平常的工作状态是连接状态,当用手按动时,触点断开,为断开状态,当手离开按钮时,触点闭合,恢复连接状态。
按钮和按钮的常闭和常开触点见图1-9。
图1-9按钮和按钮的触点
图1-10继电器、继电器的触点和继电器中电磁铁的线圈
(3)常开触点(NO,NormalOpen),该触点平常的工作状态是断开状态,当继电器线圈通电时,触点闭合,为连接状态,当继电器线圈断电时,触点断开,恢复断开状态。
(4)常闭触点(NC,NormalClose),该触点平常的工作状态是连接状态,当继电器线圈通电时,触点断开,为断开状态,当继电器线圈断电时,触点闭合,恢复连接状态。
(5)继电器线圈,继电器线圈只有连接该线圈的所有触点都闭合时,线圈通电,由线圈和动铁(衔铁)组成的电磁铁吸引闭合,带动常开触点闭合,常闭触点断开。
继电器和它的触点见图1-10。
由以上基本图形,可以画出最简单的继电器控制电路,该电路又叫自保持电路,是机床电气控制中常见的电路,该电路见图1-11。
图1-11一个简单的继电器控制电路
该电路的初始条件是,控制电路电源加电,常开触点在断开状态,常闭触点在闭合状态。
当按钮1的常开触点闭合时,继电器1的线圈得电,继电器1的常开触点闭合,当按钮1的常开触点
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