第2章 可编程序控制器PPT课件

精选,1,第2章,可编程序控制器的硬件与工作原理,精选,2,教学基本要求,1.了解可编程序控制器的组成，理解个部分的特点与作用2.理解可编程序控制器的工作原理，了解开关量I/O模块、模拟量I/O模块和特殊I/O模块的应用。3.了解FX系列PLC性能。,精选,3,主要教学内容,可编程序控制器的组成可编程序控制器的工作原理可编程序控制器的特殊功能模块FX系列可编程序控制器性能简介,精选,4,可编程序控制器的组成,PLC的物理结构特点可编程序控制器的构成可编程序控制器各部分的作用,精选,5,PLC的物理结构类型(1),根据硬件结构的不同，可编程序控制器分为以下几种类型：1.整体式PLC（单元式，箱体式）2.模块式PLC3.叠装式PLC,精选,6,整体式PLC（单元式，箱体式）,精选,7,整体式PLC的特点,CPU，I/O及电源模块均装在一个箱状机壳内，结构紧凑。体积小，价格低，一般为小型PLC。有多种不同的I/O点数的基本单元和扩展单元供用户选择。配有许多专用的特殊功能单元，如模拟量I/O单元等。,精选,8,三菱FX0SPLC,精选,9,三菱FX0NPLC,精选,10,三菱FX系列其它型号的PLC,精选,11,三菱FX系列其它型号的PLC,精选,12,模块式PLC,精选,13,模块式PLC的特点,由框架和模块组成，系统由搭积木的方式构成。结构灵活有不同档次的CPU模块，品种繁多的I/O模块和功能模块供用户选用，硬件配置的选择余地大，维修更方便。一般为大中型PLC，电源可独立为一个模块。,精选,14,三菱SNAP型PLC,精选,15,叠装式PLC,精选,16,叠装式PLC的特点,集整体式和模块式的优点，使配置更加灵活。各单元和模块等高等宽，不用基板，仅用扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个长方体。,精选,17,叠装式PLC,S7400，强大的通讯能力内部总线的分布式结构允许CPU和主I/O间进行相当快速的通讯：P总线实现和通讯模块数据与输入输出模块间的交换，而K总线则将容量更大的数据传输到功能模块中工业以太网、PROFIBUS和MP间通讯的相关设施集成在操作系统中功能强大的通讯模块允许点对点连接，以及同PROFIBUS和工业以太网总线系统间的连接。,精选,18,可编程序控制器的构成,PLC是一种以微处理器为核心的用作数字控制的特殊计算机，实质上是一种专用于工业控制的计算机。PLC的具体结构多种多样，但其基本结构相同，即主要由CPU模块，I/O模块，电源部件和编程器组成。,精选,19,精选,20,PLC各部分的作用(1),CPU模块I/O模块电源外部设备编程器,精选,21,CPU模块(1),CPU模块的组成与作用组成：微处理器CPU（中央处理单元）+存储器(有的CPU模块还包括PLC的直流稳压电源)作用：在控制系统中，CPU模块相当于人体的大脑和心脏。它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。,精选,22,CPU模块(2),微处理器CPU微处理器CPU是PLC的主要组成部分，它是系统的控制中枢。微处理器CPU构成,运算器寄存器控制器外围芯片总线接口有关电路,集成,微处理器CPU,精选,23,微处理器CPU,CPU模块(3),精选,24,CPU模块(4),运行程序接受程序监控程序,PLC的程序存于内存中，但程序运行却在CPU中。PLC运行时，CPU从内存中把程序按指令逐一取出，并译码执行。此时，PLC处于运行状态。,PLC系统程序厂家已提供，并固化于内存中。但用户程序却由用户自己编程，使PLC接受，并存于内存中的用户程序存储区。此时，PLC工作于编程状态。,PLC除了运行和编程状态外，还有一个监控状态，此时，PLC既可以实现对系统的控制，也可以通过编程器或计算机修改程序或者数据。,微处理器CPU主要功能,精选,25,CPU模块(5),内存储器存储器的类型PLC与计算机一样，除了有硬件以外,还必须有一定的软件支持,才能完成相应的工作。存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。存储器可有以下几种分类方式：,精选,26,CPU模块(6),依介质分RAM（RandomAccessMemory)随机存取存储器或称读写存储器。ROM(ReadOnlyMemory)只读存储器。EPROM(ErasableProgrammableReadOnlyMemory)可擦除可编程序的只读存储器。E2PROM(ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory)可电擦除的只读存储器。,特点：它可读可写，而且读写方便；它是易失性的存储器，其电源断开后，存储的信息将丢失。其存储速度快，价格便宜，由锂电池支持的可满足各种应用的需要。,特点：其内容只能读出，不能写入。它是非易失性的，当电源断开后，其存储的内容仍能被保存下来。通常系统程序都是固化在ROM中。,特点：它是一种非易失性的存储器，在紫外线连续照射约20min后，即能将存储器中的所有内容全部清除；再加高电平（12.5V或24V）时可重新写入程序。（有专用的EPROM写入器写入）。在断电的情况下，存储器的内容保持不变。所以，系统程序与用户程序都可存放在其中。,特点：它兼备RAM和EPROM的优点，用编程器能很容易的其存储的内容进行修改。但也有以下缺点：a.价格贵，读写次数有限（约1万次）。b.读写速度慢，每次写入前必须先擦除（约需1015ms）。,精选,27,CPU模块(7),依用途分系统程序存储区：系统RAM存储区：用户程序存储区：,a用ROM或EPROMb用于存放系统程序，与硬件一起决定PLC的性能。c由厂家完成固化程序到ROM和EPROM的工作，用户不能直接存取。,a采用RAMb用作I/O映象区以及各类软设备（如逻辑线圈、数据寄存器、定时器线圈、变址寄存器等等）的存储区。c存放内容为现场数据和运算结果。,a采用RAM+锂电池，EPROM，E2PROMb存放用户程序c不同类型的PLC其存储容量不同。,精选,28,CPU模块(8),依内存的分布情况分主内存辅助内存编程器内存存储卡,是内存的主体，也是PLC直接访问的对象,只用于存放用户程序的备份，当PLC上电初始化时，把它的内容拷贝到主内存的用户程序区，供PLC的CPU运行。有时也可以不配。,用于编程时暂时存放用户程序。,有电池支持，可长期保存程序。,精选,29,I/O模块(1),I/O模块的作用I/O模块是系统的眼、耳、手、足，是PLC联系外部现场和CPU模块的桥梁。I/O模块集成了PLC的输入与输出电路。其输入单元是用来接收和采集输入信号，输入信号的状态由输入暂存器反映；PLC通过其输出单元去控制各种执行器及外部负载，输出点反映了输出锁存器的状态。I/O模块还具有躁声隔离、电平转换和滤波的作用。,精选,30,I/O模块(2),I/O模块的分类开关量I/O模块：模拟量I/O模块：特殊I/O模块：,其输出和输入信号为连续变化的模拟量，如反映压力、温度、流量等的电压和电流信号，可以是单极性的，也可以是双极性的。该模块的主要任务是对输入信号进行A/D转换，对输出信号进行D/A转换，其转换精度由转换器的位数决定。一般的模拟量I/O模块均允许输入多种量程的电压和电流。,为降低费用或简化编程过程，增强PLC的功能，扩大其应用范围而开发的各种I/O模块。例如：带微处理器的I/O模块，BCD码I/O模块，高速计数模块，运动控制模块等等。,其输出和输入信号只有接通和断开两种状态；I/O电压允许范围较宽；DC：5V，12V，24V，48V，110V；AC；110V，220V；其信号的通断状态可用发光二极管或其他元件显示在控制面板上。,精选,31,I/O模块(3),开关量I/O模块的外部接线方式汇点式分组式分隔式,特点：各I/O电路只有一个公共点，共用一个电源，如图2-2a）示。这种安装可使引线需要量减少，降低安装费用，常用于要求不太高的系统。,特点：各I/O电路分为若干组，每组的I/O电路有一个公共点，见图所示。各组可分别使用不同的电源。,特点：各I/O电路相互隔离，都可以使用单独的电源，常用于要求较高或对抗干扰性能有特殊要求的系统，如图所示。,精选,32,I/O模块(4),I/O模块的典型电路尽管PLC的种类很多，输入输出模块也有多种型号，但它们的基本原理是相似的，即：输入模块对输入信号进行滤波、隔离和电平转换等以使输入信号的逻辑值安全、可靠地被传送到PLC的内部。输出模块具有隔离PLC内部电源和外部执行元件的作用，同时还具有功率放大的作用,精选,33,I/O模块(5),输入模块的典型电路直流输入电路交流输入电路交直流输入电路,精选,34,I/O模块(6),输出模块的典型电路输出模块是PLC驱动负载的输出电路，它同时具有功率放大的作用。其输出信号按负载使用的电源分有直流输出、交流输出和交直流输出三种（他们可按使用的输出开关器件区分）继电器输出交直流输出晶体管输出直流输出双向可控硅输出交流输出,精选,35,继电器输出,继电器输出方式可带直流负载也可带交流负载,属于交直流输出方式,其电源由用户提供.,I/O模块(7),精选,36,晶体管输出,晶体管输出电路只能带直流负载，属于直流输出方式，其直流电源由用户提供,I/O模块(8),精选,37,双向可控硅输出,双向可控硅输出电路只能带交流负载,属于交流输出方式,其交流电源由用户提供,I/O模块(9),精选,38,I/O模块(10),I/O模块的电气性能指标大多数PLC的内部工作电压为直流+5V+15V。而实际上控制系统常遇到工作电压为交直流24V和交流240V之间，电流也可达几个安培，因此，设计控制系统的任务之一就是要选取一个合适的I/O模块。选择依据是输入输出模块的主要技术指标,精选,39,I/O模块(11),输入模块的主要技术指标输入电压输入点数AC频率输入电流输入阻抗ON电压OFF电压OFF到ON的响应时间与ON到OFF的响应时间内部功耗输入模块消耗的功率。,指使PLC认为输入为逻辑“1”的标称电压值。其范围主要有：24V-DC，24V-AC，115V-AC，230V-AC等等。其中24V-DC可由输入模块内部提供。其余由外部电源供给，其大小允许在一定范围内波动。,指能够（允许）输入的开关量（或模拟量）的最大个数（通路数），它与继电器触点个数对应。一个输入模块可能有4，8，16，24，32个输入点供选择,即输入电压的工作频率，越为5060Hz,指输入电压与输入电流之比,即开关量按钮等闭和时，流入输入模块内的电流的大小,接通电压，指输入点压最低为多少时,开关量模块认为输入的是逻辑“1”。,断开电压，指输入电压最高为多少时,开关量模块认为输入的是逻辑“0”。,精选,40,I/O模块(12),输出模块的主要技术指标工作电压AC频率最大输出电流最大漏电流接通压降最大推荐负载最大起动电流指输出模块接通瞬间的最大电流OFF到ON的响应时间与ON到OFF的响应时间。,指输出模块驱动电机、电磁阀等执行机构所需要的电压，它可以由外部电源提供，也可以由内部电源提供。工作电压有24V-DC，115230V-AC,即输出工作电压的频率，一般为50Hz,指输出模块在输出点导通的情况下，可以提供的最大电流,指当输出模块上的输出点为逻辑“0”时，如果输出控制元件为固态继电器或双向可控硅等，可能会有一定的电流输出，最大的电流就称为最大漏电流。,指当输出点接通后,输出端对地的电压,指输出模块流出最大电流时，输出所接的负载大小.,精选,41,I/O模块（13）,本地I/O远程I/O本地I/O(并行I/O)特点：PLC的本地I/O框架一般距CPU较近，它们往往装在同一个控制柜中；框架之间采用并行通讯方式；用编程器可以直接对本地I/O存取数据，对系统调试与查错特别方便；多芯电缆价格贵，改造和安装不方便。远程I/O(串行I/O)的特点：用于远距离分布式框架系统，又称串行I/O；4芯电缆价格便宜，但传递信号的速度慢于本地I/O；CPU框架与远程I/O之间的距离一般为603000M,精选,42,电源,可编程序控制器使用220V交流电源或24V直流电源。PLC内部的直流稳压电源为各模块的电路供电。某些PLC可以为输入电路和外部电子检测装置提供24V直流，驱动现场执行元件的24V直流电源一般由用户提供。,精选,43,外部设备,扩展存储器通讯接口电路人机界面特殊扩展模块,精选,44,编程器,编程器实际上属于外部设备之一，其作用除了用来输入和编辑用户程序外，还可以用来监视可编程序控制器运行时各种编程元件的状态。,编程器的种类很多,目前比较流行的是基于个人计算机的图形编程器,一台编程器可以供多台PLC使用.,精选,45,PLC的工作原理,继电器控制系统简介PLC的工作原理PLC的性能指标：,精选,46,继电器控制系统简介,工厂常用控制电器基本控制电路控制系统举例,精选,47,工厂常用控制电器（1）,1.分类（1）按适用的电压范围分类分为低压电器和高压电器。（2）低压电器按所控制的对象分类分为低压配电电器和低压控制电器。（3）按电器所起作用分类分为控制电器和保护电器。（4）按电器的动作性质分类分为自动控制电器和非自动控制电器。,精选,48,工厂常用控制电器（2）,2.结构及工作原理（1）按钮按钮是手动控制电器的一种。用途：常用来接通或断开小电流的控制电路，而进一步控制电动机或其它电气设备的运行。,结构：从剖面结构图可看到，有两对静触点、一对动触点、按钮帽及弹簧等部分。,在常态时，静触点1由动触点接通、静触点2是断开的；按下按钮帽时静触点的通断状态发生变化。,种类：单联按钮开关只有一组常开触点和常闭触点，还有双联和三联等等。,常闭,常开,精选,49,工厂常用控制电器（3）,（2）接触器接触器是利用电磁吸力的原理工作的,是自动控制电器的一种。用途：交流接触器用来接通或断开电动机或其它电气设备的主电路。,结构：主要由电磁铁和触点两部分组成.靠电磁铁吸引动铁心带动触点完成对电路的接通与关断.,接触器有三个常开主触点,四个辅助触点(两个常开,两个常闭).主触点控制开关电流较大，必须采取灭弧措施,一般都为桥梁形结构,并且设置两个断点。,常闭,常开,KM,线圈,精选,50,工厂常用控制电器（4）,（2）接触器为了减小铁损，交流接触器的铁心由硅钢片叠成；为消除铁心的颤动和噪音，还要在铁心的部分端面加上短路环。选择接触器时应注意触点的数量和允许通过的额定电流；还要注意接触器线圈的额定电压值。CJ10系列接触器主触点的额定电流有5、10、20、40、75、120A等。,精选,51,工厂常用控制电器（5）,（3）中间继电器用途：中间继电器常用于传递信号以及用于同时控制多个电路，也可直接用于小容量电动机或其它电气的执行元件。结构：中间继电器与交流接触器的结构基本相同，只是其电磁系统小一些，触点多一些。种类：从工作电源分为直流、交流和交直流通用等类型。选用时主要应考虑额定电压及触点的允许额定电流值和触点数量。,精选,52,工厂常用控制电器（6）,（4）热继电器用途：热继电器是用来保护电动机免受长期过载的危害。结构：热继电器是利用电流的热效应而动作的。右侧是它的结构原理图。,当主电路中电流超过容许值而使双金属片受热时，它便向上弯曲扣板在弹簧的拉力下将长闭触点断开，从而断开主电路。,由于热惯性，热继电器不能作短路保护，对电动机的瞬间过载不会造成不必要的停车现象。,精选,53,工厂常用控制电器（7）,（5）自动空气断路器用途：自动空气断路器也叫自动开关或空气开关，可实现短路、过载和失压保护。是常用的多性能低压保护电器。结构：自动空气断路器的结构形式很多。下面是其一般原理图。,释放拉簧,主触点,脱扣连杆,锁钩连杆,精选,54,基本控制电路(1),异步电动机的工作原理,精选,55,基本控制电路(2),异步电动机的起停控制,M,3,自锁,起动按钮,停止按钮,热继电器控制触点,接触器线圈,精选,56,基本控制电路(3),异步电动机的起停控制过程,精选,57,基本控制电路(4),异步电动机的点动,若将控制电路中的自锁触点KM除去，就可以实现对电动机的点动控制。按下起动按钮电动机就转动，一松手就停止。点动控制在生产中也是常见的。,精选,58,基本控制电路(5),鼠笼式电动机正反转的控制线路,在生产上往往要求运动部件向正反两个方向运动。也就是让电动机做正反转运动。我们在学习电动机的工作原理时已经知道，只要将接到电源的任意两根联线对调即可。为此我们采用了图示的控制线路。,精选,59,基本控制电路(6),鼠笼式电动机正反转的控制线路,精选,60,基本控制电路(7),鼠笼式电动机正反转的控制线路,精选,61,控制系统举例,自耦变压器降压起动,精选,62,控制系统举例,Y-D（星形三角形）降压起动,精选,63,PLC的工作原理(1),PLC的等效电路由PLC控制系统示意图可得可见：PLC控制系统可分为三个部分输入部分，输出部分和内部控制部分。,精选,64,PLC的工作原理(2),精选,65,PLC的工作原理(3),PLC的工作过程：,PLC在工作过程中，对于具体的控制对象而言一般分为五个阶段：,输入采样（输入扫描）阶段输入处理,程序执行（执行扫描）阶段程序执行；,输出刷新（输出扫描）阶段输出处理。,但对于整个控制系统来说,当PLC处于工作状态时还必须完成内部处理和通讯服务工作.,精选,66,PLC的工作原理(4),内部处理：,系统自检测、检查程序执行结果是否正确，进行奇偶校验；判断程序执行时间是否超时，如果超时，则停止中央处理工作。,检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位。,对具有断电保持功能的继电器现有值的刷新。,精选,67,PLC的工作原理(5),通讯服务：,a.与编程器交换信息，在使用编程器输入程序和调试程序时执行。,b.与数字处理器交换信息，只有在PLC中配有数字处理器时才执行；,c.与网络通讯，当PLC配有网络通讯模块时，应与通讯对象进行数据交换。,精选,68,PLC的工作原理(6),输入处理(采样)：,PLC以扫描工作方式按顺序将所有的输入信号读入到输入映象寄存器中存储，这一过程称为采样。,本工作周期内，这个采样结果的内容不会改变，它是PLC程序执行时使用的输入量的依据。,精选,69,PLC的工作原理(7),程序执行：,PLC按顺序对程序进行扫描，即从上到下，从左到右的扫描每一条指令，并分别从输入映象寄存器中读入所需要的数据进行运算、“处理”，再将每一条指令执行的结果送入元件映象寄存器，供后面指令程序执行时使用；,当全部程序执行完毕以后，程序执行的结果输出继电器的状态被送入输出映象寄存器保存，这个结果在整个程序执行完毕之前不会送到输出端子上。,精选,70,PLC的工作原理(8),输出刷新：,在用户执行完所有程序后，PLC将输出映象寄存器中的内容送到输出锁存器中去驱动用户设备，锁存器中的内容将保持到下一次程序执行完后的输出量来取代为止，所以也称输出处理为输出刷新阶段。,精选,71,PLC的工作原理(9),Stop和Run,PLC的基本工作状态有：Stop和Run（停止和运行）状态。,而当PLC处于停止状态时，只需完成内部处理和通讯服务工作。,精选,72,PLC的性能指标(1),编程语言：不同的PLC可能采用不同的编程语言，目前常用的有：梯形图语言、助记符语言、流程图语言和某些高级语言。编程语言种类越多，其类型越高级。指令种数用以表示PLC的编程功能，指令种数越多，编程功能越强I/O点总数PLC的I/O量有开关量和模拟量两种，对于开关量，I/O点用最大I/O点数表示；对模拟量，其I/O点数则表示最大I/O通道数。,精选,73,PLC的性能指标(2),内部继电器的种数和点数：表征了PLC的内部处理能力和运算功能，主要包括：辅助继电器、特殊继电器、定时器、计数器和移位寄存器等等。用户程序存储量表示PLC能够存放多少用户程序，存储量通常以字为单位来计算，约定16位二进制数为一个字（每8位为一个字节），1024个字为1k。编程时，一般的逻辑操作指令，每条指令只占一个字，计数、定时和移位指令各占2个字节，对于一般的数据操作指令，每条指令占2个字节。三菱的FX系列可编程序控制器的用户程序存储器的用户程序存储量是以编程步数来表示的，每一条指令为一步。,精选,74,PLC的性能指标(