电气控制与可编程控制器(第3章)

2020/5/26,1,第三章PLC的组成与工作原理,介绍PLC技术的基本组成、原理与应用，在了解PLC工作原理与特点的基础上，重点介绍小型PLC的应用技术。包括小型PLC的硬件与系统构成、基本性能、指令与编程方法、控制系统的硬件与软件的设计方法、系统的安装与调试、PLC网络与通讯。,2020/5/26,2,1、中央处理单元（CPU）（1）CPU是运算与控制中心1）接收用户程序、数据等信息2）自诊断电源、内部电路、编程中的语法错误3）运行时，从存储器中逐条读取用户程序解释产生控制信号控制电路完成用户程序中规定的逻辑运算、算术运算根据运算结果更新标志位数据寄存器、输出寄存器内容由输出寄存器的位状态或寄存器的有关内容实现输出控制,2020/5/26,3,CPU的性能决定PLC的功能档次PLC中常用的CPU有3种：1）单片机芯片8031、80962）通用微处理器8080、8086、803863）双极型位片式微处理芯片AMD-29xx,2020/5/26,4,2、存储器（1）存储器作用1）系统程序存储器（固化在EPROM区）存程序，只读2）应用软件存储器（又称为系统RAM区）由3部分组成：1）I/O映像区（开关量I/O、模拟量I/O）；2）编程软件存储区；3）用户与数据存储区。,2020/5/26,5,（2）存储器类型1）EPROM系统程序及需永久保存的用户程序2）RAM存放用户程序或数据3）EEPROM兼有1）、2）优点。,2020/5/26,6,3、输入、输出单元（I/O单元）输入进入PLC输出控制外部设备作用电平变换、速度匹配、驱动功率放大、信号隔离等,2020/5/26,7,1716151410070403020100,输入、输出继电器接线端子,2020/5/26,8,4、电源单元交流电压波动1015直流DC12V、DC24V作用工作、内部、外部供电,2020/5/26,9,二、PLC控制系统的组成1、I/O扩展模块和扩展单元I/O扩展为增加输入输出口模块,2020/5/26,10,2020/5/26,11,2020/5/26,12,2、I/O特殊功能模块应用模拟量输入/输出、数字通信、联网。3、编程器及其他外围设备,2020/5/26,13,三、PLC的编程软器件继电器逻辑器件硬件电路器件PLC逻辑器件软件编程器件软件编程器件有输入继电器、输出继电器、定时器、计数器每个器件编号（按区）编程器件名称、用途、数量、编号、使用方法,2020/5/26,14,2020/5/26,15,1、输入继电器X0X267（八进制）作用专门用于接收和存储（记忆，对输入映像寄存器的某一位）外部开关量信号（FX2N系列用8位编码，地址为X0X267）数量无数对常开、常闭触点编程输入继电器线圈与PLC输入端子相对应特点状态只能由外部信号驱动，无法用程序驱动触点只能用于内部编程，无法驱动外部负载响应时间10ms,2020/5/26,16,2、输出继电器Y0Y267（八进制）作用只能提供一副触点驱动外部负载（FX2N系列用8位编码，地址为Y0Y267）数量无数对常开、常闭触点编程输出继电器外部触点或输出管与PLC输出端子相对应特点状态只能由程序驱动，无法用外部信号驱动（改变状态）响应时间10ms,2020/5/26,17,COM,X0,COM,Y0,X0,Y0,X0常开触点,X0常闭触点,Y0常开触点,Y0常闭触点,输入信号,输入端子,输出端子,负载,外部电源,输入继电器,输出继电器,程序例,X0X1Y0,PLC,PLC输入、输出继电器等效电路图,2020/5/26,18,3、辅助继电器M0M3071，M8000M8255(十进制)作用相当中间继电器，用于状态暂存、移位、辅助运算、特殊功能数量无数对常开、常闭触点编程辅助继电器线圈由程序驱动一般三类：（共3328点）（1）通用型（用十进制编码，为M0M499、M1024M3071）（2）掉电保持型（用十进制，为M500M1023）（3）特殊用途(M8000M8255共256点)1）线圈由PLC系统程序自驱动用户只能用其触点常用如下：,2020/5/26,19,M8000PLC一旦运行（RUN）即为“1”，用于运行显示。M8002PLC运行的第一个周期产生一个脉冲脉冲宽度为一个周期，用于初始化。M801114产生10ms、100ms、1s、1min脉冲时钟。M8005理电池电压低于一定值时动作，其触点点燃PLC面板指示灯。2）由用户程序驱动的辅助继电器M8033“通电”PLC停止运行使输出保持。M8034“通电”使输出全部禁止。,2020/5/26,20,4、状态器S0S999（十进制）（可作为辅助继电器使用）作用构成状态转移图，用于步进顺序控制，当不用SFC编程时，可作普通M使用。数量无数对常开、常闭触点编程。五种状态软器件：（1）初始状态器S0S9共10点（2）回零状态器S10S19共10点（3）通用状态器S20S499共480点（4）保持状态器S500S899共400点（5）故障诊断和报警状态器S900S999共100点,2020/5/26,21,5、常数K/HK十进制数，如：345K345H十六进制数，如：345H1596、定时器T0T255（十进制）共256点作用相当通电延时型时间继电器用于定时控制数量T0T255共256点动作设定计时时间到，常开闭合、常闭打开1）普通型定时器（非积算式）100ms定时器，T0T199（200点）设定0.13276.7s10ms定时器，T200T245（46点）设定0.01327.67s,2020/5/26,22,1,X0,10ms时钟脉冲,普通型定时器的工作原理与动作时序,&,复位输入,计数器,设定值K,T200,X0,T200,K123设定值,X0,T200,K123,T200,Y0,X0设定值T200当前值Y0,1.23s,计数数据输入,比较器,输出触点,2020/5/26,23,2）保持型定时器（积算式）1ms保持型定时器（积算）T246T249（4点）设定0.00132.767s（中断动作）100ms定时器，T250T255（6点）设定0.13276.7s（中断动作）例：原理X1T250对100ms计数K345时T250动作触点接通,2020/5/26,24,1,输出触点,X1,100ms时钟脉冲,保持型定时器的工作原理与动作时序,&,复位输入,计数器,设定值K,T250,X1,T250,K345,X1,T250,K345,T250,Y1,X1设定值T250累加值当前值Y1X2,t1t2,X2,计数数据输入,比较器,X2,RST,T250,RST,T250,X2,t1t234.5s,2020/5/26,25,7、计数器C（C0C255共256点）（1）内部信号计数用计数器原理执行扫描时对内部器件（X、Y、M、S、T、C）的信号（通/断）进行计数注意计数时间扫描时间1）16位单向加计数器通用型16位加法计数，C0C99共100点掉电保持型16位加法计数，C100C199共100点,2020/5/26,26,注意两种计数器设定值在K1K32767范围内，K0与K1含义相同，即在第一次计数时，其输出触点动作。输入X11接通一次计数器1到设定值输出触点动作。复位X10接通执行RST指令计数器复位当前值0输出触点断开。,2020/5/26,27,C0当前数据,加计数器动作过程图,X10,C0,K10,C0,Y0,12345678910111213,X11,RST,C0,0,X10,X11,Y0,1,3,4,5,6,7,8,9,10,2,2020/5/26,28,图表示加/减计数器的动作过程方向设定X12复位信号X13输入信号X14若计数器从2147483647再进行加计数当前值就变成2147483648同样从2147483648再减当前值就变成2147483647。称为循环计数注意：32位计数器可当做32位数据寄存器使用，但不能用于16位指令中的操作元件。,2020/5/26,29,C200当前数据,加/减计数器工作过程,X13,C200,K3,C200,Y1,12345678910111213,X14,RST,C200,0,X13,X14,Y1,1,2,3,2,1,0,1,M8200,X12,X12,2,3,4,5,1,2,3,4,0,若输出已经接通,加减加,从3再往下减，则输出断开。由4再加到3，则输出接通。,2020/5/26,30,（2）高速计数器输入点X0X5、C235C255共21点类型：1）1相无起动/复位端子C235C240。2）1相带起动/复位端子C241C245。3）1相双向输入C246C250。4）2相输入（A-B型）C251C255。注意：最高计数受2个因素限制输入响应速度；全部高速计数器的处理速度。有关T、C组成工作过程及其应用在第五节中进一步介绍。,2020/5/26,31,8、数据寄存器D（D0D7999、D8000D8255共8256点）（1）通用型数据寄存器D0D199当由RUNSTOP时全部为“0”，其中M8033(置“1”）。（2）掉电保持型数据寄存器D200D999当由RUNSTOP时全部“保持”。,2020/5/26,32,（3）文件寄存器D1000D7999占用用户RAM存储器内的某一存储区间。用以存放用户专用数据以生成用户数据区。例如存放采集数据、统计计算数据、多组控制数据（如多种原种配方）等。以500点为一组，可用编程器进行数据的设置或修改，也可用编程软件进行读、写操作。在PLC运行中，不能改写其内容，但可用BMOV指令将其内容送到指定的普通数据寄存器中。,2020/5/26,33,9、变址寄存器V/Z用于改变器件的地址编号，V/Z都是16位数据寄存器，可读写，进行32位操作时，V在前Z在后。（V、Z是给定的可变化数值）,X10,若V8，Z14则5813，101424传送执行D13D24,MOV,D5V,D10Z,变址寻址方式数据传送,2020/5/26,34,10、指针P/I有2种类型1）分支指令用指针P0P63作用作标号，指定跳转指令JC或子程序调用指令CALL的跳转目标，占用空间。2）中断用指针I0I8共9点格式如下：,2020/5/26,35,例如，I001为输入X0从OFFON变化时，执行由该指针作为标号后面的中断程序，并根据IRET指令返回。,I,外部输入信号中断0：下降沿中断1：上升沿中断输入号（05）每个输入只能用1次,0,I,内部定时器中断1099ms定时器中断号（68）每个定时器只能用1次,例如，I610即为每隔10ms就执行标号为I610后面的中断程序，并根据IRET指令返回。,2020/5/26,36,中断服务子程序指针标号的应用,2020/5/26,37,FX2N系列PLC存储器分配,D0D199,D200D7999（B/U）,D800D8255,K,H,P,I,N,参数程序文件寄存器注释,D1000D7999,CPU,系统软件,程序存储器RAMEPROMEEPROM,A,B/U,数据寄存器,数据存储器RAM,CAB,V,Z,变址寄存器,BB,T0T199（B/U）,T200T245,定时器当前值,CC,T0T199（B/U）,T200T245,积算型定时器当前值,AA,C0C99,C100C199（B/U）,C200C219,CACAA,C200C234（B/U）,C235C255（B/U）,计数器当前值,定时器触点计数器线圈,触点映像,定时器触点计数器线圈复位线圈,计数器触点计数器线圈复位线圈,位存储器RAM,CCCABCCAA,AA,AA,CACAA,输入触点输出辅助触点状态报警器100ms10ms1ms积算100ms积算bitUbitU高速U/D,B/U理电池保持U加计数U/D加、减双向计数,2020/5/26,38,电源ON/OFF及PLCRUN/STOP对各存储区的影响,2020/5/26,39,FX2系列PLC元件编号一览表,2020/5/26,40,PLC的基本工作原理一、PLC的基本控制原理与工作方式继电器系统：输入开关电器；逻辑继电器触点；输出电磁阀、接触器、信号灯等。1、PLC的工作方式循环扫描、集中输入/输出方式。,2020/5/26,41,PLC系统的3个阶段：输入采样收集保存被控制对象运行的数据状态和控制所需的各种命令信号；注意：输入脉冲信号宽度一定T扫描周期用户程序执行程序处理输入、输出及内部相关元件组成的逻辑，判断输出、记忆。输出刷新提供实时操作处理输出信号（电平）。,2020/5/26,42,M,（微处理器）（寄存器）（存储器）PLC,M,输入部分逻辑运算部分输出部分,输入部分输入变换器逻辑运算部分输出变换器输出部分继电器与PLC装置控制图,2020/5/26,43,合上电源,开始,内部处理,通信服务,1,1,程序执行,输入处理,停机？,CPU动作方式？,STOP,否,否,是,PLC工作框图,自诊断,输出处理,停机处理,正常？,RUN,是,2020/5/26,44,输入端子,输入映象寄存器,X0X1X2,M0,Y0,元件映象寄存器,读X0Y0,读,写读写,辅助继电器,输出端子,输出锁存存储器,Y0Y1Y2,输出,反复一个周期称为扫描周期,程序执行中读X,程序执行完写所有Y,PLC用户程序扫描工作过程,2020/5/26,45,2、PLC的工作方式与信息处理规则PLC在I/O信息处理中遵循的原则：1)输入映像寄存器开关状态取决于输入口在输入阶段的状态、采样数据。2）程序执行结果取决于用户程序结构和输入寄存器及内部元件寄存器内容。,2020/5/26,46,3）I/O映像区输出寄存器内容取决于所有输出指令的执行结果。4)输出锁存器内容取决于上一次输出刷新阶段输出映像寄存器的内容。5）所有输出端口的状态、数据由输出锁存器决定。,2020/5/26,47,二、扫描周期扫描周期的长短是影响PLC响应速度的一个重要因素。一个扫描周期自诊断、外部通信采样输入、程序执行、输出刷新等。自诊断时间通常可以忽略不计。扫描周期T输入采样程序执行输出刷新。,2020/5/26,48,输入采样和输出刷新时间决定于输入滤波时间常数和I/O点数。程序执行时间是扫描周期T的最大组成部分是一个随机变量每个扫描周期长短不一程序的长短复杂程度扫描速度每一个扫描周期不同的执行情况。,2020/5/26,49,扫描周期TFX系列PLC在投入运行后CPU分别将当前扫描周期T、最小扫描周期Tmin和最大扫描周期Tmax存入专用数据寄存器D8010、D8011、D8012中可作为源操作数供用户编程使用计时单位均为0.1ms,2020/5/26,50,WDT专用的警戒定时器设定值稍大于恒定扫描周期值便能实现程序运行的监视和诊断功能一旦程序运行出现故障发出超时报警信号,2020/5/26,51,被控对象,系统总线,开关量输入模块,模拟量输入模块,开关量输出模块,模拟量输出模块,其它模块,采样设备,之行装置,检测装置,电源模块,主控模块（CPU、存储器、用户存储器、通信接口）,编程器,计算机可编程终端或外围设备,PLC,PLC控制系统硬件组成框图,2020/5/26,52,合上电源,I/O和内部继电器清零所有定时器复位,检查I/O单元连接,复位时间监视器,检查硬件和用户程序存储器,采集输入信号刷新I/O数据更新输出信号,1,1,检查合格？,监控定时器复位T1,执行用户程序指令,程序结束？,监控定时器复位T1,服务于外设命令,错误标志置位，出错灯亮,程序结束？,严重故障,报警,否,否,是,是,图2-1X1PLC内部工作示意图,2020/5/26,53,三、PLC的I/O响应时间和提高I/O速度的措施1.PLC的I/O响应时间输入输出接口的滤波时间常数（一般为1020ms）PLC的I/O响应速度要比微型机算计控制系统慢得多。由下图可知PLC的I/O响应最小时间时一个T输入、输出滤波时间常数。图中t1为输入采样阶段t2为程序执行阶段t3为输出刷新阶段,2020/5/26,54,PLC的I/O响应时间a)图形图b)最小响应时间波形c)一般情况时间波形,Y2Y1Y0,Y2Y1Y0X0,T3t1t2t3t1t2t3t1t2t3t1t2t3TTTT,Y2Y1Y0X0,t1t2t3t1t2t3t1t2t3t1t2t3t1TTTT,a),b),c),Y1Y0X0,2020/5/26,55,2.提高I/O响应速度的主要措施硬件和软件硬件措施：（1）提高扫描速度（2）提供高速输入端口以减小输入滤波时间（3）提供高速处理的特殊功能模块供用户选择使用,2020/5/26,56,软件措施：（1）采用I/O立即刷新指令（2）采用修改滤波时间常数指令（3）采用中断技术（4）采用I/O直接刷新工作,2020/5/26,57,插入I/O立即刷新指令后的I/O响应a)图形图b)波形图,Y10,X10Y10,t2t3t1t2t3t1t2TTT,a),b),M8000X10M8000,300306308,REF,X10,K8,REF,Y10,K8,300tT308,连续8位同时刷新,2020/5/26,58,PLC的开关量I/O系统PLC内部I/O映像区状态信号存储单元与输入、输出的开关量信号之间的接口电路。1、开关量或数字输入接口电路3种输入方式（1）直流输入方式输入电路带扩展模块的输入侧的接线图组成光电隔离、滤波、发光二极管指示（LED）,2020/5/26,59,传感器,COM,5VLED,COM,X,24V,DC24V,放大器,RR,RR,C,直流输入电路,2020/5/26,60,供给扩展模块的电源,基本单元,+24V,COM,RUN,X0,X1,X2,扩展模块,+24V,X3,X0,X1,X2,接近开关,扩展电源,公共COM线,带有扩展模块的输入侧的接线图,2020/5/26,61,（2）交流输入方式输入电路组成整流、光电隔离、滤波和发光二极管（LED）、外接交流电源供电（3）交直流输入方式输入电路组成整流、光电隔离、滤波和发光二极管（LED）、外接交流或直流电源供电,2020/5/26,62,AC,COM,5VLED,