电气控制与可编程控制器.docx

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电气控制与可编程控制器

《电气控制与可编程控制器》

课题：

1.1概述

1.2常用低压电器

1.3基本控制线路

需2课时

教学目的要求：

掌握常用低压电器的基本构成和构成原理

教学重点：

常用基本控制线路的工作原理

教学难点：

各种控制线路的工作过程分析

教案编写日期：

教学内容与教学过程：

前言：

电气控制系统实际上是继电接触器控制系统。

继电接触器控制是一门重要的控制技术，尤其在电力拖动等领域中，应用的十分广泛。

1.1概述：

我国从20世纪50年代开始对新建的工业控制采用这种控制方式，随着电力拖动、自动控制的发展，继电器接触器控制方式得到迅速推广，对当时我国工业建设起到了巨大的推动作用，直至20世纪80年代我国大部分自动控制仍采用这种方式。

1.2常用低压电器：

1.低压电器的分类

（1）按工作方式可分为手控电器和自控电器。

手控电气是依靠外力（如人工）直接操作来进行切换的电器，如刀开关、按钮等。

自控电器是依靠指令或物理量（如电流、电压、时间、速度等）变化而自动动作的电器，如接触器、继电器等。

（2）按用途可分为低压控制电器和低压保护电器。

低压控制电器主要适用于低压配电系统及动力设备中起控制作用，如刀开关、低压断路器等。

低压保护电器主要用于低压配电系统及动力设备中起保护作用，如熔断器、继电器等。

（3）按种类可分为刀开关、刀形转换开关、熔断器、低压断路器、接触器、继电器、主令电器和自动开关等。

2.低压电器的基本结构及特点

1.3基本控制线路：

1.3.1单向运动控制线路

自动控制系统中，电动机拖动运动部件沿着一个方向运动，称为单向运动，这是基本控制线路中最简单的一种。

根据控制要求不同，单向运动分为点动和长动单向运动。

1.3.2多地控制线路

在大型生产设备上，为使操作人员在不同地方均能进行启、停操作，常要求组成多地控制线路

1.3.1双向（可逆）运动控制线路

双向控制是电动机既可以正转也可以反转。

对于三相鼠笼异步电动机来说，实现正、反转控制只要改变其电源相序，即将主回路中的三相电源任意两相对调，电动机就将改变转动方向。

常用两种控制方式：

一种是利用倒顺开关（或组合开关）改变相序；另一种是利用接触器的主触点改变相序。

前者主要适用于不需要频繁正、反转的电动机，而后者主要适用于需要频繁正、反转的电动机

课题：

1.4电动机气动控制

1.5三相鼠笼式异步电动机制动控制电路

需2课时

教学目的要求：

了解电动机的四种启动控制线路和两种制动控制线路

教学重点：

定子串电阻启动、反接制动控制线路的原理

教学难点：

能耗制动控制线路的理解与分析

教案编写日期：

教学内容与教学过程：

1.4电动机启动控制

1.4.1定子串电阻启动控制线路

1.定子串电阻降压启动的原理分析：

2按钮控制电动机定子串电阻降压启动线路分析

1.4.2电动机的Y-Δ启动控制线路：

自动控制Y-Δ降压启动电路的分析

1.4.3自耦变压器降压启动控制线路

简单介绍自耦变压器降压启动控制线路的原理

1.4.4三相交流绕线式异步电动机的启动控制

1.按电流原则控制三相交流绕线式异步电动机串电阻启动控制线路分析

2.时间原则控制绕线式异步电动机转子串电阻情动控制线路分析

1.5三相鼠笼式异步电动机制动控制电路

1.反接制动控制线路的原理及工作过程分析

2.能耗制动的定义及能耗制动电路的工作分析

课题：

2.1可编程控制器（PLC）的历史与发展

2.2PLC的特点及应用领域

需2课时

教学目的要求：

了解PLC的基本知识，使学生对本课程产生兴趣

教学重点：

PLC的特点与应用范围

教学难点：

PLC控制与继电控制、电子控制的异同

教案编写日期：

教学内容与教学过程：

前言：

可编程控制器是以自动控制技术、薇计算机技术和通信技术为基础发展起来的新一代工业控制装置。

2.1.1可编程控制器的定义

1.早期的可编程控制器被称为可编程逻辑控制器，简称PLC。

2.随着技术的发展，国外一些厂家采用微处理器作为中央处理单元，使其功能大大增强。

PLC这一名称已不能准确反映它的特性。

3.1980年，美国电器制造商协会将它命名为可编辑控制器（PC），为避免混淆，可编辑控制器仍称（PLC）。

4.1987年，国际电工委员会（IEC）的定义（P28）。

5.总之，可编辑控制器是一种以微处理器为核心、带有指令存储器和I/O接口。

2.1.2PLC的产生与发展

1.PLC的产生

（1）继电器接触器控制系统的特点与缺点。

（2）对于日新月异的工业发展，人们寻求一种新型的通用控制设备，取代原有的继电器接触器系统。

2.PLC的发展

（1）CPU由中、小规模数字集成电路组成，控制功能比较简单，能完成定时、计数及逻辑控制。

（2）CPU采用微处理器，数据处理能力获得很大提高，增加了数据运算、传送、比较等功能，实现了对模拟量的控制。

（3）CPU开始采用8位和16位微处理器，使数据处理能力和速度大大提高，PLC开始具有了一定的通信能力。

（4）CPU开始采用了32位微处理器，数学运算、数据处理能力大大增强，增加了运动控制、模拟量PID控制器，联网通信能力进一步加强。

（5）20世纪90年代中期至今。

CPU使用16位和32位微处理器，运行速度更快，功能更强。

出现了智能化模块。

编程语言还增加了高级语言。

2.1.3PLC的发展趋势

1.方便灵活和小型化

（1）是实现机电一体化的理想控制设备。

（2）在结构上，一些小型机采用框架和模块的组合方式，使用户方便灵活的构成所需要的系统。

2.高功能和大型化。

（1）对钢铁工业，化工业等大型企业实施生产过程的自动控制一般比较复杂。

（2）不久的将来，大型PLC会全部使用64位芯片。

2.2.plc的特点及应用领域

2.2.1．PLC的特点

1.可靠性高。

（1）大量的开关动体由无触点的半导体集成电路完成。

（2）制造工艺采取了抗干扰措施。

（3）PLC具有完善的自诊断功能。

（4）特殊的外壳封装结构。

2.编程简单：

梯形图语言是面向用户的高级语言。

3.通用性好

（1）PLC是通过软件来实现控制的。

（2）同一系列PLC，不同功能机型基本相同，可以互换。

4.功能强大

（1）PLC最广泛的应用是对开关量进行逻辑运算和顺序控制，同时还可以对模拟量进行控制。

（2）PLC可以控制一台单机、一条生产线、还可以控制一个机群，可以现场控制也可以远距离控制。

5.体积小，功耗低

（1）采用半导体集成电路。

（2）设计结构紧凑。

6.设计施工周期短：

硬软件同时进行。

2.2.2.PLC的应用领域

1、开关量的逻辑控制：

从十几个到成千上万个点。

2、模拟量控制：

温度、压力、流量、液面高度等。

3、机械运动控制：

对伺服电机和步进电机控制。

4.通信、联网及集散控制：

可使整个工厂实现生产自动化。

5、数据处理：

较复杂的数据处理一般应用在大、中型控制系统。

作业：

P41页1~5。

课题：

2.3PLC的一般构成和基本工作原理

需2课时

教学目的要求：

使学生理解PLC的基本组成与工作原理

教学重点：

输入/输出的接口1电路与扫描工作方式

教学难点：

PLC的滞后现象

教案编写日期：

教学内容与教学过程：

2.3.1PLC的一般构成

1

、CPU：

它是PLC的核心和控制指导中心

（1）CPU通过三总线与存储器、I/O接口电路相连接，完成信息传递转换等。

（2）CPU的主要功能：

接受输入信号并存入存储器，读出执行指令，将结果输出，处理中断请求，准备下一条指令。

2、存储器

（1）系统程序存储器：

系统程序固化在ROM中。

（2）用户程序存储器：

可读写，存放在RAM中。

3、输入、输出接口电路

（1）输入接口电路：

P34图2-3

开关量输入单元多为直流输入单元。

一般PLC内部提供24V直流电源，用户只需将开关接在输入端子和公共端子之间即可，这就是所谓无源式直流输入单图中只画出对应于一个输入点的输入电路，个个输入点所对应的输入电路均相同。

（2）输出接口电路：

P34图2-3

a.继电器输出型：

有触点的输出方式，可用于直流或低频交流负载。

b.晶体管输出型：

无触点输出方式，适用于高速、小功率负载。

c.晶闸管输出型：

无触点输出方式，适用于高速、大功率负载。

4、电源为保证plc可靠，大多采用开关型稳压电源；

有的plc还向外部提供24v直流电源。

5、外部接口

（1）每台plc都有外设端口，对称外设接口、外接接口。

它是在主机外壳上与外部设备配接口插座。

（2）同过电缆线可配接偏移器、计算机、其他plc、打印机等。

6、I/O扩展器

（1）通过I/O扩展器端口连接I/O扩展单元来增加I/O点。

（2）A/D和D/A单元一般也通过该接口与主机连接。

（3）各种智能单元链接单元。

（4）设有I/O扩展端口的PLC不能进行I/O点扩展。

2.3.2PLC的基本工作过程

PLC的工作过程大致分为3个阶段，PLC重复执行上述3个阶段，周而复始。

每重复一次的时间成为一个扫描周期。

PLC的工作方式万恶循环扫描方式。

1.输入采样：

在执行用户程序的过程中，输入映象寄存器的状态不变。

2.程序执行：

执行程序时所需的信号，是在输入寄存器状态和其它一些编程原件状态中取得的。

3.输出刷新：

输出锁存器的内容要等到下一个扫描周期的输出阶段才会被刷新。

2.2.3PLC的I/O滞后现象

1.输入滤波器对信号的延迟作用。

2.输出继电器的动作延迟。

3.PLC的循环扫描工作方式。

4.用户程序中的语句编排。

作业：

P426~10

课题：

2.4可编程控制器的编程语言

2.5PLC的主要性能指标和分类

需2课时

教学目的要求：

了解plc的编程语言与主要性能指标

教学重点：

梯形图语言特点plc的分类方法

教学难点：

对性能指标的理解

教案编写日期：

教学内容与教学过程：

2.4可编程控制器的编程语言

◆可编程控制器是通过程序对系统进行控制的，所以各种机型的plc都有自己的编程语言。

◆plc通常不采用激素及编程语言，而采用梯形图语言和助记语言。

2.4.1梯形图语言

1.电气符号

（1）物理继电器与“软”继电器

（2）“硬接线”与“软接线”

（3）“概念”电流

2.线圈

（1）继电器接触器线路图中的线圈

（2）Plc梯形图中的继电器线圈是广义的。

3.触电

物理继电器的触点格数是有限的，会接触不良。

Plc的每一个继电器都对应着内部的一个寄存器位，可以反复使用，没有使用寿命限制。

4.工作方式

（1）继电器是并行各自方式。

（2）Plc梯形图是串行工作方式。

2.4.2助记符语言

LD00000助记符语言包括两部分

OR01000操作码：

指令

ANDNOT00001操作数：

地址或设定的值

OUT01000

1.助记符语言类似于计算机的汇编语言。

2.语句表编程语言不如梯形图形象、直观，但是在使用简易编程器输入用户程序时，必须采用。

3.助记符语言与梯形图语言相互对应、相互转换。

2.4.3逻辑功能图：

P38图2-6

2.4.4高级语言：

方便的与计算机通信联网。

2.5plc重要性能指标和分类。

2.5.1plc的主要性能指标

1.I/O点数：

衡量PLC性能的主要指标之一。

I/O点数计PLC面板上的输入、输出端子的个数。

PLC的I/O点数一般包括主机I/O点数和扩展单元I/O点数。

2.程序容量

（1）程序容量指的是用户程序存储器的容量。

（2）在PLC中程序是按“步”存放的，以不占用一个地址单元，一个地址单元占２个字节。

１０００步的ＰＬＣ为２Ｋ字节。

（3）中、小型ＰＬＣ程序容量一般在８Ｋ以下。

3.扫描速度

（1）指执行程序的速度。

一般的扫描１Ｋ字（２Ｋ字节，１０００步）所用的时间来衡量扫描速度。

（2）ＰＬＣ用户手册一般给出执行各条指令所用的时间，可以通过比较各种ＰＬＣ执行相同操作所用的时间来衡量扫描速度的快慢。

4.指令条数：

变成指令种类及条数越多，功能越强。

5.内部器件的种类和数量：

内部器件包括各种继电器、计数器、定时器、数据存储器等。

6.扩展能力：

包括Ｉ／Ｏ扩展及各种功能模块的功能扩展。

２.5.2PLC的分类：

一般按外部特征进行分类

1.按结构形式分类

（1）整体式结构：

小型PLC常采用

（2）模块式结构：

一般大中型PLC采用

（3）分散式结构：

CPU、电源、存储器集中放置在控制室

2.按I/O点数分类

（1）微型机：

I/O点数<64点，程序存储量<1K字节

（2）小型机：

64~256点，程序存储量<3.6KB

（3）中型机：

256~2048点，程序存储量<13KB

（4）大型机：

>2048点，程序存储量>13KB

3.按功能分类

（1）低档机：

一般用于单机或小规模生产过程。

（2）中档机：

小型连续生产过程的复杂逻辑控制和闭环调节控制。

（3）高档机：

大规模的过程控制。

作业：

P42页11~14

课题：

3.1~3.3CPM2A的组成、指标与资源分配

需2课时

教学目的要求：

掌握CPM2A主机规格与面板结构理解CPM2A的内部资源分配

教学重点：

CPM2A的主机规格和主要性能指标

教学难点：

内部资源的分配

教案编写日期：

教学内容与教学过程：

前言：

1.日本欧姆龙（ＯＭＲＯＮ）公司是生产可编程控制器的著名厂商，其产品的结构、性能等不断改进和提高。

２０世纪８０年代初　　Ｃ２０００　Ｃ１０００　Ｃ５００　Ｃ１２０　　　　Ｃ２０

　　　　８０年代后期　Ｃ２０００Ｈ／Ｃ１０００Ｈ　Ｃ２００Ｈ　Ｃ６０Ｈ　Ｐ型机

　　　　９０年代初期　（大型机ＣＶ系列）　（小型机ＣＯＭ／Ｈ型）

　　　　９０年代后期　（中型机Ｃ２００ＨＳ、Ｃ２００ａ）　　　　　　　ＣＰＭ系列

2.微型机代表产品：

P型机、CMP系列整体式结构

小型机代表产品：

C120、COMIH系列模板式结构

中型机代表产品：

C200H、C200aC500C1000H模板式

大型机代表产品：

CV系列模板式

3.1CPM2Ａ系列PLC基本组成

3.1.1　CPM2A系列PLC的主机

1.主机个规格：

P43表3—1

2.主机的面板机构：

P44图3-1

（1）电源输入端子：

AC100V~240V，DC24V

（2）功能接地端子：

在有严重噪声干扰时，该端子必须接地。

（3）保护接地端子：

为防止触电，保护接地端子必须接地，它和功能接地端子可连接在一起接地。

（4）输出DC24V电源端子：

仅AC电源型有可作为输入设备或现场传感器的服务电源。

（5）输入端子：

用于连接输入设备

主机有20/30/40/60点4种

（6）输出端子：

用于连接输出设备

（7）工作状态显示LED

ＰＷＲ（绿）：

电源的接通或断开指示

RUN（绿）：

PLC的工作状态指示运行监控时亮编程、运行异常时，灭

ERR（红）：

严重错误指示，常亮，ＰＬＣ停止工作

ＡＬＭ（红）：

警告性错误指示

COMM（橙）通信指示灯，PLC与外部通信时亮。

（8）输入LED

（9）输出ＬＥＤ

（10）模拟设定电位器：

可设置参数，范围为0—200（ＢＣＤ）

（11）外设端口：

连接编程器，其他PLC或上位机的构成网络

（12）扩展连接端：

30/40/60点主机有，最多能联机3台I/O扩展。

3.1.2I/O扩展单元

1.I/O扩展党员的规格和类型：

P45表3-2

2.I/O扩展单元的面板：

例20点（图30）

3.CPM2A系列的I/O点可在20~120之间进行配置。

例：

I/O点数设计。

某楼宇告警控制

四洞五层，共20户（按钮、告警灯、告警铃）

第一方案：

一对一20+20+20=60点

输入输出

第二方案：

一个告警铃20+20+1=41点

输入输出

第三方案：

一洞一灯20+（4+5）+1=30点

一层一灯输入输出

已知：

CPM2A20点（12/8），30点（18/12），40点（24/16）

60点（36/24），扩展8点，扩展20点（12/8）

选型：

方案一：

主机40+扩展8点输出3台

方案二：

主机40点+扩展8点输出1台

方案三：

主机40点。

CPM2A的一般规格指标和主要性能指标

1.一般规格指标

◆环境温度

◆环境温度

2.主要性能指标

（1）内部资源：

最大I/O点数，IR，SR，TR，HR

（2）功能：

基本中断，高速计数，快速响应输入，快速型响应输入

（3）通信：

RS-232接口

CPM2A系列PLC的内部资源分配

准备知识：

OMRON公司采用通道或字的概念存储数据，如图示

内部继电器（ＩＲ）区

特殊辅助继电器（SR）区

暂存继电器TR区

保持继电器ＨＲ区

辅助记忆继电器AP区

链接继电器LR区

定时器/计数器TC区

数据存储DM区

作业：

P64页1-6

练习（CPM2A内部资源）

12

3.判断题

（1）CPM2A-30EDR-A

（2）CPM2A-10CDR-A

（3）CPM2A保持继电器为HR000-HR019，它具有断电保持功能。

（4）CPM2A型机的通道形成进行编号，通道好由2、3或4位十进制组成。

（5）CPM2A机油56个定时器合256个计数器。

（6）链接继电器LR00~LR15用来存储PLC状态信息。

4.CPM2A-40CDT-D的I/O地址是如何分配的？

输入24点：

00000-00011，00100-00111

输出16点：

01000~01007，01100-01107

5.书P64题4

扩展20点输入12点00200~00211

输出8点01200~01207

扩展20点输入12点00300~00311

输出8点01300~01307

扩展8点入：

00400~00403

课题：

3.4CPM2A系列PLC功能简介

3.5CPM2A系列PLC的通信功能

需2课时

教学目的要求：

了解CPM2A的主机功能和通信功能

教学重点：

外部输入中断功能，间隔定时的功能和快速响应功能

教学难点：

高速计数器功能

教案编写日期：

教学内容与教学过程：

3.4CPM2A系列PLC功能简介

前言：

CPM2A系列PLC是继CPM1A之后的另一系列机型，属于高功能的小型机。

1.丰富的指令系统

（1）基本指令17条

（2）应用指令185条

2.模拟设定电位器功能

3.输入时间常数设定功能

4.高速计数器功能：

4种工作模式

（计数频率最高5KHz）中断功能

对DM6642进行设计

例：

链条、装药

5.快速响应输入功能：

不受扫描周期的影响

随时接收0.2ms的瞬间脉冲

例：

跑编装置

6.外部输入中断功能

（1）输入终端模式：

例：

次品检测

（2）计数器中断模式：

计数次数0~65535计数器频率最高为2KHz

7.间隔定时器中断功能：

所谓间隔定时器中断是指到时间后，虽然在扫描周期内，但也能中断源程序。

（1）单触发模式：

到限定时间后实行一次中断

（2）定时中断模式：

每隔一定时间实行一次中断

8.高速脉冲输出功能输出点为01000，01001

p59图3-7，步进电机例

9.时钟功能：

内置时钟，精确度+/-分钟/月

用梯形图读取，用编程器改写

10.完善的通信功能

（1）所有的CPM2A单元都带有RS-232C端口

（2）上位链接

无协议链接：

条形码阅读器等标准设备

1.1PLC链接及NT链接

3.5CPM2A系列PLC的通信功能

3.5.1HOSTLink通信p61图3-8

1.一台CPM2A与一台上位机通信连接：

（1：

1HOSTLink）上位机可监视PLC工作状态

2.多台CPM2A与一台上位机通信连接：

（1：

NHOSTLink）可实现系统的集散控制

3.5.2NTLink通信p61图3-9

Qmron公司的可编辑终端PT

1：

1PLCLink通信p62图3-10

1.一台PLC作为主动单元，另一个作为从动单元

2.只能使用LR00-LR15这16个通道

CompoBusI/0链接通信

1.CompoBus/s网络是一种高速ON/OFF主从式网络，它无需在CPU单元上编程就可以向CPU单元自动送出远程1/0状态，进行分散控制。

2.CompoBus/s网络有三种类型单元SRM1COM1-SRM21C200HW-SRM21

3.一个主单元最多可连接32个远程从单元。

作业：

P64页7-8

课题：

4.1CPM2A指令系统概述

4.2.1常用的基本指令

需2课时

教学目的要求：

理解指令的分类与格式，掌握基本指令的使用方法。

教学重点：

基本指令的功能及使用方法，注意事项

教学难点：

各指令对标志位的影响

教案编写日期：

教学内容与教学过程：

前言：

（1）指令系统在一定程度上反映出其控制功能的强弱。

（2）在理解指令的含义及其使用方法后，可以更恰当的使用指令，发挥其功能。

4.1.CPM2A指令系统概述

1.指令的分类

（1）基本指令：

17条直接对输入输出点进行操作的指令。

（2）应用指令：

185条.应用指令的多少表明PLC功能的强弱。

2.指令的格式

助记符（指令码）操作数1.2.3

（1）助记符表示指令的功能。

（2）指令码是指令的代码。

大部分基本指令没有指令码，而应用指令大都有指令码。

（3）操作数提供指令执行的对象或数据。

例：

定时器指令TIM000

SV┉┉操作数

程序结束指令END┉┉无操作数

数据传送指令MOV#2000┉┉源数据

HR00┉┉目的通道

二进制加法指令ADBAW┉┉被加数

AD┉┉加数

R┉┉结果通道

3.执行指令对标志位的影响：

25503~25507

4.指令的微分、非微分形式

微分指令：

助记符前加a,仅在其执行条件由OFF变为ON时，才执行一次。

非微分指令：

只要其执行条件为ON，则每个扫描周期都执行该指令。

例：

4.2.1．常用的基本指令

1.LD、LDNOT、AND、ANDNOT、OR、ORNOT、OUT、OUTNOT指令：

LD00000

OR01000

ANDNOT00001

OUT01000

LDNOT00002

ORNOT00003

AND01000

OUTNOT01001

△在分析稀行图时，常开和常闭触点的状态是由它对应的继电器的状态来确定的。

△图中，常闭触点0100也为ON时，则输出继电器01001为OFF，否则01001为ON。

显然，OUTNOT指令是把前面计算的结果取反再送到继电器01001中。

2.END指令

LD00000

ANDNOT00001

ORNOT00003

AND00002

OR00004

OUT01002

END