第3章-PLC的基本结构和工作原理分解.ppt

第3章PLC的基本组成和工作原理 20世纪60年代 汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器装置构成的 当时 汽车的每一次改型都需要重新设计和安装继电器控制装置 随着生产的发展 汽车型号更新的周期越来越短 这样 继电器控制装置就需要经常地更换 十分费时 费工 费料 延长了更新的周器 为改变这一现状 人们曾试图用小型计算机来实现工业控制代替传统的继电器控制 但因价格昂贵 输入输出电路不匹配 编程复杂等原因 而没能得到推广和应用 20世纪60年代末 美国通用汽车公司 GM 为了适应汽车型号不断翻新的需要 要求制造商为其装配线提供一种新型的通用控制器 1969年美国数据通信公司 DEC 公司研制出第一台可编程控制器 在GM公司生产线上获得成功 其后日本 德国 等相继引入 可编程控制器迅速发展起来 这一时期它主要用于顺序控制 虽然也采用了计算机的设计思想 但当时只能进行逻辑运算 故称为 可编程控制器 简称为PLC ProgrammableLogicController 1PLC的由来 1 1什么是PLC 20世纪70年代以来 由于大规模集成电路和微处理器在PLC中的应用 PLC的功能日益增强 它不仅能执行逻辑控制 顺序控制 定时及计数控制 还增加了算术运算 数据处理 通信等功能 具有处理分支 中断 自诊断能力 使PLC从开关量的控制扩展到数字控制及生产过程控制领域 真正成为一种电子计算机控制装置 因此有人将PLC称为工业生产自动化三大支柱 即PLC 机器人 计算机的辅助设计 制造CAD CAM 之一 由于PLC的功能已远远超出逻辑控制 顺序控制的范围 故称为 可编程控制器 简称PC ProgrammableController 但因PC容易和 个人计算机 PersonalComputer 混淆 故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写 电度表生产装配线 三菱PLC 西门子PLC 1 可靠性高 抗干扰能力强 2 配套齐全 功能完善 适用性强 3 易学易用 深受工程技术人员欢迎 4 系统设计周期短 维护方便 改造容易 5 体积小 重量轻 能耗低 2PLC的主要特点 3PLC的主要应用 1 逻辑控制这是PLC最基本 最广泛的应用领域 可用它取代传统继电器控制电路 实现逻辑控制 顺序控制 既可用于单台设备的控制 又可用于多机群控制及自动化流水线 如电梯控制 高炉上料 注塑机 印刷机 组合机床 磨床 包装生产线 电镀流水线等 2 模拟量控制3 运动控制4 过程控制5 数据处理6 通信互联网 4PLC代替继电器接线逻辑用于电动机的控制 继电器控制三相异步电动机正 停 反电路 PLC控制三相交流电动机正 停 反电路 PLC梯形图符号与继电器符号对照表 PLC梯形图 梯形图语言是一种以图形符号及其在图中的相互关系表示控制关系的编程语言 是从继电器电路图演变过来的 梯形图中的图形符号和继电器线路图中的符号十分相似 梯形图的结构和继电器控制线路图也十分相似 是因为梯形图是为熟悉继电器线路图的工程技术人员设计的 所以使用类似的符号 是两种图所表打的逻辑含义一样的 因而 将可编程控制器中参与逻辑组合的元件看成和继电器一样的器件 具有常开 常闭触点及线圈 且线圈的得电及失电将导致触点的相应动作 再用母线代替电源线 用能量流概念来代替继电器线路的电流概念 使用继电器线路图类似的思路绘出梯形图 1 2PLC的硬件 1PLC的硬件结构 可编程控制器虽然外观各异 但其硬件结构大体相同 主要由中央处理器 CPU 存储器 RAM ROM 输入输出器件 I O接口 电源及编程设备几大部分构成 13 1 中央处理器 CPU 中央处理器是可编程控制器的核心 它在系统程序的控制下 完成逻辑运算 数学运算 协调系统内部各部分工作等任务 可编程控制器中采用的CPU一般有三大类 一类为通用微处理器 如80286 80386等 一类为单片机心片 如8051 8096等 另外还有双极行为片式微位处理器 如AMD2900 AMD2930等 FX2N系列的控制器使用的微处理器是16位的8096单片机 2 存储器 RAM ROM 存储器用于存放程序和数据 PLC配有系统存储器和用户存储器 前者用于存放系统的各种管理监控程序 后者用于存放用户编制的程序 PLC的用户程序和参数的存储器有RAM EPROM和EEPROM三种类型 RAM一般采用锂电池作为后备电源 停电后RAM中的数据可以保存1 5年 对于EPROM 写入时必须用专用的写入器 擦除时要用专用的擦除器 EEPROM是电可擦除只读存储器 它不仅具有其他程序存储器的性能 还可以在线改写 且不需要专门的写入和擦除设备 PLC与外部设备联系的桥梁 开关量输入单元 开关量输出单元 3 输入 输出单元 I O 16 PLC与外部设备联系的桥梁 开关量输入单元 开关量输出单元 3 输入 输出单元 I O 17 直流输入型接口电路 2 输出接口电路PLC的输出电路有三种形式 继电器输出 晶体管输出 晶闸管输出 4 电源及编程设备 PLC的供电电源一般是市电 有的也用直流24V电源供电 PLC对电源稳定性要求不高 一般允许电源电压在 10 15 内波动 可编程控制器的编程设备一般有两类 一类是专用的编程器 有手持式的 其优点是携带方便 也有台式的 有的可编程控制器软件即可完成编程任务 借助软件编程比较容易 一般是编好了以后再下载到可编程控制器中去 PLC以微处理器为核心 故具有微机的许多特点 但它的工作方式却与微机有很大不同 微机一般采用等待命令的工作方式 而PLC则采用循环扫描的工作方式 在PLC中用户程序按先后顺序存放 CPU从第一条指令开始按指令步序号进行其周性的循环扫描 直到遇到结束符后又返回第一条指令 周而复始不断循环 因此称为循环扫描方式 3PLC的循环扫描工作流程 PLC进入工作状态后 首先通过其输入端子 将外部输入设备的状态收集并存入对应的输入继电器 如图中的X0就是对应于按钮SB的输入继电器 当按钮按下时 X0被写 1 当按钮被送开时 X0被写入 0 并由此时写入的值来决定程序中X0触点的状态 输入信号采集后 CPU会结合输入的状态 根据语句排序逐步进行逻辑运算 产生确定的输出信息 再将其送到输出部分 从而控制执行元件动作 以图中程序为例 若SB按下 SQ未被压动 则X0被写入 1 X1被写入 0 则程序中出现X0的常开触点合上 而Y1运算得 0 最终 在外部执行元件中 接触器线圈KM 得电 而指示灯H1不亮 PLC的扫描工作过程 台达DVPES系列PLC软继电器有八大类 1 输入继电器 X 2 输出继电器 Y 3 辅助继电器 M 4 状态继电器 S 5 定时器 T 6 计数器 C 7 数据寄存器 D 8 指针 P I N 详见台达DVPES系列PLC应用技术手冊26页 三菱FX2N系列PLC类似 2PLC的软继电器 分析PLC工作原理时 常用到继电器的概念 但在PLC内部没有传统的实体继电器 仅是一个逻辑概念 因此被称为 软继电器 这些 软继电器 实在上由程序的软件功能实现的存储器 它有 1 和 0 两种状态 对应于实体继电器线圈的 ON 接通 和 OFF 断开 状态 在编程时 软继电器 可向PLC提供无数动合 常开 触点 动断 常闭 触点 PLC软组件的编号分为两部分 第一部分用一个字母代表功能 如输入继电器用 X 表示 输入继电器用 Y 表示 第二部分用数字表示该类型软组件的序号 输入 输出继电器的序号为八进制 其余软组件号为十进制 输入继电器 X 输入继电器是PLC用来接收用户输入设备发来的输入信号 与输入端子相对应 在PLC内部是光电隔离的电子继电器 输入继电器线圈由外部输入信号所驱动 只有当外部信号接通时 对应的输入继电器才得电 不能用程序驱动 1 输入继电器和输出继电器 输出继电器 Y 输出继电器具有一常开硬触点向外部负载发送信号 直接驱动外部负载 每一输出继电器的常开硬触点 或输出管 与可编程控制器的一个输出点相连 二者一一对应 由内部程序驱动 不受外部信号控制 在梯形图中既能出现其线圈又能出现其触点 输出继电器有无数个内部常开和常闭触点 编程时可随意使用 在程序中绝对不可能出现输入继电器的线圈 只能出现输入继电器的触点 每个输入继电器的常开与常闭触点均可无数次使用 输入 输出继电器采用八进制编号 2 辅助继电器 M 辅助继电器M是用软件来实现的 用于状态暂存 移位辅助运算及赋予特殊功能的一类编程元件 采用十进制编号 辅助继电器是PLC中数量最多的一种继电器 其作用相当于继电器控制系统中的中间继电器 和输出继电器一样 其线圈由程序指令驱动 每个辅助继电器都有无限多对常开常闭触点 供编程使用 但是 其触点不能直接驱动外部负载 要通过输出继电器才能实现对外部负载的驱动 分类 通用辅助继电器M0 M499 500点 断电保持辅助继电器M500 M3071 2572点 特殊辅助继电器M8000 M8255 256点 通用辅助继电器与断电保持用辅助继电器的比例 可通过外设设定参数进行调整 通用辅助继电器和输出继电器一样 在PLC电源中断后 其状态将变为OFF 当电源恢复后 除因程序使其变为ON外 其它仍保持OFF 断电保持辅助继电器在PLC电源中断后 它具有保持断电前的瞬间状态的功能 并在恢复供电后继续断电前的状态其中的M500 M1023可以用软件来设定使其变为非断电保持辅助继电器 特殊辅助继电器是具有某项特定功能的辅助继电器 用来表示可编程控制器的某些状态 设定计数器为加计数或减计数及提供功能指令中的标志等 特殊辅助继电器通常可分为两类 触点利用型和线圈驱动型 触点利用型特殊辅助继电器的线圈由PLC的系统程序驱动 用户只可以利用其触点 线圈驱动型特殊辅助继电器的线圈由用户程序驱动 用户控制 其线圈得电后 PLC完成特定操作 特殊辅助继电器 触点型1 M8000 M8001 运行监视用特殊辅助继电器PLC运行时M8000得电 M8001断电 PLC停止时M8000失电 M8001得电 M8002 M8003 初始化脉冲辅助继电器M8002 M8003 只在PLC开始运行的第一个扫描周期内得电 断电 其余时间均断电 得电 常用M8002的触点作为一些继电器的初始化复位信号 特殊辅助继电器 触点型2 M8011 M8012 M8013 M8014 分别为产生周期为10ms 100ms 1s 1min脉冲的特殊辅助继电器 PLCRUN 例如 特殊辅助继电器 触点型3 M8005锂电池电压降低继电器锂电池电压低于规定值时动作 它的触点接通可编程控制器面板上的指示灯 提醒工程技术人员更换锂电池 线圈驱动型特殊辅助继电器M8030 锂电池欠压指示灯特殊继电器 M8033 PLC停止时输出保持特殊辅助继电器 RUN STOP时 输出保持RUN前状态M8034 禁止全部输出特殊辅助继电器 当M8034线圈被接通时 则PLC的所有输出自动断开M8039 定时扫描特殊辅助继电器 当M8039线圈被接通时 则PLC以D8039中指定的扫描时间工作 3 状态器 S 状态器在步进顺控类的控制程序中起着重要的作用 它与步进指令STL配合使用 采用十进制编号 状态器有无数个常开触点与常闭触点 编程时可随意使用 状态器不用于步进顺控指令时 可作辅助继电器使用 状态器同样有通用状态器 S0 S499 共500点 和断电保持状态器 其比例分配可由外设设定 状态器有五种类型 初始状态器S0 S9共10点用于顺序功能图的初始状态回零状态器S10 S19共10点用于自动回原点程序的顺序功能图通用状态器S20 S499共480点保持状态器S500 S899共400点有断电保持功能报警用状态器S900 S999共100点用于外部故障诊断的输出 又称为报警器 4 定时器 T 定时器相当于继电器系统中的通电延时时间继电器 可在程序中用于延时控制 定时器累计PLC内1ms 10ms 100ms等时钟脉冲 当达到用户所定的设定值时 触点动作 定时器可提供无数对的常开 常闭延时触点供编程用 FX2N系列PLC定时器设定值可以采用程序存储器内的常数 K 直接指定 也可以用数据寄存器 D 的内容间接指定 通用定时器 T0 T245 100ms定时器T0 T199共200点 设定范围0 1 3276 7s 10ms定时器T200 T245共46点 设定范围0 01 327 67s 积算定时器 T246 T255 1ms定时器T246 T249共4点 设定范围0 001 32 767s 100ms定时器T250 T255共6点 设定范围为0 1 3276 7s 通用定时器的工作原理 通用定时器不具备断电的保持功能 即当输入电路断开或停电时定时器复位 积算定时器具有计数累积的功能在定时过程中如果断电或定时器线圈OFF 积算定时器将保持当前的计数值 当前值 通电或定时器线圈ON后继续累积 即其当前值具有保持功能 只有将积算定时器复位 当前值才变为0 积算定时器的工作原理 如果X1为ON 则T250用当前值计数器累计100ms的时钟脉冲 当达到设定值K345时 定时器的输出触点动作 在累计过程中 即使输入X1断开或停电时 再起动时 继续累计 其累计时间为34 5s 如果复位输入X2为ON 定时器复位 输出触点也复位 如何实现断电延时 如果需要输出信号在输入信号停止后一定时间才停止 相当于继电接触控制系统中的断电延时型时间继电器 可采用右图所示电路 5 计数器 C 计数器有一个设定值寄存器器 一 二个字长 一个当前值寄存器 一 二个字长 以及无限个接点 常开 常闭 接点可以用无限次 当计数器的当前值和设定值相等时 其触点工作 16位加计数器C0 C99共100点为无断电保持计数器 C100 C199共100点为断电保持计数器 计数设定值可用常数K设定 设定范围为1 32767 如上图所示 当C0当前值等于设定值10时 输出触点动作 如果复位输入X10为ON 则执行RST指令 计数器的当前值为0 输出触点复位 32位双向计数器这类计数器与16位增计数器除位数不同外 还在于它能通过控制实现加 减双向计数 有两种32位加 减计数器 设定值 2147483648 2147483647 通用计数器 C200 C219共20点保持计数器 C220 C234共15点计数方向由特殊辅助继电器M8200 M8234设定 加减计数方式设定 对于32位双向计数器C 当M8 接通 置1 时 为减计数器 断开 置0 时 为加计数器 计数值设定 直接用常数K或间接用数据寄存器D的内容作为计数值 间接设定时 要用元件号紧连在一起的两个数据寄存器 用X14作为计数输入 驱动C200线圈进行加计数或减计数 当前值的增减与输出触点的动作无关 但是如果从2147483647开始增计数 则成为 2147483648 同样从 2147483648开始减计数 则成为 2147483648 形成循环计数 如果复位输入X13为ON 则执行RST指令 计数器当前值变为0 输出触点也复位 在计数器的当前值由 6 5增加时 输出触点置位 在由 5 6减少时 输出触点复位 6 数据寄存器 D PLC在进行输入输出处理 模拟量控制 位置控制时 需要许多数据寄存器以存储数据和参数 每个寄存器都是16位 最高位为符号位 数值范围为 32768 32767 将相邻两个数据寄存器组合 可存储32位数值数据 最高位仍为符号位 高位为大的号码 低位为小的号码 可处理 2147483648 2147483647的数值 数据寄存器有 1 通用数据寄存器2 断电保持数据寄存器3 特殊数据寄存器 通用数据寄存器D0 D199共200点 通用数据寄存器在PLC由运行 RUN 变为停止 STOP 时 其数据全部清零 如果将特殊继电器M8033置1 则PLC由运行变为停止时 数据可以保持 断电保持数据寄存器D200 D7999共7800点 保持数据寄存器只要不改写 原有数据就不会丢失 无论电源接通与否 PLC运行与否 都不会改变寄存器内容 断电保持用 D200 D511 312点 通过参数设定可以变为非断电保持型 断电保持专用 D512 D7999 7488点 无法变更其断电保持特性 以500点为单位 可将D1000 D7999设为文件寄存器 用于存储大量的数据 例如 用于存放采集数据 统计计算数据 多组控制参数等 特殊数据寄存器D8000 D8255共256点 特殊数据寄存器用于PLC内各种元件的运行监视 未加定义的特殊数据寄存器 用户不能使用 例如 D8000 WDT定时器定时参数 初始值200ms D8001 CPU型号D8020 X0 X7输入滤波时间 初始值10ms D8030 1号模拟电位器的数值D8031 2号模拟电位器的数值D8039 恒定扫描时间 ms 具体可参见PLC使用手册 不再一一介绍 7 变址寄存器 V Z 变址寄存器V Z实际上是一种特殊用途的数据寄存器 其作用类似于一般微处理器中的变址寄存器 如Z80中的IX IY 通常用于修改元件的地址 变址 V0 V7 Z0 Z7共16点16位变址数据寄存器 需要32位操作 可将V Z串联使用 Z为低位 V为高位 分别成为 V0 Z0 V1 Z1 V7 Z7 例如 对于十进制数的软元件 数值 M S T C D KnM KnS P K 若V0 K5 执行D20V0时 被执行的软元件编号为D25 D 20 5 指定K30V0时 被执行的是十进制数值K35 K 30 5 图中常开触点接通时 13 V0 16 Z1 从而D3V0 D16 D5Z1 D21 D50Z1 D66因此ADD指令完成的运算为 D16 D21 D66 8 指针 P I 分支用指针 P 分支用指针的编号为P0 P127 用作程序跳转和子程序调用的编号 其中P63专门用于结束跳转 中断用指针 I 中断用指针与应用指令FNC03 IRET 中断返回 FNC04 EI 开中断和FNC03 DI 关中断一起使用有以下三类 输入中断用 与输入X000 X005对应编号为I00 I50 6点 定时器中断 编号为I6 I7 I8 3点计数器中断 编号为I010 I020 I030 I040 I050 I060 6点 常数 K H 常数也可作为元件处理 因为它占用一定的存储空间 常数的表示 十进制常数用K表示 如常数123表示为K123十六进制常数则用H表示 如常数18表示为H12 FX系列PLC的常数范围为 16位 K 32 768 32 767H 0000 FFFFH32位 K 2 147 483 648 2 147 483 647H 00000000 FFFFFFFF 1 3PLC的编程 1DVPPLC编程软件2梯形图 Ladderdiagram 3指令表 Instruction 4顺序功能图 Srquentialfunctionchart 可编程序控制器的生产厂商都开发了基于个人计算机的图示化编程软件 西门子S7 200系列PLC STEP7 Micm WIN32编程软件三菱FX系列PLC SWOPC FXGP WLN C编程软件三菱最新GXDeveloperVersion8C编程软件台达DVP