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PLC基本概况

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第3章PLC基本概况 ¡3.1 PLC概述 ¡3.2 PLC的基本组成 ¡3.3 PLC的基本工作原理 ¡3.4 PLC的分类 ¡3.5常用PLC及其性能 3.1 PLC概述 ¡3.1.1可编程序控制器的定义及发展史 ¡ 1.可编程序控制器的定义 ¡ 可编程控制器经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程 序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC(英文全称 :Programmable Logic Controller)和可编程序控制器 PC几个不同时期。 ¡ 1987年国际电工委员会IEC (International Electrical Committee )颁布的PLC标准草案中对PLC做 了如下定义:“ PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的 数字运算操作的电子装置。 下一页返回 3.1 PLC概述 ¡2.可编程序控制器的发展史 ¡ 世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司 (DEC)研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平, 早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成,可以 完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初 出现了微处理器。 20世纪70年代中末期,可编程控制器进 入实用化发展阶段,计算机技术已全面引入可编程控制器中 ,使其功能发生了飞跃。 20世纪80年代初,可编程控制器 在先进工业国家中已获得广泛应用。 ¡20世纪末期,可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工 业的需要。 下一页返回上一页 3.1 PLC概述 ¡自从1969年美国第一台PLC问世以来,日本、法国、英国 等国也研制了各自的PLC,每个国家的产品各具特色。目前世 界上著名的PLC厂家主要有美国A-B ( Allen-Brad-ley) , GE ( General Electric ),日本的三菱电机(Mitsubshi Electric )、欧姆龙(OMRON),德国的AEG、西门子 (Siemens ),法国的TE (Telemecanique) 等公司。 ¡ 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改 革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制 器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC 的应用。 ¡各代PLC的不同特点见表3-1。 下一页返回上一页 3.1 PLC概述 ¡3.1.2可编程序控制器的特点及基本功能 ¡ 1.可编程序控制器的特点 ¡ (1)可靠性高,抗干扰能力强传统的继电器控制系统中使 用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良, 容易出现故障。 ¡ (2)编程简单,易于掌握PLC的设计者充分考虑到现场技 术人员的技能和习惯,经常采用的是梯形图方式的编程语言 ,它与继电器控制原理图相似,具有直观、清晰、修改方便 、易掌握等优点。 ¡ (3)通用性好PLC品种多,档次高。同一台PLC可适用于不 同的控制对象或同一对象的不同控制要求,同一档次,不同 机型的功能也能方便地相互转换。 上一页 下一页返回 3.1 PLC概述 ¡ (4)功能强PLC运用了计算机、电子技术和集成工艺的最新 技术,在硬件和软件两方面不断发展,使其具备很强的信息 处理能力。 ¡ (5)系统的设计、安装、调试工作量小,维护方便,容易改 造PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方. 法很有规律,很容易掌握。对于复杂的控制系统,梯形图的 设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。 ¡(6)体积小,质量轻,能耗低以超小型PLC为例,新近出产 的品种底部尺寸小于100mm仅相当于几个继电器的大小, 因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2-1/10。 上一页 下一页返回 3.1 PLC概述 ¡ 2. PLC的基本功能 ¡ (1)逻辑控制PLC具有逻辑运算功能。可以代替继电器进 行组合逻辑与顺序逻辑控制。 ¡ (2)计数控制PLC还具有计数功能。它为用户提供了若干 个计数器并设置了计数指令。计数值可由用户在编程时设定 ,并可在运行中被读出与修改,使用与操作都很灵活方便。 ¡ (3)定时控制PLC具有定时控制功能。它为用户提供了若 干个定时器并设置了定时指令。定时值可由用户在编程时设 定,并能在运行中被读出与修改,使用灵活,操作方便。 上一页 下一页返回 3.1 PLC概述 ¡ (4)步进控制PLC能完成步进控制功能。PLC为用户提供 了若干个移位寄存器,或者直接有步进指令,可用于步进控 制,编程与使用很方便。 ¡ (5)数据处理有的PLC还具有数据处理能力,并具有并行 运算指令,如能两个数据并行传送、比较和逻辑运算,进行 数据检索、比较、数制转换等操作。 ¡ (6)A/D,D/A转换有些PLC还具有“模数”转换(A/D) 和“数模”转换(D/A)功能,能完成对模拟量的控制与调节。 上一页 下一页返回 3.1 PLC概述 ¡ (7)监控控制PLC具有‘较强的监控功能。在控制系统中 ,操作人员通过监控命令可以监视有关部分的运行状态,可 以调整定时或计数设定值,因而调试、使用和维护都很方便 。 ¡ (8)通信与联网有些PLC采用了通信技术,可以进行远程 vo控制,多台PLC之间可以进行同位链接,计算机作为上位 机可对其发布命令并返回执行结果。 上一页 下一页返回 3.1 PLC概述 ¡3.1.3 PLC的应用领域和发展趋势 ¡ 目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、 电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文 化娱乐等各个行业。 ¡ 随着计算机控制的发展,工厂自动化网络发展得很快,各 PLC厂商都十分重视PLC的通信功能,纷纷推出各自的网络 系统。新近生产的PLC都具有通信接口,通信非常方便。 ¡ 随着应用领域日益扩大,PLC技术及其产品仍在继续发展 。主要朝着高速化、大容量化、智能化、网络化、标准化、 系列化、小型化、廉价化方向发展,使PLC的功能更强,可 靠性更高,使用更方便,适用面更广。 上一页返回 3.2 PLC的基本组成 ¡3.2.1 PLC的硬件结构 ¡ PLC的硬件组成与微型计算机相似,其主机由CPU板、存储 器、输入/输出(I/O)接口、电源等几大部分组成;可配备如 编程器、图形显示器、通信接口等外部设备。基本结构如图3 -1所示。 ¡ 1.主机 ¡ (1)CPU也称中央处理器,是由一片或几片大规模集成电 路芯片组成的,相当于人的大脑,是PLC的核心部分;CPU 的作用是可通过接口及软件向系统的各个部分发出各种命令 ,同时对被测参数进行巡回检测、数据处理、控制运算、报 警处理及逻辑判断等。 下一页返回 3.2 PLC的基本组成 ¡ (2)存储器PLC内部配有两种不同类型的存储器,一种为可 进行读/写操作的随机存储器RAM,另一种是只读存储器 ROM,PROM,EPROM,EEPROM。 RAM为随机存储器, 一般都是CMOS型的,耗电极微,在PLC中通常用铿电池作 后备,失电时也不会丢失程序;ROM为只读存储器,系统程 序固化在其中,用户不可更改,失电不受影响。 ¡ (3)输入/输出单元(I/O单元) 接口是输入(INPUT ) /输 出(OUTPUT)接口的简称,是PLC主机与被控对象进行信 息交换的纽带;PLC通过I/O接口与外部设备进行数据交换, PLC的输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种类型, 所有的输入输出信号均经过光电等隔离,大大增强了PLC的 抗干扰能力。 上一页 下一页返回 3.2 PLC的基本组成 ¡如图3 -2所示为直流24V输入接口电路原理图,PLC内部提 供直流电源。当输入开关接通时,光藕合器导通,由装在 PLC面板上的发光二极管(LED)来显示某一输入端口有信号 输入。 ¡图3 -3所示为交/直流输入接口电路原理图。其内部电路结 构与直流输入接口电路基本相同。 ¡图3 -4所示为交流输入接口电路原理图,交流电源外接。 ¡输入信号均通过输入端子经RC滤波,光电隔离进入内部电路 ,提高了PLC的抗干扰能力。 ¡常见的输出形式有继电器输出、晶闸管(SSR )输出、晶体管 输出。三种输出方式的接口电路原理图如图3-5、图3-6、 图3 -7所示。 上一页 下一页返回 3.2 PLC的基本组成 ¡2.编程器和其他外围设备 ¡ (1)编程器主要由键盘、显示器、工作方式选择开关和外 存储器接插口等部件组成。编程器的作用是用来编写、输入 、调试用户程序,也可在线监视PLC的工作状况。随着PLC 通信能力的增强,现在也可在个人计算机上添加适当的硬件 接口,利用生产厂家提供的编程软件包就可将计算机作为编 程器使用,而且还可在计算机实现模拟调用。 ¡ (2)其他外围设备根据系统软件控制需要,PLC还可以通 过自身的专用通信接口连接一些其他外围设备,例如:盒式磁 带机、EPROM写入器、打印机、图形监控器等。 上一页 下一页返回 3.2 PLC的基本组成 ¡ 3. I/O扩展机 ¡ 每种PLC都有与主机相配的扩展模块,用来扩展输入、输 出点数,以便根据控制要求灵活组合系统。PLC扩展模块内 不设CPU,仅对I/O通道进行扩展,不能脱离主机独立实现 系统的控制要求。 ¡ 4.电源 ¡ PLC的工作电源一般为单相交流电源(通常为交流 110/220V ),也有用直流24V供电的。PLC对电源的稳 定度要求不高,一般允许电源电压在其额定值±15%的范围 内波动。PLC中都有一个稳压电源。 上一页 下一页返回 3.2 PLC的基本组成 ¡3.2.2 PLC的软件系统 ¡1.系统程序 ¡ 系统程序由PLC制造厂商设计编写的,并存人PLC的系统 存储器中,用户不能直接读写与更改。系统程序一般包括系 统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监 控程序等。 ¡2.用户程序 ¡ PLC的用户程序是用户利用PLC的编程语言,根据控制要 求编制的程序。在PLC的应用中,最重要的是用PLC的编程 语言来编写用户程序,以实现控制目的。 上一页 下一页返回 3.2 PLC的基本组成 ¡PLC编程语言是多种多样的,对于不同生产厂家、不同系列 的PLC产品采用的编程语言的表达方式也不相同,但基本上 可归纳两种类型:一是采用字符表达方式的编程语言,如语句 表等;二是采用图形符号表达方式的编程语言,如梯形图等。 ¡(1)梯形图梯形图语言是在传统电器控制系统中常用的接触 器、继电器等图形表达符号的基础上演变而来的。它继承了 传统电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入 输出形式,具有‘形象、直观、实用的特点,是PLC的第一编 程语言,如图3-8 (b)所示。 上一页 下一页返回 3.2 PLC的基本组成 ¡(2)语句表这种编程语言是一种与汇编语言类似的助记符编 程表达方式。在PLC应用中,经常采用简易编程器,而这种 编程器中没有CRT屏幕显示,或没有较大的液晶屏幕显示。 因此,就用一系列PLC操作命令组成的语句表将梯形图描述 出来,再通过简易编程器输入到PLC中。虽然各个PLC生产 厂家的语句表形式不尽相同,但基本功能相差无几。如图3- 8(c)所示。 ¡(3)逻辑图逻辑图包括与(AND)、或(OR)、非(NOT)以及 定时器、计数器、触发器等,如图3-8 (d)所示。 上一页 下一页返回 3.2 PLC的基本组成 ¡(4)功能表图功能表图语言(SFC语言)是一种较新的编程方 法,又称状态转移图语言。它将一个完整的控制过程分为若 干阶段,各阶段具有不同的动作,阶段间有一定的转换条件 ,转换条件满足就实现阶段转移,上一阶段动作结束,下一 阶段动作开始。 ¡(5)高级语言随着软件技术的发展,近来为了增加PLC的运 算功能和数据处理能力,方便用户,许多大中型PLC已采用 高级语言来编程,如BASIC ,C语言等。 上一页返回 3.3 PLC的基本工作原理 ¡3.3.1扫描工作方式 ¡PLC是采用“顺序扫描,不断循环”的方式进行工作的。即在 PLC运行时,CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存 储器中的程序,按指令步序号(或地址号)作周期性循环扫描 ,如无跳转指令,则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程 序,直至程序结束。然后重新返回第一条指令,开始下一轮 新的扫描。图3-9所示为PLC工作过程框图。 下一页返回 3.3 PLC的基本工作原理 ¡在执行用户程序前,PLC还应完成内部处理、通信服务与自 诊检查。在内部处理阶段,PLC检查CPU模块内部硬件是否 正常,监视定时器复位以及完成其他一些内部处理。在通信 服务阶段,PLC应完成与一些带处理器的智能模块或与其他 外设的通信,完成数据的接收和发送任务、响应编程器键人 命令、更新编程器显示内容、更新时钟和特殊寄存器内容等 工作。 ¡当PLC处于停止(STOP)状态时,只完成内部处理和通信服 务工作。当PLC处于运行状态时,除完成内部处理和通信服 务的操作外,还要完成输入处理、程序执行、输出处理工作 。 上一页 下一页返回 3.3 PLC的基本工作原理 ¡3.3.2 PLC执行程序的过程 ¡PLC执行程序必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段 ,如图3-10所示。 ¡PLC在输入采样阶段:首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输 入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入,并将其 写入各对应的输入状态寄存器中,即刷新输入。随即关闭输 入端口,进入程序执行阶段。 ¡PLC在程序执行阶段:按用户程序指令存放的先后顺序扫描执 行每条指令,经相应的运算和处理后,其结果再写入输出状 态寄存器中,输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行 而改变。 上一页 下一页返回 3.3 PLC的基本工作原理 ¡输出刷新阶段:当所有指令执行完毕,输出状态寄存器的通断 状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中,并通过一定的方式( 继电器、晶体管或晶闸管)输出,驱动相应输出设备工作。 PLC执行程序的过程分三个阶段,即输入采样(输入处理)阶 段、程序执行阶段、输出刷新(输出处理)阶段。 上一页返回 3.4 PLC的分类 ¡3.4.1按结构形式分类 ¡ 根据PLC的结构形式,可将PLC分为整体式和模块式两类。 ¡ 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。 下一页返回 3.4 PLC的分类 ¡模块式PLC是将PLC各组成部分,分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。 上一页 下一页返回 3.4 PLC的分类 ¡3.4.2 按功能分类 ¡根据PLC所具有的功能不同,可将PLC分为低档、中档、高 档三类。 ¡ (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。 上一页 下一页返回 3.4 PLC的分类 ¡ (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、平方根运算及其他特殊功 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。 上一页 下一页返回 3.4 PLC的分类 ¡3.4.3按I/O点数分类 ¡按I/O点数可分为小型、中型和大型三类。 ¡.型PLC的I/O点数在256点以下,其中小于64为超小型或 微型PLC; ¡·中型PLC的I/O点数在256-2 048点之间; ¡.大型PLC的I/O点数在2 048点以上,其中I/O点数超过8 192点为超大型PLC。 上一页返回 3.5常用PLC及其性能 ¡3.5.1三菱系列PLC组成及性能 ¡1. F1系列PLC组成及其功能 ¡ F1系列可编程序控制器由日本三菱公司生产,目前有多 种机型。其中F1系列PLC属于小型低档机,整体式结构,包 括基本单元、扩展单元、特殊功能单元。每个PLC控制系统 必须要有一台主机,若要增加输入输出点数,应连接扩展单 元;若要增加控制功能,则可连接特殊功能单元,如高速计数 单元、位置控制单元、模拟量单元等。 ¡ F1系列PLC的芯片为8039单片机芯片,执行速度平均为 12 us/步。程序容量为 1000步。其基本单元和扩展单元 的型号规格见表3-2。 下一页返回 3.5常用PLC及其性能 ¡扩展单元的外形与基本单元基本一样,但扩展单元内部没有 CPU,ROM,RAM等,所以不能单独使用,只能与基本单元 一起使用,作为基本单元输入输出点数的扩充。通过选用不 同的基本单元与扩展单元连接使用,可方便地构成12-120 点输入输出的PLC系统。例如:F1 -60MR与F1-40ER配接 ,可构成I/O为100点的PLC系统。 ¡ F1系列PLC编程器主要有F1-20P-E简易编程器,GP- 20F-E便携式图形编程器,GP-80-F2A-E大型多功能图形 编程器。另外F1系列PLC还可使用MEDOC软件包,与个人 计算机通信,利用个人计算机编程,程序用梯形图表达。可 直接显示在屏幕上,操作方便。F1系列PLC的性能指标见表 3-3。 上一页 下一页返回 3.5常用PLC及其性能 ¡ 2. FX2系列PLC ¡ FX2系列是1991年推出的一种整体式和模块式相结合的 叠装式小型PLC,由基本单元、扩展单元、扩展模块、特殊 功能模块和编程器等组成。其型号规格见表3-4。 ¡ 扩展单元是用于增加I/O点数,内设有电源,其型号规格 见表3-5。 ¡ 扩展模块用于增加I/O点数和改变I/O比例,模块内部无电 源,由基本单元和扩展单元供电,其规格型号见表3-6。扩 展单元和扩展模块均无CPU,必须与基本单元一起使用。 ¡特殊功能模块是为满足特殊控制要求的装置。编程器用于程 序的输入、调试和运行监视、故障分析。FX2系列PLC的性 能指标见表3-7。 上一页 下一页返回 3.5常用PLC及其性能 ¡ 3. FXO系列PLC ¡ FXO是在FX2之后推出的一种超小型PLC o FXO为整体 式结构,也设有扩展单元,最大I/O总数有14,20,30三种 供选择。电源有交流和直流两种。输出有继电器输出和晶体 管输出两种类型。 ¡ FXO系列PLC的型号规格见表3-8,其性能指标见表3-9 。 上一页返回 表3-1各代PLC的特点与应用范围 返回 图3-1 PLC硬件结构简化框图 返回 图3-2直流24V输入接口电路 返回 图3-3交流/直流输入接口电路 返回 图3-4交流输入接口电路 返回 图3-5继电器输出接口电路 返回 图3-6晶闸管输出接口电路 返回 图3-7晶体管输出接口电路 返回 图3-8继电器控制电路图与PLC编程 语言 ( a)继电器控制电路图;( b) PLC梯形图;(c)语句表;(d)逻辑图 返回 图3-9 PLC工作过程框图 返回 图3-10 PLC的工作过程 返回 表3-2 F1系列PLC型号规格 返回 表3-3 F1系列PLC的性能指标 返回 表3-4 FX2基本单元型号规格 返回 表3-5 FX2扩展单元型号规格 返回 表3-6 FX2扩展模块型号规格 返回 表3-7 FX2系列PLC性能指标 返回 表3-7 FX2系列PLC性能指标 返回 表3-8 FXO系列PLC的型号规格 返回 表3-9 FXO系列PLC的性能指标 返回 表3-9 FXO系列PLC的性能指标 返回
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