電氣控制第四章-可編程序控制器課件

1、第四章可編程序控制器 第一節(jié)可編程序控制器的組成及工作過程一、繼電器控制系統(tǒng)與PC控制系統(tǒng) 任何一種繼電器控制系統(tǒng)都由三個(gè)基本部分組成,即輸入部分、控制部分和輸出部分,如圖4-1所示。其中輸入部分是指各類按鈕、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)、傳感器等,用以產(chǎn)生控制信號(hào); 圖4-1繼電器控制系統(tǒng)圖4-2PC控制系統(tǒng)二、可編程序控制器的組成及各部分作用圖4-3所示是PC組成的原理框圖。可以看出,PC應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù),實(shí)質(zhì)上它是一種專用計(jì)算機(jī)。 圖4-3PC組成的原理框圖1. PC的基本組成 PC由基本單元、I/O擴(kuò)展單元及外部設(shè)備三個(gè)基本部分組成?；締卧且訡PU為核心,配上存儲(chǔ)器、輸入單元、輸出單元及接口

2、電路等構(gòu)成,基本單元各部分均通過總線連接;擴(kuò)展單元僅僅是輸入輸出點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)大,它與基本單元PC相連接使用;外部設(shè)備一般包括編程器及盒式磁帶機(jī)、打印機(jī)、EPROM寫入器等設(shè)備。 2. PC主要部件功能CPU與通用微機(jī)一樣,CPU是PC的核心部分,是PC的運(yùn)算和控制中心。 3.可編程序控制器的工作過程 PC采用周期循環(huán)掃描的工作方式,其工作過程如圖4-4所示。這個(gè)過程可分為內(nèi)部處理、通信服務(wù)、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理幾個(gè)階段,整個(gè)過程掃描一次所需的時(shí)間稱為掃描周期。掃描周期的長短和掃描速度有關(guān),通常為1100ms。 圖4-4PC周期循環(huán)掃描示意圖圖4-5PC程序執(zhí)行過程第二節(jié)可編程序控制器的分類

3、和特點(diǎn)一、可編程序控制器的分類 PC的產(chǎn)品種類繁多,型號(hào)規(guī)格也不統(tǒng)一,PC的分類見表4-1。 二、可編程序控制器的特點(diǎn) 1.抗電磁干擾性能好 符合IEC801工業(yè)過程測(cè)量和控制裝置的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)。在不同的工業(yè)環(huán)境下會(huì)遇到各種各樣的電磁干擾源,PC對(duì)傳導(dǎo)性電干擾、電磁輻射干擾和靜電干擾具有優(yōu)良的抵抗剔除能力,保證了它在工業(yè)電磁干擾環(huán)境中用戶不必再采取嚴(yán)格的抗干擾措施,甚至不接地(浮空)就能可靠運(yùn)行。2.可靠性高 平均無故障時(shí)間(MTBF)超過4萬5萬小時(shí),優(yōu)秀新產(chǎn)品可高達(dá)十幾萬小時(shí)。另外,由于采用模塊化設(shè)計(jì),采用大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路元件及其他集成元件,采用表面安裝工藝,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上又特別注

4、重接線及接插的方便、可靠。因此,平均修復(fù)時(shí)間(MTTR)短。 3.使用方便 首先是編程方便,所采用的梯形圖編程方式和順序功能表圖編程方式,直觀易學(xué),特別適合于電氣控制專業(yè)的習(xí)慣。這樣不僅程序開發(fā)的速度快,而且程序的可讀性強(qiáng),軟件維護(hù)方便。其次,PC的輸入/輸出通道的硬件設(shè)計(jì)都可與現(xiàn)有的傳感器、開關(guān)、執(zhí)行器件等直接連接,配置時(shí)只需選用,不必另加接口,接線也極為方便。4.組合方便、功能強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣 現(xiàn)代的PC不僅具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、步進(jìn)等功能,而且還能完成A/D、D/A轉(zhuǎn)換,數(shù)字運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理以及通信聯(lián)網(wǎng)、生產(chǎn)過程控制等。PC產(chǎn)品具有多種擴(kuò)展單元,可方便地適應(yīng)各種工業(yè)控制中不同輸入輸出點(diǎn)數(shù)

5、及不同輸入輸出方式的系統(tǒng)。它既可用于開關(guān)量控制,又可用于模擬量控制;既可用于單機(jī)控制,又可用于組成多級(jí)控制系統(tǒng);既可控制簡單系統(tǒng),又可控制復(fù)雜系統(tǒng)。因此,PC的應(yīng)用范圍很廣。5.體積小、重量輕、功耗低 PC采用了半導(dǎo)體集成電路,外形尺寸很小,重量輕,功耗也很低,空載功耗約1.2W,一臺(tái)收錄機(jī)大小的PC具有相當(dāng)于三個(gè)1.8m高的繼電器控制柜的功能。由于PC的結(jié)構(gòu)緊密,抗干擾能力強(qiáng),可方便地將其裝入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部,因此說PC是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化較理想的控制設(shè)備。 二、F系列PC的硬件結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)圖4-6為F40MR硬件框圖,它由基本單元、擴(kuò)展單元、編程器、ROM盒四個(gè)部分組成?；締卧杏蠧PU、RAM、

6、ROM、鋰電池及輸入/輸出接口;擴(kuò)展單元包含輸入/輸出接口,其外形與基本單元類似,利用扁平電纜通過擴(kuò)展槽與主機(jī)相連;編程器上有編程鍵盤、數(shù)碼及I/O顯示器、編程/監(jiān)控選擇開關(guān),通過編程插頭與PC機(jī)面板的外設(shè)插座相連;ROM盒用來固化已調(diào)試完成并需要長期使用的程序,它 利用ROM寫入器寫入程序,需運(yùn)行其程序時(shí),把它插入PC安裝ROM的卡槽中即可。 第三節(jié)小型可編程序控制器的硬件組成和性能一、F系列PC的型號(hào)、機(jī)種圖4-6F40MR硬件框圖三、F系列PC的性能F系列PC最常用的為F20M與F40M兩種類型,其主要技術(shù)性能見表4-2。第四節(jié)F系列可編程序控制器的指令系統(tǒng)PC是按照用戶控制要求編寫的指

7、令程序來進(jìn)行工作的,每一個(gè)程序由若干條PC指令組成。所謂指令,就是讓PC執(zhí)行某一操作功能的命令,每條指令由指令號(hào)、指令名稱、目標(biāo)元件(操作對(duì)象)組成。F系列PC共有20條基本指令。目標(biāo)元件是指PC內(nèi)部的軟繼電器,它們的功能是相互獨(dú)立的,每種元件都用一定的字母表示,并給以一定的編號(hào)加以區(qū)分。元件的狀態(tài)存放在指定的內(nèi)存單元中,供編程時(shí)調(diào)用。 用戶在編制程序時(shí),首先必須熟悉PC指令及每條指令涉及的軟繼電器的功能和編號(hào)?，F(xiàn)以F40R型PC為例對(duì)其進(jìn)行說明。 一、內(nèi)部繼電器及其編號(hào) 1.輸入繼電器(X) 輸入繼電器用來接受外部輸入設(shè)備發(fā)來的開關(guān)量信號(hào),并把它傳給PC,它與PC的輸入端相連,并提供無數(shù)對(duì)常

8、開、常閉觸點(diǎn),以供編程時(shí)調(diào)用。輸入繼電器只能由外部輸入信號(hào)來驅(qū)動(dòng),編程指令不能控制它,它也不能直接驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備。2.輸出繼電器(Y) 輸出繼電器將PC的輸出信號(hào)傳給外部負(fù)載,它僅有一對(duì)硬接線的常開觸點(diǎn),輸出繼電器通過這對(duì)常開觸點(diǎn)與輸出端相連,而內(nèi)部使用的常開常閉觸點(diǎn)有無數(shù)對(duì),可供編程調(diào)用。輸出繼電器可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載,但它只能由程序指令驅(qū)動(dòng),不能由外部信號(hào)驅(qū)動(dòng)。其編號(hào)為 3.內(nèi)部繼電器 與外部沒有直接聯(lián)系,是PC內(nèi)部的一種輔助繼電器,每個(gè)內(nèi)部繼電器對(duì)應(yīng)著內(nèi)存的一個(gè)基本單元,可由輸入繼電器觸點(diǎn)、輸出繼電器觸點(diǎn)及其他內(nèi)部器件觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng),它自己的觸點(diǎn)也可以無限地多次使用。圖4-7特殊繼電器波形圖圖4-8定

9、時(shí)器工作原理a)延時(shí)接通b)延時(shí)斷開圖4-9計(jì)數(shù)器工作原理二、可編程序控制器的指令系統(tǒng)F系列PC用梯形圖和指令表兩種語言編程,二者相互對(duì)應(yīng),共有20條指令。以下介紹這些指令。1. LD、LDI、OUT指令LD(取):常開觸點(diǎn)與母線連接指令;LDI(取反):常閉觸點(diǎn)與母線連接指令;OUT(輸出):線圈驅(qū)動(dòng)指令,如圖4-11所示。 圖4-10用計(jì)數(shù)器定時(shí)圖4-11LD、LDI、OUT指令的使用2. AND、ANI指令A(yù)ND(與):常開觸點(diǎn)串聯(lián)指令:ANI(與反):常閉觸點(diǎn)串聯(lián)指令,如圖4-12所示。 圖4-12AND、ANI指令的使用3. OR、ORI指令OR(或):常開觸點(diǎn)并聯(lián)指令;ORI(或非

10、):常閉觸點(diǎn)并聯(lián)指令,如圖4-13所示。 圖4-13OR、ORI指令的使用4. ORB指令ORB(塊或):用于串聯(lián)電路塊的并聯(lián)連接,如圖4-14所示。 圖4-14ORB指令的使用5. ANB指令 ANB(塊與):用于并聯(lián)電路塊的串聯(lián)連接,如圖4-15所示。 圖4-15ANB指令的使用圖4-16S、R指令的使用6. S、R指令 S(置位):使元件狀態(tài)保持;R(復(fù)位):使元件狀態(tài)保持解除,如圖4-16圖4-17PLS指令的使用7. PLS指令 PLS(脈沖):將輸入信號(hào)變成一個(gè)寬度為一個(gè)掃描周期的脈沖信號(hào),但輸入信號(hào)周期不變,如圖4-17所示。PLS指令常用于計(jì)數(shù)器、移位寄存器的復(fù)位輸入,目標(biāo)元件

11、:M100M377。8. RST指令 RST(復(fù)位):用于移位寄存器或計(jì)數(shù)器的復(fù)位,如圖4-18所示。圖4-18RST指令的使用9. SFT指令SFT(移位):使移位寄存器的內(nèi)容作移動(dòng)的指令,如圖4-19所示。圖4-19SFT指令的使用圖4-20使用NOP指令修改電路a)短路觸點(diǎn)b)短路前面全部電路c)切斷電路d)切斷前面全部電路e)變換前面的電路10. NOP指令NOP(空操作):刪除一條指令或空一條指令。11. CJP、EJP指令圖4-21CJP、EJP工作示意圖圖4-22多重跳步指令的使用12. MC、MCR指令 MC(主控):公共串聯(lián)觸點(diǎn)的連接指令;MCR(主控復(fù)位):MC指令的復(fù)位指

12、令。 圖4-23MC、MCR指令的使用13. END指令 END(結(jié)束):表示程序結(jié)束。 第五節(jié)可編程序控制器的程序設(shè)計(jì) PC的程序設(shè)計(jì)一般是根據(jù)系統(tǒng)的控制要求,按一定的編程規(guī)則及方法畫出梯形圖,再根據(jù)梯形圖寫出程序清單。一、梯形圖設(shè)計(jì)規(guī)則 梯形圖是各種PC都能采用的一種編程語言,在編制梯形圖時(shí),應(yīng)遵循一定的規(guī)則。 圖4-24規(guī)則4的說明a)、c)安排不當(dāng)?shù)碾娐穊)、d)安排合適的電路圖4-25規(guī)則5的說明a)不可編程b)可編程二、梯形圖的設(shè)計(jì)方法 1.經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法是利用典型的控制環(huán)節(jié)和基本單元電路,根據(jù)被控對(duì)象的具體要求,依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇、組合,繪制出梯形圖的一種方法,它沿用繼電器

13、邏輯控制電路的設(shè)計(jì)方法。下面以送料小車自動(dòng)控制系統(tǒng)的梯形圖設(shè)計(jì)為例來說明這種方法。圖4-26小車控制系統(tǒng)梯形圖2.功能表圖設(shè)計(jì)法在工業(yè)控制領(lǐng)域,順序控制的應(yīng)用很廣,尤其是機(jī)械制造行業(yè),幾乎無一例外地采用順序控制,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)過程,采用功能表圖設(shè)計(jì)梯形圖,邏輯嚴(yán)密,方法規(guī)范,簡單直觀。圖4-27功能表圖的組成圖4-28動(dòng)力頭進(jìn)給示意圖圖4-30通用邏輯指令編程的梯形圖圖4-29動(dòng)力頭控制功能表圖圖4-31用移位指令編程的動(dòng)力頭控制梯形圖第六節(jié)可編程序控制器的應(yīng)用隨著PC產(chǎn)品的發(fā)展,其應(yīng)用越來越廣泛,PC在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用也就是選用合適的PC,并將其與現(xiàn)場I/O設(shè)備和必要的外圍設(shè)備連接起來,構(gòu)成一

14、個(gè)控制系統(tǒng),編制好相應(yīng)的用戶程序,對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)過程進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的工藝要求,以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量等。一、可編程序控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟及內(nèi)容 圖4-32為PC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程圖,具體內(nèi)容和步驟如下所述。1.分析控制系統(tǒng)的要求,確定控制任務(wù) 要應(yīng)用PC,首先要詳細(xì)分析被控對(duì)象、控制過程與要求,熟悉其工藝過程,然后列出控制系統(tǒng)中所有的功能和指標(biāo)要求,明確控制任務(wù)。2.選用和確定用戶I/O設(shè)備 根據(jù)系統(tǒng)控制要求,選用合適的用戶I/O設(shè)備,并由此初步估算所需PC的I/O點(diǎn)數(shù)。3.選擇PC型號(hào) 包括機(jī)型的選擇、I/O點(diǎn)數(shù)的選擇、存儲(chǔ)器容量的選擇、I/O模塊的選擇等。4.分配PC的I/O

15、點(diǎn),并設(shè)計(jì)PC的I/O端口接線圖在分配I/O點(diǎn)編號(hào)時(shí)應(yīng)盡量將同一類的信號(hào)集中配置,地址號(hào)按順序連續(xù)編排。例如,對(duì)彼此關(guān)聯(lián)的輸出器件(如電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等),其輸出地址號(hào)應(yīng)連續(xù)編寫。5.系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì) 用戶軟件設(shè)計(jì)的步驟進(jìn)行用戶軟件設(shè)計(jì)時(shí),其步驟為:6.聯(lián)機(jī)統(tǒng)調(diào)在程序設(shè)計(jì)和控制臺(tái)(柜)及現(xiàn)場施工完成后,就可進(jìn)行聯(lián)機(jī)統(tǒng)調(diào)。如不滿足要求,可修改和調(diào)整系統(tǒng)的硬、軟件,直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求為止。待全部調(diào)試結(jié)束,可將程序固化在EPROM中,然后編制好技術(shù)文件,包括說明書、系統(tǒng)硬件圖及應(yīng)用程序等文件資料,最后交付使用。二、PC應(yīng)用舉例圖4-33為某機(jī)械手動(dòng)作示意圖,用于生產(chǎn)線上將工件從左邊搬運(yùn)到右邊 。1

16、.根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)和工藝過程分析控制要求機(jī)械手的全部動(dòng)作由氣缸驅(qū)動(dòng),而氣缸又由相應(yīng)的電磁閥控制,由圖4-33可知,機(jī)械手的動(dòng)作過程分為8個(gè)工步,即機(jī)械手下降夾緊上升右移下降放松上升左移8個(gè)動(dòng)作后完成一個(gè)周期并回到原點(diǎn)。 2.用戶I/O設(shè)備及所需PC的I/O點(diǎn)數(shù)本例所需的用戶I/O設(shè)備及I/O點(diǎn)數(shù)見表4-4,由表可知PC共需15點(diǎn)輸入、6點(diǎn)輸出。3.選擇PC該機(jī)械手為純開關(guān)量控制,且所需的I/O點(diǎn)數(shù)不多,因此選用一般的小型低檔機(jī)即可,本例可選用F40MR型PC,其主機(jī)I/O點(diǎn)數(shù)為24/16點(diǎn)。圖4-34PC I/O點(diǎn)的分配及編號(hào)4. PC I/O點(diǎn)的分配與編號(hào) 圖4-34為機(jī)械手I/O點(diǎn)在F40MR

17、上的分配及編號(hào)。 5.控制程序設(shè)計(jì)因?yàn)樵谑謩?dòng)操作方式下,各種動(dòng)作都是用按鈕控制來實(shí)現(xiàn),其程序可獨(dú)立于自動(dòng)操作程序而另行設(shè)計(jì)。因此,總程序可分為兩段獨(dú)立的部分:手動(dòng)操作程序和自動(dòng)操作程序。程序的總結(jié)構(gòu)如圖4-35所示。 圖4-35總程序結(jié)構(gòu)框圖圖4-36手動(dòng)操作梯形圖圖4-37自動(dòng)程序的功能表圖圖4-38自動(dòng)操作程序的梯形圖三、PC應(yīng)用中應(yīng)注意的一些問題 1. PC機(jī)型選擇應(yīng)注意的問題PC機(jī)型選擇的基本依據(jù)是:在功能滿足的前提下,保證可靠,使用維護(hù)方便,以獲得最佳的性能價(jià)格比。PC的型號(hào)種類很多,在選用PC時(shí)還要考慮以下幾個(gè)問題: 圖4-39PC輸入電路a)直流輸入b)交/直流輸入c)交流輸入圖

18、4-40PC輸出電路a)繼電器輸出b)晶體管輸出c)晶閘管輸出2.電源的使用要求1)PC的電源應(yīng)與系統(tǒng)的動(dòng)力設(shè)備電源分開配線,對(duì)于電源線來的干擾,PC本身具有足夠的抑制能力。如果電源干擾特別嚴(yán)重,可安裝一個(gè)11的隔離變壓器以減少設(shè)備與地之間的干擾。3.接地良好的接地是保證PC安全可靠運(yùn)行的重要條件。接地時(shí),基本單元與擴(kuò)展單元的接地點(diǎn)應(yīng)接在一起。為了抑制附加在電源及輸入端、輸出端的干擾,應(yīng)給PC接以專用地線,并且接地點(diǎn)要與其他設(shè)備分開,如圖4-42a所示。若達(dá)不到這種要求,也可采用公共接地方式,如圖4-42b所示。但是禁止圖4-42c所示的串聯(lián)接地方式,因?yàn)檫@種接地方式會(huì)產(chǎn)生各設(shè)備之間的電位差。圖4-41運(yùn)行時(shí)的緊急停車圖4-42接地的處理a)各自接地b)公共接地c)串聯(lián)接地4.輸入端接線與24V直流端子的使用F40M、F40E有直流24V接線端(24+),該接線端可為外部輸入傳感器(如接近開關(guān)或光電開關(guān))提供電流,當(dāng)24V端子作為傳感器電源時(shí),COM端是直流的O端。如果采用擴(kuò)展單元,則應(yīng)將基本單元和擴(kuò)展單元的24V端子連接起來。另外任何外部電源都不能接到這個(gè)端子,也不允許與其他DC24V電源并接。當(dāng)外部傳感器使用PC內(nèi)部電源時(shí),應(yīng)注意不要超過其容量,圖4