PLC及其应用1全套ppt课件完整版教程(最新).ppt
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1、,2022年6月13日星期一,目 录,1.1PLC的发展1.1.1 PLC的产生1.1.2 PLC的发展过程1.1.3 PLC的发展趋势1.2 PLC的基本特点1.2.1软硬件功能强1.2.2 使用维护方便1.2.3 运行稳定可靠1.2.4设计施工周期短1.3 PLC的分类1.3.1按结构分类1.3.2 按控制规模分类,1.3.3 按生产厂家分类1.4 PLC的主要功能及应用1.4.1 开关逻辑和顺序控制1.4.2 模拟量控制1.4.3 定时控制1.4.4 数据采集与监控1.4.5 联网、通信及集散控制1.5PLC与其他工控系统的比较1.5.1 可编程控制器与继电器控制系统的比较1.5.2 P
2、LC与集散控制系统的比较1.5.3 PLC与工业控制计算机(IPC)的比较,2022年6月13日星期一,第1章 PLC概述,可编程控制器(Programmable Logic Controller),简称PLC。它是20世纪70年代以来,随着社会生产的发展和技术进步,工业生产自动化水平的日益提高及微电子技术的飞速发展,在继电器控制的基础上发展起来的一种新型工业控制设备。由于它具有功能强、可靠性大、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点,目前已成为实现工业生产自动化的支柱产品。本章主要介绍PLC的发展、特点、分类、主要功能及应用。掌握PLC的特点和主要功能,了解PLC的分类及发展。,2022
3、年6月13日星期一,1.1PLC的发展,1.1.1 PLC的产生在可编程控制器产生之前,以各种继电器为主要元件的电气控制线路承担着生产过程自动控制的艰巨任务,可能由成百上千只各种继电器构成复杂的控制系统,需要用成千上万根导线连接起来,安装这些继电器需要大量的继电器控制柜,且占据大量的空间。当这些继电器运行时,又产生大量的噪声,消耗大量的电能。为保证控制系统的正常运行,需安排大量的电气技术人员进行维护,有时某个继电器的损坏,甚至某个继电器的触点接触不良,都会影响整个系统的正常运行。如果系统出现故障,要进行检查和排除故障又非常困难,全靠现场电气技术人员长期积累的经验。尤其是在生产工艺发生变化时,可
4、能需要增加很多的继电器或继电器控制柜,重新接线或改线的工作量极大,甚至可能需要重新设计控制系统。尽管如此,这种控制系统的功能也仅仅局限在能实现具有粗略定时、计数功能的顺序逻辑控制。因此,人们迫切需要一种新的工业控制装置来取代传统的继电器控制系统,使电气控制系统工作更可靠、更容易维修、更能适应经常变化的生产工艺要求。,2022年6月13日星期一,新一代PLC应具备的10项指标:,(1)编程简单,可在现场方便地编辑及修改程序;(2)价格便宜,其性价比要高于继电器控制系统;(3)体积要明显小于继电器控制柜;(4)可靠性要明显高于继电器控制系统;(5)具有数据通信功能;(6)输入可以是AC 115 V
5、;(7)输出为AC 115 V,2 A以上;(8)硬件维护方便,最好是插件式结构;(9)扩展时,原有系统只需做很小改动;(10)用户程序存储器容量至少可以扩展到4 KB。,2022年6月13日星期一,1.1.2 PLC的发展过程,1.从1969年到20世纪70年代中期2.20世纪70年代中期到80年代初期3.20世纪80年代初期到90年代初期4.20世纪90年代至今,这一阶段可编程控制器主要用于逻辑运算和计时、计数运算,其中央处理器由中小规模数字集成电路组成,存储器为磁芯存储器,控制功能比较简单。,这一阶段可编程控制器的CPU采用微处理器,存储器采用半导体存储器,不仅整机的体积减小,而且数据处
6、理能力获得很大提高,增加了数据运算、传送、比较等功能,实现了对模拟量的控制。,这一阶段由于16位、32位微处理器的出现和应用,PLC向大规模、高速度、高性能和网络化方向发展,形成了多种系列化产品,出现了结构紧凑、功能强大、性能价格比高的新一代产品,并出现多种不同性能的分布式网络系统。,这一阶段PLC继续得到快速发展,系统在网络通信、设备冗余等方面都有了长足的进步,成为一种功能强大的、成熟的控制系统。,2022年6月13日星期一,1.1.3 PLC的发展趋势,随着PLC技术的推广、应用,PLC将进一步向以下四个方向发展。1.系列化、模块化2.小型机功能强化3.中、大型机高速度、高功能、大容量4.
7、低成本,2022年6月13日星期一,1.2 PLC的基本特点,1.2.1软硬件功能强1.2.2 使用维护方便1.2.3 运行稳定可靠1.2.4设计施工周期短,在硬件方面,选用优质器件,采用合理的系统结构,加固简化安装,使它能抗震动冲击。对印制电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施。在软件方面,PLC设置了“看门狗”WDT系统,运行时对WDT定时刷新,一旦程序出现死循环,使之能立即跳出,重新启动并发出报警信号。还设置了故障检测及诊断程序。,可编程序控制器的故障率低,且有完善的自诊断和显示功能。可编程序控制器或外部的输入装置和执行机构发生故障时,可以根据可编程序控制器上的发光二极管或编
8、程器提供的信息迅速地查明故障的原因,用更换模块的方法可以迅速地排除故障。,传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器,仅剩下与输入和输出有关的少量硬件,大大减少了因触点接触不良造成的故障。,用可编程控制器完成一项控制工程时,由于其硬、软件齐全,所以设计和施工可同时进行。短了施工周期。同时,由于用户程序大都可以在实验室里模拟调试,大大缩短了设计施和工周期。,2022年6月13日星期一,1.3 PLC的分类,1.3.1按结构分类1.整体式PLC2.模板式PLC3.分散式PLC,一般的微型机和小型机多为整体式结构。这种结构PL
9、C的电源、CPU、I/O部件都集中配置在一个箱体中,有的甚至全部装在一块印制电路板上。,分散式PLC的结构就是将可编程控制器的CPU、电源、存储器集中放置在控制室,而将各I/O模板分散放置在各个工作站,由通信接口进行通信连接,由CPU集中指挥。,2022年6月13日星期一,1.3.2 按控制规模分类,根据PLC处理I/O点数规模来分类,PLC可分为四类:微型、小型、中型和大型。1.微型PLC2.小型PLC3.中型PLC4.大型PLC,微型PLC的I/O点数通常在64点以下,处理开关量信号,功能以逻辑运算、定时和计数为主,用户程序容量一般都小于4 kW。,大型PLC的I/O点数在1024点以上,
10、除一般类型的输入|输出模块外,还有特殊类型的信号处理模块和智能控制模块,能进行数学计算、PID调节、整数/浮点运算和二进制/十进制转换运算等;控制功能完善,网络系统成熟,而且软件也比较丰富,并固化一定的功能程序可供使用;用户程序容量大于32 kW,并可扩展。,小型PLC 的I/O点数在64256点之间,主要以开关量输入|输出为主,具有定时、计数和顺序控制等功能,控制功能也比较简单,用户程序容量一般小于16 kW。这类PLC和微型PLC的特点都是体积小、价格低,适用于单机控制场合。,中型PLC的I/O点数在2561024点之间,同时具有开关量和模拟量的处理功能,控制功能比较丰富,用户程序容量小于
11、32 kW。中型PLC可应用于有开关量、模拟量控制的,较为复杂的、连续生产自动控制的场合。,2022年6月13日星期一,1.3.3 按生产厂家分类,PLC的生产厂家很多,每个厂家生产的PLC,其点数、容量、功能各有差异,但都自成系列,指令及外设向上兼容,因此在选择PLC时,若选择同一系列的产品,则可以使系统构成容易、操作人员使用方便,备品配件的通用性及兼容性好。比较有代表性的有:德国西门子公司的S5系列、S7系列,日本欧姆龙公司的C系列,三菱公司的FX系列,日本松下公司的FP系列,法国施耐德公司的TWIDO系列,美国通用电气公司的GE系列,美国AB公司的PLC5系列等。,2022年6月13日星
12、期一,1.4 PLC的主要功能及应用,PLC的主要功能和应用体现在以下几个方面。1.4.1 开关逻辑和顺序控制1.4.2 模拟量控制1.4.3 定时控制1.4.4 数据采集与监控1.4.5 联网、通信及集散控制,由于PLC在控制现场实行控制,所以把控制现场的数据采集下来,做进一步分析研究是很重要的。对于这种应用,目前较普遍采用的方法是PLC加上触摸屏,这样既可随时观察采集下来的数据又能及时进行统计分析。,PLC通过网络通信模块以及远程I/O控制模块,可实现PLC与PLC之间、PLC与上位机之间的通信、联网;实现PLC分布控制,计算机集中管理的集散控制,增加系统的控制规模,满足工厂自动化(FA)
13、系统发展的需要。,PLC为用户提供了一定数量的定时器,并设置了定时器指令,一般每个定时器可实现0.1999.9 s或0.0199.99 s的定时控制,也可按一定方式进行定时时间的扩展。定时精度高,设定方便、灵活。,在生产过程中,许多连续变化的物理量需要进行控制,如温度、压力、流量、液位等,这些都属于模拟量。目前大部分PLC产品都具备处理模拟量的功能,特别是在系统中模拟量控制点数不多,同时混有较多的开关量时,PLC具有其他控制装置无法比拟的优势。某些PLC产品还提供了典型控制策略模块,如PID模块,从而实现对系统的PID闭环控制。,这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器控制系统,
14、实现逻辑控制、顺序控制,可用于单机控制、多机群控制、自动化生产线的控制等,例如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。,2022年6月13日星期一,1.5 PLC与其他工控系统的比较,1.5.1 可编程控制器与继电器控制系统的比较PLC控制系统是从继电器控制系统发展而来的。继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用,目前仍然在工业领域中大量应用。然而就其控制性能与自身的功能已无法满足现代工业控制的要求和发展,与PLC相比较,存在着质的差别,下页表给出了PLC与继电器控制系统功能与特点的比较。,2022年6月13日星期一,PLC与继电器控制系统功能与特
15、点的比较,2022年6月13日星期一,1.5.2 PLC与集散控制系统的比较,集散控制系统(DCS)又称分布式控制系统,是专门为工业过程控制设计的过程控制装置。它的主要应用场合是连续量的模拟控制,而PLC的主要应用场合是开关量的逻辑控制。因此,它们在设计思想上是有一定区别的。PLC是按循环扫描方式工作的,集散控制系统是按用户的程序指令工作的。因此,PLC对每个采样点的采样速度是相同的;而集散控制系统中,可以根据被检测对象的特性采用不同的采样速度。此外,在集散控制系统中,可以有多级优先级中断的设置,而PLC通常不采用中断方式,因此,所需的存储器容量小;而集散控制系统需进行大量的数学运算,因此,所
16、需的存储器容量较大。,2022年6月13日星期一,1.5.3 PLC与工业控制计算机(IPC)的比较,PLC与工业控制计算机(简称工控机,IPC)都是用来进行工业控制的,但是工控机与PLC相比,仍有一些不同。1.硬件方面2.软件方面,工控机可借用通用微型计算机丰富的软件资源,对算法复杂、实时性强的控制任务能较好地适应。PLC在顺序控制的基础上,增加了PID等控制算法,编程采用梯形图语言,易于被电气技术人员所掌握。但是,一些微型计算机的通用软件还不能直接在PLC上应用,还要经过二次开发。,工控机是由通用微型计算机推广应用发展起来的,通常由微型计算机生产厂家生产,在硬件方面具有标准化总线结构,各种
17、机型间兼容性强。而PLC则是针对工业顺序控制,由电气控制厂家研制发展起来的,其硬件结构专用,各个厂家产品不通用,标准化程度较差。但PLC的信号采集和控制输出的功率强,可不必再加信号变换和功率驱动环节,而直接和现场的测量信号及执行机构对接。,2022年6月13日星期一,思考题与习题,1-1简述可编程控制器的产生背景和发展历程。1-2简述可编程控制器的特点和分类。1-3简述可编程控制器的应用领域。1-4与继电器控制系统相比PLC有哪些特点?,2022年6月13日星期一,1-1简述可编程控制器的产生背景和发展历程。1-2简述可编程控制器的特点和分类。1-3简述可编程控制器的应用领域。1-4与继电器控
18、制系统相比PLC有哪些特点?,思考题与习题,2022年6月13日星期一,目 录,2.1 PLC的结构2.2 PLC工作原理2.3 PLC的性能指标2.4 PLC的配置,2022年6月13日星期一,第2章 PLC结构及基本工作原理,PLC实质上也是一种计算机,它有着与通用计算机相类似的结构,也是由中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出接口及电源组成的。只不过它比一般的通用计算机具有更强的与工业过程相连的接口和更直接的适应控制要求的编程语言。本章主要介绍PLC的硬件、软件结构、工作过程、性能指标和配置等内容。,2022年6月13日星期一,2.1 PLC的结构,PLC实质上是一种专门为在工业环境下
19、应用自动控制而设计的计算机,它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口,更直接的适用于控制要求的编程语言和更强的抗干扰能力。尽管在外形上,PLC与普通计算机差别较大,但在基本结构上,PLC与微型计算机系统基本相同,也由硬件和软件两大部分组成。,2022年6月13日星期一,2.1.1 PLC的硬件系统,1.中央处理器(CPU)2.存储器3.I/O接口单元4. I/O扩展接口及扩展部件5. 外设接口及外设,CPU是PLC的核心,由运算器和控制器构成。其主要任务有:(1)接收和保存现场的状态和数据;(2)诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误;(3)执行系统和用户程序,实现各种运算;(
20、4)输出运算结果,驱动现场设备;(5)协调PLC内部各部分工作,控制PLC与外围设备通信等。,PLC存储器中配有两种存储系统,系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序存储器主要用来存储PLC内部的各种信息,一般系统程序是PLC生产厂家编写,系统程序存储器一般用PROM或 EPROM构成。用户程序存放在用户程序存储器中。用户程序存储器一般分为两个区:程序存储区和数据存储区。,I/O接口单元是PLC与现场I/O设备相连接的部件。它的作用是将输入信号转换为CPU能够接收和处理的信号,并将CPU送出的弱电信号转换为外部设备所需的强电信号。(1)开关量输入(DI)接口单元(2)开关量输出(DO)接口单元
21、开关量输出接口单元可分为:继电器输出型 用于直流或低频交流负载晶体管输出型 用于高速、小功率直流负载晶闸管输出型 用于高速、大功率交流负载,I/O扩展接口是PLC主机为了扩展I/O点数或类型的部件。当用户所需的I/O点数或类型超过PLC主机的I/O接口单元的点数或类型时,可以通过加接I/O扩展部件来实现。I/O扩展部件通常有简单型和智能型两种。简单型I/O扩展部件自身不带CPU,对外部现场信号的I/O处理完全由主机的CPU管理,依赖与主机的程序扫描过程。,外设接口是PLC实现人机对话、机机对话的通道。通过外设接口,PLC主机可与编程器、图形终端、打印机、EPROM写入器等外围设备相连,也可以与
22、其他PLC或上位计算机连接。外设接口一般分为通用接口和专用接口两种。通用接口是指标准通用的接口,如RS232、RS422和RS485等。,2022年6月13日星期一,整体式PLC硬件结构框图,2022年6月13日星期一,2.1.2 PLC的软件系统,PLC的软件分为系统软件和应用软件两大部分。1.系统软件2.应用软件,PLC的系统软件就是PLC的系统监控程序,包括系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序库和编程软件等,也有人称之为PLC的操作系统。它是每台PLC必须包括的部分,是由PLC的制造厂家编制的,用于控制PLC本身的运行。一般来说,系统软件对用户是不透明的。,应用软件指用户根据工艺生产
23、过程的控制要求,按照所有PLC规定的编程语言而编写的应用程序。用户程序可采用梯形图语言、指令表语言、功能块语言、顺序功能图语言和高级语言等多种方法来编写,利用编程装置输入到PLC的程序存储器中去。,2022年6月13日星期一,1.PLC的输入过程2.PLC的输出过程,2.2.1 PLC输入与输出过程,输入由外部输入电路、PLC输入接线端子和输入继电器组成。外部输入信号经PLC输入接线端子去驱动输入继电器的线圈。每个输入端子与其相同编号的输入继电器有着唯一确定的对应关系。,输出部分是由PLC内部的输出继电器的常开接点、输出接线端子和外部驱动电路组成,用来驱动外部负载。PLC内部有许多输出继电器,
24、每个输出继电器为外部输出电路提供了一个实际的常开接点与输出接线端子相连。,2022年6月13日星期一,过程映象,字节 0字节 1字节 2:,PII,PIQ,CPU 存储器区,: :LD I2.0,= Q4.3 : : : :,1,1,2022年6月13日星期一,2.2.2 PLC的工作过程,PLC的工作过程有两个显著特点:一是周期性顺序扫描,一是集中批处理。周期性顺序扫描是PLC特有的工作方式,在运行过程中,总是处在不断循环的顺序扫描过程中。每次扫描所用的时间称为扫描时间,又称为扫描周期或工作周期。由于PLC的I/O点数较多,采用集中批处理的方法,可以简化操作过程,便于控制,提高系统可靠性。因
25、此,PLC的另一个主要特点就是对输入采样、执行用户程序、输出刷新实施集中批处理。PLC的工作过程流程图如下页图所示。PLC的工作过程可分为四个阶段。,2022年6月13日星期一,PLC的工作过程流程图,2022年6月13日星期一,输入采样阶段,输出刷新阶段,执行用户程序阶段,公共处理阶段,PLC在RUN状态的扫描过程,公共处理包括PLC自检、执行来自外设命令、对看门狗WDT清零等。PLC自检就是CPU检测其各器件的状态,如出现异常再进行诊断,并给出故障信号或自行进行相应处理。WDT是PLC内部设置的监视定时器,如果程序运行失常进入死循环,则WDT得不到按时清零而造成超时溢出,从而发出报警信号或
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