电气控制与PLC 第3章课件.ppt
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1、第第3章章 可编程序控制器可编程序控制器3.1可编程序控制器概述可编程序控制器概述3.2 PLC的硬件组成的硬件组成3.3 PLC的工作过程及性能指标的工作过程及性能指标3.4PLC的编程语言的编程语言本章小结本章小结习题与思考题习题与思考题 3.1可编程序控制器概述 编程序控制器(Programmable Controller)是一种专门应用于工业控制领域的计算机,是在继电-接触器控制技术的基础上,综合自动控制技术、计算机技术和通信技术形成的一种新型自动控制设备。由于PLC具有使用简单、灵活和可靠等优点,已经成为工业自动化领域中应用最广泛的控制装置之一。PLC的名称缩写为PC,但为了与个人计
2、算机(Personal Computer)的名称缩写PC相区别,通常把可编程序控制器简称为PLC,PLC是可编程控制器原来的名称可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller)的缩写。 3.1.1 PLC的产生 PLC的产生是工业生产发展的迫切需要和计算机技术的快速进步共同作用的结果。传统的电气控制装置是继电-接触器控制系统。继电-接触器控制系统采用的是固定接线方式,控制系统的功能决定于接线方式。生产过程有了变动,控制系统的功能需要相应改变,这就必须重新设计接线和重新安装调试。随着市场竞争越来越激烈,市场对产品的需求呈现出多品种、小批量、高质量和更新换代加快的特
3、点。与此相适应,生产工艺和生产设备的功能要随之不断改进,控制系统接线也要不断改造。控制系统的改造费时费力,继电-接触器控制系统不能满足生产过程不断变动的要求。生产上急需一种灵活性好,功能易于改变的新型控制装置。 20世纪60年代,随着电子技术在自动控制领域中的应用,出现了采用分立元件和中小规模集成电路构成的逻辑式顺序控制器,由于使用不够灵活而没能推广应用。随着计算机技术的发展,工业控制系统也采用过小型计算机,但由于其编程技术复杂,价格昂贵,输入、输出电路不匹配,也没能得到推广和应用。 1968年,美国通用汽车公司(GM)为了适应汽车型号不断更新和生产工艺不断改进的需求,提出新一代控制器应具备简
4、单、灵活和可靠等一些主要特性。1969年,美国数字设备公司(DEC公司)据此研制出了世界上第一台可编程序控制器PDP-14,并在GM公司的汽车生产线上试用成功,PLC从此诞生。当时PLC控制功能比较简单,主要用于顺序控制 制完成逻辑运算和计时、计数运算功能,因此,被称为可编程序逻辑控制器。在70年代,出现了微处理器,微处理器被应用于PLC,使PLC发生了巨大的变化。除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外,还增加了算术运算、数据处理和传送等功能。 美国电气制造商协会(NEMA)将其命名为Programmable Controller。国际电工委员会IEC(International El
5、ectrical Committee)对PLC的定义为:“PLC是一种专门为在工业环境下应用设计的数字运算操作的电子系统。它采用一类可编程的存储器,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。PLC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设计。” 总之,PLC是专门为工业环境应用而设计和制造的计算机,具有使用简单、灵活和可靠等优点,是将计算机技术、自动控制技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。 3.1.2 PLC的特点的特点 PLC是在继承了继电-接触器控制
6、优点的基础上发展起来的新型工业控制计算机,它既具有计算机灵活性好、功能强大和可靠性高等优点,也具有继电-接触器控制简单易学、使用方便和适合工业环境应用的特点。 1灵活性好,编程简单 PLC的控制逻辑以程序的形式存储在内存中,称“软接线”。通过改变程序就可改变“软接线”,实现不同的控制功能。“软接线”代替继电器之间的实际接线极大地提高了控制系统的灵活性。 PLC最常用的编程语言是梯形图。梯形图与一般工程技术人员熟悉的继电-接触器控制电路图非常相似,它形象直观,不需要专业的计算机知识就可掌握。电气控制领域的技术人员很容易学会使用它编程。PLC继承了顺序控制法的思想,容易处理工业领域中大量的顺序控制
7、过程,非常适合工业应用。 2可靠性高,适应工业环境 这是PLC能成为工业控制装置的基本条件。工业现场的环境都比较恶劣,如有高温、噪声、粉尘和电磁干扰。传统的继电-接触器控制系统中使用了大量的中间继电器和时间继电器。由于触点接触不良,容易出现故障,系统的可靠性不高。PLC是专 门为工业控制设计制造的计算机,它具有可靠性高,适应性强的特点。在I/O接口电路中采用了光耦合器进行光电隔离,防止PLC外部的强电对内部的干扰和危害。在I/O接口电路中还采用了RC滤波器,防止输入触点的抖动和外部脉冲引起的干扰。各个模块均采用屏蔽措施,防止辐射干扰。在PLC控制系统中,用软件代替了大量的继电器,减少了因触点接
8、触不良造成的故障。系统具有自诊断功能,如果系统出现异常情况,CPU会立刻采取有效措施进行处理,防止故障扩大。 3安装简单,使用方便 PLC用“软继电器”代替继电器,“软继电器”实际是存储器中的存储位,而存储器中的存储位数量巨大且廉价,这可使控制系统的硬件数量大大减少,控制柜的体积变小,器件的安装工作量减小。用程序代替继电器硬接线,使得控制柜中的接线也大为减少。PLC具有可靠的输入输出接口,现场安装接线非常简单,只要将现场设备的输入或输出与PLC相应的输出或输入相连接即可。PLC采用模块化设计,可根据使用需要扩展各种功能模块,维修时也只需更换损坏了的模块。 4功能日益强大 随着信息技术的飞速发展
9、,PLC的性能越来越好,功能越来越强。PLC具有逻辑运算、定时、计数、模拟量处理、算术运算、PID控制等功能。PLC接口模块丰富,例如模拟量输入输出模块、高速计数器模块、运动控制模块、通信模块和显示模块。PLC具有过程监视、通信和联网等功能。 3.1.3 PLC的主要用途的主要用途 PLC是工业控制领域应用最受欢迎的控制装置之一。现在广泛地应用于机械、冶金、化工、电力、食品和交通等行业。它的主要用途有如下几个方面: 1开关量逻辑控制 PLC是在继承继电-接触器控制技术基础上发展起来的,它的最基本的功能是逻辑运算、定时和计数等功能。PLC可以非常方便地实现逻辑控制和顺序控制。许多原来采用继电-接
10、触器控制的地方,都可采用PLC来进行控制。例如钻床、组合机床、订书机、注塑机和包装线等。 2模拟量控制 在化工、冶金、电力等领域,有许多如温度、压力和流量等连续变化的参数需要进行控制。现在许多PLC具有模拟量输入输出接口、PID算法和模糊算法可供模拟量控制使用。PLC还具有温度测量模块,可以直接与各种热电阻和热电偶传感器相连。 3运动控制 用PLC可以对步进电动机、伺服电动机进行控制,实现对运动物体的位置、速度和加速度的控制。如可以采用步进电动机作驱动装置,既可采用开环控制,也可以采用闭环控制。运动控制和顺序控制相结合被广泛应用于机床和装配机械中。 4联网通信 现在的PLC都具有通信接口。PL
11、C可实现与上位机或其它PLC或各种智能设备通信,组成“集中管理,分散控制”的分布式控制网络。 3.1.4 PLC的发展趋势的发展趋势 随着微电子技术和计算机技术的飞速发展,PLC采用了性能更强的CPU,各种先进技术,使得PLC性能也在快速发展。现代PLC的发展趋势主要如下: 1向微型化发展 PLC向微型化发展是电子技术飞速发展的结果,也是其应用领域不断扩大的需要。由于PLC使用简单可靠,其应用领域已扩大到工业控制以外的许多地方,如住宅、医院、商业和娱乐场所等。而许多场所的控制任务并不复杂,微型化是PLC发展的一个重要方向。很多知名的PLC制造商相继推出了小型、微型PLC。 2向集成化、网络化发
12、展 工业生产对自动化程度的要求不断提高,控制对象由单个设备变为一条生产线、一个车间、甚至一个工厂,要求控制系统功能越来越复杂,单个PLC无法完成整个任务,使得PLC向集成化、网络化发展。控制系统的功能模块不断增多, PLC通信功能不断增强, PLC与工业控制计算机相结合、与集散控制系统相结合、与现场总线相结合,使得PLC的应用越来越深入。 3向开放型转变 目前各个PLC生产厂商生产的PLC软件和硬件互不兼容,给用户的使用带来许多不便,严重影响PLC的发展。因此实现PLC硬件和软件的标准化是今后发展的趋势。国际电工委员会已经制定了一些标准,为各PLC向开放型转变铺平了道路。 3.1.5 可编程控
13、制器与继电器控制的比较可编程控制器与继电器控制的比较 PLC控制系统是从继电器控制系统发展而来的。继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用,目前仍然在工业领域中大量应用。然而PLC控制系统具有继电器控制系统无法比拟的优点。PLC与继电器控制系统功能与特点比较如表3-1所示。 3.2 PLC的硬件组成的硬件组成 3.2.1 PLC的分类的分类 PLC的分类方法有多种,可按生产厂家,结构分类和I/O点数等分类。 1按生产厂家分类 目前,国际上PLC产品按生产厂家可分为美国产品、欧洲产品和日本产品三大类。美国的生产厂商有A-B公司、通用电气公司和德州仪器公司等,欧洲的厂商代表为西门子公司,日本
14、的厂商代表为三菱公司。美国A-B公司的产品类型多、系列全;西门子公司主要生产大中型产品;三菱公司主要生产小型产品。各PLC生产厂家的产品都自成系列,指令及外设向上兼,因此设计控制系统时,选择同一系列产品使用比较方便。例如美国A-B公司的PLC-5系列,西门子公司的S7系列PLC,三菱公司的FX系列PLC。 美国A-B公司的PLC-5系列是大中型PLC,采用模块式结构。CPU模块采用PLC-5/10、PLC-5/12、PLC-5/15等的为中型PLC, 采用PLC-5/11、PLC-5/20、PLC-5/30、PLC-5/40等CPU的为大型PLC。 西门子公司的S7系列PLC可分为微型PLC(
15、S7-200)、小规模PLC(S7-300)、和中高性能PLC(S7-400)等。西门子公司的S7-200系列PLC是在S5系列的基础上开发出来的,具有高速计数、高速中断处理功能,利用特殊功能模块可以实现模拟量控制、位置控制和联网通信功能。S7-300系列采用模块化结构,具有浮点数运算功能、集成的人机界面服务功能、多级口令保护功能、智能化诊断功能和很强的通信功能,能满足中等性能要求的应用。 三菱公司的FX系列PLC是近年推出的小型PLC,具有丰富的软硬件资源、强大的功能和很高的速度,在国内得到广泛的应用。 2按结构形式分类 根据PLC的结构形式,可将PLC分为整体式和模块式两类。 整体式PLC
16、 一般小型PLC采用整体式结构。如图3-1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、重量轻,适合控制单个设备。其缺点是主机的I/O点数固定,使用不够灵活。 图3-1 整体式PLC 模块式PLC 一般大中型PLC采用模块式结构。如图3-2模块式PLC是将PLC各组成部分,分别作成单独的模块,如CPU模块、I/ O模块和电源模块。实际使用时,可根据需要选配不同的模块,而且装配方便,便于扩展和维修。 还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来,构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块,但它们之间是靠电缆进行联接
17、,并且各模块可以一层层地叠装。这样,不但系统可以灵活配置,还可做得体积小巧。 图3-1 模块式PLC 3按I/O点数分类 根据PLC的I/O点数来分,可将PLC分为小型、中型和大型三类。 小型PLC的I/O点数在256点以下。一般具有逻辑运算、定时、计数等功能,它适合开关量的场合,可用它实现条件控制及定时、计数控制、顺序控制等,在实际中应用最广。也有些小型PLC增加了模拟量处理、算术运算功能,可满足更广泛的领域。 中型PLC的I/O点数在2561024点之间。具有逻辑运算、算术运算、数据传送、数据通信、模拟量输入输出等功能,可完成既有开关量又有模拟量较为复杂的控制。 大型PLC的I/O点数在1
18、024点以上。具有逻辑运算、模拟调节、联网通信、监视、记录、打印等功能,能进行中断控制、智能控制、远程控制。在用于大规模的过程控制中,可构成分布式控制系统,或整个工厂的自动化网络。3.2.2 PLC的硬件组成的硬件组成 PLC是一种专门为在工业环境下进行电气自动控制而设计的计算机。PLC基本组成结构与普通微型计算机基本组成结构基本相同,主要由CPU、存储器、I/O模块、编程器和电源等组成,如图3-3所示。图3-3 PLC组成框图CPU存储器输入接口输出接口编程器检测电器执行装置 1中央处理器(CPU) CPU是PLC的核心,在很大程度上决定了PLC的整体性能。CPU由运算器、控制器、寄存器和各
19、种总线构成,这些电路一般都集成在一块芯片上。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器、输入输出接口电路相连接。CPU具有逻辑运算、算术运算和协调控制功能。从执行程序功能角度看,CPU主要完成下面的功能: 1)从存储器中读取指令。CPU从地址总线上给出存储地址,从控制总线上给出读入命令,从数据总线上得到读出的指令,并存入CPU内的指令寄存器中。2)执行指令。CPU对存放在指令寄存器中的指令操作码进行译码,执行指令规定的操作,如读取输入信号、取操作数、进行逻辑运算或算术运算等,将结果输出,驱动现场设备。 3)准备取下一条指令。CPU执行完一条指令后,能根据条件产生下一条指令的地址,以便取出和
20、执行下一条指令,在CPU的控制下,程序的指令既可以顺序执行,也可以分支或跳转。 4)处理中断。CPU除顺序执行程序外,还能接收输入输出接口发来的中断请求,并进行中断处理,中断处理结束后,再返回原址,继续顺序执行。 2存储器 存储器用于存放程序和数据。PLC常用的存储器类型有RAM、ROM和EEPROM。RAM是随机存储器,一般为用户存储器;ROM是只读存储器,一般为系统存储器;EEPROM是电可擦除的存储器,用于存放用户程序。 PLC存储空间一般包括系统程序存储区、系统RAM存储区和用户程序存储区。 系统程序存储区中存放有PLC厂家编写的系统软件,包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程
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