工作原理介绍

1、第2章 PLC软硬件组成及工作原理,2.1 概述 2.2 PLC的硬件组成 2.3 PLC的软件系统 2.4 PLC的工作原理 2.5 PLC的主要指标 2.6 PLC的分类,2.1 概述,可编程序逻辑控制器简称为 PLC （ Programmable Logical Controller ），也常称为可编程序控制器即 PC(Programmable Controller) ，它是微机技术与继电接触器常规控制概念相结合的产物，即采用了微型计算机的基本结构和工作原理，融合了继电接触器控制的概念构成的一种新型电控器，它专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来存储执行逻辑运算、顺序控

2、制、定时、计数和算术运算等操作的指令，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。,在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是以继电器控制占主导地位的。对生产工艺多变的系统适应性差，一旦生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构。,20世纪60年代，美国的汽车生产技术相对成熟，汽车制造业竞争激烈，导致汽车产品不断更新，生产线也随之频繁改变。而当时的自动控制装置是继电接触器控制系统，要改变工艺十分困难，这不仅阻碍了产品更新换代周期，而且可靠性不高。,1968年美国通用汽车公司提出的替代继电器控制系统的新型控制器的十项指标（GM十条）：,1） 编程简单、现场可 修改

3、程序； 2）维护方便、采用插 件式结构； 3）可靠性高于继电器 控制系统； 4）体积小于继电器控 制系统； 5）数据可以直接送入 计算机；,6）成本可与继电器系 统竞争； 7）输入可为市电； 8）输出可为市电，能 直接驱动电磁阀、交 流接触器等； 9）通用性强、易于扩 展； 10）用户存储器大于 4K。,1969年美国数字设备公司(DEC公司)研制出了第一台可编程控制器PDP-14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功并取得了满意的效果，可编程控制器自此诞生。,美国从 1971 年开始输出这种技术， 1973 年以后，西德、日本、英国、法国相继开发了各自的 PLC ，并广泛应用。廿余年来， P

4、LC 的发展迅猛异常，它的应用领域可谓是各行各业。 PLC 的出现和发展，是工业控制技术上的一个飞跃。 PLC 在我国机械、冶金、化工、轻工的大多数工业部门已开始得到广泛应用。 PLC 的应用在工业界产生了巨大的影响。,PLC的产生和发展,PLC的产生和发展,PLC的发展经历了五个重要时期 ： （1）从产生到20世纪70年代初期。CPU由中小规模数字集成电路组成，存储器为磁芯存储器，控制功能比较简单。 （2）20世纪70年代末期。采用CPU微处理器，存储器采用半导体存储器，体积减小，数据处理能力有很大提高。 （3）20世纪70年代末到80年代中期。PLC开始采用8位和16位微处理器，使数据处理

5、能力和速度大大提高。 （4）20世纪80年代中期到90年代中期。超大规模集成电路促使PLC完全计算机化，CPU已经开始采用32位微处理器。 （5）20世纪90年代中期至今。PLC使用16位和32位微处理器，出现了智能化模块，可以实现对各种复杂系统的控制。,PLC的产生和发展,PLC经过30多年的发展，现已形成了完整的产品系列，其功能与昔日的初级产品不可同日而语，强大的软、硬件功能已接近或达到计算机功能。 PLC自问世以来，经过几十年的发展，PLC的功能越来越强大，应用范围也越来越广泛，其足迹已遍及国民经济的各个领域，但PLC的主要应用领域是自动化。不同的企业对自动化程度的要求都不相同。不仅需要

6、发展适合于大、中型企业的高水准的PLC网络系统，而且也要发展适合小型企业性能价格比高的小型PLC控制系统。所以 PLC控制系统将朝着两个方向发展：一是向小型化、微型化方向发展。作为控制系统的关键设备，PLC将朝着体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的方向发展。二是向大型化、网络化、多功能方向发展。,1 通用性强： 由于采用了微型计算机的基本结构和工作原理，而且接口电路考虑了工业控制的要求，输出接口能力强，因而对不同的控制对象，可以采用相同的硬件，只需编制不同的软件，就可实现不同的控制。 2 接线简单： 只要将用于控制的接线、限位开关和光电开关等接入控制器的输入端，将被控制的电磁铁、电磁阀、接

7、触器和继电器等功率输出元件的线圈接至控制器的输出端，就完成了全部的接线任务。 3 编程容易： 一般使用与继电接触器控制电路原理图相似的梯形图或用面向工业控制的简单指令形式编程。因而编程语言形象直观，容易掌握，具有一定的电工和工艺知识的人员可在短时间学会并应用自如。 4 抗干扰能力强、可靠性高： PLC 的输入输出采取了隔离措施，并应用大规模集成电路，故它能适应各种恶劣的环境，能直接安装在机器设备上运行。 5 容量大，体积小，重量轻，功耗少，成本低，维修方便： 例如一台具有 128 个输入输出点的小型 PLC ，其尺寸为 216 127 110mm 3 ，重约 2.3Kg ，空载功耗为 1.2W

8、 ，它可以完成相当于 400 800 个继电器组成的系统的控制功能，而其成本仅相当于相同功能继电器系统的（ 10 20 ）； PLC 一般采用模块结构，又具有自诊断功能，判断故障迅速方便，维修时只需更换插入式模块，因而维修十分方便。,1. 按结构形式分类, 可分为整体式和模块式两类。,( 1 ) 整体式 PLC ： 将电源、 CPU 、存储器及 I/O 等各个功能集成在一个机壳内。其特点是结构紧凑、体积小、价格低，小型 PLC 多采用这种结构，如三菱 FX 系列的 PLC 。整体式 PLC 一般配有许多专用的特殊功能模块，如模拟量 I/O 模块、通信模块等。,( 2 ) 模块式 PLC ： 将

9、电源模块、 CPU 模块、 I/O 模块作为单独的模块安装在同一底板或框架上的 PLC 是模块式 PLC 。其特点是配置灵活、装配维护方便，大、中型 PLC 多采用这种结构，例如西门子 S7-300 系列的 PLC 。,2. 按 I/O 点数和存储容量分类, 大型 PLC ： I/O 点数在 2048 点以上，存储器容量 8K 以上。, 小型 PLC ： I/O 点数在 256 点以下，存储器容量 2K ；, 中型 PLC ： I/O 点数在 256 2048 点之间，存储器容量 2K 8K;,随着微电子技术的快速发展， PLC 的制造成本不断下降，而功能却不断增强。目前在先进工业国家 PLC

10、 已成为工业控制中的标准设备，应用的领域已覆盖整个工业企业。概括起来主要应用在以下几个方面：,1. 开关量逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域 2运动控制 PLC可用于直线运动或圆周运动的控制 3闭环过程控制 PLC通过模拟量模块实现模拟量与数字量的A/D、D/A转换，能够实现对模拟量的控制 4数据处理 现代的PLC具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算），数据传递、排序和查表、位操作等功能；可以完成数据的采集、分析和处理，可以与存储器中存储的参考数据相比较，也可以传送给其它智能装置或传送给打印机打印制表 5联网通信 PLC的通讯包括PLC与PLC之间、PLC与上位计算机之间和

11、其它的智能设备之间的通讯,当今世界上 PLC 生产厂家按地域可分为 三大流派：美国、欧洲和日本。,美国和欧洲以大中型 PLC 而闻名，但产品的差异性很大，这是由于它们是在相互隔离的情况下独立开发出来的；日本以小型 PLC 著称，它的技术是从美国引进的，因此对美国的产品有一定的继承性。,美国是 PLC 生产大国，有 100 多家 PLC 厂商，著名的有 A-B 公司、通用电气（ GE ）公司、莫迪康（ MODICON ）公司、德州仪器（ TI ）公司、西屋电气公司等。,欧洲著名的 PLC 生产厂商有德国的西门子（ SIEMENS ）公司、 AEG 公司，法国的 TE 公司等。,日本有许多 PLC

12、 制造商，如：三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等。,我国的 PLC 生产厂家规模一般不大，主要有无锡华光电子工业有限公司、上海香岛机电制造有限公司、杭州机床电器厂、天津中环自动化仪表公司等。,2.2 PLC的硬件组成,PLC 生产厂家很多，产品的结构也各不相同，但其基本构成是一样的，都采用计算机结构，如下图所示，都以微处理器为核心，通过硬件和软件的共同作用来实现其功能。 PLC 主要有六部分组成： CPU( 中央处理器 ) 、存储器、输入 / 输出（ I/O ）接口电路、电源、外设接口、输入 / 输出（ I/O ）扩展接口。,整体式,组合式,PLC的基本分类,小型机常采用整体式,中、大型机

13、常采用组合式,整体式 PLC的基本组成框图,组合式 PLC的基本组成框图, 输入并存储用户程序、显示输入内容和地址；,CPU指挥PLC完成各种预定的功能, 检查、校验用户程序，发现错误即报警；, 执行用户程序、驱动外部输出设备动作；, 诊断故障、记忆故障信息并报警。,2.2.1 CPU单元,2.2.1 CPU单元,1.中央处理单元（CPU）： (1)从程序存储器读取程序指令，编译、执行指令 (2)将各种输入信号取入 (3) 把运算结果送到输出端 (4) 响应各种外部设备的请求,PLC中所采用的CPU通常有三种 ： （1）通用处理器：8086、80286、80386 （2）单片机芯片：8031、

14、8096 （3）位片式微处理器：AMD-2900 小型PLC多采用8位微处理器或单片机作为CPU 中型PLC多采用16位微处理器或单片机作为CPU 大型PLC多采用高速位片式微处理器,系统程序存储器 存储系统系统程序,用户程序存储器 存储系统用户程序,工作数据存储器 存储工作数据,2.2.2 存储器,RAM：存储各种暂存数据、中间结果、用户正调 试的程序。 ROM：存放监控程序和用户已调试好的程序。,2.2.3 I/O单元,PLC与外部设备联系的桥梁,开关量输入单元,开关量输出单元,2.2.3 I/O单元,输入、输出接口：采用光电隔离，实现了PLC的内部电路与外部电路的电气隔离，减小了电磁干扰

15、。,输出接口作用：将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。,输出接口电路按照 PLC 的类型不同一般分为继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型 3 类以满足各种用户的需要。其中继电器输出型为有触点的输出方式，可用于直流或低频交流负载；晶体管输出型和晶闸管输出型都是无触点输出方式，前者适用于高速、小功率直流负载，后者适用于高速、大功率交流负载。,输入接口作用：将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。,2.2.3 I/O单元,（1）输入接口电路：采用光电耦合器，防止强电干扰。,COM,光电三

16、极管,发光二极管,直流电源,输入端子,PLC,发光二极管,2.2.3 I/O单元,光电耦合,外部开关,输入点的状态显示,输入点,公共端,直流输入电路,2.2.3 I/O单元,交流输入电路,光电耦合,输入点的状态显示,外部开关,输入点,2.2.3 I/O单元,继电器输出,（2）输出接口电路：,以继电器形式为例：,PLC,+,交流电源或直流电源,2.2.3 I/O单元,晶体管输出电路,光电耦合,输出点的状态显示,公共端,输出点,2.2.3 I/O单元,晶闸管输出电路,光电耦合,输出点的状态显示,公共端,输出点,2.2.3 I/O单元,继电器输出电路,输出点的状态显示,继电器,机械触点,公共端,输出

17、点,2.2.4 电源单元,PLC 一般采用 AC220V 电源，经整流、滤波、稳压后可变换成供 PLC 的 CPU 、存储器等电路工作所需的直流电压，有的 PLC 也采用 DC24V 电源供电。为保证 PLC 工作可靠，大都采用开关型稳压电源。有的 PLC 还向外部提供 24V 直流电源。,小型机：一体机。有接口可扩展。,2.2.4 电源单元,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。,2.2.5 外部设备,PLC的外部设备主要有： 编程设备 触摸屏 操作面板 文本显示器 打印机 等,外部设备接口

18、是在主机外壳上与外部设备配接的插座，通过电缆线可配接编程器、计算机、打印机、 EPROM 写入器、触摸屏等。,2.2.6 I/O扩展接口,I/O 扩展接口是用来扩展输入、输出点数的。当用户输入、输出点数超过主机的范围时，可通过 I/O 扩展接口与 I/O 扩展单元相接，以扩充 I/O 点数。 A/D 和 D/A 单元以及链接单元一般也通过该接口与主机连接。,2.3 PLC的软件系统,系统程序 系统程序是由PLC的制造者采用汇编语言编写的，固化于ROM型系统程序存储器中，用于控制PLC本身的运行，用户不能更改。 系统程序分为： 1.系统管理程序 2.用户指令解释程序 3.标准程序模块和系统调用程

19、序,2.3 PLC的软件系统,用户程序 用户程序又称为应用程序，是用户为完成某一控制任务而利用PLC的编程语言编制的程序。用户程序是线性地存储在系统程序制定的存储区内。 1用户环境 用户环境是由系统程序生成的，它包括用户数据结构、用户元件区、用户程序存储区、用户参数、文件存储区等。 2用户程序结构 用户程序结构大致可以分为三种： （1）线性程序（2）分块程序（3）结构化程序 3用户程序语言 PLC的编程语言有多种，其中梯形图、语句表、功能块图是三种基本语言。,PLC的循环扫描工作过程,接线程序控制与存储程序控制,输入/输出滞后响应,2.4 PLC的工作原理,继电接触器控制系统，又称为接线程序控

20、制系统，是通过电器元器件的固定接线来实现控制逻辑，完成控制任务的。,在PLC控制系统中，用户根据控制要求编制出相应的控制程序，并写入PLC的程序存储器中。系统运行时，PLC将程序执行结果输出给相应的输出设备，控制被控对象工作。 这种控制称为存储程序控制。,PLC 的工作方式为循环扫描方式，其工作过程大致分为 3 个阶段： 输入采样、程序执行和输出刷新 。,循环扫描工作流程,PLC,接通电源,初始化,硬件检查,正常？,异常报警,异常处理,扫描周期监视,执行用户程序,程序结束？,扫描周期检查,有固定设置？,等待,扫描周期计算,I/O刷新,外设端口服务,异常,(1) PLC扫描工作各环节的功能, P

21、LC上电后，首先检查硬件是否正常。, 按自上而下的顺序，逐条读用户程序并执行。,对输入的数据进行处理， 将结果存入元件映象寄存器。, 计算扫描周期。,若正常，则进行下一步；若不正常，则报警并作处理。,母线, I/O刷新阶段。, 外设端口服务。,读输入点的状态并写入输入映像寄存器。,将元件映像寄存器的状态经输出锁存器、输出电路送到输出点。,访问外设端口连接的外部设备。,读,读,读,写,写,执行用户程序,(2) PLC执行用户程序的过程,(3) PLC控制的原理,等效电路图,SB1,公共端,公共端,输出端子,输入端子,主电路,线圈通电,SB1闭合,00000 闭合,接点闭合,触点闭合,电动机转,触

22、点闭合,线圈断电,00001 断开,接点断开,触点断开,电动停转,触点断开,SB2闭合,(4) PLC执行用户程序的特点, 按梯形图自左向右、自上而下逐次执行程序, 执行程序时所需数据取自于：,输入映像寄存器,元件映像寄存器, 输入映像寄存器和元件映像寄存器中的数据,元件映像寄存器：在一个扫描周期中可读可写,输入映像寄存器：在一个扫描周期中保持不变, 每个扫描周期I/O刷新阶段集中读入/读出数据,从 PLC 工作过程的分析中可知，由于 PLC 采用循环扫描的工作方式，而且对输入和输出信号只在每个扫描周期的 I/O 刷新阶段集中输入并集中输出，所以必然会产生输出信号相对输入信号的滞后现象。,响应

23、时间或滞后时间： 即从 PLC 的输入端有一个输入信号发生变化到 PLC 的输出端对该输入信号的变化做出反应需要一段时间。,滞后时间是设计 PLC 控制系统时应了解的一个重要参数。,滞后时间的长短与以下因素有关：, 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。, PLC循环扫描的工作方式, 用户程序中语句的安排, PLC对输入采样、输出刷新的集中处理方式, 输出电路的滞后时间，它与输出电路的输出方式有关。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1

24、ms。,CPU读输入,输入输出延迟时间最短响应时间,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,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,输入输出延迟时间最长响应时间,I/O响应时间的估算,以20点的继电器输出型CPM1A为例。,设输入ON延时为8毫秒 公共处理和I/O刷新时间为2毫秒 执行用户程序时间为14毫秒 输出ON延时为15毫秒,输入状态经过一个扫描周期后在输出得到响应 最小I/O响应时间,输入状态经过两个扫描周期后在输出得到响应 最大I/O响应时间,最小I/O响应时间的计算,最小I/O响应时间 = 输入ON延时 + （公共处理 + I/O刷新时间） + 执行程序时间 + 输出ON延时 = 8 + 2 + 14 + 15 = 39 ms,输入触点,输入滤波,输出锁存,输出触点,输入ON延时,输出ON延时,I/O响应时间,输入ON延时,