第一节 可编程控制器基本工作原理

1、第一节 可编程控制器基本工作原理教学目的与要求：掌握三种逻辑关系；熟悉可编程控制器的控制原理；了解PC的工作方式。重点及难点：重点：可编程控制器的控制原理难点： PC的工作方式概念：是一种数字运算操作的电子系统，专为工业 环境下应用而设计。可编程控制器：它采用了可编程序的存储器，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指令，并通过数字式和模拟式的输出和输入，控制各种类型机械的生产过程。可编程控制器与继电器控制电路相比具有以下特点：1、可靠性高，抗告饶性能强； PC的供电电源及输入线路采用了多种形式滤波，内部主要核心部件采用直流5V电源供电，并有电压调整电路，保证供电

2、电压的稳定。 PC中的主要部件，还采用了导电、导磁性能良好的材料进行屏蔽；PC的主电路与外接电路采用光电隔离措施，有效防止了外界干扰引起的误动作。2、控制程序使用方便，功能完善。 可编程控制器的编程方式采用了类似继电器控制电路的“梯形图”，程序简单、直观，与计算机相比，编程方便，易于接收。 PC在使用过程中，当生产工艺改变或生产线设备更新需要改变控制过程时，只要按新的控制要求改变程序，不必更换PC即可满足要求。 可编程控制器除能完成继电器逻辑控制功能外，还能进行算术运算、定时、计算、通讯、人机对话、自检、记录等功能，使控制系统更加完善。 PC具有结构紧凑、坚固耐用、体积小巧等特点，容易装入机械

3、设备内部，实现所谓“机电一体化”产品。PC与计算机联网，可构成集中管理的自动化控制系统。第一节 可编程控制器基本工作原理一、可编程控制器的控制原理继电器控制电路输入控制输出由按钮开关、行程开关灯主令电器组成，其作用是用于发出控制指令。由中间继电器、时间继电器及各种接点等元件组成，其作用是实现生产工艺要求的控制过程。由接触器、电磁铁，信号灯等执行电器组成，其作用是用于控制电器的工作状态。由于继电器的输入输出之间满足一定的因果关系，故称为继电器逻辑电路。下面讲几种常用的逻辑关系：“与”逻辑如图4-1a所示的继电器控制电路，当X1、X2都闭合后，继电器Y才动作。其逻辑表达式为：“或”逻辑如图4-1b

4、所示，当接点X1或X2有一个闭合时，继电器Y就动作。其逻辑关系为：“非”逻辑如图4-1c所示，继电器Y0的两个输出接点Y01、Y02互为相反状态，导致继电器1Y、2Y为不同的输出状态，故接点Y01与Y02之间和继电器1Y与2Y之间的关系成为“非”逻辑关系，其表达式为：21XXY21YYY0201YYYY21 X1X2YX1X2YX1Y0Y02Y012Y1Y可编程控制器利用了这三种逻辑运算，以实现对生产机械的控制。下面讲述可编程控制器的控制原理：可编程控制器用于收集和保存被控制设备实际运行过程中的数据和信息，如被控设备的各种开关信息和操作指令。利用各种逻辑运算，按生产工艺要求处理输入部分所采集的

5、各种信息，并将处理结果传送到输出部分。将逻辑部分的运算结果，通过输出电路去控制接触器、电磁铁等执行元件，以实现对生产过程的控制。输入部分逻辑部分输出部分可编程控制器和继电器控制系统的优缺点：1、继电器控制系统是由各种继电器硬件及其触点和线路安某种方式固定连接在一起的线路，所以，它不能灵活变更逻辑控制功能。2、可编程控制器是通过特定的逻辑符号和语句，按生产工艺不同的要求，编制不同的程序，可灵活实现不同的控制功能。可编程控制器一般为使用提供以下几种继电器：1、输入继电器；2、输出继电器；3、内部继电器。梯形图：SB1SB2SB2K22K11K22K12KM1KM2K1K1K1X2Y1Y2X1SBX

6、0Y2Y2Y1Y11K1梯形图：SB1SB2SB2K22K11K22K12KM1KM2K1K1K1SBX4021K1M100M101Y431X403Y431M101T451Y432X2Y2X1X0Y1Y1Y1X0X1X2SB1SB2SBDCDCACY2Y21KM2KM输入继电器PC输出接点可编程控制器的控制原理示意图可编程控制器的工作原理：1、可编程控制器的组成：外存接口其他接口编程器扩张单元中央处理器CPU程序系统存储器用户存储器输入接口光电耦合输出接口继店器晶体管 输出晶闸管A/D、D/A计算机其他设备各类存储器 可编程控制器硬件系统的基本结构框图如图4-4所示。PC的主机由微处理器(CP

7、U)、存储器、输入/输出模块、外设I/O接口、通信接口及电源组成。下面分别介绍PC各组成部分及其作用，以便进一步了解PC的控制原理和工作过程。1）中央处理器(CPU) 中央处理器又称微处理器，简称CPU，它是PC的核心。 CPU的作用作用是按照生产厂家预先编制的系统程序接收并存储编程器输入的用户程序和数据，采用扫描工作方式接收现场输入信号，从存储器逐条读取并执行用户程序，根据运算结果实现输出控制。2）存储器存储器：用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其 它信息。 PC使用的存储器有只读存储器ROM、读写存储器RAM和用户固化程序存储器E2PROM。ROM存放PC制造厂家编写的系统程序，具有开

8、机自检、工作方式选择、信息传递和对用户程序的解释翻译功能。ROM存放的信息是永远留驻的。 若PC失电，RAM存放的内容会丢失。如果有些内容失电后不容许丢失，可以把它放在断电保持的RAM存储单元中。这些存储单元接上备用锂电池供电，具有断电保持能力。如果用户经调试后的程序要长期使用，可以通过PC将程序写入带有E2PROM芯片的存储卡中，从而长期保存。 RAM一般存放用户程序和逻辑变量。用户程序在设计和调试过程中要不断进行读写操作。读出时，RAM中内容保持不变。写入时，新写入的信息将覆盖原来的信息。3）输入）输入/输出接口（输出接口（I/O） 输入部分的输入部分的作用是把从输入设备来的输入信号送到可

9、编程序控制器。输入设备一般包括各类控制开关(如按钮、行程开关、热继电器触点等)和传感器(如各类数字式或模拟式传感器)等，这些量通过输入接口电路的输入端子与PC的微处理器CPU相连。 数字量（开关量）输入单元分为直流输入和交流输入两种类型，常用的输入电路有干接点式、直流输入式和交流输入式三种输入输出接口都采用光电隔离电路。输入/输出接口有数字量（开关量）输入/输出单元，模拟量输入/输出单元。 数字量（开关量）输出单元又分为继电器输出、晶体管输继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出出和晶闸管输出三种形式。继电器输出可接交流负载或直流负载，晶体管输出只能接直流负载，晶闸管输出只能接交流负载，输出负载必须

10、外接电源。4）编程器编程器用于程序的编制、调试、检查和监视，并可通过键盘调用和显示PC内部的各种状态及系统参数；还可通过接口电路实现人机对话。5）扩展单元当可编程控制器承担较大的空置量时，可接入扩展单元，以扩充输入、输出端口。扩展单元内部没有CPU及存储器，所以不能单独使用。6）外部设备 PC的外围设备有手打印机、盒式录音机、持编程器、便携式图形编程器及通过专用编程软件实现图形编程的个人计算机。这些外围设备都通过专用的接口与PC主机相连。使控制系统功能更加完善。 综上所述，PC由以上几部分组成，相当于一台工业用微机。它通过外围设备可以进行主机与生产机械之间、主机与人之间的信息交换，实现对工业生

11、产过程以及对某些工艺参数的自动控制。 PC是依靠执行用户程序来实现控制要求的。我们把使PC进行逻辑运算、数据处理、输入和输出步骤的助记符称为指令，把实现某一控制要求的指令的集合称为程程序序。PC在执行程序时，首先逐条执行程序命令，把输入端的状态值(接通为1，断开为0)存放于输入映象寄存器映象寄存器中，在执行程序过程中把每次运行结果的状态存放于输出映象寄存器中。 图1为 图内部处理通信处理输入扫描执行用户程序输出处理RUN 方式 ？否是开 始原理流程图 循环扫描 PC采用循环扫描工作方式，这个工作过程一般包括五个阶段：内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理，其工作过程如

12、图1所示。 当PC方式开关置于RUN（运行）时，执行所有阶段；当方式开关置于STOP（停止）时，不执行后3个阶段，此时可进行通信处理，如对PC联机或离线编程。 PC执行的五个阶段，称为一个扫描周期，PC完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。图1 PC执行程序是以循环扫描方式进行的。每一扫描过程主要分为三个阶段：。1.输入采样阶段 在每一个扫描周期开始时，PC顺序读取全部输入端信号，把输入端的通断状态存放于输入映象寄存器中。 2. 程序执行阶段 PC按梯形图从左向右、从上向下逐条对指令进行扫描，并从输入映象寄存器和内部元件读入其状态，进行逻辑运算。运算的结果送人输出映象寄存器中

13、。每个输出映象寄存器的内容将随着程序扫描过程而作相应变化。但在此阶段中，如输入端子状态发生改变，输入映象寄存器的状态也不会改变(它的新状态会在下一次扫描中才被读入)。 按钮接触器按钮输入电路输入映象寄存器输出映象寄存器输出电路（ ）程序执行执行阶段图 当第二阶段完成之后，输出映象寄存器中各输出点的通断状态将通过输出部分送到输出锁存器，去驱动输出继电器线圈，执行相应的输出动作。 3.输出刷新阶段 完成上述过程所需的时间称为PC的扫描周期。PC在完成一个扫描周期后，又返回去进行下一个扫描，读入下一周期的输入点状态，再进行运算、输出。 PC扫描周期的长短，取决于PC执行一个指令所需的时间和有多少条指令。如果执行每条指令所需的时间是1us，程序有800条指令，则这一扫描周期的时