学习情境任务教案.docx
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学习情境任务教案
学习情境一：
初识西门子S7-200
课次：
1.2.3.4
授课教师
夏咏梅
授课班级
电气10-302
授课日期
任务一PLC的结构与接线
学时：
8
知识目标
1．什么是PLC
2．PLC的产生与发展，应用领域
3．PLC的结构与工作原理
4．PLC的编程语言与软继电器
5．PLC的基本主要技术指标与选用
6．PLC四个控制线路的连接、通讯连接等
能力目标
专业能力：
学会PLC的线路连接与选用原则
方法能力：
掌握PLC的总体选用原则
社会能力：
培养学生工艺整齐的习惯，培养学生用电安全意识。
德育渗透：
培养学生的社会责任感，PLC技术的发展速度之快要追赶
教学媒体
教学课件、参考教材、PLC综合实训台等
教学地点
PLC实训基地
教学方法
实训操作教学法，对比教学法，任务趋动法
主要授课内容
1．PLC的概念，产生与发展及时应用领域
2．PLC的结构与工作原理
3．PLC的编程语言与电气控制线路的比较教学
4．PLC的软继电器含义及应用特点
5．PLC的基本主要技术指标与选用
6．PLC输入输出控制线路的连接、通讯连接操作
思考及练习：
1．PLC的运行过程是怎样的？
2．PLC的性能指标有哪些？
3．PLC的选用主要是要考虑哪些因素？
教学
过程
教师活动
讲授工作原理，PLC概念，结构，性能指标等，操作内容由教师先示范，
学生活动
能按要求进行控制线路的连接，遵守操作规程
考核与
评价方式
接线操作结果考核
小组评价
课后分析
布置任务——我们要学什么？
教师引导问题
一、什么是PLC
可编程控制器（ProgrammbleController）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。
定义如下：
“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、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和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外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。
定义强调了PLC应直接应用于工业环境，必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和广阔的应用范围，这是区别于一般微机控制系统的重要特征。
_二、PLC的产生与发展
_1968年美国通用汽车公司（G.M）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电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。
1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，
三、PLC的特点与应用领域
（一）PLC的特点
1．可靠性高、抗干扰能力强
PLC的平均无故障时间可达几十万个小时，之所以有这么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施
（1）硬件方面I/O通道采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响；对供电电源及线路采用多种形式的滤波，从而消除或抑制了高频干扰；对CPU等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰；对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等。
（2）软件方面PLC采用扫描工作方式，减少了由于外界环境干扰引起故障；在PLC系统程序中设有故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；当由外界干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。
____
2．目前，大多数PLC采用的编程语言是梯形图语言，它是一种编程简单、使用方便面向生产、面向用户的编程语言。
梯形图与电器控制线路图相似，形象、直观，不需要掌握计算机知识，很容易让广大工程技术人员掌握。
3．功能完善、通用性强
____现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID控制、通信联网以等许多功能。
4．设计安装简单、维护方便
_由于PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。
PLC的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。
在维修方面，由于PLC的故障率极低，维修工作量很小；而且PLC具有很强的自诊断功能，如果出现故障，可根据PLC上指示或编程器上提供的故障信息，迅速查明原因，维修极为方便。
5．体积小、重量轻、能耗低
____由于PLC采用了集成电路，其结构紧凑、体积小、能耗低，因而是实现机电一体化的理想控制设备。
（二）PLC的应用领域
从开关量、模拟量、数字量进行三方面的讲解
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，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
_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。
_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
__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。
五、PLC的分类 了解内容，简要介绍
1．按结构形式分类
_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。
扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。
基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。
整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。
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。
2．按功能分类
（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。
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。
布置任务——ＰＬＣ的应用目的知道了，ＰＬＣ的结构组成是什么样的？
教师引导问题
复习：
PLC的特点
运行稳定可靠，抗干扰性能强。
PLC将电控（逻辑控制）电仪（过程控制）电结（运动控制）三电集于一身，可以方便灵活的实现合成各种不同规模和要求的控制系统。
编程简单，使用方便，采用梯形图语言，易学易掌握。
PLC体积小，重量轻，能耗低，且设计施工调试周期短，特别适合于开发使用。
PLC的主要功能
开关量的逻辑控制功能：
定时计数的控制功能
步进控制功能：
用于多道加工工序的控制中
数据处理功能：
进行数据的比较与传送
A/D，D/A的转换功能：
能进行数字与模拟的转换工作。
运动控制功能：
进行单轴和多轴控制
过程控制功能：
实现对温度、压力、速度等量的过程控制
扩展功能，远程I/O功能等。
一、PLC的应用
1．用于开关逻辑和顺序控制。
这是PLC最基本的应用范围，它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序控制。
可用PLC取代传统继电接触器控制，如：
机床电气、电机控制等；亦可取代顺序控制，如：
高炉上料、电梯控制等。
总之，PLC可用于单机、多机及生产线的自动化控制。
2．用于机械加工的数字控制。
PLC和计算机控制装置组合成一体，可实现数值控制，组成数控机床。
有人曾预言：
今后的计算机数控系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。
3．用于机器人或机械手控制。
随着工业自动化的发展，机器人和机械手的使用将越来越普遍。
可用一台PLC实现3~6轴的机器人控制。
4．用于模拟量的控制。
PLC具有D/A、A/D转换及算术运算功能，可实现模拟量控制。
现在大型的PLC都配有PID（比例、积分、微分）子程序或PID模块，可实现单回路、多回路的调节控制。
5．用于组成多级控制系统，实现工厂自动化网络。
高功能的PLC具有较强的通讯联网功能，把PLC作为下位机，与上位机或同级的PLC进行通信，完成数据的处理和信息的交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理。
二、PLC的结构：
1、中央处理单元（CPU）
__同一般的微机一样，CPU是PLC的核心。
__目前，小型PLC为单CPU系统，而中、大型PLC则大多为双CPU系统，甚至有些PLC中多达8_个CPU。
对于双CPU系统，一般一个为字处理器，一般采用8位或16位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。
字处理器为主处理器，用于执行编程器接口功能，监视内部定时器，监视扫描时间，处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。
位处理器为从处理器，主要用于处理位操作指令和实现PLC编程语言向机器语言的转换。
位处理器的采用,提高了PLC的速度，使PLC更好地满足实时控制要求。
__在PLC中CPU按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作，归纳起来主要有以下几个方面：
1）接收从编程器输入的用户程序和数据。
2）诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。
3）通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映象寄有器或数据寄存器中。
4）从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。
5）根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。
有些PLC还具有制表打印或数据通信等功能。
_2．存储器
_存储器主要有两种：
一种是可读/写操作的随机存储器RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM_、EPROM_和EEPROM。
在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。
系统程序是由PLC_的制造厂家编写的，和PLC的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC运行的平台。
系统程序关系到PLC的性能，而且在PLC使用过程中不会变动，所以是由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。
用户程序是随PLC的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。
为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。
为了防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在只读存储器EPROM中。
现在有许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。
3．输入/输出单元
__输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。
PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。
由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口要实现这种转换。
I/O接口一般都具有光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力。
另外，I/O接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。
_4．通信接口
_PLC配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。
PLC通过这些通信接口可与监视器、打印机、其它PLC、计算机等设备实现通信。
PLC与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印；与监视器连接，可将控制过程图像显示出来；与其它PLC连接，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制。
_与计算机连接，可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。
远程I/O系统也必须配备相应的通信接口模块。
5．智能接口模块
智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口。
它作为PLC系统的一个模块，通过总线与PLC相连，进行数据交换，并在PLC的协调管理下独立地进行工作。
PLC的智能接口模块种类很多，如：
高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。
6．编程装置
编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。
它是开发、应用、维护PLC不可缺少的工具。
编程装置可以是专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。
专用编程器是由PLC厂家生产，专供该厂家生产的某些PLC产品使用，它主要由键盘、显示器和外存储器接插口等部件组成。
专用编程器有简易编程器和智能编程器两类。
三、PLC的工作原理：
与计算机进行比较
PLC采取循环扫描的工作方式，对每个程序CPU从第一条指令开始执行，直到ED语句后又返回到第一条语句，周而复始。
I/O口刷新一次，则在此循环中CU执行一次运行结果。
不同于计算机的等待命令的工作方式。
ＰＬＣ工作过程所描述，用图形完成。
复习PLC的结构组成，引出PLC的性能指标。
一、PLC的性能指标
1．存储容量
存储容量是指用户程序存储器的容量。
用户程序存储器的容量大，可以编制出复杂的程序。
一般来说，小型PLC的用户存储器容量为几千字，而大型机的用户存储器容量为几万字。
2．I/O点数
输入/输出（I/O）点数是PLC可以接受的输入信号和输出信号的总和，是衡量PLC性能的重要指标。
I/O点数越多，外部可接的输入设备和输出设备就越多，控制规模就越大。
3．扫描速度
扫描速度是指PLC执行用户程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标。
一般以扫描1K字用户程序所需的时间来衡量扫描速度，通常以ms/K字为单位。
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执行相同的操作所用的时间，来衡量扫描速度的快慢。
4．指令的功能与数量
指令功能的强弱、数量的多少也是衡量PLC性能的重要指标。
编程指令的功能越强、数量越多，PLC的处理能力和控制能力也越强，用户编程也越简单和方便，越容易完成复杂的控制任务。
5．内部元件的种类与数量
在编制PLC程序时，需要用到大量的内部元件来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。
这些元件的种类与数量越多，表示PLC的存储和处理各种信息的能力越强。
6．特殊功能单元
特殊功能单元种类的多少与功能的强弱是衡量PLC产品的一个重要指标。
近年来各PLC厂商非常重视特殊功能单元的开发，特殊功能单元种类日益增多，功能越来越强，使PLC的控制功能日益扩大
7．可扩展能力
PLC的可扩展能力包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展、各种功能模块的扩展等。
在选择PLC时，经常需要考虑PLC的可扩展能力。
二、PLC的编程语言 编程语言的介绍要与ＰＬＣ的结构特点及电脑特性来进行引导讲解
PLC的主要特点：
运行稳定可靠，抗干扰性能强。
PLC将电控（逻辑控制）电仪（过程控制）电结（运动控制）三电集于一身，可以方便灵活的实现合成各种不同规模和要求的控制系统。
编程简单，使用方便，采用梯形图语言，易学易掌握。
PLC体积小，重量轻，能耗低，且设计施工调试周期短，特别适合于开发使用。
PLC与继电器的区别：
继电器元件大，多，安装不方便，PLC易于实现设计，外接线路简单，编程方便。
PLC与电脑的区别：
电脑采用的是等待的工作方式，PLC采用的是循环扫描工作方式。
PLC适用于复杂的工业场合，而电脑应用于室内环境，且处理的数据量大，语言丰富。
PLC的编程语言：
从继电控制中延续下来，用梯形图语言，简单明了直观，在输入时也可采用助记符语言，语句大多为逻辑控制的关系。
复习PLC的性能指标，引出控制线路的构成与连接内容
对于高职学生来说学习可编程控制器技术首先是应用，其次开展简单的研发。
可编程控制器技术应用的关键是掌握可编程控制器的指令系统，根据生产设备的控制要求编制应用程序，而后在生产现场进行安装及调试，在安装与调试过程中，PLC控制系统线路的连接，外围器件与可编程控制器的连接，对PLC控制系统的正常运行起着重要作用，在此对PLC控制线路的连接、常用的外围器件连接作以介绍。
1．PLC系统的接线
从PLC机型的选取开始，到PLC容量的选择，一台PLC选定使用后，就要进行PLC系统的接线，PLC系统的接线主要包括电源接线、接地、I/O接线及对扩展单元接线等。
（1）电源接线
一般PLC使用直流24V、交流100~120V或200~240V的工业电源。
过强的噪声及电源电压波动过大都可能使CPU工作异常，以致引起整个系统瘫痪。
为避免由此而引起的事故发生，在电源接线时，需采取隔离变压器等有效措施。
另外在进行电源接线时，还要注意以下几点：
当主控单元与其它单元相接时，各单元的电源线连接应能同时接通和断开；当电源瞬间掉电时间小于10ms时，不影响PLC的正常工作；当需要控制两个相反的动作时，由于外接接触器的动作较PLC内部的输出有滞后性，应在PLC和控制设备之间加互锁电路。
（2）接地
良好的接地是保证PLC正常工作的必要条件。
PLC的接地线应为专用接地线，其直径应在2mm2以上。
交流稳压器、UPS不间断电源、隔离变压器等以及系统的接地线尽可能短。
系统的地线也要和机壳相连。
PLC的地线不能和其他设备共用，更不能将其接到一个建筑物的大型金属结构上，且接地电阻不可过大。
（3）主控制单元输入端子接线
输入模块的作用是接收现场的输入信号,并将输入的高电平信号转换为PLC内部的低电平信号。
输入端子板多为两头带螺钉的可拆卸板，外部开关设备与PLC的之间的输入信号均通过输入端子进行连接。
1）．PLC与主令电器类设备的连接
PLC与按钮、行程开关、转换开关等主令电器类输入设备的接线如示意图3-1-5。
图中的PLC为外部接入直流电源形式，所有输入点共用一个公共端COM，同时COM端内没有电源，由外加直流电源DC12-24V实现供电。
2）．PLC与拨码开关的连接
如果PLC控制系统中的某些数据需要经常修改，可使用多位拨码开关与PLC连接。
拨码开关的使用要占用许多PLC输入点，所以不是十分必要的场合，一般不要采用这种方法。
若输入采用拨码开关时，可采用矩阵输入法，以提高PLC的I/O口的利用率。
3）．PLC与旋转编码器的连接
旋转编码器是一种测量装置，它通过光电信号的转换对旋转物体的转速及转动角度进行测量，它将被测的角位移转换成了数字信号（即高速脉冲信号）。
因此要利用PLC的高速计数器对其脉冲信号进行计数，可将旋转编码器的输出脉冲信号直接输入给PLC的高速记数器功能口，以获得测量结果。
不同型号的旋转编码器，其输出脉冲的相数A、B、Z三相脉冲，A、B两相，或只有A相。
以A、B两相为例，编码器有4条引线，其中2条是脉冲输出线，1条是COM端线，1条是电源线。
编码器的电源可以是外接电源，也可使用PLC的提供的DC24V电源。
电源“+”与编码器的电源端连接，电源“-”端要与编码器的COM端连接，编码器的COM端与PLC输入COM端连接，以形成回路。
A、B两相脉冲输出线直接与PLC的输入端I口连接。
有的旋转编码器为传输信号准确使用屏蔽线，使用时要将屏蔽线接地。
4）．PLC与传感器类设备的连接
传感器的种类很多，其输出方式也各不相同。
当采用接近开关、光电开关等两线式传感器时，由于传感器的漏电流较大，可能出现错误的输入信号而导致PLC的误动作，此时可在PLC输入端并联旁路电阻Ｒ。
可编程控制器的输入形式有多种，PLC输入端的连接时还应注意以下几点：
A、输入线尽可能远离输出线、高压线及电机等干扰源，保证输入信号准确。
B、输入回路是否需外接电源，当有内置式电源时，切勿将外接电源加到PLC的内置式直流电源的端子上。
C、输入串接外加电源类型有交／直流任意或指定交流，这点在使用时要注意。
D、注意电源幅值和极性的要求，不要接反或是电源幅值超大。
E、当PLC的内置电源输出功率不够时，可使用外接电源。
图3-1-5松下FP1控制单元输入、输出端子接线图
（4）控制单元输出端子接线
松下FP1控制单元输出端子的接线如图3-1-5，图中有若干COM端，可相对独立输出，为不同的输出设备提供不同的电源。
输出模块的作用是将PLC的输出信号传递给外部负载,并将PLC内部的低电平信号转换为外部负载电路所需电平信号。
输出模块按输出方式、输出电压和输出电流也各有不同，要进行选择。
在选择输出模块、进行输出接线时应注意以下几点：
A、PLC与输出设备连接时，不同组（不同公共端）的输出点，其对应输出设备（负载）的电压类型、等级可以不同，但同组（相同公共端）的输出点，其电压类型和等级应该相同。
除了PLC输入和输出共用同一电源外，输入公共端与输出公共端一般不能接在一起。
且PLC的各输出端子的“COM”端均为独立的。
故各输出端既可独立输出，又可采用COM公共端并连进行输出。
当各负载使用不同工作电压时，要采用独立输出方式。
B、开关量输出模块的选择：
PLC的输出电路的类型较多，开关量输出模块分为继电器型、双向晶闸管型、晶体管型。
选择时应考虑负载电压的种类和大小、系统对延迟时间的要求、负载状态变化是否频繁等，还应注意同一输出模块对电阻性负载、电感性负载驱动能力的差异。
如果PLC的输出信号变化不是很频繁，建议优先选用继电器型的。
继电器输出模块的继电器体积很小，能驱动负载电流大于2A、AC220V的负载。
C、输出电流选择。
应根据实际负载电流的大小选择，输出模块的输出电流必
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