PLC理论基础(PLC电梯基础).ppt

1、1,第3章 PLC的基本结构和工作原理,3.1 PLC的组成 3.1.1 概述 可编程序控制器(Programmable Controller)，简称PC，为了与个人计算机(Personal Computer)的PC相区别，又称可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller) ，简称PLC。 在国内市场上，欧洲的代表是西门子公司，日本的代表是三菱和欧姆龙公司，美国的代表是AB与GE公司。 本书主要介绍三菱公司生产的FX2N型PLC的基本组成，原理与应用。在了解PLC工作原理与特点的基础上，重点介绍小型PLC的应用技术。包括小型PLC的硬件与系统构成、基本性能、指令

2、与编程方法、控制系统的硬件与软件的设计方法、系统的安装与调试等 。 PLC实质上是一种工业控制计算机 。在初次学习PLC的控制原理时，可以先不必从计算机的角度上去理解它，而把它当作一个由各种控制功能的继电器、开关等控制元件组成的控制装置来看待。,2,3.1.2 初步认识可编程控制器(PLC),FX2N型PLC外观,图3- 1 FX2N型PLC的外形,3,各种类型的PLC,4,中、大型PLC的结构外型,中、大型PLC的结构外型，它通常采用积木式结构，可以根据需要将各种标准模块进行搭接，常用的模块有电源模块、CPU模块、输入模块、输出模块以及各种特殊模块。,图3- 2中、大型PLC的结构外型,5,

3、3.2 PLC的基本工作原理,3.2.1 PLC的等效电路 在PLC中有大量的、各种各样的继电器，如输入继电器(X)、输出继电器(Y)、辅助继电器(M)、定时器(T)、计数器(C)等。不过这些继电器不是真正的继电器，而是用计算机中的存储器来模拟的，我们把它叫作软继电器。 存储器中的某一位就可以表示一个继电器，这种继电器也叫位继电器。 存储器中的一位有两种状态：“0”和“1”。我们用0表示继电器失电，用1表示继电器得电。把“0”或 “1”写入存储器中的某一位就表示对应的继电器线圈失电或得电。 读出该存储器某位的值为0时，表示对应继电器的常开接点断开； 为1时，表示对应继电器的常开接点闭合。而常闭

4、接点的值是对存储器位的取反。 读存储器的次数是不受限制的，所以一个位继电器的接点从理论上讲是无穷多的。,6,为了区别常规控制电路和PLC控制电路(通常叫梯形图)，PLC一般用专用图形符号来表示，如表3-1所示，其中可编程序控制器的继电器线圈可有多种画法。,可编程序控制器图形符号,表3- 1常规电器和可编程序控制器的图形符号对照,7,输入部分元件 热继电器FR、 停止按钮SB1、 起动按钮SB2； 中间逻辑部分元件 中间继电器KA、 时间继电器KT； 输出执行部分元件 接触器KM1、KM2。,电动机降压起动控制,图3- 3 图2-16自耦变压器降压起动控制电路,8,用PLC控制电动机降压起动控制

5、,用PLC控制电动机降压起动控制等效电路图,图3- 4 PLC等效控制电路,9,3.2.2 LC的工作过程,图3- 5 PLC等效电路工作过程示意图,10,梯形图的过程可分为以下三个阶段： 输入采样阶段 程序处理阶段 输出刷新结果输出阶段 PLC完成上述3个阶段称为一个扫描周期。 PLC反复不断地执行上述过程。扫描周期的长短和PLC的运算速度和工作方式有关，但主要和梯形图的长度及指令的种类有关，一个扫描周期的时间大约在几毫秒到几百毫秒之间。 PLC执行梯形图 (读程序) 是一步一步进行的，所以它的逻辑结果也是由前到后逐步产生的，为串行工作方式。 常规电器的控制电路中所有的控制电器都是同时工作的

6、，在通电和得电顺序上不存在先后的问题，为并行工作方式。,3.2.2 LC的工作过程,11,3.2.3 PLC的接线图和梯形图的绘制方法,梯形图采用水平布置画法，梯形图最左边的竖线叫作左母线，右边的竖线叫作右母线，右母线可以省略不画，左右母线相当于电源线。 画梯形图时应注意 ： 1 梯形图中的连接线(相当于导线)不能相互交叉，并且只能 水平或垂直绘制， 2 梯形图中的接点一般只能水平绘制，不能垂直绘制， 3 各种继电器线圈只能与右母线连接，不能与左母线连接， 4 接点不能与右母线连接， 5 接点中的“电流”只的从左向右单方向流动，不能出现反向流动的现象。,12,图2-16自耦变压器降压起动控制电

7、路采用PLC控制的接线图和梯形图,图3- 6 PLC的接线图和梯形图,13,3.2.4 串行工作方式对梯形图控制结果的影响,梯形图中继电器线圈的接点在线圈之前和在线圈之后，对它的控制结果可能是有影响的。,图3- 7 接点前后顺序对梯形图控制的影响,14,点动控制的电路图和梯形图,图3- 8 点动控制的电路图和梯形图,图3- 9 接点顺序的调整,15,3.3 PLC的输入输出接口电路,PLC的输入输出接口电路是与外部控制电路联络的主要通道。 输入输出接口模块在设计时采取了光电隔离、滤波等抗干扰措施，以提高PLC工作的可靠性，对各种型号的输入输出接口模块，我们可以把它们以不同形式进行归类。 按照信

8、号的种类归类有直流信号输入、输出，交流信号的输入、输出； 按照信号的输入、输出形式分有数字量输入、输出，开关量输入、输出，模拟量输入输出。 下面通过开关量输入、输出模块来说明外部设备与CPU的连接方式。,16,3.3.1 开关量输入接口模块,输入形式有两种：源型(公共端COM接极)和漏型(公共端COM接极)。 我国一般采用漏型输入形式。 开关量输入设备也有两种型式： 一种是无源开关，如各种按钮、继电器接点、控制开关等； 一种是有源开关，如各种接近开关、传感器、编码器、光电开关等。,图3- 10 PLC的开关量输入接口电路,17,PLC漏型输入的外部接线,图3- 11 PLC漏型输入的外部接线,

9、18,3.3.2 开关量输出接口模块,开关量输出模块通常有三种形式： 继电器输出可驱动直流30V或交流250V负载，驱动负载大，但响应时间慢。常用于各种电动机、电磁阀、信号灯等负载的控制。 晶体管输出属直流输出，能驱动530V直流负载，驱动负载较小，但响应时间快。多用于电子线路的控制。 双向晶闸管输出为交流输出。能驱动85240V交流负载。驱动负载较大，响应时间较慢。,继电器输出,晶体管输出,双向晶闸管输出,19,3.3.2 开关量输出接口模块,图3- 12 PLC的开关量继电器输出接口电路,20,3.4 FX2N型PLC的配制,3.4.1 FX2N型PLC的主要种类及型号 1、FX2N型PL

10、C的主要种类 FX2N型PLC按品种可分为： 1 基本单元由内部电源、内部输入输出、内部CPU和内部存储器组成，只有基本单元可以单独使用，当输入输出点数不足时可以进行扩展。 2 扩展单元由内部电源、内部输入输出组成，需要和基本单元一起使用。 3 扩展模块由内部输入输出组成，自身不带电源，由基本单元、扩展单元供电，需要和基本单元一起使用。 4 特殊扩展设备可分为三类： 特殊功能板用于通信、连接和模拟量设定等， 特殊模块主要有模拟量输入输出、高速计数、脉冲输出、接口等模块， 特殊单元用于定位脉冲输出。,21,2、FX2N型PLC的型号,FX2N型PLC的型号可表示如下： FX2N128 M R00

11、1 PLC系列名称， 输入和输出点数总和，128为64点输入和64点输出， 单元种类： M基本单元， E输入输出混合扩展模块及扩展单元， EX输入专用扩展模块， EY输出专用扩展模块， 输出型式： R继电器输出， S晶闸管输出， T晶体管输出， 其它区分：001专为中国推出的产品。,22,3.4.2 FX2N型PLC的产品规格,表3- 4基本单元一览表,23,3.4.2 FX2N型PLC的产品规格,表3- 5扩展单元一览表,24,3.4.2 FX2N型PLC的产品规格,表3- 6扩展模块一览表,注：( )中的数字为扩展设备占用点数， 控制电源(DC5V)由由基本单元或扩展单元供电。,25,3.

12、5 PLC中的软元件,在PLC中软元件有三种类型。 第一种为位元件，PLC中的输入继电器X、输出继电器Y、辅助继电器M和状态继电器S为位元件。存储单元中的一位表示一个继电器，其值为“0”或“1”，“0”表示继电器失电，“1”表示继电器得电。 第二种为字元件，最典型的字元件为数据寄存器D，一个数据寄存器可以存放16位二进制数，两个数据寄存器可以存放32位二进制数，在PLC控制中用于数据处理。定时器T和计数器C也可以作为数据寄存器来使用。 第三种为位与字混合元件，如定时器T和计数器C，它们的线圈和接点是位元件，它们的设定值寄存器和当前值寄存器为字元件。,26,3.5.1 输入、输出继电器(X、Y)

13、,表3- 9 输入继电器和输出继电器元件分配表,输入继电器(X)和输出继电器(Y) 在PLC中各有184点，采用八进制编号。 输入继电器编号为：X0X7、X10X17、X20X27X267。 输出继电器编号为：Y0Y7、Y10Y17、Y20Y27Y267。 但输入继电器和输出继电器点数之和不得超过256， 如接入特殊单元、特殊模块时，每个占8点，应从256点中扣除。,27,例3-1,用PLC控制一个电热水箱，如图3-13所示，电热水箱用3KW电加热器烧水，用2个水位开关检测水位。 控制要求： 首先进水电磁阀得电打开，进水，当水位高于水位开关1时，加热器得电开始加热，当水位高于水位开关2时，进水

14、电磁阀失电关闭，当加热器加热到100度时停止，放水电磁阀得电将放水阀打开，水龙头可以放水。当水位低于水位开关1时，加热器不得加热，进水电磁阀重新得电开始进水。进水时放水电磁阀关闭。,图3- 13 电热水箱示意图,28,电热水箱PLC的控制,图3- 14电热水箱的控制,29,3.5.2 辅助继电器(M),辅助继电器(M)相当于中间继电器，它只能在内部程序(梯形图)中使用，不能对外驱动外部负载，在梯形图用于逻辑变换和逻辑记忆作用。 辅助继电器有通用辅助继电器、断电保持辅助继电器和特殊辅助继电器。 1、通用辅助继电器 通用辅助继电器的元件编号为M0M499，共500点。它和普通的中间继电器功能一样，

15、运行时如果通用辅助继电器线圈得电，当电源突然中断时线圈失电，若电源再次接通时，线圈仍失电。 可通过参数设定将其改为断电保持辅助继电器。 2、断电保持辅助继电器 断电保持辅助继电器的元件编号为M500M3071 其中M500M1023共524点，可通过参数设定将其改为通用辅助继电器。 M1024M3071共2048点，为专用断电保持辅助继电器。 其中M2800M3071用于上升沿，下降沿指令的接点时，有一种特殊性。,30,例3-2,用传送带运送产品。传送带由三相鼠笼型电动机控制，在传送带末端安装一个限位开关SQ，工人在传送带首端放好产品，按下起动按钮，传送带开始运行。当产品到达传送带末端并超过限

16、位开关（即产品全部离开传送带）时，皮带停止。,图3- 15 传送带示意图,31,传送带PLC控制接线图和梯形图,图3- 16 传送带PLC控制接线图和梯形图,例3-3 在例3-2用传送带传运送产品控制中，在停电之后再来电时传送带不会自行起动。现要求停电之后再来电时传送带能够继续工作，试画出对应的梯形图。,图3- 17传送带PLC控制梯形图,32,例3-4,一辆小车在一条线路上运行，如图3-18所示。线路上有15共5个站点，每个站点各设一个行程开关和一个呼叫按钮。要求无论小车在哪个站点，当某一个站点按下按钮后，小车将自动行进到呼叫点。试用PLC对小车进行控制。,图3- 18 小车行走示意图,33

17、,小车行走PLC控制图,图3- 19 小车行走PLC控制图,34,小车行走PLC控制图,图3- 19 小车行走PLC控制图,35,3、特殊辅助继电器,特殊辅助继电器的元件编号为M8000M8255，共有256点。 特殊辅助继电器通常分为两大类。 (1)接点型(只读型)特殊辅助继电器 此类辅助继电器的接点由PLC定义，在用户程序中只可直接使用其触点。下面介绍几种常用的接点型特殊辅助继电器的定义和应用实例。 M8000：运行监控。常开接点，PLC在运行(RUN)时接点闭合。 M8002：初始化脉冲。常开接点，仅在PLC运行开始时接通一个扫描周期。 M8005：锂电池电压降低。锂电池电压下降至规定值

18、时接点闭合，可以用它的触点和输出继电器驱动外部指示灯，以提醒工作人员更换锂电池。 M8011M8014分别为10 mS、100 mS、1 S、1min时钟脉冲。占空比均为0.5。例M8013为1秒钟时钟脉冲，该接点为0.5秒接通，0.5秒断开。,图3- 20接点型特殊辅助继电器应用举例,36,(2)线圈型(可读可写型)特殊辅助继电器,这类特殊辅助继电器由用户程序控制其线圈，当其线圈得电时能执行某种特定的操作。如：M8033、M8034的线圈等。 M8030：M8030的线圈得电时，PLC面板上的锂电池电压降低指示灯熄灭。 M8033：M8033的线圈得电时，在PLC停止(STOP)时，元件映象

19、寄存器中(Y、M、C、T、D等)的数据仍保持。 M8034：线圈得电时全部输出继电器失电不输出。 M8035：强制运行(RUN)模式。 M8036：强制运行(RUN)指令。 M8037：强制停止(STOP)指令。 M8039：线圈得电时，PLC以D8039中指定的扫描时间工作。 这类继电器不仅可以用其线圈，也可以用其接点。,图3- 21线圈型特殊辅助继电器应用举例,37,用特殊辅助继电器控制PLC的运行和停止,图3- 22 用特殊辅助继电器控制PLC的运行和停止,38,3.5.3 状态继电器(S),状态继电器(S)主要用于步进顺序控制。 状态继电器有3种类型。元件编号范围为S0S 999。 1

20、、通用型状态继电器：S0S 499共500点，其中S0S9共10点用于初始状态，S10S19共10点用于回零状态。通用型状态继电器没有失电保持功能。 2、失电保持型状态继电器：S500S899共00点，在失电时能保持原来的状态不变。 3、报警型状态继电器：S900S999共100点，失电保持型，它和功能指令ANS、ANR等配合可以组成各种故障诊断电路，并发出报警信号。 利用外部设备（如编程软件或编程器）进行参数设定，可改变其状态继电器的失电保持的范围。 状态继电器如果不用于步进指令编程，也可以当作辅助继电器使用，使用方法和辅助继电器一样。,39,3.5.4 定时器(T),定时器相当于通电延时型

21、时间继电器，在梯形图中起时间控制作用。 FX2N系列PLC给用户提供了256个定时器，其编号为T0T255。 定时器按时钟脉冲分有1ms、10 ms、100 ms三挡。,表3- 10 定时器的类型,40,1、定时器的基本用法,图3- 23 通用定时器,图3- 24 积算定时器,41,2、定时器设定值的设定方法,(1) 常数设定方法：用于固定延时的定时器，如图3- 23 和图3- 24的设定值均为十进制常数设定。 (2) 间接设定方法：一般用数据寄存器D存放设定值，数据寄存器D中的值可以是常数，也可以是用外部输入开关或数字开关输入的变量，间接设定方法灵活方便，但是一般需要占用一定数量的输入量。

22、(3) 机能扩充板设定方法：用FX2N-8AV-D型机能扩充板，安装在PLC基本单元上，扩充板上有8个可变电阻旋钮可以输入8点模拟量，并把模拟量转换成8位二进制数(0255)。 当设定值大于255时，可以用乘法指令(MUL)乘以一个常数使之变大作为定时器的设定值。编程方法详见功能指令VRRD。,42,定时器设定方式,图3- 25 定时器设定方式,43,3、定时器的误差,图3- 26定时器的误差,44,定时器的误差,定时器的误差可以表示如下：,2T0 T0：扫描周期 ：与1mS、10mS、100mS定时器对应，分别是1mS、10mS、100mS T：定时器设定值,在子程序与中断程序中应采用T19

23、2T199定时器。 如果在子程序与中断程序中采用1 mS型累积定时器T246T249，当线圈得电时，采用中断工作方式对1 mS时钟脉冲进行计数，当达到设定值时，在执行最初线圈指令时接点动作。,45,4、典型定时器应用梯形图,(1) 断电延时型定时器 (2) 通断电均延时型定时器,图3- 27断电延时型定时器,图3- 28通断电均延时型定时器,46,4、典型定时器应用梯形图,(3) 定时脉冲电路 (4)震荡电路,图3- 29定时脉冲电路,图3- 30 震荡电路,47,4、典型定时器应用梯形图,(5) 占空比可调震荡电路 (6) 上升沿单稳态电路,图3- 31占空比可调震荡电路,图3- 32 上升

24、沿单稳态电路,48,4、典型定时器应用梯形图,(7) 下降沿单稳态电路,图3- 33 下降沿单稳态电路,49,例3-5,为了保证运行安全，许多大型生产机械在运行起动之前需用电铃或蜂鸣器发出报警信号，预示机器即将起动，警告人们迅速退出危险地段。试设计PLC控制接线图和梯形图。,图3- 34起动报警控制电路,50,例3-6,用按钮控制三台电动机，为了避免三台电动机同时起动，起动电流过大，要求每隔5秒起动一台，试设计PLC控制梯形图。,图3- 35 三台电动机顺序起动控制,51,3.5.5 计数器(C),计数器用于对各种软元件接点的闭合次数进行计数。 计数器可分为两大类：内部信号计数器和外部信号计数

25、器(即高速计数器)。 1. 内部信号计数器 内部信号计数器用于对PLC中的内部软元件 (如X、Y、M、S、T、C)的信号进行计数。可分为16位加计数器（共200点）和32位加减计数器（共35点）。,表3- 11 内部信号计数器,52,(1) 16位加计数器,l6位加计数器的元件编号为C0C199。 其中C0C99为通用型， C100C199为断电保持型。 设定值为K1K32767。,图3- 36 16位加计数器的工作过程示意图,53,(2) 32位加减计数器,32位加减计数器C200C234可以加计数，也可以减计数，其加减计数方式由特殊辅助继电器M8200M8234设定。如表3-12所示。当特

26、殊辅助继电器为1时，对应的计数器为减计数，反之为0时为加计数。,表3- 12 32位加/减计数器的加减方式控制用的特殊辅助继电器,54,(2) 32位加减计数器,图3- 37 32位加减计数器的工作过程示意图,55,2、典型计数器应用梯形图,(1) 循环计数器 (2) 长延时定时器,图3- 40长延时定时器,图3- 39循环计数器,56,（3）365天定时器,图3- 41 365天定时器,57,(4) 单按钮控制电动机起动停止,图3- 42单按钮控制电动机起动停止,58,例3-7,用PLC控制一个圆盘，圆盘的旋转由电动机控制。要求按下起动按钮后每转1圈后停止3秒，转5圈后停止。,图3- 43圆

27、盘旋转控制,59,3、高速计数器,高速计数器采用中断工作方式，和扫描周期无关，可以对高频率的输入信号计数。高速计数器只对固定的输入继电器(X0X5)进行计数。 高速计数器都具有停电保持功能，也可以利用参数设定变为非停电保持型。如果不作为高速计数器使用时也可作为32位数据寄存器使用。,表3- 14 高速计数器,U：加计数输入， D：减计数输入， R ：复位输入，S：起动输入， A：A相输入，B：B相输入。,60,高速计数器,表3- 15 高速计数器对应的特殊辅助继电器,61,各种高速计数器的使用方法,(1) 一相一计数输入高速计数器 一相一计数输入高速计数器的编号为C235C245，共有11点。

28、,图3- 44 一相一计数输入高速计数器,62,(2) 一相二计数输入高速计数器,一相二计数输入高速计数器的编号为C246C250。,图3- 45 一相二计数输入高速计数器,63,(3) AB相计数输入高速计数器,AB相高速计数器的编号为C251C255，共5点。AB相高速计数器的两个脉冲输入端子是同时工作的，其计数方向的控制方式由A、B两相脉冲间的相位决定。,图3- 46 AB相计数输入高速计数器,64,(4) 高速计数器的使用频率,C235、C236、C246和C251四个高速计数器为硬件计数器。 单相输入的C235、C236、C246最高频率为60KHZ， 双相输入的C235最高频率为3

29、0KHZ。 如果硬件计数器采用高速计数器专用比较指令FNC53（DHSCS）、FNC54（DHSCR）、FNC55（DHSZ）就变成了软件计数器。 其它高速计数器为软件计数器， C237C245、C247C250(单相)/FNC56(SPD) 最高频率为10KHZ， C252C255(双相) 最高频率为5KHZ。 在程序中采用高速计数器专用比较指令FNC53（DHSCS）、FNC54（DHSCR）时： 单相计数器：最高频率为10KHZ， 双相计数器：C251最高频率为5KHZ，C252C255最高频率为4KHZ。 采用FNC55（DHSZ）时： 单相计数器：最高频率为5.5KHZ， 双相计数器

30、：最高频率为4KHZ。 多个高速计数器同时使用，或高速计数器和FNC56（SPD）、FNC57（PLSY）、FNC59（PLSR）同时使用时，其频率数总计不得超过表3-16中的频率数总计。注意，作为硬件计数器的不算其内。例如在一个程序中同时使用了如表3-17所示的计数器和功能指令。,65,3.5.6 数据寄存器器(D),表3- 18数据寄存器分类及元件号,非停电保持型，但可利用参数设定变为停电保持型。 停电保持型，但可利用参数设定变为非停电保持型。 不能利用参数设定变为非停电保持型。,66,数据寄存器,图3- 47 数据寄存器的数据表示方法,数据寄存器都是16位的，最高位为正负符号位，可存放16位二进制数。也可将2个数据寄存器组合，可存放32位二进制数，最高位是正负符号位。,67,数据寄存器,1、普通型数据寄存器 普通型数据寄存器元件号为D0D199，共200点。 2、停电保持型的数据寄存器 停电保持型的数据寄存器