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1、PLC工作原理 1. PLC内外部电路 1）外部电路接线 图4-3是电动机全压起动控制的接触器电气控制线路，控制逻辑由交流接触器KM线圈、指示灯HL1、HL2、热继电器常闭触头FR、停止按钮SB2、起动按钮SB1及接触器常开辅助触头KM通过导线连接实现。合上QS后按下起动按钮SB1，则线圈KM通电并自锁，接通指示灯HL1所在支路的辅助触头KM及主电路中的主触头， HL1亮、电动机M起动；按下停止按钮SB2，则线圈KM断电，指示灯HL1灭，M停转。图4-4是采用SIEMENS的一款S7系列PLC实现电动机全压起动控制的外部接线图。主电路保持不变，热继电器常闭触头FR、停止按钮SB2、起动按钮SB
2、1等作为PLC的输入设备接在PLC的输入接口上，而交流接触器KM线圈、指示灯HL1、HL2等作为PLC的输出设备接在PLC的输出接口上。按制逻辑通过执行按照电动机全压控制要求编写并存入程序存储器内的用户程序实现。,图4-3 电动机全压起动电气控制线路 a)主电路 b)控制线路,3）内部等效电路 图4-5是PLC的内部等效电路，以其中的起动按钮SB1为例，其接入接口I0.0与输入映像区的一个触发器I0.0相连接，当SB1接通时，触发器I0.0就被触发为“1”状态，而这个“1”状态可被用户程序直接引用为I0.0触头的状态，此时I0.0触头与SB1的通断状态相同，则SB1接通，I0.0触头状态为“1
3、”，反之SB1断开，I0.0触头状态为“0”，由于I0.0触发器功能与继电器线圈相同且不用硬连接线，所以I0.0触发器等效为PLC内部的一个I0.0软继电器线圈，直接引用I0.0线圈状态的I0.0触头就等效为一个受I0.0线圈控制的常开触头（或称为动合触头）。 同理，停止按钮SB2与PLC内部的一个软继电器线圈I0.1相连接，SB2闭合，I0.1线圈的状态为“1”，反之为“0”，而继电器线圈I0.1的状态被用户程序取反后引用为I0.1触头的状态，所以I0.1等效为一个受I0.1线圈控制的常闭触头（或称动断触头）。而输出触头Q0.0、Q0.1则是PLC内部继电器的物理常开触头，一旦闭合，外部相应
4、的KM线圈、指示灯HL1就会接通。PLC输出端有输出电源用的公共接口COM.,图4-5 PLC内部等效电路,2. PLC控制系统 用PLC实现电动机全压起动电气控制系统，其主电路基本保持不变，而用PLC替代电气控制线路。1）PLC控制系统构成 图4-6是电动机全压起动的PLC控制系统基本构成图，可将之分成输入电路、内部控制电路和输出电路三个部分。输入电路 图4-6 PLC控制系统基本构成框图 输入电路的作用是将输入控制信号送入PLC，输入设备为按钮SB1、SB2及FR常闭触头。外部输入的控制信号经PLC输入到对应的一个输入继电器，输入继电器可提供任意多个常开触头和常闭触头，供PLC内容控制电路
5、编程使用。,4-6,输出电路输出电路的作用是将PLC的输出控制信号转换为能够驱动KM线圈和HL1指示灯的信号。PLC内部控制电路中有许多输出继电器，每个输出继电器除了PLC内部控制电路提供编程用的常开触头和常闭触头外，还为输出电路提供一个常开触头与输出端口相连，该触头称为内部硬触头，是一个内部物理常开触头。通过该触头驱动外部的KM线圈和HL1指示灯等负载，而KM线圈再通过主电路中KM主触头去控制电动机M的起动与停止。驱动负载的电源由外电部电源提供，PLC的输出端口中还有输出电源用的COM公共端。,内部控制电路内部控制电路由按照被控电动机实际控制要求编写的用户程序形成，其作用是按照用户程序规定的
6、逻辑关系，对输入、输出信号的状态进行计算、处理和判断，然后得到相应的输出控制信号，通过控制信号驱动输出设备：电动机M、指示灯HL1等。用户程序通过个人计算机通信或编程器输入等方式，把程序语句全部写到PLC的用户程序存储器中。用户程序的修改只需通过编程器等设备改变存储器中的某些语句，不会改变控制器内部接线，实现了控制的灵活性。2）PLC控制梯形图梯形图是一种将PLC内部等效成由许多内部继电器的线圈、常开触头、常闭触头或功能程序块等组成的等效控制线路。图4-7是PLC梯形图常用的等效控制元件符号。,图4-7 梯形图常用等效控制元件符号 a)线圈 b)常开触头 c)常闭触头图4-8是电动机全压起动的
7、PLC控制梯形图，由FR常闭触头、SB2常闭按钮、KM常开辅助触头与SB1常开按钮的并联单元、KM线圈等零件对应的等效控制元件符号串联而成。电动机全压起动控制梯形在形式上类似于接触器电气控制线路图，但也与电气控制线路图存在许多差异。,图4-8 电动机全压起动控制梯形图,梯形图中继电器元件物理结构不同于电气元件PLC梯形图中的线圈、触头只是功能上与电气元件的线圈、触头等效。梯形图中的线圈、触头在物理意义上只是输入、输出存储器中的一个存储位，与电气元件的物理结构不同。梯形图中继电器元件的通断状态不同于电气元件梯形图中继电器元件的通断状态与相应存储位上的保存的数据相关，如果该存储位的数据为“1”，则
8、该元件处于“通”状态，如果该位数据为“0”，则表示处于“断”状态。与电气元件实际的通断状态不同。,梯形图中继电器元件状态切换过程不同于电气元件梯形图中继电器元件的状态切换只是PLC对存储位的状态数据的操作，如果PLC对常开触头等效的存储位数据赋值为“1”，就完成动合操作过程，同样如对常闭触头等效的存储位数据赋值为“0”，就可完成动断操作过程，切换操作过程没有时间延时。而电气元件线圈、触头进行动合或动断切换时，必定有时间延时，且一般要经过先断开后闭合的操作过程。梯形图中继电器所属触头数量与电气元件不同如果PLC从输入继电器I0.0相应的存储位中取出了位数据“0”，将之存入另一个存储器中的一个存储
9、位，被存入的存储位就成了受I0.0继电器控制的一个常开触头，被存入的数据为“0”；如在取出位数据“0”之后先进行取反操作，再存入一个存储器的一个存储位，则该位存入的数据为“1”，该存储位就成了受继电器I0.0控制的一个常闭触头。,只要PLC内部存储器足够多，这种位数据转移操作就可无限次进行，而每进行一次操作，就可产生一个梯形图中的继电器触头，由此可见，梯形图中继电器触头原则上可以无限次反复使用。但是PLC内部的线圈通常只能引用一次，如需重复使用同一地址编号的线圈应慎之又慎。与PLC不同的是电气元件中触头数量是有限的。梯形图每一行画法规则为从左母线开始，经过触头和线圈（或功能方框），终止于右母线
10、。一般并联单元画在每行的左侧、输出线圈则画在右侧，其余串联元件画在中间。,3. PLC工作过程 PLC上电后，在系统程序的监控下周而复始地按一定的顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行等，见图4-9所示。 1)上电初始化 2)CPU自诊断 3)与外部设备通信 4)扫描过程,1）上电初始化 PLC上电后，首先对系统进行初始化，包括硬件初始化，I/O模块配置检查、停电保持范围设定及清除内部继电器、复位定时器等。2）CPU自诊断 在每个扫描周期须进行自诊断，通过自诊断对电源、PLC内部电路、用户程序的语法等进行检查，一旦发现异常，CPU使异常继电器接通，PLC面板上的异常指示灯LED亮，内部特
11、殊寄存器中存入出错代码并给出故障显示标志。如果不是致命错误则进入PLC的停止（STOP）状态；如果是现致命错误时，则CPU被强制停止，等待错误排除后才转入STOP状态。,3）与外部设备通信 与外部设备通信阶段，PLC与其他智能装置、编程器、终端设备、彩色图形显示器、其他PLC等进行信息交换，然后进行PLC工作状态的判断。PLC有STOP和RUN两种工作状态，如果PLC处于STOP状态，则不执行用户程序，将通过与编程器等设备交换信息，完成用户程序的编辑、修改及调试任务；如果PLC处于RUN状态，则将进入扫描过程，执行用户程序。4）扫描过程 以扫描方式把外部输入信号的状态存入输入映像区，再执行用户
12、程序，并将执行结果输出存入输出映像区，直到传送到外部设备。PLC上电后周而复始地执行上述工作过程，直至断电停机。,1）输入采样阶段 2）程序执行阶段 3）输出处理阶段,4.用户程序循环扫描,1）输入采样阶段 CPU将全部现场输入信号，如按钮、限位开关、速度继电器的通断状态经PLC的输入接口读入映像寄存器，这一过程称为输入采样。输入采样结束后进入程序执行阶段后，期间即使输入信号发生变化，输入映像寄存器内数据不再随之变化，直至一个扫描循环结束，下一次输入采样时才会更新。这种输入工作方式称为集中输入方式。 2）程序执行阶段 PLC在程序执行阶段，若不出现中断或跳转指令，就根据梯形图程序从首地址开始按
13、自上而下、从左往右的顺序进行逐条扫描执行，扫描过程中分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中将有关编程元件的状态数据“0”或“1”读出，并根据梯形图规定的逻辑关系执行相应的运算，运算结果写入对应的元件映像寄存器中保存。而需向外输出的信号则存入输出映像寄存器，并由输出锁存器保存。,3）输出处理阶段 CPU将输出映像寄存器的状态经输出锁存器和PLC的输出接口传送到外部去驱动接触器和指示灯等负载。这时输出锁存器保存的内容要等到下一个扫描周期的输出阶段才会被再次刷新。这种输出工作方式称为集中输出方式。,4）PLC扫描过程示例 梯形图将以指令语句表的形式存储在PLC的用户程序存储器中。指令语
14、句表是PLC的另一种编程语言，由一系列操作指令组成的表描述PLC的控制流程，不同的PLC指令语句表使用的助记符并不相同。采用SIEMENS S7-300系列PLC指令语句表编写的电动机全压起动梯形图的功能程序如下：A（O I0.0 /取I0.0，存入运算堆栈；O Q0.0 /Q0.0和堆栈内数据进行或运算，结果存入堆栈；）AN I0.1 /I0.1取非后和堆栈内数据进行与运算，结果存入堆栈；AN I0.2 /I0.2取非后和堆栈内数据进行与运算，结果存入堆栈；= Q0.0 /将堆栈内数据送到输出映像寄存器Q0.0；A Q0.0 /取出Q0.0数据存入堆栈；= Q0.1 /将堆栈内数据送到输出映
15、像寄存器Q0.1；MEND /主程序结束。,指令语句表是由若干条语句组成的程序，语句是程序的最小独立单元。每个操作功能由一条或几条语句执行。PLC语句由操作码和操作数两部分组成。操作码用助记符表示（如A表示“取”、O表示“或”等），用于说明要执行的功能，即告之CPU应执行何种操作。操作码主要的功能有逻辑运算中的与、或、非，算术运算中的加、减、乘、除，时间或条件控制中的计时、计数、移位等功能。操作数一般由标识符和参数组成。标识符表示操作数的类别，例如输入继电器、输出继电器、定时器、计数器、数据寄存器等；而参数表示操作数的地址或一个预先设定值。,以电动机全压起动PLC控制系统为例，在输入采样阶段，
16、CPU将SB1、SB2和FR的触头状态读入相应的输入映像寄存器，外部触头闭合时存入寄存器的是二进制数“1”，反之存入“0”。输入采样结束进入程序执行阶段，见图4-11。执行第1、2条指令时，从I0.0对应的输入映像寄存器中取出信息“1”或“0”，并存入称为“堆栈”的操作器中。执行第3条指令时，取出Q0.0对应的输出映像寄存器中的信息“1”或“0”，并与堆栈中的内容相“或”，结果再存入堆栈中（电路的并联对应“或”运算）。,执行第4条、第5条指令时，先取出I0.1的状态数据进行非运算，再和堆栈中的数据相“与”后存入堆栈，然后取出I0.2的状态数据进行取非运算，再和堆栈中的数据相“与”后再次存入堆栈（电路中的串联对应“与”运算）。执行第6条时，将堆栈中的二进制数据送入Q0.0对应的输出映像寄存器中。执行第7条指令时，取出Q0.0输出映像寄存器中的二进制数据存入堆栈。执行第8条指令时，取出堆栈中的二进制数据送入Q2.0对应的映像寄存器中。执行第9条指令，结束用户程序的一次循环扫描过程，开始下一次扫描过程。在输出处理阶段，CPU将各输出映像寄存器中的二进制
