第四章微机控制系统的选择及接口设计_PLC

1、 控制功能、控制形式和动作控制方式依产品而不同。控制功能、控制形式和动作控制方式依产品而不同。 第四章微机控制系统的选择及接口设计 第一节 专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡 机电一体化系统设计人员提出总的设计要求，各专机电一体化系统设计人员提出总的设计要求，各专业人员通力协作。业人员通力协作。 需要计算机控制理论、数字电路、软件设计等方面需要计算机控制理论、数字电路、软件设计等方面的知识，更需要深入理解生产过程和生产工艺。的知识，更需要深入理解生产过程和生产工艺。 机电一体化系统或产品的控制系统设计包括：选用机电一体化系统或产品的控制系统设计包括：选用微机、设计接口、控制形式和动作控制方式等

2、问题。微机、设计接口、控制形式和动作控制方式等问题。 1. 专用与通用选择专用与通用选择第四章微机控制系统的选择及接口设计 第一节 专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡 专用控制系统适合于大批量生产的机电一体化产品。专用控制系统适合于大批量生产的机电一体化产品。在开发新产品时，如果要求具有机械与电子有机结合的在开发新产品时，如果要求具有机械与电子有机结合的紧凑结构，也只有专用控制系统才能做到。紧凑结构，也只有专用控制系统才能做到。 选用适当的通用选用适当的通用IC芯片来组成控制系统，以便与执芯片来组成控制系统，以便与执行元件和检测传感器相匹配，或重新设计制作专用集成行元件和检测传感器相匹配，或重

3、新设计制作专用集成电路，把整个控制系统集成在一块或几块芯片上。电路，把整个控制系统集成在一块或几块芯片上。 1. 专用与通用选择专用与通用选择第四章微机控制系统的选择及接口设计 第一节 专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡 对于多品种、中小批量生产的机电一体化产品来说，对于多品种、中小批量生产的机电一体化产品来说，由于还在不断改进，结构还不十分稳定，特别是对现有由于还在不断改进，结构还不十分稳定，特别是对现有设备进行改造时，采用通用控制系统比较合理。设备进行改造时，采用通用控制系统比较合理。 通用控制系统的设计，主要是合理选择主控制微机通用控制系统的设计，主要是合理选择主控制微机机型，设计与其执

4、行元件和检测传感器之间的接口，并机型，设计与其执行元件和检测传感器之间的接口，并在此基础上编制应用软件的问题。实质上就是通过接口在此基础上编制应用软件的问题。实质上就是通过接口设计和软件编制来使通用微机专用化的问题。设计和软件编制来使通用微机专用化的问题。 2. 硬件与软件的组合硬件与软件的组合第四章微机控制系统的选择及接口设计 第一节 专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡 大多数控制功能单元既可以使用软件实现，也可以大多数控制功能单元既可以使用软件实现，也可以使用硬件实现，软件方式与硬件方式各有优缺点。控制使用硬件实现，软件方式与硬件方式各有优缺点。控制系统中硬件和软件的合理组成，通常要根据经

5、济性和可系统中硬件和软件的合理组成，通常要根据经济性和可靠性的标准权衡决定。靠性的标准权衡决定。 单元功能具体、稳定、无变化，采用硬件成本低，单元功能具体、稳定、无变化，采用硬件成本低，则优先采用硬件组成。否则，就采用软件实现。则优先采用硬件组成。否则，就采用软件实现。第四章微机控制系统的选择及接口设计 第二节 微机控制系统的设计思路 了解被控对象的控制要求，构思微机控制系统整体了解被控对象的控制要求，构思微机控制系统整体方案。采用开环控制还是闭环控制？采用闭环控制时，方案。采用开环控制还是闭环控制？采用闭环控制时，采用何种检测传感元件？检测精度要求如何。采用何种检测传感元件？检测精度要求如何

6、。 1. 确定系统整体控制方案确定系统整体控制方案 其次考虑执行元件种类，电动、气动、液动？其次考虑执行元件种类，电动、气动、液动？ 第三，是否有特殊控制要求，高可靠性、高精度和第三，是否有特殊控制要求，高可靠性、高精度和快速性的系统采取哪些措施？快速性的系统采取哪些措施？ 第四，微机在整个控制系统中的作用，设定计算？第四，微机在整个控制系统中的作用，设定计算？直接控制？还是数据处理？承担哪些任务？应具备哪些直接控制？还是数据处理？承担哪些任务？应具备哪些功能？需要哪些功能？需要哪些I/O通道？配备哪些外围设备？通道？配备哪些外围设备？ 画出系统组成框图，作为下一步设计的基础和依据画出系统组成

7、框图，作为下一步设计的基础和依据第四章微机控制系统的选择及接口设计 第二节 微机控制系统的设计思路 对具体微机控制系统进行分析、综合或设计，首先对具体微机控制系统进行分析、综合或设计，首先应建立系统的数学模型，确定其控制算法。所选算法应应建立系统的数学模型，确定其控制算法。所选算法应该满足控制速度、控制精度和系统稳定性的要求。该满足控制速度、控制精度和系统稳定性的要求。 2确定控制算法确定控制算法 3确定微机种类确定微机种类 对于给定的任务，选择微机的方案不唯一，但微机对于给定的任务，选择微机的方案不唯一，但微机应能满足具有较完善的中断系统、足够的存储容量、完应能满足具有较完善的中断系统、足够

8、的存储容量、完善的善的I/O通道和实时时钟等要求。通道和实时时钟等要求。 4系统总体设计系统总体设计 主要是对系统控制方案进行具体实施步骤的设计。主要是对系统控制方案进行具体实施步骤的设计。 5软件设计软件设计第四章微机控制系统的选择及接口设计 微机原理与接口技术、单片机等。微机原理与接口技术、单片机等。 第三节第三节第九节第九节第四章微机控制系统的选择及接口设计 对输入输出硬件电路的要求是：对输入输出硬件电路的要求是： 能够可靠地传递控制信息，并能够输入有关运动能够可靠地传递控制信息，并能够输入有关运动机构的状态信息；机构的状态信息； 能够进行相应的信息转换，以满足微机对输入能够进行相应的信

9、息转换，以满足微机对输入输出信息的转换要求，如输出信息的转换要求，如D/A、A/D转换，并行数字转换，并行数字量转换成串行电脉冲、电平的转换与匹配，电量与非电量转换成串行电脉冲、电平的转换与匹配，电量与非电量之间的转换，弱电与强电的转换以及功率的匹配等；量之间的转换，弱电与强电的转换以及功率的匹配等； 应具有较强的阻断干扰信号进入微机控制系统的应具有较强的阻断干扰信号进入微机控制系统的能力，以提高系统的可靠性。能力，以提高系统的可靠性。第十节 微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计 第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十节 微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计 一、光电隔离电路设计一、

10、光电隔离电路设计1.光电隔离电路光电隔离电路 为防止强电干扰以及其他干扰信号通过为防止强电干扰以及其他干扰信号通过I/O控制电路控制电路进入计算机，通常的办法是首先采用滤波吸收，抑制干扰进入计算机，通常的办法是首先采用滤波吸收，抑制干扰信号的产生，然后采用光电隔离的办法，使微机与强电部信号的产生，然后采用光电隔离的办法，使微机与强电部件不共地，阻断干扰信号的传导。件不共地，阻断干扰信号的传导。第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十节 微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计 一、光电隔离电路设计一、光电隔离电路设计1.光电隔离电路光电隔离电路 为防止强电干扰以及其他干扰信号通过为防止强电干扰

11、以及其他干扰信号通过I/O控制电路控制电路进入计算机，通常的办法是首先采用滤波吸收，抑制干扰进入计算机，通常的办法是首先采用滤波吸收，抑制干扰信号的产生，然后采用光电隔离的办法，使微机与强电部信号的产生，然后采用光电隔离的办法，使微机与强电部件不共地，阻断干扰信号的传导。件不共地，阻断干扰信号的传导。 （1）输入与输出电路地线分开，各自供电，阻断干扰）输入与输出电路地线分开，各自供电，阻断干扰 （2）可以进行电平转换可以进行电平转换 （3）可以提高驱动能力可以提高驱动能力第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十节 微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计 常常用用光光电电耦耦合合器器第四章微机

12、控制系统的选择及接口设计 第十节 微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计 一、光电隔离电路设计一、光电隔离电路设计2.光电耦合隔离电路应用光电耦合隔离电路应用第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十节 微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计 二、信息转换电路设计二、信息转换电路设计1. 弱电转强电电路弱电转强电电路第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十节 微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计 二、信息转换电路设计二、信息转换电路设计2. 数字脉冲转换数字脉冲转换第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十节 微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计 二、信息转换电路设计二、信息转换电路设

13、计4. 电量转非电量电量转非电量 可编程序控制器可编程序控制器PLC概述概述 可编程序控制器的基本组成和工作原理可编程序控制器的基本组成和工作原理 西门子西门子S7-200系列可编程序控制器及其指令系统系列可编程序控制器及其指令系统 常用基本环节编程常用基本环节编程 可编程序控制器系统设计的内容和步骤可编程序控制器系统设计的内容和步骤第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例一、可编程序控制器PLC概述 19681968年美国通用汽车对汽车流水线控制系统提出具体

14、要求：年美国通用汽车对汽车流水线控制系统提出具体要求：第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例一、可编程序控制器PLC概述 可编程序控制器(PLC)手持式编程器第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例一、可编程序控制器PLC概述 PLC的作用与功能：第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例一、可编程序控制器PLC概述 ： 第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例一、可编程序控制器PLC概述 PLC构成控制

15、系统：第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例一、可编程序控制器PLC概述PLC控制程序的编制过程：PLC控制程序的修改方法：第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例一、可编程序控制器PLC概述第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例一、可编程序控制器PLC概述PLC控制系统的简单例子：FU三相异步电动机正反转控制系统KM2SB1SB3FRQFRM3 SB2KM1KM1KM2KM1KM2KM1KM2PLCPLC控制电路控制电路X0 Y0X1 Y1X2

16、COM COM1SB1SB2SB3KM1KM2KM2KM1FR负载电源负载电源正转启动正转启动反转启动反转启动停止停止PLCPLC控制程序控制程序 X0 X2 X1 Y1 Y0Y0 X1 X2 X0 Y0 Y1Y1正转正转反转反转第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例一、可编程序控制器PLC概述PLC与其他工业控制系统的比较： 集散控制系统（Distribution Control System）：由回路仪表控制系统发展起来的分布式控制系统，在模拟量处理、回路调节等方面有一定的优势。 PLC：已具备集散控制系统的形态，性价比好，可靠性高；但PL

17、C以循环扫描方式进行工作，扫描周期一般要限制在几十毫秒范围内，不适于单独构成需要进行较大数据量处理的集散控制系统。第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例一、可编程序控制器PLC概述PLC与其他工业控制系统的比较：第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例二、PLC的基本组成及工作原理PLC的基本组成：CPURAM程序存储器程序存储器EPROM输出模块输出模块I/O接口接口通信接口通信接口输入模块输入模块外围设备外围设备 计算机或计算机或其他其他PLCPLC的基本组成结构BUSABDBCB用户用户输入

18、设备输入设备用户用户输出设备输出设备第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例二、PLC的基本组成及工作原理PLC的外部连线原理：三菱三菱FX系列系列PLC的一个开关量输入点：的一个开关量输入点：X001SX001PLCPLC内部电路内部电路COM V +Y000COM一个开关量输出点一个开关量输出点:Y000PLCPLC内部电路内部电路例例 题：题： 现有现有5个彩灯，要求按顺序依次点个彩灯，要求按顺序依次点 亮，展现出亮，展现出流水灯效果。分别由按键开关控制其正向流动、反向流水灯效果。分别由按键开关控制其正向流动、反向流动、定时全亮全灭。流动、

19、定时全亮全灭。分分 析：析： 3个开关量个开关量5个开关量个开关量1. 有有5个彩灯，应该使用个彩灯，应该使用 输出点；输出点；2. 分别由按键开关控制其正向流动、反向流动、分别由按键开关控制其正向流动、反向流动、 定时全亮全灭。应该使用定时全亮全灭。应该使用 输入点。输入点。第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例二、PLC的基本组成及工作原理输入点输入点输出点输出点SA1I0.0LD1Q0.0SA2I0.1LD2Q0.1SA3I0.2LD3Q0.2LD4Q0.3LD5Q0.4使用西门子使用西门子S7-200系列系列 PLC，I/O点分配如下：

20、点分配如下：第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例二、PLC的基本组成及工作原理PLCL+ + 24V -SA1SA2SA3LD1LD2LD3LD4LD5I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4硬件连线图：第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例二、PLC的基本组成及工作原理M1M1L第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例二、PLC的基本组成及工作原理PLC的外部连线原理：PLC执行用户程序的方式：执行用户程

21、序的方式： PLCPLC对用户程序进行反复地循环扫描，逐条地解释用户对用户程序进行反复地循环扫描，逐条地解释用户程序，并加以执行。程序，并加以执行。 循环扫描工作方式简单直观，简化了程序设计，并为循环扫描工作方式简单直观，简化了程序设计，并为PLCPLC可靠运行提供了有力的保证。可靠运行提供了有力的保证。 PLCPLC进行一次扫描的时间，也就是一个扫描周期，一般进行一次扫描的时间，也就是一个扫描周期，一般只有几十毫秒。只有几十毫秒。第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例二、PLC的基本组成及工作原理PLC的工作原理：报警报警严重故障严重故障NY

22、YN PLC的的 工作过程工作过程PLC的正常扫描工作过程的正常扫描工作过程: A 公共操作公共操作 B 数据输入数据输入/输出操作输出操作 （1）采样输入信号阶段 （2）扫描用户程序 （3）输出状态刷新 C 运行监视运行监视 D 执行外部设备指令执行外部设备指令第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例二、PLC的基本组成及工作原理循环扫描工作方式示意：循环扫描工作方式示意：公共操作输入接口输入接口现场设备状态现场设备状态输入数据映象区输入数据映象区数据输入执行用户程序数据输出服务外设输出锁存器输出锁存器现场设备现场设备输出驱动电路输出驱动电路输

23、出数据映象区输出数据映象区 PLC不是连续监控外不是连续监控外设的，而是间断性地采集设的，而是间断性地采集外设状态信息的，会不会外设状态信息的，会不会出现设备状态变化被漏掉出现设备状态变化被漏掉的情况呢，能满足控制的的情况呢，能满足控制的实时性要求吗？实时性要求吗？以开关量为例，以开关量为例， 考察考察PLCPLC的实时性：的实时性：扫描1扫描2扫描3扫描4扫描5扫描6ONOFF外设状态改变OFFONONPLCPLC的实时性能可以的实时性能可以满足控制需要！满足控制需要！ 几个重要结论：几个重要结论： （1）以扫描的方式进行操作，其输入）以扫描的方式进行操作，其输入/输出信号间的逻输出信号间的

24、逻 辑关系，存在着原理上的滞后。辑关系，存在着原理上的滞后。 （2）扫描周期除了执行用户程序所占用的时间外，还包）扫描周期除了执行用户程序所占用的时间外，还包 括系统管理操作占用的时间。括系统管理操作占用的时间。 （3）第）第n次扫描执行程序时，所依据的输入数据是该次次扫描执行程序时，所依据的输入数据是该次 扫描之前的值扫描之前的值Xn和和 Yn1，以及执行程序过程中新以及执行程序过程中新 产生的产生的Yn 。第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例二、PLC的基本组成及工作原理可编程序控制器的编程语言梯形图语言助记符语言顺序功能图（SFC）语言

25、布尔代数语言逻辑功能图和某些高级语言第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例三、PLC编程及S7-200基本指令 梯形图语言 继电器控制原理图使用的是硬件继电器和定时器， 靠硬件连接组成控制线路； PLC梯形图使用的是内部软继电器，定时器/计数器等， 靠软件实现控制。更灵活，修改控制更方便。可编程序控制器的编程语言第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例三、PLC编程及S7-200基本指令（1）按行依次从左至右，从上而下顺序编写；（2）梯形图左边垂直线称母线，左侧放置输入接点和 内部继电器接点；（3

26、）最右侧必须放置输出元素；（4）输入接点和内部继电器接点可以任意串、并联， 而输出元素只能并联不能串联；（5）输出线圈只对应输出映像区的相应位，不能 直接驱动现场设备。可编程序控制器的编程语言第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例 梯形图设计方法简介三、PLC编程及S7-200基本指令 PLC的命令语句表达式，类似于计算机的汇编语言。用户可以直观地根据梯形图写出助记符语言，也可以根据助记符写出梯形图语言。不同厂家生产的PLC使用的助记符不同。可编程序控制器的编程语言第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及

27、应用举例助记符语言三、PLC编程及S7-200基本指令位逻辑指令 触点指令触点指令 输出指令输出指令 其他指令其他指令返回返回S7-200基本指令第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例三、PLC编程及S7-200基本指令定时器与计数器指令 通电延时定时器指令通电延时定时器指令 断电延时定时器指令断电延时定时器指令保持型通电延时定时器保持型通电延时定时器定时器当前值刷新的方法定时器当前值刷新的方法计数器指令计数器指令 第四章微机控制系统的选择及接口设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例三、PLC编程及S7-200基本指令S7-

28、200基本指令通电延时定时器指令通电延时定时器指令 (INT)，允许的，允许的。返回返回 通 电 延 时 定 时 器通 电 延 时 定 时 器(TON)输入端输入端(IN)的输入的输入电路接通时开始定时。电路接通时开始定时。， 。第一次扫描时定时器位。第一次扫描时定时器位OFF，当前值为，当前值为0。定时器。定时器有有1ms、10ms和和100ms三种分辨率，分辨率取决于定时器号三种分辨率，分辨率取决于定时器号(见表见表)。 定时器和计数器的设定值的数据类型均为定时器和计数器的设定值的数据类型均为型，型，返回返回通电延时定时器指令通电延时定时器指令 断电延时定时器指令断电延时定时器指令 断电延

29、时定时器断电延时定时器(TOF)用来在用来在。它用输入从。它用输入从ON到到OFF的负跳变启动定时。的负跳变启动定时。返回返回 (见图) ，例如:不能同时使用TON T32和TOF T32。 。 断电延时定时器指令断电延时定时器指令 保持型通电延时定时器保持型通电延时定时器 保持型通电延时定时器保持型通电延时定时器(Retentive On-Delay Timer，TONR)的的输入电路接通时，开始定时。当前值大于等于输入电路接通时，开始定时。当前值大于等于PT端指定的设定值端指定的设定值时，定时器位变为时，定时器位变为ON。达到设定值后，当前值仍继续计数，直。达到设定值后，当前值仍继续计数，

30、直到最大值到最大值32767 . 输入电路断开时，当前值保持不变。可用输入电路断开时，当前值保持不变。可用TONR来累计输入来累计输入电路接通的若干个时间间隔。电路接通的若干个时间间隔。图中的时间间隔。图中的时间间隔100ms时，时，10ms定时器定时器T2的定时器位变为的定时器位变为ON。 在第一个扫描周期，定时器位为在第一个扫描周期，定时器位为OFF。可以在系统块中设置。可以在系统块中设置TONR的当前值有断电保持功能。的当前值有断电保持功能。 返回返回返回返回保持型通电延时定时器保持型通电延时定时器 定时器当前值刷新的方法定时器当前值刷新的方法 1ms定时器对启动后的定时器对启动后的1m

31、s时间间隔计数。定时器指令时间间隔计数。定时器指令执行期间每隔执行期间每隔1ms对定时器位和当前值刷新一次，这一过程对定时器位和当前值刷新一次，这一过程不与扫描周期同步。因为可能在不与扫描周期同步。因为可能在1ms内的任意时刻启动定时内的任意时刻启动定时器，设定值必须比最小要求的定时间隔大一个时间基准。器，设定值必须比最小要求的定时间隔大一个时间基准。例如对例如对1ms定时器，为了保证时间间隔至少为定时器，为了保证时间间隔至少为56ms，设定，设定值应为值应为57。10ms、l00ms定时器也有类似的问题，可用相同定时器也有类似的问题，可用相同的原则处理，即设定值等于要求的最小时间间隔对应的值

32、的原则处理，即设定值等于要求的最小时间间隔对应的值加加1。 返回返回 10ms定时器对启动后的定时器对启动后的10ms时间间隔计数。执行定时间间隔计数。执行定时器指令时开始定时，在每一扫描周期开始时刷新定时器，时器指令时开始定时，在每一扫描周期开始时刷新定时器，将一个扫描周期内增加的将一个扫描周期内增加的10ms时间间隔的个数加到当前值。时间间隔的个数加到当前值。定时器的当前值和定时器位在一个扫描周期内其余的时间定时器的当前值和定时器位在一个扫描周期内其余的时间保持不变。保持不变。 定时器当前值刷新的方法定时器当前值刷新的方法 100ms定时器对启动后的定时器对启动后的100ms时间间隔计数。它在时间间隔计数。它在每一扫描周期开始时刷新定时器，将一个扫描周期内增每一扫描周期开始时刷新定时器，将一个扫描周期内增加的加的100ms时间间隔的个数加到当前值。时间间隔的个数加到当前值。 只有在执行定时器指令时，才对只有在执行定时器指令时，才对100ms定时器的当前值定时器的当前值刷新。因此，如果启动了刷新。因此，如果启动了100ms定时器但是没有在每一扫定时器