1、第四章可编程序控制器第四章可编程序控制器 第一节可编程序控制器的组成及工作过程一、继电器控制系统与PC控制系统 任何一种继电器控制系统都由三个基本部分组成,即输入部分、控制部分和输出部分,如图4-1所示。其中输入部分是指各类按钮、位置开关、转换开关、传感器等,用以产生控制信号;图4-1继电器控制系统图4-2PC控制系统二、可编程序控制器的组成及各部分作用图4-3所示是PC组成的原理框图。可以看出,PC应用了计算机技术,实质上它是一种专用计算机。图4-3PC组成的原理框图1.PC的基本组成 PC由基本单元、I/O扩展单元及外部设备三个基本部分组成。基本单元是以CPU为核心,配上存储器、输入单元、
2、输出单元及接口电路等构成,基本单元各部分均通过总线连接;扩展单元仅仅是输入输出点数的扩大,它与基本单元PC相连接使用;外部设备一般包括编程器及盒式磁带机、打印机、EPROM写入器等设备。2.PC主要部件功能CPU与通用微机一样,CPU是PC的核心部分,是PC的运算和控制中心。3.可编程序控制器的工作过程 PC采用周期循环扫描的工作方式,其工作过程如图4-4所示。这个过程可分为内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段,整个过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。扫描周期的长短和扫描速度有关,通常为1100ms。图4-4PC周期循环扫描示意图图4-5PC程序执行过程第二节可编程序控制器
3、的分类和特点一、可编程序控制器的分类 PC的产品种类繁多,型号规格也不统一,PC的分类见表4-1。二、可编程序控制器的特点 1.抗电磁干扰性能好 符合IEC801工业过程测量和控制装置的电磁兼容性标准。在不同的工业环境下会遇到各种各样的电磁干扰源,PC对传导性电干扰、电磁辐射干扰和静电干扰具有优良的抵抗剔除能力,保证了它在工业电磁干扰环境中用户不必再采取严格的抗干扰措施,甚至不接地(浮空)就能可靠运行。2.可靠性高 平均无故障时间(MTBF)超过4万5万小时,优秀新产品可高达十几万小时。另外,由于采用模块化设计,采用大规模、超大规模集成电路元件及其他集成元件,采用表面安装工艺,在结构设计上又特
4、别注重接线及接插的方便、可靠。因此,平均修复时间(MTTR)短。3.使用方便 首先是编程方便,所采用的梯形图编程方式和顺序功能表图编程方式,直观易学,特别适合于电气控制专业的习惯。这样不仅程序开发的速度快,而且程序的可读性强,软件维护方便。其次,PC的输入/输出通道的硬件设计都可与现有的传感器、开关、执行器件等直接连接,配置时只需选用,不必另加接口,接线也极为方便。4.组合方便、功能强、应用范围广 现代的PC不仅具有逻辑运算、定时、计数、步进等功能,而且还能完成A/D、D/A转换,数字运算和数据处理以及通信联网、生产过程控制等。PC产品具有多种扩展单元,可方便地适应各种工业控制中不同输入输出点
5、数及不同输入输出方式的系统。它既可用于开关量控制,又可用于模拟量控制;既可用于单机控制,又可用于组成多级控制系统;既可控制简单系统,又可控制复杂系统。因此,PC的应用范围很广。5.体积小、重量轻、功耗低 PC采用了半导体集成电路,外形尺寸很小,重量轻,功耗也很低,空载功耗约1.2W,一台收录机大小的PC具有相当于三个1.8m高的继电器控制柜的功能。由于PC的结构紧密,抗干扰能力强,可方便地将其装入机械设备内部,因此说PC是实现机电一体化较理想的控制设备。二、F系列PC的硬件结构及特点图4-6为F40MR硬件框图,它由基本单元、扩展单元、编程器、ROM盒四个部分组成。基本单元中有CPU、RAM、
6、ROM、锂电池及输入/输出接口;扩展单元包含输入/输出接口,其外形与基本单元类似,利用扁平电缆通过扩展槽与主机相连;编程器上有编程键盘、数码及I/O显示器、编程/监控选择开关,通过编程插头与PC机面板的外设插座相连;ROM盒用来固化已调试完成并需要长期使用的程序,它 利用ROM写入器写入程序,需运行其程序时,把它插入PC安装ROM的卡槽中即可。第三节小型可编程序控制器的硬件组成和性能一、F系列PC的型号、机种图4-6F40MR硬件框图三、F系列PC的性能F系列PC最常用的为F20M与F40M两种类型,其主要技术性能见表4-2。第四节F系列可编程序控制器的指令系统PC是按照用户控制要求编写的指令
7、程序来进行工作的,每一个程序由若干条PC指令组成。所谓指令,就是让PC执行某一操作功能的命令,每条指令由指令号、指令名称、目标元件(操作对象)组成。F系列PC共有20条基本指令。目标元件是指PC内部的软继电器,它们的功能是相互独立的,每种元件都用一定的字母表示,并给以一定的编号加以区分。元件的状态存放在指定的内存单元中,供编程时调用。用户在编制程序时,首先必须熟悉PC指令及每条指令涉及的软继电器的功能和编号。现以F40R型PC为例对其进行说明。一、内部继电器及其编号 1.输入继电器(X)输入继电器用来接受外部输入设备发来的开关量信号,并把它传给PC,它与PC的输入端相连,并提供无数对常开、常闭
8、触点,以供编程时调用。输入继电器只能由外部输入信号来驱动,编程指令不能控制它,它也不能直接驱动外部设备。2.输出继电器(Y)输出继电器将PC的输出信号传给外部负载,它仅有一对硬接线的常开触点,输出继电器通过这对常开触点与输出端相连,而内部使用的常开常闭触点有无数对,可供编程调用。输出继电器可直接驱动负载,但它只能由程序指令驱动,不能由外部信号驱动。其编号为 3.内部继电器 与外部没有直接联系,是PC内部的一种辅助继电器,每个内部继电器对应着内存的一个基本单元,可由输入继电器触点、输出继电器触点及其他内部器件触点驱动,它自己的触点也可以无限地多次使用。图4-7特殊继电器波形图图4-8定时器工作原
9、理a)延时接通b)延时断开图4-9计数器工作原理二、可编程序控制器的指令系统F系列PC用梯形图和指令表两种语言编程,二者相互对应,共有20条指令。以下介绍这些指令。1.LD、LDI、OUT指令LD(取):常开触点与母线连接指令;LDI(取反):常闭触点与母线连接指令;OUT(输出):线圈驱动指令,如图4-11所示。图4-10用计数器定时图4-11LD、LDI、OUT指令的使用2.AND、ANI指令AND(与):常开触点串联指令:ANI(与反):常闭触点串联指令,如图4-12所示。图4-12AND、ANI指令的使用3.OR、ORI指令OR(或):常开触点并联指令;ORI(或非):常闭触点并联指令
10、,如图4-13所示。图4-13OR、ORI指令的使用4.ORB指令ORB(块或):用于串联电路块的并联连接,如图4-14所示。图4-14ORB指令的使用5.ANB指令 ANB(块与):用于并联电路块的串联连接,如图4-15所示。图4-15ANB指令的使用图4-16S、R指令的使用6.S、R指令 S(置位):使元件状态保持;R(复位):使元件状态保持解除,如图4-16图4-17PLS指令的使用7.PLS指令 PLS(脉冲):将输入信号变成一个宽度为一个扫描周期的脉冲信号,但输入信号周期不变,如图4-17所示。PLS指令常用于计数器、移位寄存器的复位输入,目标元件:M100M377。8.RST指令
11、 RST(复位):用于移位寄存器或计数器的复位,如图4-18所示。图4-18RST指令的使用9.SFT指令SFT(移位):使移位寄存器的内容作移动的指令,如图4-19所示。图4-19SFT指令的使用图4-20使用NOP指令修改电路a)短路触点b)短路前面全部电路c)切断电路d)切断前面全部电路e)变换前面的电路10.NOP指令NOP(空操作):删除一条指令或空一条指令。11.CJP、EJP指令图4-21CJP、EJP工作示意图图4-22多重跳步指令的使用12.MC、MCR指令 MC(主控):公共串联触点的连接指令;MCR(主控复位):MC指令的复位指令。图4-23MC、MCR指令的使用13.E
12、ND指令 END(结束):表示程序结束。第五节可编程序控制器的程序设计 PC的程序设计一般是根据系统的控制要求,按一定的编程规则及方法画出梯形图,再根据梯形图写出程序清单。一、梯形图设计规则 梯形图是各种PC都能采用的一种编程语言,在编制梯形图时,应遵循一定的规则。图4-24规则4的说明a)、c)安排不当的电路b)、d)安排合适的电路图4-25规则5的说明a)不可编程b)可编程二、梯形图的设计方法 1.经验设计法 经验设计法是利用典型的控制环节和基本单元电路,根据被控对象的具体要求,依靠经验进行选择、组合,绘制出梯形图的一种方法,它沿用继电器逻辑控制电路的设计方法。下面以送料小车自动控制系统的
13、梯形图设计为例来说明这种方法。图4-26小车控制系统梯形图2.功能表图设计法在工业控制领域,顺序控制的应用很广,尤其是机械制造行业,几乎无一例外地采用顺序控制,实现自动循环过程,采用功能表图设计梯形图,逻辑严密,方法规范,简单直观。图4-27功能表图的组成图4-28动力头进给示意图图4-30通用逻辑指令编程的梯形图图4-29动力头控制功能表图图4-31用移位指令编程的动力头控制梯形图第六节可编程序控制器的应用随着PC产品的发展,其应用越来越广泛,PC在工业生产中的应用也就是选用合适的PC,并将其与现场I/O设备和必要的外围设备连接起来,构成一个控制系统,编制好相应的用户程序,对生产设备和生产过
14、程进行控制,实现被控对象的工艺要求,以提高生产效率和产品质量等。一、可编程序控制器应用系统设计步骤及内容 图4-32为PC控制系统设计的流程图,具体内容和步骤如下所述。1.分析控制系统的要求,确定控制任务 要应用PC,首先要详细分析被控对象、控制过程与要求,熟悉其工艺过程,然后列出控制系统中所有的功能和指标要求,明确控制任务。2.选用和确定用户I/O设备 根据系统控制要求,选用合适的用户I/O设备,并由此初步估算所需PC的I/O点数。3.选择PC型号 包括机型的选择、I/O点数的选择、存储器容量的选择、I/O模块的选择等。4.分配PC的I/O点,并设计PC的I/O端口接线图在分配I/O点编号时
15、应尽量将同一类的信号集中配置,地址号按顺序连续编排。例如,对彼此关联的输出器件(如电动机正转、反转等),其输出地址号应连续编写。5.系统的硬件、软件设计 用户软件设计的步骤进行用户软件设计时,其步骤为:6.联机统调在程序设计和控制台(柜)及现场施工完成后,就可进行联机统调。如不满足要求,可修改和调整系统的硬、软件,直到达到设计要求为止。待全部调试结束,可将程序固化在EPROM中,然后编制好技术文件,包括说明书、系统硬件图及应用程序等文件资料,最后交付使用。二、PC应用举例图4-33为某机械手动作示意图,用于生产线上将工件从左边搬运到右边。1.根据机械结构和工艺过程分析控制要求机械手的全部动作由
16、气缸驱动,而气缸又由相应的电磁阀控制,由图4-33可知,机械手的动作过程分为8个工步,即机械手下降夹紧上升右移下降放松上升左移8个动作后完成一个周期并回到原点。2.用户I/O设备及所需PC的I/O点数本例所需的用户I/O设备及I/O点数见表4-4,由表可知PC共需15点输入、6点输出。3.选择PC该机械手为纯开关量控制,且所需的I/O点数不多,因此选用一般的小型低档机即可,本例可选用F40MR型PC,其主机I/O点数为24/16点。图4-34PC I/O点的分配及编号4.PC I/O点的分配与编号 图4-34为机械手I/O点在F40MR上的分配及编号。5.控制程序设计因为在手动操作方式下,各种
17、动作都是用按钮控制来实现,其程序可独立于自动操作程序而另行设计。因此,总程序可分为两段独立的部分:手动操作程序和自动操作程序。程序的总结构如图4-35所示。图4-35总程序结构框图图4-36手动操作梯形图图4-37自动程序的功能表图图4-38自动操作程序的梯形图三、PC应用中应注意的一些问题 1.PC机型选择应注意的问题PC机型选择的基本依据是:在功能满足的前提下,保证可靠,使用维护方便,以获得最佳的性能价格比。PC的型号种类很多,在选用PC时还要考虑以下几个问题:图4-39PC输入电路a)直流输入b)交/直流输入c)交流输入图4-40PC输出电路a)继电器输出b)晶体管输出c)晶闸管输出2.
18、电源的使用要求1)PC的电源应与系统的动力设备电源分开配线,对于电源线来的干扰,PC本身具有足够的抑制能力。如果电源干扰特别严重,可安装一个1 1的隔离变压器以减少设备与地之间的干扰。3.接地良好的接地是保证PC安全可靠运行的重要条件。接地时,基本单元与扩展单元的接地点应接在一起。为了抑制附加在电源及输入端、输出端的干扰,应给PC接以专用地线,并且接地点要与其他设备分开,如图4-42a所示。若达不到这种要求,也可采用公共接地方式,如图4-42b所示。但是禁止图4-42c所示的串联接地方式,因为这种接地方式会产生各设备之间的电位差。图4-41运行时的紧急停车图4-42接地的处理a)各自接地b)公
19、共接地c)串联接地4.输入端接线与24V直流端子的使用F40M、F40E有直流24V接线端(24+),该接线端可为外部输入传感器(如接近开关或光电开关)提供电流,当24V端子作为传感器电源时,COM端是直流的O端。如果采用扩展单元,则应将基本单元和扩展单元的24V端子连接起来。另外任何外部电源都不能接到这个端子,也不允许与其他DC24V电源并接。当外部传感器使用PC内部电源时,应注意不要超过其容量,图4-43为一个输入端接线的示例。图4-43输入端接线5.输出接线1)PC的输出技术特性应查阅产品输出技术特性表,在输出端与负载之间连线时,若接入负载超过了规定的最大限值时,必须外接继电器或接触器,PC才能正常工作。若负载低于规定的最小限制时,应并联电阻电容串接吸收电路,图4-44是一个继电器输出端接线的示例。图4-44输出端接线图4-45PC的输出分组类型a)公共输出型b)分离输出型图4-46输出保护电路a)交流负载b)直流负载6.PC安装与布线时的其他注意事项为了避免其他外部的电干扰,PC应远离高压电源和高压设备,PC不能与高压电器安装在同一个控制柜内。图4-47图4-48图4-49
