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任务一彩灯控制
1.熟悉传统的继电接触控制系统。
2.掌握可编程控制器(PLC)基本组成。
3.掌握PLC各组成部分的功能。
一、任务目标
二、任务分析
节日彩灯的亮暗变化,给节日带来无穷乐趣,现有一彩灯,通过PLC来实现它的亮暗控制。
控制电路如图1-1所示。
控制要求:
1.按下按钮SB,彩灯HL亮。
2.松开按钮SB,彩灯HL灭。
图1-1彩灯控制电路
如何用PLC实现本任务呢?
PLC是什么?
其结构如何?
通过本任务学习来解决这些问题。
三、背景知识
可编程控制器(PLC)是计算机家族中的一员,专为在工业环境应用而设计的。
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。
传统的继电接触控制系统通常由输入设备、控制线路和输出设备三大部分组成,如图1-1所示。
显然这是一种由许多“硬”的元器件连接起来组成的控制系统,PLC及其控制系统是从继电接触控制系统和计算机控制系统发展而来的,PLC的输入/输出部分与继电接触控制系统大致相同,PLC控制部分用微处理器和存储器取代了继电器控制线路,其控制作用是通过用户软件来实现的。
PLC的基本结构如图1-2所示。
PLC的基本组成部分包括微处理器(CPU)、存储器、I/O单元、电源单元和编程器等。
图1-2继电接触控制系统
图1-3PLC的基本结构
1.微处理器(CPU)
CPU一般由控制器、运算器和寄存器组成,这些电路都集成在一个芯片上。
与一般计算机一样,CPU是可编程控制器的核心,它按系统程序赋予的功能指挥可编程控制器有条不紊地进行工作。
不同型号可编程控制器的CPU芯片是不同的,有的采用通用CPU芯片,如8031、8051、8086、80826等,也有采用厂家自行设计的专用CPU芯片(如西门子公司的S7-200系列可编程控制器均采用其自行研制的专用芯片),随着CPU芯片技术的不断发展,可编程控制器所用的CPU芯片也越来越高档。
CPU的主要功能:
(1)接收并存储用户程序和数据;
(2)诊断电源、PLC工作状态及编程的语法错误;
(3)接收输入信号,送入数据寄存器并保存;
(4)运行时顺序读取、解释、执行用户程序,完成用户程序的各种操作;
(5)将用户程序的执行结果送至输出端。
注意:
CPU芯片的性能关系到可编程控制器处理控制信号的能力与速度,CPU位数越高,系统处理的信息量越大,运算速度也越快。
2.存储器
可编程控制器的存储器可以分为系统程序存储器、用户程序存储器及工作数据存储器等三种。
(1)系统程序存储器
系统程序存储器用来存放由可编程控制器生产厂家编写的系统程序,并固化在ROM内,用户不能直接更改。
系统程序质量的好坏,很大程度上决定了PLC的性能,其内容主要包括三部分:
第一部分为系统管理程序,它主要控制可编程控制器的运行,使整个可编程控制器按部就班地工作;
第二部分为用户指令解释程序,通过用户指令解释程序,将可编程控制器的编程语言变为机器语言指令,再由CPU执行这些指令;
第三部分为标准程序模块与系统调用程序,它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序,如完成输入、输出及特殊运算等的子程序,可编程控制器的具体工作都是由这部分程序来完成的,这部分程序的多少决定了可编程控制器性能的强弱。
(2)用户程序存储器
根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序。
用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务,用规定的可编程控制器编程语言编写的各种用户程序。
目前较先进的的可编程控制器采用可随时读写的快闪存储器作为用户程序存储器。
快闪存储器不需后备电池,掉电时数据也不会丢失。
(3)工作数据存储器
工作数据存储器用来存储工作数据,即用户程序中使用的ON/OFF状态、数值数据等。
在工作数据区中开辟有元件映像寄存器和数据表。
其中元件映像寄存器用来存储开关量、输出状态以及定时器、计数器、辅助继电器等内部器件的ON/OFF状态。
数据表用来存放各种数据,它存储用户程序执行时的某些可变参数值及A/D转换得到的数字量和数学运算的结果等。
PLC产品手册中给出的“存储器类型”和“程序容量”是针对用户程序存储器而言的。
3.输入/输出(I/O)单元
输入/输出接口是PLC与外界连接的接口。
是CPU与现场I/O装置或其他外部设备之间的连接部件。
如图1-3所示为三菱FX2N型PLC外部I/O端口。
输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号,一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等的开关量输入信号。
另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等来的模拟量输入信号。
输出接口用来连接被控对象中各种执行元件,如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀(模拟量)、调速装置(模拟量)等。
图1-4三菱FX2N外部I/O端口
I/O的能力可按用户的需要进行扩展和组合
4.编程器
编程器有简易编程器和智能图形编程器两种,主要用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。
编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件。
如图1-4所示三菱FX2N简易编程器。
图1-5三菱FX编程器
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。
5.电源
电源部件用来将外部供电电源转换成供PLC的CPU、存储器、I/O接口等电子电路工作所需要的直流电源,使PLC能正常工作。
PLC的电源部件有很好的稳压措施,因此对外部电源的要求不高。
直流24V供电的机型,允许电压为16~32V;
交流220V供电的机型,允许电压为85~264V,频率为47~53Hz。
一般情况下,PLC还为用户提供24V直流电源作为输入电源或负载电源。
为防止因外部电源发生故障,造成PLC内部重要数据丢失,故一般备有后备电源。
四、任务实施
根据图1-1硬件电路图所示,绘制PLC控制程序如图1-6所示。
梯形图指令表
图1-6彩灯控制程序
有关程序的相关知识将在后续课程中学习。
五、知识链接
1.可编程控制器的产生和发展
20世纪60年代,在世界工业技术改革浪潮的冲击下,各工业发达国家都在寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快捷的新型工业控制装置。
直到1968年,美国通用汽车(GE)公司为适应汽车型号的不断翻新,尽量避免重建流水线和更换继电器控制系统,以降低成本,缩短生产周期。
为此,美国通用汽车公司公开招标,研制一种工业控制器,提出了“使用、编程方便,可在现场修改和调试程序,维护方便,可靠性高,体积小,易于扩充”等要求。
根据招标要求,美国数字设备公司(DEC)在1969年研制出了第一台可编程控制器PDP-14,并在通用汽车公司的自动装配生产线上试用,获得成功,从而开创了工业控制的新局面。
经过30多年的发展,产品性能日臻完善,概括起来,其发展过程可归纳如下,见表1-1所示.
表1-1PLC的发展过程
发展时期
特点
典型产品举例
初创时期
(1969年~1977年)
由数字集成电路构成,功能简单,仅具备逻辑运算和计时、计数功能。
机种单一,没有形成系列
DEC公司的PDP-14、日本富士电机公司的USC-4000等
功能扩展时期
(1977年~1982年)
以微处理器为核心,功能不断完善,增加了传送、比较和模拟量运算等功能。
初步形成系列,可靠性进一步提高,存储器采用EPROM。
德国西门子公司的SYMATICS3系列和S4系列、日本富士电机公司的SC系列等
联机通信时期
(1982年~1990年)
能够与计算机联机通信,出现了分布式控制,增加了多种特殊功能,如浮点数运算、平方、三角函数、脉宽调制等
德国西门子公司的SYMATICS5系列、日本三菱公司的MELPLAC-50、日本富士电机公司的MICREEX等
网络化时期
(1990年~)
通信协议走向标准化,实现了和计算机网络互联,出现了工业控制网。
可以用高级语言编程
德国西门子公司的S7系列、日本三菱公司的A系列等
从PLC的发展趋势看,PLC控制技术将成为今后工业自动化的主要手段。
在未来的工业生产中,PLC技术、机器人技术、CAD/CAM和数控技术将成为实现工业生产自动化的四大支柱技术。
2.可编程控制器的应用领域
PLC已广泛应用于工业生产的各个领域。
从行业看,冶金、机械、化工、轻工、食品、建材等,几乎没有不用到它的。
不仅工业生产用它,一些非工业过程,如楼宇自动化、电梯控制、农业的大棚环境参数调控、水利灌溉等。
PLC应用领域主要分为如下几类:
(1)取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线,如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、电镀流水线等。
(2)工业过程控制。
在工业生产过程当中,存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量,PLC采用相应的A/D、和D/A转换模块,以及各种各样的控制算法程序来处理,完成闭环控制。
(3)运动控制。
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
一般使用专用的运动控制模块,如可驱动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
(4)数据处理。
PLC具有数学运算、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。
数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
(5)通信及联网。
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着工厂自动化网络的发展,现在的PLC都具有通信接口,通信非常方便。
思考与练习
1.什么是可编程控制器?
它的组成部分有哪些?
2.PLC的CPU有哪些功能?
3.简述PLC的发展历程。
4.简述PLC的应用领域。
任务二抢答器的控制
一、任务目标
1.掌握输入/输出接口作用
2.熟悉输入/输出接口不同结构。
3.掌握输入/输出接口的特点。
在各种知识竞赛中,经常用到抢答器,现有四人抢答器,通过PLC来实现控制,如图1-7所示,图中,输入X01~X04与4个抢答按钮相连,对应4个输出Y01~Y04继电器。
只有最早按下按钮的人才有输出,后续者无论是否有输入均不会有输出。
当组织人按复位按钮后,输入X00接通抢答器复位,进入下一轮竞赛。
图1-7四人抢答器控制电路图
本任务涉及到多个输入、输出,在PLC硬件上如何连接?
如何理解PLC的输入/输出?
通过本任务的学习来解决这些问题。
在PLC系统中,外部设备信号均是通过输入/输出端口与PLC进行数据传送的。
所以,无论是硬件电路设计还是软件电路设计,都要清楚地了解PLC的端口结构及使用注意事项,这样才能保证系统的正确运行。
输入/输出接口就是将PLC与现场各种输入/输出(I/O)设备连接起来的部件。
PLC应用于工业现场,要求其输入能将现场的输入信号转换成微处理器能接收的信号,且最大程度地排除干扰信号,提高可靠性;
输出能将微处理器送出的弱电信号放大成强电信号,以驱动各种负载。
因此,PLC采用了专门设计的输入/输出端口电路。
输入输出接口的任务是将被控对象或被控生产过程的各种变量进行采集送入CPU处理,同时控制器又通过I/O接口将控制器运算处理产生的控制输出送到被控设备或生产现场,驱动各种执行机构动作,实现实时控制。
如图1-5所示。
图1-8可编程控制器系统构成
1.输入接口
输入接口电路是PLC与控制现场的接口界面的输入通道。
输入信号可以用来接收和采集两种类型的输入信号:
一种是由按钮开关、选择开关、行程开关等提供的开关量输入信号;
另一种是由传感器、电位器、热电偶等提供的连续变化的模拟信号。
如图1-6所示。
图1-9输入接口结构原理图
输入接口常见有3种接口形式,如图1-7所示。
a)干接触式b)24V直流输入式c)交流输入式
图1-10输入接口形式
采用光电耦合电路与现场输入信号相连接的目的是防止现场的强电干扰进入可编程控制器。
2.输出接口
输出接口用来连接被控对象中各种执行元件,如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀(模拟量)、调速装置(模拟量)等。
输出接口有多种输出方式,如图1-8所示。
(1)继电器输出:
接触电阻小,抗冲击能力强,但响应速度慢,一般为毫秒级,可驱动交/直流负载,常用于低速大功率负载。
(2)晶体管输出:
响应速度快,一般为纳秒级,无机械触点,可频繁操作,受命长,可以驱动直流负载。
(3)晶闸管输出:
响应速度比较快,一般为微秒级,无机械触点,可频繁操作,受命长,可以驱动交/直流负载。
(a)继电器输出(b)晶体管输出
(c)晶闸管输出
图1-11输出接口的输出方式
由于可编程控制器在工业生产现场工作,对输入输出接口有两个主要的要求:
一是接口有良好的抗干扰能力;
二是接口能满足工业现场各类信号的匹配要求。
根据图1-7硬件电路图所示,绘制PLC控制程序如图1-12所示。
图1-12抢答器控制程序
PLC的分类
可编程控制器是科学技术发展和现代化大生产需要的产物,在不同环境中应用的类型不同,一般来说,可以从3个方面对PLC进行分类,见表1-2所示.
表1-2
分类原则
种类PLC
相关产品举例
按PLC的控制规模分类
微型PLC
I/O点数一般在64点以下。
其特点是体积小巧、结构紧凑、以开关量控制为主,有的产品具有少量模拟量信号处理能力
OMRON公司的CPM1A系列PLC、德国西门子的LOGO系列PLC
小型PLC
I/O点数一般在256点以下。
除开关量I/O外,一般都有模拟量控制功能和高速控制功能。
有的产品还有多种特殊功能模板或智能模块。
有较强的通信能力
日本三菱公司的FX2系列PLC、OMRON公司的C60P系列PLC、西门子的S7-200PLC
中型PLC
I/O点数一般在1024点以下。
指令系统更丰富,内存容量更大,一般都有可供选择的系列化的特殊功能模板,具有较强的通信联网能力
OMRON公司的C200HPLC、西门子的S7-300PLC
大型PLC
I/O点数一般在1024点以上。
软、硬件功能极强,运算和控制功能丰富。
具有多种自诊断功能。
通信联网功能强,有各种通信联网的模块,可以构成三级通信网,实现工厂生产管理自动化
OMRON公司的C1000HPLC、西门子的S7-400PLC
超大型PLC
I/O点数一般可达万点,甚至几万点。
功能更加强大
美国GE公司的90-70PLC、西门子公司的SS-115U-CPU945PLC
按PLC的控制功能分类
低档机
具有基本的控制功能和一般的运算能力,工作速度比较低,能带的输入和输出模块的数量比较少,输入和输出模块的种类也比较少。
这类PLC只适合于小规模的简单控制。
在联网中一般适合做从站使用
OMRON公司的C60P系列PLC
中档机
控制能力和运算能力都较强,工作速度比较快,能带的输入和输出模块的数量较多,输入和输出模块的种类也比较多。
可完成中等规模的控制任务。
联网中可做主站或从站
西门子的S7-300PLC
高档机
控制能力和运算能力强大,工作速度快,能带的输入和输出模块的数量很多,输入和输出模块的种类也很全面。
可完成大规模的控制任务。
联网中可做主站
西门子的S7-400PLC、美国GE公司的90-70PLC
按PLC的结构分类
箱体式结构
把电源、CPU、内存、I/O系统都集成在一个小箱体内。
一个主机箱体就是一台完整的PLC
西门子公司的LOGO系列PLC
组合式(模块式)结构
CPU、输入和输出单元、电源单元以及各种功能单元自成一体,称为模块或模板。
各种模块可根据需要搭配组合,灵活性强。
西门子公司的S-200、S-300、S-400系列PLC
1.PLC的输入输出口有哪些作用?
2.输入接口常见有几种接口形式?
3.输出接口有哪几种输出方式?
4.简述PLC的分类。
任务三自动门的控制
1.掌握PLC的工作原理
2.掌握PLC的工作方式
3.熟悉PLC的工作过程
用PLC控制一车库大门自动打开和关闭,以便让一个接近大门的物体(如车辆)进入或离开车库。
采用一台PLC,把一个超声开关和一个光电开关作为输入设备将信号送入PLC。
PLC输出信号控制门电动机旋转。
如图1-13所示。
图1-13PLC在自动开关门中的应用
从图1-13可知,PLC有多种不同类型的输入控制,那PLC是如何工作的呢?
通过本任务的学习来解决这个问题。
三、相关知识
PLC运行时,CPU是不能同时去执行多个操作,只能按分时操作原理运行,即每一时刻执行一个操作,完成一个动作,随着时间的自然延伸,一个动作接着一个动作地顺序执行下去。
这种分时操作的过程称为CPU的扫描工作方式。
在PLC中,用户程序按先后顺序存放在存储器中,如:
CPU从第一条指令开始执行程序,直到遇到结束符号后又返回第一条。
如此周而复始不断循环。
整个扫描过程PLC除了执行用户程序外,还要完成其它工作。
图1-14所示为PLC工作过程框图。
图1-14PLC工作过程框图
由图1-14工作过程框图可以看出,PLC的工作过程可以分为以下几个阶段:
1.初始化
可编程控制器每次在电源接通时,将进行初始化工作,主要包括I/O寄存器和内部继电器清零,定时器复位等,初始化完成后则进入周期扫描工作方式。
2.公共操作
公共操作主要包括以下方面:
(1)输入/输出部分检查。
(2)清监视器。
主机的监视器实质上是一个定时器,PLC在每次扫描结束后使其复位。
当PLC在RUN或MONITOR方式下工作时,此定时器检查CPU的执行时间,当执行时间超过监视器设定时间时,表示CPU有故障。
若发现故障,除通过指示灯显示出故障外,还自动判断故障性质。
一般性故障,只报警不停机,等待处理;
对于严重故障,则停止用户程序的运行,关闭PLC的一切输出信号及切断相关的输出联系。
(3)检查硬件和用户程序存储器。
3.执行程序过程
PLC执行程序的过程分三个阶段,即输入采样(输入处理)阶段、程序执行阶段、输出刷新(输出处理)阶段,如图1-15所示。
图1-15PLC执行程序的过程
(1)输入处理阶段在这一阶段,PLC以扫描工作方式按顺序将所有输入端的输入状态采样并存入输入映像寄存器中。
在本工作周期内,这个采样结果的内容不会改变,而且这个采样结果将在PLC执行程序时被使用。
输入状态表(输入映像寄存器)——采样时刷新。
(2)程序执行阶段在这一阶段,PLC按顺序进行扫描,即从上倒下、从左到右地扫描每条指令,并分别从输入映像寄存器和输出映像寄存器中获得所需的数据进行运算、处理,再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中保存。
但这个结果在全部程序未执行完毕之前不会送到输出端口上。
输出状态表(输出映像寄存器)——随时刷新(中间值和最终结果)。
(3)输出处理阶段在所有用户程序执行完后,PLC将输出映像寄存器中的内容送入输出锁存器中,通过一定方式输出,驱动外部负载。
执行用户程序的结果送到输出寄存器,并不立即向PLC的外部输出。
输出端子的接通或开断——由输出锁存器决定。
四、任务实施
根据图1-13画出PLC控制接线图及程序如图1-16所示。
当超声开关检测到门前有车辆时,X000动合触点闭合,升门信号Y000被置位,升门动作开始,当升门到位时门顶限位开关动作,X002动合触点闭合,升门信号Y000被复位,升门动作完成;
当车辆进入到大门遮断光电开关的光束时,光电开关X001动作,其动断触点断开,车辆继续行进驶入大门后,接收器重新接收到光束,其动断触点X001恢复原始状态闭合,此时这一由断到通的信号驱动PLS指令使M100产生一脉冲信号,M100动合触点闭合,降门信号Y001被置位,降门动作开始,当降门到位时门底限位开关动作,X003动合触点闭合,降门信号Y001被复位,降门动作完成。
a)输入输出接线图b)梯形图c)指令表
图1-16PLC在自动开关门中的应用
1.PLC的技术指标
PLC的技术指标包括硬件指标和软件指标,见表1-3所示.
通过对PLC的技术指标体系的了解,可根据具体控制工程的要求,在众多PLC中选取合适的PLC。
表1-3
硬件指标
工作环境
一般都能在下列环境条件下工作:
温度0~55℃,湿度小于85%(无凝露)
输入∕输出点数(即I/O点数)
PLC外部输入、输出端子数。
这是最重要的一项技术指标
内部寄存器
PLC内部有许多
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