课题一PLC概论.docx

课题一PLC概论.docx

《课题一PLC概论.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《课题一PLC概论.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

课题一PLC概论

课题一PLC概论

理论内容1.1

一、PLC引入

（一）传统的继电-接触式电路及缺点

传统的继电-接触式电路具有工作可靠，造价低廉等优点，它被广泛的应用在自动控制中。

但它也有一些致命的缺点，随着生产领域对自动控制的要求越来越高，它已经不能适应。

图1.1是一个典型继电-接触式控制三相交流电动机正反转电路。

如果现在要让正转启动按钮SB1负责控制反转启动线圈KM2，而让反转启动按钮SB2负责控制反转启动线圈KM2。

则应在保持主电路不变的情况下，将控制电路的接线进行改接。

该电路是一个非常简单的电路，如果是一个复杂的生产线需要改变控制要求，则必须进行大量的接线改接工作，甚至要将整个生产线的全部电气线路全部拆除，进行重新设计和接线。

这必将造成生产成本的提高，更重要的是会造成不必要的时间上的浪费。

在一些需要经常更换生产工艺的厂家来看，是决对不允许出现的。

解决这一问题的最有效的方法是采用可编程控制器来设计生产线。

（二）PLC的等效电路

在介绍如何用PLC来解决上述题之前，必须先介绍一下PLC的等效电路。

图1.2是PLC的等效电路图。

图1.2

1．输入回路

（1）这一部分的组成是：

①外部输入回路：

这部分回路是实际存在的②ＰLＣ输入接线端子：

这部分是实际存在的③输入继电器：

这部分是虚拟的（实际不存在）

（2）外部信号经ＰLＣ输入接线端子驱动输入继电器。

（3）输入回路电源可用ＰLＣ电源部件提供直流电压，也可由独立的交流电源供电。

2．内部控制电路

（1）这部分是由用户程序形成的

（2）实际上它是不存在的。

3．输出回路

（1）这一部分的组成是：

①输出继电器外部触点：

是实际存在的②输出接线端子：

是实际存在的

③外部电路：

是实际存在的

（三）用PLC代替传统的继电器电路

下面我就得用PLC对图1.1继电器一接触器实现电机正反转控制的电路进行改造。

我们只需将其主电路保留不动，将控制电路部分利用ＰLＣ编程即可（注意此时其控制电路已经变成了程序而不是真正的实物接线了）。

改造后的硬件接线图和程序梯形图，见图1.3。

工作原理如下：

1．正转启动：

合上SB1则ＰLＣ内部虚拟线圈X1由3号线→SB1→0号线→电源E→7号线→COM点→8号线构成回路而得电,在梯形图中的X1常开触点闭合,则梯形图中的Y0线圈得电;输出触点Y0闭合;线圈KM1,由9号线→12号线→COM点→13号线→电源→10号线构成回路得电;主电路KM1主触点闭合,电机正转启动。

2.停止:

按动SB0,PLC内虚拟线圈X0由2号线→1号线→SB0→0号线→电源E→7号线→COM点→8号线构成回路而得电;在梯形图中X0的常闭触点X0断开;Y0线圈断电;KM1线圈断电,主电路KM主触点断开;电机停转。

3.反转:

按动SB2,则PLC内虚拟线圈X2由6号线→5号线→0号线→电源E→7号线→COM点→8号线而得电;在梯形图中X2的常开触点闭合.线圈Y1得电,Y1的常开触点闭合;线圈KM2由11号线→12号线→COM点→13号线→电源→10号线得电,主电路中KM2主触点闭合;电机反转。

如果现在要让正转启动按钮SB1负责控制反转启动线圈KM2，而让反转启动按钮SB2负责控制反转启动线圈KM2。

我们只要在保持主电路不变的情况下，在梯形图程序中将X1改写成X2，而将X2改写成X1就可以了

二、PLC的发展历史

早期工业生产中广泛使用的电气控制系统是继电器—接触器控制系统简称继电器控制系统。

1.继电器控制系统的缺点是:

系统的布线连接不易更新、功能不易扩展，可靠性不高。

2.20世纪60年代初,出现了利用二极管、三极管和中小规模集成电路构成的逻辑式顺序控制器。

3.顺序控制器的缺点是：

控制规模小（一般输出不超出64点）、程序编制不够灵活。

4.1968年美国通用公司（GM），为了满足汽车型号不断更新的要求，向制造商招标，寻求一种取代传统继电器控制系统的新设备，并提出10条要求：

①编程方便，可实现现场修改程序；②维修方便，最好为插件结构；③可靠性高于继电器控制装置；④体积小于继电器控制装置；⑤数据可以直接输入管理计算机；⑥可以直接用115V输入；⑦输出交流115V负载电流要求2A以上，可以直接驱动电磁阀，接触器负载元件。

⑧通用性强，易扩展，扩展时原系统只需很少变更；⑨用户存储器容量大于4KB；⑩成本可与继电器控制装置竞争。

这就是著名的GM10条

51969年，美国数字设备公司（DEC）根据上述要求，研制出了世界上第一台可编程控制器，型号为PDP-14，并成功应用于通用公司的汽车自动装配线上。

61971年，日本引进该技术；1973年，西德、法国开始研制；1974年，我国开始研制，1977年应用于工业生产。

7目前，世界上有上百家厂家生产可编程控制器，竞争十分激烈，平均每两年便有新一代产品问世。

三、PLC、继电器、单片机系统比较

继电器：

由开关、继电器、接触器等组成，靠硬接线实现逻辑运算，有触点，并行方式，易出现故障，排除难，不易系统更新换代。

PLC：

由CPU、存储器等组成，靠CPU实现逻辑运算，无触点，串行方式，可靠性极强，安装、使用、维护、维修方便，易系统更新换代。

单片机：

硬件需人工设计、焊接，需较强的电子技术技能，抗干扰能力差，程序控制方式，无触点，维护、使用需较强的专业知识，程序设计较难，系统更新换代周期长。

四、编程控制器定义：

1.1987年2月国际电工委员会（IEC）将可编程控制器定义为:

“可编程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、计数和算术操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制器系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

”

2.定义中应注意以下几点:

⑴PLC是“数字运算操作的电子设备”，其内部完全采用数字电路，利用二进制运行工作。

无论从内部构造、功能及工作原理上看PLC都是不折不扣的计算机。

⑵PLC是“为工业环境下应用”而设计的计算机，它可在高粉尘、高噪音、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。

是一种工业现场用计算机。

⑶PLC能控制“各种类型”的工业设备及生产过程，它是一种通用型工业控制计算机。

五、可编程序控制器的硬件结构

PLC硬件系统的基本结构如图1.4所示

（一）中央处理器（ＣＰＵ）

1．央处理器是ＰLＣ的核心

2．CPU在系统程序控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分工作等任务。

（二）存储器

1．ＰLＣ的存储器主要用于存放系统程序、用户程序、及运算数据。

2．存储器可分为只读存储器（ＲＯＭ）和随机存储器（RAM）两大类。

⑴只读存储器的特点是:

只能读取，不能写入，断电后数据可保留，是用来保存那些需永久保存，即使机器掉电后也需保存的程序（如系统程序）。

⑵随机存储器特点是:

即能读也能写，断电后数据不保持，是用来存放用户程序以及系统运行中产生的临时数据。

图1.4

图1.4

（三）输入输出接口（Ｉ／Ｏ接口）

1．输入

⑴输入接口电路常采用光电耦合器与输入信号相连。

⑵光电耦合隔离输入原理图，见图1.5。

图1.5

⑶采用光电耦合器的作用是：

防止现场强电干扰。

⑷光电耦合器的组成：

由光敏元件和发光二极管组成。

⑸光电耦合器的工作原理：

当输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。

光敏元件在光信号的作用下导通,输入信号得以传入接囗电路。

由于输入、输出端是靠光信号耦合的，在电气上完全隔离提高了ＰLＣ的抗干扰能力。

2．输出PLC的输出共有三种形式，它们是：

⑴继电器输出

①电路图：

见图1.6（ａ）。

②优点：

耐受电压范围宽；导通压降小；价格便宜；既可以控制交流负载，也可控制直流负载。

缺点：

机械触点寿命短，转换频率低（１０ｍｓ），触点断开时有电弧产生，容易产生干扰。

③可驱动负载：

纯电阻2A/点，感性负载80vA以下。

⑵晶体管输出

①电路图：

见图1.6（ｂ）。

②优点：

没有噪声；可靠性高；转换频率高（0.2ms）。

③缺点：

价格高；过载能力差。

④每个输出点可驱动负载为0.5A，由于温升限制，每4点输出总电流不得大于0.8A

⑶晶闸管输出

①电路图：

见图1.6（c）。

②优点：

响应速度快（1ms以下）；寿命长；可驱动交流负载。

③缺点：

负载能力差。

④采用光触发双向晶闸管⑤每个输出点可驱动0.5A负载

（四）编程器

利用编程器可将用户程序送入ＰLＣ内部，并可以通过编程器调试程序、监控程序的执行过程。

编程器从结构上分可分为三种类型

1．简易编程器

⑴FX-20P系持式编程器外型图，见图1.7。

⑵优点：

携带方便；价格便宜。

⑶缺点：

只能用助记符或功能指令编程；编程器与主机共用一个CPU，只能连机编程，对ＰLＣ控制能力小。

2．图形编程器

图形编程器既可以用梯形图编程，也可以能助记指令编程，有较强的监控功能，但价格高。

3.通用计算机编程

通过硬件接口和专用软件包，用户可以直接在计算机上以连机或脱机方式编程。

六、可编程控制器的软件及编程语言

（一）软件分类

1．系统软件

⑴由生产厂家自行研制，并在用户使用可编程控制器前就已装入机内。

⑵主要完成机内运行相关时间分配、存储空间分配管理、及系统自检等工作。

图1.7

（二）用户软件（应用软件）

是用为了达到某种目的，用户自主编制的程序。

（三）用户软件（应用软件）编程语言的种类

目前共有五种常用编程语言，但至今还没有一种能适合于各种可编程控制器的通用语言。

1.梯形图（Ladderdiagram）

图1.9a是三相异步电动机可逆运行ＰLＣ控制方案的用户程序的梯形图，从图中可以看到梯形图中所绘的图形符号和继电器电路图中的符号十分相似。

1梯形图是一种可视化的ＰLＣ编程语言。

⑵梯形图是为熟悉继电器电路图的工程技术人员设计的。

⑶梯形图是ＰLＣ编程语言中使用最广泛的一种语言。

2.指令表（Instractionlist）

图1.9b是三相异步电动机可逆运行ＰLＣ控制方案的指令表。

⑴指令表与梯形图有严格的对应关系。

⑵对于简易编程设备，由于其不具备直接读取图形的能力，所以梯形图只有改写成为指令表才能送入ＰLＣ运行。

⑶PLC对梯形图没有识别能力,它只能识别指令表。

所以在用梯形图编制好程序后,必须转换为指令表后才能存盘或传入PLC。

3.状态转移图（Sepuentialfunctionchart）见图1.10

顺序功能编程法可将一个复杂的控制过程分解为一些小的工作状态，对这些小状态的功能分别处理后再把这些小状态依一定的顺序控制要求连接组合成整体控制程序。

该方法对复杂的控制要求的解决尤其有效。

4．功能块图（Functionblockdiagram）见图1.11

功能块图适用于熟悉数字电路的工程人员。

5.结构文本（Stractaredtext）

⑴在一些大中型ＰLＣ中配备了PASCAL、BASIC、C等高级编程语言。

⑵结构文本能实现复杂的数学运算。

以上五种语言是国际电工委员会（IEC）1994年5月在ＰLＣ标准中推荐的。

对于一款具体的ＰLＣ，生产厂家可在五种语言中提供几种供用户选择。

各种语言与计算机的关系见图1.12

十、PLC基本工作原理

（一）PLC的输入映像寄存器区和输出映象寄存器区

1、在PLC的存储器中有两个专门用途的区域:

一个是输入映象寄存器区，另一个是输出映象寄存器区（或统称为Ｉ／Ｏ映象区）

2、这两块区域的用途是：

存放程序执行之前的各输入状态和执行过程中各结果的状态。

（二）PLC的循环扫描工作方式

1、PLC的工作方式是：

循环扫描工作。

（三）用户程序的循环扫描过程分为三个阶段

1、输入采样阶段

1在程序执行之前,PLC读入输入口的状态,并将它们存放在对应的输入映象寄存器中。

②在执行程序的过程中，即使输入变化，输入映像区的内容也不变，而在下一周期的输入处理时，读入该变化。

2、程序执行阶段

可编程控制器根据程序存储器的指令内容，从输入映像区或其他软元件的映像区中读出各软件的ON／OFF的状态，从0步开始依次进行运算，然后将结果写入映像区。

因此，各软元件的映像存储区随着程序的执行逐步改变其内容。

而且，输出继电器的内部触点根据输出映像存储区的内容执行动作。

（3）输出刷新阶段

一旦所有指令执行结束，将输出Y的映像存储区的0N／OFF状态传输至输出锁存存储区，这成为了可编程控制器的实际输出。

上述三个阶段也是分时完成的。

为了连续地完成PLC所承担的工作,系统必须周而复始地依一定的顺序完成这一系列工作,这种方式就是循环扫描方式。

（五）说明PLC循环扫描工作过程的具体实例

下面用一个简单例子进一步说明PLC扫描工作过程。

图1.13a是PLC控制电机正反转的接线图。

正转启动按钮为SB1、反转启动按钮为SB2、停止按钮为SB3,正转接触器为KM1,反转接触器为KM2;图1.13（b）是5个输入/输出变量对应的I/O映象寄存器;图1.13（c）是PLC梯形图.

梯形图以指令的形式存储在PLC的用户程序存储器中。

下面是梯形图的指令表

1、输入采样阶段

CPU将SB1、SB2、SB3的常开触点开关的状态（ON/OFF），读入相应的输入映像寄存器。

外部触点接通时存入寄存器的是“1”，反之为“0”。

2、程序执行阶段

CPU进行逻辑运算

3、输出刷新阶段

当程序执行到END指令时，表示程序结束，进入刷新阶段。

（1）一方面CPU将各输出映象寄存器的内容传送到输出锁存器存起来，送往输出端子驱动外部对象。

（2）一方面程序重新回到开始，重复上述过程，循环往复，直到停机。