知识模块一 电动机正反转控制 1.1 教学组织 1.2 教学内容 1.3 课堂演示电动机正反转控制实例 1.4 技能训练 边学边议,1.1 教 学 组 织 一、教学目的 (1) 了解可编程控制器的产生、分类及特点。 (2) 掌握可编程控制器的梯形图编程语言及梯形图编程规则。 (3) 熟悉可编程控制器的基本逻辑指令。 (4) 掌握PLC输入/输出端子的接线。 (5) 理解PLC控制系统。,1.2 教 学 内 容 1.2.1 PLC概述 一、PLC的产生与定义 继电器控制系统是将接触器、继电器、定时器等各种电器元件及其触头通过导线连接起来，形成一定的逻辑关系，从而达到相应的控制目的。继电器控制系统产生于20世纪20年代，因其结构简单、价格便宜、便于掌握，在一定范围内能满足控制要求，所以它在工业控制中一直占有主导地位。这种控制系统是由实际的物理器件组成，靠硬接线逻辑构成的系统，因此存在设备体积大、接线复杂、动作速度慢、功能少而固定、可靠性差、难于实现较复杂的控制功能等缺点。当生产工艺改变时，继电器控制系统原有的接线和控制面板就要更换，缺乏通用性和灵活性。,20世纪60年代末期，美国汽车制造业竞争激烈，要求生产线能随生产要求或市场要求的变化作出相应的改变，这往往要求整个控制系统也应重新设计配置。为了能够适应新的生产工艺的要求，寻求一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器势在必行。1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM公司)对继电器控制系统公开招标，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，引起了开发热潮。这十大条件是： (1) 编程方便，可现场修改程序； (2) 维修方便，采用插件式结构；,(3) 可靠性高于继电器控制系统； (4) 体积小于继电器控制柜； (5) 数据可直接送入管理计算机； (6) 成本可与继电器控制柜竞争； (7) 输入可为市电； (8) 输出可为市电，容量要求在2 A以上，可直接驱动接触器等； (9) 扩展时原系统改变最少； (10) 用户存储器大于2 KB。 这十项指标归纳起来，就是现在PLC的最基本的功能。其核心要求体现为四点：,(1) 用计算机代替继电器控制柜； (2) 用程序代替硬接线； (3) 输入/输出电平可与外部装置直接相连； (4) 结构易于扩展。 1969年，美国数字设备公司(DEC公司)为GM公司研制出了世界上第一台可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，并在其汽车自动装配线上试用成功。 20世纪70年代，随着电子及计算机技术的发展，出现了微处理器和微计算机，并被应用于PLC中，使其具备了逻辑控制，运算，数据分析、处理以及传输等功能。美国电气制造商协会NEMA(National Electrical Manufacturers Association)于1980年正式命名这种新型的工业控制装置为可编程控制器(Programmable Controller)，简称PC。为了与个人计算机(Personal Computer)相区别，常把可编程控制器仍简称为PLC。,可编程控制器一直在发展中，直到现在，还未能对其下最后定义。国际电工委员会(IEC)于1987年2月颁布了可编程控制器的标准草案第三稿。该草案中对可编程控制器的定义是：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程的存储器，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，并通过数字式和模拟式的输入与输出，控制各种类型机械的生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。”,现今PLC开始向小型化、高速度、高性能、高可靠性等方面发展，并形成了多种系列产品，编程语言也不断丰富，使其在现今的工业控制领域中占据着主导地位。 总之，可编程控制器是以微处理器为基础，将计算机技术与自动控制技术融为一体的工业控制产品，是在硬接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的。PLC实际上是一种工业控制计算机，目前已被广泛应用于工业控制领域。,二、PLC的分类及应用 1. PLC的分类 可编程控制器具有多种分类方式，了解这些分类方式有助于对PLC进行选型及应用。 1) 根据I/O点数分类 PLC的I/O点数就是指PLC的输入(I)、输出(O)点数。I/O点数表明了PLC可从外部接收多少个输入信号和向外部发出多少个输出信号，实际上也就是PLC的输入、输出端子数。根据I/O点数的多少可将PLC分为微型机、小型机、中型机、大型机和巨型机。一般来说，控制系统越复杂，要求PLC的I/O点数也就越多，控制功能也相应越强。,(1) 微型机：I/O点数总数在64点以下，内存容量为256 B1 KB。微型机的结构为整体式，主要用于小规模的开关量控制。 (2) 小型机：I/O点数总数在65128点之间，内存容量为13.6 KB。小型机一般只具有逻辑运算、定时、计数和位移等功能，适用于中小型规模开关量的控制，可用它实现条件控制、顺序控制等。有些小型机也增加了一些算术运算和模拟量处理等功能，能适应更广泛的需要。目前的小型机一般也具有数据通信等功能。 微型机和小型机的特点是价格低，体积小，适用于控制自动化单机设备，开发机电一体化产品。,(3) 中型机：I/O点数总数在129512点之间，内存容量为3.613 KB。中型机不仅具备逻辑运算功能，还增加了模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和数据通信等功能，可完成既有开关量又有模拟量的复杂控制。中型机的软件比小型机丰富，在已固化的程序中，一般还有PID调节、整数/浮点运算等功能模块。 中型机的特点是功能强，配置灵活，适用于小规模的综合控制系统。 (4) 大型机：I/O点数总数在513896点之间，内存容量为13 KB。大型机的功能更加完善，具有数据运算、模拟调节、联网通信、监视记录和打印等功能。监控系统采用CRT显示，能够显示生产过程的工艺流程、各种曲线、PID调节参数选择图等，能进行中断控制、智能控制、远程控制等。,大型机适用于温度、压力、流量、速度、角度、位置等模拟量控制和大量开关量控制的复杂系统以及连续生产过程的控制场合。 (5) 巨型机：I/O点数总数大于896点，内存容量大于 13 KB。 巨型机的特点是I/O点数特别多，控制规模宏大，组网能力强，可用于大规模控制系统。 上述划分方式并不十分严格，也不是一成不变的。,2) 根据结构形式分类 从结构上看，PLC可分为整体式、模块式和分散式3种形式。 (1) 整体式。一般的微型机和小型机多为整体式结构，其电源、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。整体式的PLC结构紧凑、体积小、重量轻、价格低，容易装配在工业控制设备的内部，比较适合于生产机械的单机控制。它的缺点是主机的I/O点数固定，使用不够灵活，维修也较麻烦。整体式结构的PLC如图1-1和图1-2所示。,图1-1 三菱PLC FX1N系列,图1-2 三菱PLC FX2N系列,FX系列PLC的外形如图1-3所示。图中，1安装孔4个；2电源、辅助电源、输入信号用的可装卸式端子；3输入指示灯；4输出动作指示灯；5输出用的可装卸式端子；6外围设备接线插座、盖板；7面板盖；8DIN导轨装卸用卡子；9I/O端子标记；10动作指示灯(POWER为电源指示灯，RUN为运行指示灯，BATTV为电池电压下降指示灯，PROG E指示灯闪烁时表示程序出错，CPU E指示灯亮时表示CPU出错)；11扩展单元、扩展模块、特殊单元、特殊模块的接线插座盖板；12锂电池；13锂电池连接插座；14另选存储器滤波器安装插座；15功能扩展安装插座；16内置RUN/STOP开关；17编程设备、数据存储单元的接线插座。,图1-3 FX系列PLC的外形图,(2) 模块式。模块式(又称积木式)结构的PLC各部分以单独的模块分开设置，如电源模块、CPU模块、输入模块、输出模块及其他智能模块等。模块式结构的PLC用搭积木的方式组成系统，由框架和模块组成。这种结构的PLC配置灵活、装备方便、维修简单、易于扩展，可根据控制要求灵活配置所需模块，构成功能不同的各种控制系统。一般中型机、大型机和巨型机PLC均采用这种结构。模块式PLC的结构外形如图1-4所示。,图1-4 模块式PLC的结构外形 (a) 模块插入机箱的情形； (b) 模块插板,模块式PLC的缺点是结构较复杂，各种插件多，因而增加了造价。 (3) 分散式。分散式的结构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。,3) 根据生产厂家分类 PLC的生产厂家很多，每个厂家生产的PLC点数、容量、功能各有差异，但都各成系统，指令以及外设向上兼容，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。比较有代表性的生产厂家有日本立时OMRON公司的C系列，三菱MITSUBISHI公司的F系列，东芝TOSHIBA公司的EX系列，美国哥德GOULD公司的M84系列，美国通用电气GE公司的GE系列，美国A-B公司的PLC-5系列，德国西门子SIEMENS公司的S5系列、S7系列等。,2. PLC的应用范围 PLC作为一种通用的工业控制器，可用于所有的工业领域，在开关量逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、通信联网等方面都得到了广泛应用。当前在国内外，可编程控制器已经被成功地应用到汽车、机械、冶金、石油、化工、交通、电力、电信、采矿、建材、食品、造纸、军工、家电等各个领域，并取得了相当可观的经济效益。,三、 PLC的特点 虽然可编程控制器的种类繁多，但为了适应工业环境，它们都具有以下特点： (1) 抗干扰能力强，可靠性极高。工业生产对电气控制设备的可靠性要求非常高，它应具有很强的抗干扰能力，能在很恶劣的环境下长期连续可靠地工作。在PLC的设计和制造过程中，采取了精选元器件及多层次抗干扰等措施，使PLC的平均无故障时间通常在5万小时以上，有些PLC的平均无故障时间可以达到几十万小时以上，如三菱公司的F1、F2系列的平均无故障时间可达到30万小时，有些高档机还要高很多，这是其他电气设备根本做不到的。,绝大多数用户都将可靠性作为选取控制装置的首要条件，因此PLC在硬件和软件方面均采取了一系列的抗干扰措施，保证了可编程控制器的高可靠性。 (2) 控制程序可变，具有很好的柔性。在生产工艺流程改变或生产线设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此PLC可以取代传统的继电器控制系统，而且具有继电器控制系统所不具备和无可比拟的优点。PLC除应用于单机控制外，在柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)以及工厂自动化(FA)中也被大量采用。,(3) 编程简单，使用方便。大多数PLC采用继电器控制形式的“梯形图编程方式”。这种面向生产的编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观，又易于被工矿企业电气技术人员所接受。与目前微机控制生产对象中常用的汇编语言相比，PLC的面向生产的编程方式更容易被操作人员所掌握。 (4) 功能完善。现在PLC具有数字和模拟输入/输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、功率驱动、通信、人机对话、记录显示等功能，使设备控制水平大大提高。 (5) 扩充方便，组合灵活。PLC产品具有各种扩展单元，可以方便地适应不同工业控制需要的不同输入/输出点数及不同输入/输出方式的系统。,(6) 减少了控制系统设计及施工的工作量。继电器控制系统采用硬接线来达到控制功能，而PLC则采用软件编程来达到控制功能，减少了设计及施工工作量。同时，PL