第6章可编程控制器PLC结构及工作原理1.ppt

1、,机床电气控制 第六章 河南理工大学机械与动力工程学院,6.1 概述 6.2 FX2N系列PLC指令系统及其编程方法 6.3 PLC编程软件与应用 6.4 PLC控制系统设计,第六章 可编程控制器（PLC）及其应用,6.1 概述,可编程序控制器（ Programmble Controller）简称PC或PLC （Programmable Logic Controller) 是一种工业控制装置 PLC是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为 以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。 它是由分立元件和小规模集成电路组成，其中采用了计算机

2、技术，指令系统，具有执行逻辑判断、计时、计数等逻辑控制功能，是为取代继电器接触器控制系统而设计的，这种新型工业控制器被称为可编程逻辑控制器,6.1.1 PLC的产生与发展, 区别于一般微机控制系统 区别于传统控制装置 PLC是基于电子计算机且适用于工业现场工作的控制装置。它源于继电控制装置，但它不像继电装置那样通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于内存中的程序进行入出信息变换，实现控制。 PLC并不等同于普通计算机。普遍计算机进行入出信息变换只考虑信息本身，信息的入出只要人机界面好就可以了。而PLC则还要考虑信息入出的可靠性、实时性以及信息的使用等问题，特别要考虑怎么适应于工业环境，如

3、便于安装、抗干扰等问题。 总之，PLC是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入、输出接口，并且具有较强的驱动能力。但PLC产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时其硬件需根据交际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。 近年来，可编程控制器发展很快，几乎每年都推出不少新系列产品，其功能已远远超出了定义的范围。, 世界上第一台PLC 1969年由美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司（GM）的要求研制成功 背景： 1968年美国通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业

4、控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。,1. PLC的产生,设计思想：吸取继电器和计算机两者的优点 继电器控制系统体积大、可靠性低、接线复杂、不易更改、查找和排除故障困难，对生产工艺变化的适应性差，但简单易懂、价格便宜； 计算机功能强大、灵活（可编程）、通用性好，但编程困难； 采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。（梯形图）,1. PLC的产生,70年代初期： 仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Contr

5、oller）。第1台PLC在汽车工业控制领域成功应用后，许多公司纷纷投入大量人力物力研制PLC。1969年，美国哥德公司(GOULD)首先把PLC商品化；1971年，日本从美国引进了这项新技术，研制出日本的第1台PLC；l973年，西德和法国也研制出自己的可编程控制器并在工业领域开始应用。德国西门子公司(SIEMENS)研制出欧洲第1台PLC；1974年，我国开始研制PLC，1977年开始工业应用。 70年代中期： 微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能 20世纪80年代到90年代：随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展

6、，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC开始向大规模、高速度、高性能和网络化方向发展，形成了多种系列化产品，结构紧凑、功能强大、性能价格比高的新一代产品和多种不同性能的分布式网络系统相继出现。形成了面向工程技术人员、易为工程技术人员掌握的图形语言。随着PLC的更新换代，其处理器的处理速度不断加快，功能不断增多，现已具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、闭环控制、数据采集和处理功能、联网通信功能，是名副其实的多功能控制器。,2. PLC的发展,近年来PLC发展迅速 PLC集三电（电控、电仪、电传）为一体、性能价格比高、高可靠性的特点，已成为自动化工程的核心设备。 PLC成为具备计

7、算机功能的一种通用工业控制装置，其使用量高居首位。目前，PLC在国内外已广泛应用于采矿、钢铁、电力、石化、机械制造、汽车装配、轻纺等行业，被公认为现代工业自动化三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。,2. PLC的发展,我国PLC发展情况 在70年代末和80年代初，我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外的PLC。 我国不少科研单位和工厂在研制和生产PLC，如辽宁无线电二厂、无锡华光电子公司、上海香岛电机制造公司、厦门A-B公司等。 在传统设备改造和新设备设计中，PLC的应用逐年增多，取得良好效果。PLC在我国的应用越来越广泛。,2. PLC的发展,我国PLC发展情况 目前，国内P

8、LC生产厂家有30余家，并有迹象显示，更多的来自于原PLC应用的技术人员准备加入到小型PLC开发的行列。但在目前上市的众多PLC产品中，还没有形成规模化的生产和名牌产品。 从技术角度来看，国内外的小型PLC差距正在缩小。如无锡信捷、兰州全志等公司生产的微型PLC已经比较成熟，有些国产PLC（如和利时、科迪纳）已经拥有符合IEC标准的编程软件、支持了现场总线技术等。 面对国际厂商数十年的规模化生产和市场管理经验，国内厂商更多地只停留在小批量生产和维系生存的起步阶段，离真正批量生产、市场化经营乃至创建品牌还有很长的路要走。与此同时，国产PLC的低价优势也正在受到新的挑战。,2. PLC的发展,PL

9、C三大流派 自从第一台PLC出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制PLC，并得到了迅速的发展。各国PLC都有自己的特色。 欧洲：西门子（Siemens）； 法国的TE（Telemecanique） 美国：A-B（Allen-Bradly）、GE（General Electric） 日本：三菱电机（Mitsubishi Electric）、 欧姆龙（OMRON）、 FUJI （日本主要发展中小型PLC，其小型机性能先进，结构紧凑，价格便宜） 目前国内市场还有韩国、台湾等PLC产品,2. PLC的发展,传送带生产线控制,灌装及包装机械,木材加工,电梯控制,空调控制,纺织机械,印刷机械,PLC的

10、应用,控制功能,逻辑控制 定时控制 计数控制 顺序控制,PLC的功能,数据采集、存储与处理功能,数学运算功能 数据处理 模拟数据处理,PLC的功能,输入/输出接口调理功能,具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节。位数和精度可以根据用户要求选择。具有温度测量接口，直接连接各种热电阻或热电偶。,PLC的功能,PLC的特点,PLC技术之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要外，主要是因为它具有许多独特的优点。它较好地解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。, 可靠性高、抗干扰能力强, 编程简单、使用方便, 功能完善、通用性强,体积小、重量轻、能耗低,

11、可靠性高、抗干扰能力强,可靠性高、抗干扰能力强是PLC最重要的特点之一。PLC的平均无故障时间可达几十万个小时 。 硬件方面：I/O接口采用采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源的影响；对供电电源及线路采用多种形式的滤波，从而消除或抑制了高频干扰；对CPU等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰；对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等。 软件方面：采用扫描工作方式，减少了外界的干扰；设有故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；当由干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作

12、。,PLC的特点,编程简单、使用方便,PLC是面向工矿企业的工控设备，接口容易。PLC程序编制大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，与实际继电器控制电路非常接近。对使用者来说，梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。而采用功能块图、指令表和顺序功能表图(SFC)语言为PLC编程，也不需要太多的计算机编程知识。利用PLC配套的综合软件工具包，可在任何兼容的个人计算机上实现离线编程。,PLC的特点,6.1.2 PLC组成和分类, PLC的基本组成与一般的微机系统类似： 是一种以微处理器为核心的、用于控制的特殊计算机 PLC的基本组成包括硬

13、件与软件两部分 PLC的硬件：中央处理器（CPU）、存储器、输入接口、输出接口、通信接口、电源等 PLC的软件：系统程序和用户程序,一、PLC硬件系统组成与分类,微处理器（CPU） 接收并存储用户程序和数据； 诊断电源、PLC工作状态及编程的语法错误； 接收输入信号，送入数据寄存器并保存； 运行时顺序读取、解释、执行用户程序，完成用户 程序的各种操作； 将用户程序的执行结果送至输出端。,一、PLC硬件系统组成与分类, PLC中常采用的CPU有三类： 1) 通用微处理器（如Z80、8086、80286等） 2) 单片微处理器（如8031、8096等） 3) 位片式微处理器 (如AM2900AM2

14、901AM2903等) 小型PLC：大多采用8位通用微处理器和单片微处理器， 中型PLC：大多采用16位通用微处理器或单片微处理器 大型PLC：大多采用高速位片式微处理器（32位） 小型PLC为单CPU系统，中、大型PLC则大多为双CPU或多CPU系统。对于双CPU系统，一般一个为字处理器，一般采用8位、16位或32位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。,中央处理器（CPU）,存储器,存储器：PLC中的存储器有2种，即只读存储器（也称为系统程序存储器）ROM、PROM、EPROM或EEPROM和可读/写存储器（也称为随机存储器或用户存储器）RAM。 PLC生产厂家编写的系

15、统程序（主要包括自诊断程序和监控程序）固化在只读存储器中，用户不能更改。用户程序存放在随机存储器RAM中。用户程序是使用者根据PLC应用系统的控制要求编写的符合PLC语法规则的一组控制程序。用于存放系统程序、用户程序及运算数据的单元。,分类： （1）随机存储器RAM。用户可以通过编程装置读出RAM中的内容，也可将信息写入RAM中，因此称为可读写存储器。RAM的工作速度高，价格便宜，读写方便，但RAM是易失性存储器，电源断开后，它内部存储的信息会丢失。为避免数据丢失，可设置系统在PLC的外部电源断开时，用锂电池或大电容器保存RAM中的信息。锂电池可用25年，需要更换锂电池时，由PLC发出信号通知

16、用户。现在多数PLC已不用锂电池来完成掉电保持功能了。,存储器,（2）光擦除可编程只读存储器FPROM。用户可以使用紫外光擦除EPROM中的信息，可以在25V直流电压下通过专用写入器把信息写入EPROM中，也可以通过编程装置读出EPROM中的信息。正常使用时，EPROM写入脚悬空或接5V直流电压。窗口盖上不透光的薄箔，内部的信息可以长期保存。EPROM是非易失性存储器，在电源中断后，它内部存储的信息仍能保存。EPROM一般用来存放完善的程序和系统程序，不适宜多次反复擦写。 （3）电擦除可编程只读存储器EEPROM。用户可以使用电信号擦除EEPROM中的情息，可以使用电信号把信息写入EEPROM

17、中，写入速度比EPROM快，且不需要使用专用写入器，也可以通过编程装置读出EPROM中的信息。EEPROM是非易失性存储器，在电源中断后，它内部存储的信息仍能保存。EEPROM兼有EPROM的非易失性和RAM的随机存取性，但是信息写入速度比RAM慢得多，保存信息的可靠性比EPROM差。EEPROM一般用来存放用户程序和需要长期保存的重要数据。,存储器,系统程序: 系统程序是完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用、管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能。 系统程序由PLC的制造厂家编写的，在PLC使用过程中不会变动，它和PLC的硬件组成有关，它关系到PLC的性能。 系统程序 由制造厂家直接固化

18、在只读存储器ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。,存储器, 用户程序: 用户程序是用户根据控制对象生产工艺及控制的要求而编制的应用程序。它是由PLC控制对象的要求而定的。 为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在EPROM中。 现在有许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。,存储器,PLC中的输入/输出接口及作用,输入/输出接口通常也称I / O 单元或I / O 模块，是PLC与工业生产现场之间的连接通道。 PLC输入

19、接口-包括输入部件和输入接口电路。输入部件用于检测生产过程中的各种开关量、数字量或模拟量等，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他传感器的输出信号。输入接口电路用于现场输入信号与CPU之间的连接和信号转换。般是通过光电隔离和滤波把PLC和外部电路隔开，以提高PLC的抗干扰能力。 PLC输出接口-包括输出部件和输出接口电路。输出部件用于控制或驱动负载，如继电器线圈、接触器线圈、电磁阀线圈、信号指示灯等。输出接口电路用于CPU与现场输出部件之间的连接和信号转换。输出信号包括开关量和模拟量2种，故输出接口电路也分为开关量和模拟量2种。, I / O 接口的作用： 电平转换功能：由于外部输入

20、设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信号是标准电平信号。 光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力 通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护 I / O 接口的类型： 开关量输入/输出接口 模拟量输入/输出接口,PLC中的输入/输出接口及作用,常用开关量输入接口： PLC的输入信号可为直流信号或交流信号，故数字量输入接口电路分为直流输入型和交流输入型2种。, 开关量输入/输出接口,图6.12 PLC输入接口,a)为直流输入型数字量输入接口电路，图中COM是输入信号的公共点。输入信号经电阻R1、R2分压后与光电耦合器输入匹配。现场开关闭合(ON)时，光电耦合器

21、中的光电二极管有电流而发光，光敏三极管由截止进入饱和导通状态，当PLC系统程序扫描检测到该信号后获得输入为“1”的信号。由图a) 可知，按钮开关S接通时，光电耦合器导通，同时装在PLC面板上的输入指示灯(发光二极管)点亮，说明该输入端有信号输入，为用户监视和维护系统运行提供了方便。其中直流电源可由外部供给，也可为PLC内部提供。,交流开关量信号的输入接口电路如图2 b) 所示，其中的交流电源由外部供给。其工作原理与直流输入电路基本相同，只是采用R、C电路实现光耦合器的输入匹配。,PLC中的输入/输出接口及作用,PLC的输出信号可以是直流信号或交流信号，数字量输出接口电路分为继电器输出型、晶体管

22、输出型和晶闸管输出型3种。每种输出接口电路都采用电气隔离，输出部件的工作电源由外部提供。,图6.1.3 PLC输出接口电路,常用开关量输出接口：,a) 是继电器输出电路。继电器既起信号隔离作用，又起功率放大作用，用于控制或驱动交/直流负载。当CPU有输出时，接通输出电路中继电器的线圈，继电器的触点闭合，通过该触点控制外部负载电路的接通。与触点并联的RC电路用来消除触点断开时产生的电弧。特点是响应速度最慢，输出部件工作电压在250V以下，电流为每点2A。,b) 是晶体管输出电路。一般用于控制或驱动直流负载。输出信号经内部电路送至光耦合器，再由光耦合器送至晶体管，晶体管的饱和导通和截止状态相当于触

23、点的接通和断开。图中的稳压管用来抑制、关断过电压和外部的浪涌电压，以保护晶体管。特点是响应速度最快，输出部件工作电压在48V以下，电流为每点0.75A。,c) 是晶闸管输出电路。一般用于控制或驱动交流负载。图中的RC电路用来抑制关断时的过电压和外部的浪涌电压，以保护晶闸管。响应速度界于前二者之间，输出部件工作电压在250V以下，电流为每点1A。,PLC中的输入/输出接口及作用, 模拟量输入/输出接口 模拟量输入接口（A/D接口） 把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合PLC内部处理的有若干位二进制数字表示的信号标准的模拟量信号： 电流信号：420mA 电压信号：110V 模拟量输出接口（D/

24、A接口） 将PLC运算处理的若干位数字量信号转换为相应的模拟量信号输出，以满足生产过程现场连续控制的要求信号 智能输入输出接口：自带CPU，由专门的处理能力，与主CPU配合共同完成控制任务，可减轻主CPU工作负担，又可提高系统的工作效率,PLC中的输入/输出接口及作用, 输入/输出（I/O）点数： PLC的I / O点数是指PLC的I/O接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数的总和。 I/O点数是选择PLC的重要依据之一 当I/O点数不够时，可通过PLC的I/O扩展接口对系统进行扩展,PLC中的输入/输出接口及作用,PLC中的通信接口及作用,PLC配有各种通信接口与外部设备连接 与打印机连接

25、，可将过程信息、系统参数等输出打印 与监视器连接，可将控制过程图像显示出来 与 P L C 连接，组成多机系统或连网，实现更大规模控制 与计算机连接，组成多级分布控制系统，与管理相结合 与人机界面（触摸屏）连接 与智能接口模块连接。智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口 ，PLC的智能接口模块种类很多，如：高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。 与编程器连接,PLC中的扩展接口及作用,扩展接口（是用于连接护展单元的接口）。 当PLC基本单元I/O点数不能满足要求时，可通过扩展接口连接扩展单元以增加系统的I/O点数,

26、系统背版总线,导轨（机架）,S7-300模块,通信与扩展接口的连接实例,电源,PLC的电源是将交流电源经整流、滤波、稳压后变换成供CPU、存储器等工作所需的直流电压。PLC的电源一般采用开关型稳压电源，其特点是输入电压范围宽，体积小，重量轻，效率高，抗干扰性能力强。PLC的外部工作电源一般为单相工频85-260V的交流电源，也有采用24-26V直流电源的。外部工作电源为单相交流电源的PLC，其内部开关电源为PLC的CPU、存储器等电路提供5V、12V、24V等直流电源，使PLC能正常工作。 电源部分所处的位置各不相同，对于整体式结构的PLC，通常电源封装到机壳内部；对于模块式PLC，有的采用单

27、独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。,PLC编程器及作用,编程器的作用：是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC的设备。 简易编程器 专用编程器 编程器 智能编程器 通用编程系统：PC上配专用编程软件包,编程器是PLC的一个附件，通过接口与PLC的CPU联系，完成人机对话。用于向PLC的用户存储器写入或读出用户程序，也可以对用户程序进行修改或编辑。,二、PLC工作原理 扫描工作方式,PLC的工作原理既不同于通用计算机，也不同于继电器控制系统，图为PLC系统的基本工作原理。PLC与继电器接触器控制电路一样，具有输入

28、电路、控制环节、输出电路3部分，但PLC的控制环节是由CPU、存储器及存储的用户程序实现的。,PLC系统工作原理, 当PLC运行时，需要进行众多的操作 PLC的CPU不可能同时去执行多个操作， 每一刻只能执行一个操作 。 解决的办法：采用分时操作原理 由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时完成的。 这种需要处理多个作业时依次按顺序处理的工作方式即分时操作的方法称为扫描工作方式,二、PLC工作原理 扫描工作方式, 例如：用户程序的执行（用户程序的扫描工作过程） 扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行执行程序，直到

29、程序结束。然后再从头开始扫描执行，并周而复始地重复进行。,二、PLC工作原理 扫描工作方式,PLC的扫描工作过程,检查CPU等内部硬件，对监视定时器（WDT）复位以及其它工作,与其它智能装置（如编程器、计算机等）实现通信,按顺序对所有输入端的状态进行采样，并存入相应寄存器,对用户程序扫描执行 ，并将结果存入相应的寄存器,将寄存器中与输出有关状态，转到输出锁存器，输出驱动外部负载,图6 PLC工作流程图,二、PLC工作原理 扫描工作方式, 整个过程包括内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理五个阶段, 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

30、及用户程序长短有关。,二、PLC工作原理 扫描工作方式,PLC工作原理PLC的扫描过程,图7 PLC的扫描过程,在运行状态下，PLC的工作流程主要包括内部处理、通信处理、输入采样、程序执行、输出刷新5个阶段，其扫描过程如图7所示。,二、PLC工作原理 扫描工作方式,二、PLC工作原理 扫描工作方式,PLC扫描工作方式的特点, 集中采样： 在一个扫描周期中，对输入状态的采样只在输入处理阶段进行。当PLC进入程序处理阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入处理阶段才对输入状态进行重新采样。,集中输出： 在用户程序中如果对输出结果多次赋值，则最后一次有效。在一个扫描周期内，只在输出处理阶段才将

31、输出状态从输出映象寄存器中输出，对输出接口进行刷新。在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。,集中采样、集中输出的优点, 提高了抗干扰能力，增强了系统可靠性 PLC工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。, 降低了系统的响应速度,PLC输入输出响应滞后：当PLC输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间。对一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。 注意：这种响应滞后不仅是由于PLC扫描工作方式造成，更主要是PLC输入接口滤波环节带来的输入延迟和输出接口中驱动器件动作时间带来输出延迟，还与程序设计有关。,集中

32、采样、集中输出的特点, 对于小型PLC: I/O点数较少、用户程序较短 一般采用集中采样、集中输出的工作方式, 而对于大中型PLC: I/O点数较多，控制功能强，用户程序较长，为提高系统响应速度，采用定期采样、定期输出方式或中断输入、输出方式以及采用智能I/O接口等多种方式,PLC扫描工作方式的特点,PLC一般可从其I/O点数、结构形式和功能三方面进行分类：,P LC的分类及特点,PLC的分类,（1）根据PLC的I/O点数，PLC分为小型、中型和大型三类。,1）小型PLC I/O点数为128点以下的为小型PLC （其中I/O点数小于64点的为超小型或微型PLC）,2）中型PLC I/O点数为1

33、28点以上、512点以下的为中型PLC,3）大型PLC I/O点数为512以上的为大型PLC （其中I/O点数超过8192点的为超大型PLC）,这个分类界限不是固定不变的，它随PLC的发展而变化。,（2） PLC的分类（按结构形式分类）,根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。,1）整体式PLC 将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内， 具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。 整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O

34、和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。 小型PLC一般采用这种整体式结构。,整体式PLC,2）模块式PLC 将PLC各组成部分分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。 模块式由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同模块组成一个系统，而且装配方便，便于扩展和维修。 大、中型PLC一般采用模块式结构。,（2） PLC的分类（按结构形式分类）,模块式PLC,3）

35、叠装式PLC 还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来。 叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。,（2） PLC的分类（按结构形式分类）,6.2 FX2N系列PLC指令系统及其编程方法,6.2.1 PLC编程元件,PLC的基本指令系统的基础是支持该机型编程语言的软元件，一般称为继电器、定时器、计数器等，但它们与真实元件有很大的差别，一般称它们为“软继电器”。,PLC内部存储器的每一个存储单元均称为软元件，各个软元件与PLC监控程序、用户程序合作，产生或模拟出不同的功能

36、。不是物理意义上的实物器件，而是一定的存储单元与程序结合的产物,输入继电器X,可编程控制器输入接口的一个接线点对应一个输入继电器。输入继电器的线圈只能由机外信号驱动，它可提供无数个常开接点、常闭接点供编程时使用。FX2N系列的输入继电器采用八进制地址编号，X0X267。,输出继电器Y,PLC输出接口的一个接线点对应一个输出继电器。输出继电器的线圈只能由程序驱动，每个输出继电器除了为内部控制电路提供编程用的常开、常闭触点外，还为输出电路提供一个常开触点与输出接线端连接。驱动外部负载的电源由用户提供。如图所示是输出继电器的等效电路。输出继电器的地址编号也是八进制，Y0Y267。,输入继电器X、输出

37、继电器Y的内外连接,是PLC内部的继电器，与外界没有任何联系，不能直接接收外部的输入，也不能直接驱动外部负载。 由内部软元件的触点驱动,常开和常闭触点使用次数不限，但不能直接驱动外部负载,采用十进制编号。 通用辅助继电器M0M499（500点） 断电保持辅助继电器M500M1023（524点） 特殊辅助继电器M8000M8255（256点） 只能利用其触点的特殊辅助继电器 可驱动线圈的特殊辅助继电器 通用辅助继电器与断电保持用辅助继电器的比例，可通过外设设定参数进行调整。,辅助继电器（M）,是构成状态转移图、对顺序控制进行简易编程的内部软元件，采用十进制编号。与步进顺序指令STL配合使用； 有

38、无数个常开触点与常闭触点，编程时可随意使用； 不用于步进顺控指令时，可作辅助继电器使用。 同样有通用状态和断电保持状态，其比例分配可由外设设定。,状态寄存器（S）,状态寄存器有五种类型： 初始状态S0S9共10点 回零状态S10S19共10点 通用状态S20S499共480点 保持状态S500S899共400点 报警用状态S900S999共100点,由设定值寄存器、当前值寄存器和定时器触点组成。在其当前值寄存器的值等于设定值寄存器的值时，定时器触点动作。故设定值、当前值和定时器触点是定时器的三要素。,定时器（T）,定时器实际是内部脉冲计数器，相当于继电器系统中的时间继电器，可在程序中用于延时控

39、制。可对内部1ms、10ms和100ms时钟脉冲进行加计数，当达到用户设定值时，触点动作。,定时器可以用用户程序存储器内的常数k或H作为设定值，也可以用数据寄存器D的内容作为设定值。 普通定时器（T0T245） 100ms定时器T0T199共200点，定时范围0.13276.7s； 10ms定时器T200T245共46点，定时范围0.01327.67s。 积算定时器（T246T255） 1ms定时器T246T249共4点，定时范围0.00132.767s； 100ms定时器T250T255共6点，定时范围为0.13276.7s。,定时器（T）,加法计时器,设定值,K、H或D,触点动作,Tx,T

40、x,时钟脉冲,驱动,相等 比较器,普通定时器的工作原理,T10,定时器（T）,低速计数器：是对机内的元件的信号计数 ，也称内部信号计数器 高速计数器：对机器的外部信号进行计数，也称外部信号计数器 16位加法计数器（一般用：C0C99；停电保持用：C100C199 16 位计数器其设定值在K1K32767范围内有效。设定值K0与K1意义相 同， 均在第一次计数时，其触点动作。如果PLC断电，恢复电源后，计 数器可按上一次数值累计计数。,如上图所示，当在执行第十次的线圈指令时，输出触点动作。如果复位输入X010为ON，则执行RST指令，计数器的当前值为0，输出触点复位。计数器的设定值，除用常数K设

41、定外，还可由数据寄存器指定。,计数器（C）,通用数据寄存器D0D199共200点。 只要不写入其它数据，已写入的数据不会变化。但是PLC状态由运行停止时，全部数据均清零。 断电保持数据寄存器D200D511共312点，只要不改写，原有数据不会丢失。 特殊数据寄存器D8000D8255共256点 这些数据寄存器供监视PLC中各种元件的运行方式用。 文件寄存器D1000D2999共2000点。,数据寄存器（D）,数据寄存器是存储数据的软元件，用于存放各种数据。特别是在进行输入输出处理、模拟量控制、位置控制时，需要大量数据寄存器存储数据和参数。,6.2 FX2N系列PLC指令系统及其编程方法,可编程

42、控制器的编程语言,不同厂家，不同型号的PLC的编程语言只能适应自己的产品。PLC编程语言标准中有五种编程语言：梯形图、指令表、逻辑功能图、顺序功能图和高级语言等5种。最常用的就是梯形图编程语言和指令语句表编程语言。,6.2.2 梯形图编程,梯形图是在原继电器接触器控制系统的继电器梯形图基础上演变而来的一种图形语言。它是目前用得最多的PLC编程语言。 注意：梯形图表示的并不是一个实际电路而只是一个控制程序，其间的连线表示的是它们之间的逻辑关系，即所谓“软接线”。 常开触点 ： 常闭触点： 线圈： 注意：它们并非是物理实体，而是“软继电器”。每个“软继电器”仅对应PLC存储单元中的一位。该位状态为

43、“1”时，对应的继电器线圈接通，其常开触点闭合、常闭触点断开；状态为“0”时，对应的继电器线圈不通，其常开、常闭触点保持原态。,梯形图的设计,梯形图是以图形符号及图形符号在图中的相互关系表示控制关系的编程语言，是从继电器电路图演变而来。两者部分符号对应关系如表所示。,梯形图编程格式,（1）梯形图按行从上至下编写，每一行从左往右顺序编写。PLC程序执行顺序与梯形图的编写顺序一致。 （2）图左、右边垂直线称为起始母线、终止母线。每一逻辑行必须从起始母线开始画起，终止于继电器线圈或终止母线（有些PLC终止母线可以省略）。 （3）梯形图的起始母线与线圈之间一定要有触点，而线圈与终止母线之间则不能有任何

44、触点。,梯形图示例： 异步电动机启动控制线路,可编程控制器的硬件连接,实现电动机的点动及连续运行所需的器件有：起动按钮 SB1 ，停止按钮 SB2 ，交流接触器 KM ，热继电器 BTE 及刀开关QS 等。电路的连接如图所示。,根据输入输出接线圈可设计出异步电动机点动运行的梯形图如图 （ a ）所示。工作过程分析如下：当按下 SB1时，输入继电器X0得电，其常开触点闭合，因为异步电动机未过热，热继电器常开触点不闭合，输入继电器 X2 不接通，其常闭触点保持闭合，则此时输出继电器 Y0 接通，进而接触器 KM 得电，其主触点接通电动机的电源，则电动机起动运行。当松开按钮 SB1 时， X0 失电

45、，其触点断开， Y0 失电，接触点 KM 断电，电动机停止转动，即本梯形图可实现点动控制功能。,梯形图示例： 异步电动机点动运行梯形图,图（ c ）为电动机连续运行的梯形图，其工作过程分析如下： 当按 SB1被按下时X0接通， Y0 置1 ，这时电动机连续运行。需要停车时，按下停车按钮 SB2 , 串联于 Y0 线圈回路中的 X1 的常闭触点断开， Y0置0 ，电机失电停车。,梯形图示例： 异步电动机连续运行梯形图,启 - 保 - 停电路,梯形图（ c ）称为启 - 保 - 停电路。这个名称主要来源于图中的自保持触点 Y0 。并联在 X0 常开触点上的 Y0 常开触点的作用是当钮 SB 1 松

46、开，输入继电器 X0 断开时，线圈 Y0 仍然能保持接通状态。工程中把这个触点叫做“自保持触点“。启 - 保 - 停电路是梯形图中最典型的单元，它包含了梯形图程序的主要要素。它们是： a 、事件 每一个梯形图支路都针对一个事件。事件用输出线圈（或功能框）表示，本例中为 Y0 。 b 、事件发生的条件 梯形图支路中除了线圈外还有触点的组合，使线圈置 1 的条件既是事件发生的条件，本例中为起动按钮 X0 置 1 。 c 、事件得以延续的条件 触点组合中使线圈置 1 得以持久的条件。本例中为与 X0 并联的 Y0 的自保持触点。 d 、使事件终止的条件 触点组合中使线圈置 1 中断的条件。本例中为

47、X1 的常闭触点断开。,PLC控制与继电器控制的区别, 组成器件不同：继电器控制线路是许多真正的硬件继电器组成，而 梯形图则由许多所谓“软继电器”组成。 触点数量不同：硬继电器的触点数量有限，用于控制的继电器的触 点数一般只有48对；而梯形图中每个“软继电器”供编程使用的触 点数有无限对。 实施控制的方法不同：在继电器控制线路中，实现某种控制是通过 各种继电器之间硬接线解决的。而PLC控制是通过梯形图即软件编 程解决的。 工作方式不同：在继电器控制线路中，采用并行工作方式；而在梯 形图的控制线路中，采用串行工作方式。,PLC的控制结果有一定的特殊性： 输入/输出滞后现象：与PLC的集中输入集中

48、刷新、程序循环执行、 输入滤波器造成的时间常数、输出继电器机械滞后以及程序设计不 当的附加影响等有关。 多重输出不允许：关于步进梯形图多重输出的情况，将在后面具体 讲述的PLC指令时予以介绍。,相似点,梯形图与继电器接触器控制线路的形式十分相似，也是在两条“电源”线之间按控制要求设置若干个分支“电路”，每条分支“电路”按控制要求由若干个接点构成不同的串并联逻辑去激励一个“线圈”，一旦“线圈”被激励，对应的常开接点闭合、常闭接点断开符合继电接触控制线路的分析方法。,应该注意的是一般情况下接入输入端子的输入触点取常开触点.,编程元件的基本特征,类似于计算机汇编语言，属于助记符语言，用一些简洁易记的

49、文字符号表达PLC的各种指令。同一厂家的PLC产品，其助记符语言与梯形图语言是相互对应的，可互相转换。 助记符语言常用于手持编程器中，梯形图语言则多用于计算机编程环境中,地址 指令 变量 0000 LD X000 0001 OR X010 0002 ANI X001 0003 OUT Y000 0004 END,6.2.3 指令表编程及基本逻辑指令,逻辑取及线圈驱动指令LD、LDI、OUT,LD，取指令。表示一个与输入母线相连的常开接点指令。 LDI，取反指令。表示一个与输入母线相连的常闭接点指令 。 OUT，线圈驱动指令,可编程控制器的基本指令,LD、LDI、OUT指令,LD、LDI指令分别

50、用于将常开、常闭触点连接到母线上.OUT指令是对输出继电器、辅助继电器、状态器、定时器、计数器的线圈驱动指令。,LD、LDI、OUT指令的使用,AND、ANI指令,AND、ANI指令分别用于单个常开、常闭触点的串联，串联触点的数量不受限制，该指令可以连续多次使用。,OUT指令后，通过接点对其它线圈使用OUT指令称为纵接输出或连续输出,AND、ANI指令的应用,OR、ORI指令,OR、ORI指令分别用于单个常开、常闭触点的并联，并联触点的数量不受限制，该指令可以连续多次使用。,OR、ORI指令的应用,OR与ORI指令应用,ORB、ANB指令,若有多个串联回路块按顺序与前面的回路并联时，对每个回路

51、块使用ORB指令，则对并联的回路个数没有限制。 若成批使用ORB指令并联连接多个串联回路块时，由于LD、LDI指令的重复次数限制在8次以下，因此这种情况下并联的回路个数限制在8个以下。,ORB指令的应用,ORB指令应用,若有多个并联回路块按顺序与前面的回路串联时，对每个回路块使用ANB指令，则对串联的回路个数没有限制。 若成批使用ANB指令串联连接多个并联回路块时，由于LD、LDI指令的重复次数限制在8次以下，因此这种情况下串联的回路个数限制在8个以下。,并联电路块的串联连接指令ANB,两个或两个以上接点并联的电路称为并联电路块，分支电路并联电路块与前面电路串联连接时，使用ANB指令。分支的起

52、点用LD、LDI指令。,2,栈操作MPS、MRD、MPP指令,MPS、MRD、MPP指令是无操作元件的独立指令。用于多重输出电路，可将连接点先存储，用于连接后面的电路。,MPS、MRD、MPP应用,主控与主控复位指令MC、MCR,MC是主控指令，或公共串联触点的连接指令,用于许多线圈同时受一个或一组触点控制的情况，对应触点称为主控触点，是控制一组电路的总开关。此触点在梯形图中与一般的触点垂直，从而可以避免每个线圈的控制电路中都要串入同样的触点，同时可以减少许多存储单元。,MC、MCR指令应用,SET、RST指令,SET为置位指令，使操作保持； RST为复位指令，使操作保持复位。,RST指令一个

53、重要的用途是对计数器复位,适用于短信号操作，当两者的执行条件同时有效时，RSET指令优先。,右图中，X000一旦接通后，即使它再断开，Y000仍继续动作，X001接通时，即使它再断开，Y000仍保持不被驱动。对于M、S也是一样。 对于同一软元件。SET、RST可多次使用，顺序也随意，但最后执行的有效。 使数据寄存器（D）、变址寄存器（V、Z）的内容清零，也可使用RST指令，与用常数K0传送指令的结果一样。,6.2.4 PLC梯形图编程基本原则及示例,线圈右边无接点,不能将接点画在线圈右边，只能在接点的右边接线圈,多上串右（并左）,有串联电路并联时，应将接点最多的那个串联回路放在梯形图最上面。有

54、并联电路相串联时，应将接点最多的并联回路放在梯形图的最左边。,双线圈输出不可用,如果在同一程序中同一元件的线圈使用两次或多次，则称为双线圈输出。这时前面的输出无效，只有最后一次才有效，一般不应出现双线圈输出。,启动、保持和停止电路,实现Y10的启动、保持和停止的四种梯形图如图所示。这些梯形图均能实现启动、保持和停止的功能。X0为启动信号， X1为停止信号。图a、c是利用Y10 常开触点实现自锁保持，而图b、d是利用SET、RST指令实现自锁保持。,6.2.5 梯形图编程常用基本电路,起动、保持和停止电路,常闭触点输入信号的处理,如果输入信号只能由常开触点提供，梯形图中的触点类型与继电器电路的触

55、点类型完全一致。 如果接入PLC的是输入信号的常闭触点，这时在梯形图中所用的X1的触点的类型与PLC外接SB2的常开触点时刚好相反，与继电器电路图中的习惯也是相反的。建议尽可能采用常开触点作为PLC的输入信号。,多继电器线圈控制电路,下图是可以自锁的同时控制4个继电器线圈的电路图。其中X0是起动按钮，X1是停止按钮。,多地控制电路,下图是两个地方控制一个继电器线圈的程序。其中X0和X1是一个地方的起动和停止控制按钮，X2和X3是另一个地方的起动和停止控制按钮。,互锁控制电路,下图是3个输出线圈的互锁电路。其中X0、X1和X2是起动按钮，X3是停止按钮。由于Y0、Y1、Y2每次只能有一个接通，所

56、以将Y0、Y1、Y2的常闭触点分别串联到其它两个线圈的控制电路中。,顺序起动控制电路,如图所示。Y0的常开触点串在Y1的控制回路中，Y1的接通是以Y0的接通为条件。这样，只有Y0接通才允许Y1接通。Y0关断后Y1也被关断停止，而且Y0接通条件下，Y1可以自行接通和停止。X0、X2为起动按钮，X1、X3为停止按钮。,集中与分散控制电路,在多台单机组成的自动线上，有在总操作台上的集中控制和在单机操作台上分散控制的联锁。集中与分散控制的梯形图如图所示。X2为选择开关，以其触点为集中控制与分散控制的联锁触点。当X2为ON时，为单机分散起动控制；当X2为OFF时，为集中总起动控制。在两种情况下，单机和总

57、操作台都可以发出停止命令。,自动与手动控制电路,在自动与半自动工作设备中，有自动控制与手动控制的联锁，如图所示。输入信号X1是选择开关，选其触点为联锁型号。当X1为ON时，执行主控指令，系统运行自动控制程序，自动控制有效，同时系统执行功能指令CJ P63，直接跳过手动控制程序，手动调整控制无效。当X1为OFF时，主控指令不执行，自动控制无效，跳转指令也不执行，手动控制有效。,闪烁电路,当拨动开关将X0接通，启动脉冲发生器。延时2s后Y0接通，再延时1s后Y0断开。这一过程周期性地重复。Y0输出一系列脉冲信号，其周期为3s，脉宽为1s。,延合延分电路,如图所示用X0控制Y0，当X0的常开触点接通

58、后，T0开始定时，10s后T0的常开触点接通，使Y0变为ON。X0为ON时其常闭触点断开，使T1复位，X0变为OFF后T1开始定时，5s后T1的常闭触点断开，使Y0变为OFF，T1也被复位。Y0用起动、保持、停止电路来控制。,定时范围扩展电路,如果需要更长的定时时间，可以采用以下方法以获得较长延时时间。 多个定时器组合电路 定时器和计数器组合,多个定时器组合电路,如图所示。当X0接通，T0线圈得电并开始延时，延时到T0常开触点闭合，又使T1线圈得电，并开始延时，当定时器T1延时到，其常开触点闭合，再使T2线圈得电，并开始延时，当定时器T2延时到，其常开触点闭合，才使Y0接通。因此，从X0为ON开始到Y0接通共延时9000s。,定时器和计数器组合,利用定时器和计数器配合，设计24h的定时输出(60s1440),案例,PLC控制的电动机正反转,1、电动机的正反转控制电路,2、PLC的 I/O点的确定与分配,3.PLC控制电动机正反转外部接线图,BTE,4、程序编制,Y/起动控制的PLC举例,掌握利用可编程序控制器来实现电动机的Y/起动控制的程序编写 由电机及拖动基础可知，三相交流异步电动机起动时电流较大，一般是额定电流的（ 5 7 ）倍。故对于功率较大的电动机，应采用降压起动方式， Y/ 降压起动是常用的方法之一。 起动时，定子绕组首先接成星形，待转速上升到接近额定转速时，再将