PLC基础原理及编程技巧.docx
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PLC基础原理及编程技巧
第一部分PLC基础原理及编程技巧
第一章PLC基本概念
可编程控制器(ProgrammableController)是计算机家族中的一员是为工业控制应用而设计制造的早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)简称PLC它主要用来代替继电器实现逻辑控制随着技术的发展这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围因此今天这种装置称作可编程控制器简称PC但是为了避免与个人计算机(PersonalComputer)的简称混淆所以将可编程控制器简称PLC。
一.PLC的由来
在60年代汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装随着生产的发展汽车型号更新的周期愈来愈短这样继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装十分费时费工费料甚至阻碍了更新周期的缩短为了改变这一现状美国通用汽车公司在1969年公开招标要求用新的控制装置取代继电器控制装置并提出了十项招标指标即。
1.编程方便现场可修改程序
2.维修方便采用模块化结构
3.可靠性高于继电器控制装置
4.体积小于继电器控制装置
5.数据可直接送入管理计算机
6.成本可与继电器控制装置竞争
7.输入可以是交流115V
8.输出为交流115V2A以上能直接驱动电磁阀接触器等
9.在扩展时原系统只要很小变更
10.用户程序存储器容量至少能扩展到4K。
1969年美国数字设备公司(DEC)研制出第一台PLC在美国通用汽车自动装配线上试用获得了成功这种新型的工业控制装置以其简单易懂操作方便可靠性高通用灵活体积小使用寿命长等一系列优点很快地在美国其他工业领域推广应用.到1971年已经成功地应用于食品饮料冶金造纸等工业这一新型工业控制装置的出现也受到了世界其他国家的高度重视1971日本从美国引进了这项新技术很快研制出了日本第一台PLC1973年西欧国家也研制出它们的第一台PLC我国从1974年开始研制于1977年开始工业应用。
二.PLC的定义
PLC问世以来尽管时间不长但发展迅速为了使其生产和发展标准化美国电气制造商协会NEMA(NationalElectricalManufactoryAssociation)经过四年的调查工作于1984年首先将其正式命名为PC(ProgrammableController),并给PC作了如下定义。
PC是一个数字式的电子装置它使用了可编程序的记忆体储存指令用来执行诸如逻辑顺序计时计数与演算等功能并通过数字或类似的输入/输出模块以控制各种机械或工作程序一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能着亦被视为PC但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器以后国际电工委员会(IEC)又先后颁布了PLC标准的草案第一稿第二稿并在1987年2月通过了对它的定义。
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。
总之可编程控制器是一台计算机它是专为工业环境应用而设计制造的计算机它具有丰富的输入/输出接口并且具有较强的驱动能力但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用在实际应用时其硬件需根据实际需要进行选用配置其软件需根据控制要求进行设计编制。
三、可编程控制器定义
(1987年国际电工委员会)可编程序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、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字的,模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
四、可编程控制器的产生
1.1968年,美国最大的汽车制造厂家通用汽车公司(GM公司)提出设想。
2.1969年,美国数字设备公司研制出了世界上第一台PC,型号为PDP-14。
3.第一代:
从第一台可编程控制器诞生到70年代初期。
其特点是:
CPU由中小规模集成电路组成,
存储器为磁芯存储器;
4.第二代:
70年代初期到70年代末期。
其特点是:
CPU采用微处理器,存储器采用EPROM;
5.第三代:
70年代末期到80年代中期。
其特点是:
CPU采用8位和16位微处理器,有些还采用多
微处理器结构,存储器采用EPROM、EAROM、CMOSRAM等;
6.第四代:
80年代中期到90年代中期。
PC全面使用8位、16位微处理芯片的位片式芯片,处理速
度也达到1us/步;
7.第五代:
90年代中期至今。
PC使用16位和32位的微处理器芯片,有的已使用RISC芯片。
第二章可编程控制器的基本特点、发展趋势及应用领域
一.PLC的由来
在60年代汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成
的当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装随着生
产的发展汽车型号更新的周期愈来愈短这样继电器控制装置就需要经常地重
新设计和安装十分费时费工费料甚至阻碍了更新周期的缩短为了改变这
一现状美国通用汽车公司在1969年公开招标要求用新的控制装置取代继电器控
制装置并提出了十项招标指标即
1.编程方便现场可修改程序
2.维修方便采用模块化结构
3.可靠性高于继电器控制装置
4.体积小于继电器控制装置
5.数据可直接送入管理计算机
6.成本可与继电器控制装置竞争
7.输入可以是交流115V
8.输出为交流115V2A以上能直接驱动电磁阀接触器等
9.在扩展时原系统只要很小变更
10.用户程序存储器容量至少能扩展到4K
一、可编程控制器的基本特点
1、灵活、实用
2、可靠性高、抗干扰能力强
3、编程简单、使用方便
4、接线简单
5、功能强
6、体积小、重量轻、易于实现自动化
二、可编程控制器的发展趋势
1.向高速度、大存储容量方向发展CPU处理速度进一步加快,存储容量进一步扩大
2.控制系统将分散化分散控制、集中管理的原则。
3.可靠性进一步提高随着PC进入过程控制领域,对可靠性的要求进一步提高。
硬件冗余的容错技术将
进一步应用。
4.控制与管理功能一体化PC将广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术,使PC系
统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。
三、PLC的应用领域
1、开关量逻辑控制
2、模拟量闭环控制
3、数据量的职能控制
4、数据采集与监控
5、通讯联网与集算散控制
第三章可编程控制器的组成
(一)硬件构成
1、中央处理单元(CPU)
(1)诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。
(2)采集现场的状态或数据,并送入PLC的寄存器中。
(3)逐条读取指令,完成各种运算和操作。
(4)将处理结果送至输出端。
(5)响应各种外部设备的工作请求。
2、存储器(ROM/RAM)
(1)系统程序存储器(ROM)用以存放系统管理程序、监控程序及系统内部数据,PLC出厂前已将其固化在只读存储器
ROM或PROM中,用户不能更改。
(2)用户存储器(RAM)包括用户程序存储区和工作数据存储区。
这类存储器一般由低功耗的CMOS-RAM构成,其中
的存储内容可读出并更改。
掉电会丢失存储的内容,一般用锂电池来保持。
注意:
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、可编程控制器输入端口电路
开关量输入接口电路:
采用光电耦合电路,将限位开关、手动开关、编码器等现场输入设备的控制信号转换成CPU所能
接受和处理的数字信号。
PLC的输入接口电路(直流输入型)
4、可编程控制器输出接口电路
开关量输出接口电路:
采用光电耦合电路,将CPU处理过的信号转换成现场需要的强电信号输出,以驱动接触器、电磁阀等外部设备的通断电。
有三种类型:
第一:
继电器输出型:
为有触点输出方式,用于接通或断开开关频率较低的直流负载或交流负载回路。
第二:
晶闸管输出型:
为无触点输出方式,用于接通或断开开关频率较高的交流电源负载。
第三:
晶体管输出型:
为无触点输出方式,用于接通或断开开关频率较高的直流电源负载。
第四章可编程控制器的工作原理
一、常见控制方式比较
继电器控制系统:
硬逻辑并行运行的方式
计算机控制系统:
采用等待命令的工作方式,如键盘扫描方式或I/O扫描方式
可编程控制器控制系统:
循环扫描工作方式,即系统工作任务管理及应用程序执行都是按循环扫描方式完成的
二、可编程控制器工作原理
1、可编程控制器在开机后,完成内部处理、通信处理、输入刷新、程序执行、输出刷新五个工作阶段,称为一个扫描周期。
完成一次扫描后,又重新执行上述过程,可编程控制器这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。
信号传递过程(从输入到输出)
最终输出刷新:
将输出映像寄存器的状态写入输出锁存电路,再经输出电路传递输出端子,从而控制外接器件动作。
2、扫描周期和I/O滞后时间
可编程控制器在运行工作状态时,执行一次扫描操作所需要的时间称为扫描周期。
其典型值为1~100ms。
I/O滞后时间又称为系统响应时间,是指可编程控制器外部输入信号发生变化的时刻起至它控制的有关外部输出信号发生
变化的时刻之间的间隔。
I/O滞后现象的原因
(1)输入滤波器有时间常数
(2)输出继电器有机械滞后
(3)PC循环操作时,进行公共处理、I/O刷新和执行用户程序等产生扫描周期
(4)程序语句的安排,也影响响应时间
第五章FX2N系列PLC编程元件分类和编号
一、PLC编程元件的物理实质:
电子电路及存储器。
称“软继电器”
二、输入继电器X
可编程控制器输入接口的一个接线点对应一个输入继电器。
输入继电器的线圈只能由机外信号驱动,它可提供无数个常
开接点、常闭接点供编程时使用。
如图3.1。
FX2N系列的输入继电器采用八进制地址编号,X0~X267最多可达184点。
三、输出继电器Y
PLC输出接口的一个接线点对应一个输出继电器。
输出继电器的线圈只能由程序驱动,每个输出继电器除了为内部控制
电路提供编程用的常开、常闭触点外,还为输出电路提供一个常开触点与输出接线端连接。
驱动外部负载的电源由用户提供。
四、辅助继电器M
PLC内部有很多辅助继电器,和输出继电器一样,只能由程序驱动,每个辅助继电器也有无数对常开、常闭接点供编程
使用。
其作用相当于继电器控制线路中的中间继电器。
辅助继电器的接点在PLC内部编程时可以任意使用,但它不能直接驱
动负载,外部负载必须由输出继电器的输出接点来驱动。
辅助继电器M分类
辅助继电器分以下三种类型:
通用辅助继电器
M0-M499,共500个点
断电保持辅助继电器
M500-M1023及M1024-M3071共2572点。
特殊辅助继电器
M8000-M8255,共256个点。
特殊辅助继电器:
①只能利用其接点的特殊辅助继电器。
线圈由PLC自动驱动,用户只可以利用其接点。
例如:
M8000为运行监控用,PLC运行时M8000接通。
M8002为仅在运行开始瞬间接通的初始脉冲特殊辅助继电器。
②可驱动线圈型特殊辅助继电器。
用户激励线圈后,PLC作特定动作。
例如:
M8033为PLC停止时输出保持特殊辅助继电器。
M8034为禁止全部输出特殊辅助继电器。
M8039为定时扫描特殊辅助继电器。
五、状态器S
状态器S是构成状态转移图的重要软元件,它与后续的步进梯形指令配合使用。
通常状态继电器软元件有下面五种类型
1、初始状态继电器S0~S9共10点。
2、回零状态继电器S10~S19共10点。
3、通用状态继电器S20~S499共480点。
4、停电保持状态器S500~S899共400点。
5、报警用状态继电器S900~S999共100点。
六、定时器T
定时器作为时间元件相当于时间继电器,由设定值寄存器、当前值寄存器和定时器触点组成。
在其当前值寄存器的值等
于设定值寄存器的值时,定时器触点动作。
故设定值、当前值和定时器触点是定时器的三要素。
定时器累计PLC内的1ms,10ms,100ms等的时钟脉冲,当达到所定的设定值时,输出接点动作。
定时器可以使用用户
程序存储器内的常数K作为设定值,也可以用后述的数据寄存器D的内容作为设定值。
这里的数据寄存器应有断电保持功能。
定时器可以分为:
常规定时器T0~T245
积算定时器T246~T255
1、常规定时器的动作过程
2、积算定时器T246~T255
1ms积算定时器T246~T249共四点,每点设定值范围0.001s~32.767s;100ms积算定时器T250~T255共6点,每点设定值范围0.1s~3276.7s。
如图所示,当定时器线圈T250的驱动输入X1接通时T250用当前值计数器累计100ms的时钟脉冲个数,当该值与设定值K10相等时,定时器的输出接点输出,当计数中间驱动输入X0断开或停电时,当前值可保持。
输入X1再接通或复电时,计数继续进行,当累计时间为10×0.1s=1s时,输出接点动作。
当复位输入X1接通时,计数器就复位,输出接点也复位。
3、接点的动作时序
接点动作时序如图所示。
定时器在其线圈被驱动后开始计时,到达设定值后,在执行第一个线圈指令时,其输出接点动
作。
从驱动定时器线圈到其接点动作称为定时器接点动作精度时间t,t=T+T0-α。
七、计数器C
可编程控制器的计数器共有两种:
内部信号计数器和高速计数器。
内部信号计数器有分为两种:
16位递加计数器和32
位增减计数器。
1、16位递加计数器
设定值位1~32767。
其中,C0~C99共100点是通用型,C100~C199共100点是断电保持型。
下图表示了递加计数器的
动作过程。
八、数据寄存器D
在进行输入输出处理、模拟量控制、位置控制时,需要许多数据寄存器存储数据和参数。
数据寄存器为16位,最高位
为符号位,可用两个数据寄存器合并起来存放32位数据,最高位仍为符号位。
数据寄存器分成下面几类:
通用数据寄存器D0~D199共200点
断电保持/锁存寄存器D200~D7999共7800点
特殊数据寄存器D8000~D8255共256点
文件数据寄存器D1000~D7999共7000点
1、通用数据寄存器D0~D199共200点
一旦在数据寄存器写入数据,只有不再写入其他数据,就不会变化。
但是当PLC由运行到停止或断电时,该类数据寄存器的数据被清除为0。
但是当特殊辅助继电器M8033置1,PLC由运行转向停止时,数据可以保持。
2、断电保持/锁存寄存器D200~D7999共7800点断电保持/锁存寄存器有断电保持功能,PLC从RUN状态进入STOP状态时,断电保持寄存器的值保持不变。
利用参数设
定,可改变断电保持的数据寄存器的范围。
3、特殊数据寄存器D8000~D8255共256点这些数据寄存器供监视PLC中器件运行方式用。
其内容在电源接通时,写入初始值(先全部清0,然后由系统ROM安排写入初始值)。
例如,D8000所存的警戒监视时钟的时间由系统ROM设定。
若有改变时,用传送指令将目的时间送入D8000。
该值在PLC由RUN状态到STOP状态保持不变。
未定义的特殊数据寄存器,用户不能用。
4、文件数据寄存器D1000~D7999共7000点文件寄存器是以500点为一个单位,可被外部设备存取。
文件寄存器实际上被设置为PLC的参数区。
文件寄存器与锁存
寄存器是重叠的,可保证数据不会丢失。
FX2N系列的文件寄存器可通过BMOV(块传送)指令改写
九、变址寄存器(V/Z)
变址寄存器除了和普通的数据寄存器有相同的使用方法外,还常用于修改器件的地址编号。
V、Z都是16位的寄存器,
第六章PLC的编程语言和基本指令
一、可编程控制器的编程语言
不同厂家,不同型号的PLC的编程语言只能适应自己的产品。
IEC中的PLC编程语言标准中有五种编程语言:
顺序功能图编程语言、梯形图编程语言、功能块图编程语言、指令语句表编程语言、结构文本编程语言。
最常用的就是梯形图编程
语言和指令语句表编程语言。
1、梯形图编程语言
梯形图是在原继电器—接触器控制系统的继电器梯形图基础上演变而来的一种图形语言。
它是目前用得最多的PLC编程语言。
注意:
梯形图表示的并不是一个实际电路而只是一个控制程序,其间的连线表示的是它们之间的逻辑关系,即所谓“软接线”。
常开触点:
常闭触点:
线圈:
注意:
它们并非是物理实体,而是“软继电器”。
每个“软继电器”仅对应PLC存储单元中的一位。
该位状态为“1”时,对应的继电器线圈接通,其常开触点闭合、常闭触点断开;状态为“0”时,对应的继电器线圈不通,其常开、常闭触点保持原态。
2、梯形图编程格式
(1)梯形图按行从上至下编写,每一行从左往右顺序编写。
PLC程序执行顺序与梯形图的编写顺序一致。
(2)图左、右边垂直线称为起始母线、终止母线。
每一逻辑行必须从起始母线开始画起,终止于继电器线圈或终止母线(有些PLC终止母线可以省略)。
(3)梯形图的起始母线与线圈之间一定要有触点,而线圈与终止母线之间则不能有任何触点。
3、指令语句表编程语言
助记符语言类似于计算机汇编语言,用一些简洁易记的文字符号表达PLC的各种指令。
同一厂家的PLC产品,其助记符语言与梯形图语言是相互对应的,可互相转换。
助记符语言常用于手持编程器中,梯形图语言则多用于计算机编程环境中。
案例
在生产实践过程中,某些生产机械常要求既能正常起动,又能实现调整位置的点动工作。
试用可编程控制器的基本逻辑指令来控制电动机的点动及连续运行。
1、异步电动机控制线路图
图(a)为主电路。
工作时,合上刀开关QS,三相交流电经过QS,熔断起FU,接触器KM主触点,热继电器FR
至三相交流电动机。
图(b)为最简单的点动控制线路。
起动按钮SB没有并联接触器KM的自锁触点,按下SB,KM线圈通电,松开
按钮SB时,接触器KM线圈又失电,其主触点断开,电动机停止运转。
图(c)是带手动开关SA的点动控制线路。
当需要点动控制时,只要把开关SA断开,由按钮SB2来进行点动控制。
当需要正常运行时,只要把开关SA合上,将KM的自锁触点接入,即可实现连续控制。
图(d)中增加了一个复合按钮SB3来实现点动控制。
需要点动运行时,按下SB3点动按钮,其常闭触点先断开自锁
电路,常开触发后闭合接通起动控制电路,KM接触器线圈得电,主触点闭合,接通三相电源,电动机起动运转。
当松开
点动按钮SB3时,KM线圈失电,KM主触点断开,电动机停止运转。
若需要电动机连续运转,由停止按钮SB1及起动按钮SB2控制,接触器KM的辅助触点起自锁作用。
2、可编程控制器的硬件连接
实现电动机的点动及连续运行所需的器件有:
起点按钮SB1,停止按钮SB2,交流接触器KM,热继电器JR及刀
开关QS等。
主电路的连接如图所示。
3、梯形图的设计
梯形图便是是以图形符号及图形符号在图中的相互关系表示控制关系的编程语言,是从继电器电路图演变而来。
两者部分
符号对应关系如表所示。
根据输入输出接线圈可设计出异步电动机点动运行的梯形图如图(a)所示。
工作过程分析如下:
当按下SB1时,输入
继电器X0得电,其常开触点闭合,因为异步电动机未过热,热继电器常开触点不闭合,输入继电器X2不接通,其常闭触
点保持闭合,则此时输出继电器Y0接通,进而接触器KM得电,其主触点接通电动机的电源,则电动机起动运行。
当松
开按钮SB1时,X0失电,其触点断开,Y0失电,接触点KM断电,电动机停止转动,即本梯形图可实现点动控制功
能。
大家可能发现,在梯形图中使用的热继电器的触点为常开触点,如果要使用常闭触点,梯形图应如何设计?
图(b)为电动机连续运行的梯形图,其工作过程分析如下:
当按SB1被按下时X0接通,Y0置1,这时电动机连续运行。
需要停车时,按下停车按钮SB2,串联于Y0线圈回路中的X1的常闭触点断开,Y0置1,电机失电停车。
起--保--停电路
梯形图(b)称为启-保-停电路。
这个名称主要来源于图中的自保持触点Y0。
并联在X0常开触点上的Y0常开触点的
作用是当钮SB1松开,输入继电器X0断开时,线圈Y0仍然能保持接通状态。
工程中把这个触点叫做“自保持触点“。
启-保-停电路是梯形图中最典型的单元,它包含了梯形图程序的全部要素。
它们是:
a、事件每一个梯形图支路都针对一个事件。
事件输出线圈(或功能框)表示,本例中为Y0。
b、事件发生的条件梯形图支路中除了线圈外还有触点的组合,使线圈置1的条件既是事件发生的条件,本例中为起
动按钮X0置1。
c、事件得以延续的条件触点组合中使线圈置1得以持久的条件。
本例中为与X0并联的Y0的自保持触点。
d、使事件终止的条件触点组合中使线圈置1中断的条件。
本例中为X1的常闭触点断开。
4、语句表
点动控制即图(a)所使用到的基本指令有:
从母线取用常开触点指令LD;常闭触点的串联指令ANI;输出继电器的
线圈驱动指令OUT。
而每条指令占用一个程序步,语句表如下
连续运行控制即图(b)所使用到的基本指令有:
从母线取用常开触点指令LD;常开触点的并联指令OR;常闭触点
的串联指令ANI;输出继电器的线圈驱动指令OUT。
语句表如下:
第七章PLC程序设计步骤及编程技巧
一、PLC程序设计基本步骤
(1)根据控制要求,确定控制的操作方式(手动、自动、连续、单步等),应完成的动作(动作的顺序和动作条件),以及必须的保护和联锁;还要确定所有的控制参数,如转步时间、计数长度、模拟量的精度等。
(2)根据生产设备现场的需要,把所有的按钮、限位开关、接触器、指示灯等配置按照输入、输出分类;每一类型设备按顺序分配输入/输出地址,列出PLC的I/O地址分配表。
每一个输入信号占用一个输入地址,每一个输出地址驱动一个外部负载。
(3)对于较复杂的控制系统,应先绘制出控制流程图,参照流程图进行程序设计。
可以用梯形图语言,也可以用助记符语言。
(4)对程序进行模拟调试、修改,直至满意为止。
调试时可采用分段调试,并利用计算机或编程器进行监控。
(5)程序设计完成后,应进行在线统调。
开始时先带上输出设备(如
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