第5章-PLC基础知识

第五章可编程控制器的基本知识，基本内容：可编程控制器简介、基本功能、特点、应用范围和工作方法。难点：工作方法和扫描时间。要点：定义、基本功能和工作方法。第一节可编程逻辑控制器的基本知识。可编程逻辑控制器的产生和历史，2。可编程控制器的定义，3。可编程控制器的现状和发展趋势。可编程逻辑控制器的特性，5。可编程逻辑控制器的基本功能。可编程控制器与其他工业控制系统的比较，7。可编程控制器的主要技术指标，1。可编程逻辑控制器的产生和历史。1969年，美国数字设备公司根据美国通用汽车公司的要求，成功研制出世界上第一台可编程控制器。背景：1968年，美国通用汽车公司(GE)为了满足汽车型号不断更新和生产技术不断变化的需要，实现了小批量、多品种生产，并希望拥有一种新型的工业控制器，它可以尽可能减少电气控制系统和线路的重新设计和更换，以降低成本和缩短周期。设计思路：吸收继电器和计算机的优点，继电器控制系统体积大、可靠性低、接线复杂、不易更换、不易发现和排除故障、对生产过程变化的适应性差，但简单易懂、价格便宜。计算机功能强大，灵活(可编程)，功能多样，但很难编程。编程采用面向控制过程和问题的“自然语言”，使不熟悉计算机的人能快速掌握和使用它。(梯形图)，20世纪70年代初期：仅具有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，仅用于取代传统的继电器控制，俗称可编程逻辑控制器(PLC)20世纪70年代中期：将微处理器技术应用于PLC，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传输和数据处理等功能。20世纪80年代以后：随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的快速发展，16位和32位微处理器被应用到可编程逻辑控制器中，使得可编程逻辑控制器得以快速发展。可编程控制器不仅具有增强的控制功能，还具有提高的可靠性、降低的功耗和体积、降低的成本、更加灵活方便的编程和故障检测，以及通信和联网、数据处理和图像显示功能。近年来，由于集成了三大电源(电控、电表和电传)、高性价比和高可靠性，可编程控制器发展迅速，已成为自动化工程的核心设备。可编程控制器已成为一种具有计算机功能的通用工业控制设备，其使用率最高。可编程控制器已成为现代工业自动化的三大技术支柱之一(可编程控制器、机器人、计算机辅助设计/计算机辅助制造)。定义：国际电工委员会(IEC)于1987年颁布了可编程控制器标准的第三稿。在草案中，可编程控制器的定义如下：“可编程控制器是一种数字操作的电子系统，设计用于工业环境。它使用可编程存储器在其中存储指令，用于执行逻辑运算、顺序控制、计时、计数和算术运算，并通过数字和模拟输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其相关外围设备的设计应遵循易于与工业系统集成和易于扩展其功能的原则。”第一台可编程逻辑控制器是由美国数据设备公司(DEC)于1969年开发的，此后发展迅速。中国改革开放后，美国的AB、GE、MODICON、TI、OMRON、三菱、富士、西门子等制造商的产品不断进入我国，在工业控制系统的各个行业中占据重要地位。可编程逻辑控制器欧洲的三大流派：德国的西门子、AEG和法属美国的德州仪器：A-B(艾伦-布拉德利)(其产品约占美国可编程逻辑控制器市场的50%)。)、通用电气(GeneralElectric)、MODICON (MODICON)、德州仪器(T1)、古尔德(Gould)、西屋日本：三菱电机、欧姆龙、富士(日本主要开发中小型可编程逻辑控制器，日本产品约占全球小型可编程逻辑控制器市场的70%。在中国，欧姆龙产品的销量排名第一。)目前，在韩国和台湾等国内市场也有PLC产品。目前，市场上已经出现了一系列价格相对较低、性价比较高的国产PLC。西门子2006-3-3、10系列、S7-200系列、S7-300系列、S7-400系列、三菱系列、2006-3-3、11系列、Q系列、FX2N系列、FX1N系列、FX1S系列、欧姆龙系列、C200H系列、CPM1A系列、CPM2A系列、国内外情况，1974年我国开始复制第二代可编程控制器直到1977年，中国才研制出第一台具有实用价值的可编程控制器，并开始大规模生产和应用于工业过程控制。主要制造商有：北京和利时、和张。洛阳依达、无锡新街、南京嘉华、兰州全志、广州科森、中山志达、恒日等。可编程控制器的应用领域和发展趋势。按应用类型划分，可编程序控制器的应用可分为以下几类：(1)切换逻辑和顺序控制：这是可编程序控制器最基本的控制功能，广泛应用于工业场合，可替代继电器控制系统。开关量逻辑控制不仅适用于单个设备，也适用于生产线。(2)过程控制：通过模拟量输入输出模块，可编程控制器可以控制温度、流量、压力等连续变化的模拟量。大中型PLC具有PID闭环控制功能，广泛应用于电力、化工、机械、冶金等行业。(3)运动控制：可编程控制器可用于控制直线运动或圆周运动，如数控机床、机器人、金属加工、电梯控制等。(4)多级控制网络系统：可编程控制器、可编程控制器和计算机等智能控制设备之间的通信可以联网，实现远程数据处理和信息共享，从而形成工厂的CIMS/CIPS系统。(1)向高速大容量发展(中央处理器处理速度纳秒级；内存是2M字节(2)向多品种发展和提高可靠性(超大和超小)(3)产品更加标准化和标准化(硬件和软件兼容的可编程逻辑控制器)(4)分布式，智能化，I/0 (5)与现场总线兼容加强联网和通信能力(6)开放式和模块化架构OMAC(OpenModule ArarchitectureControl)控制，可编程逻辑控制器的发展趋势，1。小型化方向发展，目前的小型可编程控制器大多局限于开关输入输出，而中央处理器和输入输出组件都组装在一个盒子里，未来的小型可编程控制器还将增加模拟处理功能，并且还将具有灵活的配置特性，可以与其他型号一起使用。在提高系统可靠性的基础上，产品体积越来越小，功能越来越强。例如，欧姆龙公司新推出的CPM1PLC的体积约为130毫米89毫米84毫米，可以放在手掌上。可连接的输入和输出是10点，可以扩展到20、30甚至50点，支持91指令编程。基本指令的执行时间为0.72s，特殊指令的执行时间仅为16.3 s。大规模开发方向的发展主要包括以下几个方面：功能不断加强：不仅具有逻辑运算、计数和计时等基本功能，还具有数值运算、模拟调整、监控、记录、显示、与计算机接口、通信等功能。网络功能是可编程控制器发展的一个重要特征。各种个人电脑、图形工作站、小型机等。可用作可编程控制器监控主机或工作站。这些设备的组合可以提供屏幕显示、数据采集、记录保存、循环面板显示和其他功能。不同厂家生产的大量可编程控制器网络和增加的可编程控制器兼容性使得分散控制或集中管理容易实现。(2)应用范围不断扩大：不仅可以进行一般逻辑控制，还可以进行中断控制、智能控制、过程控制、远程控制等。拥有完整的接口模块。用于过程控制的可编程逻辑控制器通常需要很高的存储容量和速度。因此，高速模拟输入模块、专用独立PID控制器、多路复用器等。是为了在可编程控制器中统一数字技术和模拟技术而开发的(3)性能的持续改进：采用高性能微处理器，提高可编程控制器的处理速度和响应时间；为了扩大存储容量，许多公司使用了泡沫存储器或硬盘。使用多处理器技术提高性能；采用冗余热备系统或三对二表决系统来提高系统的可靠性。为了进一步简化特殊控制领域的系统设计和编程，出现了越来越多的特殊智能输入输出模块，如特殊智能PID控制器、智能模拟I/O模块、智能位置控制模块、语言处理模块、特殊数控模块、智能通信模块、计算模块等。这些模块的特征之一是它们有中央处理器并且可以独立工作。它们与可编程控制器主机并行运行，在速度、精度、适应性和可靠性方面与可编程控制器互为补充。它们与可编程序控制器紧密结合，有助于克服可编程序控制器扫描方式的局限性，完成许多可编程序控制器本身无法完成的功能。(4)编程软件的多样化、高级化和标准化：采用多种编程语言，包括面向顺序控制的分步顺序语言和面向过程控制系统的流程图语言。后者是一种面向功能块的语言，可以表达过程中动态变量和信号之间的相互联系；还有与计算机兼容的高级语言，如BASIC、C和汇编语言。此外，还有一些特殊的高级语言，如三菱的MELSAP，它通过编译将语句转换成梯形图程序。还有布尔逻辑语言。中央处理器可以直接执行与、或、异或、非运算。这种语言速度很快，但不太直观。PLC也将有一个数据库，可以共享整个网络的数据库。它还将不断发展自适应控制和专家系统。(5)组成形式的分散和分布：可编程逻辑控制器和输入输出端口分散，每个分散的输入输出端口的输入输出点可以少至几十个点，分散单元的数量可以是几十个或几百个，通信和网络功能逐渐增强。作为CIMS和CIPS的一个分支，PLC本身可以是分散的。分布式可编程控制器与上位机结合形成分布式分散控制系统，便于形成多层分布式控制，实现全厂或企业的自动化控制和管理。不同型号的可编程控制器、可编程控制器和计算机可以方便地联网，实现资源共享。借助强大的网络监控软件，形成一个大型的PLC控制网络系统。就世界自动化市场的过去、现在和可预见的未来而言，PLC仍处于核心地位。在最近关于美国、欧洲和中国可编程逻辑控制器发展的论文中，这一结论是一致的，尽管对可编程逻辑控制器的未来发展有许多不同的看法。近年来，PLC市场销售一直强劲。个人电脑控制取得了显著的进步，但毕竟它只能与高端的可编程控制器产品竞争。小型和超小型可编程控制器的发展趋势令人印象深刻。可编程控制器和个人计算机控制将来可能会相互融合。通用性强，使用方便，功能强，适应性广，可靠性高，抗干扰能力强，控制程序可变，灵活性好，编程方法简单，易于掌握PLC控制系统的设计、安装、调试和维护，工作量少。非常方便。控制程序易于修改，灵活性好。与其他工业控制系统相比，PLC和继电器控制系统采用硬接线来组装继电器控制，只能完成既定的功能。只要改变程序和少量接线端子，可编程控制器就能适应生产过程的变化。从适应性、可靠性和设计、安装、维护等方面进行比较。大多数传统的继电器控制将被可编程控制器取代。与工业计算机相比，工业控制机的控制要求开发人员具有较高的计算机专业知识和计算机软件编程能力。PLC采用“自然语言”来控制过程，用问题来编程，使不熟悉计算机的人能够快速掌握和使用，便于推广应用。可编程控制器是专为工业现场应用而设计的，具有较高的可靠性。在模型复杂、计算量大且困难、实时性要求高的环境中，与继电器控制逻辑相比，可编程逻辑控制器控制逻辑：继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，将继电器机械触点的串联或并联与延时继电器的迟滞相结合形成控制逻辑。其布线多而复杂，体积大，功耗大。系统一旦建立，就很难改变或增加功能。另外，继电器触点的数量有限，每个继电器通常只有4-8对触点，灵活性和扩展性很差。然而，可编程逻辑控制器使用存储逻辑，其控制逻辑以程序的形式存储在存储器中。要改变控制逻辑，只需要改变程序，所以它被称为“软接线”。它的连接小，体积小。此外，PLC中每个软继电器的触点数量理论上是无限的，因此其灵活性和扩展性非常好。可编程逻辑控制器由低功耗的大中型集成电路组成。(2)操作模式：当电流接通时，继电器控制电路中的所有继电器都处于收缩状态，即应该被吸引的继电器应该被吸引，而不应该被吸引的继电器由于某些条件不能被吸引。在可编程逻辑控制器的控制逻辑中，每个继电器都处于周期性循环扫描和接通的过程中。从宏观角度来看，每个继电器接通的时间很短。控制速度：继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低。触点的打开和关闭动作通常在几十毫秒的数量级。此外，机械触点也会有抖动问题。然而，可编程逻辑控制器是由程序指令控制的半导体电路控制的，速度非常快。一般来说，用户指令的执行时间在微秒级。PLC内部也有严格的同步，不会引起抖动。(4)时限控制：继电器控制逻辑利用时间继电器的滞后动作进行时限控制。时间继电器一般分为空气阻尼型、电磁型、半导体型等。它们的定时精度不高，定时时间容易受到环境湿度和温度变化的影响，并且调节时间很困难。一些特殊的时间继电器结构复杂，维修不便。可编程控制器使用半导体集成电路作为定时器。时基脉冲由晶体振荡器产生。它的精度相当高。定时范围通常从0.1到几分钟甚至更长。用户可以根据需要在程序中设置定时值。然后软件和硬件计数器控制计时时间。计时精度小于10ms，计时时间不受环境影响。(5)计数控制：可编程控制器可以实现计数功能，而继电器控制逻辑一般不具备计数控制功能。设计和施工：继电器控制逻辑用于完成控制项目。其设计、施工和调试必须按顺序进行，周期长，不易修改。项目越大，这一点就变得越突出。当用可编程控制器完成一个控制项目时，系统设计完成后，可以同时进行现场施工和控制逻辑设计(包括梯形图和程序设计)，周期短，调试和修改方便。(7)可靠性和可维护性：继电器控制逻辑使用大量机械触点和许多连接。触头在开合时会被电弧损坏，机械磨损，使用寿命短，可靠性和可维护性差。可编程逻辑控制器采用微电子技术，大量开关动作由非接触式半导体电路完成。它体积小，使用寿命长，可靠性高。可编程控制器还具有自检和监控功能，可随时检查自身故障并显示给操作人员，并可动态监控控制程序的执行情况，为现场调试