SIMATICS7-300400PLC原理及应用.ppt

SIMATIC S7-300/400PLC 原理及应用,第一章 可编程控制器概述,学习情境1：PLC在攀钢的广泛应用,知识目标： 1、理解PLC的定义，PLC的功能及主要特点。 2、了解PLC的分类及发展趋势。 3、了解PLC在整个工业自动化控制网络中的重要地位及典型引用。,能力目标： 1、掌握PLC的结构，PLC的工作原理技术性能指标。 2、理解PLC与其他工业控制装置的比较。,学习情境1：PLC在攀钢的广泛应用,随着电气控制设备，尤其是电子计算机的迅猛发展，工业生产自动化控制技术也发生了深刻的变化。 可编程控制器已经成为自动化控制系统的核心器件。 可编程控制器在取代传统电气控制方面有着不可比拟的优点，在自动化领域已形成了一种工业控制趋势。,前 言,图1-1 PLC在自动生产线上的应用,1. PLC在现代工业自动化控制中的重要地位,2. 可编程控制器（PLC）的定义 可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的计算机控制系统。它采用可编程序的存储器，能够执行逻辑控制、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作功能，并通过开关量、模拟量的输入和输出完成各种机械或生产过程的控制。它具有丰富的输入、输出接口，并且具有较强的驱动能力，其硬件需根据实际需要选配，其软件则需根据控制要求进行设计。,图1-2 PLC家族,3. 可编程控制器（PLC）的名称的由来 早期的可编程控制器只能进行逻辑控制，因此被称为可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC。 随着计算机技术的发展，开始采用微处理器作为可编程控制器的中央处理单元，从而扩大了其功能，现在的可编程控制器不仅可以进行逻辑控制，还可以实现顺序控制、定时、计数和算术运算等操作及通信联网的功能。后来美国电气制造协会将它命名为可编程控制器(Programmable Controller)，简称PC。但PC这个名称已成为个人计算机(Personal Computer)的专称，所以现在仍然把可编程控制器简称为PLC。,返回目录,1. PLC的产生 世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。 1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程控制器。 随后日本、德国先后研制出自己的可编程控制器。,1.1 可编程控制器的发展过程及基本功能,1.1.1 可编程控制器的发展过程,2. PLC的发展过程 第一阶段：初级阶段（1969至70年代中期） 主要是逻辑运算、定时和计数功能，没有形成系列。与继电器控制相比，可靠性有一定提高。CPU由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器。 第二阶段：扩展阶段（70年代中期至末期） PLC产品的控制功能得到很大扩展，包括数据的传送、数据的比较和运算、模拟量的运算等功能。增加了数字运算功能，能完成模拟量的控制。开始具备自诊断功能，存储器采用EPROM。,第三阶段：通信阶段（70年代中末期至80年代中期） PLC随着计算机通信的发展，形成了分布式通信网络。PLC就已经从汽车行业迅速扩展到其它行业，作为继电器的替代品进入了食品、饮料、金属加工、制造和造纸等多个行业。 代表产品有西门子公司的 SIMATIC S5系列（见图1-3）， 富士的MICRO等，这类PLC部 分仍在使用。,图1-3 SIMATIC S5 PLC,第四阶段：开放阶段（80年代中期至今） 通信系统开放，使各制造厂商的产品可以通信，通信协议开始标准化，使用户得益。 PLC开始采用标准化软件系统，并完成了编程语言标准化工作。 代表产品有西门子公司的S7，AB公司的SLC500等（见图1-4） 。,图1-4 S7-200系列、 AB- SLC500系列PLC,3. PLC的发展方向 （1）低档PLC向小型化、简易廉价方向发展，使之能更加广泛地取代继电器控制。 （2）中高档PLC向大型、高速、多功能方向发展，使之能取代工业控制机的部分功能，对复杂系统进行综合性自动控制。,1. 逻辑控制 PLC具有 “与” 、“或”、“非”功能，能够描述继电器触点的串联、并联、串并联等各种连接，因此它可以代替继电器进行组合逻辑与顺序逻辑控制。,1.1.2 可编程控制器的基本功能,2. 定时与计数控制 PLC具有定时、计数功能，它为用户提供了若干个定时器、计数器，并设置了定时、计数指令，定时值、计数值可由用户在编程时设定，以满足生产工艺的要求。,3. 步进控制 PLC能完成步进控制功能，步进控制是指在完成一道工序以后，再进行下一步工序，也就是顺序控制。,4. A/D、D/A转换 PLC具有“模数”转换(A/D)和“数模”转换(D/A)功能，能完成对模拟量的控制与调节。,5. 数据处理 PLC具有数据处理能力，能进行数据并行传送、比较和逻辑运算，BCD码的加、减、乘、除等运算，还能进行字“与”、 字“或” 、字“异或” 、求反、逻辑移位、算术移位、数据检索、比较及数制转换等操作。,6. 通信与联网 现代PLC采用了通信技术，可以进行远程I/0控制，多台PLC之间可以进行连接，还可以与计算机进行通信。由一台计算机和若干台PLC可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以完成较大规模的复杂控制。,图1-5 PLC网络,7. 控制系统监控 现代PLC配置有较强的监控功能，操作人员通过监控命令可以监视有关部分的运行状态，可以调整定时或计数等设定值，因而调试、使用和维护方便。,返回目录,1. 高可靠性 高可靠性是PLC最突出的特点之一。PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，另外还采取了屏蔽、滤波、隔离等抗干扰措施。它的平均故障间隔时间为35万小时以上。,1.2 可编程控制器的特点、性能指标及分类,1.2.1 可编程控制器的特点,3. 便于改进和修正 相对传统的电气控制线路，可编程控制器为改进和修订原设计提供了极其方便的手段。以前也许要花费几周的时间，而用可编程控制器也许只用几分钟就可以完成。,2. 灵活性 过去，电气工程师必须为每套设备配置专用控制装置。有了可编程控制器，只需编写不同应用软件即可，而且可以用一台可编程控制器控制几台操作方式完全不同的设备。,5. 丰富的I/0接口 PLC除了具有计算机的基本部分如CPU、存储器等以外，还有丰富的I/0接口模块。对不同的工业现场信号(如交流、直流、电压、电流、开关量、模拟量、脉冲等)，都有相应的I/0模块与工业现场的器件。另外有些PLC还有通信模块、特殊功能模块等。,4. 节点利用率提高 传统电路中一个继电器只能提供几个节点用于连锁，在可编程控制器中，一个输入中的开关量或程序中的一个“线圈”可提供用户所需要的任意个连锁节点，节点在程序中可不受限制地使用。,6. 模拟调试 可编程控制器能对所控功能在实验室内进行模拟调试，缩短现场的调试时间。,8. 梯形图及布尔代数并用 可编程控制器的程序编制可采用电气技术人员熟悉的梯形图方式，也可以采用程序员熟悉的布尔代数图形方式。,7. 快速动作 传统继电器节点的响应时间一般需要几百毫秒，而可编程控制器里的节点反应很快，内部是微秒级的，外部是毫秒级的。,9. 对现场进行微观监视 操作人员能通过显示器上的编程软件可以观测到所控每一个节点的运行情况，随时监视事故发生点。,图1-6 现场监控,10. 体积小、质量轻、功耗低 由于采用半导体集成电路，与传统控制系统相比较，其体积小、质量轻、功耗低。,11. 编程简单、使用方便 PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。例如目前PLC大多数采用梯形图语言编程方式，它继承了传统控制线路的清晰直观感，很容易被技术人员所接受，易于编程，程序改变时也易于修改。,当然，PLC也并非十全十美，其缺点是价格还比较高。一般来说，价格比继电器控制系统高，比一般单板机系统也高。,1. 编程语言 PLC常用的编程语言有梯形图、指令表、流程图及某些高级语言等。目前使用最多的是梯形田和指令表。,1.2.2 可编程控制器的性能指标,2. I/O总点数 PLC的输入和输出量有开关量和模拟量两种。开关量I/O用最大I/0点数表示，模拟量I/O点数则用最大I/O通道数表示。,3. 内部继电器的种类和数目 包括普通继电器、保持继电器、特殊继电器等。,4. 用户程序存储量 用户程序存储器用于存储通过编程器输入的用户程序，其存储量通常是以字/字节为单位来计算。16位二进制数为一个字，8位为一个字节，每1024个字为1K字。中小型PLC的存储容量一般在8K字以下，大型PLC的存储容量有的已达96K字以上。通常一般的逻辑操作指令每条占一个字，数字操作指令占2个字。,5. 速度 以ms/K字为单位表示。例如：20ms/K字，表示扫描1K字的用户程序需要的时间为20ms。,6. 工作环境 一般能在下列条件下工作：温度0-55ºC，湿度小于80。,7. 特种功能 有的PLC还具有某些特种功能。例如自诊断功能，通信联网功能，监控功能，特殊功能模块，远程I/0能力等。,1. 按结构形式分类 （1） 整体式: PLC是将电源、中央处理器，输入、输出部件等集中配置在一起。整体式PLC结构紧凑，体积小，质量小，价格低，I/0点数固定，使用不灵活。小型PLC常采用这种结构。 （2）模块式: PLC把PLC的各部分以模块形式分开，如电源模块、CPU模块、输入模块、输出模块等，把这些模块插入机架底板上，组装在一个机架内。这种结构配置灵活，装配方便，便于扩展，一般中型和大型PLC常采用这种结构。,1.2.3 可编程控制器的分类,图1-7 整体式PLC,图1-8 模块式PLC,2. 按输入、输出点数和存储容量分类 （1）小型PLC：输入、输出点数在256点以下，用户程序存储容量在2K字以下。 （2）中型PLC：输入、输出点数在256-2048点之间，用户程序存储容量一般为2-10K字。 （3）大型PLC：输入、输出点数在2048点以上，用户程序存储容量达10K字以上。,3. 按功能分类 （1）低档PLC：具有逻辑运算、定时、计数等功能。有的还增设模拟量处理、算术运算、数据传送等功能。 （2）中档PLC：除具有低档机的功能外，还具有较强的模拟量输入、输出、算术运算、数据传送等功能可完成既有开关量又有模拟量控制的任务。 （3）高档PLC：增设有带符号算术运算及矩阵运算等，使运算能力更强。还具有模拟调节、联网通信、监视、记录和打印等功能，使PLC的功能更多更强。能进行远程控制，构成分布式控制系统，成为整个工厂的自动化网络。,返回目录,传统继电器接触器控制系统，支配控制系统工作的“程序”是由导线将电气元器件连接起来实现的，这样的控制系统称之为“硬接线”程序控制系统。 可编程序控制系统是通过修改PLC的程序来完成，可编程序控制系统也称之为“软接线”程序控制系统。 PLC控制系统与微型计算机控制系统基本相似，它由硬件和软件两大部分组成。PLC实质上是一种用于工业控制的专用计算机，但对硬件各部分的定义及工作过程则与PC有很大差异。,1.3 可编程控制器的基本结构及工作原理,前言：,以SIMATIC S7-300PLC为例，可编程控制器主要包括导轨(RACK)、电源模块(PS)、CPU模块、接口模块(IM)、输入输出模块(SM)。各模块的功能分别是：,1.3.1 可编程控制器的基本结构,1. 导轨 导轨是安装可编程控制器各类模块的机架，可根据实际需要选择。,2. 电源模块 电源模块用于对PLC内部电路供电。,3. CPU模块 CPU模块有多种型号，它是可编程控制器的神经中枢，是系统的运算控制核心。它根据系统程序的要求完成以下任务：接收并存储用户程序和数据，接收现场输入设备的状态和数据，诊断PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误，完成用户程序规定的运算任务，更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，实现输出控制或数据通信等功能。,4. 输入输出模块 输入输出模块是CPU模块与现场输入输出元件或设备连接的桥梁，用户可根据现场输入/输出元件选择各种用途的I/O模块。 一般PLC均配置I/O电平转换及电气隔离： 输入电压转换是用来将输入端不同电压或电流信号，转换成微处理器所能接收的低电平信号，输出电平转换是用来将微处理器控制的低电平信号，转换为控制设备所需的电压或电流信号。 电气隔离是在微处理器与I/O回路之间采用的防干扰措施，输入输出模块既可以与CPU摸扳放置在一起，又可远程安装。,PLC实现控制的过程一般是可分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段，如图1-9所示：,1.3.2 可编程控制器的简单工作原理,图1-9 PLC的一般工作过程,1. 输入采样阶段 PLC以扫描工作方式，输入电路时刻监视着输入状况，并将其暂存于输入暂存器中。在整个工作周期内，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。,2. 程序执行阶段 PLC按顺序对程序进行扫描，并分别从输入映像区和输出映像区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区中保存。这个结果在程序执行期间可能发生变化，但在整个程序未执行完毕之前不会送到输出端口。,3. 输出刷新阶段 在执行完用户所有程序后，PLC将输出映像区中的内容送到寄存输出状态的输出锁存器中，这一过程称为输出刷新。输出电路要把输出锁存器的信息传送给输出点，再去驱动用户设备。,PLC的简单工作原理特点： PLC工作的主要特点是循环扫描执行输入输出采样、程序执行、输出刷新“串行”工作方式，这样既可避免继电器、接触器控制系统因“并行”工作方式存在的触点竞争，又可提高PLC的运算速度，这是PLC系统可靠性高、响应快的原因。但是，也导致输出对输入在时间上的滞后。 为此，PLC的工作速度要快。速度快、执行指令时间短，是PLC实现控制的基础。事实上， PLC的速度是很快的，执行一条指令，多的几微秒、几十微秒，少的才零点几，或零点零几微秒。而且这个速度还在不断提高中。,图1-3所示的过程是简化的过程，实际的PLC工作流程还要复杂些。除了I/O刷新及运行用户程序，还要做些公共处理工作。公共处理工作有：循环时间监控、外设服务及通讯处理等。 PLC的开机流程要经过上电初始化、系统自检、运行程序、循环时间计算、I/O刷新、外设及通讯服务等几个阶段，如图1-10所示。,1.3.3 可编程控制器的详细工作原理,图1-10 PLC 的工作流程,返回目录,根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准（IEC1131-3），定义了5种PLC编程语言： （1）指令表IL(Instruction list)：西门子称为语句表STL。 （2）结构文本ST(Structured text)：西门子称为结构化控制语言（SCL）。 （3）梯形图LD(Ladder diagram)：西门子简称为LAD。 （4）功能块图FBD (Function block diagram)：标准中称为功能方框图语言。 （5）顺序功能图SFC(Sequential function chart)：对应于西门子的S7 Graph。,1.4 可编程控制器的编程语言,1. 梯形图语言（LAD） 梯形图语言是PLC程序设计中最常用的编程语言。它是与继电器线路类似的一种编程语言。由于电气设计人员对继电器控制较为熟悉，因此，梯形图编程语言得到了广泛的欢迎和应用。,图1-11是典型的交流异步电动机直接启动的继电器控制电路图。 图1-12是采用PLC控制的程序梯形图。,图1-11 交流异步电动机直接启动电路图,图1-12 PLC梯形图,2 . 指令表语言（STL） 指令表编程语言是与汇编语言类似的一种助记符编程语言，和汇编语言一样由操作码和操作数组成。图1-13就是与图1-12PLC梯形图对应的指令表。,图1-13 指令表,3. 功能块图语言（FBD） 功能块图语言是与数字逻辑电路类似的一种PLC编程语言。图1-14是对应图1-11交流异步电动机直接启动的功能模块图编程语言的表达方式。,图1-14 功能块图,返回目录,继电器控制系统是针对一定的生产机械、固定的生产工艺设计的，采用硬接线方式装配而成，只能完成既定的逻辑控制、定时、计数等功能，一旦生产工艺过程改变，则控制柜必须重新设计，重新配线。传统的继电器控制系统被PLC所取代已是必然趋势。而PLC由于应用了微电子技术和计算机技术，各种控制功能都是通过软件来实现的，只要改变程序并改动少量的接线端子，就可适应生产工艺的改变。从适应性、可靠性、安装维护等各方面比较，PLC都有显著的优势。因此，PLC控制系统将取代大多数传统的继电器控制系统。,1.5 可编程控制器与其他工业控制装置的比较,1.5.1 PLC与继电器控制系统的比较,PLC与集散控制系统在发展过程中，始终是互相渗透、互为补充，它们分别由两个不同的古典控制设备发展而来。PLC由继电器逻辑控制系统发展而来所以它在数字处理、顺序控制方面具有一定优势，主要侧重于开关量顺序控制方面。集散控制系统(DCS)由单回路仪表控制系统发展而来，所以它在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，主要侧重于回路调节功能。 集散控制系统自20世纪70年代问世之后，发屉非常迅速，特别是单片微处理器的广泛应用和通信技术的成熟，把顺序控制装置、数据采集装置、过程控制的模拟量仪表、过程监控装置有机地结合在一起产生了满足不同要求的集散型控制系统。,1.5.2 PLC与集散控制系统的比较,现代PLC的模拟量控制功能很强，多数都配备了各种智能模块，以适应生产现场的多种特殊要求，具有了PID调节功能和构成网络系统组成分级控制的功能以及集散系统所完成的功能。 集散控制系统既有单回路控制系统，又有多回路控制系统，同时也具有顺序控制功能。 到目前为止，PLC与集散控制系统的发展越来越接近，很多工业生产过程既可以用PLC，也可以用集散控制系统实现其控制功能。把PLC系统和DCS系统各自的优势有机地结合起来，可形成一种新型的分布式计算机控制系统。,工业控制计算机是通用微型计算机适应工业生产控制要求发展起来的一种控制设备。硬件结构方面总线标准化程度高、兼容性强，而软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂、计算工作量大的工业对象的控制占有优势。但是，使用工业控制机控制生产工艺过程，要求开发人员具有较高的计算机专业知识和微机软件编程的能力。 PLC最初是针对工业顺序控制应用而发展起来的，硬件结构专用性强，通用性差，很多优秀的微机软件不能直接使用，必须经过二次开发。但是，PLC使用技术人员熟悉的梯形图语言编程，易学易懂，便于推广应用。,1.5.3 PLC与工业控制计算机的比较,从可靠性方面看，PLC是专为工业现场应用而设计的，采用整体密封或插件组合型，并采取了一系列抗干扰措施，具有很高的可靠性。而工业控制计算(工控机)机虽然也能够在恶劣的工业环境下可靠运行，但毕竟是由通用机发展而来，在整体结构上要完全适应现场生产环境，还要做工作。另一方面，PLC用户程序是在PLC监控程序的基础上运行的，软件方面的抗干扰措施在监控程序里已经考虑得很周全，而工控机用户程序则必须考虑抗干扰问题，这也是工控机应用系统比PLC应用系统可靠性差的原因。 尽管现代PLC在模拟量信号处理、数值运算、实时控制等方面有了很大提高，但在模型复杂、计算量大、实时性要求较高的环境中，工业控制计算机则更能体现出它的优势。,返回目录,目前PLC的市场竞争十分激烈，各大公司都看中了中国这个巨大的PLC市场。西门子公司不断推出新的PLC产品，巩固和发展其领先的技术优势和市场份额。S7-200、S7-300系列可编程控制器在中小型PLC市场中极具竞争力，西门子公司在1996年又推出了中高档的S7400系列PLC。自带人机界面的C7系列PLC，与AT计算机兼容的M7系列PLC等多种新产品。AB公司、GE公司、欧姆龙公司等国外公司也都采取了各种策略，争夺中国的PLC市场。,1.6 可编程控制器的发展趋势,随着技术的发展和市场需求的增加，PLC的结构和功能也在不断改进，生产厂家不断推出功能更强的PLC新产品，PLC的发展趋势主要体现在以下几个方面： 1. 网络化 主要是朝DCS方向发展，使其具有DCS系统的一些功能。网络化和通信能力强是PLC发展的一个重要方面，向下将多个PLC、多个I/0框架相连，向上与工业计算机、现场总线、以太网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。,2. 多功能 为了适应各种特殊功能的需要，各公司陆续推出了多种智能模块。智能模块是以微处理器为基础的功能部件，它们的CPU与PLC的CPU并行工作，占用主机CPU的时间很少，有利于提高PLC扫描速度和完成特殊的控制要求。 智能模块主要有模拟量I/O、PID回路控制、通信控制、机械运动控制(如轴定位，步进电动机控制)、高速计数等。由于智能I/O的应用，使过程控制的功能和实时性大为增强。,3. 高可靠性 由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司已将自诊断技术，冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用或并行工作。 例如S7-400PLC即使在恶劣的工业环境下依然可正常工作，在操作运行过程中模块还可热插拔。,4. 兼容性 现代PLC已不再是单个的、独立的控制装置而是整个控制系统中的一部分或一个环节，好的兼容性是PLC探层次应用的重要保证。 例如SIMATIC M7-300 PLC采用与SIMATIC S7-300相同的结构，能用SIMATIC S7模块，其显著特点是与通用微型计算机兼容，可运行MS-DOS/Windows程序，适合于处理数据量大、实时性强的工程任务。,5. 小型化简单易用 随着应用范围的扩大和用户投资规模的不同，小型化、低成本、简单易用的PLC将广泛应用于各行各业。小型PLC由整体结构向小型模块化发展，增加了配置的灵活性。,6. 编程语言向高层次发展 PLC的编程语言在原有梯形图语言表语言的基础上，正在不断丰富和向高层次发展。,返回目录,