PLC的硬件和工作原理课件.ppt
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- PLC 硬件 工作 原理 课件
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1、PLC的硬件和工作原理二、PLC的硬件组成三、S7-200 PLC的系统配置四、PLC的工作原理一、概述(一)(一)PLC的产生和历史的产生和历史 继电器控制系统缺点:继电器控制系统缺点:通常是针对某一固定的动作顺序或生产工艺通常是针对某一固定的动作顺序或生产工艺而设计,他的控制功能也局限于逻辑控制、定时、而设计,他的控制功能也局限于逻辑控制、定时、计数等一些简单的控制,一旦动作顺序或生产工计数等一些简单的控制,一旦动作顺序或生产工艺发生变化,就必须重新进行设计、布线、装配艺发生变化,就必须重新进行设计、布线、装配和调试,造成时间和资金的严重浪费。继电器控和调试,造成时间和资金的严重浪费。继电
2、器控制系统体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运制系统体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差。行速度慢、适应性差。为了改变这一现状,为了改变这一现状,19681968年美国最大的汽车年美国最大的汽车制造商通用汽车公司(制造商通用汽车公司(GMGM),为了适应汽),为了适应汽车型号不断更新的需求,并能在竞争激烈车型号不断更新的需求,并能在竞争激烈的汽车工业中占有优势,提出要研制一种的汽车工业中占有优势,提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装新型的工业控制装置来取代继电器控制装置,它能做到尽可能减少重新设计和更换置,它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线,以降
3、低成本,缩短电器控制系统及接线,以降低成本,缩短周期。周期。为此,拟定了为此,拟定了1010项公开招标的技术要求项公开招标的技术要求 1 1、编程简单,可在现场修改程序编程简单,可在现场修改程序 2 2、维护方便,最好是插件式维护方便,最好是插件式 3 3、可靠性高于继电器控制柜、可靠性高于继电器控制柜 4 4、体积小于继电器控制柜、体积小于继电器控制柜 5 5、可将数据直接送入管理计算机、可将数据直接送入管理计算机 6 6、在成本上可与继电器控制柜竞、在成本上可与继电器控制柜竞争争 7 7、输入可以是交流、输入可以是交流115V115V 8 8、输出可以是交流、输出可以是交流115V115V
4、,2A2A以上,可直接以上,可直接驱动电磁阀等驱动电磁阀等 9 9、在扩展时,原有系统只要很小变更在扩展时,原有系统只要很小变更 10 10、用户程序存储器容量至少能扩展到、用户程序存储器容量至少能扩展到4K4K 根据招标的技术要求,根据招标的技术要求,1969年,美国数字设年,美国数字设备公司(备公司(DEC)研制出了世界上第一台)研制出了世界上第一台PLC,并在通用汽车公司自动装配线上试,并在通用汽车公司自动装配线上试用成功。用成功。设计思想:设计思想:吸取继电器和计算机两者的优点吸取继电器和计算机两者的优点 继电器控制系统体积大、可靠性低、接线复杂、不易继电器控制系统体积大、可靠性低、接
5、线复杂、不易更改、查找和排除故障困难,对生产工艺变化的适应性差,更改、查找和排除故障困难,对生产工艺变化的适应性差,但简单易懂、价格便宜;但简单易懂、价格便宜;计算机计算机功能强大、灵活(可编程)、通用性好功能强大、灵活(可编程)、通用性好,但编但编程困难;程困难;采用采用面向控制过程、面向问题的面向控制过程、面向问题的“自然语言自然语言”进行编进行编程,使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。(梯形图)程,使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。(梯形图)1971年,日本从美国引进了这项新技术,很年,日本从美国引进了这项新技术,很快研制出了他们的第快研制出了他们的第1台台PLC。1973年,西年,西
6、欧国家也研制出他们的第欧国家也研制出他们的第1台台PLC。我国从。我国从1974年开始研制,到年开始研制,到1977年开始应用于工年开始应用于工控领域。在这一时期,控领域。在这一时期,PLC虽然采用了计虽然采用了计算机的设计思想,但实际上算机的设计思想,但实际上PLC只能完成只能完成顺序控制,仅有逻辑运算等简单功能,所顺序控制,仅有逻辑运算等简单功能,所以人们将它称为可编程逻辑控制器以人们将它称为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)简称为)简称为PLC。7070年代初期:年代初期:仅有逻辑运算、定时、计数仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能等顺序控制
7、功能,只是用来取代传统的继,只是用来取代传统的继电器控制电器控制,通常称为可编程逻辑控制器通常称为可编程逻辑控制器(Programmable Logic ControllerProgrammable Logic Controller)7070年代中期:年代中期:微处理器技术微处理器技术应用到应用到PLCPLC中,中,使使PLCPLC不仅具有逻辑控制功能,还增加了算不仅具有逻辑控制功能,还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能术运算、数据传送和数据处理等功能 8080年代以后:年代以后:随着随着大规模、超大规模集成电路大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发等微电子技术的迅速发展,展,16
8、16位和位和3232位微处理器应用于位微处理器应用于PLCPLC中,使中,使PLCPLC得到迅速发展。得到迅速发展。PLCPLC不不仅仅控制功能增强控制功能增强,同时,同时可靠性提高可靠性提高,功耗、体积减小,成本降低,编功耗、体积减小,成本降低,编程和故障检测程和故障检测更加灵活方便,而且具有更加灵活方便,而且具有通信和联网、数据处理和图象通信和联网、数据处理和图象显示显示等功能。等功能。为此,美国电气制造协会将可编程序逻辑控制器,正式命名为可编程为此,美国电气制造协会将可编程序逻辑控制器,正式命名为可编程序控制器(序控制器(Programmable ControllerProgrammab
9、le Controller),简称),简称PCPC。但由于。但由于PCPC容易和容易和个人计算机个人计算机PCPC(Personal ComputerPersonal Computer)混淆,故人们仍习惯地用)混淆,故人们仍习惯地用PLCPLC作作为可编程序控制器的简称。为可编程序控制器的简称。近年来近年来PLCPLC发展迅速发展迅速 PLCPLC集三电(电控、电仪、电传)为一体、性能价格集三电(电控、电仪、电传)为一体、性能价格比高、高可靠性的特点,比高、高可靠性的特点,已成为自动化工程的核心设备。已成为自动化工程的核心设备。PLCPLC成为具备计算机功能的一种通用工业控制装置,其使成为具备
10、计算机功能的一种通用工业控制装置,其使用量高居首位。用量高居首位。PLCPLC成为现代工业自动化的三大技术支柱(成为现代工业自动化的三大技术支柱(PLCPLC、机器、机器人、人、CAD/CAMCAD/CAM)之一。)之一。20世纪70年代末至80年代初期,微处理器日趋成熟,使PLC的处理速度大大提高,增加了许多功能。在软件方面,除了保持原有的逻缉运算、计时、计数等功能以外,还增加了算术运算、数据处理、网络通信、自诊断等功能。在硬件方面,除了保持原有的开关模块以外,还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块,并扩大了存储器的容量,而且还提供一定数量的数据寄存器。为此,美国电气制造协会将
11、可编程序逻辑控制器,正式命名为可编程序控制器(Programmable Controller),简称PC。但由于PC容易和个人计算机PC(Personal Computer)混淆,故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的简称。1985年,国际电工委员会(IEC)对PLC作出如下定义:可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统,可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,顺序控制、定时、计
12、数和算术运算等操作的指令,并通过数字的,模拟的输入和输出,控制各种类并通过数字的,模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备,都应按易于与工业控制系统形成一的外围设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计个整体、易于扩充其功能的原则设计。由该定义可知:PLC是一种由“事先存储的程序”来确定控制功能的工控类计算机。PLC是按照成熟而有效的继电器控制概念和设计思想,利用不断发展的新技术、新电子器件,逐步形成了具有特色的各种系列产品,是一种数字运算操作的专用电子计算机。它是将逻辑运算,顺序控制,
13、时序和计数以及算术运算等控制程序,用一串指令的形式存放到存储器中,然后根据存储的控制内容,经过模拟,数字等输入输出部件,对生产设备和生产过程进行控制的装置。(三)、(三)、PLC的现状及发展趋势的现状及发展趋势 1969年美国数据设备公司(年美国数据设备公司(DEC)研制了)研制了第一台第一台PLC,从此,从此PLC发展迅猛。发展迅猛。我国改革开放后,美国我国改革开放后,美国AB、GE、MODICON、TI,日本,日本OMRON、三菱、三菱、富士,德国西门子等厂家的产品不断进入富士,德国西门子等厂家的产品不断进入我国,并在各行各业的工控系统中占据重我国,并在各行各业的工控系统中占据重要地位。要
14、地位。PLCPLC三大流派三大流派欧洲:欧洲:德国的西门子德国的西门子(SIEMENS)(SIEMENS)、AEGAEG及法国的及法国的T TE E公司公司美国:美国:A-BA-B(Allen-BradlyAllen-Bradly)(其产品约占美国其产品约占美国PLCPLC市场市场5050的份的份额。额。)、GEGE(General ElectricGeneral Electric)、莫迪康、莫迪康(MODICON)(MODICON)公司、公司、德州仪器德州仪器(T(TI I)公司、歌德公司、歌德(Gould)(Gould)公司、西屋公司公司、西屋公司 日本:日本:三菱、欧姆龙(三菱、欧姆龙(
15、OMRONOMRON)、)、富士(富士(FUJIFUJI)、日立、东芝、)、日立、东芝、松下等。日本主要发展中小型松下等。日本主要发展中小型PLCPLC,在世界小型在世界小型PLCPLC市场上,市场上,日本产品约占有日本产品约占有7070的份额。的份额。目前国内市场还有目前国内市场还有韩国、台湾韩国、台湾等等PLCPLC产品产品;现在市场上出现了;现在市场上出现了系列化的国产系列化的国产PLCPLC,其价格相对低廉,性价比较高。,其价格相对低廉,性价比较高。1974年我国开始仿制美国的第二代年我国开始仿制美国的第二代PLC产品,产品,但因元器件质量和技术问题等原因未能推但因元器件质量和技术问题
16、等原因未能推广。直到广。直到1977年,我国才研制出第一台具年,我国才研制出第一台具有实用价值的有实用价值的PLC,并开始批量生产和应,并开始批量生产和应用于工业过程的控制。用于工业过程的控制。主要厂家有:主要厂家有:北京和利时,科迪纳,张前苏。北京和利时,科迪纳,张前苏。洛阳易达,无锡信捷,南京嘉华,兰州全洛阳易达,无锡信捷,南京嘉华,兰州全志,广州科赛恩,中山智达,恒日等。志,广州科赛恩,中山智达,恒日等。PLCPLC的发展趋势的发展趋势(1 1)向高速度、大存储容量方向发展)向高速度、大存储容量方向发展 (CPUCPU处理速度处理速度nSnS级;内存级;内存2 2M M字节)字节)(2
17、2)向多品种方向发展和提高可靠性)向多品种方向发展和提高可靠性 (超大型和超小型)(超大型和超小型)(3 3)产品更加规范化、标准化)产品更加规范化、标准化(硬件、软件兼容的(硬件、软件兼容的PLCPLC)(4 4)分散型、智能型、与现场总线兼容的)分散型、智能型、与现场总线兼容的I I0 0(5 5)加强联网和通信的能力)加强联网和通信的能力(6 6)控制的开放和模块化的体系结构)控制的开放和模块化的体系结构OMACOMAC(open Modular open Modular Architecture for ControlArchitecture for Control)(四四)、PLCP
18、LC的特点的特点 通用性强,使用方便通用性强,使用方便 功能强,适应面广功能强,适应面广 可靠性高,抗干扰能力强可靠性高,抗干扰能力强 控制程序可变具有很好的柔性控制程序可变具有很好的柔性 编程方法简单,容易掌握编程方法简单,容易掌握 PLC PLC控制系统的设计、安装、调试和维修工作少控制系统的设计、安装、调试和维修工作少.极为方便。极为方便。控制程序变化方便控制程序变化方便.具有很好的柔性。具有很好的柔性。体积小、重量轻、功耗低体积小、重量轻、功耗低(五五)、PLCPLC的基本功能的基本功能1 1 逻辑控制功能逻辑控制功能2 2 定时控制功能定时控制功能3 3 计数控制功能计数控制功能4
19、4 数据处理功能数据处理功能5 5 监控功能监控功能6 6 停电记忆功能停电记忆功能7 7 故障诊断功能故障诊断功能1 1 逻辑控制功能逻辑控制功能 逻辑控制功能是逻辑控制功能是PLCPLC最基本功能之一最基本功能之一,是是PLCPLC最基本最基本的的应用应用领域领域,可,可取代传统的继电器控制系统取代传统的继电器控制系统,实现,实现逻辑控制和顺序逻辑控制和顺序控制。控制。在在单机控制、多机群控和自动生产线控制单机控制、多机群控和自动生产线控制方面都有很多方面都有很多成功的应用实例。成功的应用实例。例如:例如:机床电气控制、起重机、皮带运输机和包装机械机床电气控制、起重机、皮带运输机和包装机械
20、的的控制控制、注塑机、注塑机控制控制、电梯、电梯控制控制、饮料灌装、饮料灌装生产线生产线、家用电、家用电器器(电视机、冰箱、洗衣机等电视机、冰箱、洗衣机等)自动装配线控制自动装配线控制、汽车、化工、汽车、化工、造纸造纸自动生产线控制等。自动生产线控制等。2 2 定时控制功能定时控制功能 定时控制功能是定时控制功能是PLCPLC的的最基本功能之一最基本功能之一。PLCPLC中有许多可中有许多可供用户使用供用户使用的的定时器定时器,功能类似于继电器,功能类似于继电器线路中的线路中的时间继电器。时间继电器。定时器的定时器的设定值设定值(定时时间定时时间)可以在可以在编程时设定编程时设定,也可以,也可
21、以在在运动过程中根据需要进行修改运动过程中根据需要进行修改,使用方便灵活。,使用方便灵活。同时同时PLCPLC还提供了还提供了高精度高精度的的时钟脉冲时钟脉冲,用于,用于准确实时控制。准确实时控制。3 3 计数控制功能计数控制功能 计数控制功能是计数控制功能是PLCPLC的的最基本功能之一。最基本功能之一。PLCPLC为用户提供为用户提供许多计数器许多计数器,计数器,计数器计数到某一数值计数到某一数值时,产生一时,产生一个个状态信号状态信号(计数值到计数值到),利用该状态信号,利用该状态信号实现对某个操作的计数控实现对某个操作的计数控制。制。计数器的计数器的设定值设定值可以在可以在编程时设定编
22、程时设定,也可以在运行过程中,也可以在运行过程中根据根据需要进行修改。需要进行修改。传感器传感器旋转编码器旋转编码器变频器等变频器等计数输入计数输入输入复位输入复位0000000001000024 4 数据处理功能数据处理功能 PLCPLC大部分都具有大部分都具有数据处理功能数据处理功能,可以实现,可以实现算术运算术运算、数据比较、数据传送、数据移位、数制转换译码算、数据比较、数据传送、数据移位、数制转换译码编码编码等操作。等操作。中、大型中、大型PLCPLC数据处理功能数据处理功能更加齐全,更加齐全,可完成可完成开方、开方、PIDPID运算、浮点运算运算、浮点运算等操作,还可以等操作,还可以
23、和和CRTCRT、打印机相联,实现程序、数据的显示和打印。打印机相联,实现程序、数据的显示和打印。5 5 监控功能监控功能 PLC PLC设置了较强的设置了较强的监控功能。监控功能。利用利用编程器或监视器编程器或监视器,操作人员操作人员可以对可以对PLCPLC有关部分有关部分的的运行状态进行监视。运行状态进行监视。利用利用编程器编程器,可以,可以调整调整定时器、计数器的设定值和当前定时器、计数器的设定值和当前值,并可以值,并可以根据需要根据需要改变改变PLCPLC内部逻辑信号的状态及数据区内部逻辑信号的状态及数据区的数据内容,为的数据内容,为调整和维护调整和维护提供了极大的方便。提供了极大的方
24、便。6 6 停电记忆功能停电记忆功能 PLC PLC内部的内部的部分存储器部分存储器所使用的所使用的RAMRAM设置了停电保持器设置了停电保持器件(备用电池等)件(备用电池等),以,以保证断电保证断电后后这部分存储器中这部分存储器中的的信息信息能够长期保存。能够长期保存。利用某些利用某些记忆指令记忆指令,可以对,可以对工作状态工作状态进行进行记忆记忆,以,以保保持持PLCPLC断电后断电后的的数据内容不变。数据内容不变。PLCPLC电源恢复后,电源恢复后,可以在可以在原工作基础原工作基础上继续工作。上继续工作。7 7 故障诊断功能故障诊断功能 PLC PLC可以对可以对系统构成、某些硬件状态、
25、指令的合法性系统构成、某些硬件状态、指令的合法性等等进行进行自诊断自诊断,发现,发现异常异常情况,发出情况,发出报警报警并并显示错误类型显示错误类型,如属严重错误则如属严重错误则自动中止运行。自动中止运行。PLCPLC的的故障自诊断功能故障自诊断功能,大大,大大提高提高了了PLCPLC控制系统的控制系统的安全安全和可维护性。和可维护性。(六六)、PLCPLC与其他工业控制系统的比较与其他工业控制系统的比较 PLC与继电器控制系统比较与继电器控制系统比较 继电器控制采用硬接线方式装配而成,继电器控制采用硬接线方式装配而成,只能完成既定的功能。只能完成既定的功能。PLC控制只要改变程序并改动少量的
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