第三章 PLC邏輯控制

1、分布式控制技術(shù)分布式控制技術(shù) 及其應(yīng)用及其應(yīng)用第三章 PLC邏輯控制 本章知識點(diǎn) 1. PLC概述 2. PLC組成 3. PLC硬件和軟件結(jié)構(gòu) 4. PLC梯形圖的繪制 一、PLC概述第一節(jié) PLC概述1. PLC發(fā)展1968年 美國GE公開招標(biāo)尋找一種比繼電器更可靠，功能更齊全，響應(yīng)速度更快的新型的工業(yè)控制器，并從用戶角度提出了新一代控制器應(yīng)具備的十大條件，引起了開發(fā)熱潮。1969年 美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）制造了第一臺可編程序控制器PDP-14，并在GE汽車生產(chǎn)線上成功運(yùn)用，可編程序控制器由此誕生。所以可編程序控制器是生產(chǎn)力發(fā)展的必然產(chǎn)物。早期的可編程序控制器只具有邏輯運(yùn)算的功能，人們

2、稱之為可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller），縮寫為PLC。隨著微電子技術(shù)和集成電路的發(fā)展，特別是微處理器和微計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，可編程序控制器具有了自診斷功能，可靠性有了大幅度提高。國外工藝界在1980年正式命名為可編程序控制器（Programmable Controller），縮寫為PC。為了和個(gè)人計(jì)算機(jī)(Personal Computer)區(qū)分，一般仍把可編程序控制器縮寫為PLC。 第一節(jié) PLC概述2. PLC的用途與特點(diǎn) 1）PLC的用途： 順序控制運(yùn)動控制閉環(huán)過程控制數(shù)據(jù)處理通信和聯(lián)網(wǎng)2）PLC的特點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高； 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡

3、單、通用性強(qiáng)、應(yīng)用靈活 編程方便，易于使用； 功能完善，擴(kuò)展能力強(qiáng)； PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試方便； 維修方便，維修工作量小 ；體積小、重量輕，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化 ；第一節(jié) PLC概述3. PLC的分類1）按I/O點(diǎn)數(shù)容量分類類別I/O點(diǎn)數(shù)用戶程序存儲器功能特點(diǎn)典型產(chǎn)品小型機(jī)256點(diǎn)以下4KB以下一般以開關(guān)量控制為主，某些還具有一定的通信和模擬兩處理能力價(jià)格低廉，體積小，適合于控制單臺設(shè)備，開發(fā)機(jī)電一體化產(chǎn)品。SIEMENS公司S7-200系列、OMRON公司CPM2A系列、MITSUBISH公司FX系列、AB SLC500系列中型機(jī)256204828KB開關(guān)量和模擬量控制；數(shù)字計(jì)算；通

4、信功能和模擬量處理指令比小型機(jī)豐富，適用于復(fù)雜的邏輯控制系統(tǒng)以及連續(xù)生產(chǎn)過程控制場合。SIEMENS公司S7-300系列、OMRON公司C200H系列、AB公司SLC500系列模塊式PLC大型機(jī)2048點(diǎn)以上816KB性能已經(jīng)與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相當(dāng)，具有計(jì)算、控制和調(diào)節(jié)的功能，還具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信聯(lián)網(wǎng)能力監(jiān)視系統(tǒng)采用CRT顯示，能夠表示過程的動態(tài)流程，記錄各種曲線，PID調(diào)節(jié)參數(shù)選擇圖；配備多種只能板，構(gòu)成一個(gè)多功能系統(tǒng)；和其他PLC或上位機(jī)相連，組成過程控制、監(jiān)控系統(tǒng)。SIEMENS公司S7-400系列、OMRON公司CVM1和CS1系列、AB公司SLC5/05系列第一節(jié) PLC概述2）

5、 按結(jié)構(gòu)形式分 （i）整體式結(jié)構(gòu)第一節(jié) PLC概述整體式結(jié)構(gòu) 整體式結(jié)構(gòu)的可編程序控制器把電源、CPU、存儲器、I/O系統(tǒng)都集成 plc結(jié)構(gòu) 在一個(gè)單元內(nèi)，該單元叫做作基本單元。一個(gè)基本單元就是一臺完整的PLC。 控制點(diǎn)數(shù)不符合需要時(shí)，可再接擴(kuò)展單元。整體式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是非常緊湊、體積小、成本低、安裝方便。（ii）組合式結(jié)構(gòu) 第一節(jié) PLC概述組合式結(jié)構(gòu) 組合式結(jié)構(gòu)的可編程序控制器是把PLC系統(tǒng)的各個(gè)組成部分按功能分成 plc組合若干個(gè)模塊，如CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊等等。其中各模塊功能比較單一，模塊的種類卻日趨豐富。比如，一些可編程序控制器，除了些基本的I/O模塊外，還有一些特

6、殊功能模塊，像溫度檢測模塊、位置檢測模塊、PID控制模塊、通訊模塊等等。組合式結(jié)構(gòu)的PLC特點(diǎn)是CPU、輸入、輸出均為獨(dú)立的模塊。 模塊尺寸統(tǒng)一、安裝整齊、I/O點(diǎn)選型自由、安裝調(diào)試、擴(kuò)展、維修方便。 第一節(jié) PLC概述第一節(jié) PLC概述4.工作原理 PLC工作工程實(shí)際上周而復(fù)始地執(zhí)行讀輸入、執(zhí)行程序、處理通信請求、執(zhí)行CPU自診斷和寫輸出地掃描過程。1） 讀輸入掃描過程2） 執(zhí)行程序3） 與網(wǎng)絡(luò)通信的掃描過程4） 自診斷掃描過程5） 寫輸出掃描第一節(jié) PLC概述PLC 掃描方式工作掃描方式工作 PLC在執(zhí)行程序時(shí)所使用的狀態(tài)值不是直接從實(shí)際輸入端在執(zhí)行程序時(shí)所使用的狀態(tài)值不是直接從實(shí)際輸入端

7、口獲得的，而是口獲得的，而是來源于輸入映像寄存器和輸出映像寄存器。來源于輸入映像寄存器和輸出映像寄存器。輸入映像寄存器的狀態(tài)值取決于上一個(gè)掃描周期從輸入端輸入映像寄存器的狀態(tài)值取決于上一個(gè)掃描周期從輸入端子采樣取得的數(shù)據(jù)子采樣取得的數(shù)據(jù)。并在程序執(zhí)行階段保持不變。輸出映。并在程序執(zhí)行階段保持不變。輸出映像寄存器中的狀態(tài)值取決于執(zhí)行程序輸出指令的結(jié)果。輸像寄存器中的狀態(tài)值取決于執(zhí)行程序輸出指令的結(jié)果。輸出鎖存器中的狀態(tài)值是上一個(gè)掃描周期的刷新階段從輸出出鎖存器中的狀態(tài)值是上一個(gè)掃描周期的刷新階段從輸出映像寄存器轉(zhuǎn)入的。映像寄存器轉(zhuǎn)入的。 二、PLC組成第二節(jié) PLC組成三、 PLC的硬件和軟件結(jié)

8、構(gòu)1.硬件結(jié)構(gòu) 1） 中央處理器（CPU）2） 存儲器PLC的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩部分。3） 輸入、輸出接口第三節(jié) PLC硬件和軟件結(jié)構(gòu)5） 擴(kuò)展接口4） 電源電源部件的位置有多種，對于整體式結(jié)構(gòu)的PLC，其通常封裝在機(jī)箱內(nèi)部；對于組合式PLC，有的采用單獨(dú)電源模塊，有的將電源與CPU封裝到一個(gè)模塊中。 6） 通信接口7） 智能I/O接口： 8 編程工具：編程工具是供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視用的設(shè)備。最常用的是編程器。編程器有簡易型和智能型兩類：第三節(jié) PLC硬件和軟件結(jié)構(gòu)9） 智能單元10） 其他部件PLC還可配有盒式磁帶機(jī)、EPROM寫入器、存儲器卡等其他外圍設(shè)備

9、。 第三節(jié) PLC硬件和軟件結(jié)構(gòu)2.軟件結(jié)構(gòu) PLC的軟件由系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件和用戶程序用戶程序兩大部分組成。系統(tǒng)軟件由PLC制造商固化在機(jī)內(nèi)，用以控制PLC本身的運(yùn)作；用戶程序則是由使用者編制并輸入的，用來控制外部對象的運(yùn)作。第三節(jié) PLC硬件和軟件結(jié)構(gòu)1）系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件包括三部分 系統(tǒng)管理程序用戶指令解釋程序標(biāo)準(zhǔn)程序模塊及系統(tǒng)調(diào)用程序進(jìn)行運(yùn)行管理 存儲空間管理 系統(tǒng)自檢程序 第三節(jié) PLC硬件和軟件結(jié)構(gòu)2） 用戶程序它是PLC的使用者針對具體控制對象編制的應(yīng)用程序。 PLC通常提供三種編程語言：梯形圖（LAD）、指令表（STL）、順序功能流程圖（SFC）。3） PLC的程序結(jié)構(gòu)廣義上的PL

10、C程序構(gòu)成 用戶程序數(shù)據(jù)塊參數(shù)塊第三節(jié) PLC硬件和軟件結(jié)構(gòu)四、 I/O設(shè)備單元 I/O設(shè)備單元保證CPU與現(xiàn)場設(shè)備相互聯(lián)系的通道，可實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離、串/并轉(zhuǎn)換、A/D與D/A轉(zhuǎn)換。輸入接口用來接收和采集兩種類型的輸入信號： 數(shù)字量按鈕、行程開關(guān)、操作開關(guān)、繼電器觸點(diǎn)、接近開關(guān)、編碼器這些信號輸入電路進(jìn)行濾波、光電隔離、電平轉(zhuǎn)換等。 模擬量輸出接口用來連接被控對象中各種執(zhí)行元件，如繼電器、電磁閥、指示燈、調(diào)節(jié)閥門（模擬量）、調(diào)速裝置（模擬量）等。第四節(jié) I/O 設(shè)備單元1.開關(guān)量輸入單元1）直流輸入單元第四節(jié) I/O 設(shè)備單元2）交流輸入單元第四節(jié) I/O 設(shè)備單元3）交/直流輸入單元

11、第四節(jié) I/O 設(shè)備單元2.開關(guān)量輸出單元 1）晶體管輸出單元 第四節(jié) I/O 設(shè)備單元2）繼電器輸出單元第四節(jié) I/O 設(shè)備單元D DL LK K控控制制電電流流外外部部設(shè)設(shè)備備線線圈圈鐵鐵芯芯觸觸點(diǎn)點(diǎn)銜銜鐵鐵3）晶閘管輸出單元 第四節(jié) I/O 設(shè)備單元光電耦合隔離器的幾種類型光電耦合隔離器的幾種類型 光電耦合隔離器光電耦合隔離器 I/O的一般問題 A輸入問題（1）無源觸點(diǎn)輸出設(shè)備指按鈕或繼電器等物理常開、常閉觸點(diǎn)。有交流直流的輸入接點(diǎn)。 第四節(jié) I/O 設(shè)備單元（2）三極管的截止和飽和等有源無觸點(diǎn)輸出設(shè)備(i) 三極管等設(shè)備有漏電流，三極管不能工作在飽和導(dǎo)通而處于放大狀態(tài)，只要漏電流1.3

12、mA，就能使PLC產(chǎn)生誤動作，所以要并聯(lián)一個(gè)電阻R。(ii) 旁路電流，IiI0R/（RRi）1.3時(shí)可計(jì)算出最大R。(iii) I0為漏電流，Ii為PLC的輸入電流。第四節(jié) I/O 設(shè)備單元 結(jié)論有源無觸點(diǎn)可多次、快速使用，但易漏電流。無源觸點(diǎn)可驅(qū)動大負(fù)載，但使用壽命短，速度慢。第四節(jié) I/O 設(shè)備單元B輸出問題 輸出端子的保護(hù)； 根據(jù)負(fù)載的不同電源等級，需要考慮負(fù)載匹配； 輸出開啟電流的抑制，對有些大起動電流負(fù)載，需要加串聯(lián)電阻來保護(hù)；感性負(fù)載反電勢的抑制。 第四節(jié) I/O 設(shè)備單元3.模擬量輸入模塊（AI） 模擬量輸入模塊接受的是模擬量變送器傳遞的（420mA，15V）信號； 8通道輸入

13、，共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，由多路選擇開關(guān)掃描切換； 模擬量值用16位二進(jìn)制補(bǔ)碼定點(diǎn)數(shù)表示，最高位（15位）是符號位。第四節(jié) I/O 設(shè)備單元 電路（模塊形式）第四節(jié) I/O 設(shè)備單元4.模擬量輸出模塊（AO） 輸出直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)二通道輸出，用屏蔽電纜和雙絞線電纜傳遞，電纜線QV和S+，MANA和S-分別絞接在一起，這樣可減輕干擾的影響，應(yīng)將電纜兩端屏蔽層接地。第四節(jié) I/O 設(shè)備單元 電路第四節(jié) I/O 設(shè)備單元五、梯形圖的設(shè)計(jì)1. Ladder編程規(guī)則1）自上而下、從左到右，每個(gè)繼電器線圈為一個(gè)邏輯行，即一 層階梯。每一個(gè)邏輯行起于左母線，然后是觸點(diǎn)的連接，最后終止于繼電器線圈或右母線。2）

14、一般情況下，在梯形圖中某個(gè)編號繼電器線圈只能出現(xiàn)一次，而繼電器觸點(diǎn)（常開/常閉）可重復(fù)出現(xiàn)。第五節(jié) 梯形圖設(shè)計(jì)3） 在一個(gè)邏輯行上，串聯(lián)觸點(diǎn)多的支路應(yīng)放在上方，如果將串聯(lián)觸點(diǎn)多的支路放在下方，則語句增多，程序變長，如下圖：合理 不合理 第五節(jié) 梯形圖設(shè)計(jì)4） 在每一個(gè)邏輯行上，并聯(lián)觸點(diǎn)多的支路應(yīng)放在左邊。如果將并聯(lián)觸點(diǎn)多的電路放在右邊，則語句增多，程序變長。如下圖：合理 不合理 第五節(jié) 梯形圖設(shè)計(jì)5） 不允許一個(gè)觸點(diǎn)上有雙向“電流”通過。 不合理 合理第五節(jié) 梯形圖設(shè)計(jì)6） 多個(gè)邏輯行都具有相同條件時(shí)，為了節(jié)省語句數(shù)量，常將這些邏輯行合并。不合理 合理第五節(jié) 梯形圖設(shè)計(jì)7）設(shè)計(jì)梯形圖時(shí)，輸入繼

15、電器的觸點(diǎn)狀態(tài)全部按相應(yīng)的輸入設(shè)備為常開狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)更為合適，不易出錯(cuò)。因此，也建議盡可能用輸入設(shè)備的常開觸點(diǎn)與PLC輸入端連接。 如果某些信號只能用常閉觸點(diǎn)輸入，可先按輸入設(shè)備全部為常開來設(shè)計(jì)，然后將梯形圖中對應(yīng)的輸入繼電器觸點(diǎn)取反（即常開改為常閉，常閉改為常開）。第五節(jié) 梯形圖設(shè)計(jì)2.典型單元梯形圖分析 （1）起動保持和停止電路第五節(jié) 梯形圖設(shè)計(jì)I0.0起動按鈕，一按即放，I0.1為停止按鈕，Q0.0為設(shè)備的起動線圈，即將I0.0放開，由于Q0.0常開觸點(diǎn)已閉合，通過“旁通”（自保電路）使Q0.0一直得電，直至“停止”按鈕按下才放開。第五節(jié) 梯形圖設(shè)計(jì)（2） 電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路第五節(jié) 梯

16、形圖設(shè)計(jì)第五節(jié) 梯形圖設(shè)計(jì)第五節(jié) 梯形圖設(shè)計(jì) 無互鎖電路在正轉(zhuǎn)前提下，當(dāng)反轉(zhuǎn)起動按鈕（SB3）由按下時(shí)，這時(shí)正反轉(zhuǎn)接觸器KM1，KM2線圈均閉合，其主觸頭均閉合，方式電源兩相短路，熔斷器FU1熔斷，不能正常工作。 電氣互鎖是將正反轉(zhuǎn)主接觸器常閉觸點(diǎn)分別串在對方得線圈電路中，起互鎖作用（正停反）。是在電氣互鎖得基礎(chǔ)上，再分別將正、反轉(zhuǎn)起動按鈕的輔助常閉觸頭串在對方得接觸器線圈電路中，起機(jī)械互鎖作用（正反停）。 雙重互鎖第五節(jié) 梯形圖設(shè)計(jì)外部設(shè)備如何引入PLC內(nèi)部？ 設(shè)備表： 標(biāo)簽表：SB2:啟動（正轉(zhuǎn)） I0.0: SB2 SB3:啟動（反轉(zhuǎn)） I0.1: SB3SB1:停止 I0.2: SB1

17、KM1:正轉(zhuǎn)接觸器 Q0.0: KM1 KM2:反轉(zhuǎn)接觸器 Q0.1: KM2 第五節(jié) 梯形圖設(shè)計(jì)PLC內(nèi)部梯形圖PLC外部接線第五節(jié) 梯形圖設(shè)計(jì)（3） 延時(shí)接通/斷開電路通電延時(shí)斷開通電延時(shí)接通第五節(jié) 梯形圖設(shè)計(jì)斷電延時(shí)接通斷電延時(shí)斷開第五節(jié) 梯形圖設(shè)計(jì)延時(shí)接通/斷開電路T37、T38為通電型延時(shí)繼電器，分辨率為100ms，PT為設(shè)定值，其延時(shí)時(shí)間為：分辨率*設(shè)定值。 所以T37延時(shí)時(shí)間=90*100=9s T38延時(shí)時(shí)間=60*100=6s。 當(dāng)輸入端為1時(shí)，開始計(jì)數(shù)，到延時(shí)時(shí)間，輸出為高電平。第五節(jié) 梯形圖設(shè)計(jì)（4） 定時(shí)范圍的擴(kuò)展S7200最長定時(shí)時(shí)間為3276.7s，為了延長定時(shí)可以

18、進(jìn)行定時(shí)擴(kuò)展。 i) 定時(shí)器與定時(shí)器級聯(lián)第五節(jié) 梯形圖設(shè)計(jì)ii) 定時(shí)器與計(jì)數(shù)器配合使用第五節(jié) 梯形圖設(shè)計(jì)C4計(jì)數(shù)器：S7200有加計(jì)數(shù)器（CTU）、加/減計(jì)數(shù)器（CTUD）、減計(jì)數(shù)器（CTD）。CTU：CU為輸入，當(dāng)CU自動加1，直至到達(dá)PV時(shí)，輸出為高電平，R為復(fù)位端。CTD：CU為輸入，PV為設(shè)定值，當(dāng)CU為輸入脈沖時(shí)，PV值自動減1，直至0。CTD輸出為1，LD為復(fù)位端。第五節(jié) 梯形圖設(shè)計(jì)（5）閃爍電路第五節(jié) 梯形圖設(shè)計(jì)（6） 報(bào)警電路第五節(jié) 梯形圖設(shè)計(jì)故障信號I0.0接通時(shí) Q0.0（蜂鳴器）響；同時(shí)特殊存儲器SM0.5（1s時(shí)鐘脈沖）周期性通/斷，使Q0.1也跟著周期性的通/斷，使與之相連的報(bào)警指示燈發(fā)光閃爍。待工作人員發(fā)現(xiàn)后，按下蜂鳴器復(fù)位按鈕I0.1，使位存儲器M0.1接通，其常開觸點(diǎn)閉合自鎖，另一常開觸點(diǎn)閉合，使Q0.1持續(xù)接通，報(bào)警指示燈停止閃爍持續(xù)發(fā)光。待故障排除后去掉故障信號使I0.0斷開，報(bào)警指示燈熄滅。第五節(jié) 梯形圖設(shè)計(jì)3.典型電路的應(yīng)用（1） 電機(jī)的Y/換接啟動電動機(jī)的起動電流很大，約為額定電流的4-7倍。為了限制起動電流，鼠籠式三相異步電動機(jī)采用降壓起動方法。常用的降壓起動方法有自耦變壓器起動和星三角起動。這樣的起動方法，能使起動時(shí)電流減少到為形直接起動時(shí)的三分之一。但必須是電動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)是接的情況下才能采用Y-起動法。第五節(jié) 梯形圖