PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理.doc

湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系 第2講 可編程控制器基本結(jié)構(gòu)和工作原理 PLC可編程控制技術(shù)第二講 PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理教學(xué)課題：可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理教學(xué)目的：1. 熟悉PLC的結(jié)構(gòu)組成、內(nèi)部等效電路；2. 理解掌握PLC的工作方式和工作過程教學(xué)重點(diǎn)：PLC可編程序控制器的組成和工作過程教學(xué)難點(diǎn)：PLC可編程序控制器的工作過程教學(xué)方法：講授教學(xué)時(shí)間：2課時(shí)教學(xué)過程及內(nèi)容：導(dǎo)入要實(shí)現(xiàn)PLC的控制需要：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、PLC硬件和軟件（控制程序）。一、 PLC的基本組成可編程控制器的結(jié)構(gòu)多種多樣，但其組成的一般原理基本相同，都是以微處理器為核心的結(jié)構(gòu)，其功能的實(shí)現(xiàn)不僅基于硬件的作用，更要靠軟件的支持，實(shí)際上可編程控制器就是一種新型的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。Memorizer(RAM,ROM), it is the memory devices of the PLC and used to store programs and data.(一) PLC的硬件結(jié)構(gòu)主機(jī)微處理器（CPU）控制器的核心存儲(chǔ)器(RAM、ROM）輸入、輸出部件 （I/O部件）連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與CPU之間的接口電路電源部件為PLC內(nèi)部電路提供能源整體結(jié)構(gòu)的PLC四部分裝在同一機(jī)殼內(nèi)模塊式結(jié)構(gòu)的PLC各部件獨(dú)立封裝，稱為模塊，通過機(jī)架和總線連接而成I/O的能力可按用戶的需要進(jìn)行擴(kuò)展和組合（擴(kuò)展機(jī)）另外，還必須有編程器將用戶程序?qū)戇M(jìn)規(guī)定的存儲(chǔ)器內(nèi)圖1 PLC硬件結(jié)構(gòu)1. 中央控制處理單元(CPU)可編程控制器中常用的CPU主要采用通用微處理器、單片機(jī)和雙極型位片式微處理器三種類型。通用微處理器有8080、8086、80286、80386等；單片機(jī)有8031、8096等；位片式微處理器的AM2900、AM2903等。FX2可編程控制器使用的微處理器是16位的8096單片機(jī)。2. 存儲(chǔ)器可編程控制器配有兩種存儲(chǔ)器：系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器。系統(tǒng)存儲(chǔ)器：存放系統(tǒng)管理程序，用只讀存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)。用戶存儲(chǔ)器：存放用戶編制的控制程序，一般用RAM實(shí)現(xiàn)或固化到只讀存儲(chǔ)器中。3. 輸入輸出接口作用：連接用戶輸入輸出設(shè)備和PLC控制器，將各輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成PLC標(biāo)準(zhǔn)電平供PLC處理，再將處理好的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成用戶設(shè)備所要求的信號(hào)驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。對(duì)輸入輸出接口的要求：良好的抗干擾能力；對(duì)各類輸入輸出信號(hào)（開關(guān)量、模擬量、直流量、交流量）的匹配能力。PLC輸入輸出接口的類型：模擬量輸入輸出接口、開關(guān)量輸入輸出接口（直流、交流及交直流）。用戶應(yīng)根據(jù)輸入輸出信號(hào)的類型選擇合適的輸入輸出接口。 開關(guān)量輸入接口電路各種輸入接口均采取了抗干擾措施。如帶有光耦合器隔離使PLC與外部輸入信號(hào)進(jìn)行隔離；并設(shè)有RC濾波器，用以消除輸入觸點(diǎn)的抖動(dòng)和外部噪聲干擾。通常有三種類型：直流(1224)V輸入、交流(100120)V輸入與交流(200240)V輸入和交直流(1224)V輸入。直流輸入模塊的電源一般由機(jī)內(nèi)24v電源提供，輸入信號(hào)接通時(shí)輸入電流一般小于10mA；交流輸入模塊的電源一般由用戶提供。開關(guān)量輸出接口電路有三種形式，即繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出。開關(guān)量輸出端的負(fù)載電源一般由用戶提供，輸出電流一般不超過2A。開關(guān)量輸出端的負(fù)載電源一般由用戶提供，輸出電流一般不超過2A。輸出端子的兩種接法：l 隔離式輸出各自獨(dú)立，無公共點(diǎn)：各輸出端子各自形成獨(dú)立回路。l 匯點(diǎn)式全部輸入點(diǎn)（輸出點(diǎn)）共用一個(gè)公共點(diǎn)。或者將輸入點(diǎn)（輸出點(diǎn)）分成幾組，組內(nèi)各點(diǎn)共用一個(gè)公共點(diǎn)。各組的公共點(diǎn)之間相互隔離。組內(nèi)的各點(diǎn)必須使用同一電壓類型和同一電壓等級(jí)，各組可使用不同電壓類型和等級(jí)的負(fù)載。4. 電源PLC的供電電源一般是市電，也有用直流24V電源供電的。5. 外圍設(shè)備：編程器、打印機(jī)、演示板等利用編程器可將用戶程序輸入PLC的存儲(chǔ)器，還可以用編程器檢查程序、修改程序；利用編程器還可以監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)。6. 用戶輸入輸出設(shè)備:用戶輸入器件有控制開關(guān)和檢測(cè)元件，即各種開關(guān)、按鈕、傳感器等；用戶輸出設(shè)備主要有接觸器、電磁閥、指示燈等。(二) PLC的軟件結(jié)構(gòu)在可編程控制器中，PLC的軟件分為兩大部分：1. 系統(tǒng)監(jiān)控程序：用于控制可編程控制器本身的運(yùn)行。主要由管理程序、用戶指令解釋程序和標(biāo)準(zhǔn)程序模塊，系統(tǒng)調(diào)用。2. 用戶程序：它是由可編程控制器的使用者編制的，用于控制被控裝置的運(yùn)行。二、 PLC的內(nèi)部等效電路以兩臺(tái)電機(jī)的啟動(dòng)為例：l PLC的輸入端：用戶輸入設(shè)備-輸入端子（I接口）l PLC的輸出端：PLC內(nèi)部-輸出端子（O接口）-用戶輸出設(shè)備l 內(nèi)部控制（梯形圖）可視為由繼電器、接觸器等組成的等效電路l 輸入COM端是機(jī)內(nèi)電源24V的負(fù)極端，輸出COM端接用戶負(fù)載電源。三、 工作原理（一）基本工作模式：PLC有運(yùn)行模式和停止模式。1. 運(yùn)行模式：分為內(nèi)部處理、通信操作、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理五個(gè)階段。2. 停止模式當(dāng)處于停止工作模式時(shí)，PLC只進(jìn)行內(nèi)部處理和通信服務(wù)等內(nèi)容。（二） PLC工作過程：(1) 內(nèi)部處理階段：在此階段，PLC檢查CPU模塊的硬件是否正常，復(fù)位監(jiān)視定時(shí)器，以及完成一些其它內(nèi)部工作。(2) 通信服務(wù)階段在此階段，PLC與一些智能模塊通信、響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容等，當(dāng)PLC處于停狀態(tài)時(shí)，只進(jìn)行內(nèi)容處理和通信操作等內(nèi)容。(3) 輸入處理階段輸入處理也叫輸入采樣。在此階段順序讀取所有輸入端子的通斷狀態(tài)，并將所讀取的信息存到輸入映象寄存器中，此時(shí)，輸入映像寄存器被刷新。(4) 程序處理階段按先上后下，先左后右的步序，對(duì)梯形圖程序進(jìn)行逐句掃描并根據(jù)采樣到輸入映像寄存器中的結(jié)果進(jìn)行邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再存入有關(guān)映像寄存器中。但遇到程序跳轉(zhuǎn)指令，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來決定程序的跳轉(zhuǎn)地址。(5) 輸出刷新階段程序處理完畢后，將所有輸出映象寄存器中各點(diǎn)的狀態(tài)，轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，再通過輸出端驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。在運(yùn)行模式下， PLC按上述五個(gè)階段進(jìn)行周而復(fù)始的循環(huán)工作，稱為循環(huán)掃描工作方式。（三）PLC工作方式與特點(diǎn)：集中采樣、集中輸出、周期性循環(huán)掃描，“串行”工作方式1掃描周期：PLC 的工作方式是一個(gè)不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時(shí)間稱為掃描周期或工作周期。 PLC 運(yùn)行正常時(shí)，掃描周期的長短與 CPU 的運(yùn)算速度有關(guān)，與 I/O 點(diǎn)的情況有關(guān)，與用戶應(yīng)用程序的長短及編程情況等均有關(guān)。通常用 PLC 執(zhí)行 1K 指令所需時(shí)間來說明其掃描速度 ( 一般 110ms/K) 。2 輸出滯后：指從PLC的外部輸入信號(hào)發(fā)生變化至它所控制的外部輸出信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)間間隔。一般為幾十100ms.引起輸出滯后的因素：輸入模塊的濾波時(shí)間、輸出模塊的滯后時(shí)間、掃描方式引起的滯后。3. 由于PLC是集中采樣，在程序處理階段即使輸入發(fā)生了變化，輸入映象寄存器中的內(nèi)容也不會(huì)變化，要到下一周期的輸入采樣階段才會(huì)改變。4. 由于PLC是串行工作，所以PLC的運(yùn)行結(jié)果與梯形圖程序的順序有關(guān)。這與繼電器控制系統(tǒng)“并行”工作有質(zhì)的區(qū)別。避免了觸點(diǎn)的臨界競(jìng)爭(zhēng)，減少繁瑣的聯(lián)鎖電路。四、 FX系列可編程控制器三菱公司的PLC是最早進(jìn)入中國市場(chǎng)的產(chǎn)品。小型機(jī)FX2N是近幾年推出的高功能整體式小型機(jī)。FX系列PLC具有龐大的家族?；締卧?主機(jī))有FX0、FX0S、FXON、FX1、FX2、FX2C、FX1S、FX2N、FX2NC9個(gè)系列。每個(gè)系列又有14、16、32、48、64、80、128點(diǎn)等不同輸入輸出點(diǎn)數(shù)的機(jī)型，每個(gè)系列還有繼電器輸出、晶體管輸出、晶閘管輸出三種輸出形式。1. FX系列PLC型號(hào)的含義FX系列可編程控制器型號(hào)命名的基本格式為：說明：系列序號(hào)：0,0S，0N，1,2,2C，1S，2N，2NC。I/O總點(diǎn)數(shù)：14256。單元類型：M-基本單元； E-輸入輸出混合擴(kuò)展模塊； EX-輸入專用擴(kuò)展模塊； EY-輸出專用擴(kuò)展模塊；輸出形式： R-繼電器輸出； T-晶體管輸出； S-晶閘管輸出特殊品種區(qū)別： D-DC電源，DC輸入； AI-AC電源，AC輸入； H-大電流輸出擴(kuò)展模塊(1A/1點(diǎn))； V-立式端子排的擴(kuò)展模塊； C-接插口輸入輸出方式； F-輸入濾波器1ms的擴(kuò)展模塊； L-TTL輸入型擴(kuò)展模塊； S-獨(dú)立端子(無公共端)擴(kuò)展模塊。例如：FX2N-32MRD含義是：FX2N系列，輸入輸出總點(diǎn)數(shù)為32點(diǎn)，繼電器輸出、DC電源，DC輸入的基本單元。2. 主要性能指標(biāo)(1)硬件指標(biāo)：硬件指標(biāo)包括一般指標(biāo)、輸入特性和輸出特性。(2)軟件指標(biāo)：軟件指標(biāo)包括運(yùn)行方式、速度、程序容量、元件種類和數(shù)量、指令類型等。3. FX系列PLC的一般技術(shù)指標(biāo)FX系列PLC的一般技術(shù)指標(biāo)包括基本性能指標(biāo)、輸入技術(shù)指標(biāo)及輸出技術(shù)指標(biāo)，如下表：表1 FX系列PLC的基本性能指標(biāo)項(xiàng)目ItemsFX1SFX1NFX2N和FX2NC運(yùn)算控制方式computing control存儲(chǔ)程序，反復(fù)運(yùn)算computing control, iterative operationI/O Control mode控制方式批處理方式（在執(zhí)行END指令時(shí)），可以使用I/O刷新指令Batch mode (in the instruction execution END), can use the I/O refresh instructions運(yùn)算處理速度processing speed基本指令elementary instruction0.55微秒/指令0.7微秒/指令0.08微秒/指令應(yīng)用指令application instruction3.7微秒/指令數(shù)百微秒/指令1.52微秒/指令數(shù)百微秒/指令程序語言program language邏輯梯形圖和指令表，可以用步進(jìn)梯形指令來生成順序控制指令Logic ladder diagram and instruction list, Can be used stepper trapezoid instruction to generate sequence control commands程序容量（EEPROM）內(nèi)置2KB步Built-in 2KB step內(nèi)置8KB步Built-in 8KB step內(nèi)置8KB步，用存儲(chǔ)盒可達(dá)16KB步Built-in 8KB step, can up to 16KB step by STORAGE BOXES指令數(shù)量number of instructions基本elementary、步進(jìn)step-by-step基本指令elementary instruction 27條，步進(jìn)指令step instruction 2條應(yīng)用指令85條89條128條I/O設(shè)置最多30點(diǎn)最多128點(diǎn)最多256點(diǎn)表2 FX系列PLC的輸入技術(shù)指標(biāo)輸入電壓DC24V10%元件號(hào)X0X7其他輸入點(diǎn)輸入信號(hào)電壓DC24V10%輸入信號(hào)電流DC24V,7mADC24V,5mA輸入開關(guān)電流OFFON4.5mA3.5mA輸入開關(guān)電流ONOFF1.5mA輸入響應(yīng)時(shí)間10ms可調(diào)節(jié)輸入響應(yīng)時(shí)間X0X7為060mA（FX2N），其他系列015mA輸入信號(hào)形式無電壓觸點(diǎn)，或NPN集電極開路輸出晶體管輸入狀態(tài)顯示輸入ON時(shí)LED燈亮表3 FX系列PLC的輸出技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目繼電器輸出晶閘管輸出（僅FX2N）晶體管輸出外部電源最大AC240V或DC30VAC85V242VDC530V最大負(fù)載電阻負(fù)載2A/1點(diǎn)，8A/COM0.3A/1點(diǎn)，0.8A/COM0.5A/1點(diǎn)，0.8A/COM感性負(fù)載80VA，120/240VAC36VA/AC240V12W/24VDC燈負(fù)載100W30W0.9W/DC240V（FX1S），其他系列1.5W/DC 24V最小負(fù)載電壓5VDC時(shí)2mA，電壓24VDC時(shí)5mA（FX2N）2.3VA/240V AC響應(yīng)時(shí)間OFFON10ms1ms0.2ms；5s(僅Y0，Y1)ONOFF10ms10ms0.2ms；5s(僅Y0