PLC教案02章.docx
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PLC教案02章
Chap0PLC应用技术简介
Programmablecontroller(PC),为了区别于Personalcomputer,又称“Programmablelogiccontroller(PLC)
一、PLC地位、作用
PC是以Computer为核心的通用自动控制装置,功能强,可靠性高,可编程
简单,使用方便,被誉为“工业自动化的主要支柱之一”,成为电气技术人员、大专院校有关专业的紧迫任务。
1985年,IEE对PLC定义:
“PLC是一种数字运算操作电子系统,专为工业环境而应用而设计,它采用可编程序的存储器,用来在其内部存储器执行逻辑运算,顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令,并通过数字式、模拟式的I/O,控制各种类型的机械或生产过程,PLC及其相关设备,都应易于使工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则设计。
”
二、教材使用
可编程序控制器应用技术(第四版)重庆大学出版社主编:
廖常初
三、课程要求与安排
1、理论教学(50学时)
重点掌握三菱公司的FXON系列的应用,了解OMRON的PLC及西门子的PLC。
FXON系列的编程元件,梯形图,基本顺序指令,步进指令,编程器的使用,PC安装、扩展、使用和维护等。
2、实验教学(10学时)
指导书:
北京理工达盛股份有限公司提供的“PLC实验指导书”与“FXON-指令说明书”;
要求:
掌握利用FXON系列PLC原理学会使用FXON系列PLC和EL-Ⅱ型系统上作5个实验,并学会维护系统,掌握一般使用方法。
内容:
熟悉系统操作,配置(调试与或非逻辑);
编程练习(C/T)
交通灯控制
检瓶控制
电梯控制
四、考核方式
理论考试(闭卷):
占70%100
实验考核:
占10%100
作业;占10%100
考勤:
占10%100
五、学时安排
理论课:
50学时
实验课:
10学时
六、参考文献:
1.可编程序控制应用技术,廖常初,重庆大学出版社
2.可编程序控制原理极其应用,电子工业出版社
3.FXON系列指令说明
Chap1绪论
基本知识点:
1.PLC发展历史
2.PLC基本结构
3.PLC特点、分类
4.PLC应用领域
5.PLC与其他学科之间的联系
§1历史和发展
一、历史和发展
1、电磁继电器顺序设备已经满足不了日益需求工业系统的要求;
2、继电器本身易老化,控制柜结构庞大,布局困难,价格昂贵;
3、继电器控制系统维护、维修、调试和更新难
1969年,美国DEC公司研制第一台PLC,由分立元件与中小型规模IC电
路70年代初;为处理器,体积小,功能强,价廉,工作速度快,可靠性高,成本下降,借鉴于高级语言(梯形图方式)。
1991年4月:
在美国登记的PC厂家有88家,产品达377种,据美国市场
情报研究公司报称,1988年LC销售达7.5亿$;1989年8.46亿$;1990达29.7亿$;1996年达55亿$;世界PLC及软件市场报称:
1991年PC规模达35.9亿$;1993年达44亿$;1998年达74亿$;每年以百分之几至十几个点上上升,说明现代PLC应用越来越广泛。
二、PLC厂家及产品
1、外国举足轻重的公司(占世界市场80%100以上)
美国Rockwell自动化公司的下属公司A-B公司、通用电气GE-Fanuc公司;德国SICMENS公司;法国的施耐德(Schneider)、日本的三菱和欧姆龙(OMRON)公司,占有80%的市场。
还有,德国AGE公司的Modicon公司;法国的TE公司。
2、国内PLC厂家(50家以上)
天津中环自动化仪表公司:
DJK-1-84,172点,(仿Modicon);北京第二机床厂:
GK-40/扩展112点,(仿东芝);上海电力电子设备厂:
KKI系列128点(自行开发)
§2PLC基本结构
基本结构:
1.CPU
2.存储器
3.I/O模块
4.编程器
5.电源
一、CPU模块
CPU通常用MOTOROLA6800、MOTOROLA68000、MCS-51的8051/8031、AMD2901、AMD2903(双极型);CPU采用扫描方式,每次扫描完成5项动作。
二、存储器
1、系统ROM:
相当于单片机监控系统或PC的操作系统,完成设计者规定工作(厂家提供),固化杂ROM中用户不能直接存取。
包括监控子程序,基本指令功能的翻,系统诊断程序和通信管理程序。
2、用户存储器:
用来存放用户程序,以字为单位存放,1字=1步=16bit。
通常CMOSRANM,EPROM或EEPROM,其中CMOSRAM中预防电源掉电故障的锂电池保护措施,防止掉电丢失存储器的数据。
3、数据存储器(CMOSRAM)
存放PC的DATA,I/O状态映射寄存器区,T、C、M、S和D特殊功能寄存器的映象寄存器(变化的、随机性)
4、高速暂存存储器(SratchPadMemory)存放临时结果,统计资料、诊断标志位。
二、I/O模块(外设与CPU之间的桥梁)
1、I模块:
用来接收采集的输入信号
开关量输入信号:
按钮、选择开关、拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等开关量信号。
模拟量输入信号电位器、测温传感器、测速发电机、各种过程参数变送器提供的连续变化的信号。
2、O模块:
控制接触器、电磁阀、调节阀、调速装置等执行器,还有指示灯、数字显示装置和报警装置。
I/O模块既有传递信号,电平转换作用,又能实现噪声隔离和光电隔离。
例如:
CPU模块的工作电压为5V,PLC输入(出)的电压为DC24V,AC220V,I/O能实现电平的转换。
三、编程器
作用:
编辑用户程序,监视PC运行时梯形图元件各状态,具有编辑、调试,运行、监控功能,可以用于多个PLC,一般用于程序输入、调试和检修使用,同系列产品可以一机多用。
四、电源
PC一般用于220VAC,内部支直流电由各模块内元件提供,某些PC为I/O
提供24DC,驱动现场执行机构的电源一般由用户提供。
面板图(见封面)
作业:
§3PLC特点和和应用及相关技术
一、PLC特点
1、使用灵活、编程灵活、手段简单、程序可变,调试方便(可以模拟调试)
2、配备齐全,用户使用方便,通用性好,适应性强。
3、功能完善:
功能完善:
模拟量和数字量I/O、算术/逻辑运算、C/T、锁
存、移位、比较,二-十进制转换,跳转,强制I/O;扩展功能,通信联网、
数据传送、矩阵运算、PID控制、排序、查表、中断控制、特殊功能函数运
算、自诊断、报警和监控。
4、性能稳定可靠,抗干扰能力强,可靠性高。
抗干扰技术:
自诊断、纠错功能、PLC出厂抗干扰实验:
受幅值1000V,
上升时间=1ms,脉宽为1us的矩形脉冲干扰、滤波(RC,RlHEΠ形滤波电路)、
隔离(光电或电器隔离)、看门狗(Watchdog)、自动求和诊断。
故障:
PLC的可靠性很高,是众多自动化设备中可靠性最好的设备,大部
分来源于外部带观、传感器和执行机构等引起的。
5、系统设计、安装和调试工作量少,维护方便。
6、体积小,能耗低(几十VA),速度快(ms\us级)。
二、和PLC相关的工业控制技术
1、计算机控制装置
个人计算机:
办公用,抗干扰能力较差
单片机:
价廉,开发能力弱,抗干扰能力差;
工业控制机:
用于实时控制,快速,功能复杂领域,若用于开关量大材小用。
2、继电器控制系统(原理、功能、可靠性和维护、灵活性、响应速度、设计调试、定时和计数都无法和PLC进行比较)
3、集散控制系统(Distributedcontrolsystem)DCS
侧重于过程控制,有管理级、分散控制监控部分和通信部分,使用组态王软件和其他软件。
PLC侧重于开关量控制,但是现在的PLC产品也有模拟量控制和PID运算,DCS也加强了开关量的控制功能,事实上,PLC和DCS等技术已经相互融合,相互促进和发展了。
目前的PLC已经应用于:
开关量控制、运动控制、闭环过程控制、数据处理和通信。
应用于电力、机械、热动、化工、航空航天和医疗交通等公用事业当中。
突出在工业机械加工和生产的自动化流水线控制上,在现代工业控制领域有很大的发展潜力和空间。
补充:
PLC、DCS、FCS三大控制系统的基本特点
目前,在连续型流程生产自动控制(PA)或习惯称之谓工业过程控制中,有三大控制系统,即PLC、DCS和FCS。
它们各自的基本特点如下:
1PLC
(1)从开关量控制发展到顺序控制、运送处理,是从下往上的。
(2)连续PID控制等多功能,PID在中断站中。
(3)可用一台PC机为主站,多台同型PLC为从站。
(4)也可一台PLC为主站,多台同型PLC为从站,构成PLC网络。
这比用PC机作主站方便之处是:
有用户编程时,不必知道通信协议,只要按说明书格式写就行。
(5)PLC网格既可作为独立DCS/TDCS,也可作为DCS/TDCS的子系统。
(6)大系统同DCS/TDCS,如TDC3000、CENTUMCS、WDPFI、MOD300。
(7)PLC网络如Siemens公司的SINEC—L1、SINEC—H1、S4、S5、S6、S7等,GE公司的GENET、三菱公司的MELSEC—NET、MELSEC—NET/MINI。
(8)主要用于工业过程中的顺序控制,新型PLC也兼有闭环控制功能。
(9)制造商:
GOULD(美)、AB(美)、GE(美)、OMRON(日)、MITSUBISHI(日)、Siemens(德)等。
2DCS或TDCS
(1)分散控制系统DCS与集散控制系统TDCS是集4C(Communication,Computer,Control、CRT)技术于一身的监控技术。
(2)从上到下的树状拓扑大系统,其中通信(Communication)是关键。
(3)PID在中断站中,中断站联接计算机与现场仪器仪表与控制装置。
(4)是树状拓扑和并行连续的链路结构,也有大量电缆从中继站并行到现场仪器仪表。
(5)模拟信号,A/D—D/A、带微处理器的混合。
(6)一台仪表一对线接到I/O,由控制站挂到局域网LAN。
(7)DCS是控制(工程师站)、操作(操作员站)、现场仪表(现场测控站)的3级结构。
(8)缺点是成本高,各公司产品不能互换,不能互操作,大DCS系统是各家不同的。
(9)用于大规模的连续过程控制,如石化等。
(10)制造商:
Bailey(美)、Westinghous(美)、HITACH(日)、LEEDS&NORTHRMP(美)、SIEMENS(德)、Foxboro(美)、ABB (瑞士)、Hartmann&Braun(德)、Yokogawa(日)、Honewell(美国)、Taylor(美)等。
3FCS
(1)基本任务是:
本质(本征)安全、危险区域、易变过程、难于对付的非常环境。
(2)全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。
(3)用两根线联接分散的现场仪表、控制装置、PID与控制中心,取代每台仪器两根线。
(4)在总线上PID与仪器、仪表、控制装置都是平等的。
(5)多变量、多节点、串行、数字通信系统取代单变量、单点、并行、模拟系统。
(6)是互联的、双向的、开放的取代单向的、封闭的。
(7)用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。
(8)由现场电脑操纵,还可挂到上位机,接同一总线的上一级计算机。
(9)局域网,再可与internet相通。
(10)改变传统的信号标准、通信标准和系统标准入企业管理网。
(11)制造商:
美Honeywell、Smar、Fisher—Rosemount、AB/Rockwell、Elsag—Bailey、Foxboro、Yamatake、日Yokogawa、欧Siemens、GEC—Alsthom、Schneider、proces—Data、ABB等。
(12)3类FCS的典型
1)连续的工艺过程自动控制如石油化工,其中“本安防爆”技术是绝对重要的,典型产品是FF、WorldFIP、Profibus—PA;
2)分立的工艺动作自动控制如汽车制造机器人、汽车,典型产品是Profibus—DP、CANbus;
3)多点控制如楼宇自动化,典型产品是LONWork、Profibus—FMS。
从上述基本要点的描述中,我们是否注意到一点,用于过程控制的三大系统,没有一个是针对电站而开发的,或者说,在他们开发的初期,都并非以电站做系统的首选控制对象。
而在这些系统的使用说明中也绝不把电站做为首选适用范围,有的在适用范围中根本就不提电站。
现在奇怪的是,这三大控制系统,尤其是DCS、PLC,都在电站得到了广泛应用,而且效果也非常好。
三、PLC分类(按点数多少分类)
1、超小型:
I/O点数<64(300-1000步),家庭用,如F1-12MR
2、小型:
I/O点数65-128(2000步以下),如FXONX-
3、中型:
I/O点数129-512(2-8KB),如三菱AIS系列
4、大型:
I/O点数513-8192(8KB以上),如立石C100、C2000
5、超大型:
I/O点数>8192,目前达14336点,32bitCPU,如三菱A3A/A2A
控制形式:
1、单机控制2、集中控制
3、分散控制4、远程控制
5、就地控制6、网络控制
7、混合控制
四、应用领域
1、开关量逻辑控制;2、运动控制;3、闭环过程控制
4、数据处理;5、通信
三、发展趋势
1、发展迅速,更新换代快;2、向高性能、高速度、大容量发展
3、大力发展微型PLC及其功能;4、PLC与PC、DCS、CNC和FCS融合;
5、总线标准化,PLC编程语言标准化(IEC1131-3标准)产品标准化(IEC1131标准)6、应用与公用事业和民用产品上,傻瓜化和化
7、组态软件在PLC系统上的使用与推广
Chap2PLC硬件与工作原理
基本知识点:
1.PLC硬件*
2.工作原理*
3.常用PLC的工作特性
4.特殊功能模块的简介
§1可编程控制器的硬件结构
一、结构特点
1、整体式(单元、箱体式)小型
可配备专用特殊功能单元,如模拟量I/O、位置控制、数据输入输出等单元。
基本单元:
有CPU、I/O模块、电源
扩展单元:
I/O模块、电源
扩展模块;I或O模块
2、模块式(大中型,小型)
个模块插在模块插座上,模块插座焊接在框架中的总线连接板上,电源可能是单独的模块,也可能含在CPU模块上,用户根据需要选择所需的模块组成PLC。
3、叠装式
类似与模块式,没有基板,用扁平电缆连接,拼凑成长方形,输入输出点配置灵活。
二、开关量I/O模块
工作状态:
接通/断开
电压等级:
DC5V、12V、24V、48V、110V
AC110V、220V
高电平:
170-265V,低电平:
0-70V
频率:
47-63HZ(容易从50-60HZ变换)
面板显示明暗:
发光二极管指示状态
点数分布:
4、8、16、32、64、128
1、I/O模块的接线方式(三种)
外部接线:
接线端X、Y表示,电线为4、8、16、32、64……
2、I/O模块内部接线方式(三种)
I模块:
具有RC滤波电路,防触点抖动,外部干扰脉冲,滤波延十时间为10-20ms,上升沿和下降沿为20-50ms,输入输入电流为10mA。
PLC的I模块具有三种基本输入电路
(1)直流输入电路:
X0接通,发光D1面板显示,D2发光使T饱和,导通,一方面实现电平转换,另一方面实现电气隔离,其中D0与R起限幅作用,为传感器、接触器和光电开关提供24VDC。
(2)交流输入电路:
D1/D2接面板显示X0的状态,D3/D4发光T饱和导通。
O模块:
四种基本的输出方式)
(1).继电器输出电路:
D1发光指示Y0的状态,输出电流为0.3-2A,电源由外部提供,输出Ie与负载性质有关,驱动2A电阻,80VA/220VLED灯和100W灯。
电路的功能:
输出电流、隔离、功率放大作用,一路提供一对常开触点,利用RC与压敏电阻来吸收触点的电弧。
(2)晶体管输出电路(延时时间<1ms)
(3)场效应管输出电路(与b类似)
(4)双向可控硅输出电路:
RC吸收电路与压敏电阻来抑制可控硅的关断过电压和外部浪涌电压,
延迟时间由断-通<1ms,由通-断<10ms
三、模拟量I/O模块
有的大中型PLC设有温度检测模块,温度传感器与之直接相连,也省去了温度变送器。
输入信号可以为电流和电压,单/双极性,如电压0-5V、0-10V、1-5V、电流4-20mA等。
§2PLC工作原理
一、继电器(用于电气控制,用弱电控制强电)
由电磁阀、铁心、触点、复位弹簧构成
作用:
1、功率放大,TTL电平(3.4V左右)稍加放大,可驱动220V/2A的电阻性负载(用6V、几十mADC)
2、电气隔离:
可接在不同等级电压电路中,使控制电路与主电路之间实现电隔离。
3、逻辑运算
说明:
继电器与接触器原理相同,区别在于继电器一般用于小电流,接触器一般用于大电流。
二、PLC工作原理:
1、工作状态RUN/STOP
2、工作方式:
PLC采用扫描的工作方式,循环过程中,执行内部处理、通信与执行用户程序等工作,分为5个阶段。
a.内部处理阶段;PLC检查CPU模块硬件是否正常,将监控定时器复位,并完成别的内部工作。
b.通信服务阶段:
PLC与别的的智能设备通信,响应编程输入命令,更新编程器显示内容。
在STOP时循环执行以上两个阶段(通电状态下),在RUN状态增加以下三阶段。
c.输入处理阶段:
把外部ON/OFF读入输入寄存器(在程序执行时不变,直到下次扫描。
d.程序执行阶段:
从别的元件映射寄存器中读入、运算、写入元件映射寄存器与输出寄存器。
e.输出处理阶段:
CPU将输出寄存器中取数传送到输出锁存器中,经O模块隔离与功率放大后驱动外部负载。
举例说明扫描工作方式。
Y1
三、扫描周期
概念:
PLC在RUN时,执行一次操作所需要的时间,典型时间为1-100ms,
包括三个防方面,执行编程器外设时间为1-2ms,输入输出执行时间〈=1ms,程
序执行时间,每1K条基本逻辑指令为ms级。
四、输入输出滞后时间
又称系统响应时间,PLC外输入信号发生变化至有关外输入信号发生响应
时间间隔。
包括以下三个方面:
1、滤波时间(10ms左右)
2、输出模块滞后时间(1ms,10ms)
3、扫描工作滞后时间(取决于用户1程序)
从X400操作至Y430响应最多时延2T,交换第1、2条支路,可节省响应时间,即是一种优化设计。
§3PLC性能
1、掌握FX0N系列PLC性能*
2、了解F1系列、A系列性能
3、了解西门子公司PLC、OMRONPLC性能
§3-1FX0N系列PLC
一、型号命名和单元模块
FX0NPLC有基本单元,扩展单元与扩展模块组成
基本单元:
内设CPU,存储器,I/O模块;
扩展单元:
只有I/O模块
扩展模块:
增设PLC功能
基本/扩展单元型号由字母和数字组成:
1、基本单元:
FX0N-**M#—&:
FX0N:
系列名;
M:
基本单元;
**:
输入输出点数;
#:
输出方式(R:
继电器输出;S:
双向可控硅输出;T:
晶体管输出)
24(I14/O10);40(I24/O16);60(I36/O24)
&:
电源方式(无:
AC电源;D:
DC电源)
FX0N-24MR—D:
14/10/R/AC100-240V;继电器输出;DC24V(+20%/-15%);
FX0N-24M(R,T):
14/10/R/AC100-240V;继电器/晶体管输出;AC100-220V;
FX0N-40MR—D:
24/16/R/AC100-240V;继电器输出;DC24V(+20%/-15%);
FX0N-40M(R,T):
24/16/T/AC100-240V;继电器/晶体管输出;AC100-220V;
FX0N-60MR—D:
36/24/R/AC100-240V;继电器输出;DC24V(+20%/-15%);
FX0N-60M(R,T):
36/24/T/AC100-240V;继电器/晶体管输出;AC100-220V;
2、扩展单元:
FX0N-40ER:
40(I24/O16)
E:
扩展单元;R:
继电器输出
FX0N-40ER:
24/16/R/AC100-240V;继电器输出;需要100-220V电源
3、扩展模块:
FX0N-8E$$:
8(输入或输出点数);不需要电源
E:
扩展模块;
$$:
输入输出方式:
(X:
输入专用扩展模块;YR:
继电器输出专用模
块YT:
晶体管输出专用模块)
FX0N-8EX:
8/0,输入专用扩展模块
FX0N-8EYR:
0/8/R,继电器输出专用扩展模块,继电器输出,不需要电源,
FXON-8EYT:
0/8/T,晶体管输出专用扩展模块,晶体管输出,不需要电源
4、特殊功能模块
FX0N-16NT:
INPUT8点/OUT8点,不需要电源
FX0N-3A:
模拟量2路输入1路输出
5、扩展单元用延长电缆:
FX0N—65EC,650mm,一个系统中只能用1根
FXON系列是实验室设备(FX0N-24MR),24个I/O点数,继电器输出方式。
可连接扩展单元/模块扩能够展到128点,每台基本单元最多可连接2台扩展单元,每台基本单元或扩展单元最多可连2只扩展模块(包括特殊功能模块),用户存储器的容量为2000步,可用于EEPROM/EPROM存储器盒,编程器:
FX-10P、FX-20P。
建议:
由于继电器输出寿命问题,在处理高速输出时,采用晶体管输出。
二、基本单元外观
1、电源端子(L/N)
2、输入输出端子和指示灯,COM端,
3、扩展用插座,辅助电源
4、RUN/STOP开关
5、程控器状态指示灯:
POWER电源状态;RUN运行状态;
ERROR:
灯亮CPU出错/灯闪烁程序出错
三、技术规格
1、电源电压:
100—240V(+10%—-15%),保险丝电流3A;功耗50VA(24/40点)/60VA
2、最大浪涌电流30A5ms/AC100V,50A5ms/AC200V;最大允许瞬间断电时间小于10ms,运行不会终止;绝缘电阻>=5M欧姆,强度为交流1500V1分钟;接地电阻〈=100欧姆
3、工作环境温度0——55度,湿度35度时,85%RH抗振动10-55HZ,0.5mm
3个方向各2小时,抗冲击,标准10G,3个方向各3次,不可以有腐蚀性气
体,尽量少灰尘。
4、输入性能:
X0-X7:
ON—大于4.5mA,OFF-小于1.5mA;
X10-X:
ON—大于3.5mA,OFF-小于1.5mA;
继电器输出性能指标:
额定电流2A/1点,负载电压交流230V,直流〈30V,最大感性负载80VA/灯100W,响应时间约
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- PLC 教案 02