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1、第四章 PLC结构和工作原理,4.1 PLC概述 4.2 PLC基本结构 4.3 PLC的工作原理,4.1.1 可编程序控制器的基本概念 4.1.2 PLC的主要功能和特点 4.1.3 PLC的应用领域和发展趋势,4.1 PLC概述 PLC: Programmable Logic Controller,4.1.1 可编程序控制器的基本概念,一 可编程序控制器的产生,1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM公司)为了适应生产工艺不断更新的需要，期望找到一种新的方向，尽可能减少重新设计继电控制系统和重新接线的工作，以降低成本、缩短周期，设想把计算机通用、灵活、功能完备等优点和继电控制系统
2、的简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使得不熟悉计算机的人也能方便地使用。为此进行招标，1969年，美国数字设备公司(DEC公司)研制出了第一台可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)，在GM公司的自动装配线上试用获得了成功。,二 PLC中的几个基本概念,1 继电器：它在PLC中也称编程元件，它包括线圈、常开触点和常闭触点。 常开触点：常用符号为 ，受PLC输入开关量或PLC内部相应线圈的控制，当PLC输入接通或相应的线圈通过电流时
3、，此触点闭合。 常闭触点：常用符号为 ，受控方式与常开触点相同，只是当PLC输入接通或相应线圈通电时，此触点断开。 线圈：PLC中也称逻辑线圈，常用符号为，在PLC中用它作为输出元件，以控制外部设备(如电磁阀、接触器、指示灯等)；也可以用来控制PLC内部的其他触点，以构成复杂的控制逻辑。,(2) 定时器：它的作用与继电器控制中的延时继电器或时间继电器相同。常见的定时单位有0.1 s、0.01 s几种，其符号因型号不同各异。日本立石公司C系列机用下列符号表示：,TIM 02,TIM ,#,#0142,(定时预置值),符号 例子,其中圆内“”表示定时器(TIM)的编号，圆外#号后的“”表示定时预置
4、值，定时时间=定时预置值定时单位。例中的定时器为02号，若PLC内部规定的定时单位为0.1 s，则定时时间1420.1 s=14.2 s。,(3) 计数器：它的作用是每当其计数输入端由断开(OFF)到接通(ON)时，计一个数，即计数器记录的是其输入由断到通的次数。当计数值与预置值相等时，计数器导通。有的PLC(如C40P)计数端由断到通时，自动减一个数，当计数值由预置值减到0时，计数器导通，其相应的触点接通或断开，可用来控制其他元件。C系列PLC常用下列符号表示计数器：,计数端,复位端,CP CNT R,#(计数预置值),(4) 其他元件：如时序器、加法器、数据存储器、编码器、减法器、译码器等
5、。 上述元件在PLC内部都是由软件实现的，并不存在它们的物理实体，因此常称之为“虚拟元件”或“软元件”。将它们相互连接构成复杂控制逻辑的过程称为“软连接”，放入PLC后则是一段程序,(5) 梯形图(Ladder Diagram)：,【例】 交流电机单向运转的启停控制。,PLC控制的接线图,PLC梯形图,PLC控制的助记符程序,4.1.2 PLC的主要功能和特点,一 PLC的主要功能,1步进顺序控制 2限时控制 3条件控制 4计数控制 5模/数和数/模转换,6数据处理 7通信和联网 8冗余控制 9监控功能 10其他功能,二 PLC的特点,1与继电器控制逻辑相比较 控制逻辑：继电器控制逻辑采用硬接
6、线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其连线多而复杂，体积大，功耗大，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。另外继电器触点数目有限，每只一般只有48对触点，因此灵活性和扩展性都很差。而PLC采用存储逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序，故称为“软接线”，其连线少，体积小，加之PLC中每只软继电器的触点数理论上无限制，因此灵活性和扩展性都很好。PLC由中大规模集成电路组成，功耗小。, 工作方式：当电流接通时，继电控制线路中各继电器都处于受约状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合。而PLC的控制逻
7、辑中，各继电器都处于周期性循环扫描接通之中，从宏观上看，每个继电器受制约接通的时间是短暂的。 控制速度：继电控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低。触点的开闭动作一般在几十毫秒数量级。另外机械触点还会出现抖动问题。而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微秒数量级。PLC内部还有严格的同步，不会出现抖动问题。, 限时控制：继电控制逻辑利用时间继电器的滞后动作进行限时控制。时间继电器一般分为空气阻尼式、电磁式、半导体式等，其定时精度不高，定时时间易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难。有些特殊的时间继电器结构复杂，不便维护。 PLC使用半
8、导体集成电路作定时器，时基脉冲由晶体振荡器产生，精度相当高，定时范围一般从0.1 s到若干分钟甚至更长，用户可根据需要在程序中设定定时值，然后由软件和硬件计数器来控制定时时间，定时精度小于10 ms且定时时间不受环境的影响。, 计数控制：PLC能实现计数功能，而继电控制逻辑一般不具备计数控制功能。 设计与施工：使用继电控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，而且修改困难。工程越大，这一点就越突出。而用PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计(包括梯形图和程序设计)可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。, 可靠性和可维护性：继电控制逻辑
9、使用了大量的机械触点，连线也多。触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，它体积小、寿命长、可靠性高。PLC还配备有自检和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。 价格：继电控制逻辑使用机械开关、继电器和接触器，价格比较便宜。而PLC使用中大规模集成电路，价格比较昂贵。,2. 与微型计算机相比较 应用范围：微机除了用在控制领域外，还大量用于科学计算、数据处理、计算机通信等方面。而PLC主要用于工业控制。 使用环境：微机对环境
10、要求较高，一般要在干扰小、具有一定的温度和湿度要求的机房内使用。而PLC适应于工程现场的环境。 输入输出：微机系统的I/O设备与主机之间采用微电联系，一般不需要电气隔离。而PLC一般控制强电设备，需要电气隔离，输入输出均用“光电”耦合，输出还采用继电器，可控硅或大功率晶体管进行功率放大。, 程序设计：微机具有丰富的程序设计语言，例如汇编语言，FORTRAN语言、COBOL语言、PASCAL语言、C语言等，其语句多，语法关系复杂，要求使用者必须具有一定水平的计算机硬件和软件知识。而PLC提供给用户的编程语句数量少，逻辑简单，易于学习和掌握。 系统功能：微机系统一般配有较强的系统软件，例如操作系统
11、，能进行设备管理、文件管理、存储器管理等。它还配有许多应用软件，以方便用户。而PLC一般只有简单的监控程序，能完成故障检查、用户程序的输入和修改、用户程序的执行与监视等功能。, 运算速度和存储容量：微机运算速度快，一般为微秒级。因有大量的系统软件和应用软件，故存储容量大。而PLC因接口的响应速度慢而影响数据处理速度。一般接口响应速度为2 ms，PLC巡回检测速度为每千字8 ms。PLC的指令少，编程也简短，故内存容量小。 价格：微机是通用机，功能完善，故价格较高。而PLC是专用机，功能较少，其价格是微机的十分之一左右。,3. 与单板(或单片)计算机比较, 不如PLC容易掌握： 不如PLC使用简
12、单： 不如PLC可靠：,4与集散系统比较 PLC是由继电控制逻辑发展而来的，而集散系统(TDCS)是由回路仪表控制发展而来。但两者的发展均与计算机控制技术有关。 早期PLC在开关量控制、顺序控制方面有一定优势，而集散系统在回路调节、模拟量控制方面有一定优势。,三 PLC的主要技术指标 1用户存储器容量 PLC中用户存储器一般由用户程序存储器和数据存储器组成，小型PLC的用户存储器容量多为几K字节，而大型PLC可达到几M字节。 2输入输出点数 输入输出的点数决定了PLC可控制的输入开关信号和输出开关信号的总体数量。 3扫描速度 扫描速度通常指PLC扫描1 K字节用户程序所需的时间，一般以ms/K
13、为单位。,4编程指令的种类和功能 某种程度上用户程序所完成的控制功能受限于PLC指令的种类和功能。PLC指令的种类和功能越多，用户编程则越方便简单。 5内部寄存器的配置和容量 用户编制PLC程序时，需要大量使用PLC内部的寄存器存放变量、中间结果、定时计数及各种标志位等数据信息。因此内部寄存器的数量直接关系到用户程序的编制。 6PLC的扩展能力 在进行PLC选型时，其扩展性是一个非常重要的因素。一般来说可扩展性包括存储容量的扩展、输入输出点数的扩展、模块的扩展、通信联网功能的扩展等。,4.1.3 PLC的应用领域和发展趋势,一、PLC的应用领域。如果按应用类型来划分，可编程序控制器的应用可分为
14、以下几个类型： (1) 开关逻辑和顺序控制：这是可编程序控制器最基本的控制功能，在工业场合应用最广泛，可代替继电器控制系统。开关量逻辑控制不但能用于单台设备，而且可用于生产线上。 (2) 过程控制：PLC通过模拟量I/O模块，可对温度、流量、压力等连续变化的模拟量进行控制。大中型PLC都具有PID闭环控制功能并已广泛地用于电力、化工、机械、冶金等行业。,(3) 运动控制：PLC可应用于对直线运动或圆周运动的控制，如数控机床、机器人、金属加工、电梯控制等。 (4) 多级控制网络系统：PLC之间、PLC与计算机之间及其他智能控制设备之间可以联网通信，实现远程数据处理和信息共享，从而构成工厂CIMS
15、/CIPS系统。,二 PLC的发展趋势,1小型化方向发展,目前的小型PLC大都局限在开关量输入输出，而且CPU和I/O部件组装在一个箱体内，今后的小型PLC也将增加模拟量处理功能，而且也将有灵活的组态特性，并且能与其他机型连用。在提高系统可靠性的基础上，产品的体积越来越小，功能越来越强。如OMRON公司新推出CPM1 PLC的体积约130 mm89 mm84 mm，可以放在手掌上，可连接的输入和输出为10点，并可以扩展到20、30乃至50点，支持91个指令编程，基本指令的执行时间为0.72s，特殊指令的执行时间也仅16.3s。,2大型化方向发展 主要有以下几个方面： 功能不断加强：不仅具有逻辑
16、运算、计数、定时等基本功能，还具有数值运算、模拟调节、监控、记录、显示、与计算机接口、通信等功能。 网络功能是PLC发展的一个重要特征。各种个人计算机，图形工作站、小型机等都可以作为PLC的监控主机或工作站，这些装置的结合能够提供屏幕显示、数据采集、记录保持、回路面板显示等功能。大量的PLC联网及不同厂家生产的PLC兼容性增加，使得分散控制或集中管理都能轻易地实现。, 应用范围不断扩大：不仅能进行一般的逻辑控制，种类齐全的接口模块还能进行中断控制、智能控制、过程控制、远程控制等。 用于过程控制的PLC往往对存储器容量及速度要求较高，为此，开发了高速模拟量输入模块，专用独立的PID控制器，多路转换器等，使得数字技术和模拟量技术在可编程序控制器中得到统一。采用软件、硬件相结合的方法，使得编程和接线都比过去用常规仪表控制要方便得多。, 性能不断提高
