机床电气plc基本原理

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1、机床电气PLC基本原理内容提要： 主要介绍了PLC组成,工作原理 ,指令系统 ,梯形图设计方法，SFC设计方法 。 基本要求：1、了解PLC的组成，掌握PLC的工作原理。2、掌握指令的使用方法，梯形图的设计方法3、理解并掌握SFC设计方法。 Date1 概述可编程控制器 (PLC)是非常有用的工业 控制装置。每个工业控制工程师都应该学 会使用PLC，从而使机器能够自动运行，提 高工作效率和质量，提高产量。Date1.1可编程控制器的定义和发展 史 最初，可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，主要用于顺序控制，虽 然 采用了计算机的设计思想，但

2、是实际上只能进行 逻 辑运算。但是为了和个人计算机（Personal Computer） 的 简称PC相区别，人们常常把可编程控制器仍简称 为 PLC。 国际电工委员会（IEC）于1987年对PLC定义 如 下：DatePLC是专为在工业环境下应用而实际的一种数 字 运算操作的电子装置，是带有存贮器、可以编制 程 序的控制器。它能够存贮和执行指令，进行逻辑 运 算、顺序控制、定时、计数和算术等操作，并通 过 数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机 械 和生产过程。PLC及其有关的外围设备，都应按易 于 与工业控制系统形成一体、易于扩展其功能的原 则 设计。Date PLC就是以嵌入式CPU

3、为核心，配以输入、输出 等模块，可以方便的用于工业控制领域的装置。 PLC 与机器人、计算机辅助设计与制造一起称为现代 业的三大支柱。 1969年，美国数字设备公司研制出了世界上第 一 台PLC，型号为PDP-14。 第一代PLC：从第一台PLC诞生到70年代初期。 其 特点是：CPU由中小规模集成电路组成，存储器为 磁 芯存储器。 第二代PLC：70年代初期到70年代末期。其特点 是：CPU采用微处理器，存储器采用EPROM。Date 第三代PLC：70年代末期到80年代中期。其 特点是：CPU采用8位和16 位微处理器，有些 还采用多微处理器结构，存储器采用EPROM、 EAROM、CMO

4、SRAM等。 第四代PLC ：80年代中期到90年代中期。PLC全面使用8位、16位微处理芯片的位片式芯 片 ，处理速度也达到1us/步。 第五代PLC：90年代中期至今。PLC使用16位和 32 位的微处理器芯片，有的已使用了RISC芯片。Date 1.2可编程控制器的应用领域与发展趋势PLC发展方向主要有以下几个方面小型、微型化 大型、超大型化 智能化 CPU能力更强 支持更多的工业总线 编程软件标准化 人机交流功能增强 数据处理能力大大增强Date1.3 可编程控制器的控制系统与电气控 制系统的比较 PLC控制系统和电气控制系统的电路形式和符号 基本相同，相同电路的输入和输出信号也基本相

5、 同，但是它们的控制的实现方式是不同的。 电气控制系统中的继电器触点在PLC中是存储器 中 的“数”，继电器的触点数量有限，设计时需要 合 理分配使用继电器的触点，而PLC中存储器的“数 ” 可以反复使用，因为控制中只使用“数”的状态 “1”或“0”。 电气控制系统中梯形图就是电线连接图，施工 费 力 ，更改困难，而PLC中的梯形图是利用计算机 制 作的，更改简单，调试方便。Date 电气控制系统中继电器是按照触点的动作顺序 和时间延迟，逐个动作。而PLC是按照扫描方式工 作，首先采集输入信号，然后对所有梯形图进行 计 算。当计算完成后，将计算结果输出，由于PLC的 扫 描速度快，输入信号的变

6、化到输出信号的改变似 乎 是在一瞬间完成。 梯形图左右两侧的线对电气控制系统来说是系 统中继电器的电源线，而在PLC中这两根线已经失 去 了意义，只是为了维持梯形图的形状。Date PLC中的梯形图按行从上至下编写，每一 行 从左向右顺序编写，在电气控制系统中，控 制电路的动作顺序和梯形图编写的顺序无 关，而PLC中对梯形图的执行顺序与梯形图 编 写的顺序一致，因为PLC视梯形图为程序。Date 梯形图的最右侧必须连接输出元素，在电气控 制系统中，梯形图的最右侧是各种继电器的线 圈， 而在PLC中，在梯形图最右侧可以是表示线 圈 的存储器“数”，还可以是计数器、定时器、数据传 输、译码器等PL

7、C中的输出元素或指令。 梯形图中的触点可以串联和并联，输出元素在 PLC中只允许并联，不允许串联。而在电气控制 系 统中，继电器线圈是可以串联使用的（只要所加 电 压合适）。 在PLC中的梯形图结束标志是END。Date2 PLC组成及各部分功能 从数字系统的角度来看，PLC其实就是一个单片 机系统。 PLC的基本组成PLC从结构上可分为整体式结构、模块式结 构 及混合式结构。整体式PLC硬件系统由CPU、存储 器、通信接口、输入输出电路和电源电路组成 ， 其 结构框图如图5-1所示；模块式PLC的各个部分都 是 模块，这些模块由PLC的系统连接，其结构框图如 图 5-2所示；Date图5-1

8、 整体式PLC图5-2 模块式PLCDate混合式PLC是由PLC主机和扩展模块组成，其中 ， PLC主机由CPU、存储器、通信电路、基本输入输 出 电路组成，而扩展模块可以是输入输出模块、模 拟 量模块、位置控制模块等，其结构框图如图5-3所 示。Date图5-3 混合式PLC结构Date2.2 PLC主机1、 CPU芯片CPU芯片是PLC的核心，所有PLC的动作(程序 输 入，程序执行，通信、自检等)都需要CPU芯片的 参 与。各个公司的PLC的CPU芯片类型不同，一般 是8 位或16位单片机。2、存储器PLC中的存储器用于存放以下内容：Date1）系统程序。系统程序是PLC生产厂赋予PL

9、C功 能 的程序。由于有了系统程序，单片机组成的系统 ， 就变成了PLC。 2）用户程序。用户程序就是使PLC发出动作进行 工 业控制的程序。 3）数据。数据包括PLC运行中的各种数据。例如 ， I/O、定时、计数、保持、模拟量、各种标志等。一般PLC的系统程序存放在EEPROM中，而用户程序和数据放在后备电池支持的RAM中。 Date3、I/O电路I/O电路是PLC与现场工业设备连接的电路， 现场开关量（行程开关、传感器等）信号通过I/O电 路输入PLC，而PLC输出的开关（例如，继电器、晶 体管等）信号从PLC输出到工业设备（例如，电磁铁 、电机等）。4、通讯接口一般PLC的CPU模块上至

10、少有一个RS232通信口 或者是RS485通信口。PLC可以同过RS232通信口直接 和上位计算机通信。若是RS485通信口，则和上位计 算机通信时需要一个连接器。无论是RS232或是 RS485通信口都可以和PLC配套的编程器通信。 PLC 上 还有通信模块，通过这些模块，PLC可以组成网络或 下位上位的分散控制系统 。Date5、电源模块PLC电源的输入电压有直流12V、24V 、48V和 交流110V、220V，使用时根据需要选择。由 于PLC中 的电源都是开关式电源，所以在输入电压大 幅度波 动时，PLC仍能够稳定的工作。 电源模块的输出一般为直流5V和24V，它 们向PLC 的CPU

11、、存储器等提供工作电源Date2.3 特殊功能单元特殊功能单元包括高密度I/O单元、模拟 I/O单元、模糊单元、温度传感单元、温度 控 制单元、热冷控制单元、凸轮控制单元、 PID 单元、位置控制单元、高速计算单元和语言 单元等。这些单元越多，说明PLC的功能越 强。 Date2.4编程器和其他外设备编程器是PLC常用的外部设备。用户通过编程 器编写控制程序，并通过通信单元（编程器接口 ） 将程序装入PLC。编程器可以监控PLC的运行。 随 着计算机的价格下降，计算机配编程器软件后， 成 为一个功能强大的编程器。在计算机上可以对 PLC 进行设置、编程、调试、监控、显示、打印等功 能。PLC还

12、有一些其他外部设备如人机接口（又 叫 操作员接口，用来实现操作员和PLC之间的对话 和 交互作用）、外存储器、打印机、EPROM写入器 等。Date3 PLC的工作原理 3.1 PLC控制系统的等效工作电路如图5-4所示是采用继电器控制来实现KM1和 KM2电机的转动。控制功能：按下启动按钮SB1，电机M1 开始 运 转，过10s秒钟后，电机M2开始运转；按下停止 按钮SB2，电机M1 、M2同时停止运转。Date（a）控制线路（b）电机主电路图5-4 继电器实现电机的转动Date采用PLC来实现同样的功能，其等效电路图如图 5-5图5-5 PLC实现电机转动的等效电路图Date3.2可编程控

13、制器的工作过程 与其它控制装置一样，PLC根据输入信号的状 态，按照控制要求进行处理判断，产生控制输 出。PLC采用循环扫描的工作方式，其过程分 为读输入、程序执行、写输出三个阶段，整个 过程进行一次所需要的时间称为扫描周期。 图5-6是欧姆龙公司的小型机CPM1A的三个工作 过程。Date图5-6 PLC的三个工作过程Date1）读输入（输入刷新）阶段PLC在读输入阶段，以扫描的方式依次地读 入 所有输入信号的通/断状态，并将它们存入存储器 输 入暂存器的相应单元内，这部分存储区也被特别称 为输入映像区。在读输入结束后，PLC转入用户程 序执行阶段。 2）用户程序执行阶段PLC在程序执行阶段

14、，按照先后次序逐条执 行 用户程序指令，从输入映像存储区中读取输入状 态、上一扫描周期的输入状态以及定时器、计数器 状态等条件。Date根据用户程序进行逻辑运算，不断得到运算结 果，一步步运算得到的结果并不直接输出，而是 将 其对应地先存入输出暂存区的相应单元中，输出 暂 存区也称为输出映像区，直到用户程序全部被执 行 完。用户程序执行完，得到最后的可以输出的结 果。本扫描周期内的用户程序执行阶段结束， PLC 转入写输出阶段。 3）写输出（输出刷新）阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新 阶 段，在此期间PLC根据输出映像区中的对应状态 刷 新所有的输出锁存电路，再经隔离驱动到输出端

15、 子，向外界输出控制信号，控制指示灯、电磁阀 、 接触器等。这才是PLC的实际输出。Date3.3 PLC的扫描周期及响应时间 PLC的扫描周期是指PLC一次完成读输入、程序 执行、写输出三个阶段所需要的时间。 响应时间的大小与如下因素有关：输入电路的时间常数；输出电路的时间常数；用 户语句的安排和指令的使用；PLC的循环扫描方 式；PLC对I/O的刷新方式。 PLC是循环扫描工作方式，响应时间与收到输 入信号的时刻有关，在此给出最短和最长响应时 间。Date1) 最短响应时间 如果n-1个扫描周期刚刚结束时，收到一个输入 信 号，则第n个扫描周期一开始，这个信号就被采样 ， 使输出更新，这时

16、响应时间更短，如图所示。如 果 考虑到输入电路造成的延迟和输出电路造成的延 迟，最短响应时间可以用下式表示： 最短响应时间=输入延迟时间 + 一个扫描周期 + 输出延迟时间Date 图5-7 最短响应时间Date2）最长响应时间 如果在第n个扫描刚执行完输入刷新后，输入发 生了变化，在该扫描周期内这个信号不会发生作 用，要n+1个扫描周期的输入刷新阶段才能采样到 输入变化，在输出刷新阶段输出做出反应，这时 响 应时间最长，可用下式表示： 最长响应时间=输入延迟时间 + 两个扫描周期 + 输出延迟时间。Date图5-8 最长响应时间Date3.4 PLC的内部器件（以欧姆龙公司C200HX/HG/HE系列的PLC 为例） 1、电源单元 电源单元向CPU和I/O单元提供电源，电源单元 有直流（DC）和交流（AC）两种输入，可以按照 要求来选择。 电源电压为100120V的交流电源，允许波动 8