化工儀表及自動(dòng)化(厲玉鳴)(第三版)第16章可編程控制器

化工儀表及自動(dòng)化第十六章可編程控制器

內(nèi)容提要可編程控制器概述可編程控制器(PLC)的發(fā)展過(guò)程可編程控制器的功能與特點(diǎn)可編程控制器的基本構(gòu)成及工作原理可編程控制器的基本組成可編程控制器的軟件系統(tǒng)可編程控制器的分類1內(nèi)容提要OMRONC系列PLC

簡(jiǎn)介OMRONPLC指令應(yīng)用實(shí)例水箱液位控制變量越限機(jī)警控制自動(dòng)包裝機(jī)控制2第一節(jié)可編程序控制器概述

可編程控制器是一種以CPU為核心的計(jì)算機(jī)工業(yè)控制裝置,由于其良好的性能價(jià)格比和穩(wěn)定的工作狀態(tài)以及簡(jiǎn)便的操作性。可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作系統(tǒng),專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì),有較強(qiáng)的抗干擾能力?？删幊炭刂破骺梢詥为?dú)使用,也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)成為DCS控制系統(tǒng)的一部分。3第一節(jié)可編程序控制器概述一、可編程控制器(PLC)的發(fā)展過(guò)程1969年美國(guó)研制出了第一臺(tái)可編程序控制器。從1971年開(kāi)始,各國(guó)相繼開(kāi)發(fā)了適于本國(guó)的PLC,并推廣使用。20世紀(jì)80年代末,PLC技術(shù)已經(jīng)很成熟,并從開(kāi)關(guān)量邏輯控制擴(kuò)展到計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC等)領(lǐng)域。近年生產(chǎn)的PLC向電氣控制、儀表控制、計(jì)算機(jī)控制一體化方向發(fā)展。4第一節(jié)可編程序控制器概述二、可編程控制器的功能與特點(diǎn)1.可編程控制器的功能PLC可以進(jìn)行各種復(fù)雜的開(kāi)關(guān)量邏輯控制，且配置了計(jì)數(shù)器、定時(shí)器等指令，進(jìn)一步豐富了邏輯控制功能，同時(shí)可以完成各種類型的計(jì)數(shù)要求。PLC具有了A/D、D/A轉(zhuǎn)換的功能,豐富了控制手段和控制范圍。PLC有了較強(qiáng)的通信功能,可以組成PLC控制的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。5第一節(jié)可編程序控制器概述2.可編程控制器的特點(diǎn)控制程序可編程編程方便擴(kuò)展靈活可靠性高6第一節(jié)可編程序控制器概述比較項(xiàng)目繼電接觸控制PLC控制功能使用許多繼電器才能進(jìn)行復(fù)雜的控制無(wú)論控制多復(fù)雜,均用程序編制完成控制內(nèi)容變更需改變繼電器和配線只要改變程序即可自由完成控制速度依靠觸點(diǎn)機(jī)械動(dòng)作實(shí)現(xiàn),工作頻率低靠微處理器實(shí)現(xiàn)控制,速度極快計(jì)數(shù)控制一般無(wú)此功能具有計(jì)數(shù)功能安裝施工連線復(fù)雜,施工繁瑣安裝容易,施工簡(jiǎn)便可靠性觸點(diǎn)多、連線多、體積大、壽命短、可靠性差采用集成元件,體積小、壽命長(zhǎng)、可靠性高可擴(kuò)展性擴(kuò)展困難在I/O點(diǎn)允許情況下可自由擴(kuò)充維護(hù)需定期檢驗(yàn),查找故障困難,維護(hù)工作量大具有自診斷功能,查找故障迅速,維護(hù)方便表16-1PLC控制與繼電接觸控制比較7第一節(jié)可編程序控制器概述集散控制系統(tǒng)側(cè)重回路連續(xù)調(diào)節(jié)功能,在模擬量處理、反饋控制等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)；可編程控制器側(cè)重開(kāi)關(guān)量順序控制功能,在數(shù)字處理、順序控制方面具有一定優(yōu)勢(shì)。可編程控制器與集散控制系統(tǒng)比較發(fā)展初期8第一節(jié)可編程序控制器概述網(wǎng)絡(luò)功能方面DCS從一開(kāi)始就十分重視網(wǎng)絡(luò)通信,PLC也在不斷增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)通信功能。

順序控制功能方面

PLC優(yōu)勢(shì)強(qiáng)模擬量處理功能方面

DCS系統(tǒng)較完善9第二節(jié)可編程序控制器的基本構(gòu)成及工作原理一、可編程序控制器的基本組成10圖16-1PLC的基本組成框圖第二節(jié)可編程序控制器的基本構(gòu)成及工作原理111.中央處理器解釋并執(zhí)行用戶及系統(tǒng)程序，通過(guò)運(yùn)行用戶及系統(tǒng)程序完成所有控制、處理、通信以及所賦予的其他功能，控制整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致地工作。主要有通用微處理器、單片機(jī)和雙極型位片機(jī)。

2.存儲(chǔ)器（1）存儲(chǔ)器類型：

RAM、ROM、EPROM和E2PROM，外存常用盒式磁帶或磁盤等作用（2）存儲(chǔ)區(qū)分配圖16-2簡(jiǎn)化的存儲(chǔ)映像第二節(jié)可編程序控制器的基本構(gòu)成及工作原理123.輸入輸出模塊I/O模塊是可編程序控制器與生產(chǎn)過(guò)程相聯(lián)系的橋梁。

PLC連接的過(guò)程變量按信號(hào)類型可分為開(kāi)關(guān)量（即數(shù)字量）、模擬量和脈沖量等，相應(yīng)輸入輸出模塊可分為開(kāi)關(guān)量輸入模塊、開(kāi)關(guān)量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊和脈沖量輸入模塊等。第二節(jié)可編程序控制器的基本構(gòu)成及工作原理4.編程器功能

編程器是PLC必不可少的重要外部設(shè)備。編程器將用戶所希望的功能通過(guò)編程語(yǔ)言送到PLC的用戶程序存儲(chǔ)器。編程器不僅能對(duì)程序進(jìn)行寫入、讀出、修改，還能對(duì)PLC的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)也是用戶與PLC之間進(jìn)行人機(jī)界面。13第二節(jié)可編程序控制器的基本構(gòu)成及工作原理14工作方式編程器與PLC上的專用插座相連，或通過(guò)專用接口相連，程序可直接寫入PLC的用戶程序存儲(chǔ)器中，也可先在編程器的存儲(chǔ)器內(nèi)存放，然后再下裝到PLC中。離線（脫機(jī)）編程方式

編程器先不與PLC相連，編制的程序先存放在編程器的存儲(chǔ)器中，程序編寫完畢，再與PLC連接，將程序送到PLC存儲(chǔ)器中。在線（聯(lián)機(jī)）編程方式分類便攜式編程器和通用計(jì)算機(jī)。第二節(jié)可編程序控制器的基本構(gòu)成及工作原理二、可編程序控制器的軟件系統(tǒng)15(1)梯形圖語(yǔ)言目前常用的編程語(yǔ)言有：梯形圖語(yǔ)言助記符語(yǔ)言功能表圖某些高級(jí)語(yǔ)言1.可編程控制器的編程語(yǔ)言梯形圖的表達(dá)式沿用了原電氣控制系統(tǒng)中的繼電接觸控制電路圖的形式，二者的基本構(gòu)思是一致的，只是使用符號(hào)和表達(dá)方式有所區(qū)別。第二節(jié)可編程序控制器的基本構(gòu)成及工作原理16舉例例16-1某一過(guò)程控制系統(tǒng)，工藝要求開(kāi)關(guān)1閉合40s后，指示燈亮，按下開(kāi)關(guān)2后燈熄滅。

圖16-3（a）為實(shí)現(xiàn)這一功能的一種梯形圖程序（OMRONPLC），它是由若干個(gè)梯級(jí)組成的，每一個(gè)輸出元素構(gòu)成一個(gè)梯級(jí)，而每個(gè)梯級(jí)可由多條支路組成。圖16-3梯形圖程序第二節(jié)可編程序控制器的基本構(gòu)成及工作原理17(2)助記符語(yǔ)言又稱為命令語(yǔ)句表達(dá)式語(yǔ)言，常用一些助記符來(lái)表示PLC的某種操作。

助記符語(yǔ)言類似微機(jī)中的匯編語(yǔ)言，但比匯編語(yǔ)言更直觀易懂。

圖16-3（b）為梯形圖對(duì)應(yīng)的用助記符表示的指令表。

不同廠家生產(chǎn)的PLC所使用的助記符各不相同，因此同一梯形圖寫成的助記符語(yǔ)句不相同。用戶在梯形圖轉(zhuǎn)換為助記符時(shí)，必須先弄清PLC的型號(hào)及內(nèi)部各器件編號(hào)、使用范圍和每一條助記符的使用方法。注意！第二節(jié)可編程序控制器的基本構(gòu)成及工作原理2.可編程控制器的工作過(guò)程讀入現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)自診斷與編程器、計(jì)算機(jī)等通信執(zhí)行用戶程序輸出結(jié)果圖16-4PLC工作過(guò)程框圖PLC對(duì)用戶程序的執(zhí)行分三個(gè)階段：輸入掃描程序執(zhí)行輸出刷新18第二節(jié)可編程序控制器的基本構(gòu)成及工作原理191.按容量分（1）小型PLC

I/O點(diǎn)總數(shù)一般為20～128點(diǎn)。

主要功能邏輯運(yùn)算、定時(shí)計(jì)數(shù)、移位處理等，采用專用簡(jiǎn)易編程器。（2）中型PLC

其I/O點(diǎn)總數(shù)通常為129～512點(diǎn)，內(nèi)存在８K以下，適合開(kāi)關(guān)量邏輯控制和過(guò)程變量檢測(cè)及連續(xù)控制。

主要功能除有小型PLC的功能外，還有算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理及A/D、D/A轉(zhuǎn)換、聯(lián)網(wǎng)通信、遠(yuǎn)程I/O等功能，可用于比較復(fù)雜過(guò)程的控制。三、可編程控制器的分類第二節(jié)可編程序控制器的基本構(gòu)成及工作原理20（3）大型PLC

其I/O點(diǎn)總數(shù)在513點(diǎn)以上。

主要功能除了具有中小型PLC的功能外，還具有PLD運(yùn)算及高速計(jì)數(shù)等功能，用于機(jī)床控制時(shí)，具有增加刀具精確定位、機(jī)床速度和閥門控制等功能，配有CRT顯示及常規(guī)的計(jì)算機(jī)鍵盤，與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相似。編程可采用梯形圖、功能表圖及高級(jí)語(yǔ)言等多種方式。

第二節(jié)可編程序控制器的基本構(gòu)成及工作原理21２.按硬件結(jié)構(gòu)分（1）整體式PLC

它將PLC各組成部分集裝在一個(gè)機(jī)殼內(nèi)，輸入、輸出接線端子及電源進(jìn)線分別在機(jī)箱的上、下兩側(cè)，并有相應(yīng)的發(fā)光二極管顯示輸入/輸出狀態(tài)。面板上留有編程器的插座、EPROM存儲(chǔ)器插座、擴(kuò)展單元的接口插座等。優(yōu)點(diǎn)具有這種結(jié)構(gòu)的可編程序控制器結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價(jià)格低。

圖16-5SIMENSSIMATICS7-200的外形圖第二節(jié)可編程序控制器的基本構(gòu)成及工作原理22（2）模塊式PLC

輸入/輸出點(diǎn)數(shù)較多的大型、中型和部分小型PLC采用模塊式結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)為：圖16-6SIMENSSIMATICS7-300的外形圖采用積木搭接的方式組成系統(tǒng)，便于擴(kuò)展，其CPU、輸入、輸出等都是獨(dú)立的模塊，有的PLC的電源包含在CPU模塊之中。品種多，硬件配置靈活，更換模塊方便。（3）疊裝式PLC

它吸收了整體式和模塊式PLC的優(yōu)點(diǎn)，其基本單元、擴(kuò)展單元等高等寬，它們不用基板，僅用扁平電纜連接，緊密拼裝后組成一個(gè)整齊的體積小巧的長(zhǎng)方體，而且輸入、輸出點(diǎn)數(shù)的配置也相當(dāng)靈活。第三節(jié)OMRONC系列PLC一、簡(jiǎn)介23OMRONC系列PLC有微型、小型、中型和大型四大類十幾種型號(hào)。微型PLC以C20P和C40H為代表，是整體結(jié)構(gòu)，I/O容量為幾十點(diǎn)，最多可擴(kuò)至120點(diǎn)。小型PLC分為C120和C200H兩種，C120最多可擴(kuò)展256點(diǎn)I/O，是緊湊型整體結(jié)構(gòu)。第三節(jié)OMRONC系列PLC中型PLC有C500和C1000H兩種，I/0容量分別為512點(diǎn)和1024點(diǎn)。大型PLC有C2000H，I/O點(diǎn)數(shù)可達(dá)2048點(diǎn)，同時(shí)多處理器和雙冗余結(jié)構(gòu)使得C2000H不僅功能全、容量大，而且速度快，由于也是模塊化結(jié)構(gòu)，外形與C200H相近。24圖16-7SYSMACC28H外形示意圖圖16-9C200H外觀示意圖25圖16-8CPM1AC**P外觀圖第三節(jié)OMRONC系列PLC二、

OMRONPLC指令

指令大多數(shù)是按照位（bit）尋址，個(gè)別指令按照通道尋址。按位尋址的地址編號(hào)為：通道號(hào)。位號(hào)，如0.00表示0通道的第0位，位的表示采用十進(jìn)制數(shù)，范圍為0～15。

在OMRONPLC中，對(duì)于輸入、輸出等繼電器的編號(hào)不用加字母。小型整體PLC的輸入、輸出編號(hào)是固定不變的，使用者可以按照PLC主機(jī)標(biāo)注編號(hào)編程；對(duì)于模塊式PLC則根據(jù)輸入或輸出模塊安裝位置決定其編號(hào)。26第三節(jié)OMRONC系列PLC按功能分類基本指令特殊功能指令構(gòu)成助記符：表示指令要完成的功能。操作數(shù)：指出了要操作的對(duì)象。27第三節(jié)OMRONC系列PLC圖16-10OMRONPLC的基本指令應(yīng)用示例(1)LD和LDNOT指令(2)OUT和OUTNOT指令(3)AND和ANDNOT指令(4)OR和ORNOT指令(5)ANDLD指令(6)ORLD指令(7)END指令281.OMRONPLC的基本指令第三節(jié)OMRONC系列PLC29２.幾個(gè)功能指令

（1）保持指令KEEP（11）

它執(zhí)行繼電器保持操作，可保持為ON或OFF狀態(tài)，直到它的兩個(gè)輸入端之一使它復(fù)位或置位。圖16-11電機(jī)啟動(dòng)、停止控制第三節(jié)OMRONC系列PLC30（2）微分指令DIFU（13）和DIFD（14）

微分指令在執(zhí)行條件滿足后第一次掃描時(shí)才執(zhí)行，且只執(zhí)行一次；若執(zhí)行條件解除后再次滿足，則再執(zhí)行。DIFU是上升沿微分指令，DIFD是下降沿微分指令。

圖16-12微分指令應(yīng)用示例第三節(jié)OMRONC系列PLC31（3）定時(shí)器

定時(shí)器為遞減型，有低速TIM和高速TIMH（15）兩種。定時(shí)器的操作數(shù)包括定時(shí)器編號(hào)（N）和設(shè)定值（SV）兩個(gè)數(shù)據(jù)。（4）計(jì)數(shù)器

計(jì)數(shù)器包括單向遞減型CNT和雙向可逆型CNTR（12）兩種，其操作數(shù)包括計(jì)數(shù)器編號(hào)和設(shè)定值兩個(gè)數(shù)據(jù)。圖16-13計(jì)數(shù)包裝控制程序第四節(jié)應(yīng)用實(shí)例一、水箱液位控制32輸入、輸出點(diǎn)分配如下：上限檢測(cè)開(kāi)關(guān)0.00；下限檢測(cè)開(kāi)關(guān)0.01平；電磁閥10.00

圖16-14水箱液位控制示意圖

為了保證水箱液位保持在一定范圍，分別在控制的上限和下限設(shè)置檢測(cè)傳感器，用PLC控制注入水電磁閥。

當(dāng)液位低于下限時(shí)，下限檢測(cè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，打開(kāi)電磁閥開(kāi)始注水；當(dāng)注水達(dá)到上限位置時(shí)，上限檢測(cè)開(kāi)關(guān)閉合，切斷電磁閥。PLC采用OMRON的CPM2A-60CDR。工藝要求如圖16-14所示。第四節(jié)應(yīng)用實(shí)例33

控制接線如圖16-15所示，圖16-16為液位控制梯形圖。當(dāng)?shù)陀谝何幌孪迺r(shí)，下限開(kāi)關(guān)與上限開(kāi)關(guān)均斷開(kāi)，0.00與0.01常閉觸點(diǎn)閉合，使輸出繼電器10.00導(dǎo)通，注水電磁閥打開(kāi)；一旦超過(guò)下限液位，雖然0.01觸點(diǎn)斷開(kāi)，但由于10.00觸點(diǎn)的自鎖作用，仍保證注水閥打開(kāi)，直至上限檢測(cè)開(kāi)關(guān)閉合，0.00的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，輸出繼電器10.00斷開(kāi)，注水閥關(guān)閉。第四節(jié)應(yīng)用實(shí)例圖16-15控制接線示意圖圖16-16液位控制梯形圖34第四節(jié)應(yīng)用實(shí)例35二、變量越限報(bào)警控制1.基本控制環(huán)節(jié)②在實(shí)際中往往要求一旦變量超限，即使恢復(fù)到正常值，仍然進(jìn)行聲光報(bào)警，直到操作人員按下確定按鈕后，報(bào)警才解除。③在②的要求基礎(chǔ)上，要求一旦報(bào)警，指示燈是閃亮的。④在③的要求基礎(chǔ)上，如果允許按下消音按鈕（點(diǎn)動(dòng)），則電笛斷開(kāi)，燈變成平光。①工藝要求過(guò)程變量越限后立即用指示燈和電笛報(bào)警，當(dāng)工藝變量恢復(fù)到正常之后，報(bào)警自動(dòng)解除。第四節(jié)應(yīng)用實(shí)例報(bào)警梯形圖36第四節(jié)應(yīng)用實(shí)例372.閃光報(bào)警系統(tǒng)圖16-21加熱爐的安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)三個(gè)聯(lián)鎖報(bào)警點(diǎn)

燃料流量下限原料流量下限火焰檢測(cè)

要求用三個(gè)指示燈指示三個(gè)報(bào)警點(diǎn)。在整個(gè)系統(tǒng)中有三個(gè)工藝檢測(cè)輸入、一個(gè)復(fù)位按鈕、一個(gè)實(shí)驗(yàn)按鈕和一個(gè)消音按鈕