电气控制与plc应用技术课件.ppt

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1、电气控制与plc应用技术,1,深圳市拓野教育投资有限公司,创新 科技 共赢未来,拓野教育关注学生的未来,电气控制与PLC第三章,2,第3章 可编程控制器（PLC）基础,3.1 概述,3.2 PLC的组成,3.3 PLC的工作原理,3.4 PLC的编程语言,3,3.1 PLC概述,可编程序控制器PC （Programmable Controller）又称可编程序逻辑控制器PLC （Programmable Logic ），是在继电器控制和计算机控制的基础上，逐步发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。,4, 原因： 继电器控制柜的缺点： 体积大、

2、耗电多、线路繁杂、控制逻辑不易更改；成本高、可靠性低、维修困难。 现代社会的要求：制造业的产品多样化、高质量、高效率；对市场变化能快速反应。,3.1.1 PLC的产生和发展,5,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； 1968年，为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，美国最大的汽车制造厂家通用汽车公司(GM)提出了研制可编程序控制器的基本设想，即 (1)能用于工业现场。 (2)能改变其控制“逻辑”，而不需要变动组成它的元件和修改内部接线。 (3)出现故障时易于诊断和维修。 1969 年，美国数字设备公司 （DEC 公司 ） 研制出了世界上第一台可编程控制器PD

3、P14 ，并在美国通用汽车公司的自动装配线上试用成功，取得了满意的效果，可编程控制器也由此诞生。,6,2、可编程控制器的发展 1969年 美国DEC数字设备公司研制出世界上第一台PLC； 1971年 日本生产出微处理式PLC； 1973年 欧洲开始生产； 1974年 我国开始研制； 80年代 PLC技术开始成熟、进入应用阶段。 PLC的七大生产厂家：（占有世界80%的市场） 美国： AB公司 GE公司 日本： 三菱公司 OMRON（欧姆龙） 德国： SENMENS 法国： TE公司、施耐德公司 我国生产：引进与合资、组装（与美、日、德合作）。,7,可编程控制器从诞生到现在，经历了四次换代： 第

4、一代 ：1 位微处理器，逻辑控制功能 第二代： 8 位微处理器及存储器 ，产品系列化 第三代：8 位微处理器及位片式微处理器处理速度提高，向多功能及联网通信发展 第四代: 16 位、 32 位微处理器及高性能位片式微处理器逻辑、运动、数据处理、联网功能的名副其实的多功能。,8,1使用灵活、通用性强。,2. 编程简单、易于掌握。,3可靠性高、能适应各种工业环境。,4. 接口简单、维护方便。,3.1.2 PLC的特点,5. 功能完善、性价比高。,9,3.1.3 PLC的应用,1.开关量的逻辑控制 可编程序控制器具有逻辑运算功能，它设置有“与”、“或“、“非”等逻辑运算指令，能够描述继电器触点的串联

5、、并联、串并联、并串联等各种连接。因此它可以代替继电器进行组合逻辑和顺序逻辑控制。广泛应用于印刷机、物体分拣机、组合机床、包装生产线等。,2. A/D、D/A转换 大多数可编程序控制器还具有摸/数（A/D）和数/摸（D/A）转换功能，能完成对模拟量的检测与控制。,10,3.闭环过程控制 大多数PLC都有PID模块，可实现对伺服电机的闭环控制。在冶金、化工等领域有广泛的应用。,4.数据处理功能 大多数可编程序控制器都具有数据处理功能，能进行数据并行传送、比较运算；BCD码的加、减、乘、除等运算；还能进行字的按位“与”、“或”、“异或”、求反、逻辑移位、算术移位、数据检索、比较、数制转换等操作。,

6、11,6. 定时控制 可编程序控制器具有定时控制功能。它为用户提供若干个定时器并设置了定时指令。定时时间可由用户在编程时设定，并能在运行中被读出与修改，定时时间的最小单位也可在一定的范围内进行选择，因此，使用灵活，操作方便。,5.计数控制 可编程序控制器具有计数控制功能。它为用户提供若干个计数器并设置了记数指令。计数值可由用户在编程时设定，并能在运行中被读出与修改，有些可编程序控制器还设置了加计数、减计数两种不同的记数方式。,12,7.通信与联网 有些可编程序控制器具有联网和通信功能，可以进行远程I/O控制，多台可编程序控制器之间还可以进行同位链接，还可以与计算机进行上位链接。由一台计算机和多

7、台可编程序控制器可以组成“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。,13,3.1.4 PLC的分类,1.按I/O点数,小型：其I/O点数少于256点；（小于64点为超小型或微型） 中型：其I/O点数在2562048点之间； 大型：其I/O点数多于2048点。 （超过8192点的为超大型）,2.按结构型式,整体式PLC：将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低等特点。 模块式PLC：将PLC各组成部分分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块以及各种功能模块。 叠装式PLC：将整体式和模块式的特点结合起来,整体式PLC,模

8、块式PLC,14,3.按功能分 低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。 中档PLC 具有低档PLC功能外，增加模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还增设中断、PID控制等功能。 高档PLC 具有中档机功能外，增加带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数运算、制表及表格传送等。高档PLC机具有更强的通信联网功能。,15,4.按生产厂家分 目前世界上PLC产品按地域分成三大块：美国、欧洲和日本。日本和美国的PLC产品较相

9、似。占PLC市场80%以上的生产公司有：德国的西门子（SIEMENS）公司、法国的施耐德（SCHNEIDER）自动化公司、日本的欧姆龙（OMRON）和三菱（MITSUBISH）公司。 目前国内常用的是三菱FX系列小型机和西门子S7-300、S7-400中大型机等。,16,3.1.5 PLC的发展趋势,1.大型化、高速度、大存储容量趋势2.微型化、多功能化趋势3.标准化趋势4.模块智能化趋势5.网络化趋势,17,3.1.6 PLC的主要技术指标,1.工作速度 2.控制规模（I/O点数） 3.组成模块（CPU模块、电源模块、I/O、内存等） 4.内存容量 5.指令系统（基本逻辑指令、数据处理指令、

10、数据运算指令、流程控制指令、状态监控指令） 6. 支持软件：PLC能识别的只是机器语言。它能使用一些助记符语言、梯形图语言、流程图语言，甚至高级语言，是因为有与这些语言相对应的软件。 7.可靠控制：为使PLC可靠工作，在硬件与软件两个方面PLC厂家都采取了很多措施，对一些特殊要求的PLC，还有相应的特殊措施，如热备、冗余等等。,18,3.1.7 PLC与继电器控制系统的比较,1. 控制方式,继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，它只能完成既定的逻辑控制。 PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑

11、，只需改变程序即可，这种通过改变程序来改变控制逻辑的方式称为软接线。,19,2. 控制速度,继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。 PLC由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。,3. 延时控制,继电器控制系统靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。 PLC用半导体集成电路做定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。,20,4. 控制的优缺点,继电器接触器控制系统使用电器多，体积大且故障率大。 PLC控制系统结构紧凑，使用电器少，体积小，功耗低

12、。,与工业计算机比较 工业控制机控制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采用了工厂技术人员熟悉的梯形图语言编程，易学易懂，便于推广应用。 PLC是专为工业现场应用而设计的，具有更高的可靠性。 在模型复杂、计算量大且较难、实时性要求较高的环境中，工业控制机则更能发挥其专长。,3.2 PLC的一般结构 3.2.1 PLC的硬件系统,22,1.CPU 与一般计算机的CPU不同，它包含有RAM或ROM 1）CPU：CPU是PLC的核心部件。它的性能（位数和主频）决定了PLC的运算速度和信息处理量的大小。 2）存储器：存放系统程序、用户程序和数据。,23,2.输入/输出接口

13、 是CPU连接工业现场设备的桥梁。分数字I/O接口和模拟I/O接口。 数字I/O接口： CPU模块与外部开关量信号之间的接口，它完成诸如电平转换、电气隔离、串/并型数据转换以及对外提供一定的驱动能力等工作。 模拟I/O接口：其输入部分主要完成阻抗匹配、信号放大、信号滤波、I/V变换、V/F变换或者A/D变换等工作，以便将来自受控对象的仿真量转换成PLC能够处理的数字量，其输出部分主要实现阻抗匹配、功率放大、波形校正等功能。,24,3.电源 PLC中的电源一般有三类： +5V、15V直流电源：供PLC中TTL芯片和集成运放使用。 供输出接口使用的高压大电流的功率电源。 锂电池及其充电电源。 4.

14、编程器 编程器是PLC重要的外部设备，是人机对话的窗口，它可将用户程序输入PLC的存储器内，还可用于检查程序、修改程序，编程器还用于监视PLC的工作状态。 5.扩展接口：是用于扩展I/O单元或特殊功能单元。,25,3.2.2 PLC的软件系统,PLC除了硬件系统外，还需要软件系统的支持，它们相辅相成，缺一不可，共同构成PLC。PLC的软件系统由系统程序(又称系统软件)和用户程序(又称应用软件)两大部分组成。 （1）系统监控程序 由生产厂家编制，固化在PROM或EPROM中，安装在PLC上，随产品提供给用户。用于管理、协调PLC各部分工作，方便用户使用的通用程序。,26,1）系统配置登记及初始化

15、 2）系统自诊断 3）命令识别与处理 4）用户程序编译 5）模块化子程序及调用管理 （2）用户程序 用户程序是根据生产过程控制的要求由用户使用制造企业提供的编程语言自行编制的应用程序。用户程序包括开关量逻辑控制程序、模拟量运算程序、闭环控制程序和操作站系统应用程序等。,27,1）用户数据结构 第一类为bit数据，属于逻辑量，其值为“0”或“1”。 第二类为字数据，其数制、位长有多种形式。通常采用BCD码形式。FX2N系列和A系列中为4位BCD、双字节为8位BCD码。 第三类为字与bit的混合，即同一元件既有bit元件，又有字元件。例如T（定时器）和C（计数器），它们的触点为bit，设定值寄存器

16、和当前值寄存器则为字。 2）元件 用户使用的每一个输入、输出端子及内部的存贮单元都称为元件，每个元件有其固定的地址。元件的数量由监控程序规定，它的多少决定PLC整个系统的规模及数据处理能力。,（3） 用户环境,28,PLC是专为工业控制设计的专用计算机，就电路作用而言，可看作是由一般继电器、定时器、计数器等元件组成.,图3-11 PLC的内部等效电路,(4) PLC的内部等效电路,29,输入部分：等效输入继电器。 逻辑控制部分：由用户程序实现的逻辑关系。构成逻辑电路的元件是等效编程元件。 输出部分：等效输出继电器。,30,3.3 可编程控制器的工作原理,3.3.1 PLC的工作方式,所谓扫描，

17、就是CPU依次对各种规定的操作项目进行访问和处理。 PLC采用循环扫描方式。如图3.2所示。工作过程如下： 1）自诊断 2）与外设通信 3）输入采样 4）程序执行 5）输出刷新处理,图3-12 PLC的扫描工作过程,31,3.3.2 PLC的扫描周期 每扫描一个循环所用的时间称为扫描周期。 它的长短与用户程序的长度、I/O点数及CPU的处理通信过程等因素都有关系。 3.3.3 PLC的I/O滞后时间 输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指PLC输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三

18、部分组成。,采用循环扫描的方式，由于扫描周期的时间很短，只要变量满足条件的时间大于扫描周期，该变量满足条件就能被PLC的程序执行。,产品检测传送带如图示，用PLC来检测产品数量。为确保不漏检，对PLC扫描周期有何要求？,产品通过检测点的时间间隔为：T=0.025m/(50m/60s)=30ms, 所以，PLC的扫描周期必须小于30ms,33,3.4 PLC的编程语言,3.4.1 梯形图编程语言（LD）,梯形图编程语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。 左右两条垂直线称作左母线和右母线。在左、右两母线之间，触点在水平线上相串联，相邻的线也可以用一条垂直线连接起来，作为逻辑的并联。

19、触点的水平方向串联相当于“与”(AND)，垂直方向的触点并联，相当于“或”(OR)。,34,梯形图编程语言的特点是： 与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性； 与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于撑握和学习。,图3-28 典型的梯形图,35,3.4.2 顺序功能图语言（SFC）,作用：用顺序功能流程图表达一个顺序控制过程。,图是一个钻孔顺控的例子。每一方框表示一个状态，方框中的数字代表顺序步，每一状态对应于一个控制任务，每个状态的转移条件以及每个状态执行的功能可以写在方框右边。,36,顺序功能图语言的特点是：以功能为主线，条理清楚，便于对程序操作的理解和沟通；对大型的程

20、序可分工设计，采用较灵活的程序结构，可节省程序设计时间和调试时间；常用于系统规模校大，程序关系较复杂的场合。,3.4.3 功能块图语言（FBD）,功能块图语言的特点是：功能模块是用图形化的方法描述功能，它的直观性大大方便了设计人员的编程和组态，有较好的易操作性；对控制规模较大、控制关系较复杂的系统，由于控制功能的关系可以较清楚地表达出来，编程和组态时间可以缩短，调试时间也随之减少；由于每种功能模块需要占用一定的程序内存，故这种设计语言在大中型可编程控制器中才被采用。,37,3.4.4 指令表语言（IL）,指令表语言是一种低级语言，与汇编语言很相似，它可以用来描述功能、功能块和程序的行为，还可以

21、在顺序功能流程图中描述动作和转变的行为。 每段的开始用LD(LDI)指令，触点的串并联用ANDOR指令，线圈的驱动总是放在最右边，用OUT指令 。 指令表语言具有下列特点：采用助记符来表示操作功能，容易记忆，便于掌握；在编程器的键盘上采用助记符表示，便于操作；可在无计算机的场合进行编程设计，与梯形图有一一对应关系。,38,图3-29 基本指令应用举例,39,3.4.5 结构文本语言（ST）,结构文本语言是用结构化的描述语句来描述程序的一种编程语言，它是一种类似于高级语言的编程语言。在大中型的可编程序控制器系统中，常采用结构文本语言来描述控制系统中各个变量之间的运算关系。,结构文本语言具有的特点：采用高级语言进行编程，可以完成较复杂的控制运算；需要有一定的计算机高级程序设计语言的知识和编程技巧，对编程人员的技能要求较高，直观性和易操作性等性能较差；在常用其他语言较难实现的编程中，常采用该编程语言进行编程。,40,电气控制与plc应用技术,41,深圳市拓野教育投资有限公司,创新 科技 共赢未来,拓野教育关注学生的未来,电气控制与plc应用技术,42,