可編程控制器的組成和工作原理

第2章可編程控制器的組成和工作原理電氣工程學(xué)院電子信息工程系第2章PLC的組成和工作原理2022/10/182教學(xué)內(nèi)容和要求介紹可編程控制器的結(jié)構(gòu)和硬件組成。介紹可編程控制器的基本工作原理。了解可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)；掌握輸入、輸出模塊的原理。理解并掌握可編程控制器的工作原理理解可編程控制器端口掃描對系統(tǒng)響應(yīng)時間的影響。(6學(xué)時)第2章PLC的組成和工作原理2022/10/1832.1PLC組成2.2PLC基本工作原理2.3PLC編程語言2022/10/1842.1PLC組成一、PLC的基本結(jié)構(gòu)圖

PLC的基本結(jié)構(gòu)電源模塊編程設(shè)備微處理器存儲器CPU模塊輸入模塊外部設(shè)備輸出模塊外部設(shè)備通訊模塊等其他智能模塊2.1PLC組成2022/10/185輸入輸出電源Allen-BradleyA-BQualityRUNREMPROGLogix5555?RUNOKRS232BATI/O<>ETHERNETRXDTXDOK<>ETHERNETRXDTXDOK<>ETHERNETRXDTXDOK<>ETHERNETRXDTXDOK處理器通訊模板I/O模板其他智能模塊I/O模板編程器機架存儲器（系統(tǒng)，用戶，數(shù)據(jù)）2.1PLC組成2022/10/186二、

PLC組成中央處理器（CPU）存儲器輸入單元輸出單元智能模塊通信接口編程設(shè)備電源2.1PLC組成2022/10/1871.CPU模塊PLC的核心將各種輸入信號存入存儲器。編譯、執(zhí)行指令。把結(jié)果送到輸出端。響應(yīng)各種外部設(shè)備的請求。2.1PLC組成2022/10/1882．存儲器系統(tǒng)程序存儲器用戶程序存儲器(1)系統(tǒng)程序存儲器存放PLC廠家編寫的系統(tǒng)監(jiān)控程序用戶不能直接存取2022/10/1892.1PLC組成程序存儲區(qū)數(shù)據(jù)存儲區(qū)（2）用戶程序存儲器存儲器存儲內(nèi)容系統(tǒng)程序存儲器系統(tǒng)監(jiān)控程序用戶程序存儲器程序存儲區(qū)：用戶程序(如梯形圖，指令語句表等)數(shù)據(jù)存儲區(qū)：Ｉ／Ｏ及內(nèi)部器件的狀態(tài)表

PLC存儲器的存儲結(jié)構(gòu)2.1PLC組成2022/10/18103．輸入模塊

PLC與現(xiàn)場輸入設(shè)備連接的接口數(shù)字量(或開關(guān)量)輸入模塊模擬量輸入模塊2.1PLC組成2022/10/1811（1）數(shù)字量(或開關(guān)量)輸入模塊輸入信號：直流信號，交流信號光電耦合電路、濾波電路電平轉(zhuǎn)換及信號鎖存電路匯點式輸入接線方式隔離式輸入接線方式2.1PLC組成2022/10/1812圖

匯點式輸入接線方式圖

隔離式輸入接線方式

各個輸入回路有一個公共端（COM）可用于直流輸入模塊、交流輸入模塊每一個輸入回路有兩個接線端子，由單獨的電源供電一般用于交流模塊（A）數(shù)字量(或開關(guān)量)輸入模塊的外部接線方式2.1PLC組成2022/10/1813（B）數(shù)字量輸入模塊的接口電路①直流數(shù)字量輸入模板的接口電路M+5VLEDSR3R1AR2C→→T

內(nèi)部電路濾波→→→→光電耦合

外部開關(guān)輸入點的狀態(tài)顯示

輸入點公共端2022/10/1814②交流數(shù)字量輸入模板的接口電路LED+5VA→→R2～MSCR1內(nèi)部電路R3濾波→→→→光電耦合

輸入點的狀態(tài)顯示

外部開關(guān)輸入點2.1PLC組成2022/10/1815（2）模擬量輸入模塊預(yù)處理電路判斷識別電路A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)碼轉(zhuǎn)換單元控制單元圖

模擬量輸入接口模塊的結(jié)構(gòu)框圖2.1PLC組成2022/10/18164．輸出模塊

PLC向執(zhí)行機構(gòu)輸出控制信號的接口數(shù)字量(或開關(guān)量)輸出模塊模擬量輸出模塊2.1PLC組成2022/10/1817（1）數(shù)字量(或開關(guān)量)輸出模塊輸出信號：直流信號，交流信號匯點式輸出接線方式隔離式輸出接線方式2.1PLC組成2022/10/1818各個輸出回路有一個公共端（COM）可用于直流輸出模塊、交流輸入模塊圖

匯點式輸出接線方式圖

隔離式輸出接線方式

每一個輸出回路有兩個接線端子，由單獨的電源供電一般用于交流模塊（A）數(shù)字量(或開關(guān)量)輸出模塊的外部接線方式2.1PLC組成2022/10/1819（B）數(shù)字量輸出模塊的接口電路以繼電器形式為例繼電器輸出PLC內(nèi)部電路內(nèi)部電路K+交流電源或直流電源QL+-晶體管輸出型雙向晶閘管輸出型繼電器輸出型2.1PLC組成2022/10/1820①晶體管輸出電路T2LED→→DFU+5V內(nèi)部電路T1R1R2R3負(fù)載→→光電耦合

輸出點的狀態(tài)顯示

公共端輸出點2022/10/18212.1PLC組成②雙向晶閘管輸出電路LEDR2

C→→

TFU～內(nèi)部電路R1負(fù)載→→光電耦合

輸出點的狀態(tài)顯示

公共端輸出點2022/10/1822③繼電器輸出電路LED

K～

R內(nèi)部電路→→負(fù)載輸出點的狀態(tài)顯示

繼電器

機械觸點

公共端輸出點2.1PLC組成2022/10/1823（2）模擬量輸出模塊光電隔離器多路轉(zhuǎn)換開關(guān)D/A轉(zhuǎn)換器控制單元保持器圖

模擬量輸出接口模塊的結(jié)構(gòu)框圖2.1PLC組成2022/10/18245.智能模塊獨立的微處理器和控制軟件，可以獨立地工作。2.1PLC組成2022/10/18256.通信模塊專用于數(shù)據(jù)通信的一種智能模板，它主要用于“人─機”對話或“機─機”對話。2.1PLC組成2022/10/18267.編程設(shè)備用于的輸入、編輯、調(diào)試用戶程序，在線監(jiān)視PLC系統(tǒng)的工作狀態(tài)。編程器PC機+編程軟件專用編程器2.1PLC組成2022/10/18278.電源模塊將交流或直流電源轉(zhuǎn)換成供PLC系統(tǒng)工作的電源。Allen-BradleyA-BQualityRUNREMPROGLogix5555?RUNOKRS232BATI/O<>ETHERNETRXDTXDOK<>ETHERNETRXDTXDOKRUNREMPROGLogix5555?RUNOKRS232BATI/O<>ETHERNETRXDTXDOK<>ETHERNETRXDTXDOK電源模塊2.2PLC基本工作原理2022/10/1828普通計算機的工作方式采用等待輸入、響應(yīng)處理的工作方式，一旦該程序執(zhí)行結(jié)束，又進入等待輸入的狀態(tài)沒有輸入時就一直等待輸入（事件驅(qū)動方式）PLC在本質(zhì)上是一臺工業(yè)控制計算機，但是它與計算機的工作方式的不同，具有特殊性。2022/10/18292.2PLC基本工作原理輸入部分、內(nèi)部控制電路和輸出部分。圖

PLC等效工作電路一、PLC控制系統(tǒng)的等效工作電路2.2PLC基本工作原理2022/10/1830注1：輸入繼電器的線圈只能是由來自現(xiàn)場的輸入元件的驅(qū)動，而不能用編程的方式去控制。注2：在梯形圖程序中，只能使用輸入繼電器的接點，不能使用輸入繼電器的線圈。注3：PLC的輸入可等效為一個繼電器的線圈，將輸出等效為繼電器的一個常開接點。2.2PLC基本工作原理2022/10/1831二、PLC的工作過程2.2PLC基本工作原理2022/10/1832三、PLC的工作原理PLC最主要的工作原理是周期掃描方式上電及內(nèi)部處理輸入掃描程序掃描輸出掃描診斷及出錯處理PLC的工作過程簡圖2.2PLC基本工作原理2022/10/1833PLC系統(tǒng)各部件之間的邏輯關(guān)系CPU模塊輸入模塊外部設(shè)備輸出模塊外部設(shè)備輸入映象表()ENDSTART輸出映象表輸入掃描輸出掃描程序掃描2.2PLC基本工作原理2022/10/1834輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段輸出刷新階段PLC的工作方式是一種串行循環(huán)工作方式PLC的—個掃描周期主要分三個階段進行輸入刷新輸出刷新程序執(zhí)行掃描周期輸入采樣階段輸出刷新階段2.2PLC基本工作原理例等效電路圖SB1SB2ST公共端公共端輸入部分輸出端子輸入端子用戶程序輸出部分主電路KMFUFR

M3~Q~KMPLC~SB1SB2KMSTI0.0I0.1I0.2Q0.01LL+2.2PLC基本工作原理2022/10/1836~KM線圈通電SB1閉合I0.0

閉合接點閉合KMFUFR

M3~QKM通電KM通電觸點閉合電動機轉(zhuǎn)觸點閉合SB2STSB1KMPLC~SB2STI0.0I0.1I0.2Q0.01L

1M2.2PLC基本工作原理2022/10/1837~KM線圈斷電I0.1斷開接點斷開KMFUFR

M3~QKM通電KM斷電觸點斷開電動停轉(zhuǎn)觸點斷開SB2STSB2閉合PLC~SB2STI0.0I0.1I0.2Q0.01L

1MKM2.2PLC基本工作原理2022/10/1838掃描工作方式對程序執(zhí)行的影響左面的程序只需要一個掃描周期就可完成對O:0/4的刷新，而右面的程序要經(jīng)過四個掃描周期才能完成對O:0/4的刷新2.2PLC基本工作原理2022/10/1839與繼電器控制的工作方式比較繼電器控制：并行工作方式PLC控制：循環(huán)掃描的串行工作方式(a)和(b)控制目的都是為了實現(xiàn)“當(dāng)S1動作后S2動作，使C自保持，使A復(fù)位”的功能。（兩者區(qū)別？）2.2PLC基本工作原理2022/10/1840與微機工作方式比較微機：等待命令PLC：循環(huán)掃描

CPU從第一條指令開始執(zhí)行，遇到結(jié)束符又返回第一條，不斷循環(huán)。一個掃描周期

O刷新

I刷新執(zhí)行指令I(lǐng)/O刷新這種工作方式有什么好處？答：對慢速響應(yīng)系統(tǒng)，增強了抗干擾能力。2.2PLC基本工作原理2022/10/1841圖

PLC對輸入/輸出的處理規(guī)則四、PLC對輸入/輸出的處理規(guī)則2.2PLC基本工作原理2022/10/1842從PLC的輸入端有一個輸入信號發(fā)生變化到輸出端對該輸入變化做出反應(yīng)所需的時間響應(yīng)的時間=輸入延遲時間+PLC工作時間+輸出延遲時間五、PLC的滯后響應(yīng)滯后時間是設(shè)計PLC控制系統(tǒng)應(yīng)了解的一個重要參數(shù)。2022/10/18432.2PLC基本工作原理在一個掃描周期剛結(jié)束時就收到了有關(guān)輸入信號的變化狀態(tài)最短響應(yīng)的時間=輸入延時+1個掃描周期+輸出延時1.PLC最短響應(yīng)時間2.2PLC基本工作原理2022/10/1844最長響應(yīng)的時間=輸入延時+2個掃描周期+輸出延時在一個掃描周期剛開始收到一個輸入信號的變化狀態(tài)2.PLC最長響應(yīng)時間2.2PLC基本工作原理2022/10/1845若Tin=5ms,TOUT=3ms,PLC的掃描時間T應(yīng)不超過多少？解：系統(tǒng)響應(yīng)時間=10cm×60/[50(m)×100]==0.12(s)

=120(ms)Tmax=[120(ms)-5-3]/2=56(ms)例：求傳送帶的響應(yīng)時間2022/10/18462.3PLC編程語言梯形圖（Ladder）結(jié)構(gòu)文本及（StructText）順序功能圖（SFC）羅克韋爾PLC支持三種編程方式2.3PLC編程語言2022/10/1847一、梯形圖（Ladder）采用圖形符號，沿用了繼電器的觸點、線圈、串聯(lián)等術(shù)語和圖形符號，并增加了一些繼電接觸控制沒有的符號。一種以圖形符號及圖形符號在圖中的相互關(guān)系表示控制關(guān)系的編程語言，是從繼電器電路圖演變過來的。通過連線把PLC指令的梯形圖符號連接在一起的連通圖，用以表達所使用的PLC指令及其前后順序。適用于順序邏輯控制、離散量控制、定時／計數(shù)控制等。2.3PLC編程語言2022/10/1848梯形圖的組成梯形圖一般由多個不同的階梯組成，每一階梯由輸入及輸出指令組成。在一個階梯中，輸出指令應(yīng)出現(xiàn)在階梯的最右邊，輸入指令則出現(xiàn)在輸出指令的左邊。輸入指令輸出指令輸入(條件)指令輸出指令()

梯級(RUNG)()2.3PLC編程語言2022/10/1849梯形圖中的基本符號：I:0I:0常開常閉（）或線圈邏輯電源2.3PLC編程語言2022/10/1850梯形圖中的編程特點：繼電器不是物理繼電器

，而只是存儲器中的一位電流不是物理電流，是“概念電流”繼電器觸點可在編程時無限使用，可為常開/常閉輸入觸點和輸出線圈不是物理觸點和線圈。輸出線圈只對應(yīng)輸出映像區(qū)的相應(yīng)位。PLC運行時，按照梯形圖排序的先后順序逐一處理：從上到下，從左到右2.3PLC編程語言2022/10/1851輸出線圈邏輯電源常開接點常閉接點I:1I:2O:100I:1I:2O:100I:1I:4I:3O:2I:1I:4I:3O:2I:2O:3I:2O:3+-例子2.3PLC編程語言2022/10/1852二、結(jié)構(gòu)文本（StructureText）似于BASIC編程，可方便地建立、編輯和實現(xiàn)復(fù)雜的算法，特別在數(shù)據(jù)處理、計算存儲、決策判斷、優(yōu)化算法等涉及描述多種數(shù)據(jù)類型的變量應(yīng)用中非常有效。2.3PLC編程語言2022/10/1853結(jié)構(gòu)文本支持的結(jié)構(gòu)：賦值（＝）：非保持型位賦值/保持型位賦值RETAINIF－THEN－ELSE：有條件的執(zhí)行一段程序FOR－NEXT：重復(fù)執(zhí)行一段程序。REPEAT：重復(fù)執(zhí)行一段程序直至某輸入表達式為真EXIT：在處理器到達正常結(jié)束條件之前退出循環(huán)結(jié)構(gòu)。CASE：有條件地執(zhí)行一段程序。；；：相當(dāng)于一個無操作指令NOP。梯形圖功能：可調(diào)用任一梯形圖程序或指令。2.3PLC編程語言2022/10/1854結(jié)構(gòu)文本的例子：IF（！T4:0.DN）THEN; TON(T4:0,0.01,100,0);ELSERES(T4:0);END_IF;2.3PLC編程語言2022/10/1855三、順序功能圖SFC（SequentialFunctionChart）SFC是一種順序控制語言?？蓪⑦壿嫹殖梢子谔幚淼牟胶娃D(zhuǎn)換來替代較長的梯形圖或結(jié)構(gòu)文本。2.3PLC編程語言2022/10/1856順序功能圖SFC的基本結(jié)構(gòu)：步轉(zhuǎn)換條件選擇分支并行分支2.3PLC編程語言2022/10/18571.步SFC中的步對應(yīng)于一個控制任務(wù)。用方框表示，方框中的號，代表了該步的梯形圖邏輯的程序文件號，如007。每步可允許有多個動作（Action），對于增強型PLC每步最多允許有8個動作，一個動作即一個步的子集（subset）。2.3PLC編程語言2022/10/18582.轉(zhuǎn)換條件步與步之間有轉(zhuǎn)換條件以水平線表示，通過對該條件的檢測