可编程控制器PLC的原理及应用.docx
- 文档编号:5414161
- 上传时间:2023-05-08
- 格式:DOCX
- 页数:37
- 大小:317.36KB
可编程控制器PLC的原理及应用.docx
《可编程控制器PLC的原理及应用.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《可编程控制器PLC的原理及应用.docx(37页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
可编程控制器PLC的原理及应用
第9章可编程控制器
9.1可编程控制器概述
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。
它采用了可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数和算术操作等面向用户的指令,并通过数字式或模拟式的输入/输出,控制各种类型的机械或生产过程。
早期产品名称为“ProgrammableLogicController”(可编程逻辑控制器),简称PLC,主要替代传统的继电接触控制系统。
随着微处理器技术的发展,可编程控制器的功能也不断地增加,因而可编程逻辑控制器(PLC)不能描述其多功能的特点。
1980年,美国电气制造商协会(NEMA)给他一个新的名称“ProgrammableController”,简称PC。
1982年,国际电工委员会(IEC)专门为可编程控制器下了严格定义。
然而PC这一简写名称在国内早已成为个人计算机(PersonalComputer)的代名词,为了避免造成名词术语混乱,因此国内仍沿用早期的简写名称PLC表示可编程控制器,但此PLC并不意味只具有逻辑功能。
9.1.1PLC的发展历史
在可编程控制器出现以前,继电器控制在工业控制领域占主导地位,由此构成的控制系统都是按预先设定好的时间或条件顺序地工作,若要改变控制的顺序就必须改变控制系统的硬件接线,因此,其通用性和灵活性较差。
1968年,美国最大的汽车制造商——通用汽车公司(GM)为了适应生产工艺不断更新的需要,要求寻找一种比继电器更可靠,功能更齐全,响应速度更快的新型工业控制器,并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件,立即引起了开发热潮。
主要内容是:
①编程方便,可现场修改程序;
②维修方便,采用插件式结构;
③可靠性高于继电器控制装置;
④体积小于继电器控制盘;
⑤数据可直接送入管理计算机;
⑥成本可与继电器控制盘竞争;
⑦输入可为市电;
⑧输出可为市电,容量要求在2A以上,可直接驱动接触器等;
⑨扩展时原系统改变最少;
⑩用户存储器大于4KB。
这些条件实际上提出将继电器控制的简单易懂、使用方便、价格低的优点与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来,将继电接触器控制的硬接线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。
1969年,美国数字设备公司(DEC公司)研制出了第一台可编程控制器PDP—14,在美国通用汽车公司的生产线上试用成功,并取得了满意的效果,可编程控制器自此诞生。
1971年,日本从美国引进了这项新技术,很快研制出了日本第一台可编程序控制器DSC-8。
1973年,西欧国家也研制出了他们的第一台可编程序控制器。
我国从1974年开始研制,1977年开始工业应用。
早期的可编程序控制器是为取代继电器控制线路、存储程序指令、完成顺序控制而设计的。
主要用于:
1.逻辑运算2.计时,计数等顺序控制,均属开关量控制。
所以,通常称为可编程序逻辑控制器(PLC—ProgrammableLogicController)。
进入70年代,随着微电子技术的发展,PLC采用了通用微处理器,这种控制器就不再局限于当初的逻辑运算了,功能不断增强。
因此,实际上应称之为PC——可编程序控制器。
至80年代,随大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展,以16位和32位微处理器构成的微机化PC得到了惊人的发展。
使PC在概念、设计、性能、价格以及应用等方面都有了新的突破。
不仅控制功能增强,功耗和体积减小,成本下降,可靠性提高,编程和故障检测更为灵活方便,而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展,使PC向用于连续生产过程控制的方向发展,成为实现工业生产自动化的一大支柱。
9.1.2PLC的特点
PLC的特点主要是:
(1)可靠性高,抗干扰能力强
可编程控制器生产厂家在硬件方面和软件方面上采取了一系列抗干扰措施,使它可以直接安装于工业现场而稳定可靠地工作。
目前各生产厂家生产的可编程控制器,其平均无故障时间都大大的超过了IEC规定的10万小时(折合为4166天,约11年)。
而且为了适应特殊场合的需要,有的可编程控制器生产商还采用了冗余设计和差异设计(如德国Pilz公司的可编程控制器),进一步提高了其可靠性。
(2)适应性强,应用灵活。
由于可编程控制器产品均成系列化生产,品种齐全,多数采用模块式的硬件结构,组合和扩展方便,用户可根据自己需要灵活选用,以满足系统大小不同及功能繁简各异的控制系统要求。
(3)编程方便,易于使用。
可编程控制器的编程可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言,直观易懂,深受现场电气技术人员的欢迎。
近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言(SFC——SequentialFunctionChart),也称功能图,使编程更简单方便。
(4)控制系统设计,安装,调试方便。
可编程控制器中含有大量的相当于中间继电器,时间继电器,计数器等的“软元件”。
又用程序(软接线)代替硬接线,安装接线工作量少。
设计人员只要有可编程控制器就可以进行控制系统设计并可在实验室进行模拟调试。
(5)维修方便,维修工作量小。
可编程控制器有完善的自诊断,履历情报存储及监视功能。
可编程控制器起对于其内部工作状态,通信状态,异常状态和I/O点的状态均有显示。
工作人员通过它可以查出故障原因,便于迅速处理。
(6)功能完善。
除基本的逻辑控制,定时,计数,算术运算等功能外,配合特殊功能模块还可以实现点位控制,PID运算,过程控制,数字控制等功能,为方便工厂管理又可与上位机通信,通过远程模块还可以控制远方设备。
由于具有上述特点,使得可编程控制器的应用范围极为广泛,可以说只要有工厂,有控制要求,就会有PLC的应用。
9.1.3PLC的应用领域
目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保等各行各业。
其应用范围大致可归纳为以下几种:
1.开关量的逻辑控制——这是PLC最基本、最广泛的应用领域。
它取代传统的继电器控制系统,实现逻辑控制、顺序控制。
开关量的逻辑控制可用于单机控制,也可用于多机群控,亦可用于自动生产线的控制等等。
2.运动控制——PLC可用于直线运动或圆周运动的控制。
早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机械,现在一般使用专用的运动模块。
目前,制造商已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
即:
把描述目标位置的数据送给模块,模块移动一轴或多轴到目标位置。
当每个轴运动时,位置控制模块保持适当的速度和加速度,确保运动平滑。
运动的程序可用PLC的语言完成,通过编程器输入。
3.闭环过程控制——PLC通过模拟量的I/O模块实现模拟量与数字量的A/D、D/A转换,可实现对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的PID控制。
4.数据处理——现代的PLC具有数学运算(包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算),数据传递、排序和查表、位操作等功能;可以完成数据的采集、分析和处理。
数据处理一般用在大中型控制系统中;具有CNC功能:
把支持顺序控制的PLC与数字控制设备紧密结合。
5.通信联网——PLC的通信包括PLC与PLC之间、PLC与上位计算机之间和它的智能设备之间的通信。
PLC和计算机之间具有RS-232接口,用双绞线、同轴电缆将它们连成网络,以实现信息的交换。
还可以构成“集中管理,分散控制”的分布控制系统。
I/O模块按功能各自放置在生产现场分散控制,然后利用网络联结构成集中管理信息的分布式网络系统。
并不是所有的PLC都具有上述的全部功能,有的小型PLC只具上述部分功能,但价格比较便宜。
9.2PLC的结构和工作原理
9.2.1PLC的结构
和继电器控制系统类似,PLC控制系统也是由输入部分、逻辑部分和输出部分组成。
各部分主要作用:
·输入部分:
收集并保存被控对象实际运行的数据和信息。
例如:
来自被控对象上的各种开
关信息或操作台上的操作命令等。
·逻辑部分:
处理输入部分所取得的信息,并按照被控对象实际的动作要求执行相应的逻辑功能
·输出部分:
对需要实时操作的那些设备提供实际操作信号
由于输入信号一般为开关信号或电压、电流形成的信号源,它们必须转换成微处理器所能接受的电平信号,所以,中间必须加入变换器。
同样,微处理器输出的电平信号,也必须转换成控制设备所需的开关信号或电压、电流信号。
所以,也要加入变换器。
由此,构成了PLC控制系统的基本结构框图。
PLC各组成部件的作用
1.CPU——是PLC的核心部分。
与通用微机CPU一样,CPU在PC系统中的作用类似于人体的神经中枢。
其功能:
(1)用扫描方式(后面介绍)接收现场输入装置的状态或数据,并存入输入映象寄存器或数据寄存器;
(2)接收并存储从编程器输入的用户程序和数据;
(3)诊断电源和PC内部电路的工作状态及编程过程中的语法错误;
(4)在PC进入运行状态后:
a)执行用户程序——产生相应的控制信号(从用户程序存储器中逐条读取指令,经命令解释后,按指令规定的任务产生相应的控制信号,去启闭有关的控制电路)
b)进行数据处理——分时、分渠道地执行数据存取、传送、组合、比较、变换等动作,完成用户程序中规定的逻辑或算术运算任务
c)更新输出状态——输出实施控制(根据运算结果,更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容,再由输入映象寄存器或数据寄存器的内容,实现输出控制、制表、打印、数据通讯等)
2.存储器
系统程序存储器——存放系统工作程序(监控程序)、模块化应用功能子程序、命令
解释、功能子程序的调用管理程序和系统参数
*不能由用户直接存取
用户存储器用户程序存储器——存放用户程序。
即用户通过编程器输入的用户程序。
功能存储器(数据区)——存放用户数据
PC的用户存储器通常以字(16位/字)为单位来表示存储容量。
注意:
系统程序直接关系到PC的性能,不能由用户直接存取,所以,通常PC产品资料中所指的存储器形式或存储方式及容量,是指用户程序存储器而言。
3.I/O(输入/输出部件)(I/O模块:
接口电路、I/O映像存储器)
——CPU与现场I/O装置或其他外部设备之间的连接部件。
PLC提供了各种操作电平与驱动能力的I/O模块,以及各种用途的I/O组件供用户选用。
I/O模块可与CPU放在一起,也可远程放置。
通常,I/O模块上还具有状态显示和I/O接线端子排。
4.编程器等外部设备
编程器——PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的工具
作用:
用于用户程序的编制、编辑、调试、检查和监视,通过键盘和显示器去检测PLC内部状态和参数,通过通讯端口与CPU联系,实现与PLC的人机对话
分类:
简单型——只能联机编程;只能用指令清单编程,智能型——既可联机(Online),也可脱机(Offline)编程;可以采用指令清单(语句表)、梯形图等语言编程。
常可直接以电脑作为编程器,安装相关的编程软件编程。
注意:
编程器不直接加入现场控制运行。
一台编程器可开发、监护许多台PLC的工作。
其他外设:
磁盘、光盘、EPROM写入器(用于固化用户程序)、打印机、图形监视系统或上位计算机等等。
5.电源:
内部——开关稳压电源,供内部电路使用;大多数机型还可以向外提供DC24V稳压电源,为现场的开关信号、外部传感器供电。
外部——可用一般工业电源,并备有锂电池(备用电池),使外部电源故障时内部重要数据不致丢失。
9.2.2PLC的分类
由于PLC的品种、型号、规格、功能各不相同,要按统一的标准对它们进行分类十分困难。
通常,按结构型式可划分为整体式和模块式;按I/O点数可划分成大、中、小型三类;按功能强弱又可分为低档机、中档机和高档机三类。
按结构型式分类如下:
整体式PLC是将电源、CPU、I/O部件集中在一个机箱内,具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。
模块式PLC是将PLC各部分分成若干个单独的模块,如CPU模块、I/O模块、电源模块以及各种功能模块,模块式PLC由框架和各种模块组成。
这种结构的特点是配备灵活,可根据需要选配不同模块组成一个系统。
按I/O点数分类如下:
1.小型PLC——I/O点数<256点;单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字以下。
如:
美国通用电气(GE)公司GE-I型、美国德州仪器公司TI100、日本三菱电气公司F、F1、F2、日本立石公司(欧姆龙)C20C40、德国西门子公司S7-200、日本东芝公司EX20EX40、中外合资无锡华光电子工业有限公司SR-20/21。
2.中型PLC——I/O点数256~2048点;双CPU,用户存储器容量2~8K。
如:
德国西门子公司S7-300、中外合资无锡华光电子工业有限公司SR-400、德国西门子公司SU-5、SU-6、
日本立石公司(欧姆龙)C-500、GE公司GE-Ⅲ。
3.大型PLC——I/O点数>2048点;多CPU,16位、32位处理器,用户存储器容量8~16K。
如:
德国西门子公司S7-400、GE公司GE-Ⅳ、立石公司C-2000、三菱公司K3。
按功能分类如下:
低档机具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能。
中档机还具有较强的模拟量输入和输出、算术运算、数据传输和比较、远程I/O、通信等功能。
高档机还具有符号运算、位运算、矩阵运算等功能和更强的通信联网功能。
9.2.3PLC的工作原理
(1)PLC继电器
PLC可看成是由普通继电器、定时器、计数器等组合而成的电气控制系统。
注意,PLC内部的继电器实际上是指存储器中的存储单元,称为软继电器。
当输入到存储单元的逻辑状态为1时,则表示相应继电器的线圈通电,其常开触点闭合,常闭触点断开;而当输入到存储单元的逻辑状态为0时,则表示相应继电器的线圈断电,其常开触点断开,常闭触点闭合。
所以这些软继电器体积小、功耗低、无触点、速度快、寿命长,并且具有无限多的常开、常闭触点供程序使用。
(2)
工作原理
以直接起动控制电路为例,采用PLC控制,其外部接线及内部等效电路如图所示。
可将PLC分成3部分:
输入部分、内部控制电路和输出部分。
输入部分:
由输入接线端与等效输入继电器组成。
输入继电器由接入输入端点的外部信号来驱动,其作用是收集被控制设备的各种信息或操作命令。
内部控制电路:
由大规模集成电路构成的微处理器和存储器组成的,经过制造厂家的开发,为用户提供部件。
内部控制电路的部件包括输出继电器、定时器、计数器、移位寄存器等,这些部件也有许多对常开触点和常闭触点供PLC内部使用。
PLC内部控制电路的作用是处理由输入部分所取得的信息,并根据用户程序的要求,使输出达到预定的控制要求。
输出部分:
作用是驱动被控制的设备按程序的要求动作。
对应每一条输出电路,相当有一个输出继电器,此输出继电器有一个对外常开触点与输出端相连,其余均为供PLC内部使用的常开触点和常闭触点。
当输出继电器接通时,对外常开触点闭合,外部执行元件可以通电动作。
梯形图:
实际上就是用户所编写的应用程序等效于PLC内部的接线图。
当用编程器将梯形图程序送入PLC内,PLC就可以按照预先制定的方案工作。
电路工作过程:
当起动按钮SB1闭合,输入继电器X400接通,其常开触点X400闭合,输出继电器Y430接通,Y430的常开触点闭合自锁,同时外部常开触点闭合,使接触器线圈KM通电,电动机连续运行。
停机时按停机按钮SB2,输入继电器X401接通,其常闭触点断开,线圈Y430断开,电动机停止运行。
这里要注意,因与停机按钮相连的输入继电器X401采用的是常闭触点,所以停机按钮必须采用常开触点,这与继电接触器控制电路不同。
(3)工作过程
1.初始操作(上电处理)
PLC未进入正式运行前,首先应确定自身的完好性。
这就是接通电源后的初始操作(见图)。
通电后,消除各元件的随机状态,进行清零或复位处理,检查I/O单元的连接是否正确(I/O总线)。
再做一道题,使它涉及各种指令和内存单元,若解题时间在to以内,则自身完好(否则,系统关闭),解题结束,将监控定时器to复位,才开始正式运行。
2.运行
·PLC的工作方式——(顺序)周期循环扫描
扫描——按分时操作的原理,每一时刻执行一个操作,顺序进行,这种分时操作的过程称“CPU对程序的扫描”
·工作特点——集中输入,集中输出(小型PLC)
二、PLC运行过程
1.四大类操作
(1)公共操作——故障诊断及处理(自检),一般故障,只报警,不停机
(2)I/O操作——联系现场的数据输入及控制信号的输出
(3)执行用户程序——顺序循环扫描
(4)服务外设
2.I/O处理过程——(教材P63Fig3-6)
输入采样
三个阶段执行用户程序
输出刷新
·工作过程框图:
·
I/O处理过程:
(1)数据输入/输出——I/O状态刷新采样输入信号
送出处理结果
a.输入映像存储器及其刷新——对应于输入端子状态的数据区
PLC中的CPU是不能直接从与外部接线端子打交道的。
在输入采样阶段,首先扫描所有输入端子,经过输入调理电路(光电隔离、电平转换、滤波处理等)后进入输入缓冲器等待采样。
没有CPU的采样“允许”,外界的输入信号是不能进入内存的。
当CPU采样时,输入信号便进入输入映像存储器——刷新。
接着进入程序的执行阶段,直至信号的输出。
在此期间,输入映像存储器将现场与CPU隔离,无论输入信号如何变化,输入映像存储器中的内容保持到下一个扫描周期的输入采样阶段,才重新采样新的信号,即:
输入映像存储器每周期刷新一次。
这样,是否会影响对现场信息的反应速度?
由于,PLC扫描周期一般仅几十mS,两次采样之间的间隔时间很短,对一般的开关量而言,可以认为采样是连续的。
b.输出映像存储器及其刷新——CPU数据处理的中间结果和最终结果的存放区域
同理,CPU不能直接驱动负载,处理的结果存放在输出映像存储器中,直至所有程序执行完毕,才将输出映像区的内容经输出锁存器(称为输出状态刷新)送到输出端子上驱动外部负载。
即:
输出映像存储器——随时刷新
输出锁存器——每周期刷新一次(刷新后的输出状态一直保持到下一次刷新)
同样,两次刷新的间隔仅几十mS,即使考虑电路的电气惯性(延迟)时间,仍可认为输出是及时的。
c.输入/输出状态表——状态RAM表
I/O映像存储器的内容,在CPU中构成I/O状态表,其内容是CPU处理用户程序及数据的依据。
注意:
输入状态表——采样时刷新
输出状态表——随时刷新(中间值和最终结果)
输出端子的接通或开断——输出锁存器决定
(2)执行用户程序执行
监视
a.监控定时器WDT(WATCHDOGTIMER)——即监控定时器t1
·正常:
执行完用户程序所需的时间应不超过t1。
执行程序前,复位t1,执行程序开始t1计时,完毕后立即复位t1,表示程序执行正常。
·异常:
因某些原因,程序进入死循环,执行程序时间超出t1值,WDT发出警告,程序重新开始执行,同时复位t1。
若因偶然因素,则重新执行程序将正常,否则,系统自动停止执行用户程序,切断外部负载,并发出故障信号等待处理。
b.执行用户程序
(3)执行外设命令
每次执行完用户程序,输出后,就进入服务外设命令的操作,如没有外设命令,自动循环扫描。
9.3PLC的编程元件
和指令系统
9.3.1PLC编程元件
1.FX系列可编程控制器简介
三菱FX系列小型可编程控制器,将CPU和输入/输出一体化,使用更为方便。
为了进一步迎合不同客户的要求,FX系列有多种不同的型号供选择。
另外更有多种不同的特殊功能模块提供给不同客户。
主要应用于机械配套上如:
注塑机、电梯控制、印刷机、包装机和纺织机等行业。
三菱公司推出的常用FX系列小型、超小型PLC有FX0、FX2、FX0N、FX0S、FX2C、FX2N、FX2NC、FX1N、FX1S等系列。
(1)FX系列可编程控制器的命名
FX系列可编程控制器型号命名的基本格式为:
①系列序号0、2、ON、OS、2C、2NC、1N、1S,即FX0、FX2、FX0N、FX0S、FX2C、FX2N、FX2NC、FX1N和FX1S。
②输入输出的总点数:
4~128点
③单元区别:
M-基本单元;E-输入输出混合扩展单元及扩展模块;EX-输入专用扩展模块;EY-输出专用扩展模块。
④输出形式(其中输入专用无记号):
R-继电器输出;T-晶体管输出;S-晶闸管输出
⑤特殊物品的区别D:
DC电源,DC输入A1:
AC电源,AC输入(AC100-120V)或AC输入模块H:
大电流输出扩展模块V:
立式端子排的扩展模式C:
接插口输入输出方式
F:
输入滤波器1ms的扩展模块L:
TTL输入型模块S:
独立端子(无公共端)扩展模块
特殊物品无记号:
AC电源,DC输入,横式端子排输出为继电器输出2A/1点、晶体管输出0.5/1点或晶闸管输出0.3A/1点的标准输出。
9.3.2PLC指令系统
FX2系列可编程控制器共有20条基本指令,供设计者编制语句表使用,它与梯形图有严格的对应关系。
1、逻辑取及输出线圈(LD、LD1、OUT)
LD、LDI、OUT指令的功能、电路表示、操作元件、所占的程序如表1所示。
表1
LD指令是从母线取用常开触点指令,LDI是从母线上取用常闭触点指令,它们还可以与后面介绍的ANB、ORB指令配合用于分支回路的开头;OUT指令是对输出继电器、辅助继电器、状态继电器、定时器、计数器的线圈进行驱动的指令,但不能用于输入继电器。
图1给出了本组指令的梯形图实例,并配有指令表。
这儿还需指出的是:
OUT指令可连续使用无数次,相当线圈的并联(如图4中的OUTM100和OUTT0);定时器或计数器的线圈,在使用OUT指令后,必须设定常数K,或指定数据寄存器的地址号。
图1LD、LDI、OUT指令的使用
2触点串联(AND、ANI)
AND、ANI指令的功能、电路表示、操作元件、程序步如表2所示。
表2
AND、ANI指令为单个触点的串联连接指令。
AND用于常开触点。
ANI用于常闭触点。
串联接点的数量无限制。
图2是使用本组指令的实例。
图中OUT指令后,通过触点对其他线圈使用OUT指令(如图的OUTY004),称之为纵接输出或连续输出。
此种纵接输出,如果顺序正确可多次重复。
但限于图形编程器和打印机幅面限制,应尽量做到一行不超过10个接点及一个线圈,总共不要超过24行。
在图2中驱动M101之后可通过触点T1驱动Y004。
但是,若驱动顺序换成图3的形式,则必须用后述的MPS指令。
图2AND、ANI指令的应用
图3不能使用连续输出的例子
3触点并联(OR、ORI)
OR、ORI指令的功能、操作元件等如表3所示。
表3
OR、ORI指令为单个触点的并联连接指令。
OR为常开触点的并联,ORI为常闭触点的并联。
将两个以上触点的串联回路和其他回路并联时,采用后面介绍的ORB指令。
OR、ORI指令紧接在LD、LDI指
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 可编程控制器 PLC 原理 应用