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——PLC通过模拟量的I/O模块实现模拟量与数字量的A/D、D/A转换，可实现对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的PID控制。
4.数据处理——现代的PLC具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算），数据传递、排序和查表、位操作等功能；可以完成数据的采集、分析和处理。
数据处理一般用在大中型控制系统中；具有CNC功能：
把支持顺序控制的PLC与数字控制设备紧密结合。
5.通讯连网——PLC的通讯包括PLC与PLC之间、PLC与上位计算机之间和它的智能设备之间的通讯。
PLC和计算机之间具有RS-232接口，用双绞线、同轴电缆将它们连成网络，以实现信息的交换。
还可以构成“集中管理，分散控制”的分布控制系统。
I/O模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后利用网络联结构成集中管理信息的分布式网络系统。
并不是所有的PLC都具有上述的全部功能，有的小型PLC只具上述部分功能，但价格比较便宜。
第三节可编程序控制器的分类
由于PLC的品种、型号、规格、功能各不相同，要按统一的标准对它们进行分类十分困难。
通常，按I/O点数可划分成大、中、小型三类；按功能强弱又可分为低档机、中档机和高档机三类。
一般，按I/O点数分类如下：
1.小型PLC——I/O点数<256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字以下。
如：
GE-I型美国通用电气（GE）公司
TI100美国德洲仪器公司
F、F1、F2日本三菱电气公司
C20C40日本立石公司（欧姆龙）
S7-200德国西门子公司
EX20EX40日本东芝公司
SR-20/21中外合资无锡华光电子工业有限公司
2.中型PLC——I/O点数256～2048点；双CPU，用户存储器容量2～8K
如：
S7-300德国西门子公司
SR-400中外合资无锡华光电子工业有限公司
SU-5、SU-6德国西门子公司
C-500日本立石公司
GE-ⅢGE公司
3.大型PLC——I/O点数>2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8～16K
如：
S7-400德国西门子公司
GE-ⅣGE公司
C-2000立石公司
K3三菱公司等
第四节可编程序控制器的发展
·国外PLC发展概况
PLC自问世以来，经过40多年的发展，在美、德、日等工业发达国家已成为重要的产业之一。
世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断翻新。
产量产值大幅度上升而价格则不断下降。
目前，世界上有200多个厂家生产PLC，较有名的：
美国：
AB通用电气、莫迪康公司；日本：
三菱、富士、欧姆龙、松下电工等；德国：
西门子公司；法国：
TE施耐德公司；韩国：
三星、LG公司等。
·技术发展动向
1.产品规模向大、小两个方向发展
大：
I/O点数达14336点、32位为微处理器、多CPU并行工作、大容量存储器、扫描
速度高速化。
小：
由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本。
2.PLC在闭环过程控制中应用日益广泛
3.不断加强通讯功能
4.新器件和模块不断推出
高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外，还有带处理器的EPROM或RAM的智能I/O模块、高速计数模块、远程I/O模块等专用化模块。
5.编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化
有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的PLC指令系统。
6.发展容错技术
采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。
7.追求软硬件的标准化。
·国内发展及应用概况
我国的PLC产品的研制和生产经历了三个阶段：
顺序控制器（1973～1979）——一位处理器为主的工业控制器（1979～1985）——8位微处理器为主的可编程序控制器（1985以后）。
在对外开放政策的推动下，国外PLC产品大量进入我国市场，一部分随成套设备进口。
如宝钢一、二期工程就引进了500多套，还有咸阳显象管厂、秦皇岛煤码头、汽车厂等。
现在，PLC在国内的各行各业也有了极大的应用，技术含量也越来越高。
作业：
思考题P51，4
第一章电器的基础知识
任何一种继电器控制系统均由三部分组成：
输入部分逻辑部分输出部分
（1）输入部分：
由各类按钮开关、行程开关、接近开关、转换开关等主令电器构成。
主令电器——自动控制系统中用于发送控制指令的电器。
（2）逻辑部分：
由各种继电器及其触点组成的实现一定逻辑功能的控制线路。
继电器——一种根据某种输入信号,接通或断开控制电路，实现自动控制和保护电力拖动装置的自动电器。
（3）输出部分：
由各种电磁阀线圈，接通电动机的各种接触器和信号指示灯等执行电器构成。
接触器——是一种用来频繁地接通或断开交、直流主电路及大容量控制电路的自动切换电器。
是一种依靠电磁力的作用使触头闭合或分离来接通和断开电动机（或其他用电设备）电路的自动电器。
第一节电器的定义、分类及电磁式电器的工作原理
一、电器的定义和分类
电器——自动或手动接通和断开电路，能实现对电路或非电对象切换、保护、检测、变换和调节目的的电气元件
分类：
低压电器——交流1000V或直流1200V以下
（一）按工作电压等级分
高压电器——交流1000V或直流1200V以上
手动电器——需人工直接操作才能完成指令任务
（二）按动作原理分
自动电器——按照电的或非电的信号自动完成指令任务
（三）按用途分1.控制电器——用于各种控制电路和控制系统
2.主令电器——用于自动控制系统中发送控制指令
3.保护电器——用于保护电路及用电设备
4.配电电器——用于电能的输送和分配
5.执行电器——用于完成某种动作或传动功能
电磁式电器——依据电磁感应原理工作
（四）按工作原理分
非电量控制电器——靠外力或某种非电物理量的变化而动作
二、电磁式电器——电气控制线路中使用量最大，类型很多，工作原理和构造基本相同
感测部分——电磁机构
主要组成部分
执行部分——触头系统
（一）电磁机构
作用：
将电磁能量→机械能量→触头动作→接通或分断电路
组成：
吸引线圈、铁心、衔铁等
1.常用的磁路结构：
（见教材P7Fig1-1）
2.吸引线圈：
将电能转换成磁场能量。
按通入吸引线圈的电流种类不同，可分为直流线圈和交流线圈
3.铁心：
直流电磁铁的铁心——整块钢材或工程纯铁制成。
在直流情况下，线圈发热而铁心不发热，所以吸引线圈做成高而薄的瘦高型，且没有骨架，线圈与铁心直接接触，易于散热。
交流电磁铁的铁心——硅钢片叠铆而成。
在交流情况下，铁心中有磁滞和涡流损耗，线圈和铁心都发热，所以，吸引线圈有骨架，与铁心隔离，并做成矮胖型，有利于铁心和线圈散热。
（二）电磁吸引力与特性
在气隙值δ及外加电压值一定时：
直流电磁铁——电磁吸引力为恒定值
交流电磁铁——电磁吸引力随时间变化
电磁吸力平均值
吸力特性——电磁吸力Fat随衔铁与铁心间气隙δ变化的关系曲线（见教材P8Fig1-2）
（三）反力特性和返回系数
反力特性——反作用力Fr（由触头弹簧、反作用力弹簧产生）与气隙δ的关系曲线
返回系数——释放电压（或电流）与吸合电压（或电流）的比值，用β表示（反映
电磁式电器灵敏度的参数），β大而灵敏度高。
其中：
（四）交流电磁机构中短路环的作用
由交流电磁吸力公式可知：
Fat有两个分量：
1.恒定分量Fo，其值为最大值的一半
2.交变分量F，F=Focos2ωt，其幅值是最大吸力值的一半，并以两倍电源频率变化
总的电磁吸力Fat从0～Fatm变化，曲线如教材P9Fig1-3所示。
由图1-3曲线可见：
电磁机构在工作中，衔铁始终受到反作用弹簧、触头弹簧等反作用力Fr作用。
尽管电磁吸力的平均值Fo大于Fr，但在某些时候，Fat仍将小于Fr（见图中斜线部分）。
当FatFr时，衔铁又被吸合，周而复始，使衔铁发生振动，发出噪声。
引入短路环——消除振动和噪声。
具体办法：
见教材P9Fig1-4。
三、电器触头系统和电弧
（一）触头系统——电器的执行部分，用于通断电路。
材料：
铜质、银质
结构：
桥式、指型（见教材P10Fig1-5）
（二）电弧的产生及灭弧（请同学自学教材P10～P11的内容）
产生：
触头间气体在强电场作用下的放电现象
灭弧关键：
采取措施使电弧迅速冷却，从而熄灭。
第二节开关电器
一、刀开关——结构最简单，应用最广泛的手控电器。
用于低压电路不频繁动作。
文字及符号：
教材P13Fig1-10
二、转换开关（组合开关）——手控电器。
在机床电气设备中，主要作为电源引入开关；或直接用于控制非频繁起动和停止的小容量异步电动机。
文字及符号：
教材P13Fig1-12
三、自动开关（自动空气断路器）——低压电路中常用的具有保护环节的断合电器。
当电路发生严重过载、短路以及失压等故障时，能自动切断故障电路，保护串接其后的电气设备；正常情况下，也可用于不频繁地接通和断开电路及控制电动机。
结构和工作原理：
见教材P13及P14Fig1-13
图形和文字符号:
见教材P14Fig1-14
第三节熔断器的工作原理及使用（属保护电器）
熔断器是最简单有效的保护电器，主要用作短路保护和严重过载。
一、结构及工作原理
1.结构：
熔体（额定电流等级较多）——保险丝——既是感测元件，又是执行元件
熔管（或熔座）（额定电流等级较少）——安装熔体，熄灭电弧
2.工作原理：
熔体与被保护的电路串联。
正常时，熔体允许通过一定的电流；当电路发生短路或严重过载时，熔体中流过很大的故障电流，当电流产生的热量达到熔体的熔点时，熔体熔断，切断电路，从而达到保护目的。
二、类型
1.瓷插式
2.螺旋式
3.封闭管式
4.自复式
第四节主令电器
主令电器——自动控制系统中用于发送控制指令——不能直接用于通断主电路
一、控制按钮——低压控制电路中，手动发出控制信号。
结构、图形、文字符号：
教材P17Fig1-18，Fig1-19
注意：
按下时，常闭先开，常开后合
二、行程开关（限位开关）——利用生产机械某些运动部件的碰撞来发出控制指令，
用于控制生产机械的运动方向、行程大小或位置保护。
结构、图形、文字符号：
教材P17Fig1-20，教材P18Fig1-21
三、接近开关（无触点行程开关）——通过感辨头与被测物体间介质能量的变化来获取信号，
（含各类传感器）用于行程控制和限位保护，还可用于高频计数、测速、
液面控制、检测零件尺寸、加工程序的自动衔接等。
按其感辨机构的工作原理可分为：
高频振荡型、电容型、感应电桥型、永久磁铁型、霍尔效应型、光电型、超声波型等。
技术指标：
①动作距离②重复精度③操作频率④复位行程
1.晶体管停振型接近开关
工作原理：
金属检测体接近感辨头→金属检测体内产生涡流→涡流的去磁作用改变感辨头的等效参数→振荡电路的谐振阻抗和谐振频率变化→振荡停止→发出接近信号
2.光电开关（属接近开关）
作用距离较晶体管接近开关大，且可对非金属材料直接检测。
优点：
体积小、功能强、速度快、精度高、抗电磁干扰能力强
反射式放大器分离型亮动（受光动作）
检测方式对射式分类放大器内藏型暗动（遮光动作）
镜面反射式电源内藏型
反射式光电开关工作原理框图（DU——光敏三极管，GL——发光管辐射光脉冲）
DU
GL
振荡回路产生调制脉冲→经发射电路→发光管GL辐射出光脉冲
被测物体进入
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