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PLC 教案.docx
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PLC教案
绪论
随着PLC技术的发展及其应用的推进,PLC已成为当今系统自动化、信息化、远程化及智能化的重要支柱。
学习PLC不仅是现职自动化系统集成、使用与维修人员的迫切要求,也是即将走上工作岗位相关专业学生的必要准备。
一、PLC的产生与发展
PLC是可编程控制器的英文缩写,于上世纪70年代诞生于美国。
1987年2月,国际电工委员会(IEC)通过了对它的定义:
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。
它采用可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入、输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。
”
PLC这个电子系统,也是靠存贮程序、执行指令,进行信息处理,实现输入到输出的变换。
但它的目的是用以控制各种类型机械或生产过程。
所以,从实质上讲,它是一台工业环境应用的、满足实时控制要求的专用计算机。
与普通计算机不同的主要是:
它没有键盘,代之为一个个输入电路,并用其获取控制命令或现场信号。
同时,此输入电路具有滤波能力,与内部电路是电隔离的,但可通过光耦合建立信号联系;
它没有显示器,代之为一个个输出电路,并用其产生控制输出。
由于此电路具有驱动能力,故可以驱动一般的工业控制元器件,如电磁阀、接触器等。
同时,此电路与内部电路也是电隔离的,用光或磁耦合建立信息联系;
它没有硬盘,只有内存。
但可配备存贮卡,以为程序与数据建立备份;
它配置有外设或通讯接口,可用以编程或下载程序、监控及联网通讯;
它的结构为模块化,体积小,安装方便,比较坚固,具有很强的抗干扰、抗冲击、抗震动特性。
总之,PLC只是一台没有键盘、没有显示器、没有硬盘,但有很多输入、输出电路、配有接口,可在工业现场实时使用的、模块化、小型化的特殊计算机。
要指出的是,随着技术进步,PLC的性能在不断提高,应用在不断扩展,类型在不断增多。
所以,它的概念也在不断更新。
无疑的是,它已发展成为当今系统自动化、信息化、远程化及智能化的重要支柱。
二、PLC的功能及特点
特点:
1.可靠性高、抗干扰能力强
2.适应性强,应用灵活PLC是系列化的产品,其品种齐全,可以满足各种大小规模、功能繁简的控制系统。
3.编程方便、易于使用采用梯形图语言,延续使用继电器控制系统的许多符号和规定,其形象直观、易学易懂。
4.具有各种接口、与外部设备连接方便,适应范围广具有各种数字、模拟量的I/O接口,能将生产现场的多种规格的直流、交流信号直接接入可编程控制器。
5.功能完善具有模拟和数字量输入/输出模块、逻辑运算和定时、计数、数据处理、通信、人机对话、自检、记录和显示等功能。
功能:
信号采集功能:
可采集开关信号、模拟信号及脉冲信号。
输出控制功能:
可控制输出开关信号、模拟信号及脉冲(脉冲链或脉宽可调制的脉冲)信号。
逻辑处理功能:
可进行种种位、字节、字、双字逻辑运算。
数据运算功能:
可进行种种字、双字整数运算,有的还可进行浮点运算。
定时功能:
可进行延时或定时控制,时间可精确到毫秒。
有的还有内置实时时钟。
计数功能:
可进行计数,高速计数频率可高达几百kHz。
中断处理功能:
可实现种种内外中断,以提高对输入的响应速度与精度。
程序与数据存贮功能:
可存贮系统设定、程序及数据,并可保证这些数据在掉电时不丢失。
此外,还有联网通讯、自检测、自诊断等功能。
丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能;同时,也为工业系统的自动化、远程化、信息化及智能化创造了条件。
三、PLC的应用领域
PLC广泛应用于机械制造、石化、冶炼、电力、轻纺、汽车、交通及各种机电产品的生产 中。
典型的应用有:
顺序控制、过程控制、数据处理、联网、显示打印。
第一章PLC概述
第一节PLC的基本组成
主要由中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入/输出单元(I/O)、电源和编程器等组成。
1.中央处理单元(CPU)中央处理单元是PLC的核心,主要采用的CPU芯片:
通用微处理器(如Inter公司的8080、8086、80386到Pentium系列芯片等);单片机(如Inter公司的8051、8096系列等)以及双极位片式微处理器(如AM2900、AM2901、AM2903等)三种类型,也有采用厂家自行设计的专用CPU芯片。
一般小型PLC的CPU多采用单片机或专用CPU,大型PLC多采用位片式结构 。
PLC的档次越高,CPU的位数也越多,系统处理的信息量越大,运算的速度也越快,指令功能越强。
2.存储器系统程序存储器和用户程序存储器。
系统存储器用于存放PLC内部系统的管理程序。
用户存储器用于存放用户编制的控制程序。
用户程序存储器的容量一般以字为单位,小型PLC的用户程序存贮器的容量一般是固定的,大中型PLC的用户存储器的容量可以由用户选择。
3.输入/输出单元(I/O接口电路I/O单元是PLC与工业控制现场各类信号连接的接口部件,在模块式PLC中采用的是模块式I/O部件。
输入单元还具有信号的电隔离、滤波等作用。
PLC用I/O单元将各种开关、按钮以及传感器等直接接到PLC输入端,也可以将各种执行机构(电磁阀、继电器、接触器、调节阀、调速器等)直接接到PLC的输出端,它们可以是用直流、交流或高电压、低电压开关量信号驱动的机构,也可以是用模拟量驱动的机构。
4.电源单元供电电源一般为市电,也有24伏供电的。
PLC对电源的稳定度要求不高,一般允许电源电压额定值为(+10~-15)%的范围内波动。
CPU单元和I/O单元由PLC内部的稳压电源供电。
小型的PLC电源和CPU单元是一体的,中大型的PLC都有专门的电源单元。
有些PLC的电源部分还有24VDC输出,用于对外部传感器供电,但电流是毫安级。
编程器 fc1 编程器用于将用户编制的控制程序送入PLC的存储器,是PLC最重要的外部设备。
编程器不仅用于编程,还可以利用它进行程序的修改和检查、对PLC工作状态的监控。
小型机一般使用简易的手持编程器。
大中型PLC采用带有显示屏的编程器及在通用计算机上采用专用软件编程。
第二节PLC的编程语言
一、在线(联机)方式
PLC的在线(联机)编程方式,是将编程器与可编程控制器的专用插座直接相连,或通过一个专用的接口相连,可以将用户程序直接写入到PLC的用户存储器中。
也可以将程序先存在编程器的存储器中,然后再转入到PLC的用户存储器。
这种的编程方式有利于程序的调试和修改,并可以监视PLC的内部器件(如定时器、计数器、触点等)的工作状态。
例如对PLC的内部器件实施强迫接通/断开、置位/复位命令,以及监控器件的功能是否正常。
二、离线(脱机)编程方式
PLC的离线编程方式,是先将程序存放于编程器的存储器中,在程序写入后与PLC连接,再将程序送到PLC的用户程序存储器中。
离线编程不影响PLC的工作。
1.梯形图语言梯形图语言形象直观、逻辑关系明显,实用。
是目前使用最多一种编程语言。
梯形图中的继电器、定时器、计数器等都不是物理器件,是PLC存储器中的一位,称为软件继电器。
当存储器中的某位为1时,表示相应的继电器线圈得电或者是相应的常开触点闭合、常闭触点断开。
PLC的梯形图是形象化的编程语言,梯形图左右两端的母线是不接任何电源的。
所以梯形图中是没有任何物理电流流过的。
但分析读图时,常常假设有一个电流流过。
输入信号为ON时,线圈得电,该线圈所带的常开触点闭合、常闭触点断开。
这个电流是一概念电流,或称假想电流。
分析时可认为左母线是电源的正极,右母线是负极,概念电流只能从左向右流动,梯形图逻辑执行的顺序是从左到右,上到下。
概念电流是执行程序时满足输出执行条件的形象理解。
梯形图有多个梯级组成,每个梯级有一个或多个支路,并由一个输出元件构成,最右边的元件必须是输出元件。
一个梯形图梯级的多少,取决于控制系统的复杂程度,但一个完整的梯形图至少应有一个梯级。
2.指令语句表编程语言这种编程语言是和计算机汇编语言类似的助记符语言形式,采用一系列的指令语句组成的语句表将控制流程描述出来,并通过编程器送到PLC中去。
每一条语句由操作码、操作数两部分组成。
3.顺序功能图编程顺序功能图是一种编程方法。
是一种图形说明语言,它用于表示顺序控制的功能。
目前国际电工协会(IEC)正在实施发展这种新式
的编程标准。
用功能图对顺序控制系统编程非常方便,同时也很直观,在功能图中用户可以根据顺序控制步骤执行条件的变化,分析程序的执行过程,可以清楚地看到,在程序执行过程中的每一步的状态,便于程序的设计及调试。
4.逻辑图编程语言这是一种类似于数字逻辑门电路的编程语言。
采用雷同与门、或门的方框表示逻辑运算关系。
图的左侧表示逻辑运算的输入信号,右侧为输出变量,信号从左端向右端流动。
现在不同的PLC生产厂家对这种编程语言所用的符号和名称也是不一样的。
西门子公司称其为控制系统流程图编程语言。
第三节PLC的工作方式
它的工作有两个要点:
入出信息变换、可靠物理实现。
入出信息变换主要由运行存储于PLC内存中的程序实现。
这程序既有系统的(这程序又称监控程序,或操作系统),又有用户的。
系统程序为用户程序提供编辑与运行平台,同时,还进行必要的公共处理,如自检,I/O刷新,与外设、上位计算机或其它PLC通讯等处理。
用户程序由用户按照控制的要求进行设计。
什么样的控制,就有什么样的用户程序。
可靠物理实现主要通过输入(I,INPUT)及输出(O,OUTPUT)电路。
每一输入点或输出点就有一个I或O电路。
而且,总是把若干个这样电路集成在一个模块(或箱体)中,然后再由若干个模块(或箱体)集成为PLC完整的I/O系统(电路)。
尽管这些模块相当多,占了PLC体积的大部分,但由于它们都是由高度集成化的,所以,PLC的体积还是不太大的。
输入电路时刻监视着输入点的(通、ON或断、OFF)状态,并将此状态暂存于它的输入暂存器(还可能有别的称谓)中。
每一输入点都有一个与其对应的输入暂存器。
输出电路有输出锁存器(还可能有别的称谓)。
它也有两个状态,高、低电位状态,并可锁存。
同时,它还有相应的物理电路,可把这个高、低电位的状态传送给输出点。
每一输出点都有一个与其对应的输出锁存器。
这里的输入暂存器及输出锁存器实际是PLC的I/O电路的寄存器。
它们与PLC内存交换信息通过PLCI/O总线及运行PLC的系统程序实现。
把输入暂存器的信息读到PLC的内存中,称输入刷新。
PLC内存有专门开辟的存放输入信息的映射区。
这个区的每一对应位(bit)称为输入继电器,或称软触点,或称为过程映射输入寄存器(theprocess-imageinputregister)。
这些位(bit)
置成1,表示触点通,置成0为触点断。
由于它的状态是由输入刷新得到的,所以,它反映的就是输入点的状态。
输出锁存器与PLC内存中的输出映射区也是对应的。
一个输出锁存器也有一个内存位(bit)与其对应,这个位称为输出继电器,或称输出线圈,或称为过程映射输出寄存器(theprocess-imageoutputregister)。
通过PLCI/O总线及运行系统程序,输出继电器的状态将映射给输出锁存器。
这个映射的完成也称输出刷新。
PLC除了有可接收开关信号的输入电路,有时,还有接收模拟信号的输入电路(称模拟量输入单元或模块)。
只是后者先要进行模、数转换,然后,再把转
换后的数据存入PLC相应的内存单元中。
如要产生模拟量输出,则要配有模拟量输出电路(称模拟量输出模块或单元)。
靠它对PLC相应的内存单元的内容进行数、模转换,并产生输出。
这样,用户所要编的程序只是,PLC输入有关的内存区到输出有关的内存区的变换。
这是一个数据及逻辑处理问题。
由于PLC有强大的指令系统,编写出满足这个要求的程序是完全可能的。
图1-1PLC实现控制示意图
图1-1对以上叙述作了说明。
其中框图代表信息存储的地点,箭头代表信息的流向及实现信息流动的手段。
这个图,既反映了PLC实现控制的两个基本要点,同时也反映了信息在PLC中的空间关系。
简单地说,PLC工作过程是:
输入刷新---运行用户程序---输出刷新,再输入刷新---再运行用户程序---再输出刷新……永不停止地循环反复地进行着。
图2所示的流程图反映的就是上述过程。
它也反映了信息间的时间关系。
a-简化工作流程图b–实际工作流程图
图1-2PLC工作流程图
有了上述过程,用PLC实现控制显然是可能的。
因为:
有了输入刷新,可把输入电路监视得到的输入信息存入PLC的输入映射区;经运行用户程序,输
出映射区将得到变换后的信息;再经输出刷新,输出锁存器将反映输出映射区的状态,并通过输出电路产生相应的输出。
又由于这个过程是永不停止地循环反复地进行着,所以,输出总是反映输入的变化。
只是响应的时间上,略有滞后。
但由于PLC的工作速度很快,所以,这个“略有滞后”的时间是很短的,一般也就是几豪秒、几十豪秒,最多也不会超过100到200毫秒。
图1-2a所示的是简化的过程,实际的PLC工作过程还要复杂些。
除了I/O刷新及运行用户程序,还要做些其它的公共处理工作。
公共处理工作有:
循环时间监视、外设服务及通讯处理等。
监视循环时间的目的是避免用户程序“死循环”,保证PLC能正常工作。
为避免用户程序“死循环”的办法是用“看门狗”(Watchingdog),即设一个定时器,监测用户程序的运行时间。
只要循环超时,即报警,或作相应处理。
外设服务是让PLC可接受编程器对它的操作,或向编程器输出数据。
通讯处理是实现与计算机,或与其它PLC,或与智能操作器、传感器进行信息交换的。
这也是增强PLC控制能力的需要。
也就是说,实际的PLC工作过程总是:
公共处理——I/O刷新——运行用户程序——再公共处理——…反复不停地重复着。
图1-2b所示的是实际的过程。
此外,PLC上电后,也要进行系统自检及内存的初始化工作,为PLC的正常运行做好准备。
用这种不断地重复运行程序以实现控制,称扫描方式工作。
是PLC基本的工作方式。
此外,为了应对紧急任务,PLC还有中断工作方式。
在中断方式下,需处理
的任务先申请中断,被响应后停止正运行的程序,转而去处理中断工作(运行有关中断的服务程序)。
待处理完中断,又返回运行原来程序。
PLC的中断方式的任务,或称事件,是分等级的。
同时出现两个或多个中断事件,则优先级高的先处理,继而处理低的。
直到全部处理完中断任务,再转为执行扫描程序。
PLC对大量控制都用扫描方式工作,而对个别急需的处理,则用中断方式。
这样,既可做到所有的控制都能照顾到,而个别应急的任务也能及时进行处理。
当然,PLC的实际工作过程比这里讲的还要复杂一些,分析其基本原理,也还有一些理论问题。
但如果能弄清上面介绍的思路,也可知到PLC是怎么工作的了。
第四节PLC的性能指标
可编程控制器的主要性能指标:
(1)输入/输出点数对于开关量采用最大的I/O点数表示。
模拟量则用最大的I/O通道数表示。
(2)PLC内部继电器的种类和点数包括辅助继电器、特殊的辅助继电器、定时器、计数器、移位寄存器等。
(3)用户程序存储量用户程序存储器用于存储用户程序。
通常用K字(KW)、K字节(KB)、K位来表示。
(4)扫描时间•扫描时间是指PLC执行一次解读用户控制程序所需的时间。
可用一个粗略指标表示,即用每执行1000条指令所需时间来估算,通常为10mS左右。
可编程控制器的主要性能指标)(可编程控制器的主要性能指标)小型机可能大于20mS。
也有用mS/K为单位表示。
例如20mS/K字表示扫描1K字的用户程序需要的时间为20mS。
(5)编程语言及指令功能梯形图语言、助记符语言、流程图语言及高级语言等。
不同厂家的PLC具有不同的编程语言。
同一厂家的不同型号的PLC其指令扩展的深度是不同的。
(6)工作环境工作温度:
0~55℃,最高为60℃;相对湿度为(5~95)%:
fc1不能混有可燃性、易爆性和腐蚀性气体。
(7)可扩展性有模拟量处理、高速处理、温度控制、通信等模块。
第五节国内外PLC产品概况
一、产品概况
美国艾伦—布拉德里(Alien-Bradley)公司,简称为AB公司,它的产品有适应单机和小型控制系统的SLC100型PLC,以及适应大型控制系统的PLC-3型。
美国通用电气(GENERALELECTRIC)公司,简称为GE公司。
是世界上生产PLC最早的厂商之一。
主要的产品是GE系列PLC。
美国德州仪器公司(TEXASINTRUMENTS)简称为TI公司,主要的产品有TI系列。
德国生产PLC的主要厂商有:
西门子(SIEMENS)公司,它生产S系列的PLC。
1996年推出S7-400系列新产品、自带人机界面的C7系列PLC、与AT计算机兼容的M7系列PLC等多种新产品。
日本的立石(OMRON,欧姆龙)公司,主要生产SYSMACC系列大、中、小型PLC。
三菱(MITSUBISHI)公司生产FX系列PLC,近年来推出了FX系列,如FX2、FX1、FX2c、FX0、FX0N、FX0S、FX2N、FX2NC等。
FX2N型PLC是三菱公司的近期产品。
日本的东芝公司(EX系列PLC)、富士电机公司(NB、NJ、NS系列PLC)、松下公司(EP系列PC)等。
二、可编程控制器的发展方向
1.向体积更小、速度更快的方向发展
微电子技术及电子电路装配工艺的不断改进,都会使PLC的体积更加小,以便于嵌入到任何小型的机器和设备之中。
2.向大型化、高可靠性及多功能方面发展
大型PLC向着容量大、智能高、通信功能强的方向发展。
对于大规模、复杂系统进行综合自动控制的PLC,大多已采用多CPU的结构,有闭环控制的PID模块、模拟量的模糊控制,自适应、参数自整定功能。
3.与其他工业控制产品的结合
在大型自动控制系统中计算机和PLC在应用功能方面互相融合、互补、渗透,使控制系统的性价比不断提高。
目前工业控制系统的趋势是采用开放式的应用平台,即网络、操作系统、监视及显示均采用国际标准或工业标准,如操作系统采用UNIX、MS-DOS、Windows、OS2等,这样可实现不同厂家的PLC产品可以在一个网络中运行。
1988年美A-B公司与DEC公司联合开发的金字塔集成器,使PLC和工业控制计算机有机的结合在一起,研制出一种新型的IPLC型可编程控制器(集成PLC),能运行DOS或Windows操作系统的可编程控制器,是一个能用梯形图语言以实时方式控制的I/O计算机。
近年来推出以计算机和PLC结合应用的方式有:
在PLC的CPU模块旁边加插WindowsCPU或在计算机总线上插入PLC的CPU模块。
采用这种方式后将生产和管理更加便利,将数据处理、通信、控制程序统一,也保留了PLC的简单、易用和高可 fc1性的特点,同时又具有计算机强大的数据处理能力,使现场的生产数据、生产计划调度、管理可以直接上机操作获取。
第二章CPM2A/CPM1A系列
第一节CPM2APLC基本组成
从结构看,PLC是由一些箱体或模块组成。
而这些箱体或模块则是由功能不同的单元做不同的组合构成的。
如箱体式PLC,其主箱体(也有程CPU箱体),则由CPU单元、内存单元、外设接口(有的还有通讯接口)、I/O单元、电源、箱体间接口及其它附件等构成;其扩展箱体则由I/O单元、箱体间接口、电源及其它附件等构成。
再如模块式PLC,其CPU模块,则由CPU单元、内存单元、接口单元、有时还有I/O单元及接线器等构成。
其输入模块,则是由多个输入电路、接线器及相应接口构成。
等等。
从功能看,它是由CPU单元、内存单元、I/O单元(有的称信号单元)、特殊单元(有的称功能单元)、外设与通讯接口及电源等组成。
图2-1示的为功能组成原理图。
图2-1PLC组成原理图
从图知,这些单元工作全由电源供电。
之间的联系全是通过总线。
用地址总线建立地址联系,再用数据总线传送数据。
而这两个总线则都受CPU管理的控制总线控制。
如PLC进行I/O刷新,则CPU控制器管理的的控制总线,使I/O单元与内存的I/O区建立地址联系,并在所联系的地址间有步骤地进行数据交换。
再如执行用户程序,则CPU控制器管理的控制总线,使CPU的指令寄存器与内存的用户程序存贮区建立地址联系,然后把将要执行的指令、传送给这个寄存器。
进而,经指令译码,执行,再把结果送到内存的相应内部器件区中。
此外,PLC还提供外设、通讯接口,可用以连接PLC编程器、计算机、其它PLC或智能装置。
CPU单元:
CPU主要含有,运算器、控制器、寄存器。
不管什么样的CPU,其实质都是同步时序电路,是分周期同步工作的。
为了支持它工作,当然要向其提供振荡信号;同时,还要向其提供工作电源。
CPU的控制器控制CPU工作及控制总线。
如指令的读取、解释及执行就是靠它控制。
但它的工作节奏由振荡信号控制。
CPU的运算器用以进行数字或逻辑运算,在控制器指挥下工作。
CPU的寄存器存贮参与运算的数据,并存储运算的中间结果。
它也是在控制器指挥下工作。
CPU虽划分有以上几个部分,但在物理上却是集成在一个芯片上。
按原来意义的晶体管计,一个CPU芯片集成了几万、几十万,甚至几百万个晶体管。
有的芯片还集成了ROM、串口、并口等。
PLC的CPU芯片实际就是微处理器(MicroProcessUnit),或干脆就是单片机或嵌入式计算机。
只是它为专用于PLC,并多为厂家自行开发。
这既可达到最佳的性能匹配,又可实现商业保密。
也有的PLC用的芯片就是通用的单片机,只是内部装有自编的监控程序,并靠这个监控程序,使其实现PLC的功能。
由于这些电路是高度集成的,对CPU内部的详细分析已无必要。
特别对使用者而言,完全可把它看成为“黑箱”,只要弄清它的功能与性能,能正确地使用也就够了。
内存单元:
PLC的内存每个存贮单元的长度也是固定的。
西门子PLC以字节计。
OMRON、三菱以字(或步)计。
其种类是较多的,具体有:
(1)依用途分,PLC内存有:
用于存储系统程序(操作系统)的内存;
用于存储工作数据的内存;
用于存储系统设定的内存;
用于存储用户程序的内存;
用于种种备份的内存。
尽管这么划分,但除了备份外,其地址是统一的。
而对于用户,只有系统工作单元——PLC的内部器件、系统设定区及用户程序区。
(2)依介质分,PLC的内存有:
只读存储器,ROM或EPROM,用于存储系统程序(操作系统)。
早期的PLC,用户程序定型后,也可存于这种类型的存储器中。
这种内存不掉程序,免维护。
电可擦除存储器,EEPROM,程序写入后,掉电也不丢失,并且可多次改写。
少的几百次,多的几乎不受限制。
近来这种内存用得很多,且多用于存储用户程序。
闪烁(Flash)式内存,可多次改写,掉电后也不丢程序。
CPM1A机用的即为这种内存,其容量可达2K字。
随机存储内存,RAM,访问速度快,可任意改写,但要有电池支持。
多用它存储数据及用户程序。
(3)依内存的分布分,有:
主内存:
是内存的主体,而且也是CPU直接访问的对象。
早期的PLC多
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