可编程控制器的工作原理与电路分析

第三章工作原理与电路分析和设计,3.1可编程控制器的工作原理3.2可编程控制器电路分析3.3控制电路的经验设计法,3.1可编程控制器的工作原理,继电器-接触器控制系统是通过继电器和接触器触点状态的变化来实现其控制功能，而可编程控制器则是通过执行控制程序来实现其控制功能。可编程控制器的控制程序大致由三大模块构成:第一个大模块是：初始化模块；第二个大模块是：实现系统控制功能的模块，第三个大模块是：保证可编程控制器可靠性的模块。,可编程控制器是采用循环执行控制程序的各个模块来实现其控制功能的，即控制程序的各个模块在可编程控制器的上电期间内被周期性地执行。控制程序的各个模块均被执行一次所需要的时间称为可编程控制器的扫描周期，扫描周期是可编程控制器的一个重要技术指标，它反映出可编程控制器的处理速度。,PLC的扫描工作过程,检查CPU等内部硬件，对监视定时器（WDT）复位以及其它工作,与其它智能装置（如编程器、计算机等）实现通信,按顺序对所有输入端的状态进行采样，并存入相应寄存器,对用户程序扫描执行，并将结果存入相应的寄存器,将寄存器中与输出有关状态，转到输出锁存器，输出驱动外部负载,内部处理,通讯服务,输入刷新,程序执行,输出刷新,信号传递过程(从输入到输出),输入端,输入电路,输入映像寄存器,输入刷新阶段-CPU从输入电路的输出端读出各路状态，并将其写入输入映像寄存器；,b.程序执行阶段-CPU从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出各继电器的状态，并根据此状态执行用户程序，执行结果再写入元件映像寄存器中；,c.紧接着的输出刷新阶段-将输出映像寄存器的状态写入输出锁存电路，再经输出电路传递输出端子，从而控制外接器件动作。,元件映像寄存器,读,写,输出锁存器,输出电路,输入端,读,写,输出刷新完成后，可编程控制器自动开始新的输入采样阶段，之后，周而复始地重复上述四个阶段，直到可编程控制器关机或进入STOP状态。上述工作原理如上图所示。,可编程控制器的四个主要工作阶段有严格的先后顺序，一个阶段结束后，才开始下一个阶段，四个阶段在时间上没有重叠，因此，可编程控制器的输出信号滞后于产生这些输出信号的输入信号，尽管滞后的时间很短（几ms或几十ms）。这是可编程控制器的一个显著特点。可编程控制器输出滞后于输入的现象如下图所示。,3.2梯形图的编程方法（1）,本讲教学要求：1、了解PLC基本编程语言。2、重点掌握梯形图的编程方法。3、掌握经验设计法。4、熟悉典型电路的梯形图编程方法。,一、PLC的编程语言,3、顺序功能图(SFC）,1、梯形图编程语言,4、功能块图(FBD),2、指令语句表编程语言,5、结构文本编程语言,梯形图是在原继电器接触器控制系统的继电器梯形图基础上演变而来的一种图形语言。它是目前用得最多的PLC编程语言。,3.2常用基本单元电路的编程举例,3.2.1定时器和计数器的编程方法1.瞬时接通、延时断开电路在图3-1中,当X2为ON时，Y3得电，并自保，由于X2的常闭触点断开，使T50的线圈不能得电；当输入X2为OFF（常开触点断开）时，X2的常闭触点闭合，T50线圈得电，经过15秒钟使设定值减到零，T50的常闭触点断开，Y3线圈断开，实现Y3在X2为OFF的时刻延时15秒。,图3-1延时断开电路,（a）梯形图,（b）波形图,启动,保持,复位,2.延时接通、延时断开电路,图3-2电路可实现：在X0为ON时Y4延时5秒得电，在X0为0FF时Y4延时5秒失电。当输入X0为ON时T50得电，延时5秒后，T50所带的常开触点闭合，Y4得电且自保。当输入X0为OFF时，其常闭触点闭合，T51得电，延时5秒后，T51所带的常闭触点断开，Y4线圈解除自保断电。,（a）梯形图,（b）波形图,复位,启动,保持,下图3-2所示的控制电路能实现在输入信号为ON时，延时一段时间后产生一个短脉冲输出信号，这种短脉冲信号可用做启动信号或关断信号。,X010,M100,M101,T60线圈,T60触点,Y010,5s,3.脉冲发生器电路,图3-3所示脉冲振荡电路可以产生50S的脉冲信号。当X0闭合后，T50线圈得电经过30S后，其常开触点闭合，T51线圈得电开始延时，经过20S后T51触点动作，其常闭触点使T50线圈失电，T50常开触点又使T51断开，一个周期结束。在一个周期中T50的触点闭合20S，断开30S；而T51的触点只闭合一个扫描周期的时间，其波形图如图3-3所示。,（b）波形图,闪烁电路动画演示,4.定时器的扩展,图3-4为定时器的扩展电路。图中通过两个定时器的串联，可以实现延时1300秒。在图中T0的设定值为800秒，T1的设定值为500秒。当X0为ON时，T0就开始计时，当到达800秒时，T0所带的常开触点闭合，使T1得电开始计时，再延时500秒后，T1的常开触点闭合，Y0线圈得电，获得延时1300秒的输出信号。,（b）波形图,5.定时器和计数器的组合使用,图3-5电路可以获得30000秒的延时。当X0闭合时，T0线圈得电开始计时，当100秒延时时间到，T0的常闭触点断开，使T0自身复位，在T0线圈再次得电后又可以开始计时。T0的常开触点每隔100秒钟闭合1次，计数器计1次数，当计到300次时，C0的常开触点闭合，Y1线圈得电闭合，实现Y1线圈从X0为ON时刻，延时300100秒才有输出。X4用于给计数器复位。,图3-5定时器和计数器的组合,3.2.2启动、停止及自保控制作用的编程方法,1.启动优先式控制环节在图3-6(a）中，当启动信号X0为ON时，无论关断信号X1的状态如何，Y0总被启动，并通过X1的常闭触点实现自保。当X0为OFF后，将停止信号X1的常闭触点断开，Y0断电。,因为当启动信号X0与停止信号X1同时作用时，启动信号有效，所以称此电路为启动优先式，常用于报警设备、安全防护及救援设备，需要准确可靠的启动控制，无论停止按钮是否处于闭合状态，只要按下启动按钮，便可以启动设备。,2.停止优先式控制环节,在图3-6(b）中，当启动信号X0为ON时Y0得电，通过停止信号X1的常闭触点使Y0得电且自保。当停止信号X1的常闭触点为OFF时，无论启动信号状态如何，Y0线圈始终失电。,由于X0与X1同时作用时，停止信号有效，所以称此电路为停止优先式，常用于需要紧急停车的场合。,3.2.3互锁及连锁控制的编程方法,1.互锁控制在一些机械设备的控制中，经常见到存在某种互为制约的关系，在PLC控制电路中一般用反映某一运动的信号去控制另一运动相应的电路，达到互锁控制的要求。,图3-7为互锁控制的梯形图，图中为了使Y0和Y1不能同时得电，用Y0和Y1的常闭触点，分别串接于对方的控制电路中，实现互锁功能。,图3-7互锁电路,当Y1、Y2中有任何一个启动时，另一个必须为断电状态，即保证任何时候两者都不能同时启动，达到互锁的控制要求。这种互锁控制方式，经常用于控制电机的正转与反转、机床刀架的进给与快速移动、横梁升降与工作台走动、机床卡具的卡紧与放松等不能同时发生运动的控制。,Y0,Y1,X3,X4,综合案例1：（根据电机正反转典型电路的设计）刀架开始在限位开关X4处，按下启动按钮X0，刀架左行，开始钻削加工，到达X3处，停止供给，钻头继续钻动，进行无进给切削，6S后，自动返回起始位置。,（单击动画）,2.顺序控制（联锁控制）,图3-8为联锁控制梯形图，线圈Y0的常开触点串接于线圈Y1的控制电路中，线圈Y1的得电是以Y0的接通为条件。只有Y0接通才允许Y1的接通。,Y0关闭后Y1也被关闭，且在Y0接通的条件下，Y1可以自行启动和停止。,图3-8顺序控制,3.2.4手动及自动控制的编程方法,图3-9为自动控制系统的手动与自动切换梯形图，输入信号X0为系统设置的手动/自动选择开关，当选择手动工作状态时，X0为ON满足主控指令的执行条件，执行手动控制程序，同时满足跳转执行条件，不执行自动控制程序；相反当选择自动工作状态时，X0为OFF时，不执行手动程序，执行自动程序。,图3-9手动控制与自动控制,3.2.5顺序控制的编程方法顺序步进控制：,使控制系统能按照固定的步骤，一步接着一步的执行。选择代表前一个运动的常开触点串联于在后一个运动的启动电路中，作为后一个运动的发生条件（约束条件）。同时选择代表后一个运动的常闭触点串联于前一个运动的停止线路中，作为关闭条件。这样才能保证，只有在前一个运动发生了，才允许后一个运动可以产生；而一旦后一个运动发生，立即就使前一个运动停止。达到顺序步进控制。图3-10所示顺序步进控制线路，其中(a)图为采用停止优先控制方式，(b)图为采用启动优先控制方式。,(a)采用停止优先控制方式(b)采用启动优先控制方式。,图3-10顺序步进控制线路,3.2.6逻辑指令编程举例例1：电机正反转控制,按下正向启动按钮X1为ON时，Y0线圈得电并自保，电动机正转。与此同时，Y0的常闭触点断开Y1线圈，实现了电气的互锁。当按下反向启动按钮，X2为ON时，Y1线圈得电，电动机反转。与此同时，Y1的常闭触点断开，使Y0线圈失电，实现电气互锁。,停机时按下停止按钮，X0的常闭触点断开；过载时热继电器触点闭合，即X3的常闭触点断开，这两种情况都使线圈Y0、Y1失电，从而使得KM1、KM2断电释放，电动机停下来。,图3-11电动机正反转控制,（a）梯形图,（b）I/O接线图,例2：两台电机顺序启动控制,图3-12所示两台电机顺序启动联锁控制的梯形图。图中由接触器KM1、KM2分别控制电机1和电机2。,X0为ON启动电机1。10秒后启动电机2。按下停止按钮X1，两台电机立即停止。Y1过载X2常闭触点（热继电器FR1）断开，两台电机均停止。Y2过载，即X3常闭触点动作，KM2失电，电机2停止转动，但电机1仍然继续运行。,图3-12两台电动机顺序起动控制,（a）梯形图,（b）I/O接线图,例3：某锅炉的鼓风机和引风机控制,控制要求：在启动时，鼓风机比引风机晚12S启动，在停止时，引风机比鼓风机晚15S停机，采用经验设计法设计的梯形图和时序波形图如图3-13所示。Y1端口接引风机；Y2端口接鼓风机。,图3-13锅炉鼓风机和引风机的控制,（a）梯形图,（b）时序波形图,例4：具有自保功能报警系统,图3-14所示某一具有自保功能报警系统的梯形图。该控制程序可以实现声光报警功能，并具有手动检查报警指示灯是否正常、蜂鸣器消音和改变报警指示灯状态的功能。内部特殊继电器M8013为1S时钟。,手动使X1为ON时，通过Y0点亮报警指示灯，所以X1为报警指示灯的检查开关。当有报警信号时X0为ON，则M100得电，在第三个梯级中1S脉冲时钟信号M8013通过输出端Y0，驱动报警指示灯点亮（按1S频率闪烁）、同时Y1端蜂鸣器发声，实现声光报警功能。,图3-14报警控制系统的PLC梯形图,操作蜂鸣器复位按钮使X2为ON时，M101线圈得电，M101的动合触点闭合，报警指示灯由闪烁变为常量状态，M101的动断触点断开，Y1端的蜂鸣器消音。当报警信号解除（X0为OFF），且蜂鸣器复位按钮复位（X2为OFF）时，电路恢复到初始状态。,经验设计法也叫试凑法，经验设计法需要设计者掌握大量的典型电路，在掌握这些典型电路的基础上，充分理解实际的控制问题，将实际控制问题分解成典型控制电路，然后用典型电路或修改的典型电路进行拼凑梯形图。,我们通过具体的案例来说明典型电路的梯形图编程方法。,3.3梯形图的经验设计方法,案例1有甲乙两组彩灯，每组均有4只灯泡。按下按钮SB后，要求甲组彩灯周期性地亮0.5秒，灭0.5秒；同时乙组彩灯周期性地亮1秒，灭1秒；再次按下SB按钮后，全部彩灯熄灭。试设计其控制电路。,解：1.计算需要可编程控制器的I/O点数所需要可编程控制器的I/O点数要根据外部控制信号的数目和控制对象的数目来确定。经分析计算共需要1个输入端子，需要2个或8个输出点。2.选择可编程控制器的型号选用的可编程控制器，要求具有的I/O点数应不少于I/O点数。查表可选用FX2N-16MR-ES/UL型可编程控制器较为合适。这种可编程控制器有8个输入点和8个输出点，能够满足这里的控制要求。,3.分配I/O端子,表3.1I/O端子分配结果,4.画I/O连接图,图3.15彩灯控制I/O连接图,根据I/O连接图和控制要求试凑电路如图3.2所示。,5.试凑电路,6.分析电路,题目的要求是用一个单输入信号实现启停的二分频电路，上面设计出的梯形图可以实现这个要求。,图3.16彩灯控制梯形图,单按钮启停,产生周期为1S的时钟脉冲,实现1S时钟信号的二分频功能,甲组彩灯（周期1S）,乙组彩灯（周期2S）,案例2设计PLC控制电路，完成三相异步电动机的单向启动和停止。,熟悉控制对象的工艺要求PLC外部控制线路的设计程序设计控制系统程序的模拟调试控制系统程序的现场调试,一般一个完整的PLC程序设计过程应该包括5个步骤,按钮、接触器和电动机的启动停止控制线路（启保停电路）,分析：（一）工作：1.合刀开关Q；2.按下启动按钮SB2；3.接触器线圈KM上电，其触点切换，其常开KM触点闭合（自锁失压保护），电机运转；按SB1电机停车。（二）保护：1.短路保护FU；2.过载保护FR；3.自锁保护；4.PE接地保护；5.欠压保护（接触器）。,控制对象的工艺要求要求控制三相异步电动机的启动停止，有必要的保护环节。,PLC外部控制线路的设计,梯形图程序设计,控制系统程序的模拟调试控制系统程序的现场调试,启动,停止,保持,I/O分配表,案例3设计三相异步电机的正反转控制电路。控制对象的工艺要求。（完成下图继电器控制所完成的功能）,分析：（一）工作：1.合刀开关QS；2.按下启动按钮SB2（正转）3.接触器线圈KM1上电，其常开KM1触点闭合（自锁失压保护）；4.松开SB2正转已开始；5.按停车SB1即停。反转同正转。（二）保护：1.短路保护FU；2.过载保护FR；3.自锁、互锁保护；4.PE接地保护；5.欠压保护（接触器）。,外部接线