電氣控制與PLC：第1章 可編程序控制器概述

1、第1章 可編程序控制器概述8/11/20221第1章 可編程序控制器概述可編程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC )是60年代末發(fā)展起來的一種新型的電氣控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)融為一體，被廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)機(jī)械和生產(chǎn)過程的自動控制。傳統(tǒng)的繼電接觸控制具有結(jié)構(gòu)簡單、易于掌握、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。但這類控制裝置體積大，耗電較多，功能少，特別是靠硬件連接構(gòu)成系統(tǒng)，接線復(fù)雜，通用性和靈活性差。PLC技術(shù)是目前工業(yè)自動化的三大技術(shù)支柱（CAD/CAM、機(jī)器人技術(shù)、PLC技術(shù)）之一，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。8/11/202221

2、987年2月國際電工委員會（IEC）對PLC作了定義： 可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)、運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入輸出，控制各種類型的生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷巴鈬O(shè)備，都易于工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。第1章 可編程序控制器概述8/11/20223可編程控制器的設(shè)計(jì)規(guī)范于1968年由美國通用汽車公司提出，當(dāng)時的目的是設(shè)計(jì)一種新的控制裝置以取代繼電器盤。要求簡單易懂、操作方便、價格便宜，并且時間響應(yīng)快、控制精度高、可靠性好、控制程序可隨工藝改變、易于與

3、計(jì)算機(jī)接口、維修方便等。對外公開招標(biāo)，提出了10項(xiàng)具體要求：1.1 PLC的產(chǎn)生和發(fā)展產(chǎn)生8/11/20224(1) 編程簡單，可在現(xiàn)場修改和調(diào)試程序；(2) 價格便宜，性價比高于繼電器控制系統(tǒng)；(3) 可靠性高于繼電器控制系統(tǒng)；(4) 體積小于有繼電器控制柜的體積，能耗少；(5) 能與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信；(6) 輸入可為市電；(7) 輸出可為市電，要求輸出電流2A以上，能直接驅(qū)動電磁閥等；(8) 具有靈活的擴(kuò)展能力；(9) 硬件維護(hù)方便，采用插入式模塊結(jié)構(gòu)；(10) 用戶存儲器容量至少在 4 kB 以上。 1.1 PLC的產(chǎn)生和發(fā)展產(chǎn)生8/11/202251969年，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC

4、）研制出第一臺PLC，在美國通用汽車自動裝配線上試用，獲得了成功。其核心是以下四個方面：(1)用計(jì)算機(jī)代替繼電控制盤；(2)用程序代替硬接線；(3) I/O電平可與外部裝置直接相連；(4)結(jié)構(gòu)易于擴(kuò)展。1.1 PLC的產(chǎn)生和發(fā)展產(chǎn)生8/11/202261969年，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC公司）研制出第一臺可編程控制器，并在美國通用汽車公司的自動生產(chǎn)線上安裝調(diào)試成功。1971年，日本從美國引進(jìn)技術(shù)。1973年，西歐國家也研制出了第一臺可編程控制器。1974年我國開始研制可編程控制器，1977年開始工業(yè)應(yīng)用。早期的可編程控制器為了取代繼電器控制，功能有限，常常用于開關(guān)量的控制。所以早期的可編程控制

5、器被稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC（Programmable Logic Controller)。1.1 PLC的產(chǎn)生和發(fā)展發(fā)展8/11/2022770年代可編程控制器采用通用微處理器后，功能得到大大的加強(qiáng)，不僅僅局限于邏輯控制。所以1980年正式命名為可編程控制器（Programmable Controller)，簡稱PC。但是PC已成為個人計(jì)算機(jī)（Personal Computer）的簡稱，為了區(qū)別仍把可編程控制器簡稱為PLC（PLC/PC/PLC）。目前，以16位和32位微處理器構(gòu)成的PLC，體積小、功能強(qiáng)、價格低，且編程方便，具有遠(yuǎn)程I/O和通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理和圖象顯示，已用于連續(xù)生

6、產(chǎn)過程的控制，成為實(shí)現(xiàn)工廠自動化的一大支柱。1.1 PLC的產(chǎn)生和發(fā)展發(fā)展8/11/20228 從PLC誕生以來，已迅速滲透到工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，包括從單機(jī)控制到工廠自動化；從機(jī)器人、柔性制造系統(tǒng)到工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前，PLC已廣泛用于冶金、機(jī)械、汽車制造、電力、石油、化工、交通、運(yùn)輸、紡織、建材、采礦以及家用電器等領(lǐng)域。1.2 PLC的主要功能和特點(diǎn)功能開關(guān)邏輯和順序控制PLC具有邏輯控制功能，特別適用于開關(guān)量控制系統(tǒng)、可以實(shí)現(xiàn)各種通斷控制。模擬控制（A/D 和 D/A 控制） 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，許多連續(xù)變化的物理量需要進(jìn)行控制，如溫度、壓力、流量、液位等，這些都屬于模擬量。過去，PLC對于模

7、擬量的控制主要靠儀表或分布式控制系統(tǒng)；目前，大部分PLC產(chǎn)品都具備處理這類模擬量的功能，而且編程和使用都很方便。8/11/20229定時/計(jì)數(shù)控制PLC具有很強(qiáng)的定時、計(jì)數(shù)功能，可以為用戶提供數(shù)十甚至上百個定時器與計(jì)數(shù)器。定時器的定時間隔可以由用戶加以設(shè)定；對于計(jì)數(shù)器，如果需要對頻率較高的信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，則可以選擇高速計(jì)數(shù)器。步進(jìn)控制這是PLC應(yīng)用最廣泛的一個領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器順序控制。PLC可應(yīng)用于單機(jī)控制，多機(jī)群控制，或生產(chǎn)自動線控制。例如：注塑機(jī)，組合機(jī)床，裝配、包裝流水線，電梯控制等。在步進(jìn)控制的應(yīng)用中，PLC廣泛使用的一種標(biāo)準(zhǔn)化語言順序功能圖(Sequential Functio

8、n Chart，SFC)來編制用戶程序，使得程序設(shè)計(jì)更簡捷、方便。1.2 PLC的主要功能和特點(diǎn)功能8/11/202210運(yùn)動控制 在機(jī)械加工行業(yè)，PLC與計(jì)算機(jī)數(shù)控（Computerized Numerical Control，簡稱CNC）集成在一起，用以完成機(jī)床的運(yùn)動控制。 數(shù)據(jù)處理PLC有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。它能進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；且具有數(shù)據(jù)顯示和打印等功能。新一代的大、中型PLC還可以進(jìn)行函數(shù)運(yùn)算、浮點(diǎn)運(yùn)算等。通信與聯(lián)網(wǎng)為了適應(yīng)工廠自動化(FA)系統(tǒng)發(fā)展的需要，PLC還具有與PLC之間、PLC與上級計(jì)算機(jī)之間的通信功能。使用PLC可以很方便地構(gòu)成“集中管理，分散

9、控制”的分布式控制系統(tǒng)，因此，PLC是實(shí)現(xiàn)工廠自動化的理想控制器。1.2 PLC的主要功能和特點(diǎn)功能8/11/202211 可靠性高、抗干擾能力強(qiáng) PLC專為在工業(yè)環(huán)境的惡劣條件下應(yīng)用而設(shè)計(jì)，一個設(shè)計(jì)良好的PLC能置于有很強(qiáng)的電噪聲、電磁干擾、機(jī)械振動、極端溫度和濕度很大的環(huán)境中。 在硬件設(shè)計(jì)方面采取的措施：(1)選用優(yōu)質(zhì)器件。(2)采用合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使它抗振動沖擊。(3)在輸入輸出電路中都采用了光電隔離，做到電浮空。(4)I/O端口除采用模擬器濾波以外，還加上數(shù)字濾波。(5)采用了電磁屏蔽措施。(6)先進(jìn)的電源電路防止由電源串入干擾信號。(7)合理的電路程序，一旦某模塊出現(xiàn)故障，進(jìn)行在線插

10、拔、調(diào)試時不會影響各機(jī)的正常運(yùn)行。1.2 PLC的主要功能和特點(diǎn)特點(diǎn)8/11/202212編程簡單，使用方便 PLC采用面向控制過程、面向問題的自然語言，容易掌握。這種編程方式雖然在PLC內(nèi)部增加了解釋程序，增加了程序執(zhí)行的時間，但對大多數(shù)機(jī)電控制設(shè)備來說，這是微不足道的。功能完善、通用性強(qiáng) 如今，PLC不僅具有邏輯運(yùn)算、定時、計(jì)數(shù)、順序控制等功能，而且還具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)值運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、PID控制、通信聯(lián)網(wǎng)等許多功能。同時，由于PLC產(chǎn)品的系列化、模塊化，以及品種齊全的硬件裝置，可以組成滿足各種要求的控制系統(tǒng)。 1.2 PLC的主要功能和特點(diǎn)特點(diǎn)8/11/202213設(shè)計(jì)安裝簡單、

11、維護(hù)方便PLC通過改變程序和少量接線即可實(shí)現(xiàn)不同的控制功能。 PLC的接線只需將輸入信號的設(shè)備(按鈕、開關(guān)等)與PLC輸入端子連接，將接受輸出信號執(zhí)行控制任務(wù)的執(zhí)行元件(接觸器、電磁閥等)與PLC輸出端子連接。接線簡單、工作量少，省去了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)接線和拆線的麻煩。體積小、重量輕，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化一臺體積很小的PLC具有相當(dāng)于三個1.8m高的繼電器柜的控制功能，一般節(jié)電可達(dá)50以上。PLC是專為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)，特別是小型機(jī)，其結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固、體積小巧，易于裝入機(jī)械內(nèi)部，是“機(jī)電一體化”較理想的控制設(shè)備。1.2 PLC的主要功能和特點(diǎn)特點(diǎn)8/11/202214功能強(qiáng)大PLC

12、除具有強(qiáng)大的邏輯功能外，還具有模擬量輸入/輸出、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)采集、通信聯(lián)網(wǎng)以及一些特殊功能模塊等功能。設(shè)計(jì)、調(diào)試周期短PLC控制功能主要是通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橛布脑O(shè)計(jì)任務(wù)僅僅是根據(jù)控制對象的要求，選配適當(dāng)?shù)哪K，因而大大的簡化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)工作，縮短了整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試周期。1.2 PLC的主要功能和特點(diǎn)特點(diǎn)8/11/202215根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)的不同，可以將PLC分為整體型和模塊式。 整體式將CPU模塊、I/O模塊及電源裝于一個機(jī)箱內(nèi)，結(jié)構(gòu)非常緊湊。體積小，價格低，小型PLC一般采用整體式結(jié)構(gòu)。 模塊式PLC是將PLC各組成部分都制成單獨(dú)的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊、通

13、信模塊等。1.3 PLC的分類和發(fā)展趨勢按硬件結(jié)構(gòu)分類8/11/2022161.3 PLC的分類和發(fā)展趨勢按硬件結(jié)構(gòu)分類整體式8/11/2022171.3 PLC的分類和發(fā)展趨勢按硬件結(jié)構(gòu)分類模塊式8/11/2022181.3 PLC的分類和發(fā)展趨勢按功能和I/O點(diǎn)數(shù)分類低檔機(jī)、中檔機(jī)、高檔機(jī)小型PLC：總點(diǎn)數(shù)256中型PLC：總點(diǎn)數(shù)2562048大型PLC：總點(diǎn)數(shù)20488/11/2022191.3 PLC的分類和發(fā)展趨勢按生產(chǎn)廠家分類A-B公司西門子三菱羅克維爾歐姆龍LG施耐德富士通用GE松下臺灣和利時安控蘭州全志南京嘉華南京亞銳杭州機(jī)床電器廠上海OMRON公司西安Siemens公司國 外

14、：國 內(nèi)：8/11/202220一是向著網(wǎng)絡(luò)化、高可靠性、多功能和分散性多層次的全自動化網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展；一是向著小型化、低成本、高速、簡單易用方向發(fā)展。1. 向高速度、大存儲容量方向發(fā)展2. 向多品種方向發(fā)展3. 編程語言多樣化4. 發(fā)展智能模塊5. 加強(qiáng)聯(lián)網(wǎng)和通信功能1.3 PLC的分類和發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢8/11/202221PLC與微機(jī)控制的相同點(diǎn)(1)控制核心部件均采用微處理器及計(jì)算機(jī)技術(shù)。(2)硬件基本結(jié)構(gòu)、工作的基本原理也大體相同。(3)控制程序可編，都不必修改硬接線即可改變控制內(nèi)容。但PLC在這方面更靈活、更方便。1.4 PLC與微機(jī)及繼電器控制的區(qū)別與微機(jī)比較8/11/202222

15、PLC與微機(jī)控制的不同點(diǎn) (1)PLC的可靠性高。這是由于PLC在設(shè)計(jì)制造時已充分考慮到工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣。(2)PLC編程簡單。PLC為了適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場，考慮現(xiàn)場維修人員熟悉繼電器線路圖，采用簡單易懂的梯形圖等符號式語言，避免了計(jì)算機(jī)的匯編語言，以及高級編程語言，這給PLC的普及應(yīng)用創(chuàng)造了條件。(3)PLC易于維護(hù)，而微機(jī)控制系統(tǒng)維護(hù)工作量大。(4)PLC的輸入輸出響應(yīng)速度慢，有較大的滯后現(xiàn)象(一般為ms級)，微機(jī)的輸入輸出響應(yīng)速度快，一般為微秒級。1.4 PLC與微機(jī)及繼電器控制的區(qū)別與微機(jī)比較8/11/202223以一個控制三相交流電動機(jī)正反轉(zhuǎn)的例子了解兩種控制方式用傳統(tǒng)繼電器方法控制交流電

16、動機(jī)的正反轉(zhuǎn)通過三個按鈕控制電動機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停止。 當(dāng)電動機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)時，按下正轉(zhuǎn)按鈕SB1，電動機(jī)開始正轉(zhuǎn)。若此時按下反轉(zhuǎn)按鈕SB2，則并不改變電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。 當(dāng)電動機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)時，按下反轉(zhuǎn)按鈕SB2，電動機(jī)開始反轉(zhuǎn)。若此時按下正轉(zhuǎn)按鈕SB1，則并不改變電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。 當(dāng)電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，按下停止按鈕SB3，則電動機(jī)停轉(zhuǎn)。1.4 PLC與微機(jī)及繼電器控制的區(qū)別與繼電器比較8/11/2022241.4 PLC與微機(jī)及繼電器控制的區(qū)別與繼電器比較控制電路FU2FRSB3SB1KM1KM1KM2KM2SB2KM2KM1KM2FU1KM1M3FRQL1L3L2主電路8/11/2022

17、25控制回路中通過交流接觸器的自鎖和互鎖控制電動機(jī)正反轉(zhuǎn)。接觸器互鎖使得電路在同一個時刻只能存在一種運(yùn)行狀態(tài)，在電動機(jī)運(yùn)行時不會因?yàn)閷Π粹o的誤操作而使得電動機(jī)產(chǎn)生誤動作，造成電動機(jī)故障。一個較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)包含了大量的中間繼電器和時間繼電器，導(dǎo)致元件數(shù)量多、接線復(fù)雜、通用性差，因此給設(shè)備的改造和維護(hù)帶來了較多的困難。并且繼電器觸點(diǎn)在開閉時會受到電弧的損壞，壽命短，常常是一處故障，就會導(dǎo)致全局癱瘓。而PLC是以集成電路為基本元件的電子設(shè)備，其內(nèi)部繼電器無觸點(diǎn)。取代繼電器控制將會大大增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。1.4 PLC與微機(jī)及繼電器控制的區(qū)別與繼電器比較8/11/202226PLC控制交流電動機(jī)的正

18、反轉(zhuǎn)1.4 PLC與微機(jī)及繼電器控制的區(qū)別與繼電器比較PLC外部接線圖8/11/202227PLC內(nèi)部通過編程，實(shí)現(xiàn)輸出點(diǎn)的自鎖及輸入的互鎖：1.4 PLC與微機(jī)及繼電器控制的區(qū)別與繼電器比較8/11/202228控制回路原理圖1.4 PLC與微機(jī)及繼電器控制的區(qū)別與繼電器比較KM1和KM2代表電動機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)交流接觸器的線圈及觸點(diǎn)；8/11/202229PLC的梯形圖與繼電器控制電路圖十分相似，因?yàn)镻LC梯形圖的大致沿用了繼電器控制電路元件符號。同時，信號的輸入/輸出形式及控制功能也是相同的，但與繼電器的控制還是有區(qū)別。組成器件不同繼電器控制線路是由許多真正的硬件繼電器組成的，而梯形圖則由許

19、多所謂的“軟繼電器”組成。這些“軟繼電器”實(shí)質(zhì)上是存儲器中的觸發(fā)器，可以置“0”或置“1”。硬繼電器有觸點(diǎn)，易磨損，而軟繼電器則無磨損現(xiàn)象。觸點(diǎn)數(shù)量不同硬繼電器的觸點(diǎn)數(shù)量有限，用于控制的繼電器的觸點(diǎn)數(shù)量一般只有48對；而梯形圖中每只“軟繼電器”供編程使用的觸點(diǎn)較多并可以擴(kuò)展。因?yàn)樵谔菪螆D中存儲器中的觸發(fā)器狀態(tài)可取用任意次數(shù)。1.4 PLC與微機(jī)及繼電器控制的區(qū)別與繼電器比較8/11/202230實(shí)施控制的方法不同在繼電器控制線路中，要實(shí)現(xiàn)某種控制是通過各種繼電器之間的硬接線解決的。由于其控制功能已包含在固定線路之間，因此它的功能專一，不靈活；PLC控制通過梯形圖即軟件編程解決的，所以靈活多變。

20、另外，在繼電器控制線路中，為了達(dá)到某種控制目的，而且運(yùn)行要安全可靠，同時還要節(jié)約使用繼電器觸點(diǎn)，因此設(shè)置了許多制約關(guān)系的連鎖電路；而在梯形圖中，因?yàn)樗菕呙韫ぷ鞣绞?，不存在幾個支路并列同時動作的因素，同時在軟件編程中也可將連鎖條件編制進(jìn)去，因而PLC的電路控制設(shè)計(jì)比繼電器控制設(shè)計(jì)大大簡化了。1.4 PLC與微機(jī)及繼電器控制的區(qū)別與繼電器比較8/11/202231工作方式不同繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運(yùn)行的方式，即如果這個繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點(diǎn)（包括其常開和常閉觸點(diǎn)）無論在繼電器控制線路的那個位置都會立即同時動作。PLC的CPU則采用順序邏輯掃描用戶程序的運(yùn)行方式，即如果一

21、個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(diǎn)不會立即動作，必須等掃描導(dǎo)該觸點(diǎn)時才會動作。繼電器控制裝置各類觸點(diǎn)的動作時間一般在100ms以上，而PLC掃描用戶程序的時間一般均小于100ms，這樣在對于I/O響應(yīng)要求不高的場合，PLC與繼電器控制裝置的處理最終就沒什么區(qū)別 。1.4 PLC與微機(jī)及繼電器控制的區(qū)別與繼電器比較8/11/202232能否實(shí)現(xiàn)信息化監(jiān)控與管理在繼電器控制線路中，可以通過指示燈和控制按鈕實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場和遠(yuǎn)程監(jiān)控，但在復(fù)雜系統(tǒng)中，這種控制方式容易出錯，不易實(shí)現(xiàn)快速控制，控制人員對現(xiàn)場情況也不易把握。而通過計(jì)算機(jī)連接PLC可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)圖形化形象的監(jiān)控。目前，國內(nèi)外組態(tài)監(jiān)控軟

22、件較多。應(yīng)用監(jiān)控軟件不僅能準(zhǔn)確監(jiān)控現(xiàn)場情況，還可以生成各種報(bào)表或趨勢圖，使操作人員對現(xiàn)場情況有更準(zhǔn)確的把握。1.4 PLC與微機(jī)及繼電器控制的區(qū)別與繼電器比較8/11/2022331.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理整體式PLC硬件結(jié)構(gòu)8/11/2022341.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理模塊式PLC硬件結(jié)構(gòu)8/11/202235(1)通用處理器：8086、80286、80386(2)單片機(jī)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(jī)作為CPU，中型PLC多采用16位微處理器或單片機(jī)作為CPU，大型PLC多采用高速位片式微處理器(1)從程序

23、存儲器讀取程序指令，編譯、執(zhí)行指令(2)將各種輸入信號取入(3) 把運(yùn)算結(jié)果送到輸出端(4) 響應(yīng)各種外部設(shè)備的請求 1.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理中央處理單元(CPU)8/11/2022361.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理存儲器存儲器為存放數(shù)據(jù)及程序的地方。PLC的內(nèi)部程序有兩類：一類是系統(tǒng)程序存儲器，主要存放系統(tǒng)管理、監(jiān)控程序和對用戶程序作編譯處理的程序，系統(tǒng)程序已經(jīng)由廠家固化在RAM內(nèi)，用戶不能更改；另一類是用戶程序及數(shù)據(jù)存儲器，由用戶設(shè)計(jì)，主要存放用戶編制的應(yīng)用程序及各種暫存數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。8/11/2022371.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理I/O接口輸入接口I/O接口采用光

24、電隔離，實(shí)現(xiàn)了PLC的內(nèi)部電路與外部電路的電氣隔離，減小了電磁干擾。將按鈕、行程開關(guān)或傳感器等產(chǎn)生的信號，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入PLC。采集現(xiàn)場開關(guān)接點(diǎn)的狀態(tài)信號；并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平，送CPU處理；帶光電隔離，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，避免強(qiáng)電侵入。（信號采樣、電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離）。開關(guān)接點(diǎn)的“通”、“斷”信號經(jīng)光電耦合電路轉(zhuǎn)化為“1”、“0”數(shù)據(jù)，存放在輸入狀態(tài)寄存器中，每個開關(guān)狀態(tài)占寄存器字的一位。輸入接點(diǎn)分為直流輸入式和交流輸入式兩大類。8/11/2022381.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理I/O接口輸入接口直流輸入單元電路發(fā)光二極管8/11/2022391.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理I/O接口

25、輸入接口交流輸入單元電路8/11/202240匯點(diǎn)輸入接入示意圖1.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理I/O接口輸入接口8/11/2022411.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理I/O接口輸入接口獨(dú)立輸入接入示意圖8/11/202242CPU與用戶輸出設(shè)備的連接部件。將主機(jī)向外輸出的信號轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動外部執(zhí)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(jì)算機(jī)與外部強(qiáng)電隔離。輸出狀態(tài)寄存器的信號經(jīng)輸出鎖存電路和光電耦合電路轉(zhuǎn)換為不同類型的輸出信號，再經(jīng)功率放大電路驅(qū)動外接負(fù)載（電磁鐵、繼電器、接觸器線圈等） 。（信號鎖存、功率放大、電氣隔離）每個輸出點(diǎn)輸出電路等效為一個輸出繼電器，輸出

26、信號為“1”，對應(yīng)輸出接點(diǎn)“接通”；輸出信號為“0”，對應(yīng)輸出接點(diǎn)“斷開”。1.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理I/O接口輸出接口8/11/202243按輸出電路所用開關(guān)器件的不同，PLC的開關(guān)量輸出可分為: (1)晶體管輸出電路：負(fù)載電源只能是直流，由用戶提供。輸出電路負(fù)載能力小(工作電流僅0.30.5A)，為無觸點(diǎn)開關(guān)。晶體管輸出接口使用壽命長，響應(yīng)速度快，其延遲一般為0.51ms。 (2)雙向晶閘管輸出電路：輸出電路采用的開關(guān)器件是光控雙向晶閘管，負(fù)載電源由用戶提供，它使PLC的負(fù)載可以根據(jù)需要選用直流或交流電源。輸出電路負(fù)載能力較大(工作電流約1A左右)，響應(yīng)速度較快，一般導(dǎo)通延遲為12

27、ms，關(guān)斷延遲為810 ms。(3)繼電器輸出電路：負(fù)載電源由用戶提供，可以是交流也可以是直流，視負(fù)載情況而定。輸出電路抗干擾能力強(qiáng)，負(fù)載能力大(工作電流可達(dá)25A)，但信號響應(yīng)速度較慢，延遲一般為810ms。 4.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理I/O接口1.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理I/O接口輸出接口8/11/202244晶體管輸出電路4.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理I/O接口1.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理I/O接口輸出接口8/11/2022454.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理I/O接口1.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理I/O接口輸出接口雙向晶體管輸出電路8/11/2022464

28、.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理I/O接口1.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理I/O接口輸出接口繼電器輸出電路8/11/2022471.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理I/O接口輸出接口匯點(diǎn)輸出接線示意圖8/11/2022481.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理I/O接口輸出接口獨(dú)立輸出接線示意圖8/11/202249把外部供應(yīng)的電源變換成系統(tǒng)內(nèi)部各單元所需的電源。有的電源單元還向外提供24V隔離直流電源，可供開關(guān)量輸入單元連接的現(xiàn)場無源開關(guān)等使用?？删幊绦蚩刂破鞯碾娫匆话悴捎瞄_關(guān)式電源，其特點(diǎn)是輸入電壓范圍寬、體積小、重量輕、效率高、抗干擾性能好。1.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理電源8/11/2

29、02250PCFP PROGRAMMER(HELP)CLRWRTFN/PFLSTKIX/IYNOTDT/LdREADOTLWLORRWRANYWYSTXWXSRC(-)OP(BIN)K/HSCCTCEVTMTSVACLRENTBAFEDC 98 3 2 1 0 7 6 5 4(DELT)CLR手持式的編程器編程設(shè)備可以是專用的手持式的編程器；也可以是安裝了專門的編程通訊軟件的個人計(jì)算機(jī)。用戶可以通過鍵盤輸入和調(diào)試程序；另外在運(yùn)行時，還可以對整個控制過程進(jìn)行監(jiān)控。1.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理編程器8/11/2022511.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理I/O擴(kuò)展接口8/11/202252P

30、ower in a Small Package!電源模塊CPU模塊IO模塊底 板中、大型機(jī)：模塊式?？筛鶕?jù)需要在主板上隨意組合。1.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理I/O擴(kuò)展接口8/11/202253外設(shè)I/O接口是PLC主機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話、機(jī)機(jī)對話的通道。通過它，PLC可以和編程器、彩色圖形顯示器、打印機(jī)等外部設(shè)備相連，也可以與其它PLC或上位機(jī)連接。 1.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理外部設(shè)備接口8/11/2022541.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理循環(huán)掃描工作過程8/11/202255PLC 在執(zhí)行用戶程序時工作過程大致可分為三個階段：輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段。 輸入采樣階

31、段依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 1.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理循環(huán)掃描工作過程8/11/202256程序執(zhí)行階段PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序。在掃描每一條梯形圖時，并按先左后右、先上后下的順序進(jìn)行邏輯運(yùn)算，邏輯運(yùn)算的結(jié)果存于映象寄存器。上面的邏輯運(yùn)算其運(yùn)算結(jié)果會對下面的邏輯運(yùn)算起作用；相反，

32、下面的邏輯運(yùn)算其運(yùn)算結(jié)果只能到下一個掃描周期才能對上面的邏輯運(yùn)算起作用。1.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理循環(huán)掃描工作過程8/11/202257輸出刷新階段在所有指令執(zhí)行完畢后 ，輸出映象寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)在輸出刷新階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存寄存器中，通過一定方式輸出，驅(qū)動外部負(fù)載。該階段才是PLC的真正輸出。1.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理循環(huán)掃描工作過程8/11/202258I/O映像寄存器在程序執(zhí)行階段，I/O的存取通過I/O映像寄存器，而不是實(shí)際I/O，優(yōu)點(diǎn)：(1)程序執(zhí)行階段輸入固定，執(zhí)行完后再用輸出映像寄存器的值更新輸出點(diǎn)，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；(2)用戶程序讀寫I/O映像寄存器比讀

33、寫I/O點(diǎn)快得多，可以提高程序的執(zhí)行速度。(3)I/O點(diǎn)必須按位存取，而映象寄存器可按位、字節(jié)、字、雙字靈活地存取，增加了程序的靈活性。1.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理循環(huán)掃描工作過程8/11/2022591.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理循環(huán)掃描工作過程循環(huán)掃描工作過程的特點(diǎn)所有輸入信號在程序處理前統(tǒng)一讀入，并在程序處理過程中不再變化。而程序處理的結(jié)果也是在掃描周期的最后時段統(tǒng)一輸出。其工作特點(diǎn)是將一個連續(xù)的過程分解成若干靜止的狀態(tài)。PLC僅在掃描周期的起始時段讀取外部輸入狀態(tài)，該時段相對較短，抗輸入信號串入的干擾極為有利。這種方式對于高速變化的過程可能漏掉變化的信號，也會帶來系統(tǒng)響應(yīng)的滯

34、后。為克服上述問題，可利用立即輸入輸出、脈沖捕獲、高速計(jì)數(shù)器或中斷技術(shù)。用立即I/O指令讀輸入點(diǎn)時，相應(yīng)的輸入映像寄存器的值未被更新。用立即I/O指令寫輸出點(diǎn)時，相應(yīng)的輸出映像寄存器的值被更新。8/11/202260PLC對輸入輸出處理的規(guī)則輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)，由上一個掃描周期輸入端子板上各輸入點(diǎn)的狀態(tài)決定。輸出映像寄存器的狀態(tài)，由程序執(zhí)行期間輸出指令的執(zhí)行結(jié)果決定。輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)，由上一次輸出刷新期間輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)決定。輸出端子的接通和斷開狀態(tài)，由輸出鎖存器來決定。執(zhí)行程序時所用的輸入、輸出狀態(tài)值，取決于輸入、輸出映像寄存器的狀態(tài)。1.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理循環(huán)掃描工作過程8/11/202261掃描周期PLC在RUN工作狀態(tài)時，執(zhí)行一次掃描過程所需的時間稱為掃描周期，典型值為1100ms。掃描周期與用戶程序的長短、指令的種類和CPU執(zhí)行指令的速度有很大的關(guān)系。當(dāng)用戶程序較長時，指令執(zhí)行時間在掃描周期中占相當(dāng)大的比例。1.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理循環(huán)掃描工作過程8/11/2022621.5 PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理循環(huán)掃描工作過程掃描工作方式對程序執(zhí)行的影響當(dāng)按紐I0.1動作后，左面的程序只