PLC原理与应用技术

.,PLC原理与应用技术,山西综合职业技术学院自动化系,第二讲,.,应用,1.工业1）开关量控制，如逻辑、定时、计数、顺序等；2）模拟量控制，部分PLC或功能模块具有PID控制功能，可实现过程控制；3）监控，用PLC可构成数据采集和处理的监控系统；4）建立工业网络，为适应复杂的控制任务且节省资源，可采用单级网络或多级分布式控制系统。2.其他行业可编程序控制器在其他行业的应用也日益广泛：在国防和民用，如建筑，环保，家用电器等。,.,应用,.,应用,硬件上采用分层分布式结构:最上层由以太网连接了主、备前置机和系统服务器:主、备前置机同时挂接在底层现场总线上:互为热备分:负责搜集底层设备的数据:完成一个实时网关的功能，第二层设备层部分选用了456来完成变电站的一次设备的数据采集、控制以及和上位机的通信等功能。,利用PLC的模拟量输入点采集母线电压、有功功率、无功功率等信号,以达到对线路进行遥测的目的;利用PLC的开关量输入点采集站内一次运行方式的断路器、刀闸、接地刀闸位置等信号,以达到对线路进行遥信的目的;利用PLC的开关量输出点电流的通断控制断路器的合闸、跳闸,以达到对线路进行遥控的目的,实现数据采集与控制功能;PLC把所采集的数据传送给上位机前置机.,.,应用,SIEMENSS7一226PLC，该系列PLC自带24DI/16DO，4AI/IAO的EM235和4AIEM231，通讯模块EM277；Profibus一DP扩展模块；西门子TP170B触摸屏作为现场操作面板。,.,第3章可编程序控制器硬件与工作原理,PLC的组成PLC的工作原理PLC的特殊功能模块PLC的编程器与外部设备,.,可编程序控制器的组成,中央处理单元CPU,存储器,I/O接口,智能模块,接口和扩展接口模块,电源模块,编程工具,软件系统,.,可编程序控制器的组成,可编程序控制器的基本结构CPU模块微处理器+存储器PLC的大脑和心脏输入-执行-输出I/O模块系统的眼、耳、手、脚输入：开关量、模拟量输出：执行器（接触器、电磁阀、调节器、调速）编程器编辑用户程序监视PLC状态电源为系统提供电源,.,中央处理单元,存储器,数据存储器,输出接口,地址总线控制总线,数据总线,编程单元,照明,电磁装置,执行机构,电源,地址总线控制总线,输入接口,模拟量输入,行程开关,继电器接点,各种开关,PLC结构示意图,.,中央处理单元CPUPLC的核心,基本功能,通过输入装置读入外设的信号和状态，用户程序根据输入信号、状态进行处理，处理结果通过输出装置去控制外设。外设包括：I/O模块、OP、编程器,.,存储器、存储空间的分配,虽然大、中、小型PLC的CPU的最大可寻址存储空间各不相同但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区系统RAM存储区也称工作数据区(包括IO映象区和系统软设备等)用户程序存储区,PLC常用的存储器主要有PROM、EPROM、E2PROM、RAM等几种，多数都直接集成在CPU单元内部。,.,存储器、存储空间的分配系统程序存储区,系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。它包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能够直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的各项性能。,.,存储器、存储空间的分配系统RAM存储区,也称工作数据存储器，指PLC在工作过程中经常变化、需要经常存取的数据，如：参数测量结果、运算结果、设定值等，这部分数据一般存放在RAM之中。,在工作数据区中开辟有元件映像寄存器和数据表，包括I/O映象区以及各类系统软设备存储区软设备(例如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等)存储区。,.,存储器、存储空间的分配系统RAM存储区*IO映象区,由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要有一定数量的存储单元(RAM)以供存放I/O的状态和数据，这些存储单元称作I0映象区。一个开关量I0占用存储单元中的一个位(bit)，一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字(16个bit)。*开关量的IO映象区*模拟量的I/O映象区,.,存储器、存储空间的分配系统RAM存储区*开关量输入（I）映象区,该映象区中的存储单元用来存放开关量I/O。每个开关量I/O占用存储单元中的一个位(bit)。连接到PLC开关量输入端的每个开关量输入在IO映象区中都有一个确定的位与之相对应。在输入采样阶段或扫描该开关量输入的立即刷新指令时，如果该开关量输入端所连接的外设处于“断开”状态，则I/O映象区中相对应的位被置为“0”；如果该输入端所联接的外设处于“闭合”状态，则I/O映象区中相对应的位被置为“1”。,.,存储器、存储空间的分配系统RAM存储区*开关量输出（O）映象区,PLC的每个开关量输出在IO映象区中都有一个确定的位与之相对应。在扫描用户程序时，根据该输出线圈的控制线路的逻辑运算结果确定I/O映象区中与之相对应的位的状态。如果其控制线路的逻辑运算结果将该位置为“0”，则用户程序中地址为该输出线圈的常开触点均“断开”，其常闭触点均“闭合”，在输出刷新阶段或扫描含该输出的立即刷新指令时，该输出端断开，与之相连接的外设不动作；如果其控制线路的逻辑运算结果将该位置为“1”，则用户程序中地址为该输出线圈的常开触点均“闭合”，其常闭触点均“断开”，在输出刷新阶段或扫描含该输出的立即刷新指令时，该输出端闭合，与之相连接的外设动作。,.,存储器、存储空间的分配系统RAM存储区*模拟量I/O映象区,该映象区中的存储单元用来存放模拟量IO。每个模拟量IO占用一个字(16bits)，而每个PLC规定了其允许的最大模拟量I/O点数，因此，模拟量I/O映象区中存储单元的总数就等于模拟量IO点数的和。例如：具有模拟量IO各8点的PLC，其模拟量I/O映象区由16个16位的存储单元组成。这就是说，连接到PLC模拟量I/O端的每个模拟量IO在I/O映象区中都有一个16位的存储单元与之相对应。每个存储单元内的数据反映了相对应的模拟量IO的大小。,.,存储器、存储空间的分配系统RAM存储区*系统软设备存储区,除了I/O映象区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备(逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器、变址寄存器和累加器等)的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域。前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，使这部分存储单元内的数据得以保留；后者当PLC停止运行时，将这部分存储单元内的数据全部清零。,.,可编程序控制器的物理结构整体式模块式叠装式,可编程序控制器的组成,整体式,模块式,.,开关量I/O模块的外部接线方式,汇点式各个I/O电路有一个公共点，共用一个电源。分组式I/O分成若干组，每组I/O共用一个电源，各组电源可以不同。分割式各个I/O点之间相互隔离，每个I/O可以使用独立电源。,可编程序控制器的组成,.,输入模块,可编程序控制器的组成,直流输入电路图,输入接口作用：将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。,.,交流输入电路图,.,输出模块,可编程序控制器的组成,继电器输出：低速大功率直流、交流负载（隔离、功率放大）晶体管集电极输出：高速小功率直流负载双向可控硅输出：高速大功率交流负载,输出接口作用：将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。,.,继电器输出,输出接口电路,以继电器形式为例,PLC,+,交流电源或直流电源,.,模拟量输入模块（A/D、AI）,A/D作用：将现场仪表输出的（标准）模拟量信号010mA、420mA、15VDC等转化为计算机可以处理的数字信号,变送器：温度变送器压力变送器流量变送器液位变送器成分分析仪传感器：Pt100Cu50热电偶,检测仪表,.,A/D组成：一般是由多路转换开关、前置放大器、采样保持器、ADC（AnalogtoDigitalConverter）等组成,A/D转换通常有二种方式：逐次比较型双积分型,.,A/D转换的性能指标,分辨力*A/D接口变化一个LSB（二进制最低有效位）时输入模拟量的最小变化量例：12位A/D转换器，输入范围010VDC，分辨力10/2122.44mV（通常分辨率以输入二进制数的位数来表示：10位、12位分辨率）,线性误差实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏差包括偏移误差（0输入非0输出）、非线性误差等。线性误差通常以LSB的分数表示：如1/2LSB、1LSB等,转换时间*从启动转换到转换结束完成一次A/D转换所需要的时间,信号的隔离*,模块包含的A/D通道数*,输入信号类型单极性、双极性、信号范围、信号制,.,模拟量输出模块（D/A、AO）,D/A作用：将计算机内部的数字信号转化为现场仪表可以接收的标准信号420mA等如：12位数字量（04095）420mA2047对应的转换结果：12mA,调节阀变频器,.,D/A转换的性能指标,分辨力二进制变化一个LSB（最低有效位）时D/A输出模拟量的最小变化量（通常分辨率以输入二进制数地位数来表示：10位、12位D/A转换器）,线性误差实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏差包括偏移误差（0输入非0输出）、非线性误差等。线性误差通常以LSB的分数表示：如1/2LSB、1LSB等,建立时间当输入数字量变化时，输出的模拟信号稳定在相应的数值范围之内（0.5xLSB）所经历的时间,模块包含的D/A通道数输出信号类型电流、电压及输出范围,.,输入电路接线,.,外部开关量输入接线方法,.,外部开关量输出接线方法,.,西门子S7-300系统连接图,.,本地I/O与远程I/O,可编程序控制器的组成,1）本地I/O并行通信方式远程I/O串行通信方式,.,可编程序控制器的工作原理,0、继电器,（a）结构示意,（b）图文符号,.,可编程序控制器的工作原理,继电器作用,1）功率放大2）电器隔离3）逻辑运算与、或、非,.,（a）逻辑符号,（b）控制线路实例,逻辑“与”,.,逻辑“或”,（a）逻辑符号,（b）控制线路实例,.,（a）逻辑符号,（b）控制线路实例,逻辑“非”,.,异步电动机控制,.,两种工作状态运行（RUN）/停止（STOP）,可编程序控制器的工作原理,PLC的扫描工作方式,内部处理：内部诊断、监控定时器复位；通信服务：与其它装置通信、响应编程器命令（输入、显示）。输入处理：外部端口状态读入输入映像寄存器。程序执行：完成用户程序的逻辑运算。输出处理：将输出映像寄存器状态送到输出端口（锁存器）,.,可编程序控制器的工作原理,PLC扫描程序执行过程,.,直接启动停车控制,控制电路图,I/O分配：X0：启动X1：停车Y0：KM,X1,X0,COM,Y0,COM,KM,SB2,SB1,PLC外部接线图,Y0,X1,Y0,X0,程序：,梯形图,.,可编程序控制器的工作原理,扫描周期,PLC在【RUN】工作状态时，完成内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理所需的时间,.,45,可编程序控制器的工作原理,输入、输出滞后时间,输入/输出滞后时间（系统响应时间）,输入电