LC基本原理和应用

1、LC基本原理和应用PLC原理与应用 第5讲 讲解内容：3 可编程序控制器基础3.3 I/O接口电路和功能3.4 PLC的工作方式 学习说明 ：本讲是学习PLC控制器的基础知识。重点掌握：1 输入接口电路：有直流输入、交流输入、直接输入接口电路。2 输出接口电路：直流输出接口电路、交流输出接口电路、交直流输出接口电路。（晶体管输出、可控硅输出、继电器输出方式） 3 外部输入器件 ：电气开关器件 、电子开关器件和其他类开关器件 。4 外部输出执行器件 5 PLC的工作方式：工作方式 、工作过程 、扫描周期时间 、PLC的扫描周期阶段 、优缺点 。 LC基本原理和应用3.3 PLC的输入输出接口电路

2、和常用外部器件 可编程序控制器用于控制的I/O接口电路都经过了专门设计，有很强的抗干扰能力，使PLC可以直接用于条件恶劣的工业环境。开关量的输入输出接口电路是PLC的基本接口电路。 LC基本原理和应用3.3.1 输入接口电路 PLC的输入接口电路分类：有直流输入、交流输入、直接输入三种情况。输入接口电路的功能：是把外部开关量的状态（例如按钮、拨动开关触点的接通状态或开断状态，晶体管开关的导通状态或截止状态）转换为PLC内部存储单元的“1”或“0”状态。输入接口电路的结构：为实现这种转换，外部每个开关都要连入一个单独的回路中，这个回路上的元器件主要是：电源、开关、光电耦合器件的输入端，还有限流、

3、滤波器件等。电源和开关在PLC外部，其他在PLC内部。 LC基本原理和应用3.3.1 输入接口电路输入接口电路的连接：内外电路通过输入端子排连接。外部电源和开关串联：开关的一端接在一般称为输入点的端子上，电源另一端接在COM端子上。内部的光电耦合器件的输入端和限流电阻等串联后也连在这两个端子上。光电耦合器件的输出端通过内部电路连接输入状态暂存器。光电耦合器件：也称光耦合器或光隔离器，简称光耦，是半导体器件。功能：实现电信号在电路之间传递，又能保证两部分电路之间是电气隔离的。即传递信号、抑制干扰、进行电平转换。 LC基本原理和应用3.3.1 输入接口电路一、直流输入接口电路 说明把外部开关量的状

4、态转换为PLC内部“1”、“0”状态的过程。 图中只画出一个点的内部接口，外部电源是直流24V电源。 LC基本原理和应用3.3.1 输入接口电路工作作用：外部电路中的一个按钮或开关闭合时，二极管都要导通发光使光耦合元件的输出端的晶体光敏三极管导通，就把该外部开关闭合的信号传递到内部电路，使输入状态暂存器对应位存“1”。当外部电路中按钮或开关断开时，接口电路不通，发光二极管不发光，则把该外部开关断开的信号也传递到内部电路，使输入状态暂存器对应位存“0”。 LC基本原理和应用3.3.1 输入接口电路二、交流输入接口电路其外部电源是交流电源，电压为交流110V或220V（50或60Hz）。交流输入接

5、口电路在外部输入开关器件需接交流电源时使用。工作：同样的，当外部电路中的按钮或开关闭合时，交流电压加在输入端与公共端之间，使光耦元件工作，开关闭合的信号送到PLC内部，使输入状态暂存器对应位存“1”。三、直接输入接口电路有的PLC已经把24V电源事先串接在PLC的内部接口电路线上，在外部看不见电源，外部接线时只需要把开关或按钮直接接在输入点和COM端上就可以了，这叫做直接输入。 LC基本原理和应用3.3.1 输入接口电路输入开关及接法：接在输入点上的外部开关器件，我们称为输入开关。接法：输入接口所需的直流24V电压，PLC内部24V电源可以向外部提供。直流输入时,开关两端一端接PLC端子排的输

6、入点，另一端接24V电源的一个电极，24V直流电源的另一个电极接COM端。有的PLC需考虑24V电源的电极极性,有的不需要考虑。使用PLC内部电源时，要注意电源的容量。比如，MASTER-K30机最大负载能力为300mA。注意：110或220V的交流电源需要外部提供。输入电路的内部回路要对输入信号进行滤波、放大。滤波的目的是为了消除高频干扰，但是加滤波电路也使输入信号的传输产生延迟，延迟时间一般为81Oms。有的PLC带有高速响应输入点，信号传送延迟较短，只有02ms。有的PLC的输入点的滤波延迟时间可以事先根据需要设定,为用户在各种情况下的使用提供了方便。经过滤波放大的信号存放在输入暂存器中

7、。LC基本原理和应用3.3.2 输出接口电路 开关量输出接口电路分类：按照负载使用的电源的情况：可分为直流输出接口电路、交流输出接口电路、交直流输出接口电路。按接口电路内输出开关器件的种类：可分为晶体管输出、可控硅输出、继电器输出三种输出方式。注意：晶体管输出方式只能带直流负载，属于直流输出电路；可控硅输出方式只能带交流负载，属于交流输出电路；继电器输出方式即可带直流负载，又可带交流负载，属于交直流输出电路。 LC基本原理和应用3.3.2 输出接口电路 工作作用：经PLC控制程序运行，可得到相应的控制信号，这些控制信号用来控制接在PLC输出端的外部设备。一个开关量控制信号有“0”、“1”两种状

8、态，它们存储在被称为“输出继电器”的一位存储器中。输出接口电路的作用就是把内部“输出继电器”的“1”,“0”信号转变为外部输出电路（连接被控外部设备的电路）的接通和开断。首先“输出继电器”中的“0”、“1”值被传送到输出状态锁存器的相应位中，再传送到连接光电耦合器输入端的线路中，光电耦合器的输出端控制一个开关元件（称输出开关元件），这个开关元件与外部设备及所需电源串联成一个回路。若开关元件的开关闭合，则外部设备接通；若开关元件的开关断开，则外部设备不被接通。这样，实现了对外部设备的开关量控制。LC基本原理和应用3.3.2 输出接口电路1继电器（RY）输出方式(交直流输出) LC基本原理和应用3

9、.3.2 输出接口电路1继电器（RY）输出方式(交直流输出)外部电源：可以是交流电源也可以是直流电源。工作：若“输出继电器”中的信号为“1”，送到输出状态锁存器中的“1”信号经驱动放大后，再经光电耦合元件传到作为输出开关的继电器的线圈，使继电器线圈得电，而使继电器的常开触点在电磁力的作用下接通。继电器常开触点接通,也就接通了连接外部设备的电路，使外部设备得电工作。若“输出继电器”中的信号为“0”，则继电器线圈不会得电，或断电，继电器常开触点不能接通，或断开，使外部设备不得电，或断电。特点：继电器输出方式抗干扰能力强，负载能力大，可接交流负载和直流负载，适应面广，工作可靠。但是这种输出方式的缺点

10、是，信号响应速度相对较慢，转换频率低；还因为继电器是有触点开关，触点分断时可能产生电弧，给控制器增加干扰。注意：图中只画出一个输出点的接口电路，浪涌电流吸收器的作用：是防干扰的。继电器输出方式可带较低速大功率交、直流负载。 LC基本原理和应用3.3.2 输出接口电路2交流固体继电器（SSR）输出方式（交流输出） LC基本原理和应用3.3.2 输出接口电路2交流固体继电器（SSR）输出方式（交流输出）结构：SSR（Solid State Relay）指固体继电器，是采用固体半导体元件组装而成的无触点开关。SSR为四端有源器件，其中两个输入控制端，两个输出端，输出开关元件为双向可控硅或反并联的两个

11、单向可控硅，输入输出间为光隔离。SSR输入端加上一定值的直流电流信号后，输出端就能从断态转变成通态。PLC交流输出时，采用固体继电器作输出开关元件。外部电源必须是交流电源。固体继电器输出方式，又可称为可控硅输出方式。工作：当“输出继电器”中的信号为“1”时，输出状态锁存器里的“1”信号经过光电耦合器件后去触发双向可控硅，使可控硅导通，由于是双向可控硅，既可正向导通，又可反向导通，可通交流电。它导通就使交流负载电路（外部设备）导通，控制负载完成应做的工作。特点：可控硅输出方式的优点是控制电路简单，没有反向耐压问题，特别适于作交流开关。它的信号响应速度比继电器快，但比不上晶体管输出方式，负载能力也

12、居中。内部有浪涌电流吸收器，可用来限制可控硅两端的电压幅度。对负载电路，双向可控硅是无触点开关。可控硅输出方式可带高速大功率交流负载。 LC基本原理和应用3.3.2 输出接口电路3晶体管(TR)输出方式（直流输出） LC基本原理和应用3.3.2 输出接口电路3晶体管(TR)输出方式（直流输出） 晶体管输出方式采用功率晶体管作PLC的输出开关元件。外部电源必须是直流电源。工作：功率晶体管是无触点开关元件。当“输出继电器”中的信号为“1”时，送到PLC输出状态锁存器中的“1”信号经光电耦合器件后使晶体管导通，使接在输出点上的负载（外部设备）得电工作。特点：晶体管输出方式，输出响应速度快，但负载能力

13、小，只能做直流输出，可带高速小功率直流负载。注意：输出接口电路中的光电耦合器件的作用和输入接口电路中的一样，起信号耦合、电隔离、电平匹配、抗干扰的作用。接在输出点上的PLC内部的开关器件，我们称为输出开关。 LC基本原理和应用3.3.3 相关事项 1输入输出接口电路都有状态指示灯，当开关（外部输入开关、内部输出开关）闭合时，对应点的指示灯亮；否则灯不亮。2开关量I/O接口电路的外部接线方式有两种。一种方式称为汇点式接线，八个（或四个）输入开关各自的一端分别接八个（或4个）输入点，各自的另一端都接在一个公共端点上，和一个电源构成八个回路（或四个回路）。一般把公共端点称为COM点。输出负载也有类似

14、的接法。另一种方式称为分隔式接线，每个I/O点都存在两个独立的连接点和一个电源，独立构成回路。这样可实现每个I/O间的电隔离。3有的PLC的一个端子排上既可安装输入点，也可安装输出点，而且点的位置可由使用者自由安置，给外部接线带来极大的方便。4模块式结构的PLC的输入模块和输出模块实际上是专门的输入接口电路和输出接口电路。 LC基本原理和应用3.3.4 I/O接口的性能指标 1额定电压输入接口的输入电压额定值和输出接口的输出电压的额定工作范围。一般输入额定电压：DC 24V （也有 DC 12V、DC 5V），AC 110V 或AC220V ；输出额定电压：继电器输出 最大AC 260V ，可

15、控硅输出 AC 85264V ，晶体管输出 DC 24V 或DC 12V 或DC 5V。2ON保证电压输入开关ON(接通)的最低保证电压，也就是保证输入的开关量为逻辑1时对应的输入电压最低值。DC 19V（额定电压DC 24V），AC 80V（额定电压AC 110V）或AC 160V（额定电压AC 220V）。3OFF保证电压输入开关OFF(断开)的最高保证电压，也就是保证输入的开关量为逻辑0时对应的输入电压最高值。DC 6V（额定电压DC 24V），AC 30V（额定电压AC 110V）或AC 50V（额定电压AC 220V）。4输入电流输入接口为额定电压时，每点输入的电流值。710 mA点

16、。5最大输出电流输出接口每点允许输出的最大电流值。例如，继电器输出 2A/点 5A/8点，可控硅输出1A/点 3A/8点，晶体管输出 1A/点 3A/8点（DC 24V）。 LC基本原理和应用3.3.4 I/O接口的性能指标6OFFON响应时间输入电路的外部开关由OFF变为ON后到PLC内部的输入状态表由0变为1所需的时间，称为OFFON响应时间。因为输入接口电路要对输入信号进行滤波放大。滤波的目的是消除高频干扰，这带来信号传输的延迟，响应时间一般为8l0ms，也有快的12ms。有的机型，响应时间可以通过软件设定。从PLC内部的输出状态表由0变为1到外部输出电路由OFF到ON所需的时间，也称为

17、OFFON响应时间，因为输出接口电路是把输出锁存器的信号进行功率放大，以带动执行部件工作，这个过程也使信号传输延迟。7ONOFF响应时间意义同OFFON响应时间，只不过这里的信号是ONOFF。8OFF时漏电流如果输出方式为可控硅输出或晶体管输出，当输出开关OFF时，仍有一定的电流流出，这个电流的最大值称为OFF时漏电流。 LC基本原理和应用3.3.5 外部输入器件 1电气开关器件（1）手动开关：这是由操作者发出控制信号的电气开关，主要是各类按钮和开关。（2）自动开关控制或保护用的各类检测装置的开关，常见的有行程开关、继电器触点等。行程开关是依据生产机械运动部件的行程或位置而动作的开关电器，利用

18、它可以检测运动部件的位置，并给出一个动作的信号。继电器有中间继电器、时间继电器、热继电器、电压继电器、电流继电器、压力继电器、速度继电器等，它们是各类非电量或电量的检测装置，并把这些电量或非电量值转换为开关（继电器触点）的接通或开断。接触器的辅助触点也可作为PLC的外部输入开关。特点：这些电气开关都是有触点元件。其优点是触点容量大，动作直观，价格便宜；缺点是动作频率低，可靠性差。2电子开关器件和其他类开关器件它们包括半导体时间继电器、干簧继电器、光控开关、光电晶体管开关、晶体管接近开关、霍尔效应接近开关等。 LC基本原理和应用3.3.6 外部输出执行器件 1接触器接触器是利用电磁吸力的作用使触

19、头导通或关断大电流电路的开关电器。PLC的输出点与接触器的线圈相连，接触器的触点连接在主电路中，例如电动机回路中。2电动机包括交流异步电动机、直流电动机、控制电机等。多数情况是通过接触器与电动机相连。3电磁阀电磁阀是指在气体或液体流动的管路中受电磁力控制开闭管路的阀体，它是工业自动化的一种重要元件。PLC的输出点与电磁阀的线圈相连。4电热器件、照明器件、显示器件等。 LC基本原理和应用3.4 PLC的工作方式3.4.1 PLC的周期循环扫描工作方式 工作方式：计算机的CPU是按分时操作原理工作的，CPU一个时刻执行一个操作，不能同时执行多个操作。CPU对各个操作一个一个地按规定好的顺序执行，这

20、称为扫描工作方式。PLC主要按扫描方式进行工作，而且是周期循环扫描工作方式。工作过程：PLC的中央处理器CPU与各外部设备之间的信息交换、用户程序的执行、输入信号的采集、控制量的输出等操作都是按固定的顺序进行的，而且是执行一遍后再执行下一遍，以循环扫描方式进行。扫描周期时间：在正常状态下，从某一操作点开始，按顺序扫描各个操作流程，再返回到这一操作点的整个过程称为扫描周期，所用时间称为扫描周期时间。PLC的扫描周期阶段：一般包括系统自检、外部设备服务、通信服务、输入采样、程序执行、输出刷新等六个阶段。 LC基本原理和应用图3-4-1 PLC周期扫描流程框图LC基本原理和应用PLC的扫描周期阶段（

21、六个）：1系统自检阶段PLC的CPU要对系统的有关硬件进行自检。这类工作中的一部分，上电启动后只进行一次，不进入扫描周期；有的部分要周期循环的进行，归入扫描周期内，作为系统自检阶段。这阶段的工作还包括对运行监控定时器WDT（Watch Dog Timer）的检查和复位。WDT监控定时器的功能是，通过时间设定来检测整个扫描周期是否有故障。工作：由系统或用户对WDT定时器设定一个时间，这个时间与扫描周期时间相对应，略大于扫描周期时间，这个时间称为设定值；WDT定时器还有一个记录当前值的寄存器，在PLC运行的整个过程中，WDT定时器当前值与设定值不断的进行比较。若WDT定时器当前值小于设定值，则说明

22、运行正常。再对WDT定时器复位，当前值寄存器归零，开始下一周期的计时。若由于某些原因，PLC发生了故障，例如程序进入死循环，执行程序时间必然超时，这样，在WDT当前值比设定值小时，扫描循环周期不会进入系统自检阶段，而最终会出现WDT定时器当前值大于设定值的情况，此时WDT发出警告，再配合其他检测信息，系统判断故障性质，若属偶然因素所至，系统能够自动清除，则复位WDT定时器，循环扫描重新开始；否则，WDT定时器发出故障信号，系统将自动停止执行用户程序，封锁硬件，切断输出，以保障设备和人身安全，并对外发出报警信号，等待处理。LC基本原理和应用PLC的扫描周期阶段：2外设服务阶段在PLC RUN（运

23、行）时，可能通过编程器或专用监控器或微机对运行状态进行监视，甚至强迫改变某些存储器的值，或输出某些数据。这就要求PLC与外部设备（编程器、监控器、微机、外部存储器、打印机等）进行信息交换，这就是外设服务。外设服务的时间和次序是确定的，也在周期扫描时间内。3通信服务阶段当PLC不是单机控制而是形成控制网络时，PLC与PLC 之间，PLC与上位机之间要进行信息和数据交换，也就是通过通信处理器（通信接口）进行通信联系。这个时间也是固定在周期扫描时间内。在通信服务时间，PLC发出的信息和数据送到通信处理器，并从通信处理器中读取所需数据和信息。当数据交换完成或者通信服务时间到，服务就结束。PLC运行不需

24、要通讯时，通信服务时间就是零。LC基本原理和应用PLC的扫描周期阶段：4输入采样阶段输入映像存储器中，一位（二进制）存储单元存储一个外部输入开关的状态，通，存“1”；断，存“0”。这里，一个二进制一位存储单元被称为一个“输入继电器”。全部“输入继电器”（或说整个输入映像存储器），可以称为输入状态表，因为它记录了所有的外部输入开关的状态。在输入采样阶段，PLC把输入状态暂存器中全部的数据，即外部输入开关的状态，不管有没有改变，都同时地（也可以说，一次性集中地），按外部点地址与内部位的对应关系，读入到内存中的输入映像存储器中，也就是在各输入继电器中存起来。这称为输入采样，也称为输入刷新，刷新输入状

25、态表。输入状态表上所有的值在两次输入采样之间都不改变，不管对应输入点上的开关状态发生变化还是没有发生变化。5程序执行阶段这个阶段执行用户程序。从0000步程序开始，按顺序、按要求一条指令一条指令地执行，直到“END”指令出现，程序执行阶段结束。LC基本原理和应用PLC的扫描周期阶段：6输出刷新阶段在程序执行过程中，通过输出指令写到“输出继电器”中的“0”、“1”是控制输出接口中的输出开关的，进而控制外部输出器件的通电或断电。“输出继电器”的全体称为输出映像存储器，一个“输出继电器”占据输出映像存储器的一位。输出映像存储器又可看作为输出状态表。在程序执行阶段，执行一次对“输出继电器”的输出指令，

26、就立即把得到的0、1数据写到输出映像存储器的对应位中，执行几次，写几次。也就是说，可以随时地即时刷新输出状态表。但是不能即时刷新输出状态锁存器，即输出状态锁存器的各位不能随时被改写。输出状态锁存器的各位是在输出刷新阶段被统一集中刷新。在这个阶段，CPU把内存中输出映像存储器，也就是输出状态表的内容一一对应地同时转存到输出接口电路的输出状态锁存器中，再经过光耦驱动，刷新输出开关，再使PLC输出口的执行器件的工作状态被刷新，实现PLC的控制目的。LC基本原理和应用PLC的程序执行和I/O处理过程框图 说明：以上在一个扫描周期中的六个阶段依次地循环地被CPU扫描，直到断电停机。我们把CPU这种周而复

27、始地对各设备、各阶段依次定时操作的原理和过程称为可编程序控制器的周期扫描机制。 LC基本原理和应用PLC的扫描工作过程总结 整个过程包括内部处理：系统自检和外部设备服务、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理六个阶段 整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期 扫描周期与CPU运行速度、PLC硬件配置及用户程序长短有关。 典型值为1100msLC基本原理和应用3.4.2 PLC的周期循环扫描时间的计算公式 3.4.3 PLC的周期循环扫描机制的优缺点3.4.4 PLC的中断工作方式 周期扫描时间=用户程序执行时间+I/O刷新时间+系统自诊断时间+外设、通讯服务时间举例说明PLC的周期循环扫描机

28、制的优缺点（下页）PLC的中断工作方式 ：PLC在某些对响应时间要求高的重要场合，也可以采取中断方式工作，有外部中断和定时器中断，有专门的中断初始化指令、中断子程序入口指令、中断返回指令。注意：中断时，就不遵守I/O集中统一刷新的规定，但没有中断时，依然按周期扫描方式工作。注意：不是所有类型的PLC都有中断和中断指令。 LC基本原理和应用举例说明PLC的周期循环扫描机制的优缺点【例3-4-1】见图3-4-3。这是一个非常简单的PLC程序，外部输入开关P001通过P00l存储器控制辅助继电器M001线圈，M001线圈通过M001的触点控制输出继电器P020、P021的线圈，P020、P021输出继电器控制输出开关P020、P021，再控制接在P020、P021点上的外部执行器件的通电、断电。假设P001开关在第一个扫描周期输入刷新阶段后闭合。我们列表分析一下什么时候P020、P021输出开关跟着闭合。表3-4-1中：表示输入采样阶段；表示程序执行阶段，表示输出刷新阶段。 LC基本原理和应用举例说明PLC的周期循环扫描机制的优缺点图3-4-3 例3-4-1的程序执行和I/O处理过程示意图 LC基本原理和应用举例说明PLC的周期循环扫描机制的优缺点元件、存储器扫描周期一扫描周期二扫描周期三外部P00