1、第2篇 可編程控制器（PLC）應(yīng)用技術(shù),第3章 PLC基本結(jié)構(gòu)和工作原理,3.1 PLC的概論 3.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)與工作原理 3.3 PLC的性能指標 3.4 PLC與其他工業(yè)控制系統(tǒng)的比較,3.1 可編程控制器(PLC)的概論,20世紀60年代， 由于小型計算機的出現(xiàn)和大規(guī)模生產(chǎn)及多機群控的發(fā)展，人們曾試圖用小型計算機來實現(xiàn)工業(yè)控制， 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電接觸器控制。,1968年美國通用汽車公司提出的替代繼電器控制系統(tǒng)的新型控制器的十項指標（GM十條）：,1） 編程簡單、現(xiàn)場可 修改程序； 2）維護方便、采用插 件式結(jié)構(gòu)； 3）可靠性高于繼電器 控制系統(tǒng)； 4）體積小于繼電器控 制系統(tǒng)； 5

2、）數(shù)據(jù)可以直接送入 計算機；,6）成本可與繼電器系 統(tǒng)競爭； 7）輸入可為市電； 8）輸出可為市電，能 直接驅(qū)動電磁閥、交 流接觸器等； 9）通用性強、易于擴 展； 10）用戶存儲器大于 4K。,1969年美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC公司)研制出了第一臺可編程控制器PDP-14，在美國通用汽車公司的生產(chǎn)線上試用成功并取得了滿意的效果，可編程控制器自此誕生。 美國從 1971 年開始輸出這種技術(shù)， 1973 年以后，西德、日本、英國、法國相繼開發(fā)了各自的 PLC ，并廣泛應(yīng)用。廿余年來， PLC 的發(fā)展迅猛異常，它的應(yīng)用領(lǐng)域可謂是各行各業(yè)。 PLC 的出現(xiàn)和發(fā)展，是工業(yè)控制技術(shù)上的一個飛躍。 PLC

3、 在我國機械、冶金、化工、輕工的大多數(shù)工業(yè)部門已開始得到廣泛應(yīng)用。 PLC 的應(yīng)用在工業(yè)界產(chǎn)生了巨大的影響。,可編程序邏輯控制器簡稱為 PLC （ Programmable Logical Controller ），也常稱為可編程序控制器即 PC(Programmable Controller) ，它是微機技術(shù)與繼電接觸器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，即采用了微型計算機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，融合了繼電接觸器控制的概念構(gòu)成的一種新型電控器，它專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計，它采用可編程序的存儲器，用來存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種

4、類型的機械或生產(chǎn)過程。,輸入端子,輸入信號燈,輸出端子,輸出信號燈,編程電纜 運行開關(guān),電源指示燈,運行指示燈,電池指示燈,出錯指示燈,擴展端口,鋰電池,FX2N型PLC外觀,1 .通用性強：由于采用了微型計算機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，而且接口電路考慮了工業(yè)控制的要求，輸出接口能力強，因而對不同的控制對象，可以采用相同的硬件，只需編制不同的軟件，就可實現(xiàn)不同的控制。 2 .接線簡單：只要將用于控制的接線、限位開關(guān)和光電開關(guān)等接入控制器的輸入端，將被控制的電磁鐵、電磁閥、接觸器和繼電器等功率輸出元件的線圈接至控制器的輸出端，就完成了全部的接線任務(wù)。,3.編程容易：一般使用與繼電接觸器控制電路原理圖

5、相似的梯形圖或用面向工業(yè)控制的簡單指令形式編程。因而編程語言形象直觀，容易掌握，具有一定的電工和工藝知識的人員可在短時間學(xué)會并應(yīng)用自如。 4.抗干擾能力強、可靠性高：PLC 的輸入輸出采取了隔離措施，并應(yīng)用大規(guī)模集成電路，故它能適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，能直接安裝在機器設(shè)備上運行。,5. 容量大，體積小，重量輕，功耗少，成本低，維修方便：例如一臺具有 128 個輸入輸出點的小型 PLC ，其尺寸為 216 127 110mm 3 ，重約 2.3Kg ，空載功耗為 1.2W ，它可以完成相當于 400 800 個繼電器組成的系統(tǒng)的控制功能，而其成本僅相當于相同功能繼電器系統(tǒng)的（10 20）；PLC 一

6、般采用模塊結(jié)構(gòu)，又具有自診斷功能，判斷故障迅速方便，維修時只需更換插入式模塊，因而維修十分方便。,1. 按結(jié)構(gòu)形式分類, 可分為整體式和模塊式兩類。,2. 按 I/O 點數(shù)和存儲容量分類 小型 PLC ：I/O 點數(shù)在 256 點以下，存儲器容量 2K ； 中型 PLC ：I/O 點數(shù)在 256 2048 點之間，存儲器容量 2K 8K; 大型 PLC ：I/O 點數(shù)在 2048 點以上，存儲器容量 8K 以上。,隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展， PLC 的制造成本不斷下降，而功能卻不斷增強。目前在先進工業(yè)國家 PLC 已成為工業(yè)控制中的標準設(shè)備，應(yīng)用的領(lǐng)域已覆蓋整個工業(yè)企業(yè)。概括起來主要應(yīng)用在以下

7、幾個方面：,1.開關(guān)量邏輯控制 這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域 2.運動控制 PLC可用于直線運動或圓周運動的控制 3.閉環(huán)過程控制 PLC通過模擬量模塊實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量的A/D、D/A轉(zhuǎn)換，能夠?qū)崿F(xiàn)對模擬量的控制,4.數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代的PLC具有數(shù)學(xué)運算（包括矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算），數(shù)據(jù)傳遞、排序和查表、位操作等功能；可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理，可以與存儲器中存儲的參考數(shù)據(jù)相比較，也可以傳送給其它智能裝置或傳送給打印機打印制表 5.聯(lián)網(wǎng)通信 PLC的通訊包括PLC與PLC之間、PLC與上位計算機之間和其它的智能設(shè)備之間的通訊,當今世界上 PLC 生產(chǎn)廠家按地域可分為 三大流派

8、：美國、歐洲和日本。 美國和歐洲以大中型 PLC 而聞名，但產(chǎn)品的差異性很大，這是由于它們是在相互隔離的情況下獨立開發(fā)出來的；日本以小型 PLC 著稱，它的技術(shù)是從美國引進的，因此對美國的產(chǎn)品有一定的繼承性。,美國是 PLC 生產(chǎn)大國，有 100 多家 PLC 廠商，著名的有 A-B 公司、通用電氣（ GE ）公司、莫迪康（ MODICON ）公司、德州儀器（ TI ）公司、西屋電氣公司等。,歐洲著名的 PLC 生產(chǎn)廠商有德國的西門子（SIEMENS）公司、 AEG 公司，法國的 TE 公司等。,日本有許多 PLC 制造商，如：三菱、歐姆龍、松下、富士、日立、東芝等。,我國的 PLC 生產(chǎn)廠家

9、規(guī)模一般不大，主要有無錫華光電子工業(yè)有限公司、上海香島機電制造有限公司、杭州機床電器廠、天津中環(huán)自動化儀表公司等。,3.2 PLC 的基本結(jié)構(gòu)與工作原理,一、基本結(jié)構(gòu) PLC 生產(chǎn)廠家很多，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)也各不相同，但其基本構(gòu)成是一樣的，都采用計算機結(jié)構(gòu)，都以微處理器為核心，通過硬件和軟件的共同作用來實現(xiàn)其功能。 PLC 主要有六部分組成： CPU( 中央處理器 ) 、存儲器、輸入/輸出（ I/O ）接口電路、電源、外設(shè)接口、輸入/輸出（ I/O ）擴展接口。,1.中央處理單元（CPU）：,(1)從程序存儲器讀取程序指令，編譯、執(zhí)行指令 (2)將各種輸入信號取入 (3) 把運算結(jié)果送到輸出端 (4

10、) 響應(yīng)各種外部設(shè)備的請求,PLC中所采用的CPU通常有三種 ： （1）通用處理器：8086、80286、80386 （2）單片機芯片：8031、8096 （3）位片式微處理器：AMD-2900 小型PLC多采用8位微處理器或單片機作為CPU 中型PLC多采用16位微處理器或單片機作為CPU 大型PLC多采用高速位片式微處理器,2.存儲器,存儲器用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序和運行中的數(shù)據(jù)。包括只讀存儲器(ROM)和隨機存取存儲器(RAM)。,RAM：隨機存儲器，可讀可寫，沒有斷電保持功能。,ROM：只讀存儲器，只讀，不能寫。,RAM存放用戶程序,ROM存放系統(tǒng)程序,EPROM：可擦除程序的只讀存

11、儲器，用紫外線照射芯片上的透鏡窗口，可以擦除已寫入的內(nèi)容，而寫入新的程序。,EEPROM：可電擦除的只讀存儲器，兼有ROM的非易失性和RAM的隨機存取的優(yōu)點。,3.輸入輸出接口,輸入輸出接口是PLC與工業(yè)控制現(xiàn)場各類信號連接的部分。 輸入接口用來接受生產(chǎn)過程的各種參數(shù)（輸入信號）。 輸出接口用來送出可編程控制器運算后得出的控制信息（輸出信號），并通過機外的執(zhí)行機構(gòu)完成工業(yè)現(xiàn)場的各類控制。,為了適應(yīng)可編程控制器在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的工作，對輸入輸出接口有二個主要的要求： 良好的抗干擾能力 能滿足工業(yè)現(xiàn)場各類信號的匹配要求,4.電源單元,PLC 一般采用 AC220V 電源，經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓后可變換成

12、供 PLC 的 CPU 、存儲器等電路工作所需的直流電壓，有的 PLC 也采用 DC24V 電源供電。為保證 PLC 工作可靠，大都采用開關(guān)型穩(wěn)壓電源。有的 PLC 還向外部提供 24V 直流電源。,5.外部設(shè)備,外部設(shè)備接口是在主機外殼上與外部設(shè)備配接的插座，通過電纜線可配接編程器、計算機、打印機、 EPROM 寫入器、觸摸屏等。 編程器：用于編輯、輸入、調(diào)試PLC的工作程序；對PLC的運行狀態(tài)及被控對象的參數(shù)進行監(jiān)視；與打印機相連可打印程序清單或輸出有關(guān)記錄信息。,二、基本工作原理,PLC 的工作方式為循環(huán)掃描方式，其工作過程大致分為 3 個階段：輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新。,讀,讀,讀

13、,寫,寫,執(zhí)行用戶程序,掃描一個循環(huán)所用的時間稱為掃描周期,約40100ms,為提高工作可靠性和及時接收外部控制命令，每個掃描周期還要進行故障自診斷（自診斷），處理與編程器、計算機的通信請求（與外設(shè)通信）。,工作過程,1.自診斷 每次掃描用戶程序前，對CPU、存貯器、IO模塊等進行故障診斷，發(fā)現(xiàn)故障或異常情況則轉(zhuǎn)入處理程序，保留現(xiàn)行工作狀態(tài)，關(guān)閉全部輸出，停機并顯示出錯信息。 2.與外設(shè)通信 自診斷正常后，PLC對編程器、上位機等通信接口進行掃描，如有請求便響應(yīng)處理。,3.輸入采樣 完成前兩步后，PLC掃描各輸入點，將各點狀態(tài)和數(shù)據(jù)（開關(guān)的通斷、AD轉(zhuǎn)換值、BCD碼數(shù)據(jù)等），讀入到寄存輸入狀態(tài)

14、的輸入映象寄存器中存貯，稱為采樣。 4程序執(zhí)行 PLC從用戶程序存貯器的最低地址（0000H）開始順序掃描（無跳轉(zhuǎn)情況），并分別從輸入映象寄存器和輸出映象寄存器中獲得所需的數(shù)據(jù)進行運算、處理，再將程序執(zhí)行的結(jié)果寫入輸出映象寄存器中保存。,5輸出刷新 執(zhí)行完用戶程序后，PLC將輸出映象寄存器中的內(nèi)容送到寄存輸出狀態(tài)的輸出鎖存器中，再去驅(qū)動用戶設(shè)備，稱為輸出刷新。 掃描不斷循環(huán)，實現(xiàn)對設(shè)備的連續(xù)控制。 掃描周期:TT1T2T3T4T5，為上述五步操作時間之和。,3.3 PLC 性能指標,1、輸入/輸出（I/O）點數(shù) PLC上的I/O端子的個數(shù)。I/O點數(shù)越多，外部可接的輸入和輸出元器件就越多，控制

15、規(guī)模就越大。 2、存儲容量 存儲容量指的是用戶程序存儲器的容量。也有的PLC用存放用戶程序的指令條數(shù)來表示容量。,3、掃描速度 掃描速度是指PLC執(zhí)行程序的速度，是衡量PLC性能的重要指標。 4、指令的種類和條數(shù) 編程指令的種類和條數(shù)是衡量PLC軟件功能強弱的主要指標。,5、特殊I/O單元（高級模塊或智能模塊） PLC不僅能完成開關(guān)量的邏輯控制，而且利用特殊I/O單元可完成模擬量控制、運動控制、模糊控制、定位控制、高速中斷控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。 6、支持軟件 符合IEC1131-3(國際電工委員會（International Electro-technical Commission） )標準的語言，為用戶提供方便的編程環(huán)境。,3.4 PLC與其他工業(yè)控制系統(tǒng)的比較,PLC與繼電器控制系統(tǒng)比較 繼電器控制采用硬接線方式裝配而成，只能完成既定的功能。 PLC控制只要改變程序并改動少量的接線端子（軟接線），就可適應(yīng)生產(chǎn)工藝的改變。 從適應(yīng)性、可靠性及設(shè)計、安裝、維護等各方面進行比較。傳統(tǒng)的繼電器控制大多數(shù)將被PLC所取代。,2.與工業(yè)計算機比較 工業(yè)控制機控制要求開發(fā)人員具有較高的計算機專業(yè)知識和微機軟件編程的能力。 PLC采用了采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”進行編程，