復習 第一章電氣控制系統常用器件第二章電氣控制線路基礎第三章可編程控制器概述第四章S7 200PLC基礎知識第五章PLC基本指令及程序設計第七章S7 200順序控制指令及應用 第一章電氣控制系統常用器件 一 電器定義和分類1 定義 電器是根據外界的信號和要求 能手動或自動地斷開或接通電路 斷續或連續地改變電路參數 以實現對電或非電對象的切換 控制 檢測 保護 變換和調節的電工機械 1 1電器的基本知識 1 1電器的基本知識 二 電氣的分類 P4圖1 1 圖1 2 三 電磁式低壓電器的基本結構和工作原理大多數為電磁式電器 原理相同 組成相近 感受部分 檢測部分 電磁電器的電磁系統 執行部分 電磁電器的觸點系統1 電磁機構 電磁式低壓電器的感測部件組成 激磁線圈 鐵心 靜鐵心 銜鐵 動鐵心 作用 將電磁能量轉換為機械能量 銜鐵帶動觸頭動作使之閉合或斷開 從而實現電路的接通和分斷 1 1電器的基本知識 2 觸頭是接觸器的執行部件 用來接通或斷開被控電路 類型 材料一般采用銅材料制成 對于小容量電器常用銀質材料制成 主觸頭 分類輔助觸頭 橋式觸頭 指形觸頭 1 1電器的基本知識 3 工作原理 1 反力特性 2 吸力特性 3 反力特性和吸力特性的配合 4 短路環的作用 滅弧系統 電弧 危害 延長了切斷故障的時間 高溫引起電弧附近電氣絕緣材料燒壞 形成飛弧造成電源短路事故 滅弧措施吹弧拉弧柵片滅弧多斷口滅弧利用介質滅弧改善觸頭表面材料 1 1電器的基本知識 四 電弧的產生和滅弧的方法 1 2接觸器 一 接觸器的定義 結構及工作原理接觸器的定義 是利用電磁吸力頻繁的遠距離地接通或分斷電動機電路或其他負載主電路的電磁式自動控制電器 接觸器的結構 1 電磁機構2 主觸點和輔助觸點3 滅弧裝置4 支架和底座 1 2接觸器 二 接觸器觸點的類型 主觸點 輔助觸點主觸點的作用 用來接通或分斷電動機電路或其他負載主電路 輔助觸點的作用 在控制電路中起聯動作用 控制其它電器工作 1 2接觸器 三 接觸器的工作原理 線圈通電后 在鐵芯中產生磁通 由此在銜鐵氣隙處產生吸力 使銜鐵產生閉合動作 帶動主觸點閉合 接通主電路 同時銜鐵還帶動輔助觸點動作 使原來斷開的輔助觸點閉合 而原來閉合的輔助觸點斷開 當線圈斷電或線圈的電壓降低到一定值時 電磁吸力消失或減弱 銜鐵在反力彈簧的作用下打開 主 輔觸點又恢復到原來的狀態 1 2接觸器 四 接觸器的用途 1 自動接通或斷開大電流電路的電器 接觸器是利用電磁吸力頻繁地遠距離地接通或分斷電動機電路或其他負載主電路 2 具有低電壓或欠電壓保護功能 接觸器具有控制容量大 過載能力強 壽命長 設備簡單經濟等特點 是電力拖動自動控制線路中使用最廣泛的電器元件 3 控制對象 其主要控制對象是電動機 也可用于電熱設備 電焊機 電容器組等其它負載 五 接觸器的分類 接觸器可分為交流接觸器和直流接觸器兩大類 1 3繼電器 一 定義 作用 繼電器是根據某種輸入信號來接通或斷開小電流控制電路 實現遠距離控制和保護的自動控制電器 二 結構組成 感測機構 輸出執行機構三 分類 按用途分 控制繼電器和保護繼電器按動作原理分 電磁式 感應式 電動式 電子式 機械式按輸入量分 電流 電壓 時間 速度 壓力按動作時間分 瞬時繼電器 延時繼電器 1 3繼電器 四 接觸器與電磁式繼電器在結構上的異同1 相同點 電磁機構完全相同 2 不同點 觸點不同 電磁式繼電器觸點容量小 且觸點容量均相同 沒有主觸點和輔助觸點之分 無滅弧裝置 接觸器有主觸點和輔助觸點之分 有滅弧裝置 1 3繼電器 五 熱繼電器熱繼電器定義 熱繼電器是隨過載程度而改變動作時間的一種電器 作用 電動機起過載保護 電動機的過載特性 電動機在不超過允許溫升條件下 電動機的載電流與其通過的時間關系 稱為電動機的過載特性 電動機的過載特性曲線 1 3繼電器 六 時間繼電器定義 從得到輸入信號 線圈的通電或斷電 開始 經過一定的延時后 才輸出信號 觸點的閉合或斷開 的繼電器 叫時間繼電器 作用 在控制電路中按整定時間長短通斷電路的作用 通電延時 從接受輸入信號后延時一定的時間 輸出信號才發生變化 當輸入信號消失后 輸出瞬時復原 斷電延時 接受輸入信號時 瞬時產生相應的輸出信號 當輸入信號消失后 延時一定的時間才復原 1 4開關電器 一 低壓斷路器 又稱自動空氣開關 1 4開關電器 主要功能 1 可用來接通和分斷負載電路 也可用來控制不頻繁起動的電動機 2 隔離電源 3 具有短路保護和過載保護功能同時還具有欠電壓或失壓保護功能 特點 操作安全 分斷能力較高 分類 框架式 萬能式 和塑殼式 裝置式 結構 觸點系統 滅弧裝置 各種脫扣器 小結 一 本章主要內容為低壓電器的基本知識 二 熟悉主要低壓電器的結構 掌握它們的工作原理 三 主要低壓電器 接觸器 中間繼電器 熱繼電器 低壓斷路器 行程開關等 四 掌握主要低壓電器的電氣符號 第二章 電氣控制線路基礎 2 1電氣控制線路圖的圖形 符號及繪制原則一 常用電氣圖的種類1 系統圖用規定的圖形符號概略地表示系統或子系統的基本組成 相互關系及其主要特征的簡圖 以框圖作為主要表現形式 2 電路圖用規定的圖形及文字符號 按在電路中的工作順序排列 詳細表示系統及其設備的全部基本組成和連接關系 而不考慮其實際位置的圖 供詳細了解系統組成 結構 研究分析電路控制原理及其工作過程 又稱電氣原理圖 2 1電氣控制線路圖的圖形 符號及繪制原則 3 設備元件表將電路圖中所用的各種電器元件及其相應的名稱 圖中代號 型號規格 數量等要求以表格形式無遺漏地詳盡列出 4 位置圖采用正投影法繪制 用于表明系統或設備中各種電器件的實際位置 而不考慮器件功能以及相互連接關系的圖 主要為電氣設備的制造 安裝 維修提供資料 又稱電器元件布置圖或排列圖 5 接線圖 表 用于表示成套裝置中各種電器件之間相互連接關系的圖 是電氣安裝 配線 檢修 故障檢修查線的依據 其它的還有 等效電路圖 功能流程圖 程序圖 端子圖等 2 1電氣控制線路圖的圖形 符號及繪制原則 二 電氣控制圖的繪制規則1 電路圖繪制規則 主電路指由電源到負載的工作回路 特點是 運行時 電流大 是電路中負荷最大的一條支路 一旦發生故障 造成的損失也較大 又稱大電流回路 輔助電路指可對主電路實現控制 檢測 保護 顯示 報警等功能的工作回路 由以下幾部分組成 控制回路對主電路運行狀態實現控制的電路 主要由按鈕 電磁電器線圈 觸點等組成 保護回路對主輔電路實現保護的電路 由各種保護器件組成 2 1電氣控制線路圖的圖形 符號及繪制原則 電源回路為輔助電路提供所需電源的回路 由電源開關 控制變壓器等組成 信號回路對主電路的各種運行狀態進行監測 顯示 報警 測量等回路 由儀器儀表 聲光信號顯示器件 觸點等組成 繪圖原則 須按所規定的圖形符號 文字符號和回路標號進行繪制 主電路標記按相序沿電壓降落的方向 以自然遞增數列進行 輔助電路標記沿前向通道信號流的方向 以自然遞增數列進行 同類型器件標記應采取前綴或下腳標的方法加以區分 2 1電氣控制線路圖的圖形 符號及繪制原則 各種圖符均按無電壓 無外力作用或不工作時的狀態繪制 電路圖中信號流的方向 前向通道應從左到右 或由上到下 反饋通道應從右到左 或由下到上 每個器件及它們的部件都需用一確定的圖形符號表示 且每個器件有一個文字符號 屬于同一個器件的各個部件采用同一文字符號表示 同一器件的不同部件 無論在電路圖中的位置 均采用同一文字符號標記 一個完整的電路圖至少應包括主電路 輔助電路 材料表三個基本組成部分 2 1電氣控制線路圖的圖形 符號及繪制原則 為方便分析閱讀電路圖 應將圖面分區 方法是 圖紙相互垂直的兩邊各自等分 但均須為偶數 長度介于25 75間即可 區域編號以標題欄對應的左上角為起始位置 縱向用大寫拉丁字母 橫向用阿拉伯數字順序編寫 也可在該區域內標明電路功能 同一圖內電器件可動部分的動作方向應保持一致 相似部分對齊 原理圖中應標出下列數據 各個電源電路的電壓值 極性或頻率及相數 某些元件的特性 電阻 電容的量值等 萬能轉換開關等類似器件的觸點通斷表 圖中的全部電機 電器元件的型號 文字符號 用途 數量 技術數據 均應統計列表 并繪制在電路圖中 2 1電氣控制線路圖的圖形 符號及繪制原則 三 電氣識圖與分析1 電氣識圖 是電氣技術人員分析控制原理 排查設備故障 改創電路的基本技能 2 對于有觸點控制系統電路圖 識圖分析的方法很多 無論采用何種方法 其基本指導思想是 順序控制 關聯電器并聯運行 3 基本方法是 眼手腦 不可缺 覽全圖 分主輔 設電流 找關聯 按順序 步步查 2 2基本電氣控制線路 綜述 1 設備設施可為人們提供各種產品 必需品或各種方便的機械裝置 2 設備的構成機 電 氣 液 及其組合 3 設備工作狀態為滿足用戶要求 產品工藝等 設備所具備的運行功能 啟動 調速 延時 制動等等 4 控制實現的方法機械方法 液壓方法 電力方法或是它們的組合 2 2 1全壓啟動控制線路 1 原理通過開關或控制電器 將電源電壓的全部直接接入鼠籠電機定子繞組 并使其啟動運行的控制方式 2 適用范圍7 5KW以下空載或輕載電機 2 2 1全壓啟動控制線路 3 典型電路介紹 單向啟 停電路電機作為旋轉電器 其旋轉方向只有兩個 順時針 右旋 和逆時針 左旋 所謂單向 是指電機只有一個旋轉方向 開關控制電路 電路簡介結構簡單 電器件最少 控制分析QS閉合 電機M得電 啟動運行 QS斷開 電機M失電 慣轉停止 存在隱患a 安全性差 b 對 接法的電機 易造成缺相運行 燒毀電機 c 控制靈活性差 2 2基本電氣控制線路 電路組成 點動 繼電接觸單向啟?？刂?2 2基本電氣控制線路 長動 2 2基本電氣控制線路 保護 電源隔離 過載保護 零失壓保護 P59 低壓釋放保護 2 2基本電氣控制線路 2 2基本電氣控制線路 小結 相序與正反轉 為分析方便起見 常將相序L1 L2 L3與負載端U V W對應時 電機順時針轉動稱之為 順相序 或 正轉 反之 則為 逆相序 或 反轉 b SB2啟動按鈕其常開觸點串接在所控制電器的線圈回路中 SB1停止按鈕其常閉觸點串接在所控制電器的線圈回路中 FR輔助常閉觸點電路過載時 通過切斷輔助電路中電磁線圈的通路使其失電釋放主觸點斷開電機失電而實現保護 一般地 該觸點常串接在輔助電路的公共總線中 2 2基本電氣控制線路 2 2基本電氣控制線路 可逆運行電路 適用范圍適用于一臺電機驅動的機械機構或裝置有前后 左右 上下 翻轉等兩個相反運動狀態的控制 方法對鼠籠電機而言 改變接入定子繞組的電源相序 就可改變電機旋轉方向 籍此 利用兩個連接不同相序的單向電路并聯運行 就可使到電機在兩個方向均可運行 進而滿足運動機構對控制的要求 典型電路分析 2 2基本電氣控制線路 2 2基本電氣控制線路 2 2基本電氣控制線路 2 2基本電氣控制線路 控制規律 聯鎖是指利用電器觸點 對兩個或兩個以上的電器動作順序先后實施控制的技術措施 機械聯鎖是指由機械式電器觸點實施控制的技術措施 電氣聯鎖是指由電磁式電器觸點實施控制的技術措施 方法a 要求A接觸器動作時 B接觸器不得動作 則應將A接觸器的常閉觸點串接在B接觸器線圈回路中 反之亦然 b 要求A接觸器動作后 B接觸器才能動作 則應將A接觸器的常開觸點串接在B接觸器線圈回路中 反之亦然 c 要求B接觸器失電后 A接觸器才能失電 則應將B接觸器的常開觸點串接在A接觸器停止按鈕的兩端 反之亦然 2 2基本電氣控制線路 3 位置 自動往返控制 適用范圍適用于液位 物料容積及機械裝置的位置 行程 速度 方向等控制 方法選用各式光電開關 磁控開關 浮球開關 位置傳感器 行程開關等與接觸器 中間繼電器組合 實現控制 典型電路分析 單行程控制 2 2基本電氣控制線路 單循環控制 2 2基本電氣控制線路 自動循環控制 2 2基本電氣控制線路 2 3異步電動機降壓啟動 一 降壓間接啟動所謂降壓啟動 是指電機啟動時 電機定子端的電壓在數值上 僅是正常額定值的一部分 其目的是 減小供電電網因電機啟動造成的電壓波動 將電機的啟動電流限制在 2 2 5 IN 待電機達到一定轉速 接近額定值 時 再切換到全壓下運行 并使電機輸出額定功率 對于7 5KW以上電機 如無特殊要求 一般采用降壓間接啟動方式 由于交流電機結構上的差異 鼠籠式電機降壓啟動方法有 定子回路串電阻 串電抗 串自耦調壓器 Y 以及對多抽頭電機的延邊三角形降壓啟動 本課程重點介紹Y 降壓啟動控制 2 3異步電動機降壓啟動 Y 降壓啟動 1 電路介紹 2 3異步電動機降壓啟動 2 方法 3 適用范圍7 5KW 30KW的空載或輕載 運行時采用 接法的鼠籠電機 2 3異步電動機降壓啟動 4 控制分析 啟動準備 2 3異步電動機降壓啟動 啟動 2 3異步電動機降壓啟動 2 3異步電動機降壓啟動 停止 2 3異步電動機降壓啟動 電機M慣轉停止 2 3異步電動機降壓啟動 電路保護 QF電源引入與隔離 FU電路短路保護 FR電路過載保護 KM電路控制及低壓釋放保護 1KM輔助常開觸點自保與零 失 壓保護 2KM輔助常閉觸點與3KM互鎖 防止電源短路 輔助常開觸點防止KT線圈工作后帶電 節能減熱 3KM輔助常閉觸點 與2KM互鎖 防止電源短路 防止2KM線圈工作后帶電 節能減熱 輔助常開觸點自保 2 3異步電動機降壓啟動 說明 在前面的學習中 我們已知 I l Iyl 因而 在設計Y 降壓啟動電路時 熱繼電器熱元件的額定電流應以電機在 接法下運行時的電流數值為準 否則電機不能可靠啟動或運行 易造成啟動或運行失敗 本電路中省略了信號顯示回路 但在實際工程中還是必須的 Y 降壓啟動電路 是各種降壓啟動電路中最簡單 最直接 最常用的電路 也是工程技術人員應當掌握的基本單元電路之一 2 3異步電動機降壓啟動 線路標記電氣控制線路要求每段線路節點 觸點 負載等兩端都需做出標記 不得重復 也不得出現錯誤或誤導 例如 否則造成的惡果是 電源短路 繞組內部可能形成環流 2 4異步電動機制動控制線路 一 三相鼠籠異步電機的制動 1 制動 指的是實現運行中的電機迅速停車的技術措施 2 原理 由于轉子轉矩的慣性作用 電源切斷后 電機轉子還會沿原運行方向繼續轉動一段時間后 才會停止 為提高效 縮短慣轉時間或防止意外發生 對設備 機械裝置中正在運行的電機采取人為措施 使電機在切除電源后 能夠迅速有效的停止轉動 為此 要求制動時所產生的轉矩與轉子原轉矩方向相反 起制動作用 2 4異步電動機制動控制線路 3 制動的分類 4 典型制動電路 斷電型電磁抱閘 適用范圍對卷揚 起重 電梯類設備的電機制動控制 特點專用機械制動裝置 組成結構由底座 支架 摩擦片 反力彈簧 電磁線圈等組成 產品與圖符 2 4異步電動機制動控制線路 能耗制動 能耗制動 指將轉子的動能轉化為電能 并消耗在轉子回路中的制動方式 原理在斷開三相電源 給兩相繞組通入直流電流 形成固定磁場 產生與轉子旋轉方向相反的轉距 使轉子迅速停止轉動 用途迅速減速 勻速降落 2 4異步電動機制動控制線路 典型電路圖示為單向運行電路的能耗制動 直流電源可通過對交流電源整流 半波 全波 橋式 獲得 2 4異步電動機制動控制線路 制動分析按下停車按鈕SB1 KM1線圈斷電復位 KM2線圈通電自鎖 電動機M定子繞組切除交流電源 通入直流電源進入能耗制動 KT線圈通電延時 KM2線圈斷電復位 KT線圈斷電復位 2 4異步電動機制動控制線路 反接制動 反接制動 是指將轉子機械能與電源電能轉換為電動機繞組中的熱能的制動方式 原理改變異步電動機定子繞組中的三相電源相序 使定子繞組產生方向相反的旋轉磁場 從而產生制動轉矩 實現制動 反接制動要求在電動機轉速接近零時及時切斷反相序的電源 以防電動機反向啟動 用途10KW以下小容量 不經常正反轉的電動機快速停車 2 4異步電動機制動控制線路 典型電路圖示為單向反接制動控制電路 KM1運行接觸器 KM2反接制動接觸器 為限流電阻 2 4異步電動機制動控制線路 制動分析按下停車按鈕SB1 KM1線圈斷電復位 KM2線圈通電自鎖 實現反接制動 轉速n接近零時 速度繼電器KS常開觸點打開 KM2線圈斷電 反接制動結束 2 4異步電動機制動控制線路 說明 能耗制動與反接制動時 由于流入定子繞組的電流超過其額定值 因此 必須接入限流電阻 以防止定子繞組過熱 能耗制動用時間繼電器或速度繼電器控制均可 但一般情況下 采用時間繼電器 延時范圍可調 控制為宜 反接制動采用速度繼電器控制時 應防止電機的反向啟動運行 采用點動方式時 則無此現象 可逆運行電機采用反接制動時 兩接觸器互為反接制動用 具體電路見課本 自行分析 2 7電氣控制線路的簡單設計法 一 電控設計的標準與規范 由于電氣工程涵蓋電能分配與信息傳輸兩大專業門類 作業方式大相徑庭 因而電控設計的標準與規范 包括 設計 產品檢驗 施工 檢測 質量保證 調試驗收等諸方面 標準與規范是工程界的技術法典 具有權威性 不得隨意簡化 取消 更改 工程圖集 圖冊是以圖解的方式對標準 規范所進行的表述 并對具體作業方式方法具有指導意義 標準與規范隨技術進步也在不斷修訂 完善 電氣工程作為特種專業來講 安全可靠運行 最大限度滿足用戶需求永不會變 2 7電氣控制線路的簡單設計法 二 電控系統設計的一般原則 1 最大限度地滿足 或實現 生產機械或工藝 或用戶 對控制的要求 要結合實際需求 能力 技術現狀 適用性 性價比等多方面進行比較 2 在滿足控制需求的條件下 控制力求安全 可靠 簡單實用 經濟 要盡量選用大家熟知的常用常見的控制方式 要盡量選用標準的 同系列 同型號的常規器件 并盡可能減少使用數量 簡單并不意味著低水平 低層次 低技術含量 對現行成熟技術不宜作修改 2 7電氣控制線路的簡單設計法 同一線路中電磁式電器的電壓等級應保持一致 且并聯連接 因為 電磁電器線圈絕大多數為電壓型 是根據電壓信號變化工作的 尤其是對交流 從圖中可見 3 保證控制線路的可靠與安全 2 7電氣控制線路的簡單設計法 輔助電路工作時 除必要通電電器外 不工作電器盡量不通電 以利節能 減少電器散熱量 延長使用壽命 如 2 7電氣控制線路的簡單設計法 減少連接導線 簡化電路 2 7電氣控制線路的簡單設計法 控制環節應簡單明了 避免繁瑣 如 頻繁可逆運行環節 應采取雙重聯鎖 應有完善有效的保護環節 即使誤操作也能防止故障發生 小容量觸點通斷大容量電磁線圈時 應利用中間繼電器過渡 4 線路編號應具有唯一性 且與現場實際接線編號保持一致 5 為日后的操作 維護等盡量提供方便 2 7電氣控制線路的簡單設計法 三 電控設計的基本任務 電控設計 包括電氣原理圖設計和電氣工藝設計兩部分 電氣原理圖設計是電氣工程設計最主要的環節 是后續的工藝設計 制定其它技術資料的依據 電氣原理圖設計 擬定設計任務書 選擇方案 確定負載類型及其控制方式 根據用戶要求 擬定經濟技術指標 繪制電氣原理草圖 計算主要技術參數 選擇器件 編制器件目錄清單 編寫使用說明書 2 7電氣控制線路的簡單設計法 電氣工藝設計是實現電氣原理圖設計功能 為便于組織電氣系統的制造 施工 調試 維護 使用提供必備的技術資料 2 電氣工藝設計 依據原理圖及其選擇的器件 設計平面圖 布局圖等 依據原理圖 也可按功能 組件 進行線路編號 確定器件安裝方式 繪制自制件加工圖 選擇或設計電器箱圖 繪制安裝圖 接線圖 技術資料匯總 各類圖紙 編寫使用維護說明書 2 7電氣控制線路的簡單設計法 四 電控設計的步驟與內容 控制方案的選擇與確定控制人員應根據專業知識 設備功能 用途 現場環境條件 用戶要求 控制目的 經濟承受能力等因素綜合考量 至少要作2個以上的方案 以供用戶 業主 設計相關者等甄選 方案設計實質是電路圖的設計 設計時 需要考量的因素有 主電路 負載屬性 負載對電源的要求 負載的連接方式 負載的啟動及運行方式 系統技術安全措施及負載的保護 本章小結 電氣工程圖表的分類 功能 作用 線條 圖符 標注等繪制要求 基本控制電路的控制功能及實現方法 基本控制電路的保護特點及其種類 作用等 電機調速的意義 應用和選擇方法 電路圖的閱讀分析 74 概述PLC的硬件組成PLC的軟件系統PLC的工作原理PLC的主要指標PLC的分類 第3章PLC概述 軟硬件組成及工作原理 75 可編程序邏輯控制器簡稱為PLC ProgrammableLogicalController 也常稱為可編程序控制器即PC ProgrammableController 它是微機技術與繼電接觸器常規控制概念相結合的產物 即采用了微型計算機的基本結構和工作原理 融合了繼電接觸器控制的概念構成的一種新型電控器 它專為在工業環境下應用而設計 它采用可編程序的存儲器 用來存儲執行邏輯運算 順序控制 定時 計數和算術運算等操作的指令 并通過數字式 模擬式的輸入和輸出 控制各種類型的機械或生產過程 1987年 國際電工委員會 IEC 對它定義如下 一種數字運算操作的電子系統裝置 專為在工業現場應用而設計 它采用可編程序的存儲器 用來在其內部存儲執行邏輯運算 順序控制 定時 計數和算術運算等操作的指令 并通過數字式或模擬式的輸入和輸出 控制各種類型的機械或生產過程 在早期 主要用于替代繼電 接觸的順序控制 因此 又稱為可編程邏輯控制器 ProgrammablelogiccontrollerPLC 77 PLC的產生和發展 PLC的發展經歷了五個重要時期 1 從產生到20世紀70年代初期 CPU由中小規模數字集成電路組成 存儲器為磁芯存儲器 控制功能比較簡單 2 20世紀70年代末期 采用CPU微處理器 存儲器采用半導體存儲器 體積減小 數據處理能力有很大提高 3 20世紀70年代末到80年代中期 PLC開始采用8位和16位微處理器 使數據處理能力和速度大大提高 4 20世紀80年代中期到90年代中期 超大規模集成電路促使PLC完全計算機化 CPU已經開始采用32位微處理器 5 20世紀90年代中期至今 PLC使用16位和32位微處理器 出現了智能化模塊 可以實現對各種復雜系統的控制 78 1 通用性強 由于采用了微型計算機的基本結構和工作原理 而且接口電路考慮了工業控制的要求 輸出接口能力強 因而對不同的控制對象 可以采用相同的硬件 只需編制不同的軟件 就可實現不同的控制 2 接線簡單 只要將用于控制的接線 限位開關和光電開關等接入控制器的輸入端 將被控制的電磁鐵 電磁閥 接觸器和繼電器等功率輸出元件的線圈接至控制器的輸出端 就完成了全部的接線任務 3 編程容易 一般使用與繼電接觸器控制電路原理圖相似的梯形圖或用面向工業控制的簡單指令形式編程 因而編程語言形象直觀 容易掌握 具有一定的電工和工藝知識的人員可在短時間學會并應用自如 4 抗干擾能力強 可靠性高 PLC的輸入輸出采取了隔離措施 并應用大規模集成電路 故它能適應各種惡劣的環境 能直接安裝在機器設備上運行 5 容量大 體積小 重量輕 功耗少 成本低 維修方便 例如一臺具有128個輸入輸出點的小型PLC 其尺寸為216 127 110mm3 重約2 3Kg 空載功耗為1 2W 它可以完成相當于400 800個繼電器組成的系統的控制功能 而其成本僅相當于相同功能繼電器系統的 10 20 PLC一般采用模塊結構 又具有自診斷功能 判斷故障迅速方便 維修時只需更換插入式模塊 因而維修十分方便 1 與繼電接觸器的異同 相同點 名詞 術語 圖形結構和邏輯關系相同 不同點 控制邏輯不同 工作方式不同 2 與計算機的異同 相同點 結構相近 工作原理相同 不同點 主要體現在對程序的執行方式 3 與單片機的異同 相同點 均采用了計算機技術 不同點 開發出發點不同 編程方式方法不同 80 2 按I O點數和存儲容量分類 大型PLC I O點數在2048點以上 存儲器容量8K以上 小型PLC I O點數在256點以下 存儲器容量2K 中型PLC I O點數在256 2048點之間 存儲器容量2K 8K 81 當今世界上PLC生產廠家按地域可分為三大流派 美國 歐洲和日本 美國是PLC生產大國 有100多家PLC廠商 著名的有A B公司 通用電氣 GE 公司 莫迪康 MODICON 公司 德州儀器 TI 公司 西屋電氣公司等 歐洲著名的PLC生產廠商有德國的西門子 SIEMENS 公司 AEG公司 法國的TE公司等 日本有許多PLC制造商 如 三菱 歐姆龍 松下 富士 日立 東芝等 我國的PLC生產廠家規模一般不大 主要有無錫華光電子工業有限公司 上海香島機電制造有限公司 杭州機床電器廠 天津中環自動化儀表公司等 82 PLC的硬件組成 PLC生產廠家很多 產品的結構也各不相同 但其基本構成是一樣的 都采用計算機結構 如下圖所示 都以微處理器為核心 通過硬件和軟件的共同作用來實現其功能 PLC主要有六部分組成 CPU 中央處理器 存儲器 輸入 輸出 I O 接口電路 電源 外設接口 輸入 輸出 I O 擴展接口 整體式 組合式 PLC的基本分類 小型機常采用整體式 中 大型機常采用組合式 83 整體式PLC的基本組成框圖 84 組合式PLC的基本組成框圖 85 輸入并存儲用戶程序 顯示輸入內容和地址 CPU指揮PLC完成各種預定的功能 檢查 校驗用戶程序 發現錯誤即報警 執行用戶程序 驅動外部輸出設備動作 診斷故障 記憶故障信息并報警 CPU單元 86 1 中央處理單元 CPU 1 從程序存儲器讀取程序指令 編譯 執行指令 2 將各種輸入信號取入 3 把運算結果送到輸出端 4 響應各種外部設備的請求 PLC中所采用的CPU通常有三種 1 通用處理器 8086 80286 80386 2 單片機芯片 8031 8096 3 位片式微處理器 AMD 2900小型PLC多采用8位微處理器或單片機作為CPU中型PLC多采用16位微處理器或單片機作為CPU大型PLC多采用高速位片式微處理器 87 系統程序存儲器 存儲系統系統程序 用戶程序存儲器 存儲系統用戶程序 工作數據存儲器 存儲工作數據 存儲器 RAM 存儲各種暫存數據 中間結果 用戶正調試的程序 ROM 存放監控程序和用戶已調試好的程序 88 I O單元 PLC與外部設備聯系的橋梁 開關量輸入單元 開關量輸出單元 89 輸入 輸出接口 采用光電隔離 實現了PLC的內部電路與外部電路的電氣隔離 減小了電磁干擾 輸出接口作用 將主機向外輸出的信號轉換成可以驅動外部執行電路的信號 以便控制接觸器線圈等電器通斷電 另外輸出電路也使計算機與外部強電隔離 輸出接口電路按照PLC的類型不同一般分為繼電器輸出型 晶體管輸出型和晶閘管輸出型3類以滿足各種用戶的需要 其中繼電器輸出型為有觸點的輸出方式 可用于直流或低頻交流負載 晶體管輸出型和晶閘管輸出型都是無觸點輸出方式 前者適用于高速 小功率直流負載 后者適用于高速 大功率交流負載 輸入接口作用 將按鈕 行程開關或傳感器等產生的信號 轉換成數字信號送入主機 90 PLC的軟件系統 系統程序系統程序是由PLC的制造者采用匯編語言編寫的 固化于ROM型系統程序存儲器中 用于控制PLC本身的運行 用戶不能更改 系統程序分為 1 系統管理程序2 用戶指令解釋程序3 標準程序模塊和系統調用程序 91 用戶程序用戶程序又稱為應用程序 是用戶為完成某一控制任務而利用PLC的編程語言編制的程序 用戶程序是線性地存儲在系統程序制定的存儲區內 1 用戶環境用戶環境是由系統程序生成的 它包括用戶數據結構 用戶元件區 用戶程序存儲區 用戶參數 文件存儲區等 2 用戶程序結構用戶程序結構大致可以分為三種 1 線性程序 2 分塊程序 3 結構化程序3 用戶程序語言PLC的編程語言有多種 其中梯形圖 語句表 功能塊圖是三種基本語言 92 PLC的循環掃描工作過程 接線程序控制與存儲程序控制 輸入 輸出滯后響應 PLC的工作原理 93 繼電接觸器控制系統 又稱為接線程序控制系統 是通過電器元器件的固定接線來實現控制邏輯 完成控制任務的 94 在PLC控制系統中 用戶根據控制要求編制出相應的控制程序 并寫入PLC的程序存儲器中 系統運行時 PLC將程序執行結果輸出給相應的輸出設備 控制被控對象工作 這種控制稱為存儲程序控制 95 PLC的工作方式為循環掃描方式 其工作過程大致分為3個階段 輸入采樣 程序執行和輸出刷新 96 循環掃描工作流程 PLC 接通電源 初始化 硬件檢查 正常 異常報警 異常處理 掃描周期監視 執行用戶程序 程序結束 掃描周期檢查 有固定設置 等待 掃描周期計算 I O刷新 外設端口服務 異常 97 1 PLC掃描工作各環節的功能 PLC上電后 首先檢查硬件是否正常 按自上而下的順序 逐條讀用戶程序并執行 對輸入的數據進行處理 將結果存入元件映象寄存器 計算掃描周期 若正常 則進行下一步 若不正常 則報警并作處理 母線 I O刷新階段 外設端口服務 讀輸入點的狀態并寫入輸入映像寄存器 將元件映像寄存器的狀態經輸出鎖存器 輸出電路送到輸出點 訪問外設端口連接的外部設備 98 讀 讀 讀 寫 寫 執行用戶程序 2 PLC執行用戶程序的過程 99 3 PLC控制的原理 等效電路圖 SB1 公共端 公共端 輸出端子 輸入端子 主電路 100 線圈通電 SB1閉合 00000閉合 接點閉合 觸點閉合 電動機轉 觸點閉合 101 線圈斷電 00001斷開 接點斷開 觸點斷開 電動停轉 觸點斷開 SB2閉合 102 4 PLC執行用戶程序的特點 按梯形圖自左向右 自上而下逐次執行程序 執行程序時所需數據取自于 輸入映像寄存器 元件映像寄存器 輸入映像寄存器和元件映像寄存器中的數據 元件映像寄存器 在一個掃描周期中可讀可寫 輸入映像寄存器 在一個掃描周期中保持不變 每個掃描周期I O刷新階段集中讀入 讀出數據 103 從PLC工作過程的分析中可知 由于PLC采用循環掃描的工作方式 而且對輸入和輸出信號只在每個掃描周期的I O刷新階段集中輸入并集中輸出 所以必然會產生輸出信號相對輸入信號的滯后現象 響應時間或滯后時間 即從PLC的輸入端有一個輸入信號發生變化到PLC的輸出端對該輸入信號的變化做出反應需要一段時間 滯后時間是設計PLC控制系統時應了解的一個重要參數 104 滯后時間的長短與以下因素有關 輸入電路濾波時間 它由RC濾波電路的時間常數決定 改變時間常數可調整輸入延遲時間 PLC循環掃描的工作方式 用戶程序中語句的安排 PLC對輸入采樣 輸出刷新的集中處理方式 輸出電路的滯后時間 它與輸出電路的輸出方式有關 繼電器輸出方式的滯后時間為10ms左右 雙向晶閘管輸出方式 在接通負載時滯后時間約為1ms 切斷負載時滯后時間小于10ms 晶體管輸出方式的滯后時間小于1ms 105 CPU讀輸入 輸入輸出延遲時間 最短響應時間 輸入 輸出刷新時間 最短響應時間 輸入延遲時間 一個掃描周期 輸出延遲時間 106 CPU讀輸入 輸入 輸出刷新時間 最長響應時間 輸入延遲時間 兩個掃描時間 輸出延遲時間 輸入輸出延遲時間 最長響應時間 第3章PLC概述 軟硬件組成及工作原理 107 I O響應時間的估算 以20點的繼電器輸出型CPM1A為例 設輸入ON延時為8毫秒公共處理和I O刷新時間為2毫秒執行用戶程序時間為14毫秒輸出ON延時為15毫秒 輸入狀態經過一個掃描周期后在輸出得到響應 最小I O響應時間 輸入狀態經過兩個掃描周期后在輸出得到響應 最大I O響應時間 第3章PLC概述 軟硬件組成及工作原理 108 最小I O響應時間的計算 最小I O響應時間 輸入ON延時 公共處理 I O刷新時間 執行程序時間 輸出ON延時 8 2 14 15 39ms 輸入觸點 輸入濾波 輸出鎖存 輸出觸點 輸入ON延時 輸出ON延時 I O響應時間 第3章PLC概述 軟硬件組成及工作原理 109 輸入ON延時 最大I O響應時間 輸入ON延時 公共處理 I O刷新 執行程序 2 輸出ON延時 8 2 14 2 15 55ms 最大I O響應時間的計算 輸出ON延時 I O響應時間 第3章PLC概述 軟硬件組成及工作原理 110 程序語句安排對I O響應時間的影響舉例 當SB閉合 經過輸入濾波 設第一個掃描周期I O刷新時00000的映像寄存器ON 第一個掃描周期結束時 01000為OFF 01000只能在第二個掃描周期結束后才能ON 第3章PLC概述 軟硬件組成及工作原理 111 當SB閉合 經過輸入濾波 設第一個掃描周期00000的映像寄存器ON 01000在第一個掃描周期結束后就能ON 續 如果將梯形圖的第一與第二梯級交換 如下圖 顯然 程序語句的安排對I O響應的影響很大 第3章PLC概述 軟硬件組成及工作原理 112 PLC的主要指標 1 輸入 輸出 I O 點數PLC上的I O端子的個數 I O點數越多 外部可接的輸入和輸出元器件就越多 控制規模就越大 2 存儲容量這里說的存儲容量指的是用戶程序存儲器的容量 也有的PLC用存放用戶程序的指令條數來表示容量 3 掃描速度掃描速度是指PLC執行程序的速度 是衡量PLC性能的重要指標 4 指令的種類和條數編程指令的種類和條數是衡量PLC軟件功能強弱的主要指標 5 特殊I O單元 高級模塊或智能模塊 PLC不僅能完成開關量的邏輯控制 而且利用特殊I O單元可完成模擬量控制 運動控制 模糊控制 定位控制 高速中斷控制 通信聯網等功能 6 支持軟件符合IEC1131 3標準的語言 為用戶提供方便的編程環境 第3章PLC概述 軟硬件組成及工作原理 113 小結 一 PLC的定義二 PLC的特點三 PLC的系統組成四 PLC的工作原理 第3章PLC概述 軟硬件組成及工作原理 114 第4章S7 200PLC基礎知識 S7 200PLC的硬件組成S7 200PLC的內部器件資源S7 200PLC的數據類型S7 200PLC的尋址方式S7 200PLC的編程語言和程序結構 115 S7 200系列PLC系統結構與產品特性 CPU221 數字量10點 CPU222 40入 38出 78數字量模擬量8入或4出或8入 2出 CPU224 94入 74出 168數字量模擬量28入或14出或28入 7出 最大2個模塊 無擴展能力 CPU226 XM 128入 120出 248數字量模擬量28入或14出或28入 7出 第4章S7 200PLC基礎知識 116 這幾種CPU模塊的外部結構大體相同 其外部結構如圖所示 CPU224XP和CPU226有兩個通信口 第4章S7 200PLC基礎知識 SIMATICS7 200系統由硬件和工業軟件兩大部分構成 如圖所示 工業軟件西門子的工業軟件分為三個不同的種類 編程和工程工具編程和工程工具包括所有基于PLC或PC用于編程 組態 模擬和維護等控制所需的工具 STEP7標準軟件包SIMATICS7是用于S7 300 400 C7PLC和SIMATICWinAC基于PC控制產品的組態編程和維護的項目管理工具 STEP7 Micro WIN是在Windows平臺上運行的S7 200系列PLC的編程 在線仿真軟件 基于PC的控制軟件基于PC的控制系統WinAC允許使用個人計算機作為可編程序控制器 PLC 運行用戶的程序 運行在安裝了WindowsNT4 0操作系統SIMATIC工控機或其它任何商用機 WinAC提供兩種PLC 一種是軟件PLC 在用戶計算機上作為視窗任務運行 另一種是具有硬件PLC全部功能的插槽PLC 在用戶計算機上安裝一個PC卡 WinAC與SIMATICS7系列處理器完全兼容 其編程采用統一的SIMATIC編程工具 如 STEP7 編制的程序既可運行在WinAC上 也可運行在S7系列處理器上 人機界面軟件人機界面軟件是為用戶自動化項目提供人機界面 HMI 或SCADA SupervisoryControlandDataAcquisition監控與數據采集 系統 支持大范圍的平臺 人機界面軟件有兩種 一種是應用于機器級的ProTool 另一種是應用于監控級的WinCC ProTool適用于大部分HMI硬件的組態 WinCC是一個真正開放的 面向SCADA的軟件 可在任何標準PC上運行 121 S7 200系列PLC的內部資源 PLC中的每一個輸入 輸出 內部存儲單元 定時器和計數器等都稱為軟元件 各軟元件有其不同的功能 有固定的地址 軟元件的數量決定了PLC的規模和數據處理能力 每一種PLC的軟元件是有限的 編程時 用戶只需記住軟元件的地址即可 每一個軟元件都有一個地址與之相對應 軟元件的地址編排采用區域號加區域內編號的方式 第4章S7 200PLC基礎知識 122 PLC內部根據軟元件的功能不同 分成了許多區域 輸入繼電器 I 輸出繼電器 Q 內部位存儲器 M 特殊存儲器 SM 變量存儲器 V 局部變量存儲器 L 第4章S7 200PLC基礎知識 123 定時器 T 計數器 C 模擬量輸入映像寄存器 AI 模擬量輸出映像寄存器 AQ 高速計數器 HC 累加器 AC 順序控制繼電器 S 第4章S7 200PLC基礎知識 軟元件PLC中的每一個輸入 輸出 內部存儲單元 定時器和計數器等都稱為軟元件 軟元件有其不同的功能 有固定的地址 其特點為 軟元件不存在物理性的觸點 軟元件的觸點可以無限次使用 體積小 功耗低 壽命長 1 輸入映像寄存器 輸入繼電器 1 輸入映像寄存器的工作原理輸入繼電器是PLC用來接收用戶設備輸入信號的接口 PLC中的 繼電器 與繼電器控制系統中的繼電器有本質性的差別 是 軟繼電器 它實質是存儲單元 2 輸入映像寄存器的地址分配S7 200輸入映像寄存器區域有IB0 IB15共16個字節的存儲單元 系統對輸入映像寄存器是以字節 8位 為單位進行地址分配的 2 輸出映像寄存器 輸出繼電器 1 輸出映像寄存器的工作原理 輸出繼電器 是用來將輸出信號傳送到負載的接口 每一個 輸出繼電器 線圈都與相應的PLC輸出相連 并有無數對常開和常閉觸點供編程時使用 2 輸出映像寄存器的地址分配 S7 200輸出映像寄存器區域有QB0 QB15共16個字節的存儲單元 系統對輸出映像寄存器也是以字節 8位 為單位進行地址分配的 3 變量存儲器V 變量存儲器主要用于存儲變量 可以存放數據運算的中間運算結果或設置參數 在進行數據處理時 變量存儲器會被經常使用 變量存儲器可以是位尋址 也可按字節 字 雙字為單位尋址 其位存取的編號范圍根據CPU的型號有所不同 CPU221 222為V0 0 V2047 7共2KB存儲容量 CPU224 226為V0 0 V5119 7共5KB存儲容量 4 內部標志位存儲器 中間繼電器 M 內部標志位存儲器 用來保存控制繼電器的中間操作狀態 其作用相當于繼電器控制中的中間繼電器 內部標志位存儲器在PLC中沒有輸入 輸出端與之對應 其線圈的通斷狀態只能在程序內部用指令驅動 其觸點不能直接驅動外部負載 只能在程序內部驅動輸出繼電器的線圈 再用輸出繼電器的觸點去驅動外部負載 5 特殊標志位存儲器SM PLC中還有若干特殊標志位存儲器 特殊標志位存儲器提供大量的狀態和控制功能 用來在CPU和用戶程序之間交換信息 特殊標志位存儲器能以位 字節 字或雙字來存取 CPU224的SM的位地址編號范圍為SM0 0 SM179 7共180個字節 其中SM0 0 SM29 7的30個字節為只讀型區域 6 局部變量存儲器L 局部變量存儲器L用來存放局部變量 局部變量存儲器L和變量存儲器V十分相似 主要區別在于全局變量是全局有效 即同一個變量可以被任何程序 主程序 子程序和中斷程序 訪問 而局部變量只是局部有效 即變量只和特定的程序相關聯 7 定時器T PLC所提供的定時器作用相當于繼電器控制系統中的時間繼電器 每個定時器可提供無數對常開和常閉觸點供編程使用 其設定時間由程序設置 8 計數器C 計數器用于累計計數輸入端接收到的由斷開到接通的脈沖個數 計數器可提供無數對常開和常閉觸點供編程使用 其設定值由程序賦予 9 高速計數器HC 一般計數器的計數頻率受掃描周期的影響 不能太高 而高速計數器可用來累計比CPU的掃描速度更快的事件 高速計數器的當前值是一個雙字長 32位 的整數 且為只讀值 10 累加器AC 累加器是用來暫存數據的寄存器 它可以用來存放運算數據 中間數據和結果 CPU提供了4個32位的累加器 其地址編號為AC0 AC3 累加器的可用長度為32位 可采用字節 字 雙字的存取方式 按字節 字只能存取累加器的低8位或低16位 雙字可以存取累加器全部的32位 11 順序控制繼電器S 狀態元件 順序控制繼電器是使用步進順序控制指令編程時的重要狀態元件 通常與步進指令一起使用以實現順序功能流程圖的編程 12 模擬量輸入 輸出映像寄存器 AI AQ S7 200的模擬量輸入電路是將外部輸入的模擬量信號轉換成1個字長的數字量存入模擬量輸入映像寄存器區域 區域標志符為AI 4 5S7 200指令系統 S7 200系列PLC有兩類基本指令集 SIMATIC指令集和IEC1131 3指令集 都提供了許多類型的指令以完成廣泛的自動化任務 編程時可以任選一種 SIMATIC指令集 是為S7 200系列PLC設計 可以用LAD STL和FBD三種語言編程 具有功能豐富 執行時間短等特點 IEC1131 3指令集 是國際上為PLC設備編程語言制定的一個通用標準 不同于各PLC廠家自選的的指令標準與字符 因而 它不能使用STL編程語言 一 S7 200指令系統簡介 4 5S7 200指令系統 二 S7 200指令系統分類 S7 200指令因選用的編程語言和計算方法的不同 指令條目約267 180條不等 其中邏輯指令106條 全部指令可分為基本指令和高級指令兩大類 西門子分為17個類別 基本指令 基本位操作指令包括位操作 置 復位 邊沿觸發 定時 計數 比較等指令 是梯形圖基本的指令基礎 也是最常用的指令類型 運算指令包括算術運算和邏輯運算兩大類 算術運算有加 減 乘 除運算和常用的數學函數變換 邏輯運算包括與 或指令和取反指令等 4 5S7 200指令系統 數據處理指令包括數據的傳送指令 變換 填充指令 移位指令等 程序控制指令包括系統控制 跳轉 循環 順序控制等指令 系統控制類指令包括暫停 結束 看門狗等指令 2 高級指令 表處理類指令可以方便的在表格中存 取字類型的數據 表功能指令有ATT FIFO LIFO FND指令等 轉換指令類型主要用來對操作數的類型進行轉換 它主要包括了3種情況 即數據類型轉換 碼類型轉換以及數據與碼之間的轉換 中斷技術在PLC的人機聯系 實用處理 網絡通信 高速記數等方面有重要應用 中斷主要包括中斷響應和中斷程序 4 5S7 200指令系統 但在實際應用中 PLC作為用于自動化的智能型控制器 其專用于控制的指令也不足40條 再加上系統復雜程度 編程人員應用語言熟練程度 編程水平高低 以及單個指令的執行時間等方面的因素 真正應用的控制指令不過25 3