秋电子0601-04、公选1PLC结构及工作原理.ppt

第1章 可编程控制器的结构及工作原理 1-1 概述 可编程控制器的发展历程 以前：在可编程控制器出现以前，工业控制主要由继电器完成 。继电器按预先设定的条件或时间顺序地工作，若要改变控 制内容往往要改变硬件接线，因此其通用性和灵活性很差。 现在：20 世纪的六十年代，计算机技术开始应用于工业控制领 域，由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大以及难 于适应恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领域获得推广 。 1 1968 年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司 (GM) 为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找一种比继电 器更可靠，功能更齐全，响应速度更快的新型工业控制器 ，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件： 编程简单，方便，易学，控制功能设计周期短； 程序可修改； 可靠性高于继电器控制装置； 成本低，体积小，可与继电器控制盘竞争； 可与计算机链接。 2 另外，作为提高性要求，最好应具备以下功能： 输入、输出可为市电，输出容量要求在 2A 以上，可直接 驱动接触器等； 功能扩展时原系统改变最少； 用户存储器大于 4KB 。 这些条件实际上希望将继电器控制的简单易懂、使用方便、价 格低的优点与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点 结合，将硬接线逻辑变为计算机的软件逻辑。 1969 年，美国数字设备公司 (DEC 公司 ) 研制出了第一台可编 程控制器 ，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并 取得了满意的效果，可编程控制器自此诞生。 3 可编程控制器从诞生到现在，经历了四次换代 第一代 1 位微处理器 ，逻辑控制功能； 第二代 8 位微处理器及存储器 ，产品系列化； 第三代 高性能 8 位微处理器，处理速度提高，向多功能及 联网通信发展； 第四代 16 位、 32 位微处理器及高性能位片式微处理器， 具有逻辑、运动、数据处理、联网功能的名副其实的多功能 控制器。 4 PLC名称演变 1969年，美国DEC公司研制成满足GM公司要求的控制器之 初，主要用于顺序控制，取名为“可编程序逻辑控制器”。即 Programmable Logic Controller，简称为PLC。 80年代后，PLC功能增强，不仅可以进行顺序控制，而且可 以进行复杂的模拟控制，联网运行等，在工业控制领域几乎 无所不能，所以又开始称为“可编程控制器”，即PC。但为 了和Personal Computer相区别，仍然沿用PLC的名称。 5 可编程控制器的专业定义（） 可编程控制器一直在发展，目前为止 ， 还未能对其下最后 定义。 1987 年 2 月，IEC颁布了第三稿可编程控制器定义：可编 程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环 境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，执行逻辑 运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指 令，并通过数字式或模拟式的输入 / 输出，控制各种类型的 机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按 易于工业控制，易于功能扩充的原则设计。 6 目前，各种PLC的功能日益增强，可进行数字量、模拟量控 制，具有远程通讯功能的集散控制等。 PLC以其超强的可靠性和灵活性，广泛应用于冶金、石油、 矿业、机械、轻工等领域，为工业自动化提供了有力的工具 ，加速了机电一体化的实现。 被称为现代工业控制的三大支柱之一（即PLC，机器人和 CAD/CAM）。 7 1-2 PLC的基本结构及工作原理 一PLC的基本结构 可编程控制器起与计算机的组成十分相似。主要包括CPU 、RAM（随机存取存储器）、ROM（只读存储器）、输入 / 输出单元（ I/O ）、接口电路、电源等。 8 1. 中央处理单元CPU（Centre Processing Unit） 常用芯片8031、8051、Z80A、8085等 CPU是整个PLC的核心，它按系统程序赋予的功能指挥可 编程控制器有条不紊地进行工作，其主要任务有： （1）将输入信号送入PLC中存贮起来； （2）编译用户指令，完成各种操作； （3）将结果送到输出端； （4）响应外围设备请求（编程器、打印机等）。 2存贮器 包括系统程序存贮器ROM（只读存储器）；数据、户程序存 贮器可以是RAM（用鋰电池备份，掉电数据丢失）。 9 3输入接口：采用光电耦合 输入采用光电耦合电路，可大大减少电磁干扰， 输入响应时间一般在2ms以下。 10 4输出接口：采用光电隔离 输出采用光电隔离，避免外电路的影响。 三种输出方式：继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出。 继电器输出适用低频大功率负载（交直流电源输出），响应 时间ONOFF 10ms，OFFON 8ms 11 晶闸管输出适用高频、大功率负载（交流电源输出），响应时 间短，几百s几ms。 12 晶体管输出适用（更）高频、小功率负载（只能直流电 源输出），响应时间几十s几百s。 13 二、PLC的工作原理 PLC采用循环扫描工作方式。CPU从第一条指令开始执行程序 ，直至遇到结束符后又返回第一条。如此周而复始不断循环 。每一循环称为一个扫描周期。 1 2 3 10 11 ED I/O刷新 执行指令 I/O刷新 执行指令 第一个扫描周期 第二扫描周期 14 循环扫描的过程=I(输入)+执行指令+O（输出） I(输入)刷新：PLC对输入数据进行一次读取，即将输入端各变量 的状态读入PLC内的输入影像寄存器； 执行指令：PLC进行运算，将输入影像寄存器内的数据读取，根 据程序进行运算，新的运算结果送到PLC内的输出影像寄存 器。 O(输出)刷新：PLC根据输出影像寄存器的内容，更新PLC的输 出内容。 统观工作过程，实际上是将存放输入，输出状态的寄存器内 容进行了一次更新，故称为I/O刷新。 15 PLC举例：电动机的长动控制 KM SB1 KM SB2 FR M 3 M 3 ABC KM FU QS FR 电流成回路， 只接两相就可以。 发热 元件 发热 元件 热继电 器触头 热继电 器触头 16 PLC内部工作原理、编程示意图 17 外部响应问题：输入变量在I/O刷新(确切的说应该在I刷新) 前发生变化，输出可以响应。在本次I/O刷新后变化，本次 输出不响应，只能等下一个扫描周期来到才被刷新。 响应是滞后的，不是即时的。滞后时间就是响应周期。它的 长短主要取决于：CPU处理速度、每条指令占用时间、指令 条数的多少（即程序的长短）等。 18 对于慢速控制系统，PLC这种循环扫描工作方式具有更高的 可靠性，更强的抗干扰能力。 对于快速控制系统，则要慎重考虑。应该精确计算响应时间 ，精心编排程序，尽量减少响应延迟的问题。 循环扫描的工作方式是PLC的鲜明特点 ，明显区别微机的等 待工作方式，编程时应引起足够注意。 19 1-3 PLC技术性能指标 1输入/输出点数（I/O点数） 指PLC外部输入、输出端子数。根据I/O点数PLC可分为小型 PLC（256点以下）、中型PLC（256-2048之间）、大型PLC（ 2048点以上）。 输入输出点数是PLC最重要的一项技术指标。 扫描速度 执行一步指令的时间s/步，或执行1000条指令所需时间 ms/k步。 内存容量 衡量PLC软件功能的强弱的主要指标。指令以步为单位，每 步占用一个地址单元，一个地址单元占用2个字节。1000步内存 容量对应2K字节。 指令条数（种类） 衡量PLC软件功能的指标。越多越好。 20 5内部寄存器、继电器 用以存放中间结果、变量状态、数据等的寄存器；还有许多 具有特殊功能的辅助继电器和寄存器，如定时器、计数器、系 统寄存器等。它们反映硬件功能指标。 6高功能模块 高功能模块的多少，功能强弱是衡量PLC产品水平高低的一 个重要标志。常用高功能模块有：A/D模块，D/A模块，高速计 数模块，位置控制模块，智能PID模块，温度控制模块，速度控 制模块，远程通讯模块等。 7编程语言及编程手段 如通用的梯形图语言、助记符语言、流程图语言。它们反映 PLC的适用性。21 1-4 PLC的特点及主要功能 一PLC的特点 1、抗干扰能力强，可靠性高。主要采取了以下措施： a.输入输出均采用光电转换进行隔离，电源相互独立，提 高了抗干扰能力。 c.采用循环扫描工作方式，提高抗干扰能力。 d.采用动态滤波措施，减少脉冲干扰。 e.内部采用“监视器”电路，以保证CPU可靠工作。 f.采用密封、防尘、抗震的外壳封装及内部结构，可适应 各种环境。 采用上述措施，实验表明一般产品可抗1kV，1s的窄脉冲 干扰，平均无故障时间510 万小时。 22 2采用模块化组合结构 ：使系统构成十分灵活，可根据需要 任意组合，易于维修，易于实现分散式控制。 3接口功能强： PLC电源可以是AC 110V、220V，DC 5V、12V、24V、 48V等。 负载能力以从0.5A2A范围内变化。可直接带生产设备或控 制电器。 模拟量输入输出有50mV、5V、 10V、010 mA、 420mA、等多种规格，可以连接大部分的现场仪表。 4编程语言简单易学，便于普及。 5可进行在线修改，柔性好。 6有较高的性能价格比。 23 7. 自诊断功能 8. 高功能模块 9. 通讯联网功能 10.显示、打印功能 二PLC的主要功能 1. 开关量控制：取代传统继电器，完成开关量控制。 2. 模拟量控制：对许多连续变化量如温度、压力、流量、 液位等的控制，如PID控制。 3. 数据处理：设置有四则运算指令，对生产过程中的数据 进行处理。 4. 运动控制：控制步进电机或伺服电机实现速度和位置控 制。 5. 另外还有如定时控制、计数控制等。 24 三PLC