PLC的基本组成和工作原理.ppt

电气控制与PLC原理 第一篇PLC的基本组成和工作原理 项目一PLC的产生与发展项目二PLC的硬件组成项目三PLC的软元件 了解PLC产生 特点 应用及分类 掌握PLC的定义 了解PLC的硬件配置 掌握PLC的基本结构 工作原理及性能指标 PLC工作原理与性能指标 PLC的工作方式 PLC内部软元件资源的使用 第一篇PLC的基本组成和工作原理 项目一PLC的产生与发展 1 1 1PLC的产生1 1 2PLC的定义1 1 3PLC的主要特点1 1 4PLC的应用场合1 1 5PLC的分类1 1 6PLC的技术指标1 1 7PLC的相关知识 1 1 1PLC的产生 1968年 美国最大的汽车制造商通用汽车公司 GM 为了适应汽车型号不断更新的需要 提出了十条技术指标 在社会上公开招标 制造一种新型的工业控制装置 编程方便 可在现场修改程序 维护方便 最好采用插件式结构 可靠性高于继电器控制装置 数据可直接输入管理计算机 体积小于继电器控制装置 成本可与继电器控制装置竞争 输入电源可为市电 交流115V 输出电源可为市电 负载电流要求在2A以上 能直接驱动电磁阀 接触器等 扩展时 原系统要求变更最少 用户程序存储器容量大于4K字节 1969年美国数字设备公司 DEC 根据招标的要求 研制出世界上第一台可编程序控制器 并在GM公司汽车生产线上首次应用成功 1980年美国电气制造商协会 NEMA 正式将其命名为可编程序控制器 ProgrammableController 简称PC 由于可编程序控制器最初只具备逻辑控制 定时 计数等功能 主要是用来取代继电接触器控制 相当于可编程序逻辑控制器 PLC 另一方面 为了与个人计算机 PC 相区别 因此可编程序控制器简称为PLC 1 1 1PLC的产生 1 1 2PLC的定义 国际电工委员会 IEC 于82年11月 85年1月和87年2月分别颁发了可编程序控制器标准草稿第一 二稿和第三稿 对可编程序控制器作了如下的定义 可编程序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 它采用可编程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术运算等操作的命令 并通过数字式或模拟式的输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 可编程序控制器及其有关设备 都应按易于与工业控制系统联成一个整体 易于扩充功能的原则而设计 1 1 3PLC的主要特点 可靠性高 抗干扰能力强 编程简单易学 使用维护方便 硬件配置方便安装方便使用方便维护方便 体积小 质量轻 功耗低 设计施工周期短 1 1 4PLC应用场合 1 逻辑开关顺序控制2 机械位移控制3 数据处理4 模拟量控制5 通信联网 1 1 5PLC分类 1 按结构形式分类 整体式 单元式 箱体式 组合式 模块式 叠装式 1 1 5PLC分类 2 按I O点数分类 微型机I O点数小于32 微小型机I O点数在32 128 小型机I O点数在128 256 中型机I O点数在256 2048 大型机I O点数在2048以上 超大型机I O点数在4000以上 3 按生产厂家分类 德国 西门子公司 日本 三菱公司 OMRON公司 美国 GE公司 AB公司 输入 输出点数 I O 存储容量扫描速度编程语言与指令系统内部寄存器功能模块可扩展能力 1 1 6PLC技术指标 PLC与继电 接触器控制系统的比较PLC与微型计算机控制系统的比较 1 1 7PLC的相关知识 可靠性适应性通用性控制速度工作方式价格 应用范围工作环境编程语言工作方式价格 PLC与单片机控制系统的比较PLC资料与软件的下载 1 1 7PLC的相关知识 使用者学习掌握的角度使用简单程度可靠性 项目二PLC的硬件组成 1 学习掌握PLC的基本结构 2 学习掌握PLC的基本工作原理 3 了解三菱FX 系列PLC的硬件配置 项目目标 项目二PLC的硬件组成 1 2 1PLC的基本结构1 2 2PLC的工作原理1 2 3三菱FX2N系列PLC的硬件配置 1 2 1PLC的基本结构 PLC的硬件系统结构 一 中央处理单元二 存储器三 输入 输出模块四 电源五 外部设备 装有CPU的单元称为CPU模块 其他称为扩展模块 CPU与各扩展模块间通过电缆连接 中 大型机常采用组合式PLC 组合式PLC组成示意图 各单元分别做成相应的电路板或模块 插在底板上 模块之间通过底板上的总线相互联系 1 2 1PLC的基本结构 1 2 1PLC的基本结构 中央处理单元是PLC的主要组成部分 是系统的控制中枢 它的主要功能是 接收并存储从编程器键入的用户程序和数据 检查电源 存储器 I O以及警戒定时器的状态 并诊断用户程序的语法错误 一 中央处理单元 CPU 1 2 1PLC的基本结构 1 取样外部输入信号送入输入映像存储器中存储起来 2 按存储的先后顺序取出用户指令 进行编译 3 完成用户指令规定的各种操作 4 将输出映像存储器中的结果送到输出端子 5 响应各种外围设备 如编程器 打印机等 的请求 一 中央处理单元 CPU 1 系统程序存储器系统程序是厂家根据其选用的CPU的指令系统编写的 它决定了PLC的功能 系统诊断 命令解释 功能子程序调用管理 逻辑运算 通信及各种参数设定系统程序存储器是只读存储器 用户不能更改其内容 二 存储器 1 2 1PLC的基本结构 2 用户程序存储器存放用户编制的梯形图程序或用户数据一般由RAM EPROM EEPROM构成 根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序 不同机型的PLC的用户程序存储器的容量可能差异较大 根据生产过程或工艺的要求 用户程序经常需要改动 所以用户程序存储器必须可读写 1 2 1PLC的基本结构 二 存储器 三 输入 输出模块 1 2 1PLC的基本结构 输入接口电路由光电耦合电路和微电脑输入接口电路组成 输出接口电路由CPU输出电路和功率放大电路组成 输入 输出模块 一 开关量I O模块1 开关量输入模块 直流输入 交流 直流输入 交流输入 2 开关量输出模块 继电器输出 交流 直流驱动 晶体管输出 直流驱动 双向晶闸管输出 交流驱动 二 模拟量I O模块 三 其他功能I O模块 三 输入 输出模块 1 2 1PLC的基本结构 一 开关量I O模块1 开关量输入模块 交流 直流输入电路 三 输入 输出模块 直流输入电路 交流输入电路 1 2 1PLC的基本结构 一 开关量I O模块2 开关量输出模块 三 输入 输出模块 晶体管输出电路 直流驱动 双向晶闸管输出电路 交流驱动 继电器输出电路 交流 直流驱动 1 2 1PLC的基本结构 一 开关量I O模块3 开关量I O模块的外部接线 三 输入 输出模块 1 2 1PLC的基本结构 模拟量输入模块结构框图 二 模拟量I O模块1 模拟量输入模块 三 输入 输出模块 1 2 1PLC的基本结构 模拟量输出模块结构框图 二 模拟量I O模块2 模拟量输出模块 三 输入 输出模块 1 2 1PLC的基本结构 二 模拟量I O模块 三 输入 输出模块 模拟量输入单元框图 模拟量输出单元框图 1 2 1PLC的基本结构 电源部件将交流电源转换成PLC的中央处理器 存储器等电路工作所需要的直流电源 电源部件还能使PLC向外部提供24V的直流电源 给输入单元所连接的外部开关或传感器供电 四 电源 打印机 监视器 其他PLC 计算机编程器编程器分为以下三类 简易编程器 图形编程器 工业控制计算机作为编程器 五 其他接口电路 1 2 1PLC的基本结构 1 2 2PLC的工作原理 PLC是采用 顺序扫描 不断循环 的方式进行工作的 循环扫描工作方式 PLC工作状态 运行 RUN 状态 执行应用程序 停止 STOP 状态 编制与修改程序 PLC执行一次扫描操作所需的时间称为扫描周期 典型值1 100ms 其中大部分时间用于完成用户程序的三个阶段 1 2 2PLC的工作原理 等效电路 PLC控制接线图 PLC控制等效电路图 PLC的I O配置图 继电器 接触器控制电路图 输入电路 输出电路 梯形图 1 2 2PLC的工作原理 等效电路 PLC的I O配置图 电机控制电路 1 2 2PLC的工作原理 扫描方式 读 写 读 写 读 读 0LDX01ORY02ANIX13OUTY04OUTT0K1007LDT08OUTY19END 读 读 写 写 写 写 1 2 2PLC的工作原理 扫描方式 1 2 2PLC的工作原理 1 2 2PLC的工作原理 扫描周期即完成一次扫描 I O刷新 程序执行和监视服务 所需时间 由PLC的工作过程可知 一个完整的循环扫描周期 应为 决定因素 一是CPU执行指令的速度 二是每条指令占用的时间 三是执行指令条数的多少 即用户程序的长短 扫描周期 扫描周期 扫描周期又称为系统响应时间 它由 输入电路的滤波时间 输出模块的滞后时间 扫描工作方式产生的滞后时间三部分所组成 响应延迟时间只有数十毫秒 对一般控制系统影响不大 扫描工作方式产生的滞后 1 2 2PLC的工作原理 三菱FX2N系列 1 2 3三菱FX2N系列PLC的硬件配置 1 2 3三菱FX2N系列PLC的硬件配置 1 FX2N系列基本单元 基本单元包括CPU 存储器 输入 输出接口及电源 1 2 3三菱FX2N系列PLC的硬件配置 2 FX2N系列扩展单元 扩展单元是用于增加I O点数或改变I O点数的比例的装置 扩展单元内有电源 内部没有CPU 只能和基本单元一起使用 1 2 3三菱FX2N系列PLC的硬件配置 3 FX2N系列扩展模块 扩展模块也是用于增加I O点数或改变I O点数的比例的装置 扩展模块没有电源 内部没有CPU 只能和基本单元一起使用 扩展模块与扩展单元唯一不同的地方是扩展单元内有电源 两者都是用于扩展基本单元的I O数量 1 2 3三菱FX2N系列PLC的硬件配置 位置扩展模块 模拟量控制模块 计算机通信模块等 4 FX2N系列特殊模块 1 2 3三菱FX2N系列PLC的硬件配置 项目三PLC的软元件 项目目标 1 掌握FX2N系列PLC性能指标 2 学会使用FX2N系列PLC内部软元件资源 项目三PLC的软元件 一 FX2N系列PLC的性能指标二 FX2N系列PLC的编程元件 1 3 1FX2N系列PLC的性能指标 在选择和使用PLC时应注意PLC的性能指标 这样才能保证其工作正常 1 3 1FX2N系列PLC的性能指标 1 3 2FX2N系列PLC的编程元件 PLC采用软元件 通过程序将各元件联系起来实现各种控制功能 FX2N系列PLC内部软元件资源即PLC的内部寄存器 软元件 从工业控制的角度来看PLC 可把其内部寄存器看成是不同功能的继电器 即软继电器 由这些软继电器执行指令 从而实现PLC的各种控制功能 1 3 2FX2N系列PLC的编程元件 输入继电器 X0 X267 输入继电器的作用是将外部开关信号或传感器的信号输入到PLC 供PLC编制控制程序使用 输入继电器必须由外部信号驱动 不能用程序驱动 所以在程序中不可能出现其线圈 由于输入继电器 X 为输入映像寄存器中的状态 所以其触点的使用次数不限 1 3 2FX2N系列PLC的编程元件 输入继电器 X0 X267 FX2N系列PLC的输入继电器以八进制进行编号 FX2N输入继电器的编号范围为X0 X267 184点 注意 它与输出继电器的和不能超过256点 在使用三菱FXGP编程软件输入梯形图程序或语句表程序时 输入 输出继电器的编号是以三位数的形式出现的 1 3 2FX2N系列PLC的编程元件 2 输出继电器 Y0 Y267 输出继电器的作用是将PLC的执行结果向外输出 驱动外部设备 如接触器 电磁阀等 动作 输出继电器必须由PLC控制程序执行的结果来驱动 输入 输出继电器有无数个动合 动断触点 在编程时可随意使用 1 3 2FX2N系列PLC的编程元件 2 输出继电器 Y0 Y267 FX2N系列PLC的输出继电器也是八进制编号 其中FX2N编号范围为Y0 Y267 184点 与输入继电器一样 基本单元的输出继电器编号是固定的 扩展单元和扩展模块的编号也是按与基本单元连接的部分开始顺序进行编号 在实际使用中 输入 输出继电器的数量 要看具体系统的配置情况 1 3 2FX2N系列PLC的编程元件 3 辅助继电器M辅助继电器M是用软件实现的 其作用与继电器一接触器中的中间继电器相似 故又称中间继电器 它们不能接收外部的输入信号 也不能驱动外部输出 只能在PLC内部使用 辅助继电器有无数个动合 动断触点 在编程时可随意使用 另外 辅助继电器还具有一些特殊功能 辅助继电器的地址采用十进制编号 1 3 2FX2N系列PLC的编程元件 3 辅助继电器M 1 通用辅助继电器M0 M499 共500点 非保持型 2 断电保持型辅助继电器M500 M1023 共524点 保持型 由锂电池支持 通过参数没定 可以变更为非保持型辅助继电器 3 断电保持型辅助继电器M1024 M3071 共2048点 固定保持型 不能通过参数设定而 改变保持特性 1 3 2FX2N系列PLC的编程元件 3 辅助继电器M 4 特殊辅助继电器M8000 M8255 共256点 通常分为下面两大类 触点利用型的特殊辅助继电器 这些继电器的线圈由PLC自行驱动 用户只可以利用其触点 如 M8000为运行监控用 PLC运行时M8000接通 M8002为仅在运行开始时瞬间接通的初始脉冲继电器 M8012为产生100ms时钟脉冲的特殊辅助继电器 1 3 2FX2N系列PLC的编程元件 3 辅助继电器M 线圈驱动型特殊辅助继电器 用户驱动线圈后 PLC作特定运行 如 M8030当锂电池电压跃落时 M8030动作 指示灯亮 提醒用户及时更换锂电池 M8033为PLC停止时输出保持特殊辅助继电器 M8034为输出全部禁止特殊辅助继电器 M8039为定时扫描特殊辅助继电器 1 3 2FX2N系列PLC的编程元件 4 状态器S状态器S是用于编制顺序控制程序的一种编程元件 状态标志 它与步进指令配合使用 不用步进指令时 与辅助继电器一样 可作为普通的触点 线圈进行编程 1 3 2FX2N系列PLC的编程元件 4 状态器S状态器的地址采用十进制编号 1 初始状态继电器S0 S9 共10点 2 回零状态继电器S10 S19 共10点 3 通用状态继电器S20 S499 共480点 没有断电保持功能 但是用程序可以将它们设定为有断电保持功能状态 4 断电保持状态继电器S500 S899 共400点 5 报警用状态器S900 S999 共100点 这100个状态器也可用做外部故障诊断输出 辅助继电器是PLC中数量最多的一种继电器 一般的辅助继电器与继电一接触器控制系统中的中间继电器相似 1 3 2FX2N系列PLC的编程元件 4 状态器S在使用状态器时应注意 状态器与辅助继电器一样有无数个动合 动断触点 状态器不与步进顺控指令STL配合使用时 可作为辅助继电器M使用 FX2N系列PLC可通过程序设定将S20 S499设置为有断电保持功能的状态器 1 3 2FX2N系列PLC的编程元件 5 定时器T定时器T相当于继电器接触器控制系统中的时间继电器 FX2N系列PLC给用户提供最多256个定时器 这些定时器为加计数型预置定时器 定时时间按下式计算 定时时间 时间脉冲单位 预置值其中 时间脉冲单位有lms 10ms 100ms三种 预置值 设定值 为十进制常数K 取值范围为K1 K32767 也可用做数据寄存器 D 的内容进行间接指定 在PLC中有两个与定时器有关的存储区 即设定值寄存器和当前值寄存器 1 3 2FX2N系列PLC的编程元件 5 定时器T定时器的地址采用十进制编号 1 常规定时器T0 T245 100ms定时器T0 T199 共200点 定时时间0 1 3276 7s 10ms定时器T200 T245 共46点 定时时间0 01 327 67s 1 3 2FX2N系列PLC的编程元件 例1 3 1 分析图中所示定时器T200应用实例的工作原理 工作原理 如图所示 当触发信号X0接通时 定时器T200开始工作 当前值寄存器对10ms时钟脉冲进行累积计数 当该值与设定值K123相等时 定时时间到 定时器触点动作 即动合触点闭合 动断触点断开 触发信号断开 定时器复位 触点恢复常态 1 3 2FX2N系列PLC的编程元件 5 定时器T 2 积算定时器T246 T255 1ms积算定时器T246 T249 共4点 定时时间0 001 32 767s 100ms积算定时器T250 1255 共6点 定时时间0 1 3276 7s 1 3 2FX2N系列PLC的编程元件 例1 3 2 分析图中所示定时器T250应用实例的工作原理 工作原理 如图所示 当触发信号X1接通时 定时器开始工作 当前值寄存器对100ms时钟脉冲进行累积计数 当该值与设定值相等时 定时时间到 定时器触点动作 即动合触点闭合 动断触点断开 若计数中间触发信号断开 当前值可保持 输入触发信号再接通或复电时 计数继续进行 当复位触发信号X2接通时 定时器复位 触点恢复常态 1 3 2FX2N系列PLC的编程元件 6 计数器C内部计数器C用来对PLC的内部影像寄存器 X Y M S 提供的触点信号的上升沿进行计数 这种计数操作是在扫描周期内进行的 因此计数的频率受扫描周期制约 即需要计数的触点信号相邻的两个上升沿的时间必须大于PLC的扫描周期 否则将出现计数误差 1 3 2FX2N系列PLC的编程元件 6 计数器C 1 16位递加计数器 通用型C0 C99 共100点 断电保持型C100 C199 共100点 设定值范围 K1 K32767 例1 3 3 分析图中所示通用计数器C0应用实例的工作原理 工作原理 如图所示 当触发信号X11每输入一个上升沿脉冲时 C0当前值寄存器进行累积计数 当该值与设定值相等时 计数器触点动作 即动合触点闭合 同时控制了Y1的输出 复位触发信号X10接通时 计数器C0复位 触点恢复常态 Y1停止输出 6 计数器C 2 32位加 减计数器 通用型C200 C219 共20点 断电保持型C220 C234 共15点 设定值范围 K2147483648 K2147483647 32位双向计数是递加型还是递减型计数是由特殊辅助继电器M8200 M8234设定的 特殊辅助继电器接通 ON 时 为递减计数 断开 OFF 时 为递加计数 递加计数时 当计数值达到设定值 接点动作并保持 递减计数时 到达计数值则复位 1 3 2FX2N系列PLC的编程元件 1 3 2FX2N系列PLC的编程元件 6 计数器C 3 高速计数器 C235 C255 共2l点 适用于高速计数器的PLC的输入端子有6点X0 X7 如果这6个端子中的一个被高速计数器占用 则不能用于其他用途 高速计数器类型 1相无启动 复位端子高速计数器C235 C240 1相带启动 复位端子高速计数器C241 C245 1相2输入 双向 高速计数器C246 C250 2相输入 A B相型 高速计数器C25l C255 上面所列计数器均为32位递增 减型计数器 1 3 2FX2N系列PLC的编程元件 1 3 2FX2N系列PLC的编程元件 6 计数器CX6和X7也是高速输入 但只能用作启动信号而不能用于高速计数 不同类型的计数器可同时使用 但它们的输入不能共用 以l相无启动 复位高速计数器为例简单介绍 1相无启动 复位端子高速计数器C235 C240 计数方式及接点动作与前述普通32位计数器相同 递加计数时 当计数值达到设定值时 接点动作并保持 作递减计数时 到达计数值则复位 1相1输入的计数方式取决于其对应标志M8 为对应的计数器地址编号 1 3 2FX2N系列PLC的编程元件 例1 3 4 分析图中所示高速计数器C235