电气控制与plc应用技术教程——可编程控制器的基础知识

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1、电气控制与PLC应用技术教程可编程控制器的基础知识全有文档 可编程控制器的基础知识PLC实质上是一种工业专用的计算机， 它比一般的计算机具有更强的与工业过 程相连接的接口，更能适应于工业控制 要求的编程语言。PLC系统的实际组成与计算机控制系统 的组成基本相同，也是由硬件系统和软 件系统两大部分组成。3.1 PLC的硬件结构中央处理器（CPU ） 存储器 输入输出单元及 接口 电源等组成 各部分之间都通过 总线连接，总线分 电源总线、控制总 线、地址总线和数 据总线。 3.1.1 中央处理器（CPU ）PLC中所采用的CPU随机型不同而有所不 同，常有三种：通用微处理器，单片微处 理器芯片，

2、位片式微处理器。 3.1.1 中央处理器（CPU ）主要作用有： （1）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。 （2）用扫描的方式接收现场输入设备状态或数据，并 存入输入映像寄存器或数据寄存器中。 （3）检查电源、PLC内部电路工作状态和编程过程中 的语法错误等。 （4） PLC进入运行状态后，从存储器中读取用户程序 并进行编译，执行并完成用户程序中规定的逻辑或 算术运算等任务。 （5）根据运算的结果，完成指令规定的各种操作，再 经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等 功能。 3.1.2 存储器 存储器有两种，一种是可进行读写 操作的随机存取的存储器RAM；另一 种为只能读出不能写入的

3、只读存储器 ROM，包括PROM，EPROM， EEPROM 3.1.2 存储器PLC配有系统程序存储器（EPROM或 EEPROM）和用户程序存储器（RAM）。系统存储器用来存储系统程序，而系统程序 不需要用户干预用户存储器用来存放用户编写的应用程序或 用户数据（如控制过程中需要不断改变的信 息、输入、输出信号、定时值、计数值等） ，存于RAM中的程序可随意修改。当用户程 序确定不变后，可将其固化在只读存储器中 。3.1.2 存储器EPROM存储器是一种由用户根据需要 编程，可以反复修改的只读存储器。当用户程序确定不变后，可将其固化在 EPROM存储器中。写入时加高电平， 擦除时用紫外线照射

4、。而EEPROM存储 器除可用紫外线照射擦除外，还可用电 擦除。3.1.2 存储器RAM一般分为程序存储区和数据存储区。程 序存储区用以存储用户程序，数据存储区用 以存储输入、输出与接点和线圈的状态以及 特殊功能要求的有关数据。现在许多PLC直 接采用EEPROM作为用户程序存储器。PLC中已提供了一定容量的存储器供用户使 用，若不够用，大多数PLC还提供了存储器 扩展功能。3.1.3 输入输出(I/O)接 口 I/O接口是PLC与工业生产现场被控对象之间 的连接部件。 I/O接口的输入/输出信号有：数字量、开关量 和模拟量三种形式，用户涉及量最多的是开 关量。PLC的对外功能就是通过各类IO

5、接 口的外接线，实现对工业设备或生产过程的 检测与控制。 I/O接口一般都具有光电隔离和滤波，其作用 是把PLC与外部电路隔离开来，以提高PLC 的抗干扰能力。3.1.3 输入输出(I/O)接 口PLC开关量输出接口按输出开关器件的种类不同常有 三种形式： 继电器输出型，CPU输出时接通或断开继电器的线 圈，继电器的触点闭合或断开，通过继电器触点控 制外部电路的通断，既可带直流负载，也可带交流 负载； 晶体管输出型，通过光耦合使开关晶体管截止或饱 和导通以控制外部电路，只能带直流负载； 双向晶闸管输出型，采用的是光触发型双向晶闸管 ，只能带交流负载。 继电器输出型有较大的输出电流，而晶体管输出

6、型 和双向晶闸管输出型的输出电流都较小。1.开关量输入接口(1)直流输入接口当输入端的开关接通时， 光电耦合器导通，输入信 号送入PLC用户程序的数 据存储区，以供CPU作逻 辑或数值运算用，同时 LED指示灯亮，显示输入 端接通。接口电路所使用 的电源，一般由PLC内自 身的电源供给，但也有的 PLC要由用户提供，称为 用户电源。 1.开关量输入接口(2)交流直流输入接口各输入电路只能有一个公共端 子，称为汇点输入方式也可能没有公共端子，彼此独 立，互不影响，称为分隔式输 入方式。其工作原理与直流输入接口基 本相同，所不同的是外接电源 除直流电源外，还可用12 24V交流电源。 1.开关量输

7、入接口(3)交流输入接口为减少高频信号串入，电路 中设有高频去耦电路。 2.开关量输出接口开关量输出接口的作用是将PLC的输入 信号，即用户程序的逻辑运算结果传给 外部负载即用户输出设备，并将PLC内 部的低电平信号转换为外部所需要电平 的输出信号，并具有隔离PLC内部电路 与外部执行元件的作用。2.开关量输出接口(1)直流输出接口(晶体管输出型)当需要某一输出端产生 输出时，由CPU控制， 将用户程序数据区域相 应的运算结果调至该路 输出电路，输出信号经 光电耦合器输出，使晶 体管导通，并使相应的 负载接通，同时输出指 示灯亮，指示该路输出 端有输出。负载所需直 流电源由用户提供。2.开关量

8、输出接口(2)交流输出接口(晶闸管输出型) 当需要某一输出端产生 输出时，由CPU控制， 将用户程序数据区域相 应的运算结果调至该路 输出电路，输出信号经 光电耦合器输出，使晶 体管导通，并使相应的 负载接通，同时输出指 示灯亮，指示该路输出 端有输出。负载所需交 流电源由用户提供。 2.开关量输出接口 (3)交/直流输出接口(继电器输出型)采用继电器作开关器 件，既可带直流负载 ，也可带交流负载 2.开关量输出接口为了满足工业自动化生产更加复杂的控制 需要，PLC还配有很多I/O扩展模块接口。2.开关量输出接口3.1.4电源PLC一般采用高质量的开关式稳压电源 为内部电路供电，向CPU、存储

9、器及输 入输出接口提供各自所需的直流电压 。电源的性能将直接影响PLC的功能和 工作的可靠性。 3.1.5编程器编程器是PLC的一个附件，主要由键盘 、显示器、工作方式选择开关和外存储 器插口等部件组成，用于向PLC的用户 存储器编写、输入、调试程序。PLC运 行时，可通过编程器测试、监控PLC的 输入输出接点及其它内部资源的状态。 3.2 PLC的软件 PLC的软件是其工作所用各种程序的组 合，包括系统软件和应用软件。3.2.1系统软件PLC的系统软件主要是系统的管理程序 和用户指令的解释程序，由PLC的制造 厂家编写，已固化在系统程序存储器中 ，用户不能直接读写和修改。它一般包 括系统诊断

10、程序、编译程序、信息传送 程序、监控程序等。3.2.2应用软件应用软件又称用户程序，是用户根据现场不 同的控制要求，用PLC的编程语言编制的应 用程序，这相当于设计接触器继电器控制 系统的控制电路图。程序由编程器输入到 PLC的内存中，可以方便地读出、检查和修 改。PLC的编程语言有很多种，不同的PLC厂家 采用的编程语言有所不同，但基本可分为两 大类：一是用文字符号来表达程序，二是用 图形符号来表达程序。 1.梯形图语言梯形图编程语言（Ladder Diagram）。这是目前PLC使用最 广、最受电气技术人员欢迎的一种编程语言。因为，梯形图 不但与传统继电器控制电路图相似，设计思路也与继电器

11、控 制图基本一致，还很容易由电气控制线路转化而来。逻辑关 系清晰直观，编程容易，可读性强，容易掌握，通过丰富的 指令系统可实现许多接触器继电器电路难以实现的功能， 充分体现了微机控制的特点。 (a)继电器控制电路图 (b)梯形图 图3.9 继电器控制电路图与梯型图的对比1.梯形图语言(1) PLC梯形图与继电器控制电路图的比较控制电路采用硬接线将各种继电器及触点按一 定的要求连接而成，所以接线复杂且故障点 多，同时不易灵活改变。由PLC构成的控制系统，它的控制部分采用“可 编程”的PLC，而不是实际的继电器线路。因 此，PLC控制系统可以方便地通过改变用户 程序，以实现各种控制功能，1.梯形图

12、语言由于PLC的用户程序（软件）代替了继 电器控制电路（硬件）。因此，对于使 用者来说，可以将PLC等效成是许许多 多各种各样的“软继电器”和“软接线”的 集合，而用户程序就是用“软接线”将“ 软继电器”及其“触点”按一定要求连接 起来的“控制电路”。 1.梯形图语言PLC 梯形图构成的基本规则 梯形图中PLC 的内部寄存器触点的基本符号有 两种：动合触点及动断触点。同一标号的触点可反 复多次地使用。 梯形图中的输出“线圈”也用符号表示,同一标号 的输出继电器作为输出变量只能够使用一次，但其 触点可反复多次地使用。 梯形图按从左至右、从上至下的顺序画出,每一 逻辑行必须从起始母线开始画起，左侧

13、先画动合触 点或动断触点,并注意要把并联接点多的画在最左端 ；最右侧是输出变量（即输出继电器“线圈”），输出 变量可以并联但不能串联。在输出变量的右侧也不能有动合触点或动断触点 梯形 图构成的一个原则是：“左重右轻，上重下轻”。2. 助记符语言（指令语句 表）对于小型PLC在生产现场编制、调试程序时，可使用 手持编程器进行，但它的屏幕较小，只能采用助记 符语言来表示操作命令输入到PLC中。它类似于微机 的汇编语言，但更为简单易于使用。地址 操作码 操作数 0 LD X001 1 OR Y001 ANI X002 OUT Y001 4 LD X003 5 OUT Y002 6 END3. 功能表

14、图语言功能表图语言是一种较新的编 程方法，又称状态流程图语言 。对于控制要求比较高的场合 ，一般采用状态流程图方法设 计用户程序。它将一个完整的 控制过程分为若干状态步，各 状态步具有不同的动作，它们 之间有一定的转换条件，转换 条件满足就实现状态转移，上 一状态动作结束，下一状态动 作开始。 3.3PLC的工作方式PLC确定了工作任务，装入了专用程序 成为一种专用机，它采用循环扫描的工 作方式，系统工作任务管理及用户程序 的执行都通过循环扫描的方式来完成， 也称为循环扫描的工作机制。 3.3PLC的工作方式PLC 的工作过程可以分为四 个阶段： 一般内部处理扫描阶段 通信服务与自诊断阶段 执

15、行用户程序扫描阶段 数据输入/输出扫描阶段 3.3.1 输入处理阶段在输入处理阶段，PLC以扫描工作方式按顺序对所有 输入端的输入信号（开或关）读入到与之对应的输 入映像寄存器中寄存起来，此时输入映像寄存器被 刷新。接着进入程序处理阶段，在程序执行阶段或 其它阶段，即使输入状态发生变化，输入映像寄存 器的内容也不会改变，输入状态的变化只有在下一 个扫描周期的输入处理阶段才被重新读入 .3.3.2 程序执行阶段在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描执行。 若程序用梯形图来表示，则按先上后下，先左后右 的顺序进行。每扫描到一条指令时，所需要的输入 状态或其它元素的状态分别由输入映像寄存器和元 素映像寄存器中读出，然后作由程序确定的逻辑运 算或其它数字运算，最后根据程序中有关的指令将 运算结果存入确定的输出映像区有关单元。 3.3.3 输出处理阶段当所有程序执行完毕后，进入输出处理阶段。此 时PLC将输出映像寄存器中与输出有关的状态（ 输出继电器状态）转存到输出锁存器中，并通过 一定方式输出，驱动用户输出设备（外部负载） ，这就是PLC的本次工作周期运行结果的实际输