可编程序控制器电子教案

可编程序控制器电子教案第1章概述1.1可编程序控制器的由来可编程序控制器(ProgrammableController)简称为PC可编程序逻辑控制器(ProgrammableLogicCntroller)。简称为PLC

1968年．美国最大的汽车制造厂家——通用汽车公司(GM)提出了研制可编程序控制器的基本设想，即(1)能用于工业现场。(2)能改变其控制“逻辑”，而不需要变动组成它的元件和修改内部接线。(3)出现故障时易于诊断和维修。1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台PLC。我国1974年研制，77年应用。1.2可编程序控制器的定义、特点一、定义：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，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，并通过数字式、模拟式的输入和输出，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设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”

二、特点1编程方法简单易学2功能强，性能价格比高3硬件配套齐全．用户使用方便。适应性强4可靠性高。抗干扰能力强5系统的设计、安装、调试工作量少6维修工作量小，维修方便7体积小，能耗低

1.3可编程序控制器的应用领域1.数字量逻辑控制2.运动控制3.闭环过程控制4.数据处理5.通信联网1.4可编程序控制器的发展趋势

1．向高性能，高速度、大容量发展2．大力发展微型可编程序控制器3.大力开发智能型l／O模块和分布式I／O子系统4．基于个人计算机的编程软件取代手持式编程器5．可编程序控制器编程语言的标准化6．可编程序控制器通信的易用化和“傻瓜化”7．可编程序控制器的软件化与Pc化8．组态软件引发的七位计算机编程革命9．可编程序控制器与现场总线相结合第2章可编程序控制器的硬件结构与工作原理

2.1可编程序控制器的基本结构2.1.1基本结构组成：CPU模块、输入模块、输出模块、编程装置。1CPU模块1）CPU芯片作用：在可编程序控制器控制系统中，CPU模块相当于人的大脑，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。2）存储器：作用：存放系统程序，用户程序和数据。系统程序：决定PLC的基本智能，由厂家设计，并存入ROM、EEPROM。用户不能修改。用户程序：根据要求，用PLC的编程语言，编制的程序，用户用编程器写入RAM或EEPROM。类型(1)随机存取存储储器(RAM)用户可以用编编程装置读出出RAM中的内容，也也可以将用户户程序写入RAM，它是易失性的的存储器，它它的电源中断断后，储存的的信息将会丢丢失。(2)只读存储器(ROM)ROM的内容只能读读出，不能写写入。它是非非易失的，它它的电源消失失后，仍能保保存储存的内内容。ROM一般用来存放放可编程序控控制器的系统统程序。(3)可电擦除可编编程的只读存存储器(EEPROM或E2PROM)它是非易失性性的，但是可可以用编程装装置对它编程程．兼有ROM的非易失性和和RAM的随机存取优优点，但是将将信息写入它它所需的时间间比RAM长得多。EEPROM用来存放用户户程序和需长长期保存的重重要数据。2I／0模块作用：是系统统的眼、耳、、手、脚，是是联系外部现现场和CPU模块的桥梁。。1）输入模块作用：接收和和采集输入信信号。输人电路：设设有RC滤波电路和光光电耦合器。。2）输出模块作用：控制输输出设备，执执行装置。输出电路：晶晶体管和场效效应管、双向晶闸管，，小型继电器器。3、编程装置作用：编程程装置用来生生成用户程序序，并对它进进行编辑、检检查和修改。。1）.手持式编程器器：不能直接接输人和编辑辑梯形图，只只能输入和编编辑指令表程程序，因此又又叫做指令编编程器。2）.编程软件编程程：在屏幕上上直接生成和和编辑梯形图图、指令表、、功能块图和和顺序功能图图程序，并可可以实现不同同编程语言的的相互转换。。4、电源可编程序控制制器使用220V交流电源或24V直流电源。内内部的开关电电源为各模块块提供DC5V、±12V、24V等直流电源。2.1.2可编程序控制制器的物理结结构1整体式（S7—200）（图2-2）2模块式(s7—300和s7—400系列)(图2-3)。2.1.3可编程序控制制器的外部接接线CPU222模块的外部接接线图(见图2-6)2.2可编程序控制制器的工作原原理2.2.1可编程序控制制器的工作方方式工作状态：STOP：创建和编辑用用户程序，设设置PLC的硬件功能，，并可下栽到到PLC。RUN:执行用户程序序实现控制功功能。扫描工作方式式。(图2-9)2.2.2可编程序控制制器的工作原原理1.读取输入2.执行用户程序序3.通信处理4.自诊断测试5.修改输出6.中断程序的处处理7.立即I／O处理2.2.3输人／输出滞滞后时间是指可编程序序控制器的外外部输入信号号发生变化的的时刻至它控控制的有关外外部输出信号号发生变化的的时刻之间的的时间间隔，，几十毫秒。。2.3S7-200系列可编程序序控制器性能能简介2.3.1CPU模块S7-200有5种CPU模块，。2.3.2数字量扩展模模块当CPUI／O点数不够时，，必须使用扩扩展模块的I／O点数2.3.3模拟量输入输输出扩展模块块模拟量扩展模模块有3种。2.3.4热电偶、热电电阻扩展模块块EM231热电偶、热电电阻模块.EM231热电偶模块。。2.3.5PROFIBUS-DP通信模块2.3.6STEP7-Micro／WIN编程软件简介介2.4可编程序控制制器的安装2.4.1模块的安装与与拆卸1.模块的安装与与拆卸2.现场接线端子子排与可拆卸卸的端子连连接器。2.4.2本机I／0与扩展l／O本机I／O有固定的地址址，扩展I／0点的地址由模模块的类型和和模块在同类类I／O模块链中的位位置来决定。。规则：1）同类型输入入或输出点的的模块进行顺顺序编址。2）数字量I／0模块的地址以以字节(8位)为单位，未用用的位不会分分配给I／0链中的后续模模块。3）模拟量扩展展模块以2字节递增的方方式来分配地地址。CPU224的I／0地址分配举例例。（图2—12）第3章可编程序控控制器程序设设计基础3.1可编程序控制制器的编程语语言与程序结结构3.2存储器的数据据类型与寻址址方式3.3位逻辑指令3.4定时器与计数数器指令3.1.1可编程序控制制器编程语言言的国际际标准1994年5月可编编程序控制器器标准(IECll31).组成：通用信信息，设备与与测试要求，，编程语言，，用户指南和和通信。编程语言标准准。(IECll31．3)(1)顺序功能图(SequentialFunctionChart)。(2)梯形图(LadderDiagram)。(3)功能块图(FunctionBlockDiagram)。(4)指令表(Inst~ctionList)。(5)结构文本(structuredText)1顺序功能图(SFC)这是一种位于于其他编程语语言之上的图图形语言，用用来编制顺序序控制程序。。顺序功能图提提供了一种组组织程序的图图形方法，在在顺序功能图图中可以用别别的语言嵌套套编程。步、、转换和动作作是顺序功能能图中的三种种主要元件。。可以用顺序序功能图来描描述系统的功功能。2梯形图(LAD)组成：由触点点、线圈和用用方框表示的的功能块。（（图3-3）特点：1）沿用继电器器这一名称，，但不是真实实继电器，而而是软件中编编程元件。2）假想的“能能流”(POWeYFlow)，从左向右流动动。3）逻辑解算，，从左至右，，从上至下。。4）线圈放在最最右边，触点点可无限次使使用。3功能块图(FBD)4语句表（STL）指令表程序：：一种与微机机的汇编语言言中的指令相相似的助记符符表达式。5结构文本(sT)结构文本(sT)是为IECll31—3标准创建的一一种专用的高高级编程语言言。与梯形图图相比，它能能实现复杂的的数学运算，，编写的程序序非常简洁和和紧凑。3.2存储器的数据据类型与寻址址方式3.2.1数据在存储器器中存取的方方式1位、字节、字字和双字位(bit)：二进制数的1位只有O和1两种不同的取取值。字节(Byte)：8位二进制数组组成1个字节。字(Word)：两个字节。双字（DoubleWord）：两个字。。2数据的存取方方式I3.2IB3(图3-5)。VBl00VWl00VDl00(见图3-6)。3．2．2不同存储区的的寻址1输入映像寄存存器(I)寻址输入映像寄存存器的标识符符为I(I0.0-I15.7)，在每个扫描周周期的开始，，CPU对输入点进行行采样，并将将采样值存于于输入映像寄寄存器中。I、O、V、M、S、SM、L均可按位、字字节、字和双双字来存取。2输出映像寄存存器(Q)寻址输出映像寄存存器的标识符符为Q(QO.O～Q15.7)，在扫描周期的的末尾，CPU将输出映像寄寄存器的数据据传送给输出出模块，再由由后者驱动外外部负载。3变量存储器(v)寻址程序执行的过过程中存放中中间结果，或或用来保存与与工序或任务务有关的其他他数据。4位存储器(M)区寻址内部存储器标标志位(MO.0～M31.7)用来保存控制制继电器的中中间操作状态态或其他控制制信息。5特殊存储器(SM)标志位寻址特殊存储器用用于CPU与用户之间交交换信息如SMO.O、SMO.l、SMO.4和SMO.56局部存储器(L)区寻址S7-200有64个字节的局部存储储器，其中60个可以作为暂时存存储器，或给子程程序传递参数。7定时器存储器(T)区寻址S7-200有三种时基增量分分别为1ms、lOms和lOOms定时器。8计数器存储器(c)区寻址计数器用来累计其其计数输入端脉冲冲电平由低到高的的次数，CPU提供加计数器、减减计数器和加减计计数器。9顺序控制继电器(s)寻址顺序控制继电器(SCR)位用于组织机器的的顺序操作，SCR提供控制程序的逻逻辑分段。10模拟量输入(AI)寻址S7-200将现实世界连续变变化的模拟量(如温度、压力、电电流、电压等)用A／D转换器转换为1个字长(16位)的数字量，用区域域标识符AI、数据长度(w)和字节的起始地址址来表示模拟量输输入的地址。11模拟量输出(AQ)寻址S7-200将1个字长的数字用D／A转换器转换为现实实世界的模拟量，，用区域标识符AQ、数据妊度(w)和字节的起始地址址来表示存储模拟量输出的的地址12累加器(AC)寻址累加器是可以像存存储器那样使用的的读／写单元，例例如可以用它向子子程序传递参数，，或从子程序返回回参数，以及用来来存放计算的中间间值。CPU提供了4个32位累加器(AC0-AC3)，可以按字节、字和和双字来存取累加加器中的数据13高速计数器(HC)寻址高速计数器用来累累计比CPU的扫描速率更快的的事件，其当前值值和设定值为32位有符号整数，当当前值为只读数据据。14常数的表示方法与与范围常数值可以是字节节、字或双字，CPU以二进制方式存储储常数，常数也可可以用十进制、十十六进制、ASCII码或浮点数形式来来3.2.3直接寻址与间接寻寻址1直接寻址在指令中直接使用用存储器或寄存器器的元件名称和地地址编号，直接查查找数据，如VW790、VBl00。使用地址指针来存存取存储器中的数数据，使用前，，首先将数据所在在单元的内存地址址放入地址指针寄寄存器中，然后根根据此地址指针存存取数据。建立指针只能用V、L或ACl、AC2和AC3作指针。例如：MOVD＆VB200，AC1MOVD＆C3，VD6MOVD＆MB4，LD82）用指针来存取数数据（图3-7）3）修改指针例：MOVDAC1将指针增加两次，，指向下一个字。。INCDAC1MOVW*AC1,AC0将AC1所指向的字的数值值送AC03.3位逻辑指令3.3.1触点指令1.标准触点指令LD(Load装载)、A(And，与)和0(Or，或)。2.堆栈的基本概念S7—200有1个9位的堆栈，栈顶用用来存储逻辑运算算的结果．下面的的8位用来存储中间运运算结果。堆栈中中的数据一般按““先进后出”的原原则存取。3OLD(0rLoad)指令串联电路块的并联联连接。OLD指令不需要地址，，它相当于需并联联的两块电路右端端的一段垂直连线线。4ALD(AndLoad)指令图3-9中OLD后面的两条指令将将两个触点并联。。5其他堆栈操作指令令入栈(LPS，LogicPush)（见图3-11）。读栈(LRD，LogicRead)出栈(LPP，LogicPop)装载堆栈(LDSn，LoadStack，n=1~8)6立即触点立即(Immediate)触点指令只能用于于输入I，执行立即触点指令令时，立即读人物物理输人点的值，，根据该值决定触触点的接通／断开开状态，但是并不不更新该物理输人人点对应的映像寄寄存器。3.3.3输出指令1输出(=)2立即输出(=I)只能用于输出量(Q)，执行该指令时，将将栈顶值立即写入入指定的物理输出出位和对应的输出出映像寄存器。3置位与复位（S、R）4立即置位与立即复复位（Sl、Rl）3.3.4其他指令1取反(NOT)2跳变触点3空操作指令3.4定时器与计数器指指令3.4.1定时器指令分类：通电延时定定时器(TON)、断电延时定时器(TOF)、保持型通电延时定定时器(TONR)分辨率：lms、lOms和lOOms1.通电延时定时器(TON)2.断电延时定时器(TOF)。3．保持型通电延时时定时器(TONR)(图3-18)。4．定时器当前值刷刷新的方法1).1ms定时器2)10ms定时器3100ms定时器3.4.2计数器指令1.加计数器CTU。2减计数器GTD3加减计数器CTUD。第4章数字量控制系统统梯形图程序设计计方法4.1梯形图的经验设计计法经验设计法:在典型电路的基础础上，根据对控制制系统要求，不断断地修改和完善梯梯形图。设计所用用的时间、设计的的质量与设计者的的经验有很大的关关系，它可以用于于较简单的梯形图图(如手动程序)的设计。4.1.1梯形图的基本电路路1.起动保持和停止电电路2.延时接通/短开电路3.闪烁电路（图4-4）。4.1.2.小车自动往返运动动的梯形图设计4.2根据继电器电路图图设计梯形图的方方法4.2.1概述用PLC的外部硬件接线和和梯形图软件来实实现继电器控制系系统的功能。特点：不需要改动动控制面板，操作作人员不用改变长长期形成的操作习习惯。4.2.2基本方法1)了解和熟悉被控设设备的工艺过程和和机械的动作情况况，根据继电器电电路图分析和掌握握控制系统的工作作原理。2)确定可编程序控制制器的输入信号和和输出负载，对应应的梯形图中的输输入位和输出位的的地址，画出可编编程序控制器的外外部接线图。3)确定与继电器电路路图的中间继电器器、时间继电器对对应的梯形图中的的存储器位(M)和定时器(T)的地址。4)根据上述对应关系系画出梯形图。例：是某三速异步步电动机起动和自自动加速的继电器器控制电路图，图图4-8、图4-9、图4-10。4.3.3注意事项遵守梯形图语言中中的语法规定。置中间单元。3)尽量减少可编程序序控制器的输入信信号和输出信号。。4)外部联锁电路的设设立。5)在串联电路中单个个触点应放在右边边，在并联电路中中单个触点应放在在下向。6)外部负载的额定电电压。4.3顺序控制设计法与与顺序功能图4.3.1顺序控制设计法1．用经验设计法法设计梯形图时，，没有一套同定的的方法和步骤可以以遵循，具有很大大的试探性和随意意性，对于不同的的控制系统，没有有一种通用的容易易掌握的设计方法法。梯形图往往很很难阅读，系统的的维修和改进困难难。2．定义：所谓顺序控制制，就是按照生产产工艺预先规定的的顺序，在各个输输入信号的作用F，根据内部状态和时时间的顺序，在生生产过程中各个执执行机构自动地有有秩序地进行操作作。3.顺序控制设计法的的基本思想：将系统的一个工工作周期划分为若若干个顺序相连的的阶段，这些阶段段称为步(step)，并用编程元件(M和S)来代表各步。a.步的划分:根据输出量的状态态,在任何一步之内，，各输出量的ON／OFF状态不变，但是相相邻两步输出量的的状态是不同的。。b.转换条件:使系统由当前步进进入下一步的信号号。4．3．2顺序功能图1．顺序功能图的由由来功用：描述控制系系统的控制过程、、功能和特性的一一种图形，也是设设计可编程序控制制器的顺序控制程程序的有力工具。。组成：步、有向连连线、转换、转换换条件、动作2.步1）表示方法：用用矩形方框，方框框中可以用数字，，编程元件的地址址作为步的编号。。图4-12是某组合机床动力力头的进给运动示示意图和输入输出出信号时序图。2）初始步：与系系统的初始状态相相对应的步称为初初始步，初始步用用双线方框表示。。3）与步对应的动作作或命令。4）活动步：系统正正处于某一步所在在的阶段时．该步步处于活动状态。3．有向连线与转换换条件1）有向连线：从上上到下或从左至右右箭头不标，反之之标出。2）转换：用有向连连线上与有向连线线垂直的短划线来来表示，将相邻两两步隔开。3）转换条件：转转换条件是与转换换相关的逻辑命题题，转换条件可以以用文字语言、布布尔代数表达式或或图形符号标注在在表示转换的短线线的旁边。4．基本结构1）单序列2）选择序列3）并列序列4）顺序功能图举例5．转换实现的基本本规则1）转换实现的条件件(1)该转换所有的前级级步都是活动步。。(2)相应的转换条件得得到满足。2）转换实现应完成成的操作(1)使所有由有向连线线与相应转换符号号相连的后续步都都变为活动步。(2)使所有由有向连线线与相应转换符号号相连的前级步都都变为不活动步。。6．注意事项(1)两个步绝对不能直直接相连必须用一一个转换将它们隔隔开。(2)两个转换也不能直直接相连必须用一一个步将它们隔开开。(3)初始步一般对应于于系统等待起动的的初始状态，始步步是必不可少。(4)自动控制系统应能能多次重复执行同同一工艺过程，一一般应有由步和有有向连线组成的闭闭环，即在完成一一次工艺过程的全全部操作之后，应应从最后一步返回回初始步，系统停停留在初始状态(单周期，图4-12)，在连续循环工作作方式时，将从最最后一步返回下一一工作周期开始运运行的第一步(图4-17)。(5)只有当某一步的前前级步是活动步时时，该步才有可能能变成活动步第5章顺序控制制梯形图的设计方方法定义:根据顺序功能图设设计梯形图的方法法。方法:使用起保停电路；；以转换为中心；；使用控制继电器器。5.1使用起保停电路设设计顺序控制梯形形图的方法1.锅炉的鼓风机和引引风机梯形图设计计2.输出电路的设计方方法。：1）某一输出量仅在在某一步中为ON，将它的线圈与对应应步的存储器位（（M0.2）的线圈并联。2）某一输出在几步步中都为ON，将代表各有关步的的存储器位的常开开触点并联后，驱驱动该输出的线圈圈。（M0.1～MO.3的常开触点并联驱驱动Q0.O的线圈）5.2以转换为中心的顺顺序控制梯形图设设计方法1.梯形图与顺序功能能图的对应关系特点：这种设计方法特别别有规律。在设计计复杂的顺序功能能图的梯形图时既既容易掌握，又不不容易出错。2.某组合机床的动力力头控制系统梯形形图设计（图5-8）注意：使用这种编程方方法时，不能将输输出位的线圈与置置位指令和复位指指令并联。5.3使用SCR指令的顺序控制梯梯形图设计方法5.3.1顺序控制继电器指指令顺序控制继电器s专门用于编制顺序序控制程序。装载顺序控制继电电器(LoadSequenceControlRelay)指令LSCRn：表示一个SCR段即顺序功能图中中的步的开始。顺序控制继电器结结束(sequenceControlRelayEnd)指令SCRE：表示SCR段的结束。顺序控制继电器转转换(sequenceControlRelayTransition)指令SCRTn:表示SCR段之间的转换，即即步的活动状态的转换换。使用SCR时有如下的限制：不能在不同的程程序中使用相同的的s位；不能在SCR段中使用JMP及LBL指令，即不允许用用跳转的方法跳人人或跳出SCR段；不能在SCR段中使用FOR、NEXT和END指令。5．3．2编程方法某小车运动的梯形形图设计。5.4具有多种工作方式式的系统的顺序控控制梯形图设计方方法概述多种工作方式：手动和自动(包括连续、单周期期、单步、自动返返回初始状态等)手动程序比较简单单，一般用经验法法设计，复杂的自自动程序一般根据据系统的顺序功能能图用顺序控制法法设计。梯形图总体结构：：选择手动工作方方式时手动开关I2.0为1状态，将跳过自动动程序，执行公用用程序和手动程序序。选择自动工作作方式时I2.0为O状态，将跳过手动动程序，执行公用用程序和自动程序序。例：某机械手用来来将工件从A点搬运到B点(图5-16)，控制面板（图5-17），外部接线图（（图5-18）。5.4.1使用起保停电路的的编程方法1公用程序功用：(见图5-19a)自动程序和手动程程序相互切换的处处理。2手动程序（图5-19b）3.自动程序顺序功能图（图5-20）梯形图（图5-21）4.自动回原点程序第6章可编程序控控制器的功能指令令概述为了满足工业控制制的需要，PLC生产厂家为PLC增添了过程控制，，数据处理和特殊殊功能指令，这些些指令我们称为功功能指令。类型：传送、移位位及填充指令；算算术运算及逻辑运运算指令；数据转转换指令；高速处处理指令；通信指指令；PID指令。6.１程序控制指令6.1.1循环指令FOR指令表示循环的开开始，NEXT指令表示循环的结结束，注意事项：(1)如果启动了FOR／NEXT循环，除非在循环环内部修改了结束束值，否则循环就就一直进行，直到到循环结束。(2)再次启动循环时，，它将初始值INIT传送到指针INDX中。FOR指令必须与NEXT指令配套使用。允允许循环嵌套，最最多可嵌套8层。（图6-3）6.1.2跳转与标号指令跳转指令JMP(Jump),标号LBL(Label)，标号指令用来指示示跳转指令的目的的位置。JMP与LBL指令中的操作数n为常数0～255。6.３数据处理指令6.3.2SIMATIC数据传送指令1字节、字、双字和和实数的传送将输人的数据(IN)传送到输出(OUT)，传送过程中不改变变数的大小。2字节、字、双字的的块传送指令将从输入地址(JN)开始的N个数据传送到输出出地址(OUT)开始的N个单-元，N=l255，N为字节变量3字节交换指令字节交换SWAP(swapBytes)指令交换输人字(IN)的高字节与低字节节。4宇节立即读写指令令字节立即读MOV—BIR(MoveByteImmediateRead)指令读取IN输入端给出的1个字节的物理输入入点(IB)，并将结果写入OUT。字节立即写MOVBIW(MoveByteImmediateWrite)指令将输入(IN)给出的1字节数值写入OUT端给出的物理输出出点(0B)。两条指令的IN和OUT都是字节变量。6.3.3移位与循环移位指指令1.字节、字、双字右右移位和左移位指指令2.字节、字、双宇循循环右移位和循环环左移位指令3.移位寄存器指令。。6.４数学运算指令6.5.1SIMATIc整数数学运算指令令1整数与双整数加减减法指令2整数乘除法指令3加1与减1指令6.4.3SIMATIC逻辑运算指令1.取反指令2.字节逻辑运算指令令3.字逻辑运算指令第7章可编程序控制器器在工业应用中的的一些问题7.1可编程序控制器控控制系统的设计与与调试步骤可编程序控制器控控制系统的设计调调试过程如图所示示。7.1.1深人了解被控制系系统。7.1.2与硬件有关的设计计(1)确定系统输入元件件(如按钮、指令开关关、限位开关、接接近开关、传感器器、变送器等)和输出元件(如继电器、接触器器、电磁阀、指示示灯等)的型号。(2)根据设备的操作任任务和操作方式，，确定操作面板所所需的元件，如指指示灯、数字显示示装置、开关和按按钮等，有的系统统可能需要智能的的操作员面板，如如与S7-200配套的TD200文本显示器或有图图形显示功能和触触摸屏功能的操作作员面板。(3)确定可编程序控制制器的输入点和输输出点。列表统计计可编程序控制器器的输入信号和输输出信号．在表中中标明各信号的意意义和类型，如信信号是数字量还是是模拟量，模拟信信号的范围等。(4)确定可编程序控制制器的型号和硬件件配置。如确定CPU模块的型号，扩展展模块的型号和块块数。(5)给各输入、输出变变量分配地址，梯梯形图中变量的地地址与可编程序控控制器的外部接线线端子号是一致的的。这一步为绘制制硬