可编程控制器基础

1、可编程控制器基础第1页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二 教学内容： 3.1 PLC概述 3.2 PLC的组成 3.3 PLC的工作原理 3.4 PLC的硬件基础 3.5 PLC的软件基础 3.6 PLC的性能指标及分类 第3章 PLC基础 第2页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.1 PLC概述在PLC的发展历程中，有过几个不同的名称：可编程序顺序控制器PSC （Programmable Sequence Controller）可编程序逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）可编程序控制器PC（Programma

2、ble Controller）PLC的名称：第3页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.1.1 PLC的产生与发展PLC的产生1968年，美国通用汽车公司(GM公司)为了在每次汽车改型或改变工艺流程时不改动原有继电器柜内的接线，以便降低生产成本，缩短新产品的开发周期，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。第4页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.1.1 PLC的产生与发展 十条技术指标：（1）编程简单方便（2）硬件维护方便，采用模块式结构（3）可靠性高于继电接触器控制装置（4）体积小于继电器控制装置（5）具有数据通讯功能（6）

3、输入是AC 115V（7）输出能直接驱动AC 115 V、2 A以下容量的电磁阀等负载设备（8）存储设备可扩充至4K个存储字节（9）通用性强、扩展方便（10）成本上可与继电器控制装置竞争第5页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.1.1 PLC的产生与发展 美国数字设备公司（DEC）根据提出的10项指标，于1969年研制出第一台控制器，型号为PDP-14，它的开创性意义在于引入了程序控制功能，为计算机技术在工业控制领域的应用开辟了空间。 到上世纪70年代，PLC技术已经进入成熟期。推动PLC技术发展的动力主要来自于两个方面：其一是企业对高性能、高可靠性自动控制系统的客观需要

4、和追求；其次，大规模及超大规模集成电路技术的飞速发展，微处理器性能的不断提高，为PLC技术的发展奠定了基础并开拓了空间 。第6页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.1.1 PLC的产生与发展PLC的定义： 国际电工委员会（ IEC）于 1985年1月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

5、体，易于扩充功能的原则而设计”。第7页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.1.2 PLC的特点 PLC的产生是基于工业控制的需要，是面向工业控制领域的专用设备，它具有以下优点： 1、可靠性高，抗干扰能力强2、灵活性强，控制系统具有良好的柔性3、编程简单，使用方便4、控制系统易于实现，开发工作量小，周期短5、维修方便6、体积小，能耗低7、功能强，性能价格比高 第8页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.1.2 PLC的特点 PLC在互换性上存在的问题：1、各公司的PLC的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的：如专用总线、通信网络及协议，I/O模板等不通用，

6、甚至连机柜、电源模板亦各不相同。2、编程语言均有梯形图，但组态、寻址、语言结构却不一致，因此各公司的 PLC互不兼容。3、SIEMENS等公司已经开发出以个人计算机为基础，在Windows平台下，结合IEC11313国际标准的新一代开放体系结构的PLC，但还未获得广泛应用。第9页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.2 PLC的组成PLC的基本组成部件如下图所示：图3-1 PLC的基本组成第10页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二PLC的基本组成PLC第11页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.2.1 中央处理单元（CPU） 中央处

7、理单元是PLC的核心部件，负责完成逻辑运算、数字运算以及协调系统内各部分的工作。它在系统程序的管理下运行，主要功能有 ： 1、接受并存储用户程序和数据；2、诊断电源故障以及用户程序的语法错误；3、读取输入单元状态和数据并存储到相应的存储区；4、读取用户程序指令，解释执行用户程序，完成逻辑运算、数字运算、数据传递等任务，刷新输入和出映像区，并将输出映像区的内容送至输出单元。 第12页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.2.2 存储器单元 PLC的存储器单元分成两个部分： 1、系统程序存储器：用于存放PLC生产厂家编写的系统程序，系统程序在出厂时已经被固化在PROM 或 EP

8、ROM中。 2、用户程序存储器：可分为程序存储区和数据存储区，程序存储器用于存放用户编写的控制程序，数据存储区存放的是程序执行过程中所需要的或者所产生的中间数据。 第13页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.2.3 电源单元 电源单元将外界提供的电源转换成PLC的工作电源后，提供给PLC。有些电源单元也可以作为负载电源，通过PLC的I/O接口向负载提供直流24V电源。 电源单元还提供掉电保护电路和后备电池电源，以维持部分RAM存储器的内容在外界电源断电后不会丢失。在面板上通常有发光二极管（LED）指示电源的工作状态，便于判断电源工作是否正常。 第14页，共64页，2022

9、年，5月20日，7点11分，星期二3.2.4 输入输出单元 PLC的输入、输出单元也叫I/O单元，对于模块式的PLC来说，I/O单元以模块形式出现，所以又称为I/O模块。 I/O单元是PLC与工业现场的接口，现场信号与PLC之间的联系通过I/O单元实现。 工业现场的输入和输出信号包括数字量和模拟量两类，因此I/O单元也有数字I/O和模拟I/O两种，前者又称为DI/DO，后者又称为AI/AO。PLC的输入、输出单元还应包括一些功能模块，所谓功能模块就是一些智能化了的输入和输出模块。 第15页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.2.4 输入输出单元 （1）输入接口电路：采用光

10、电耦合器，防止强电干扰COM光电三极管发光二极管直流电源输入端子+PLCIn+24V发光二极管第16页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二继电器输出（2）输出接口电路：以继电器形式为例：PLC内部电路内部电路J+直流电源或交流电源QCOM-3.2.4 输入输出单元 第17页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.2.4 输入输出单元第18页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二PLCOutput第19页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.2.5 接口单元 接口单元包括扩展接口、通信接口、编程器接口和存储器接口及其它外部设

11、备接口等。 PLC的 I/O单元也属于接口单元的范畴，它完成PLC与工业现场之间电信号的往来联系。除此之外，PLC与其它外界设备和信号的联系都需要相应的接口单元 。 第20页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二各种接口、高功能模块：便于扩展 小型机：一体机。有接口可扩展3.2.5 接口单元 第21页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二Power in a Small Package!电源模块CPU模块IO模块底 板中、大型机：模块式。可根据需要在主板上随意组合。3.2.5 接口单元 第22页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.2.6 外

12、部设备 PLC的外部设备种类很多，可以概括为以下四类：1、编程设备：分手持式和智能式两种。 作用：编程、确定PLC的工作方式、用户程序调试和监控系统工作状态。 2、监控设备（又称人机界面）；动态实时显示现场数据。常用的有操作屏(如OP270)和触摸屏(如TP270) 3、存储设备；保存用户程序和数据，主要是存储卡。 4、输入输出设备。用于接受信号和输出信号的专用设备，如打印机等。 第23页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.3 PLC的工作原理 PLC是基于电子计算机的工业控制器，从PLC产生的背景来看，PLC系统与继电器控制系统有着极深的渊源，因此可以比照着继电器系统来

13、学习PLC的工作原理。 第24页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.3.1 PLC的等效电路 PLC的等效电路如下图所示：第25页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.3.2 PLC的工作过程 定期检查用户程序存储器、I/O单元的连接、I/O总线是否正常，定期复位监控定时器WDTPLC之间以及PLC与PC之间； PLC与其他带微处理器的智能装置通信编程器、终端设备、彩色图形显示器、打印机 以扫描的方式按顺序逐句扫描处理，运算结果存入输出映象区对应位中 扫描的方式输入信号的状态存入输入映象区；运算结果存入输出映象区，直至传送到外部被控设备。 清除内部继电

14、器区，复位定时器等，并进行自诊断，对电源、PLC内部电路、用户程序的语法进行检查。 第26页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.3.2 PLC的工作过程 PLC的工作过程 以循环扫描的方式进行，其运行周期可以划分为3个基本阶段：1、输入采样阶段：PLC逐个扫描每个输入端口，将所有输入设备的当前状态保存到相应的输入映像存储区中，直到下一次输入采样为止。2、程序执行阶段：在系统程序的指示下，CPU从用户程序存储区按照由上而下、先左后右的顺序逐条读取用户程序，经解释后执行相应动作，产生相应结果，刷新相应的输出映像寄存器，在此期间需要用到输入映像寄存器、输出映像寄存器的相应状态。

15、过程按图3-3说明。 3、输出刷新阶段：系统程序将输出映像寄存器中的内容传送到输出锁存器中，经输出接口和输出端子输出，驱动外部负载。输出锁存器的状态将保持到下一个输出刷新阶段，而输出映像寄存器中的内容却是动态变化的。返回第27页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.3.2 PLC的工作过程扫描PLC投入运行后，其CPU从输入采样、用户程序执行、输出刷新这一顺序过程称为扫描，完成一次扫描过程所需的时间称之为扫描周期。其过程见下图。输入用户第28页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.3.2 PLC的工作过程 输入采样阶段 依次读入所有信号的状态或数据，并存

16、入输入映象区中对应的单元。输入为脉冲信号时，一般要求脉冲周期及脉冲宽度应大于一个扫描周期。（为什么？）第29页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.3.2 PLC的工作过程2、用户程序执行阶段 从输入映像寄存器中取出信息 顺序从上而下，自左至右 输入映像寄存器的状态不会发生变化 其它软设备的状态随程序执行的先后发生变化，且立即被后面所执行的程序所用第30页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.3.2 PLC的工作过程 输出刷新阶段CPU将I/O映象区的输出状态 和数据送入输出锁存电路， 经输出接口驱动外设。同样 的若干条梯形图，由于排列 次序不同，在输出

17、刷新、执 行的结果也不相同 PLC的扫描过程还包括内 部处理、通信处理等。第31页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二PLC扫描过程时序图第32页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.3.2 PLC的工作过程小结：1、扫描周期计算不可能进行准确计算与PLC的扫描速度有关；与用户程序长短有关；与程序中的特殊功能指令有关； 扫描周期的长短直接影响I/O响应速度，定时器的定时精度，计数器的计数频率等技术指标。 2、PLC的工作方式是循环扫描，即程序是不停的执行。第33页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.3.2 PLC的工作过程3、输入/输

18、出的滞后现象(补充) 程序执行过程中输入/输出的滞后现象不仅与扫描方式有关，还与程序设计的安排有关 输入信号的变化只有在下一个扫描周期才能作出反映 程序执行过程中产生的输出不是立即去驱动负载 一般情况下工业设备开关量的变化周期为秒级以上，PLC的扫描周期（ms级），则输入/输出的滞后现象是允许的 快速系统采用快速响应模块、高速模快、中断等措施来解决。第34页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.3.2 PLC的工作过程 输入/输出的滞后的原因 1、硬件：输入电路滤波时间，它由RC滤波电路的时间常数决定。改变时间常数可调整输入延迟时间。输出电路的滞后时间，它与输出电路的输出方

19、式有关。继电器输出方式的滞后时间为10ms左右；双向晶闸管输出方式，在接通负载时滞后时间约为1ms，切断负载时滞后时间小于10ms；晶体管输出方式的滞后时间小于1ms。 2、软件：PLC循环扫描的工作方式PLC对输入采样、输出刷新的集中处理方式用户程序中语句的安排第35页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二CPU读输入输入/输出刷新时间最短响应时间=输入延迟时间+一个扫描周期+输出延迟时间输入输出延迟时间最短响应时间第36页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二CPU读输入输入/输出刷新时间最长响应时间=输入延迟时间+两个扫描时间+输出延迟时间输入输出延迟时间

20、最长响应时间第37页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.4 PLC的硬件基础 PLC主机（CPU）是PLC系统的核心。I/O单元是组成PLC系统的重要环节（本节以介绍I/O单元的硬件电路为主）PLC系统的硬件配置不同PLC在硬件的具体实现方案上总是有区别的，本节的任务是讨论一般性的原理。第38页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.4.1 PLC的I/O模块 PLC的输入 / 输出部分，可以分为数字I/O（DI/DO）和模拟I/O（AI/AO）两大类：一、数字量I/O1、数字量输入单元； 直流输入模块 DC24VDC24V第39页，共64页，2022年

21、，5月20日，7点11分，星期二3.4.1 PLC的I/O模块直流输入电路:电阻R2和电容C 的作用？双向光电耦合器 的作用？第40页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.4.1 PLC的I/O模块 交流输入模块第41页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二 交流输入电路：3.4.1 PLC的I/O模块 第42页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.4.1 PLC的I/O模块 2、数字量输出模块: 直流输出模块第43页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.4.1 PLC的I/O模块 直流输出电路：第44页，共64页，2

22、022年，5月20日，7点11分，星期二3.4.1 PLC的I/O模块 交流输出模块第45页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二交流输出电路3.4.1 PLC的I/O模块第46页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.4.1 PLC的I/O模块 交、直流输出模块（ 继电器输出方式）（EM222 8继电器）第47页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.4.1 PLC的I/O模块 继电器输出电路： 接有阻容熄弧电路 继电器的触点两端 接有金属氧化膜压 敏电阻 电阻R1和发光二极 管VL 输出状 态显示电路 输出电流大（可达 2A4A）， 第4

23、8页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二模拟量I/O（AI/AO）：1、模拟量输入单元3.4.1 PLC的I/O模块 核心第49页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.4.1 PLC的I/O模块 1）外部接线图：电压信号用两个端子（A+、A），电流信号用3个端子（RC，C+，C），其中RC与C+端子短接。未用的输入通道应短接（B+、B）。第50页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.4.1 PLC的I/O模块 2）模拟量输入模块的特性： EM231的电压输入范围：单极性010V，05V；双极性5V，2.5V 电流输入范围 ：020mA

24、模拟量到数字量的最大转换时间 ：250s 每个通道占用存储器AI区域2个字节。该模块模拟量的输入值为只读数据。 模拟量输入模块（EM231）的输入信号经模数（A/D）转换后的数字量数据值是12位二进制数。数据值的12位在CPU中存放格式如图所示。最高有效位是符号位：0表示正值数据，1表示负值数据。第51页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.4.1 PLC的I/O模块2、模拟量输出单元光电耦合器防止电磁干扰核心第52页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.4.1 PLC的I/O模块 1）外部接线图： 左端起的每3个点为一组， 共二组。每组可作为一路模 拟

25、量输出（电压或电流信号） 第一组V0端接电压负载 I0端接电流负载，M0为公 共端 第二组的接法与第一组类同 该模块需要直流24V供电第53页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.4.1 PLC的I/O模块2）模拟量输出模块的特性输出信号的范围：电压输出为10V，电流输出为0-20mA。电压输出的设置时间为100s，电流输出的设置时间为2ms。每个输出通道占用存储器AQ区域2个字节。用户程序无法读取模拟量输出值。PLC运算处理后的12位数字量信号（BIN数）在CPU中存放格式如图所示。最高有效位是符号位：0表示是正值，1表示是负值。第54页，共64页，2022年，5月20日

26、，7点11分，星期二3.4.1 PLC的I/O模块 电流输出数据格式 2个字节的存储单元的低3位均为0，数据值12位数据是存放在第314位区域。电流输出数据字格式为0+32000。第15位为0，表示是正值数据。 电压输出的数据格式 2个字节的存储单元的低4位均为0，数据值的12位是存放在第415位区域。电压输出数据格式为-32000 +32000第55页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.4.2 PLC的配置 系统配置原则： 站在硬件选型的角度，首先需要考虑的是设备容量与性能是否与任务相适应； PLC运行速度能够满足实时控制的要求。 所谓设备容量，主要是指系统I/O点数的

27、多少以及扩充的能力。对于纯开关量控制的应用系统，如果对控制速度的要求不高，比如单台机械的自动控制，可选用小型一体化PLC。 第56页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.5 PLC的软件基础 PLC的软件基础： 系统监控程序 用户应用程序 用户应用程序必须在系统监控程序的管理下才能运行。第57页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.5.1 系统监控程序 系统监控程序执行过程分为以下几部分：初始化程序；CPU自诊断； 通信信息处理；输入刷新；用户程序执行；输出刷新；外部设备服务。 第58页，共64页，2022年，5月20日，7点11分，星期二3.5.2 用户应用程序 用户程序-是由用户根据生产工艺过