可编程控制器教案.docx

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可编程控制器教案

《可编程序控制器原理及应用》

《PLC原理及应用》

学习PLC课程的基本要求：

一、基本原理及PLC的组成

二、硬件接线，I/O口如何连接

三、扩展方法如何配置

四、应用软件、梯形图编程方法及应用实例

参考书籍：

1.《现代电气及可编程控制技术》北京：

航空航天大学出版社王永华主编

2.《可编程序控制器及常用控制电器》冶金工业出版社何友华主编

3.《PLC编程及应用》机械工业出版社廖常初主编

4.《工厂电气控制技术》机械工业出版社方承远主编

5.《SIEMENSSIMATICS7-200可编程序控制器CPU22X系统手册》

北京：

西门子（中国）有限公司

绪论

可编程序控制器——PC——以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和通讯技术，用面向控制过程，面向用户的“自然语言”编程，适应工业环境，简单易懂，操作方便，可靠性高的新一代通用工业控制装置。

（见教材P5最后一段话）

表示成PLC——与个人电脑PC相区别。

事实上，已不再局限于逻辑控制，其运算功能，接口功能都越来越强了。

第一节可编程序控制器的定义及特点

一、可编程序控制器的产生

上世纪60年代，计算机技术已开始应用于工业控制了。

但由于计算机技术本身的复杂

性，编程难度高、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，主要还是以继电—接触器组成控制系统。

1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车制造公司（GM），为适应汽车型号的不断翻新，试图寻找一种新型的工业控制器，以尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件及接线、减少时间，降低成本。

因而设想把计算机的完备功能、灵活及通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种适合于工业环境的通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用“面向控制过程，面向对象”的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。

即：

硬件：

减少

软件：

灵活简单

针对上述设想，通用汽车公司提出了这种新型控制器所必须具备的十大条件：

1编程简单，可在现场修改程序

2维护方便，最好是插件式

3可靠性高于继电器控制柜

4体积小于继电器控制柜

5可将数据直接送入管理计算机

6在成本上可与继电器控制柜竞争有名的“GM10条”

7输入可以是交流115V

8输出可以是交流115V，2A以上，可直接驱动电磁阀

9在扩展时，原有系统只要很小变更

10用户程序存储器容量至少能扩展到4K字节

1969年，美国数字设备公司（GEC）首先研制成功第一台可编程序控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面。

接着，美国MODICON公司也开发出可编程序控制器084。

1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台可编程序控制器DSC-8。

1973年，西欧国家也研制出了他们的第一台可编程序控制器。

我国从1974年开始研制，1977年开始工业应用。

早期的可编程序控制器是为取代继电器控制线路、存储程序指令、完成顺序控制而设计的。

主要用于：

1.逻辑运算2.计时，计数等顺序控制，均属开关量控制。

所以，通常称为可编程序逻辑控制器（PLC—ProgrammableLogicController）。

进入70年代，随着微电子技术的发展，PLC采用了通用微处理器，这种控制器就不再局限于当初的逻辑运算了，功能不断增强。

因此，实际上应称之为PC——可编程序控制器。

至80年代，随大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PC得到了惊人的发展。

使PC在概念、设计、性能、价格以及应用等方面都有了新的突破。

不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。

二、可编程序控制器的定义

可编程序控制器一直在发展中，所以至今尚未对其下最后的定义。

国际电工学会（IEC）曾先后于1982.11；1985.1和1987.2发布了可编程序控制器标准草案的第一，二，三稿。

在第三稿中，对PLC作了如下定义：

可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的，模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

（见教材P1）

定义强调了PLC是：

1数字运算操作的电子系统——也是一种计算机

2专为在工业环境下应用而设计

3面向用户指令——编程方便

4逻辑运算、顺序控制、定时计算和算术操作

5数字量或模拟量输入输出控制

6易与控制系统联成一体

7易于扩充

三、可编程序控制器的特点

为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，PC机有以下特点：

1.可靠性高，抗干扰能力强

工业生产对控制设备的可靠性要求：

1平均故障间隔时间长

2故障修复时间（平均修复时间）短

任何电子设备产生的故障，通常为两种：

①偶发性故障。

由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。

这类故障，只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统也随之恢复正常。

但对PC而言，受外界影响后，内部存储的信息可能被破坏。

②永久性故障。

由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。

如果能限制偶发性故障的发生条件，如果能使PC在恶劣环境中不受影响或能把影响的后果限制在最小范围，使PC在恶劣条件消失后自动恢复正常，这样就能提高平均故障间隔时间；如果能在PC上增加一些诊断措施和适当的保护手段，在永久性故障出现时，能很快查出故障发生点，并将故障限制在局部，就能降低PC的平均修复时间。

为此，各PC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，使PC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使PC具有了很强的抗干扰能力。

·硬件措施：

主要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作由无触点的电子存储器完成，I/O系统设计有完善的通道保护和信号调理电路。

1屏蔽——对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。

2滤波——对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，如LC或π型滤波网络，以消除或抑制高频干扰，也削弱了各种模块之间的相互影响。

3电源调整与保护——对微处理器这个核心部件所需的+5V电源，采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。

4隔离——在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效地隔离I/O接口与CPU之间电的联系，减少故障和误动作；各I/O口之间亦彼此隔离。

5采用模块式结构——这种结构有助于在故障情况下短时修复。

一旦查出某一模块出现故障，能迅速更换，使系统恢复正常工作；同时也有助于加快查找故障原因。

·软件措施：

有极强的自检及保护功能。

1故障检测——软件定期地检测外界环境，如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等。

以便及时进行处理。

2信息保护与恢复——当偶发性故障条件出现时，不破坏PC内部的信息。

一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续原来的程序工作。

所以，PC在检测到故障条件时，立即把现状态存入存储器，软件配合对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何操作，以防存储信息被冲掉。

3设置警戒时钟WDT（看门狗）——如果程序每循环执行时间超过了WDT规定的时间，预示了程序进入死循环，立即报警。

4加强对程序的检查和校验——一旦程序有错，立即报警，并停止执行。

5对程序及动态数据进行电池后备——停电后，利用后备电池供电，有关状态及信息就不会丢失。

PC的出厂试验项目中，有一项就是抗干扰试验。

它要求能承受幅值为1000V，上升时间1nS，脉冲宽度为1μS的干扰脉冲。

一般，平均故障间隔时间可达几十万～上千万小时；制成系统亦可达4～5万小时甚至更长时间。

2.通用性强，控制程序可变，使用方便

PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。

用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。

因此，PC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。

3.功能强，适应面广

现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。

既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。

4.编程简单，容易掌握

目前，大多数PC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。

既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。

梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。

通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。

同时还提供了功能图、语句表等编程语言。

PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PC内部增加了解释程序）。

与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。

5.减少了控制系统的设计及施工的工作量

由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。

同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。

并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。

6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便

PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。

并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

以三菱公司的F1-40M型PLC为例：

其外型尺寸仅为305×110×110mm，重量2.3kg，功耗小于25VA；而且具有很好的抗振、适应环境温、湿度变化的能力。

现在三菱公司又有FX系列PLC，与其超小型品种F1系列相比：

面积为47%,体积为36%，在系统的配置上既固定又灵活，输入输出可达24～128点。

第二节可编程序控制器的应用

随着PLC的性能价格比的不断提高：

①微处理器的芯片及有关的元件价格大大降低，PC的成本下降②PLC的功能大大增强，因而PLC的应用日益广泛。

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保等各行各业。

其应用范围大致可归纳为以下几种：

1.开关量的逻辑控制——这是PLC最基本、最广泛的应用领域。

它取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制。

开关量的逻辑控制可用于单机控制，也可用于多机群控，亦可用于自动生产线的控制等等。

（参见教材P3）

2.运动控制——PLC可用于直线运动或圆周运动的控制。

早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机械，现在一般使用专用的运动模块。

目前，制造商已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

即：

把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴或多轴到目标位置。

当每个轴运动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。

运动的程序可用PLC的语言完成，通过编程器输入。

3.闭环过程控制——PL