第02章PLC機(jī)電控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)技術(shù)(第2版)電子教案103871

PLC機(jī)電控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)技術(shù)（第2版）第2章可編程控制器基礎(chǔ)知識(shí)

PLC機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)知識(shí)點(diǎn)：PLC的基本組成PLC的工作原理PLC的分類、特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)西門子PLC的簡(jiǎn)單介紹本章導(dǎo)讀： 可編程控制器（ProgrammableLogicController,PLC）是以計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)和繼電器控制技術(shù)為基礎(chǔ)而發(fā)展起來(lái)的一種新型技術(shù)。它廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金工業(yè)、化工、電力、交通、采礦、建材、輕工、環(huán)保、食品等各行各業(yè)。本章主要對(duì)PLC的基本組成、工作原理、特點(diǎn)和發(fā)展應(yīng)用，以及西門子公司的PLC作簡(jiǎn)單介紹。PLC機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)2.1PLC的基本組成2.1.1PLC的硬件組成PLC一般由CPU（中央處理器）、存儲(chǔ)器、輸入/輸出模塊、電源、各種智能模塊以及外圍設(shè)備組成。PLC的硬件組成PLC機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)2.1.2PLC的軟件組成PLC的軟件主要包括系統(tǒng)軟件和用戶程序。1.系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件由PLC制造商固化在機(jī)內(nèi)，用于控制PLC的運(yùn)作。系統(tǒng)軟件主要包括三部分：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。2.用戶程序用戶程序即應(yīng)用程序，是針對(duì)具體控制對(duì)象所編制的程序。程序既可以由編程器方便地送入到PLC內(nèi)部的存儲(chǔ)器中，也能方便的通過(guò)編程器讀出、檢查與修改。PLC機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)2.2PLC的定義及工作原理2.2.1PLC的定義1987年2月頒布了第三稿。該草案通過(guò)了PLC的定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備都按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)?！盤LC機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)2.2.2PLC的工作原理

PLC控制系統(tǒng)原理1.PLC掃描周期的三個(gè)階段PLC的掃描工作主要分為三個(gè)階段：輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段。PLC機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)PLC的掃描工作過(guò)程PLC機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)PLC執(zhí)行程序過(guò)程示意圖輸入采樣階段：在輸入采樣階段，PLC掃描所有輸入端子并且把所有輸入端的信號(hào)狀態(tài)存入對(duì)應(yīng)的輸入元件映像寄存器，即刷新輸入信號(hào)的原有狀態(tài)。然后進(jìn)入程序執(zhí)行階段。在之后的兩個(gè)階段輸入元件映像寄存器的內(nèi)容保持不變，直至下一個(gè)掃描周期的輸入采樣階段才將輸入端子的內(nèi)容重新寫入。程序執(zhí)行階段：PLC以先左后右、先上后下的步序逐句掃描用戶程序，根據(jù)PLC上周期輸出信號(hào)的狀態(tài)以及本周期輸入信號(hào)的狀態(tài)，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，再將運(yùn)算結(jié)果存入元件映像寄存器中。在該階段除了具體執(zhí)行程序外，還要執(zhí)行監(jiān)視操作。PLC中一般設(shè)置有監(jiān)視定時(shí)器（WatchdogTimer,WDT），即“看門狗”，用來(lái)監(jiān)視程序執(zhí)行是否正常。每次執(zhí)行程序前復(fù)位WDT并開(kāi)始計(jì)時(shí)。正常時(shí)，掃描執(zhí)行一遍用戶程序時(shí)所需時(shí)間不會(huì)超過(guò)某一定值。當(dāng)程序執(zhí)行過(guò)程中掃描失控或者進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，則WDT會(huì)發(fā)出超時(shí)復(fù)位信號(hào)，使程序重新開(kāi)始執(zhí)行。

輸出刷新階段：在輸出刷新階段，將輸出緩沖區(qū)各輸出點(diǎn)的狀態(tài)通過(guò)輸出接口電路全部送到PLC的輸出端子，繼而驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。PLC機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)2.關(guān)于PLC工作原理的幾點(diǎn)說(shuō)明PLC以循環(huán)掃描的方式工作，輸入/輸出的邏輯關(guān)系上存在滯后現(xiàn)象。掃描周期越長(zhǎng)，滯后現(xiàn)象就越嚴(yán)重。輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)取決于各輸入點(diǎn)在上一個(gè)刷新期間的通/斷狀態(tài)。程序如何執(zhí)行取決于用戶所編程序和輸入/輸出映像寄存器的內(nèi)容及各元件映像寄存器的內(nèi)容。除了執(zhí)行用戶程序所占用的時(shí)間外，掃描周期還包括管理操作所占用的時(shí)間。前者與程序的長(zhǎng)短及所用指令有關(guān)，后者基本不變。輸出映像寄存器的數(shù)據(jù)，取決于輸出指令的執(zhí)行結(jié)果。輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)，由上一次輸出刷新期間輸出映像寄存器的內(nèi)容決定。輸出鎖存器決定輸出端子的通/斷狀態(tài)。輸入/輸出響應(yīng)的滯后不僅與掃描方式和硬件電路的延時(shí)有關(guān)，還與程序設(shè)計(jì)的指令有關(guān)。PLC機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)2.3PLC的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)2.3.1PLC的特點(diǎn)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)2.編程簡(jiǎn)單易學(xué)3.功能強(qiáng)，性價(jià)比高4.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少5.維修工作量小，維修方便6.接口模塊豐富，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)7.體積小，能耗低PLC機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)2.3.2PLC的分類1.根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)分類I/O點(diǎn)數(shù)決定了PLC的I/O端子數(shù)。根據(jù)PLC的I/O點(diǎn)數(shù)的多少，可將PLC分為小型、中型和大型3類。2.根據(jù)結(jié)構(gòu)分類從結(jié)構(gòu)形式上分，PLC可以分為整體式和模塊式兩類。

3．根據(jù)生產(chǎn)廠家分類PLC的生產(chǎn)廠家很多，各個(gè)廠家的產(chǎn)品在I/O點(diǎn)數(shù)、容量、功能等方面都有區(qū)別，因此選擇PLC應(yīng)選擇同一系列的產(chǎn)品。目前使用較多的PLC有西門子公司的S7系列、三菱公司的FX系列以及歐姆龍和松下等公司的產(chǎn)品。PLC機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)2.3.3PLC的發(fā)展趨勢(shì)1.可編程控制器的產(chǎn)生及發(fā)展1969年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出了世界上第一臺(tái)可編程控制器PDP-14?？删幊炭刂破鞯陌l(fā)展大致分為三個(gè)階段：1）早期的PLC（20世紀(jì)60年代末—20世紀(jì)70年代中期）2）中期的PLC（20世紀(jì)70年代中期—20世紀(jì)80年代中后期）3）近期的PLC（20世紀(jì)80年代中后期至今）PLC機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)2.可編程控制器的發(fā)展趨勢(shì)1）向高性能、高速度、大容量發(fā)展2）大力發(fā)展微型可編程控制器，不斷增強(qiáng)微型可編程控制器的功能3）可編程序控制器編程語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)化與多樣化4）可編程控制器與其他工業(yè)控制產(chǎn)品相互融合5）可編程序控制器與現(xiàn)場(chǎng)總線相結(jié)合6）大力開(kāi)發(fā)智能型I/O模塊7）增強(qiáng)通信聯(lián)網(wǎng)能力8）增強(qiáng)外部故障的檢測(cè)與處理能力PLC機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)2.3.4PLC的應(yīng)用1.開(kāi)關(guān)量邏輯控制2.運(yùn)動(dòng)控制3.閉環(huán)過(guò)程控制4.數(shù)據(jù)處理5.通信聯(lián)網(wǎng)6.機(jī)器人控制PLC機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)2.4PLC的功能與性能2.4.1PLC的主要功能1.邏輯控制2.定時(shí)控制3.計(jì)數(shù)控制4.順序控制5.模擬量處理與PID控制6.數(shù)據(jù)處理7.通信和聯(lián)網(wǎng)功能PLC機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)2.4.2PLC的性能指標(biāo)1.I/O點(diǎn)數(shù)2.處理速度3.存儲(chǔ)器容量4.定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的點(diǎn)數(shù)和精度5.可擴(kuò)展能力6.處理數(shù)據(jù)的范圍7.指令種類及條數(shù)8.智能模塊的種類和功能9.內(nèi)部元件的種類與數(shù)量PLC機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)2.5西門子PLC簡(jiǎn)介2.5.1S7-200系列PLC簡(jiǎn)介S7-200系列PLC是一種小型PLC系統(tǒng)，具有極高的性價(jià)比，它廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)以及自動(dòng)化控制中，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等相關(guān)的控制領(lǐng)域。S7-200系列PLC具有功能強(qiáng)大、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，它既可以獨(dú)立運(yùn)行實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，也可以組成PLC控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的自動(dòng)化控制。2.5.2S7-300系列PLC簡(jiǎn)介S7-300系列PLC是一種模塊化的中型PLC，與S7-200系列PLC相比具有更強(qiáng)的擴(kuò)展能力。它廣泛的應(yīng)用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域，由于其自身的高電磁兼容性、高抗振能力等特性，它具有極高的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性。PLC機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)2.5.3S7-400系列PLC簡(jiǎn)介S7-400系列PLC是一種中、高檔的可編程序控制器。它具有堅(jiān)固耐用、擴(kuò)展方便、無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)、通信能力強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于自動(dòng)化工業(yè)、機(jī)械工程、倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)、建筑系統(tǒng)自動(dòng)化、鋼鐵工業(yè)、發(fā)電和配電、造紙和印刷業(yè)、木材加工業(yè)、紡織品生產(chǎn)、醫(yī)藥業(yè)、食品和飲料加工、工藝工程等多種領(lǐng)域中，是中、高檔性能控制領(lǐng)域中首選的解決方案。2.6其他常用PLC簡(jiǎn)介2.6.1三菱公司的PLC三菱公司的PLC是較早進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的產(chǎn)品，三菱公司的PLC主要有F系列、F1/F2系列和FX系列。PLC機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)2.6.2歐姆龍公司的PLC歐姆龍（OMRON）公司的PLC產(chǎn)品性價(jià)比高，大、中、小、微型規(guī)格齊全，其主要應(yīng)用于機(jī)械加工、自動(dòng)化制造、材料處理和過(guò)程控制等領(lǐng)域。

2.6.3A-B公司的PLCA-B公司是美國(guó)著名PLC生產(chǎn)廠商，其產(chǎn)品功能強(qiáng)大、種類豐富，該公司的主力機(jī)型是PLC—5系列。PLC—5系列采用了模塊式結(jié)構(gòu)，其中PLC—5/10、PLC—5/12、