《電氣控制及可編程控制器應(yīng)用》課件第3章 PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

第3章PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理3.1PLC概述3.2PLC的硬件組成和軟件系統(tǒng)3.3PLC的基本工作原理3.1PLC概述一、PLC的產(chǎn)生與定義

可編程控制器（ProgrammableLogicController)簡(jiǎn)稱PLC。現(xiàn)代社會(huì)對(duì)產(chǎn)品快速變化的需求，使得生產(chǎn)設(shè)備和自動(dòng)生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)需要具有極高的可靠性、靈活性。PLC就是順應(yīng)此需求而出現(xiàn)的一種以CPU為核心的通用工業(yè)控制裝置。現(xiàn)在已成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的主要手段之一，與Robot、CAD/CAM并稱為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的三大支柱。PLC的產(chǎn)生

1968年，美國(guó)通用汽車公司改造其汽車裝配線，要求控制器生產(chǎn)商提供一種新型的通用程序控制器，提出了10項(xiàng)招標(biāo)指標(biāo)，這就是著名的GM10條。

GM10條是PLC出現(xiàn)的直接原因。

美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司(DEC)在一年內(nèi)完成了控制器的研制，并在GM汽車生產(chǎn)線上應(yīng)用成功。

1969年，第一臺(tái)PLC誕生。

國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）對(duì)PLC的定義

可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過(guò)數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。動(dòng)畫演示二、PLC的特點(diǎn)

可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)編程簡(jiǎn)單、易于掌握控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性好豐富的I/O模塊，功能完善體積小，操作維護(hù)方便設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試周期短PLC與繼電器控制系統(tǒng)、微機(jī)控制系統(tǒng)比較下一節(jié)項(xiàng)目PLC繼電器控制系統(tǒng)微機(jī)控制系統(tǒng)功能用程序可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜控制用大量繼電接觸器邏輯布線實(shí)現(xiàn)順序控制用程序?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜控制,功能最強(qiáng)改變控制要求修改程序較簡(jiǎn)單改變硬件接線性邏輯,工作量大修改程序，技術(shù)難度較大可靠性平均無(wú)故障工作時(shí)間長(zhǎng)受機(jī)械觸點(diǎn)壽命限制一般比PLC差工作方式順序掃描順序控制中斷處理，響應(yīng)最快接口直接與生產(chǎn)設(shè)備連接直接與生產(chǎn)設(shè)備連接要設(shè)計(jì)專門的接口環(huán)境適應(yīng)性可適應(yīng)一般工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境環(huán)境差，會(huì)降低可靠性和壽命要求有較好的環(huán)境，如機(jī)房、實(shí)驗(yàn)室、辦公室抗干擾性一般不用專門考慮抗干擾問(wèn)題能抗一般電磁干擾要專門設(shè)計(jì)干擾措施，否則易受干擾影響維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)檢查、維護(hù)方便定時(shí)更換繼電器，維修費(fèi)時(shí)技術(shù)難度高系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)容易、安裝簡(jiǎn)單調(diào)試周期短圖樣多、安裝接線工作量大、調(diào)試周期長(zhǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)較復(fù)雜、調(diào)試技術(shù)難度大，需要有系統(tǒng)的計(jì)算知識(shí)通用性較好，適應(yīng)面廣一般是專用要進(jìn)行軟、硬件改造才能作其它用硬件成本比微機(jī)控制系統(tǒng)高少于30個(gè)繼電器的系統(tǒng)最低一般比PLC低三、PLC的分類

PLC的主要生產(chǎn)商:德國(guó)西門子SIEMENS公司日本三菱、歐姆龍OMRON公司美國(guó)Rockwell下屬的AB、GE-Fanuc公司中國(guó)臺(tái)達(dá)、無(wú)錫華光-光洋牌PLC下一節(jié)下載PLC軟件和資料西門子自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)的中文網(wǎng)站:三菱電機(jī)自動(dòng)化(上海)有限公司的網(wǎng)站:/

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中國(guó)IT實(shí)驗(yàn)室

PLC的分類

1.按I/O點(diǎn)數(shù)分類小型：256點(diǎn)以內(nèi)。如三菱FX系列、SIEMENS

S7-200等中型：256-2048點(diǎn)。如SIEMENS

S7-300、三菱A系列等大型：2048點(diǎn)以上。

SIEMENS

S7-400、三菱Q系列等2.按結(jié)構(gòu)形式分類整體式、模塊式整體式PLCFX0S松下FPFX2N返回模塊式PLCSIEMENSOMRON返回四、PLC的主要性能指標(biāo)I/O點(diǎn)數(shù)掃描速度存儲(chǔ)容量指令系統(tǒng)內(nèi)部寄存器功能擴(kuò)展能力FX系列PLC的主要性能：書P81實(shí)驗(yàn)室選用的是FX0S-30MR型PLC。下一節(jié)五、PLC的發(fā)展和應(yīng)用主要用于領(lǐng)域：順序控制（最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域）如包裝機(jī)械、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線、電梯控制等。運(yùn)動(dòng)控制在機(jī)加工行業(yè)，與CNC集成在一起，用以完成機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制。過(guò)程控制如對(duì)溫度、流量、壓力、速度進(jìn)行PID控制。數(shù)據(jù)處理和通訊PLC與PLC、PLC與PC間。小結(jié)：初識(shí)PLC

可編程控制器簡(jiǎn)稱PLC，是一種能進(jìn)行編程并能對(duì)程序進(jìn)行修改的一種控制器。它直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境下，能直接與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備聯(lián)成一體，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)輸入和輸出設(shè)備之間的控制要求，在輸入設(shè)備狀態(tài)有變化時(shí)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的輸出設(shè)備動(dòng)作。

控制功能改變時(shí)，只需修改程序即可。

PLC可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、適應(yīng)性好、應(yīng)用范圍廣、維護(hù)方便；編程簡(jiǎn)單、易學(xué)；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試周期短；具有數(shù)字量和模擬量的輸入、輸出能力。

應(yīng)用實(shí)例-手動(dòng)控制卷簾門用PLC自動(dòng)控制卷簾門用PLC自動(dòng)控制卷簾門PLC直接與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備聯(lián)成一體返回3.2PLC的硬件組成和軟件系統(tǒng)3.2.1PLC的硬件組成3.2.2PLC的軟件系統(tǒng)3.2.3PLC常用的編程語(yǔ)言返回主頁(yè)3.2.1PLC的硬件組成

PLC種類繁多，但其組成結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。

PLC系統(tǒng)組成:基本單元、I/O擴(kuò)展單元、外部設(shè)備。FX2N-32MR：基本單元FX2N-32ER：擴(kuò)展單元PLC的硬件組成

編程器外打印機(jī)

EPROM

寫入器設(shè)

PLC或上位計(jì)算機(jī)

按鈕

觸點(diǎn)

行程開(kāi)關(guān)

接觸器線圈指示燈電磁閥

主機(jī)

電源

CPU

存儲(chǔ)器

控制器輸入接口

輸出接口

運(yùn)算器

系統(tǒng)存儲(chǔ)器（ROM）外設(shè)接口

用戶存儲(chǔ)器（RAMEPROM等）I/O擴(kuò)展接口電源I/O擴(kuò)展單元?jiǎng)赢嬔菔痉祷谻PU

中央處理單元是PLC的運(yùn)算和控制中心，它可將存儲(chǔ)在PLC內(nèi)的程序逐步取出加以分析、判斷、運(yùn)算及執(zhí)行。這種依程序逐步執(zhí)行的動(dòng)作，稱之為掃描。

CPU的執(zhí)行速度會(huì)影響PLC的功能

CPU的處理器位數(shù)也會(huì)影響掃描時(shí)間。返回系統(tǒng)存儲(chǔ)器：存放系統(tǒng)程序用戶存儲(chǔ)器：分用戶程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用于存放用戶編寫的控制程序和數(shù)據(jù)。PLC使用的存儲(chǔ)器類型:ROM：只讀存儲(chǔ)器RAM：讀寫存儲(chǔ)器EPROM：紫外線擦除的只讀存儲(chǔ)器EEPROM：電擦除的只讀存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器返回輸入接口

是外部輸入設(shè)備與PLC的連接界面,通過(guò)此界面,CPU可以測(cè)得外部輸入設(shè)備的狀態(tài)（0或1）。輸入接口電路形式：干接觸:由內(nèi)部的直流電源供電直流輸入:小型PLC也由內(nèi)部的直流電源供電交流輸入:必須外加電源當(dāng)輸入端外回路接通時(shí)，輸入點(diǎn)獲取邏輯值“1”當(dāng)輸入端外回路斷開(kāi)時(shí)，輸入點(diǎn)獲取邏輯值“0”輸入接口電路原理圖動(dòng)畫演示返回光電耦合器輸入開(kāi)關(guān)信號(hào)PLC內(nèi)部X0COM24+輸出接口PLC通過(guò)輸出接口實(shí)現(xiàn)對(duì)外部負(fù)載的控制操作。

PLC的輸出形式有三種：繼電器輸出（R）：可帶交、直流負(fù)載晶體管輸出（T）：可帶直流負(fù)載晶閘管輸出（S）：可帶交流負(fù)載PLC內(nèi)部當(dāng)PLC沒(méi)有輸出時(shí)(低電平)，輸出端電路斷開(kāi)，外部設(shè)備不動(dòng)作。當(dāng)PLC有輸出時(shí)(高電平)，輸出端電路被接通，外部負(fù)載被驅(qū)動(dòng)；低電平輸出接口電路原理圖動(dòng)畫演示返回電源動(dòng)畫演示返回

PLC主機(jī)內(nèi)部一般配有為輸入點(diǎn)供電的小容量直流24V電源；負(fù)載需配置專門的外部負(fù)載電源。允許在額定值的+10％—15％范圍內(nèi)波動(dòng)。為防止PLC內(nèi)部程序和數(shù)據(jù)等重要信息的丟失，PLC還帶有鋰電池作為后備電源。編程器（HPP）動(dòng)畫演示返回

編程器的功能是完成用戶程序的編制、編輯、輸入主機(jī)、調(diào)試和執(zhí)行狀態(tài)監(jiān)控，是PLC系統(tǒng)故障分析和診斷的重要工具。簡(jiǎn)易型：只能用語(yǔ)句表形式編程，且需要連機(jī)工作，如三菱FX2N-20P-E手持式編程器。智能型：可以用指令語(yǔ)句編程，又可以用梯形圖編程，既可聯(lián)機(jī)編程又可脫機(jī)編程，但價(jià)格更高，如GP-80X-E編程器。3.2.2PLC的軟件系統(tǒng)

指PLC所使用的各種程序的集合。系統(tǒng)程序：是PLC硬件與用戶之間的接口，由PLC生產(chǎn)廠家提供，并固化在ROM中，用戶不能直接讀寫。用戶程序：用戶根據(jù)控制要求，用PLC的編程語(yǔ)言編制的應(yīng)用程序。用戶可以修改和更新，一般存放在RAM中，當(dāng)PLC斷電時(shí)被鋰電池保持。常用的PLC編程語(yǔ)言有:梯形圖、語(yǔ)句表、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖(SFC圖)。

返回

PLC常用的編程語(yǔ)言有：梯形圖LD（Ladderdiagram）語(yǔ)句表IL(Instructionlist)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

SFC圖(Sequentialfunctionchart)3.2.3PLC常用的編程語(yǔ)言

返回梯形圖-PLC的第一用戶編程語(yǔ)言梯形圖的編寫須符合一定的規(guī)范PLC的梯形圖與傳統(tǒng)的繼電接觸器控制線路相比較基本一致，只是在使用符號(hào)和表達(dá)方式上有些區(qū)別。

梯形圖與傳統(tǒng)控制線路對(duì)比返回指令語(yǔ)句表

語(yǔ)句表是PLC的命令語(yǔ)句表達(dá)式，表示機(jī)器的操作命令，可用簡(jiǎn)易HPP輸入，是PLC的最基礎(chǔ)語(yǔ)言。返回狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖（SFC圖）

狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖是一種圖形化的編程語(yǔ)言，多用于描述順序控制系統(tǒng)功能，也稱作功能圖。返回3.3PLC的基本工作原理輸入采樣開(kāi)始ＲＵＮ內(nèi)部處理通信處理程序執(zhí)行輸出刷新ＹＮ一、可編程控制器的工作方式具有兩大特點(diǎn)：采用循環(huán)掃描工作方式對(duì)輸入、輸出集中處理PLC的工作過(guò)程包括五個(gè)階段：內(nèi)部處理、通信處理、輸入采樣（輸入處理）、程序執(zhí)行、輸出刷新（輸出處理）。

用戶程序執(zhí)行過(guò)程返回主頁(yè)二、PLC的程序執(zhí)行過(guò)程掃描周期輸入采樣階段程序執(zhí)行階段輸出刷新階段下一節(jié)寫入讀出讀出輸出映像寄存器

輸入采樣階段：PLC以掃描方式按順序?qū)⑺休斎攵说妮斎胄盘?hào)狀態(tài)(“o”或“l(fā)”）讀入輸入映像寄存器區(qū)。這個(gè)過(guò)程稱為對(duì)輸入信號(hào)的采樣。此時(shí)輸入映像區(qū)被刷新，PLC進(jìn)入下一個(gè)階段。（輸入信號(hào)集中批處理）返回

程序執(zhí)行階段：PLC按照先左后右、先上后下的順序?qū)μ菪螆D程序進(jìn)行掃描，對(duì)由接點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，（X觸點(diǎn)的值是從輸入映像寄存器中讀出的，其它觸點(diǎn)的值是從元件映像寄存器中讀出的）并把邏輯運(yùn)算的結(jié)果（各繼電器線圈的狀態(tài)值）存入輸出映像寄存器區(qū)對(duì)應(yīng)位置，刷新原來(lái)數(shù)據(jù)區(qū)的狀態(tài)。注意：

運(yùn)算結(jié)果在全部程序未執(zhí)行完畢之前，不會(huì)送到輸出端子上。返回

輸出刷新階段：在執(zhí)行完用戶所有程序后，PLC將輸出映像寄存器中的Y寄存器的狀態(tài)，集中送到輸出鎖存器中，刷新上一階段輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)，再通過(guò)一定的輸出方式(如繼電器輸出方式)去驅(qū)動(dòng)輸出端的外接負(fù)載。（輸出信號(hào)集中批處理）返回掃描周期：PLC完成一次掃描過(guò)程所需的時(shí)間。

掃描周期的長(zhǎng)短與PLC的運(yùn)算速度和工作方式有關(guān),但主要和用戶程序的長(zhǎng)度及指令的種類有關(guān)。

一個(gè)掃描周期的時(shí)間大約在幾毫秒到幾百毫秒之間。返回三、PLC的I/O響應(yīng)時(shí)間

是指PLC的外部輸入信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)刻至它控制的有關(guān)外部輸出信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)刻的時(shí)間間隔。PLC采用