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9.1PLC的基本结构、工作原理和主要特点9.2PLC的内部等效继电器电路9.3PLC的编程与指令系统9.4PLC的应用,机电传动控制,第9章可编程序控制器（PLC）简介,第9章可编程序控制器（PLC）,可编程控制器(ProgrammableLogicController)，又称可编程逻辑控制器,简称PLC，PLC是微机技术与继电器控制技术相结合的产物；PLC是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心的数字控制专用计算机。1969年第一台PLC问世,是针对工业自动控制特点和需要而开发的。,1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM)，为了适应汽车型号不断更新的需要，提出了十条技术指标，在社会上公开招标，制造一种新型的工业控制装置。编程方便，可在现场修改程序；维护方便，最好采用插件式结构；可靠性高于继电器控制装置；数据可直接输入管理计算机；体积小于继电器控制装置；成本可与继电器控制装置竞争；输入电源可为市电（交流115V）；输出电源可为市电，负载电流要求在2A以上，能直接驱动电磁阀、接触器等；扩展时，原系统要求变更最少；用户程序存储器容量大于4K字节。,可编程序控制器的历史,1969年美国数字设备公司（DEC）根据招标的要求，研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。1980年美国电气制造商协会（NEMA）正式将其命名为可编程序控制器（ProgrammableController），简称PC。由于可编程序控制器最初只具备逻辑控制、定时、计数等功能，主要是用来取代继电接触器控制，相当于可编程序逻辑控制器（PLC），另一方面，为了与个人计算机（PC）相区别，因此可编程序控制器简称为PLC。,可编程序控制器的历史,国际电工委员会(IEC)于82年11月、85年1月和87年2月分别颁发了可编程序控制器标准草稿第一、二稿和第三稿，对可编程序控制器作了如下的定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计”。,可编程序控制器的定义,第9章可编程序控制器（PLC）,PLC充分利用微处理器优点，以满足各种工业领域的实时控制要求；照顾到现场电气操作维护入员的技能和习惯，独具风格形成以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构;所以,不需要具有专门的计算机编程语言知识，使用户程序编制清晰直观、方便易学，调试查错都很容易。PLC已成为现代工业控制的三大支柱（PLC,CAD/CAM,ROBOT）之一。,可编程控制器的结构,整体式PLC组成示意图,一、中央处理单元二、存储器三、输入/输出模块四、电源五、外部设备,装有CPU的单元称为CPU模块，其他称为扩展模块。CPU与各扩展模块间通过电缆连接。中、大型机常采用组合式PLC。,组合式PLC组成示意图,各单元分别做成相应的电路板或模块，插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。,一、可编程序控制器的结构,西门子S7-300,9.1.5可编程控制器的结构及软件,一、可编程序控制器的结构,西门子S7-400,三菱FX2N系列,一、可编程序控制器的结构,1.中央处理单元CPUPLC的核心，其主要作用是：(1)接收从编程器输入的用户程序，并存入程序存储器中；(2)扫描采集现场输入状态和数据，存入相应数据寄存器；(3)执行用户程序，从程序存储器中逐条取出用户程序，经过解释程序解释后逐条执行；完成程序规定的逻辑和算术运算，产生相应的控制信号去控制输出电路，实现程序规定的各种操作；(4)通过故障自诊断程序，诊断PLC的各种运行错误。因此，CPU的性能对PLC的整机性能有着决定性的影响。,9.1.1PLC的基本结构,9.1PLC的基本结构、工作原理和主要特点,2.存储器:存放程序和数据，分系统程序和用户程序。1)系统程序存储器(区)：固化在ROM或EPROM中。2)用户程序存储器(区)：通过编程器输入，为便于程序的调试、修改、扩充、完善，该存储器使用RAM3)变量(数据)存储器(区)：存放PLC内部逻辑变量，如内部继电器、I/O寄存器、定时器计数器中逻辑变量的现行值，在CPU进行逻辑运算时需随时读出与更新，采用RAM。,9.1.1PLC的基本结构,9.1PLC的基本结构、工作原理和主要特点,9.1PLC的基本结构、工作原理和主要特点,3.输入输出接口（I/O)：PLC的I/O接口按强电要求设计，其输入接口可接受强电信号，其输出接口可直接和强电设备相连。小型PLC，通常将I/O部分装在PLC本体部分；中大型PLC，厂家通常将I/O部分做成可供选取、扩充的模块，用户可根据自己的需要选取不同功能、不同点数(1点相当于微机I/O接口的1位)，组成自己的控制系统。为便于检查，每个I/O点都接有指示灯，某点接通时，相应指示灯发光指示，用户可方便地检查各点的通断状态。,9.1.1PLC的基本结构,输入信号多为开关量，电路结构类似，交直流都有。,9.1.1PLC的基本结构,3.输入输出接口（I/O)：,1)输入接口,图9.2是8点直流开关量输入接口电路，8个输入接线端子，COM为公共端；24V直流电源为PLC内部专供输入接口的电源；K0-K7为外接开关；发光二极管LED为输入状态指示灯；R限流电阻，为LED和光电藕合器件提供合适的工作电流。,功能是采集现场各种开关接点状态信号，并将其转换成标准逻辑电平，送CPU处理。,1)输入接口,9.1.1PLC的基本结构,3.输入输出接口（I/O)：,输入电路的工作原理,主机电压5v，驱动外接传感器24v,等效电路,PLC控制接线图,PLC控制等效电路图,（PLC的I/O配置图）,继电器-接触器控制电路图,输入电路,输出电路,梯形图,电路中光电耦合器件的作用三点：(1)现场与PLC主机电气隔离，提高抗干扰性;(2)外电路出故障时，避免强电侵入而损坏主机；(3)电平变换，现场开关信号可能有各种电平，光电耦合器将它们变换成PLC主机要求的标准逻辑电平；高电平近似5V，与外电路的输入电平无关；,9.1.1PLC的基本结构,3.输入输出接口（I/O)：,1)输入接口,2)输出接口适应不同负载，有多种方式。,9.1.1PLC的基本结构,3.输入输出接口（I/O)：,继电器输出方式可用于直流或交流负载。图9.3所示电路是继电器输出接口电路。,9.1PLC的基本结构、工作原理和主要特点,晶体管输出方式用于直流负载；,双向晶闸管输出方式用于交流负载；,编程器是PLC中一种主要的外部设备，它是开发、维护PLC控制系统的必备设备。编程器用于用户程序的编辑、调试、检查和监视，还可以通过其键盘调用、显示PLC的一些内部状态和系统参数。它通过通信端口与CPU联系，完成入机对话连接。编程器上有供编程用的各种功能键和显示灯，以及编程、监控转换开关。编程器的键盘采用梯形图语言键符或命令语言助记键符，也可以采用软件指定的功能键符，通过屏幕对话方式进行编程。,4编程器,9.1.1PLC的基本结构,编程器有便携和CRT两类。智能式既可联机编程，又可脱机编程。便携式只能联机编程，但体积小，重量轻，便于现场使用。智能式的主要缺点是体积大，价格贵，不便于现场使用。小型PLC主要采用便携式编程器。编程器是专用的，不同型号的PLC都有自己专用的编程器，不能通用。PLC正常工作时，不一定需要编程器。因此，多台同型号的PLC可以只配一个编程器。,4编程器,5.PLC的外设可配打印机、EPROM写入器及高分辨率彩屏监控设备等。,9.1.1PLC的基本结构,与普通微机类似，PLC也是由硬件和软件两大部分组成的。在软件的控制下，PLC才能正常地工作。软件分为系统软件和应用软件两部分。PLC的基本工作过程如下：(1)输入现场信息：在系统软件的控制下，顺次扫描各输入点，读入各输入点的状态；(2)执行程序：顺次扫描用户程序中的各条指令，根据输入状态和指令内容进行逻辑运算；(3)输出控制信号：根据逻辑运算的结果，输出状态寄存器（锁存器）向各输出点并行发出相应的控制信号，实现所要求的逻辑控制功能。,9.1.2PLC的工作原理,9.1PLC的基本结构、工作原理和主要特点,PLC的基本工作过程（如图9.4）：(4)上述过程执行完后，又重新开始，反复执行。每执行一遍所需时间称为扫描周期。PLC的扫描周期通常为几十ms。(5)实际应用中，大多数机械设备工作过程可分为一系列不断重复的顺序操作，PLC的工作方式与此相似。(6)因此，PLC的程序可与机器的动作一一对应，程序编制简单、直观，不易出错，容易修改，大大减少了软件的开发费用，缩短了软件的开发周期。,9.1.2PLC的工作原理,图9.4PLC扫描过程,PLC的基本工作过程（如图9.4）：(7)为提高可靠性，及时接收外来指令，每次扫描期间，还要进行故障自诊断，完成与编程器等的通信。(8)每次扫描开始，先执行一次自诊断程序，对各输入输出点、存储器和CPU等的当前状态进行诊断测试，与正常标准状态比较，若两者一致，说明各部分工作正常，若不一致则认为有故障，PLC立即启动关机程序，保留现行工作状态，并关断所有输出点，然后停机。,9.1.2PLC的工作原理,图9.4PLC扫描过程,工作原理,循环扫描工作方式,PLC工作状态：运行(RUN)状态，执行应用程序。停止(STOP)状态，编制与修改程序。PLC执行一次扫描操作所需的时间称为扫描周期。典型值1100ms。其中大部分时间用于完成用户程序的三个阶段。,1应用灵活、扩展性好PLC的用户程序可简单而方便地编制和修改，以适应各种工艺流程变更的要求。PLC的安装和现场接线简便，可按积木方式扩充控制系统规模和增删其功能以满足各种应用场合的要求。2操作方便梯形图形式的编程语言与功能编程键符的运用，使用户程序的编制清晰直观。3标准化的硬件和软件设计、通用性强4完善的监视和诊断功能5控制功能强既可完成顺序控制，又可进行闭环回路控制，还可实现数据处理和简单的生产事务.,9.1.3PLC的主要特点,6可适应恶劣的工业应用环境PLC的现场连线选用双绞屏蔽线、同轴电缆或光导纤维等。因而PLC的耐热、防潮、抗干扰和抗振动等性能较好。通常PLC可在0-600C正常运行，不需强迫风冷。可承受峰一峰值为1000V、脉宽为1微秒的矩形脉冲串线路尖峰干扰。7体积小、重最轻、性能价格比高、省电。以日本三菱公司的F-40M型为例，它具有24点输入，16点输出，16个定时器，16个计数器和192个辅助继电器，其尺寸仅为225X80X100mm3，重量为1.5kg，传统继电器逻辑控制柜无法与之相比。,9.1.3PLC的主要特点,9.2可编程序控制器的内部等效继电器电路,PLC是一种专用微机，但用来实现继电器接触器控制功能时，不必从计算机角度去研究，可将PLC内部结构等效为一个继电器系统。在PLC内部有很多存储器，一个存储器单元由8位触发器组成，一个触发器等效为一个继电器，这种等效继电器的通断是由软件控制的，故也可叫软继电器。用户使用这些软继电器，通过编程实现所需要的逻辑控制功能。,PLC内部等效继电器原理,9.2可编程序控制器的内部等效继电器电路,表9.2是F-40M的内部等效继电器及地址编号表。,9.2可编程序控制器的内部等效继电器电路,各类等效继电器的功能和使用方法,9.2可编程序控制器的内部等效继电器电路,1输入继电器X专门接收外部开关或传感器等发来的信号，与PLC的输入端子相连，只能由外部信号驱动，不能用内部程序指令控制，所以在梯形图中输入继电器没有线圈，只提供若干常开触点和常闭触点，触点即触发器的状态表示外部输入信号的状态，仅供编程使用，而不能直接输出去驱动外部载。2输出继电器Y专门将输出信号传送给外部负载。按程序执行的结果而被激励，每一输出继电器仅有一对外部输出触点，其状态对应输出寄存器的输出。输出继电器经输出寄存器、输出接口电路与PLC的输出端子相连，用以控制外接负载。也可提供若干对动合、动断触点供编程时使用。,各类等效继电器的功能和使用方法,9.2可编程序控制器的内部等效继电器电路,3.时间继电器T又叫定时器，定时值K为0.1S-999S。定时器的功能：当输入条件使定时器虚拟线圈得电（实际触发器置“1”)，定时器启动开始计时，即以0.1s为单位开始从设定的定时值递减，当定时器中设定的定时值K减到0时（即延时时间到），定时器的输出触点就动作（动合闭合，动断断开），并停止计时。定时器的定时时间到，若其线圈还处于得电状态，那它的动合触点就一直闭合、动断触点就一直断开；反之，若其线圈断电（实为触发器置“0”），则它的触点恢复常态（动合断开，动断闭合）。定时器复位。如果在计时过程中，定时器线圈断电，则立即停止计时并复位；若定时器线圈再得电，则定时器又从初始设定值K开始重新计时。,各类等效继电器的功能和使用方法,9.2可编程序控制器的内部等效继电器电路,图9.6为实现输出比输入延时断开的控制电路。输入继电器X400由接通变为断开时，定时器开始计时。,3.时间继电器T,各类等效继电器的功能和使用方法,9.2可编程序控制器的内部等效继电器电路,4计数继电器C亦称计数器，可对外部事件或内部脉冲进行计数，计数值为1-999个数。计数器编程梯形图功能如下：,C460工作前，先使计数器复位，即从复位端输入一个脉冲，使计数器置入设定值K（图中K=10)；由X400接通一次（先合后开）产生一个脉冲来复位；,以后当输入端X401接通一次，计数值减1，到设定的计数值K减到0时，计数器的输出触头动作，触点C460闭合，输出继电器Y430得电；只要X400输人保持断开，C460的触点就一直保持接通；,各类等效继电器的功能和使用方法,9.2可编程序控制器的内部等效继电器电路,5辅助继电器M和输出继电器一样，只能由程序指令控制，专供内部编程使用，它相当于继电器接触器控制系统中的中间继电器，但其触点不可直接驱动外部负载。辅助继电器又分为通用辅助继电器和具有断电保护的保持辅助继电器（断电后再行供电时，保持断电前的状态）。辅助继电器除作中间继电器使用外，还可作移位寄存器。通常由同一单元的8位（或16位）辅助继电器组成一个移位寄存器。某单元一经选作移位寄存器，就不能再作它用。实际应用中，可以利用移位寄存器进行顺序控制。,各类等效继电器的功能和使用方法,9.2可编程序控制器的内部等效继电器电路,6.特殊的辅助继电器MF系列PLC有5个特殊辅助继电器，地址编号为70,71,72,76,77，其功能如下。1)M70：监测运行。PLC运行时，M70保持通电，触点闭合。其触点常接一指示灯，用来指示PLC是否还在运行。2)M71：产生初始化脉冲。M70接通后，在第一个扫描周期M71得电，产生一个输出脉冲，以后便失电。编程中，常用这个信号来给计数器或移位寄存器复位。3)M72：产生间隔l00ms的时钟脉冲，断、合时间均为50ms，运行后，其触点连续断合，提供周期l00ms的连续脉冲输出。4)M76：监测电池电压下降。当用于掉电保护的锂电池电压不足时，M76得电，相应的指示灯亮，告诉用户于一个月内更换锂电池，否则，市电停电时将造成RAM中的程序丢失。,各类等效继电器的功能和使用方法,9.2可编程序控制器的内部等效继电器电路,6.特殊的辅助继电器MF系列PLC有5个特殊辅助继电器，地址编号为70,71,72,76,77，其功能如下。5)M77：禁止全部输出。M77得电时，全部输出继电器Y的输出自动断开，但其他继电器、定时器、计数器仍继续工作。常用它作为设备的总停控制用。例如，可用急停按钮、安全开关等作为它的输人信号。除M77外，其他特殊继电器都不能通过编程使它们动作。,各类等效继电器的功能和使用方法,9.2可编程序控制器的内部等效继电器电路,定时器原理,计数器也可作定时器使用。图9.8所示是由计数器C461组成的60s定时器X402接通，周期100ms的时钟脉冲M72使计数器C461计数;当计数值达到设定值600（即0.1X600=60s）时，触点C461闭合，使Y531接通。,三菱FX2N系列可编程控制器,FX2N系列PLC是三菱公司的典型产品，按叠装式配置。由基本单元、扩展单元、扩展模块及特殊功能单元构成。基本单元包括CPU、存储器、输入输出口及电源。扩展单元是用于增加I/O点数的装置，内部设置有电源。扩展模块用于增加I/O点数及改变I/O比例，内部无电源，用电由基本单元或扩展单元供给。由于扩展单元及扩展模块无CPU，所以必须与基本单元一起使用。特殊功能单元，是一些专门用途的装置，如：模拟量控制模块、运动控制模块、通信模块等。,一、FX2N系列可编程控制器的基本组成,三菱FX2N系列可编程控制器,二、FX2N系列可编程控制器的型号名称体系及其种类,FX2N系列PLC的基本单元名称体系及其种类FX2N系列PLC的扩展单元名称体系及其种类FX2N系列PLC的扩展模块名称体系及其种类FX2N系列PLC的特殊功能模块,FX系列PLC的型号含义,三菱FX2N系列可编程控制器,存储容量这里说的存储容量指的是用户程序存储器的容量。输入/输出(I/O)点数I/O点数指PLC面板上的输入、输出端子的个数。扫描速度一般以扫描1K字所用的时间来衡量扫描速度。编程指令的种类和条数内部器件的种类和数量扩展能力智能单元的数量支持软件,三、FX2N系列可编程控制器的技术指标,FX2N系列可编程控制器软组件及功能,可编程控制器的程序，必须借助机内器件来表达，这就要求在可编程控制器内部设置具有各种各样功能的，能代表控制过程中各种事物的元器件，即编程元件。编程元件从物理实质上来说是电子电路及存储器。为了明确它们的物理属性，称它们为“软继电器”。编程元件具有线圈和常开常闭触点，而且触点的状态随着线圈的状态而变化，由于编程元件只不过是存储单元，可以无限次地访问，因此编程元件可以有无数多个常开、常闭触点。编程元件可以组合使用。为了区分元件功能，给元件编号，即存储单元的地址。,概述,FX2N系列可编程控制器软组件及功能,FX2N系列可编程控制器的编程元件有：输入继电器(X)输出继电器(Y)辅助继电器(M)定时器(T)计数器(C)状态(S)寄存器(D、V、Z)指针(P、I)元件序号：输入继电器、输出继电器的序号为八进制，其余器件的序号为十进制。,概述,例：X0X7，X10X17，Y0Y7，Y10Y17，M0M300，；M8002T0T199，C0C99，S0S9；S20S499；,FX2N系列可编程控制器软组件及功能,一、输入继电器(X)二、输出继电器(Y),FX2N系列可编程控制器软组件及功能,一、输入继电器(X)二、输出继电器(Y),FX2N系列可编程控制器软组件及功能,三、辅助继电器(M),普通型辅助继电器保持型辅助继电器特殊辅助继电器,FX2N系列可编程控制器软组件及功能,三、辅助继电器(M),特殊辅助继电器触点利用型例如：M8000、M8001：运行监视继电器M8002、M8003：初始脉冲继电器M8005：锂电池电压过低继电器M8011M8014：内部时钟脉冲线圈驱动型例如：M8034：全部输出禁止继电器M8040：禁止状态转移M8033：停止时保持输出继电器M8030：电池灭灯M8039：恒定扫描,FX2N系列可编程控制器软组件及功能,四、定时器(T),1.普通定时器100ms普通定时器T0T199，定时范围0.13276.7s10ms普通定时器T200T245，定时范围为0.01327.67s2.积算定时器1ms积算定时器T246T249，定时范围为0.00132.767s100ms积算定时器T250T255，定时范围为0.13276.7s,FX2N系列可编程控制器软组件及功能,四、定时器(T),100ms普通定时器的工作过程,梯形图,时序图,100ms普通定时器T0T199，定时范围0.13276.7s,FX2N系列可编程控制器软组件及功能,四、定时器(T),1ms积算定时器的工作过程,梯形图,时序图,1ms积算定时器T246T249，定时范围为0.00132.767s,FX2N系列可编程控制器软组件及功能,五、计数器(C),1.内部计数器16位增计数器设定值为132767，其中C0C99为通用型，C100C199为断电保持型。32位增/减计数器设定值为21474836482147483647,其中C200C219为通用型，C220C234为断电保持型。增/减计数方式由特殊辅助继电器M8200M8234设定。对应的特殊辅助继电器为ON时，为减计数。2.高速计数器C235C255单相单计数输入单相双计数输入双相双计数输入,FX2N系列可编程控制器软组件及功能,五、计数器(C),16位增计数器的工作过程,梯形图,时序图,16位增计数器设定值为132767，其中C0C99为通用型，C100C199为断电保持型。,FX2N系列可编程控制器软组件及功能,五、计数器(C),32位增/减计数器的工作过程,增/减计数方式由特殊辅助继电器M8205设定：M8205为OFF时，为增计数；M8205为ON时，为减计数。,9.2.2FX2N系列可编程控制器软组件及功能,五、计数器(C),四、定时器(T),可编程控制器的结构及软件,(一)可编