可编程控制器原理与程序设计(第2版)[谢克明]第1章.ppt
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1、*1 可编程控制器 原理与程序设计 *2 本课程的主要内容 n第章 基础 n第章 的接线 n第章 的存储区分配 n第章 的指令系统 n第章 模拟量单元 n第章 串行通信 n第章 程序设计 n第章 编程软件 n第章 编程练习 n第0章 实验 n第1章 的软件仿真 *3 第章 基础 概述 的一般结构 的工作程序 梯形图 控制系统设计 欧姆龙公司简介 *4 1.1.1 PLC的定义 1:可编程序控制器的产生 在PLC的发展历程中,有过几个不同的名称: 可编程序矩阵控制器PMC(Programmable Matrix Controller) 可编程序顺序控制器PSC(Programmable Sequ
2、ence Controller ) 可编程序逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller) PLC的历史: 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,提出了十条技术指标在社会 上公开招标,以期望制造一种新型的工业控制装置。 .1 概述 *5 n用户角度提出新一代控制器应具备以下十大条件 n(1)编程简单,可在现场修改程序; n(2)维护方便,更好是插件式; n(3)可靠性高于继电器控制柜; n(4)体积小于继电器控制柜; n(5)可将数据直接送入管理计算机; n(6)在成本上可与继电器控制柜竞争; n(7)输入可以是
3、交流115V(即用美国的电网电压); n(8)输出为交流115V、2A以上,能直接驱动电磁阀; n(9)在扩展时,原有系统只需要很小的变更; n(10)用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。 *6 1969年美国数字设备公司(DEC)根据招 标的要求,研制出世界上第一台可编程序控 制器,并在GM公司汽车生产线上首次应用成 功。 1980年美国电气制造商协会(NEMA)正 式将其命名为可编程序控制器( Programmable Controller),简称 PC。但是 为了和个人计算机(个人电脑)的简称PC相 区别,人们常常把可编程序控制器仍简称为 PLC。 *7 2: 可编程控制器的定义 国际
4、电工委员会( IEC)于 1987年对可编程序控制器作了 如下的定义:“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命令,并通过数字式和模拟式的输 入输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器 及其有关设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体, 易于扩展其功能的原则设计”。 简言之,PLC就是以嵌入式CPU为核心,配以输入、输出等模 块,可以方便地用于工业控制领域的装置。PLC与机器人、 计算机辅助设计与制造一起称为现代工业的三大支柱。 *8 1.1.2 PL
5、C的特点 PLC继电器 采用存储逻辑,为“软接线 ” 硬接线逻辑 灵活性和扩展性好灵活性和扩展性差 连线少,体积小,功耗小连线多,体积大,功耗大 1.与继电器控制逻辑相比较 *9 2 . 与微型计算机相比较 1)应用范围 微机应用范围广,PLC主要用于工业控制。 2)环境要求 微机对环境要求高,要求干扰小,温度、湿度适宜。PLC用 于工业现场环境。 3)输入输出 微机I/O口不需要电气隔离;PLC的I/O口需要电气隔离。 4)程序设计 微机系统具有丰富的程序设计语言,要求使用者必须具有 一定水平的计算机软硬件知识,PLC提供给用户的编程语 句数量少,逻辑简单,易于学习和掌握。 *10 5)系统
6、功能 微机一般配有较强的系统软件,能进行设备管理、文 件管理、存储器管理等,还配有许多应用软件,以方 便用户。 PLC一般只有简单的监控程序,能完成故障检查,用 户程序的输入和修改、用户程序的执行与监视等功能 。 6)运算速度和存储容量 微机运算速度快,目前可达到纳秒级,存储容量大。 PLC因接口的响应速度慢而影响数据处理速度,一般 接口响应速度为2ms,PLC的软件少,编程也简短,故 内存容量小。 7)价格 微机是通用机,功能完善,价格较高。 PLC是专用机,功能较少,价格便宜。 *11 n 总之,从适应范围来看,PLC是一种用于工业自动化的 专用微机控制系统,结构简单,抗干扰能力强,易于学
7、习和 掌握,价格也比一般的微机系统便宜。而微机是通用机,从 工业控制角度来说,PLC是控制通用机,而微机是可以作成 某一控制设备的专用机。 n 从长远来看,由于PLC的功能不断增强,更多的采用微 机技术,而微机也为了适应用户需要,更耐用、更易维护的 计算机将投放市场,这样两者相互渗透,使PLC和微机的界 限会变得越来越模糊,二者将长期共存,各用所长,共同发 展。 *12 1.1.2 PLC的特点 1.可靠性好,抗干扰能力强 “专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机” 2.功能完善:功能强,扩充方便,性能价格比高。 3.编程简单,使用方便。 PLC采用梯形图语言编程,容易掌握。 4.在线编程:在工
8、业现场,用手持编程器或笔记本电脑可对PLC 进行编程,当PLC联网后,可在网络的任一位置对PLC编程。 5.容易安装,便于维护:采用模块化结构,现场安装非常简单 ,维修方便。 6.体积小、重量轻、功耗低:是“机电一体化”特有的产品 。 7.价格便宜 *13 1.1.3 PLC的用途 n1 逻辑控制 可编程序控制器具有“与”、“或”、“非”等逻辑运算 的能力,可以实现逻辑运算,用触点和电路的串、 并联,可代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制 与顺序逻辑控制。 n2 过程控制(模拟量控制) 可编程序控制器可以接收温度、压力、流量等连续 变化的模拟量,通过模拟量I/0模块,实现模拟量 (Analog
9、)和数字量(Digital)之间的A/D转换和D/A 转换,并对被控模拟量实行闭环PID(比例-积分- 微分)控制。 *14 n3 位置、速度控制(闭环调节控制) n4 数据监控 :PLC具有数学运算、数据传送、转换 、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。 n5 组成大型控制网络 可编程序控制器的通信包括主机与远程I/0之间的通 信、多台可编程序控制器之间的通信、可编程序控 制器和其他智能控制设备(如计算机、变频器)之间 的通信。可编程序控制器与其他智能控制设备一起 ,可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系 统。 *15 1.1.4 PLC的发展 n1 小型、微型
10、化 n2 大型、超大型化 n3 智能化 n为了进一步简化在专用控制领域的系统设计及编程,专用智 能I/O单元越来越多,这些单元具有智能模糊控制、智能PID 控制、智能位置控制、温度控制、远程通信、语言处理模块 、专用数控模块、计算模块等功能,这些模块的一个特点就 是本身具有CPU,能独立工作,它们与PLC主机并行操作,无 论在速度、精度、适应性、可靠性等各方面PLC进行了极好 的补充;他们与PLC紧密结合,有助于克服PLC扫描工作方式 的局限,完成PLC本身无法完成的许多功能,这些模块的编 程、界限都与PLC一致,使用非常方便,且根据需求正在推 出新的智能单元。 *16 n4 CPU能力更强
11、n5 支持更多的工业总线 支持多种工业标准总线,使联网更加容易和简单,更易 于组成工程控制网。 n6 编程软件标准化 采用国际标准化的编程语言,可大大缩短开发周期。 n7 人机交流功能增强 配置操作面板、触摸屏等人机对话手段,可使其应用领 域进一步扩展,应用更加方便。 n8 数据处理能力大大增强 *17 n1 按照结构分类 (1) 整体式结构 (单元式结构) 。整体式结 构将CPU、存储器、I/O单元、电源、通信等部件都 装在一个金属或塑料壳之中,即将所有的部件都装 入一个模块内,构成一个整体。整体式的PLC可以 直接装入机床或电控柜中。 特点:结构紧凑、体积小,成本低,安装方便,易 于与被控
12、设备组合成一个整体。适用于点数较少的 系统,一般都是小型或微型PLC。 1.1.5 PLC的分类 *18 整体式结构 图1 整体式结构框图 *19 (2)模块式结构。 将CPU、电源、I/O单元、电源、通信等分 别做成模块,在应用中根据需要PLC采用搭积木的方式组成系 统。在一个机架上插上CPU、电源、I/O模块及特殊功能单元 ,以构成一个总I/O点数很多的大规模综合控制系统。适用于 大、中型PLC. 特点: 配置非常灵活,可以根据不同的系统规模选用不同 档次CPU及各种I/O模块、功能模块。其模块尺寸统一、安装 整齐,对于I/O点数很多的系统选型、安装调试、扩展、维修 等都非常方便。要组成一
13、个系统,只需在一块基板上插上CPU 、电源、输入、输出模块及其他诸如通讯、模数转换、数模 转换等特殊功能模块,就能构成一个总I/O点数很多的大规模 综合控制系统。故适用于大、中型PLC。这种结构形式PLC除 了各种模块以外,还需要用机架(主机架、扩展机架)将各 模块联成整体;有多块机架时,则还要用电缆将各机架联在 一起。 *20 模块式结构框图 模块式结构框图 *21 模块式 Power in a Small Package! 电源模块 CPU模块 IO模块 底 板 *22 (3) 整体模块混合式。 特点:将前二者的优点结合起来,其CPU、电源 、I/O等单元也是各自独立的模块,但他们相互 的
14、联结安装不需要基板(机架),仅用电缆进行 单元间联结即可,且各模块可以一层层叠装。这 样,不但系统可以灵活配置,还可作得体积小巧 。 *23 混合式PLC结构 混合式PLC结构框图 *24 1.1.5 PLC的分类 n2 按照I/O点数分类 (1)小型: 低档PLC,I/O点数 128点。 小型特别是超小型的PLC的I/O不是以模块形式出现,而 是和中央处理器、电源等组装在一个整体式结构中,I/O的 容量(点数)受到一定的限制,且以开关量为主。 (2)中型: 128点 I/O点数 512点。 中型以上的PLC都采用I/O模块形式,且多数和中央处理 器、电源等模块分离安装,以便于I/O容量的扩展
15、,模块种 类也多样化,可任意混装(即无固定安装位置),以便灵 活的构成用户所需要的控制系统。 (3)大型: I/O点数512点。 *25 3 3按生产厂家分类按生产厂家分类 n德国西门子公司 n日本OMRON公司 n美国ROCKWELL公司 n法国施耐德公司 nGE-FANAC公司 n日本三菱公司 n日本松下电工公司 n日本日立公司 n日本东芝公司 n日本富士公司 *26 1.1.6 PLC的主要技术指标 n 用户在选用PLC时,首先要了解PLC的结构和性 能。若只需大致了解PLC的性能。一般可用CPU芯片 、编程语言、用户程序容量、扫描速度(ms/k)、 I/O点数这五方面情况予以反映。一般
16、,CPU档次高 、编程语言完善、用户程序容量大、扫描速度快、 I/O点数多,则PLC性能就好,功能就强,价格也就 较高了。 *27 n1. 用户存储器容量 PLC的存储器由系统程序存储器,用户程序 存储器和数据存储器三部分组成。PLC中的 用户存储器由后两部分组成。PLC存储容量 通常指用户程序存储器和数据存储器容量 之和,表征系统提供给用户的可用资源, 是系统性能的一项重要技术指标。该存储 器的容量越大,可编制的程序越复杂。一 般小型机的用户存储器容量为几千字,大 型机的用户存储器容量为几万字。 *28 2. I/O点数 I/O点数是指PLC可以接受的输入开关信号(外部输 入) 和输出开关信
17、号的总和。它是描述PLC大小的 一个重要的参数。 3. 模数和数模通道数 为输入和输出的模拟量总和。 *29 4. 扫描速度 PLC采用循环扫描方式工作,完成1次扫描所需的时 间叫做扫描周期。扫描速度是指PLC扫描1K字用户程 序所需的时间,常常以ms/K为单位,扫描速度越快 越好。一般1000条指令执行时间为10ms左右。小型 或超小型的机器扫描时间可能大于40ms。影响扫描 速度的主要因素有用户程序的长度和PLC产品的类型 。PLC中CPU的类型、机器字长等直接影响PLC运算精 度和运行速度。 5. 指令数量和功能 指令系统是指PLC所有指令的总和。可编程控制器的 编程指令越多,软件功能就
18、越强,但掌握应用也相 对较复杂。用户应根据实际控制要求选择合适指令 功能的可编程控制器。 *30 6. 内部寄存器的配置和容量 7. 特殊功能单元 8. 可扩展性 输入点数、输出点数、存储容量、联网功能及可 扩展的模块数等 9. 诊断功能 10. 通信接口 *31 1.2 PLC的一般结构 n1.2.1 基本结构 1.整体式PLC结构 *32 n 整体式结构将CPU、存储器、ROM、I/O接口、电 源、通信等部件都装在一个金属或塑料壳之中,即 将所有的电路都装入一个模块内,构成一个整体。 单元式的PLC可以直接装入机床或电控柜中。 n小型PLC主要是指I/O点数较少的系统,而小型系统 都是采用
19、这种单元式结构形式。 n特点:结构紧凑、体积小,成本低,安装方便、易 于与被控设备组合成一个整体。 n一般都是小型或微型PLC。适用于点数较少的系统。 n *33 1.2 PLC的一般结构 2.模块式PLC结构 模块式PLC是采用搭积木的方式组成系统。在一个机架 上插上CPU、电源、I/O模块及特殊功能单元,构成一个总 I/O点数很多的大规模综合控制系统。 *34 n模块式特点是:CPU为独立的模块,输入单元、输 出单元也是独立的模块。电源、通信等也分别作 成模块,因此配置非常灵活,可以根据不同的系 统规模选用不同档次CPU及各种I/O模块、功能模 块。其模块尺寸统一、安装整齐,对于I/O点数
20、很 多的系统选型、安装调试、扩展、维修等都非常 方便。要组成一个系统,只需在一块基板上插上 CPU、电源、输入、输出模块及其他诸如通讯、模 数转换、数模转换等特殊功能模块,就能构成一 个总I/O点数很多的大规模综合控制系统。故适用 于大、中型PLC。 n这种结构形式PLC除了各种模块以外,还需要用机 架(主机架、扩展机架)将各模块联成整体;有 多块机架时,则还要用电缆将各机架联在一起。 *35 3 混合式PLC结构 *36 可编程 控制器 主机 可编程 控制器 编程器 图 可编程控制器及编程器 *37 nPLC主要由CPU、存储器、基本I/O接口电 路、外设接口、编程装置、电源等组成。 1.2
21、.2 PLC各部分电路介绍 *38 1. CPU 芯片 nCPU是可编程控制器的控制中枢,相当于人的 大脑。一般由控制电路、运算器和寄存器组成 。 CPU作用为: n(1)从程序存储器读取程序指令,编译、执行 指令 (2)将各种输入信号取入 (3)把运算结果送到输出端 (4)响应各种外部设备的请求 *39 现代PLC使用的CPU主要有以下几种: n通用微处理器:如8080、6800、Z80A、8086等。价格便 宜,通用性强。 n单片机:如8051等。单片机由于集成度高、体积小、价 格低和可扩充性好,很适合在小型PC上使用,也广泛地 用于PC的智能I/O模块。 n位片式微处理器:如AMD290
22、0系列等。位片式微处理器 是独立于微型机的另一分支。它主要追求运算速度快, 它以4位为一片。用几个位片级联,可以组成任意字长 的微处理器。 小型PLC多采用8位微处理器或单片机作为CPU 中型PLC多采用16位微处理器或单片机作为CPU 大型PLC多采用高速位片式微处理器 *40 n2. 存储器 nPLC的存储器由只读存储器ROM、随机存储器RAM 和可电擦写的存储器EEPROM三大部分构成,主要 用于存放系统程序、用户程序及工作数据。系统 程序一般存放在EEPROM中,用户程序及工作数据 放在有后备电池的RAM中。 RAM:存储各种暂存数据、中间结果、用户正调 试的程序。 ROM:存放监控程
23、序和用户已调试好的程序。 *41 n3. 输入/输出电路 n是PLC与现场工业设备连接的电路。现场的开关通过输入电路 输入PLC。PLC 输出的开关信号则通过输出电路输出到工业设 备。采用光电隔离,实现了PLC的内部电路与外部电路的电气 隔离,减小了电磁干扰。 n输入电路:将按钮、行程开关或传感器等产生的信号,转换成 数字信号送入主机。 输出电路:将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电 路的信号,以便控制接触器线圈等电器通断电;另外输出电路 也使计算机与外部强电隔离。 输出电路有三种输出形式: 继电器 - 低速大功率 可控硅 - 高速大功率 晶体管 - 高速小功率 *42 n4.电源模块
24、 nPLC电源的输入电压有直流12V、24V、48V和交流110V、 220V,PLC电源模块的输出一般为5V和24V,用以向CPU、 存储器等提供工作电源。 n5 .通信接口 一般至少有一个RS232或RS485通信口。通信有PLC之间 的通信和PLC与其他设备之间的通信。通信主要涉及通信 模块、通信接口、通信协议和通信指令等内容。PLC的组 网和通信能力也已成为PLC产品水平的重要衡量指标之一 。 n6.特殊功能单元 *43 n7. 编程器 PLC采用的编程器有下面三种类型: 1)简易编程器:用于小型和超小型PLC。 2)CRT编程器:用于中大规模PLC,可显示梯形图、数据信 息和报警信息
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