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单片机与可编程序控制器
第四章单片机与可编程序控制器
第1章可编程序控制器基础
1.1概述
1.1.1可编程序控制器的产生与分类
1.可编程序控制器的产生
早期的工业生产大多使用继电器控制系统,它通常由输入部分、继电器控制部分、输出部分和生产现场等构成,如图1-1所示。
其中,生产现场是指各种控制对象(例如电动机、阀门)和生产过程;输入部分是由按钮、行程开关、限位开关、传感器等构成,它将来自生产现场的各种控制信号送入控制电路;继电器控制部分是控制系统的核心,它由继电接触器、分立电子元器件等构成,用于对输入信号进行处理,产生相应控制信号并送到输出部分;输出部分是由接触器、电磁阀等执行元器件构成,它根据输出控制信号对生产现场的各种控制对象实现控制。
由于图1-1是通过继电器触点的连接来实现逻辑控制的,故该系统又称为有接点控制系统。
这种系统的控制原理简单、直观,无电磁兼容问题,操作使用方便,简单控制设备的成本低。
但该系统通常是针对某一固定的动作顺序或生产工艺进行设计的,其控制功能也局限于逻辑关系、定时、计数等一些简单的控制,不能实现记忆、顺序和连续量调节等复杂控制。
随着工业生产规模的逐步扩大,继电器控制系统就愈来愈难以适应工业发展的需求。
输入部分
输出部分
继电器控制部分
生产现场
图1-1继电器控制系统结构框图
当晶体管、集成电路等标准化半导体逻辑元件(如与门、或门、存储器、延时单元、计数器、比较器)出现之后,图1-1中的继电器控制部分就由各种逻辑元件来替代,它不仅可以实现逻辑控制,而且可以实现顺序控制和数字运算等功能。
通过功能单元的组合(接线),还可以实现特定的控制要求,对各种复杂功能进行控制。
这种控制电路称为无触点逻辑控制系统。
由于该系统必须针对特定的应用定制组装,无法实现大规模生产,而且功能单元品种繁多,生产成本高,现场无法修改功能。
因此,该系统还是难以实现大规模的工业应用。
计算机的出现给大规模工业自动化带来了曙光。
1968年,美国最大的汽车制造厂商通用汽车(GM)公司提出了公开招标方案,设想将功能完备、灵活、通用的计算机技术与继电器便于使用的特点相结合,把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化,用面向过程、面向问题的“自然语言”编程,生产一种新型的工业通用控制器,使人们不必花费大量的精力进行计算机编程,也能像继电器那样方便地使用。
这个方案首先得到了美国数字设备(DEC)公司的积极响应,并中标。
该公司于1969年研制出了第一台符合招标要求的工业控制器,命名为可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController),简称PLC(有的称为PC),并在GM公司的汽车自动装配线上试验获得了成功。
PLC一经出现,由于它的自动化程度高、可靠性好、设计周期短、使用和维护简便等独特优点,备受国内外工程技术人员和工业界厂商的极大关注,生产PLC的厂家云起。
随着大规模集成电路和微处理器在PLC中的应用,使PLC的功能不断得到增强,产品得到飞速发展。
PLC控制系统与其他工业控制系统的比较,见表1-1所示。
表1-1PLC控制系统与其他工业控制系统的比较
比较项目
继电器控制系统
无触点逻辑控制系统
PLC控制系统
控制功能的实现
由许多继电器组成,通过触点连接实现。
由许多逻辑元件组成,通过
硬件接线和控制状态实现,无触点。
通过软件来实现,无触点,简化硬件。
对现场需求及改造的适应性
适应性最差,改造困难。
适应性差,难以大规模化生产。
适应性强,可编程实现。
记忆、顺序控制等功能
没有
有
有
控制速度
低,靠机械动作实现
一般,靠硬件状态和机械动作实现。
快,靠微处理器进行处理。
安装、施工
接线多,施工繁,容易出错。
接线多,出错少。
安装容易,施工简便。
寿命
短
短
长
可靠性
差,触点多,故障多。
一般,接线多,元件多。
高,采取相应的可靠性措施。
可扩展性
困难
困难
容易
维护
工作量大,故障不容易查找。
元器件多,查找故障困难。
有自诊断能力,维护工作量少。
1987年,国际电工委员会(IEC)为了规范PLC市场,有序地推进PLC的发展,通过了对可编程序控制器的定义:
“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境下应用而设计。
它采用可编程的存储器,用来在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指令,并通过数字式、模拟式的输入和输出,控制各种机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关的外部设备,都按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩展功能的原则而设计。
”从此,可编程序控制器在标准化、系列化的方向上得到了飞速的发展。
PLC是以微处理器(Microprocessor)为核心,综合了计算机技术、自动化控制技术和通信技术发展起来的一种通用型的工业控制装置。
现代PLC不仅具有早期PLC的逻辑控制功能,还具有算术运算、模拟量处理、数据处理、通信和联网等特殊控制功能。
特别是它的高可靠性和适应恶劣工业环境的能力,已经成为现代工业生产自动化技术的重要设备。
2.PLC的分类
PLC的种类很多,所实现的功能,内存容量,控制规模,外形等方面均存在较大差异。
因此,PLC的分类至今没有一个严格的统一标准。
一般是按照其结构形式、控制规模、实现的功能等进行大致地分类。
(1)按结构形式分类
PLC按照硬件的结构形式可以分为整体式和模块式。
整体式PLC外观上是一个长方形箱体式,又称箱体式PLC,它将电源、CPU、I/O部件都集中在一个机箱内,具有结构紧凑,体积小和价格低的特点,一般微型机或小型机PLC都常采用这种结构。
模块式PLC是将PLC各部分分成若干模块,如CPU模块、电源模块、基本I/O模块及各种功能模块。
模块式PLC由机架(总线)和各种模块组成。
这种结构在硬件上具有较大的灵活性,各种模块可以像拼积木那样进行方便组合,装配、扩展和维修,并可以根据需要选配不同模块组成不同控制规模和功能的PLC控制系统。
一般大中型PLC都采用模块式结构。
除了上述两种结构之外,有些厂家近年来还开发了叠装式结构的PLC产品,其主要特点是吸收了整体式和模块式PLC的优点,各种单元、CPU自成独立的模块(其尺寸可以不同),相互之间通过电缆或插接头进行连接,而且各单元可以一层层地叠装起来,不需要安装机架(或总线板),既达到配置灵活,又可减小体积,适合于机电一体化的需要。
(2)按控制规模分类
控制规模主要是指控制开关量的输入、输出路数(也称为点数)及模拟量的输入、输出路数。
但主要以开关量的点数计算,模拟量的路数可折合算成开关量的点数,一般一路相当于8~16点。
根据I/O点数的不同,PLC大致可分为微型机(几点至几十点)、小型机(几十点至上百点)、中型机(上百点至上千点)、大型机(上千点至几千点)、超大型机(几千点至上万点)。
(3)按控制功能分类
按PLC控制功能的强弱,可分为低档机、中档机和高档机。
低档机具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能,有的还可能具有模拟量输入输出、算术运算、以及远程I/O、通信联网等控制功能。
中档机除了具有低档机的功能外,还具有模拟量输入输出、比较、数据处理、远程I/O和通信联网等功能,可完成既有开关量又有模拟量的控制任务。
高档机除了具有中档机的功能外,还具有带符号运算、矩阵运算、平方根运算及其他特殊函数运算、表格处理等其他功能,使得PLC的运算功能更强,特别是高档机所具有的模拟量调节和强大的通信联网等功能,可以进行智能控制、远程控制和大规模过程控制。
高档机通过网络与智能模块(或其他设备)进行通信,可构成集散式控制系统(DCS),以实现工厂的自动化管理。
(4)按生产厂家分类
目前世界上能生产PLC的厂家较多,大致可以分成美国、欧洲和日本三个流派。
在中国市场占有较大份额,较有影响的公司和PLC系列机型有:
德国西门子公司,主流产品如S5-95U、100U、135U及155U。
135U、155U机型,控制点数可达6000多点,模拟量可达300多路。
近期推出了S7系列机,有S7-200、S7-300及S7-400;OMRON公司目前的主流机型有CPM2*、CJ1、CS1等;三菱公司也是较早推到中国来的,其中小型机F1前期在我国也很流行。
还有不少厂家都生产PLC,根据不完全统计,世界上生产PLC产品的达上千家,这里不再一一列举。
1.1.2PLC的编程语言
PLC一般不采用计算机的编程语言,而常常采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程,这些编程语言有多种,其中最常使用的是梯形图和助记符两种。
除此之外,还有逻辑功能图、逻辑方程式和SFC流程图等。
1.梯形图
梯形图是在继电器控制图的基础上演变而来的,两者仅符号和表示方式有所区别。
对于同一个控制电路,梯形图与继电器控制图的输入、输出信号基本相同,控制过程等效。
但它们有着本质的区别,继电器控制图是靠硬件和硬接线组成的控制线路,而梯形图使用的是内部软继电器和软接线,靠软件实现控制。
因此,PLC梯形图使用具有很高的灵活性,修改控制过程非常方便,这是继电器控制图无法比拟的。
采用梯形图进行编程时要有一定格式。
每个梯形图由多个梯级组成,每个输出元素可构成一个梯级,每个梯级可由多条支路组成,通常每个支路可容纳多个编程元素,最右边的元素必须是输出元素。
简单的编程元素只占用一条支路,而复杂的编程元素却要占用多条支路。
编程时,每个梯级都按自上而下的顺序编制。
输入接点不论是外部的开关、按钮、行程开关,还是继电器触点,在梯形图中只用常开触点或常闭触点表示,无须考虑其物理属性。
在梯形图中每个编程元素应按一定规则加注数字(或字母加数字)串,不同的编程元素常用不同的字母符号和一定的数字串来表示。
2.助记符
助记符编程语言是与计算机汇编语言类似的,PLC能够直接接受的语言。
但不同厂家的PLC所使用的助记符是不同的。
下面以OMRON的CPM2*机型为例,对应于图1-4(b)的助记符语句为
地址指令码操作数(注释)
0000LD00000(表示常开触点00000与母线连接,即逻辑行操作开始)
0001OR01000(表示两个常开触点01000和00000并联,即或运算)
0002ANDNOT00001(表示常闭触点00001与左边触点串联,即与非运算)
0003OUT01000(表示当该逻辑行条件满足时,线圈01000通电,所控制的常开触点01000闭合,即输出)
用助记符语言编程时,每个控制功能都是由一条或多条助记符指令组成。
每条指令都规定了CPU如何动作的指令,它的指令格式和计算机指令类似。
用助记符语言编程时的指令格式一般为:
(地址)+操作码+操作数
PLC的指令总是从0000地址开始依次执行的,一般地址可以自动连续生成,即可省略编制;操作码用来指定PLC要执行的功能,告诉CPU该进行什么操作;操作数包含为执行该操作所必须的信息,告诉CPU用什么地方的数据来执行此操作。
助记符编程语言键入方便、编程灵活,但不如梯形图形象、直观。
所以在编程时还是比梯形图较少使用。
目前大多厂家提供的编程软件,可以实现助记符语言与梯形图语言之间的自动转换。
3.逻辑功能图和逻辑方程式
逻辑功能图用“与”、“或”、“非”等逻辑符号来表达控制功能,例如对应于图1-4(b)的逻辑功能图如图1-6所示,CPU能够直接执行AND、OR、NOT操作,速度很快。
这种图形对具有数字电路基础的人员,比较容易掌握,但不直观。
+
&
1
00000
00001
01000
图1-6逻辑功能图
逻辑方程式也称为布尔代数式,它和逻辑功能图有一一对应的关系,可以从逻辑功能图通过化简的手段得到,例如图1-6中,可由图1-6可写出逻辑方程为
4.SCF流程图
SCF流程图也称为功能流程图,是专用于工业顺序控制的一种程序设计方法。
它的基本元素是流程步、有向线段、转移和动作说明。
流程步用矩形方框表示,框中用数字表示该步的编号,编号可以是实际的控制步序号,也可以是PLC中的工作位编号;转移就是从一个步向另一个步之间的切换条件,两个步之间用一个有向线段表示可以从一个步切换到另一个步,代表向下转移的方向可以忽略;对于一个步可以有一个或几个动作,表示的方法是在步的右侧加一个或几个矩形框,并在框中加文字对动作进行说明。
针对按动作先后顺序进行的控制系统,非常适宜使用SCF图进行编程。
虽然用SCF图编制的程序偏长,但程序结构清晰,能够清楚比反映出系统各工作步的功能、步与步之间的转换顺序及其转换条件,可读性好。
有些PLC开发软件可以直接接受SCF流程图,但是大部分软件不能接受。
在不能接受SCF图的PLC软件中,编程时应将SCF图转换成梯形图。
5.高级语言
目前随着计算机的普及,PLC也开始使用与计算机兼容的高级语言编程,如BASIC、C语言及汇编语言等。
但目前各厂家开发的PLC高级编程语言,大多还是类似于计算机的专用语言,并非完全是计算机的高级语言。
但总的看,还是能够方便计算机专业人员的编程,也可以使不同厂家生产的PLC编程语言向着兼容方向发展。
使用PLC时,采用何种编程语言,用户可以根据具体情况加以选择。
PLC的编程可以使用专用编程器,或是使用计算机。
编程器一般只能使用助记符语言编程,操作不方便,但它小巧轻便,适合于现场对PLC进行检查和调试。
使用计算机编程时,需要PLC生产厂家提供相应的编程软件。
编程软件不仅可以使用梯形图或助记符语言进行编程和调试程序,而且能够监视PLC的运行。
特别是出现笔记本计算机后,它对PLC的现场调试很方便,故一般不需要购买编程器。
1.1.3PLC的几个基本概念
由于PLC是从继电器的控制逻辑发展而来的,因此PLC的最基本功能是顺序控制或逻辑控制,它能模拟继电器控制中的继电器、定时器、计数器等功能,另外还引入了更多的其他功能,如加、减、乘、除等算术运算,与、或、非等逻辑运算,还有PID功能等。
为了方便PLC电气控制工程技术人员的使用,PLC中许多术语、名称、编程方法等,一直沿用了继电器控制的概念。
下面介绍PLC中常用的几个基本概念。
1.基本元件
(1)继电器
PLC中的继电器也称为编程元件,它包括线圈、常开触点和常闭触点。
在PLC内部的继电器并不是实际的硬继电器,而是一位存储器,因此称为“软继电器”。
当存储器的位状态为1时,相当于对应的继电器线圈得电或常开触点闭合(或常闭触点断开);当该位状态为0时,相当于该继电器线圈断电或常开触点断开(或常闭触点闭合)。
PLC梯形图是由这些“软继电器”组成的控制线路,它们并不是真正的物理连接,而是逻辑关系上的连接,故称为“软接线”。
常开触点的符号用表示,受PLC输入开关量或PLC内部相应线圈的控制,当PLC输入接通或相应的线圈通过电流时,此触点闭合。
常闭触点的符号用表示,受控方式与常开触点相同,只是当PLC输入接通或相应线圈通电时,此触点断开。
PLC的线圈也称为逻辑线圈,常用符号表示。
在PLC中它可用作输出元件,以控制外部设备(如电磁阀、指示灯、继电器等);它还可以用来控制PLC内部的其他触点,以构成复杂的逻辑控制。
(2)定时器
PLC中定时器的作用与继电器控制中的延时继电器或时间继电器相同。
常见的定时单位有0.01s、0.1s和1s等几种,其符号因PLC的型号不同各异。
OMRON公司PLC系列的普通定时器常用符号及示例如图1-2所示。
TIM001
#100
TIMN
SV
(a)普通定时器的符号(b)普通定时器的示例
图1-2普通定时器的符号及示例
其中N为定时器的编号,而SV表示定时器的设定值。
当SV为常数时,需要加前缀#号,这时的定时时间=定时单位×SV。
图1-1(b)中的定时器编号为001号,定时常数为100,若取定时单位为0.1s,则定时时间=100×0.1s=10s。
不同类型的定时器,最大的差异是定时单位不同。
当定时器的输入条件满足时,则它开始定时,直到定时时间到,定时器所控制的相应触点动作,可用其触点来控制其他元件。
(3)计数器
PLC中计数器的作用与数字电路中的计数器相同。
OMRON公司PLC系列的普通计数器常用符号如图1-2所示。
图中N为计数器编号,SV为设置值。
每当CNT的计数输入端CP由OFF变ON时,计一个数,即计数器记录的是输入由断到通的次数。
如果计数值等于SV时,计数器所控制的触点动作,可用这些触点来控制其他元件。
CNT
N
SV
复位输入R
计数输入CP
图1-2普通计数器的符号
在PLC中通常还有高速定时器、可逆计数器等,这些在以后章节再介绍。
(4)其他元件
除了上述的基本元件外,PLC中还会使用到其他元件,如时序器、加法器、减法器、编码器、译码器等。
所有这些元件在PLC内部都是由软件来实现的,并非是实际的物理元件,故称为“软元件”。
将这些“软元件”相互连接构成的控制过程,从外部看来是一个梯形图,而放在PLC内部则是一段程序。
2.梯形图
为了认识梯形图的概念,下面以交流电动机的单向起停控制为例进行说明。
用继电器对交流电动机的单向起停控制线路,如图1-3所示。
A
B
C
KM
SB1
SB2
M
3~
KM
控制电路
主电路
KM
图1-3继电器控制线路
图中KM是交流接触器,它控制三相异步电动机M的起动或停止,SB1是起动按钮,SB2是停止按钮。
当按下起动按钮SB1时,KM得电,使得KM二对常开触点闭合,一对触点闭合使KM形成自锁;另一对触点闭合使M得电而起动运转;当按下SB2时,KM线圈失电,即KM不工作而释放所有的常开触点,使电动机M停止运转。
图1-4(b)是以OMRON的CPM2*机型为例,用PLC梯形图代替图1-3右边的控制电路。
从图1-4的继电器控制图与梯形图比较看出,两者图形十分相似,故梯形图具有直观易懂的特点,很适合于电气工程技术人员使用。
(a)继电器的控制图(b)PLC的梯形图
图1-4继电器控制图与PLC梯形图的比较
当输入触点00000的条件满足时,电流从梯形图左侧、经过00000触点(已闭合)、00001(常闭)和线圈01000,使01000得电而工作,并使01000触点闭合形成自锁,控制电动机起动。
可见,使用PLC梯形图与使用继电器的控制过程大致相同,这里不再重复叙述。
对应于梯形图的PLC外部接线,如图1-5所示。
图中,SB2必须是断开的,以保证SB1接通时,电动机M正常起动。
A
B
C
M
3~
KM
主电路
KM
00000
SB1
SB2
00001
COM
~
COM
01000
输入部分
控制部分
输出部分
图1-5PLC控制的接线图
上图中,输入部分用于接收操作指令或接收被控对像的各种状态信息。
输入端子的编号依次为00000、00001、……,分别接起动按钮SB1和停止按钮SB2等。
每一个输入端子(点)对应一个输入继电器,当输入端与COM端断开时,其输入继电器线圈断电,则所控制的(内部继电器)常开触点断开(或常闭触点闭合);当输入端与COM端接通时,其输入继电器线圈得电,所控制的常开触点闭合(或常闭触点断开)。
控制部分是由用户编制的控制程序,梯形图见图1-4(b),它可等效为内部的继电器线圈和控制触点。
PLC运行时,依次读取存储器中的用户程序语句,并对它们的内容进行解释后加以执行,遇到有输出的结果则送到PLC的输出端子上。
输出部分是根据程序执行结果去驱动负载的。
PLC可以有多个输出继电器,每个输出继电器对应输出端的一个触点。
当程序执行的结果使输出继电器线圈得电时,对应的输出触点闭合,可使外部负载动作。
3.梯形图与继电器控制图的区别
梯形图和继电器控制图十分相似,相同电路的输入和输出信号也基本相同,但是它们所控制的实现方式却是不同的。
(1)继电器控制图使用的是硬继电器和定时器,靠硬件连接来组成控制电路,其触点的数量有限,设计时需要合理分配使用继电器及触点数;而PLC梯形图使用的继电器、定时器(或计数器)等是靠内部寄存器实现,它的(常开或常闭)触点数可以反复使用,使用次数不加限制。
(2)继电器控制图就是电路连接图,施工费力,更改困难;而PLC梯形图是利用计算机制作的,更改简单,调试方便。
继电器控制图左右两侧的线对应电路中的电源线,而PLC梯形图的左右侧母线已失去电源(即没有物理电流)意义,只是为了维持梯形图的形状而存在。
因此,梯形图中的电流是“虚拟电流”,而不是继电器中的物理电流。
(3)继电器控制图中的动作顺序与图形的编写顺序无关,而PLC梯形图的执行顺序与梯形图的编写顺序一致。
因此,梯形图要按行从上至下编写,每行从左到右顺序编写,PLC执行时,视梯形图为程序。
(4)继电器控制图中的最右侧一般是各种继电器的线圈,而PLC的梯形图中最右侧必须连接输出元素,可以是表示线圈的存储器“数”,例如图1-4(b)中的01000线圈,还可以是计数器、定时器、译码器等指令。
(5)继电器控制图中的线圈可以串联使用,而在PLC的梯形图中,输出元素只允许并联,不能串联。
PLC梯形图的触点连接与继电器控制图一样,可以串联,也可以并联。
(6)在PLC梯形图中,结束标志是END。
1.1.4PLC的基本功能及应用领域
随着PLC各种控制功能的不断完善,应用领域正在不断拓宽。
目前PLC一般都具有以下基本功能。
1.逻辑控制及应用
开关量的逻辑控制是PLC的最基本功能,早期的PLC就已经实现了这种功能。
它是用PLC的与、或、非等逻辑指令取代继电器触点的串联、并联及其他各种连接,从而实现单机或多机群以及自动化生产线的逻辑控制。
所控制的逻辑可以是各种各样的,有时序的、组合的、延时的、计数的、不计数的等,控制的输入、输出点数可以不受限制。
少则几点、几十点,多则成千上万的点。
特别是现代PLC还可以通过通信联网来实现远程的逻辑控制,扩大控制规模。
用PLC进行开关量控制的实例很多,在冶金、机械、纺织、轻工、化工、铁路等行业几乎都需用到它,如灯光照明、机床电控、食品加工、印刷机械、电梯、自动化仓库、生产流水线等方面的逻辑控制,都广泛应用PLC来取代传统的继电器控制。
本书将重点介绍PLC在逻辑控制方面的应用。
2.过程控制及应用
生产过程的自动控制简称过程控制。
在过程控制中,一般都涉及到温度、压力、液体流量等模拟量。
由于PLC具有A/D、D/A转换及算术运算等功能,因此可以实现模拟量控制。
模拟量的类型有多种,电压、电流、温度信号等都可以通过专用I/O模块来处理。
特别是电压模拟量或电流模拟量,还有混合输入/输出的模拟量专用模块,即把A/D与D/A组合在同一个模块上,方便使用。
有的PLC还具有PID控制或模糊控制功能,可对压力、温度、流量和物位高度等连续变化的物理量进行控制。
这部分的详细内容《可编程序控制器过程控制技术》一书。
3.运动控制及应用
运动控制是指在复杂条件下,将预定的控制目标变为期望的机械运动。
运动控制系统主要用于实现位置控制、速度控制、加速度控制和转矩控制等。
利用PLC能接受和输出高速脉冲的功能,在配备相应的传感器(例如旋转编码器)或脉冲伺服装置(例如环形分配器、功率放大器、步进电动机)就能实现位置控制,如简单的定位控制、运动控制等。
它广泛应用于机械行业的机床控制、机器人、电动机调速及流水生产线的定位控制等领域。
这部分的详细内容请见《可编程序控制器运动控制技术》一书。
4.通信网络控制及应用
现代PLC的通信联网能力很强。
除了PLC与PLC之间通信和联网以外,PLC还可以与计算机进行通信和联网,由计算机来实现对它编程和管理,以适用于各种层次工业自动网络的
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