电气控制与plc技术ppt课件第5章 可编程序控制器的构成及工作原理

,电气控制与PLC技术（第2版）,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,第5章 可编程序控制器的构成及工作原理,5.1 可编程序控制器概述,5.1.1 可编程序控制器的产生与发展 1969年美国数字设备公司DEC研制出世界上第一台可编程序控制器，其型号为PDP14型，在GM公司装配线上试用成功。 1971年，日本从美国引进了这项新技术，并很快研制成功了日本第一台可编程序控制器。1973年1974年，德国、法国也相继研制成功了他们的可编程序控制器。我国从1974年开始研制，1977年研制成功了以一位微处理器MCl4500为核心的可编程序控制器，并开始应用于工业生产控制。 从第一台PLC诞生至今，PLC大致经历了四次更新换代。 第一代PLC，多数用1位机开发，采用磁芯存储器存储，仅具有逻辑控制、定时、计数功能。 第二代PLC，使用了8位微处理器及半导体存储器，其产品逐步系列化，功能也有所增强，己能实现数字运算、传送、比较等功能。 第三代PLC，采用了高性能微处理器及位片式CPU，工作速度大幅度提高，同时促使其向多功能和联网方向发展，并具有较强的自诊断能力。 第四代PLC，不仅全面使用16位、32位微处理器作为CPU，内存容量也更大。可以直接用于一些规模较大的复杂控制系统；编程语言除了可使用传统的梯形图、流程图等外，还可使用高级语言；外设也更多样化。,2. 可编程序控制器的发展趋势 由于工业生产对自动控制系统需求的多样性，PLC的发展方向有两个： 一是朝着小型、简易、价格低廉方向发展。单片机技术的发展，促进了PLC向紧凑型发展，体积减小，价格降低，可靠性不断提高。这种小型的PLC可以广泛取代继电器控制系统，应用于单机控制和小型生产线的控制，如OMRON公司的C20、C20P、C28P、C40P、C60P、 C20H、C40H等。 二是朝着大型、高速、多功能方向发展。大型的PLC一般为多微处理器系统，有较大的存储能力和功能强劲的输入/输出接口。通过丰富的智能外设接口，可以实现流量、温度、压力、位置等闭环控制；通过网络接口，可级连不同类型的PLC和计算机，从而组成控制范围很大的局域网络，适用于大型的自动化控制系统。,5.1.2 可编程序控制器特点、分类和应用场合,1. 可编程序控制器的特点 （1）与继电器控制逻辑相比较 1）控制逻辑 2）工作方式 3）控制速度 4）限时控制 5）计数控制 6）设计与施工 7）可靠性和可维护性 8）价格 从以上几个方面的比较可知：PLC在性能上比继电控制逻辑优异，特别是可靠性高、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便，但价格高于继电控制。,（2）与微型计算机相比较 1）应用范围 2）使用环境 3）输入输出 4）程序设计 5）系统功能 6）运算速度和存贮容量 7）价格 从以上几个方面的比较可知：PLC是一种用于工业自动化控制的专用微机控制系统，结构简单，抗干扰能力强，易于学习和掌握。价格也比一般的微机系统便宜。,（3）与单板计算机比较 1）不如PLC容易掌握 2）不如PLC使用简单 3）不如PLC可靠 从以上PLC和微机及单板机比较可以看出： 从适应范围来说：PLC是专用机，微机是通用机。 从工业控制角度来说：PLC是控制通用机，而单板机是可以做成某一控制设备的专用机。 （4）与集散系统比较 1）PLC是由继电控制逻辑发展而来的，而集散系统(TDCS)是由回路仪表控制发展而来。但两者的发展均与计算机控制技术有关。 2）早期的PLC在开关量控制、顺序控制方面有一定优势，而集散系统在回路调节、模拟量控制方面有一定优势。 今天，二者相互渗透、互为补充。PLC与TDSC的差别已不明显，它们都能构成复杂的分级控制。从趋势来看，二者的归宿和统一将是全分布式计算机控制系统。,2. 可编程序控制器的分类 PLC的种类很多，其功能、内存容量、控制规模、外形等方面差异较大，因此PLC的分类标准也不统一，但仍可按其I/O点数、结构形式、实现功能进行大致的分类。 (1) 按I/O点数分类 PLC按I/O的总点数分类可分为：小于256点的为小型机，2572048点的为中型机，超过2048点的为大型机。 (2) 按结构形式分类 PLC按硬件的结构形式可分为整体式PLC和组合式PLC。 (3) 按实现的功能分类 按照PLC所能实现的功能的不同，可将PLC分为低档、中档和高档三类。低档机具有逻辑运算、定时、计数、移位、自诊断、监控等基本功能和一定的算术运算、数据传送、比较、通信和模拟量处理功能。中档机除具有低档机的功能以外，还具有较强的算术运算、数据传送、比较、通信、子程序、中断处理和回路控制功能。高档机则在中档机的基础之上加强了带符号数的运算、矩阵运算以及函数、表格、CRT显示、打印等功能。 一般来说，低档机多为小型PLC，采用整体结构；中档机可为大、中、小型PLC，且中、小型PLC多为整体结构，大、中型PLC为组合式结构。高档机多为大型PLC，采用组合式结构。目前，得到广泛应用的多是中、低档机。,5.2 可编程序控制器的组成和工作原理,5.2.1可编程序控制器的基本结构 PLC是用微处理器实现的许多电子式继电器、定时器和计数器的组合体，其内部结构框图如图5-1所示。,1.中央处理器（CPU） 中央处理器是PLC的“大脑”，它一般是由控制电路、运算器和寄存器组成，这些电路一般都集成在一块芯片上。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器单元、输入/输出(I/O)接口电路连接。 2.存储器(Memory) 在PLC中使用的两种类型存储器为ROM和RAM。 3. 电源部件 电源部件将交流电源转换成供PLC的中央处理器、存储器等电子电路工作所需要的直流电源，使PLC能正常工作，它的好坏直接影响PLC的功能和可靠性。因此，目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电，用锂电池作停电时的后备电源。 4. 输入、输出部分 输入、输出部分是PLC与被控设备相连接的接口电路。 5. 编程方式 PLC的编程方式有两种：一种是手编程器，另一种是利用上位计算机中的专业编程软件。,2.2 可编程序控制器的基本工作原理,1. 可编程序控制器中的梯形图与继电器 梯形图是从继电器控制的电气原理图演变而来的，继电器控制电路的元件图如图5-2（a）所示；PLC梯形图所用器件与此类似，如图5-2（b）所示。,图5-3为三相鼠笼式异步电动机起停控制电路，若改用C系列P型PLC实现控制，按控制要求可设计图5-4梯形图和对应的指令表程序。,5.2.2. 可编程序控制器的工作原理,可编程序控制器实现某一用户程序的工作过程如图5-5所示，可分为三个阶段：输入采样阶段、程序执行阶段和输出处理阶段。,5.2.3 可编程序控制器的技术性能和继电器及其编号,1.可编程序控制器的基本技术性能 （1）输入/输出点数（即I/O点数） I/O点数是指可编程序控制器外部输入、输出端子总数，这是可编程序控制器的最重要的一项指标。一般按可编程序控制器点数多少来区分机型的大小，小型机的I/O点数在256以下（无模拟量），中型机的I/O点数为2562048（模拟量64128路），大型机的I/O点数为2048（模拟量128512路）以上。 （2）扫描速度 扫描速度一般以执行1000步指令所需时间来衡量，故单位为ms/千步，也有以执行一步指令的时间计算，例如s/步。 （3）指令条数 指令条数是衡量可编程序控制器软件功能强弱的主要指标。 （4）内存容量 内存容量是指可编程序控制器内有效用户程序的存储器容量。 （5）高功能模块 可编程序控制器除了主机模块外，还可以配接各种高功能模块。,2. C系列P型PLC的继电器及其编号 C系列P型PLC设置有：输人继电器(X)，输出继电器(Y)，内部辅助继电器(AR)，保持继电器（HR），暂存继电器(TR)，专用内部继电器(SR)，定时器/计数器(TIM/CNT)，64个数据存贮通道（DM）和一个高速计数器FUN(98)。以上各类继电器(除输入继电器和专内部继电器线圈外)的线圈和触点(含常开和常闭触点)都是PLC的编程元件。 （1）输入继电器（X） 输入继电器(Input Relay)占用0004CH，共5个通道(Channel)，每个通道有16个继电器0015。输入继电器编号为00000415，共80点。输入继电器线圈与PLC输入端子直接相联，其线圈只能由外部输入信号驱动。其常开触点和常闭触点可用于编程，同一编号的触点可无限使用。 （2）输出继电器（Y） 只有输出继电器(Output Relay)能向PLC外部传送信息，其线圈接受CPU的运算结果。输出继电器占用0509CH，共5个通道，每个通道有12个继电器即0011，其余4个继电器（即1215)被PLC用于内部操作的辅助继电器所占用。输出继电器编号为05000911，共60点。,（3）内部辅助继电器（AR） 内部辅助继电器(Auxiliary Internal Relay)占用9个通道1018CH，继电器编号为10001807，共计136点，其中18CH中18081815分配给专用内部继电器(SR)。内部辅助继电器作为PLC的编程元件，专供逻辑运算使用，其作用相当于继电器控制系统中的中间继电器。AR作为PLC编号元件，其线圈由程序驱动，不能去驱动PLC的外部负载。 （4）保持继电器(HR) 保持继电器(Hold Relay)占用10个通道佃HR0HR9CH，继电器编号为HR000HR915，共160点。当KEEP(FUN11)指令指定继电器为HR，HR作为一个锁存器时，HR有掉电保持功能。若PLC掉电，HR能保持掉电前的状态，PLC恢复供电，HR将再现原来的状态。 （5）数据存贮继电器（DM） DM为PLC的数据存贮器(Data Memory)，每个通道可存放4位16进制数(BIN码)或4位10进制数(BCD码)，DM占用64个通道DM00DM63CH，每个通道有16位(Bit)。CPU以通道为单位进行操作，64个通道对应CPU中的数据存贮区，因此在编程时，不能以点使用，应按通道为单位使用，在程序中只有数据存贮器通道的编号。当PLC突然中断供电时，DM中各点能保持停电前的状态。,（6）定时器/计数器（TIM/CNT） C系列P型PLC设置48个定时器/计数器即0047，TIM、CNT、CNTR（FUN12）和TIMH(FUNl5)指令共用这48个编号，在同一程序中某一编号若为TIM指令占用，CNT、CNTR、TIMH指令就不能再用。高速计数器FUN(98)，用CNT47存放计数当前值S，因此在有高速计数器FUN98指令的程序中，CNT47就不能另用。 （7）暂存继电器（TR） 暂存继电器(Temporary Relay)共8个：TR0TR7，用于暂存梯形图某逻辑行左侧电路块逻辑运算结果，不能对外输出。 （8）专用内部继电器（SR） 专用内部继电器(Special Internal Relay)编号为18081907，共16点。16个专用内部继电器用作监控PLC的操作。 1808 常为OFF，CPU中锂电池电压过低时(失效)为ON。 1809 常为OFF，CPU扫描周期T0超过100ms时为ON。 1810 常为OFF，高速计数器FUN98硬件复位端0001接收到复位信号(0001为ON)，FUN98被置0时，1810为ON一个扫描周期的时间。 1811，1812，1814常为OFF。,1813 常为ON。 1815 常为OFF，PLC开始运行时，为ON一个扫描周期的时间。 1900，1901，1902 PLC接通电源后，分别产生周期为0.1s，0.2s和1.0s的时钟脉冲。1903 常为OFF，在算术运算中当操作数不是BCD码，或执行BIN(FUN23)BCD(FUN24)指令中操作数大于9999时，1903为ON。 1904 常为OFF，进位标志，当算术运算结果有进位或借位时，1904为ON；可用置位指令STC（FUN40）强制1904ON，用清除进位指令CTC（FUN41）强制1904OFF。 1905，1906，1907 标志继电器在执行比较指令CMP(FUN20)时，比较结果“”时，1905ON ；比较结果“”时，1906ON；比较结果“”时，1907=ON。 专用内部继电器1808，1809，1810，1811，1812，1813，1814，1815，1900，190l，1902，1904，1905，1906和1907的常开触点可用于编程，SR的线圈直接受CPU的控制，其线圈和常闭触点不能出现在程序中。,本 章 小 结,可编程序控制器是一种新型的工业控制专用计算机，其分类方法可按I/O点数、结构形式和功能进行。可编程序控制器的特点是利用计算机对工业设备直接进行电气控制。 可编程序控制器利用软件进行控制，其工业过程可分为输入采样、程序执行和输出处理三个阶段，并采用扫描循环方式工作，这一点与传统继电器接触器系统是完全不相同的，也是其性能得到提高的基础之一。 可编程序控制器性能指标很多，但