电气控制及PLC应用技术 三菱 教学课件 ppt 作者 彭小平 模块三课件

模块三 PLC的认识和初步应用,【知识目标】 1了解可编程控制器的产生、发展及定义。 2掌握PLC元件功能和使用。 3掌握PLC控制系统的基本控制原理。 4掌握PLC控制系统的设计安装和调试方法。 【能力目标】 1能使用PLC的基本元件实现编程。 2能够根据控制要求实现简单的PLC控制系统的设计安装和调试。 3能够使用PLC编程软件进行编程。,3.1 知识链接 3.1.1可编程控制器的产生、发展及定义 1可编程控制器的产生 可编程控制器（Programmble Controller）简称PC或PLC。它是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业控制装置。目前，PLC已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置，被称为现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。 上世纪60年代，计算机技术已开始应用于工业控制。但由于计算机技术本身的复杂性，编程难度大，难以适应恶劣的工业环境以及价格昂贵等原因，未能在工业控制中广泛应用。当时的工业控制，主要是以继电接触器组成的控制系统。,可编程控制器的产生,因为继电器逻辑电路配线复杂,可编程控制器的产生,背景： 1968年美国通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。,1968年，GM公司提出十项设计标准： 编程简单，可在现场修改程序； 维护方便，采用插件式结构； 可靠性高于继电器控制柜； 体积小于继电器控制柜； 成本可与继电器控制柜竞争； 可将数据直接送入计算机； 可直接使用115V交流输入电压； 输出采用115V交流电压，能直接驱动电磁阀、交流接触器等； 通用性强，扩展方便; 能存储程序，存储器容量可以扩展到4KB。,可编程控制器的产生,1969年，美国数字设备公司研制第一台可编程控制器，并应用于工业现场。,可编程控制器的产生,2.PLC的应用领域 目前，在国内外PLC已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格比的不断提高，其应用领域不断扩大。从应用类型看，PLC的应用大致可归纳为以下几个方面： （1）开关量逻辑控制 利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，可以取代传统的继电器控制，用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等，例如：机床、注塑机、印刷机械、装配生产线、电镀流水线及电梯的控制等。这是PLC最基本的应用，也是PLC最广泛的应用领域。 （2）运动控制 大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。这一功能广泛用于各种机械设备，如对各种机床、装配机械、机器人等进行运动控制。 （3）过程控制 大、中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能，有的小型PLC也具有模拟量输入输出。所以PLC可实现模拟量控制，而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制，用于过程控制。这一功能已广泛用于锅炉、反应堆、水处理、酿酒以及闭环位置控制和速度控制等方面。,（4）数据处理 现代的PLC都具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能，可进行数据的采集、分析和处理，同时可通过通信接口将这些数据传送给其它智能装置，如计算机数值控制（CNC）设备，进行处理。 （5）通信联网 PLC的通信包括PLC与PLC、PLC与上位计算机、PLC与其它智能设备之间的通信，PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，满足工厂自动化（FA）系统发展的需要。,3.1.3 PLC的分类 PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。 1.按结构形式分类 根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。 （1）整体式PLC 整体式PLC是将电源、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、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等,（2）模块式PLC 模块式PLC是将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、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。 还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，系统更加灵活紧凑。如西门子S7-300,2.按功能分类 根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。 （1）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。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。 （2）中档PLC 除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。 （3）高档PLC除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。,3.按I/O点数分类 根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。 （1）小型PLC I/O点数为256点以下的为小型PLC。其中，I/O点数小于64点的为超小型或微型PLC。 （2）中型PLC I/O点数为256点以上、1024点以下的为中型PLC。 （3）大型PLC I/O点数为1024以上的为大型PLC。其中，I/O点数超过8192点的为超大型PLC。 在实际中，一般PLC功能的强弱与其I/O点数的多少是相互关联的，即PLC的功能越强，其可配置的I/O点数越多。因此，通常我们所说的小型、中型、大型PLC，除指其I/O点数不同外，同时也表示其对应功能为低档、中档、高档。,3.1.4可编程控制器的构成及工作原理 1.可编程控制器的硬件构成 （1）可编程控制器基本组成 可编程控制器一般由中央处理单元（CPU）、存储器（ROM/RAM）、输入/输出单元（I/O 单元）、编程器、电源等主要部件组成，如图3-3所示。 （2）中央处理器 (CPU) 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，其主要任务是： 1）接收、存储用户程序和数据，并通过显示器显示出程序的内容和存储地址。 2）检查、校验用户程序。对输入的用户程序进行检查，发现语法错误立即报警，并停止输入；在程序运行过程中若发现错误，则立即报警或停止程序的执行。 3）接收、调用现场信息。将接收到现场输入的数据保存起来，在需要数据的时候将其调出、并送到需要该数据的地方。 4）执行用户程序。PLC进入运行状态后，CPU 根据用户程序存放的先后顺序，逐条读取、解释并执行程序，完成用户程序中规定的各种操作，并将程序执行的结果送至输出端口，以驱动可编程控制器的外部负载。,（3） 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。它使可编程控制器具有基本的智能。能够完成可编程控制器设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏，很大程度上决定了 PLC 的性能， 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。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以是 RAM （有用锂电池进行掉电保护），EPROM 或 EEPROM 存储器，其内容可以由用户任意修改或增删。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。用户程序存储器和用户存储器容量的大小，关系到用户程序容量的大小和内部器件的多少，是反映 PLC 性能的重要指标之一。,可编程控制器的特点,无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强 通用性强，控制程序可变，使用方便 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 编程简单，容易掌握 系统的设计、安装、调试工作量少 维修工作量小，维护方便 体积小，能耗低.,四、可编程控制器的应用领域,四、可编程控制器的应用领域,四、可编程控制器的应用领域,四、可编程控制器的应用领域,四、可编程控制器的应用领域,四、可编程控制器的应用领域,四、可编程控制器的应用领域,四、可编程控制器的应用领域,四、可编程控制器的应用领域,四、可编程控制器的应用领域,五、可编程控制器的发展,高性能、高速度、大容量发展 为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。 在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。,向小型化和大型化两个方向发展 小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为816点，以适应单机及小型自动控制的需要。 大型化是指大中型PLC 向大容量、智能化和网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。,五、可编程控制器的发展,大力开发智能模块，加强联网与通信能力 为满足各种控制系统的要求，不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。 PLC的联网与通信有两类： PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段； PLC与计算机之间的联网通信。 为了加强联网与和通信能力，PLC生产厂家也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统。,五、可编程控制器的发展,增强外部故障的检测与处理能力 据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。 前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理。 而其余80%的故障属于PLC的外部故障。PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。,五、可编程控制器的发展,编程语言多样化 在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。