《電氣控制及可編程控制器應用》課件第3章 PLC的基本結構和工作原理

第3章PLC的基本結構和工作原理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)簡稱PLC?，F(xiàn)代社會對產(chǎn)品快速變化的需求，使得生產(chǎn)設備和自動生產(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?，F(xiàn)在已成為實現(xiàn)工業(yè)自動化的主要手段之一，與Robot、CAD/CAM并稱為工業(yè)生產(chǎn)自動化的三大支柱。PLC的產(chǎn)生

1968年，美國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項招標指標，這就是著名的GM10條。

GM10條是PLC出現(xiàn)的直接原因。

美國數(shù)字設備公司(DEC)在一年內完成了控制器的研制，并在GM汽車生產(chǎn)線上應用成功。

1969年，第一臺PLC誕生。

國際電工委員會（IEC）對PLC的定義

可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。動畫演示二、PLC的特點

可靠性高，抗干擾能力強編程簡單、易于掌握控制系統(tǒng)結構簡單，通用性好豐富的I/O模塊，功能完善體積小，操作維護方便設計、施工、調試周期短PLC與繼電器控制系統(tǒng)、微機控制系統(tǒng)比較下一節(jié)項目PLC繼電器控制系統(tǒng)微機控制系統(tǒng)功能用程序可以實現(xiàn)各種復雜控制用大量繼電接觸器邏輯布線實現(xiàn)順序控制用程序實現(xiàn)各種復雜控制,功能最強改變控制要求修改程序較簡單改變硬件接線性邏輯,工作量大修改程序，技術難度較大可靠性平均無故障工作時間長受機械觸點壽命限制一般比PLC差工作方式順序掃描順序控制中斷處理，響應最快接口直接與生產(chǎn)設備連接直接與生產(chǎn)設備連接要設計專門的接口環(huán)境適應性可適應一般工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境環(huán)境差，會降低可靠性和壽命要求有較好的環(huán)境，如機房、實驗室、辦公室抗干擾性一般不用專門考慮抗干擾問題能抗一般電磁干擾要專門設計干擾措施，否則易受干擾影響維護現(xiàn)場檢查、維護方便定時更換繼電器，維修費時技術難度高系統(tǒng)開發(fā)設計容易、安裝簡單調試周期短圖樣多、安裝接線工作量大、調試周期長系統(tǒng)設計較復雜、調試技術難度大，需要有系統(tǒng)的計算知識通用性較好，適應面廣一般是專用要進行軟、硬件改造才能作其它用硬件成本比微機控制系統(tǒng)高少于30個繼電器的系統(tǒng)最低一般比PLC低三、PLC的分類

PLC的主要生產(chǎn)商:德國西門子SIEMENS公司日本三菱、歐姆龍OMRON公司美國Rockwell下屬的AB、GE-Fanuc公司中國臺達、無錫華光-光洋牌PLC下一節(jié)下載PLC軟件和資料西門子自動化與驅動集團的中文網(wǎng)站:三菱電機自動化(上海)有限公司的網(wǎng)站:/

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中國IT實驗室

PLC的分類

1.按I/O點數(shù)分類小型：256點以內。如三菱FX系列、SIEMENS

S7-200等中型：256-2048點。如SIEMENS

S7-300、三菱A系列等大型：2048點以上。

SIEMENS

S7-400、三菱Q系列等2.按結構形式分類整體式、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I/O點數(shù)掃描速度存儲容量指令系統(tǒng)內部寄存器功能擴展能力FX系列PLC的主要性能：書P81實驗室選用的是FX0S-30MR型PLC。下一節(jié)五、PLC的發(fā)展和應用主要用于領域：順序控制（最基本、最廣泛的應用領域）如包裝機械、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線、電梯控制等。運動控制在機加工行業(yè)，與CNC集成在一起，用以完成機床的運動控制。過程控制如對溫度、流量、壓力、速度進行PID控制。數(shù)據(jù)處理和通訊PLC與PLC、PLC與PC間。小結：初識PLC

可編程控制器簡稱PLC，是一種能進行編程并能對程序進行修改的一種控制器。它直接應用于工業(yè)環(huán)境下，能直接與生產(chǎn)現(xiàn)場的設備聯(lián)成一體，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場輸入和輸出設備之間的控制要求，在輸入設備狀態(tài)有變化時，驅動相應的輸出設備動作。

控制功能改變時，只需修改程序即可。

PLC可靠性高、抗干擾能力強、適應性好、應用范圍廣、維護方便；編程簡單、易學；控制系統(tǒng)設計調試周期短；具有數(shù)字量和模擬量的輸入、輸出能力。

應用實例-手動控制卷簾門用PLC自動控制卷簾門用PLC自動控制卷簾門PLC直接與生產(chǎn)現(xiàn)場的設備聯(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常用的編程語言返回主頁3.2.1PLC的硬件組成

PLC種類繁多，但其組成結構和工作原理基本相同。

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

編程器外打印機

EPROM

寫入器設

PLC或上位計算機

按鈕

觸點

行程開關

接觸器線圈指示燈電磁閥

主機

電源

CPU

存儲器

控制器輸入接口

輸出接口

運算器

系統(tǒng)存儲器（ROM）外設接口

用戶存儲器（RAMEPROM等）I/O擴展接口電源I/O擴展單元動畫演示返回CPU

中央處理單元是PLC的運算和控制中心，它可將存儲在PLC內的程序逐步取出加以分析、判斷、運算及執(zhí)行。這種依程序逐步執(zhí)行的動作，稱之為掃描。

CPU的執(zhí)行速度會影響PLC的功能

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

是外部輸入設備與PLC的連接界面,通過此界面,CPU可以測得外部輸入設備的狀態(tài)（0或1）。輸入接口電路形式：干接觸:由內部的直流電源供電直流輸入:小型PLC也由內部的直流電源供電交流輸入:必須外加電源當輸入端外回路接通時，輸入點獲取邏輯值“1”當輸入端外回路斷開時，輸入點獲取邏輯值“0”輸入接口電路原理圖動畫演示返回光電耦合器輸入開關信號PLC內部X0COM24+輸出接口PLC通過輸出接口實現(xiàn)對外部負載的控制操作。

PLC的輸出形式有三種：繼電器輸出（R）：可帶交、直流負載晶體管輸出（T）：可帶直流負載晶閘管輸出（S）：可帶交流負載PLC內部當PLC沒有輸出時(低電平)，輸出端電路斷開，外部設備不動作。當PLC有輸出時(高電平)，輸出端電路被接通，外部負載被驅動；低電平輸出接口電路原理圖動畫演示返回電源動畫演示返回

PLC主機內部一般配有為輸入點供電的小容量直流24V電源；負載需配置專門的外部負載電源。允許在額定值的+10％—15％范圍內波動。為防止PLC內部程序和數(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、調試和執(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。簡易型：只能用語句表形式編程，且需要連機工作，如三菱FX2N-20P-E手持式編程器。智能型：可以用指令語句編程，又可以用梯形圖編程，既可聯(lián)機編程又可脫機編程，但價格更高，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的編程語言編制的應用程序。用戶可以修改和更新，一般存放在RAM中，當PLC斷電時被鋰電池保持。常用的PLC編程語言有:梯形圖、語句表、狀態(tài)轉移圖(SFC圖)。

返回

PLC常用的編程語言有：梯形圖LD（Ladderdiagram）語句表IL(Instructionlist)狀態(tài)轉移圖

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

返回梯形圖-PLC的第一用戶編程語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，只是在使用符號和表達方式上有些區(qū)別。

梯形圖與傳統(tǒng)控制線路對比返回指令語句表

語句表是PLC的命令語句表達式，表示機器的操作命令，可用簡易HPP輸入，是PLC的最基礎語言。返回狀態(tài)轉移圖（SFC圖）

狀態(tài)轉移圖是一種圖形化的編程語言，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始ＲＵＮ內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：采用循環(huán)掃描工作方式對輸入、輸出集中處理PLC的工作過程包括五個階段：內部處理、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)行過程返回主頁二、PLC的程序執(zhí)行過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以掃描方式按順序將所有輸入端的輸入信號狀態(tài)(“o”或“l(fā)”）讀入輸入映像寄存器區(qū)。這個過程稱為對輸入信號的采樣。此時輸入映像區(qū)被刷新，PLC進入下一個階段。（輸入信號集中批處理）返回

程序執(zhí)行階段：PLC按照先左后右、先上后下的順序對梯形圖程序進行掃描，對由接點構成的控制線路進行邏輯運算，（X觸點的值是從輸入映像寄存器中讀出的，其它觸點的值是從元件映像寄存器中讀出的）并把邏輯運算的結果（各繼電器線圈的狀態(tài)值）存入輸出映像寄存器區(qū)對應位置，刷新原來數(shù)據(jù)區(qū)的狀態(tài)。注意：

運算結果在全部程序未執(zhí)行完畢之前，不會送到輸出端子上。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)，再通過一定的輸出方式(如繼電器輸出方式)去驅動輸出端的外接負載。（輸出信號集中批處理）返回掃描周期：PLC完成一次掃描過程所需的時間。

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

一個掃描周期的時間大約在幾毫秒到幾百毫秒之間。返回三、PLC的I/O響應時間

是指PLC的外部輸入信號發(fā)生變化的時刻至它控制的有關外部輸出信號發(fā)生變化的時刻的時間間隔。PLC采用