PLC技術(shù)及應(yīng)用（歐姆龍機型）第3版 課件 戴一平第1、2章 可編程序控制器基礎(chǔ)、可編程控制器的硬件系統(tǒng)

第一章可編程序控制器基礎(chǔ)

可編程序控制器可編程序（ProgrammableLogicController）簡稱為PLC。是一種集微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)于一體的新型的自動控制裝置，具有功能強、可靠性高、操作靈活、編程簡單等一系列優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于機械制造、汽車、電力、輕工、環(huán)保、電梯等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活，受到廣大用戶的歡迎和重視。內(nèi)容提要

本章在介紹PLC的發(fā)展、流派、特點、基本構(gòu)成等概況的同時，著重介紹PLC的等效電路、工作原理以及技術(shù)規(guī)格與類別。第一節(jié)PLC概述第二節(jié)PLC的基本構(gòu)成及工作原理第三節(jié)PLC的技術(shù)規(guī)格與分類一、PLC的發(fā)展簡史1968年，美國通用汽車公司提出招標(biāo)要求。第一節(jié)PLC概述

1）編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序；

2）維護方便，最好是插件式；

3）可靠性高于繼電器控制柜；

4）體積小于繼電器控制柜；

5）可將數(shù)據(jù)直接送入管理計算機；

6）在成本上可與繼電器控制競爭；

7）輸入可以是交流115V（美國電網(wǎng)電壓為110V）；

8）輸出為交流115V、2A以上，能直接驅(qū)動電磁閥；

9）在擴展時，原系統(tǒng)只需作很小變更；

10）用戶程序至少能擴展到4K以上。GM10條

20世紀(jì)70年代初開始的近四十年里，PLC

已發(fā)展成一個巨大的產(chǎn)業(yè)。

1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司按招標(biāo)要求完

成了研制工作。二、PLC的定義（1982年11月、1985年1月和1987年2月國際電工委員會（IEC）可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第一、二、三稿）1.是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)2.為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計3.采用計算機的軟硬件結(jié)構(gòu)4.達(dá)到各類機械或生產(chǎn)過程的控制目的三、PLC的流派

按地域分為三種流派：1.美國的PLC：如羅克韋爾(Rockwell)公司（包括AB公司）產(chǎn)品，通用電氣（GE）產(chǎn)品。2.歐洲的PLC：如西門子（Siemens)公司產(chǎn)品，施耐德(Schneider)公司的產(chǎn)品。如歐姆龍（OMRON）公司的產(chǎn)品，三菱（Mitsubishi)公司的產(chǎn)品。3.日本的PLC：四、PLC控制與繼電器控制的區(qū)別繼電器控制電路KMKMSB1SB2PLC梯形圖0.000.0110.0010.00控制電路比較(3)輸入、輸出邏輯關(guān)系基本一致(1)圖形符號基本類似(2)結(jié)構(gòu)形式基本相同相同點(1)組成器件不同(2)觸點情況不同(3)工作電流不同(4)接線方式不同(5)工作方式不同繼電器控制：I/O邏輯關(guān)系是由實際的布線實現(xiàn)；PLC控制：I/O邏輯關(guān)系是由存儲在PLC內(nèi)的用戶程序（梯形圖）實現(xiàn)。不同點五、PLC的主要優(yōu)點1.編程簡單2.可靠性高3.通用性好4.功能強5.易于遠(yuǎn)程監(jiān)控6.設(shè)計、施工和調(diào)試周期短六、PLC的應(yīng)用

水處理交通能源等領(lǐng)域（1）邏輯控制（2）位置控制和運動控制（3）過程控制（4）監(jiān)控系統(tǒng)（5）集散控制七、PLC的發(fā)展趨勢

向控制與管理功能一體化方向發(fā)展向小型化、低成本、簡單易用方向發(fā)展向網(wǎng)絡(luò)化、高可靠性、多功能方向發(fā)展向編程語言標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展第二節(jié)PLC的基本構(gòu)成及工作原理一、PLC的基本構(gòu)成

系統(tǒng)程序用戶程序編程器存儲器輸入口CPU輸出口通信口系統(tǒng)總線電源軟件系統(tǒng)基本單元硬件系統(tǒng)CPU存儲器總線I/O口通信接口編程器電源擴展設(shè)備……系統(tǒng)軟件用戶軟件硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)FRKMKMAFU2SB2SB1BSB1SB2FR24VCOM0.000.02PLCCOM10.000.01輸入模塊輸出模塊LNBAQSFU1KMFRM3~L3L2L1NFU2KMFU3拆除原控制回路安裝PLC接入輸入元件接入輸出元件對PLC供電編寫程序（梯形圖）寫入PLCPLC控制實例

二、PLC控制的等效電路輸入元件負(fù)載SB1SB2FRKM負(fù)載電源PLC內(nèi)部控制電路（用戶程序）等效輸出繼電器0.00PLCCOMDC24V0.000.010.020.010.0210.0010.0010.00COM等效輸入繼電器END三、PLC的工作原理（一）PLC的工作方式

*PLC的掃描周期與用戶程序的長短和該PLC的掃描速度緊密相關(guān)。PLC一次掃描的過程，包括公共處理、執(zhí)行程序、掃描周期計算處理、I/O刷新、外設(shè)端口服務(wù)共五個階段，其所需時間稱為一個工作周期（或掃描周期）。初始化（1）公共處理（2）執(zhí)行程序（3）掃描周期計算處理（4）I/O刷新（5）外設(shè)端口服務(wù)異常正常警告異常否是無有（二）I/O信號傳遞的滯后現(xiàn)象(1)I/O信號的傳遞過程讀寫讀寫20000010000100000000輸入映像寄存器元件映像寄存器輸出鎖存器輸出端子輸入端子輸入電路輸出電路從PLC的輸入端有一個輸入信號發(fā)生變化，到PLC輸出端對該變化做出響應(yīng)，需要一段響應(yīng)時間。最小I/O響應(yīng)時間=輸入ON延時+掃描時間+輸出ON延時I/O刷新I/O刷新執(zhí)行指令/其他處理掃描時間PLC輸入觸點輸入濾波輸出鎖存器輸出觸點執(zhí)行指令/其他處理掃描時間輸入ON延時輸出ON延時I/O響應(yīng)時間響應(yīng)現(xiàn)象一：PLC輸入／輸出響應(yīng)的滯后現(xiàn)象：最大I/O響應(yīng)時間=輸入ON延時+掃描時間×2+輸出ON延時I/O響應(yīng)時間I/O刷新I/O刷新執(zhí)行指令/其他處理掃描時間PLC輸入觸點輸入濾波輸出鎖存器輸出觸點執(zhí)行指令/其他處理掃描時間輸入ON延時輸出ON延時I/O刷新執(zhí)行指令/其他處理掃描時間響應(yīng)現(xiàn)象二：

輸入濾波器有時間常數(shù)

輸出電路存在滯后

循環(huán)掃描工作方式(2)I/O信號傳遞滯后的原因四、PLC的工作模式1）程序模式（PROGRAM）程序模式是程序的停止?fàn)顟B(tài)，PLC的初始設(shè)定、程序傳送、程序檢查、強制置位／復(fù)位等程序執(zhí)行前的準(zhǔn)備，要在該模式下進行。2）監(jiān)視模式（MONITOR）

監(jiān)視模式是程序的執(zhí)行狀態(tài)，可進行聯(lián)機編輯、強制置位／復(fù)位、I/O存儲器的當(dāng)前值變更等操作。試運行時的調(diào)整等可在該模式下進行。3）運行模式（RUN）

運行模式為程序的執(zhí)行狀態(tài)。第三節(jié)PLC的技術(shù)規(guī)格與分類一、PLC的一般技術(shù)規(guī)格

電源電壓允許電壓范圍消耗功率沖擊電流絕緣電阻耐壓抗干擾性

抗振動耐沖擊環(huán)境溫度環(huán)境濕度環(huán)境氣體狀況保存溫度電源保持時間

二、PLC的基本技術(shù)性能

輸入/輸出控制方式

編程語言

指令長度

指令種類

掃描速度

程序容量

中斷處理

模擬量

特殊功能模塊

內(nèi)部繼電器種類及數(shù)量

最大I/O點數(shù)三、PLC的分類1．按I/O總點數(shù)分

256、2048、小型、中型、大型2．按組成結(jié)構(gòu)分

整體式、模塊式3．按功能分

低檔、中檔、高檔本章小結(jié)1.PLC發(fā)展于汽車制造業(yè)，以計算機和電子技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ)2.PLC相對于繼電器控制最大不同是：I/O邏輯關(guān)系是存儲在PLC內(nèi)的用戶程序（梯形圖）實現(xiàn)3.PLC的基本構(gòu)成：硬件和軟件4.PLC的等效電路5.PLC的工作原理：循環(huán)掃描6.PLC的應(yīng)用領(lǐng)域精品課程——《可編程序控制器技術(shù)》第二章可編程序控制器的硬件系統(tǒng)內(nèi)容提要

本章以O(shè)MRON公司的CPM1A、CP1H為例講解PLC的硬件結(jié)構(gòu)、基本功能和型號規(guī)格，剖析基本I/O單元，介紹模擬量I/O單元和特殊擴展設(shè)備。通過對典型機型的學(xué)習(xí)，熟悉PLC的硬件配置，為進一步學(xué)習(xí)指令系統(tǒng)和設(shè)計PLC控制系統(tǒng)打好基礎(chǔ)。第一節(jié)CP系列PLC簡介第二節(jié)輸入/輸出單元第三節(jié)特殊擴展單設(shè)備第一節(jié)CP系列PLC簡介CP系列：CPM1A、CPM2A、CPM2AH、CPM2AH-S、CPM2C、CP1H、CP1L和CP1E等。除CPM2C外，都是整體式小型PLC。由電源、CPU、輸入/輸出口和程序存儲器組成，稱為CPU單元（或稱基本單元）。能方便的加裝擴展單元。8123456791011121．CPU單元結(jié)構(gòu)一、CPM1A簡介1—功能接地端子2—電源輸入端子3—保護接地端子4—狀態(tài)顯示LED5—輸入LED6—輸入端子7—擴展連接器8—輸出端子9—輸出LED10—直流輸出電源端子11—外設(shè)端口12—模擬設(shè)定電位器I/O配置40點I/O型有24個輸入點，16個輸出點，I/O點按3∶2配置。24個輸入點共用一個COM端子。16個輸出點分為六組，共有六個COM端，其中10.00、10.01各占有一個，10.02、10.03合用一個，10.04、10.05、10.06、10.07和11.00、11.01、11.02、11.03和11.04、11.05、11.06、11.07分別各四點合用一個COM端。狀態(tài)顯示PWR（綠）電源指示，接通時亮，斷開時滅。RUN（綠）工作狀態(tài)指示，處在運行或監(jiān)控狀態(tài)時亮，處在編程狀態(tài)或運行異常時滅。ERR/ALM（紅）錯誤/警告指示，正常時滅，出現(xiàn)致命性錯誤時，指示燈亮；出現(xiàn)警告性錯誤時，指示燈閃爍時。COMM（橙）通信指示，PLC通過外設(shè)端口與外部設(shè)備通信時閃爍，不通信時滅。2．功能簡介高速計數(shù)器脈沖輸出通信指令系統(tǒng)存儲器后備模擬設(shè)定電位器輸入時間常數(shù)設(shè)定外部中斷快速響應(yīng)輸入間隔定時中斷3．編程工具使用編程器使用計算機4．型號規(guī)格例：CPM1A-40CDR-ACPM1A

系列40

輸入/輸出總點數(shù)CCPU單元DDC輸入R

繼電器輸出；T

晶體管輸出A

交流電源供電；D

直流電源供電1．CPU單元結(jié)構(gòu)二、CP1H簡介1）電池蓋2）工作指示LED3）外圍設(shè)備USB端口4）7段LED顯示5）模擬電位器6）外部模擬設(shè)定輸入8）內(nèi)置模擬輸入輸出9）內(nèi)置模擬輸入切換開關(guān)10）存儲盒槽位11）供給電源/輸出端子臺12）輸出指示LED13）擴展I/O單元連接器14）選件板槽位15）電源、接地、輸入端16）輸入指示LED狀態(tài)顯示PWR（綠）電源指示，接通時亮，斷開時滅。RUN（綠）工作狀態(tài)指示，處在運行或監(jiān)控狀態(tài)時亮，處在編程狀態(tài)或運行異常時滅。ERR/ALM（紅）錯誤/警告指示，正常時滅，出現(xiàn)致命性錯誤時，指示燈亮；出現(xiàn)警告性錯誤時，指示燈閃爍時。INH（黃）負(fù)載切斷（A500.15）為ON時亮；BKUP（黃）程序、參數(shù)、數(shù)據(jù)內(nèi)存向內(nèi)置閃存（備份存儲器）寫入、訪問和復(fù)位時亮；PRPHL（黃）在USB端口通信時閃爍，平時滅。串行通信功能模擬電位器7段LED顯示無電池運行存儲盒程序保護故障診斷時鐘2.功能簡介中斷高速計數(shù)器50kHz，100kHz脈沖輸出1~100kHz，1~1MHz快速響應(yīng)輸入30μs模擬輸入輸出1/6000，1/12000串行通信功能3．編程工具也可通過RS-232C選件板CP1W-CIF01編程4．型號規(guī)格例：CP1H–XA40DR-ACP1HCP1H系列X

基本型，XA

內(nèi)置模擬量，Y帶脈沖輸入/輸出專用端子型40

內(nèi)置輸入/輸出點數(shù)DDC輸入R

繼電器輸出，T晶體管輸出A

交流電源，D直流電源。1.RS-232C、RS-422A/485選件板三、CP1H選件板

簡介RS-232C選件板RS-422A/485選件板用于上位鏈接、NT鏈接(1:N模式)、無協(xié)議、串行PLC鏈接從站、串行PLC鏈接主站、串行網(wǎng)關(guān)和外設(shè)總線，RS-232C和RS-422A/485選件板的應(yīng)用2.LCD選件板LCD選件板選件板的安裝無需連接CX-Programmer即可監(jiān)控各種數(shù)據(jù)及變更當(dāng)前值、設(shè)定值，并可使用PLC未配備的特殊定時器，從而拓展SYSMACCP系列的用途范圍，3.Ethernet選件板Ethernet選件板選件板的應(yīng)用Ethernet上最多可連接254臺CP1H/CP1LPLC、CS/CJ系列PLC或上位計算機Ver.2.0以上版本在CP1HCPU單元中可安裝2塊選件板第二節(jié)輸入/輸出單元

一、開關(guān)量基本I/O單元I/O單元分類:按信號的流向

輸入單元和輸出單元按信號的形式

開關(guān)量I/O單元和模擬量I/O單元按電源形式

直流型和交流型、電壓型和電流型按功能

基本I/O單元和特殊I/O單元

（一）開關(guān)量輸入單元

輸入模塊組成框圖

現(xiàn)場輸入信號輸入端子輸入電路輸入映像寄存器CPU按信號電源的不同分：直流輸入交流輸入交直流輸入直流輸入模塊電原理圖R1、R2、C作用：分壓、限流、濾波。雙向光耦合器作用:整流、隔離和電平轉(zhuǎn)換。隔離——抗干擾，將電信號轉(zhuǎn)換為光信號進行傳輸；電平轉(zhuǎn)換——將DC24V輸入信號轉(zhuǎn)換成TTL（5V）標(biāo)準(zhǔn)信號。

AC/DC外部電源COM光耦合器輸入端PLCLED輸入開關(guān)CR2內(nèi)部電路R1內(nèi)部電路輸入模板（二）開關(guān)量輸出單元

輸出模塊組成框圖

現(xiàn)場執(zhí)行元件CPU輸出鎖存器輸出電路輸出端子元件映像寄存器輸出形式：繼電器輸出晶閘管輸出晶體管輸出1.繼電器輸出（交直流）模塊

R1內(nèi)部電路R2ACCOMLED輸出端負(fù)載DCKA繼電器PLCKAC內(nèi)部電路輸出模板繼電器既是輸出開關(guān)器件，又是隔離器件R1和LED組成輸出狀態(tài)顯示器R2和C組成RC滅弧電路繼電器觸點動作的響應(yīng)時間約為10ms繼電器輸出模塊的負(fù)載回路，可選用直流電源，也可選用交流電源在電阻性負(fù)載時，輸出的最大負(fù)載電流為2A/點2.晶閘管輸出（交流）模塊

ACCR1LEDR2負(fù)載輸出端COMFUU固態(tài)繼電器內(nèi)部電路雙向晶閘管為輸出開關(guān)器件，由它組成的固態(tài)繼電器（ACSSR）具有光電隔離作用R2與C組成高頻濾波電路壓敏電阻作為消除尖峰電壓的浪涌吸收器雙向晶閘管開通響應(yīng)時間≤1ms，關(guān)斷響應(yīng)時間≤10ms在輸出負(fù)載回路中的電源只能選用交流電源3.晶體管輸出（直流）模塊內(nèi)部電路R2R3PLC輸出端COMLED光耦合器V1VSVDFU負(fù)載DCR1V1為輸出開關(guān)器件，光耦合器為隔離器件VS和FU分別用于輸出端的過壓保護和過流保護二極管VD可禁止負(fù)載電源反向接入晶體管輸出模塊所帶負(fù)載只能使用直流電源在電阻性負(fù)載時，最大負(fù)載電流為0.5A/點，通斷響應(yīng)時間均＜0.2ms（三）I/O單元規(guī)格

1．輸入單元規(guī)格（1）繼電器輸出規(guī)格（2）晶體管輸出規(guī)格2．輸出單元規(guī)格123456有40點I/O、20點I/O、8點I、8點O等幾種，型號在CPM1A后分別后綴40EDR、40EDT、20EDR、20EDT、8ED、8ER、8ED，其中E表示為擴展單元。1-輸入端子2-輸入LED3-擴展連接器4-輸出LED5-輸出端子6-擴展I/O連接電纜（一）擴展I/O單元簡介二、開關(guān)量擴展I/O單元CPM1A型（二）擴展I/O單元的使用CP1H型連接限制1）最大可連接7個單元。2）占用通道數(shù)，輸入、輸出都必須在15CH以下。3）合計消耗功率在30W以下。4）高功能單元合計不超過2臺。5）環(huán)境溫度的限制。（一）擴展I/O單元的使用現(xiàn)場模擬信號變送器V/VI/VA/D光電隔離輸入暫存CPU三、模擬量I/O單元1.模擬量輸入單元

作用：連續(xù)變化的電壓、電流信號轉(zhuǎn)換成CPU能處理的若干位數(shù)字信號。

組成：2.模擬量輸出單元CPUV/VV/ID/A光電隔離輸出鎖存電壓輸出電流輸出作用：把CPU處理后的若干位數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量信號輸出。組成：

A/D、D/A模塊的主要參數(shù)：

分辨率精度轉(zhuǎn)換速度輸入阻抗輸出阻抗最大允許輸入范圍模擬通道數(shù)內(nèi)部電流消耗……

3.外置模擬量I/O單元模擬量輸出單元DA003模擬量輸入單元AD003CPM1A-MAD01

4.內(nèi)置模擬量I/O單元XA型CP1HCPU單元內(nèi)置具有4路輸入、2路輸出的擬量I/O單元。模擬量范圍可設(shè)置成DC-10V~10V、0~10V、1~5V、0~5V、0~20mA和4~20mA6種，分辨率有1/6000和1/12000兩種。第三節(jié)特殊擴展設(shè)備

特殊I/O功能單元作為智能單元，有自己的CPU、存儲器和控制邏輯，與I/O接口電路及總線接口電路組成一個完整的微型計算機系統(tǒng)。作用：1）在自己的CPU和控制程序的控制下，通過I/O接口完成相應(yīng)的輸出、輸入和控制功能；

2）通過總線接口與PLC單元的主CPU進行數(shù)據(jù)交換，接受主CPU發(fā)來的命令和參數(shù)，并將執(zhí)行結(jié)果和運行狀態(tài)返回主CPU。效果：既實現(xiàn)了特殊I/O單元的獨立運行，減輕了主CPU的負(fù)擔(dān)，又實現(xiàn)了主CPU單元對整個系統(tǒng)的控制與協(xié)調(diào)，從而大幅度地增強了系統(tǒng)的處理能力和運行速度。一、高速計數(shù)單元