第5章可编程控制器.ppt

1、可编程控制器的特点 可编程控制器的组成,第5章 可编程控制器,功能：监控（ 工艺流程显示、表格显示、趋势显示、历史数据查询、报警信息的记录、手自动切换/手动操作、参数设置、其它功能） 操作员站：一般操作功能（往往不包括系统中重要参数的设置） 工程师站：全部功能 可以通过硬件区分（设置不同的计算机系统、设置不同的键盘等等） 通过操作人员所拥有 的密码区分，硬件系统完全相同,功能：信号的采集、运算（决策）、控制信号的输出、报警处理、网络通信（与其它控制站或者与操作站）,系统的设计 硬件设计和实现 软件设计和实现,5.1概述,5.1.1PLC的发展、分类及应用,一、产生,可编程序逻辑控制器PLC产生

2、于1969年，最初只具备逻辑控制、定时、计数等功能，主要是用来取代继电接触器控制。 现在所说的可编程序控制器PC（Programmable Controller）是1980年以来，美、日、德等国由先前的可编程序逻辑控制器PLC进一步发展而来。 1985年，国际电工委员会IEC对可编程序控制器作了如下规定：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。,可编程逻辑控制器,早期,逻辑控制为主,Programmable Logical Controller PLC,现代PLC绝不意味着只有逻辑控制的功能，它是一种以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起

3、来的一种通用的工业自动控制装置；具有体积小，功能强，程序设计简单，灵活通用，维护方便等一系列的优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，使PLC广泛应用于各种工业领域。,原动力60年代末期，美国的汽车工业的迅速发展,在PLC问世以前，继电器控制在顺序控制领域中占有主导地位，但由继电器构成的控制系统对生产工艺多变化的系统适应性极差： 需要使用大量的继电器 继电器间通过硬接线相连接 一旦工艺发生或控制要求变化，需要改变控制柜内继电器系 统的硬件结构，甚至需要重新设计新系统,初 衷开发新的可编程序的控制设备取代继电器控制系统,美国数字设备公司DEC于1969年根据通用公司的要求，研制出

4、了世界上第一台可编程序控制器PDP-14，并在的汽车生产线上获得成功应用,二、发展,1. 发展及现状 2. 发展趋势 （1）与计算机联系密切 （2）发展多样化 （3）模块化 （4）网络与通信能力增强 （5）多样化与标准化 （6）工业软件发展迅速,三、特点,1. 可靠性高 2. 功能强大 3.简单方便 4. 通用性强 5. 维护方便,四、分类,1. 从结构上 可编程序控制器从结构上可分为整体式和模块式。 2. 从规模上 按PLC的输入输出点数可分为小型、中型和大型。,五、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

5、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。, PLC的分类,按厂家分类,在我国占有较大市场份额、较有影响的公司和PLC有：,1.SIEMENS公司 80年代S5系列PLC，主要有（更早还有S3系列PLC） S590U、95U：微型PLC，整体式 S5100U：小型PLC，模块式（提供3种型号的CPU） S5115U：中型PLC，模块式（提供5种型号的CPU） S5115H：中型PLC，是由

6、S5115U组成的双冗余系统，高可靠性 S5135U、S5155U：大型PLC，控制点数可达6000多点 S5155H：大型PLC，是由S5155U组成的双冗余系统，高可靠性 90年代S7系列PLC，主要有 S7200系列：小型PLC，模块式 S7300系列：中型PLC，（事实上，这类PLC也可以构成规模很大的系统） S7400系列：大型PLC,2.OMRON公司 80年代初，主要有C系列PLC，如C2000、C1000、C500、C20 随后出现C系列P型机，如C20P，普通型号尾部加字母“P” 80年代后期推出H型机，如C20H、C2000H，尾部加字母“H” 还有SP系列超小型PLC，如

7、SP20/SP16/SP10，点数小/价格低/速度极快/体积小 90年代初期，推出大型机CV系列和小型机CQM1，前者性能比大型H机更高，后者为无底板、模块式结构，执行速度比中型机C200H还快 90年代后期，中型机C200H发展到C200HS(96年)、C200H(97年)，后者组网能力更强 97年推出来P型机的升级产品，即CPM1A，体积小、通信功能加强 99年推出功能比机更完美的CS1系列PLC（代表来当今PLC发展动向） 与此同时，还有CPM2A、CPM2C、CPM2AE等小型机 总之，有CPM1A，P型机，H型机，CQM1、CV、CV型机，型等 大、中、小、微均有，特别在中、小、微方

8、面更具特长 在中国及世界市场，都占有相当的份额。,美国GE公司、日本FANAC合资的GEFANAC 美国Modicon 公司(被施奈德兼并) 美国AB（AlienBradley） 日本三菱公司 日本日立公司 日本东芝公司 日本松下公司 日本富士公司等都生产PLC，并有一定的地位。 国内PLC厂家规模多不大。例如无锡华光电子工业有限公司生产的SR系列PLC、和利时公司于2004年推出完全自主生产的小型一体化PLCHOLLiAS-LEC等等，一般国产PLC在价格上很有优势。相信会在世界PLC之林中一定有其位置的。,5.1.2结构和工作原理,一、结构,PLC专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，

9、主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。图2.1为一典型PLC结构简图。,图1结构简图,PLC基本组成,PLC的产品很多，不同型号、不同厂家的PLC在结构特征上各不相同，但绝大多数PLC的工作原理都基本相同。,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,PLC基本组成,1. 中央处理单元,中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。 CPU的主要功能： 1）从存储器中读取指令 2）执行指令 3）顺序取指令 4）处理中断,2. 存储器,1）只读存储器 2）随机存储器RAM,3. 输入输出

10、单元,（1）输入接口电路 （2）输出接口电路,通常PLC的输入类型可以是直流、交流和交直流。输入电路的电源可由外部供给，有的也可由PLC内部提供。图2.2和图2.3分别为一种型号PLC的直流和交流输入接口电路的电路图，采用的是外接电源。 图2.2描述了一个输入点的接口电路。其输入电路的一次电路与二次电路用光耦合器相连，当行程开关闭合时，输入电路和一次电路接通，上面的发光管用于对外显示，同时光耦合器中的发光管使三极管导通，信号进入内部电路，此输入点对应的位由0变为1。即输入映像寄存器的对应位由0变为1。,图2 直流输入电路图,图3交流输入电路图,二、工作原理,1. 循环扫描 PLC采用循环扫描工

11、作方式，这个工作过程一般包括五个阶段：内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理，其工作过程如图2.4所示。 图2.4中当PLC方式开关置于RUN（运行）时，执行所有阶段；当方式开关置于STOP（停止）时，不执行后3个阶段，此时可进行通信处理，如对PLC联机或离线编程。,图4 工作原理图,可编程序控制器的输入处理、执行用户程序和输出处理过程的原理如图2.5所示。 PLC执行的五个阶段，称为一个扫描周期，PLC完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。,图5程序执行原理图,2. 与计算机的异同,相同点： （1）基本结构相同 （2）程序执行原理相同 不同点： 两

12、者的不同点主要体现在工作方式上。,3. 与继电接触器的异同,相同点： 图形结构和逻辑关系相同。 不同点： （1）实现原理不同 （2）工作方式不同,5.1.3技术性能指标,1. 外形尺寸 2. 输入输出点数 3. 机器字长 4. 速度 5. 指令系统 6. 存储器容量 7. 扩展性 8. 通信功能,5.1.4编程语言,1. 梯形图 2. 语句表 3. 逻辑符号图 4. 高级语言,1. 梯形图,梯形图举例,2. 语句表,语句表（STL）语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员。用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言，STEP 7 Micro/Win32的语句表如图3

13、.9所示。,3. 功能块图,功能块图（FBD）的图形结构与数字电子电路的结构极为相似，如下图3.11所示。,4. 其他编程语言,SIMATIC工业软件中的工程工具中为大型或中型PLC提供了许多高级编程工具，以下简要其中的几种： （1）S7-SLC和 M7-Pro C/C+ （2）S7-GRAPH （3）S7-HiGraph （4）CFC,（1）S7-SLC和 M7-Pro C/C+,SLC语言,S7-SLC的语言与PASCAL非常相似，如图3.12所示。,（2）S7-GRAPH,顺序流程图,5.2S7系列可编程控制器,德国的西门子（SIEMENS）公司是欧洲最大的电子和电气设备制造商，生产的S

14、IMATIC可编程序控制器在欧洲处于领先地位。其第一代可编程序控制器是1975年投放市场的SIMATIC S3系列的控制系统。 在1979年，微处理器技术被应用到可编程序控制器中，产生了SIMATIC S5系列，取代了S3系列，之后在20世纪末又推出了S7系列产品。 最新的SIMATIC产品为SIMATIC S7、M7和C7等几大系列。,从CPU模块的功能来看，SIMATIC S7-200系列小型可编程序控制器发展至今，大致经历了两代： 第一代产品其CPU模块为CPU 21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同结构配置的CPU单元：CPU 212，CPU 214，CPU 215和CPU 216，

15、对第一代PLC产品不再作具体介绍。 第二代产品其CPU模块为CPU 22X，是在21世纪初投放市场的，速度快，具有较强的通信能力。它具有四种不同结构配置的CPU单元：CPU 221，CPU 222，CPU 224和CPU 226，除CPU 221之外，其他都可加扩展模块。,系统基本构成,SIMATIC S7-200系统由硬件和工业软件两大部分构成，如图所示。,S7-200 PLC系统组成,系统基本构成 1. 硬件 （1）基本单元 （2）扩展单元 （3）特殊功能模块 （4）相关设备 2. 工业软件 工业软件是为更好地管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序、文档及其规则的总和，它主要由标准工具

16、、工程工具、运行软件和人机接口等几大类构成。,主机结构,1. 各CPU介绍及I/O系统 （1）主机外形 SIMATIC S7-200系统CPU 22X系列PLC主机（CPU模块）的外形如图3.2所示：,图2S7-200主机外形,（2）基本结构特点,输出信号类型 电源输出 基本I/O 存储安全 高速反应 模拟电位器 实时时钟 输入输出可扩展性,4种CPU各有晶体管输出和8继电器输出两种类型，具有不同电源电压和控制电压。各类型的型号如表3.1所示。,表1CPU型号,SIMATIC S7-200系统CPU 22X系列PLC主机及I/O特性如表3.2所示。,表2主机及I/O特性,2. 存储系统 （1）

17、存储系统 （2）存储器及使用 （3）存储安全,图3存储系统,表3存储容量,（2）存储器及使用 上装和下装用户程序 定义存储器保持范围 用程序永久保存数据 存储器卡的使用,（3）存储安全 1）主机CPU模块内部配备的EEPROM，上装程序时，可自动装入并永久保存用户程序、数据和CPU的组态数据。 2）用户可以用程序将存储在RAM中的数据备份到EEPROM存储器。 3）主机CPU提供一个超级电容器，可使RAM中的程序和数据在断电后保持几天之久。 4）CPU提供一个可选的电池卡，可在断电后超级电容器中的电量完全耗尽时，继续为内部RAM存储器供电，以延长数据所存的时间。 5）可选的存储器卡可使用户像使

18、用计算机磁盘一样来方便地备份和装载程序和数据。,扫描周期及工作方式,1. 扫描周期 2. 工作方式 3. 改变CPU工作方式的方法,图4CPU的扫描周期,1. 扫描周期,（1）输入处理 （2）执行程序 （3）处理通信请求 （4）执行CPU自诊断测试 （5）写数字输出,2. 工作方式,（1）STOP方式 （2）RUN方式,3. 改变CPU工作方式的方法,1）用PLC上的方式开关来手动切换，方式开关有3个挡位 。 2）用STEP 7-Micro/Win32编程软件，应首先把主机的方式开关置于TERM或RUN位置，然后在此软件平台用鼠标单击STOP和RUN方式按钮即可。 3）在用户程序中用指令由RU

19、N方式转换到STOP方式，前提是程序逻辑允许中断程序的执行。,输入输出扩展,1. 设备连接 2. 最大I/O配置的预算 3. 输入输出及CPU组态,1. 设备连接,图3.5I/O扩展示意图,2. 最大I/O配置的预算,（1）映像寄存器数量 （2）电流提供 （3）模块电流 （4）电流预算规则,（2）电流提供 各CPU所能提供的最大5VDC电流如表3.4所示。,（3）模块电流CPU 22X可连接的各扩展模块消耗5VDC电流如表3.5所示。,3. 输入输出及CPU组态,（1）I/O点数扩展和编址 （2）设置输入滤波 （3）设置脉冲捕捉 （4）输出表配置 （5）定义存储器保持范围,例如，某一控制系统选

20、用CPU 224，系统所需的输入输出点数各为：数字量输入24点、数字量输出20点、模拟量输入6点、模拟量输出2点。 本系统可有多种不同模块的选取组合，表3.6所示为其中的一种可行的系统输入输出组态状况。,若按表3.6的扩展方式，各模块在I/O链中的位置排列方式也可以有多种，图3.6所示为其中的一种模块连接形式。,图6扩展连接图,S7-200 CPU为每个主机数字量输入提供了脉冲捕捉功能，它可以使主机能够捕捉小于一个扫描周期的短脉冲，并将其保持到主机读到这个信号，但前提是只有通过滤波器后，脉冲捕捉才有效。此外，在一个给定的扫描周期内如果有不只一个脉冲，则只有第一个脉冲可以被捕捉到，几种情况下的脉

21、冲捕捉波形如图3.7所示。,图7脉冲捕捉波形图,表722X主机主要技术指标,主机性能指标,S7-200 22X各主机的主要技术性能指标如下表7所示。,程序结构,1. 用户程序 （1）主程序 （2）子程序 （3）中断处理程序 2. 数据块 3. 参数块,如果编程使用的是手编器，主程序应安排到程序的最前面。其他部分的位置安排没有严格的顺序，但习惯上把子程序安排在中断程序的前面。如图3.16所示。,程序结构,相关设备,手编器 计算机 人机界面 特殊功能模块,手编器,工业上用的各厂商的可编程序控制器的使用中，手编器曾是主要编程设备，后来出现了图形输入设备，又出现了计算机编程软件。通过通信设备，使PLC

22、和计算机相连，用编程软件可直接在计算机上编程，由于计算机的显示器屏幕较大，对程序的编制和修更加方便高效。但即使是现在，手编器的使用仍十分广泛，特别是用小型和微型PLC实现的小规模系统。,计算机,计算机包括个人计算机和工业计算机，在可编程序控制器系统的工业应用中发挥着越来越重要的作用，几乎PLC系统从工程项目开发、编程、调试到系统的运行和维护，计算机越来越成了不可缺少的工具。,人机界面,1. 构造特点 文本显示区：可显示两行信息（每行20个字符）的液晶显示LCD 。 按键：共有9个键 。 通信：通过TD/CPU电缆（通用RS232接口）可以提供可编程序控制器与TD 200的通信，同时可以提供TD的电源，而不必再另接电源。 电源：如果不用TD/CPU通信电缆，可以通过面板右侧的电源接口连接外部电源。,2. 主要功能 可以显示从CPU主机读出的信息（如读取指令、数据、当前值及状态）；可以调整运行中选定的程序变量；可以提供对输入输出点的强制功能；可以为实时时钟设置日期和时间；支持多种语言形式的菜单和提示并支持中文。,工业软件的特点