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1、电力拖动与控制,第十章 可编程序控制器 （PLC）,主要内容,PLC的基本结构和工作原理 PLC的指令系统 机床电气的PLC控制技术,可编程序控制器（PLC）是为取代继电接触器控制系统而设计的一种新型工业控制装置，它可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数等各种功能。它具有通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程方便、体积小等一系列优点，已成为改造和研发机床等机电一体化产品最理想的首选控制器。,第一节 PLC的基本结构和工作原理,一、PLC的基本结构,目前PLC生产厂家很多，产品结构也各不相同，但其基本组成部分大致相同，如图10-1所示。 从图中可以看出，PLC主要由CPU、存储器、输入输出单元、
2、I/O扩展接口、外围设备接口和电源等部分组成。,图10-1 PLC的基本结构,1.CPU,CPU的功能是接收并存储用户程序和数据;接收现场输入装置的状态或数据；逐条读取用户程序、按指令规定的功能产生有关的控制信号,开启或关闭相应的控制门电路,分时分路地完成数据的存取、传送、组合、比较、变换等操作,完成用户程序中规定的各种运算等，更新有关标志位的状态和输出状态寄存表的内容，再由输出状态表的位状态或数据寄存器的有关内容实现输出控制、制表打印、数据通信等功能。,2.存储器,存储器用于存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。它包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。随机存取存储器有静态RA
3、M（SRAM）和动态RAM（DRAM）两种；只读存储器按其编程方式可分为掩膜只读存储器（ROM）、可编程只读存储器（PROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）和电擦除可编程只读存储器（E2PROM）。,系统程序是由PLC的制造厂家编写的,和PLC的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC运行的平台。用户程序是随PLC的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编写的应用程序。运行数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。,3.输入/输出（I/O）单元,I/O单元是CPU与工业现场装置之间的连接部件。PLC通
4、过输入接口把工业设备或生产过程的状态或信息送入CPU，通过用户程序的运行，把结果通过输出接口输出给执行机构。 PLC提供了具有各种操作电平与输出驱动能力的I/O接口和各种用途的功能接口供用户选用。一般PLC均配备I/O电平转换及电器隔离功能。,输入电平转换是用来将输入端的不同电压或电流信号源转换成微处理器所能接收的低电平信号；输出电平转换是用来将微处理器的低电平控制信号转换成控制设备所需的电压或电流信号；电气隔离是在微处理器与I/O回路之间采用的抗干扰措施。,4.电源,PLC配有开关式稳压电源模块，用来给PLC各模块的集成电路提供工作电源。电源输入类型有：交流电源（AC220V或AC110V）
5、，直流电源（常用的为DC24V）。,二、PLC的基本工作原理,PLC采用的是循环扫描工作方式。当PLC运行时，用户程序中有很多操作需要去执行，但CPU是不能同时去执行多个操作的，它只能按程序规定的顺序依次执行各个操作。这种按顺序执行操作的工作方式称为扫描工作方式。,1PLC的扫描工作方式,扫描从存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增的方向顺序逐条扫描用户程序，也就是按顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周而复始地重复。,PLC的扫描工作方式与继电器-接触器控制的工作原理不同。继电器-接触器控制采
6、用并行工作方式，如果某个继电器的线圈通电或断电，该继电器的所有触点都会立即同时动作；而PLC采用扫描工作方式，如果某个软继电器的线圈通电或断电，其所有的触点不会立即动作，必须等扫描到该点时才会动作。但由于PLC的扫描速度快，通常两者在I/O的处理结果上并没有差别。,PLC的一个扫描工作过程一般有五个阶段：内部处理阶段、通信处理阶段、输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段，如图10-2所示。整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期。扫描周期与CPU运算速度、PLC硬件配置及用户程序长短有关，典型值为1100ms。,2PLC的扫描工作过程,图10-2 PLC的工作过程,（1）内部处理阶段 在内
7、部处理阶段，进行PLC自检，监视内部硬件、用户程序存储器、I/O模块的状态等，若自诊断正常，继续向下扫描。,（2）通信处理阶段 在通信处理阶段，CPU自动监测并处理各种通信端口接收到的任何信息,即检查是否有编程器、计算机等通信请求,响应编程器输入的命令，更新编程器的显示内容等。,（3）输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC首先扫描所有的输入端子，按顺序将所有输入端的输入信号状态读入输入映像寄存区，此时输入映像寄存器被刷新。接着转入程序执行阶段，在程序执行期间，即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会发生改变，而要等到下一个工作周期的输入刷新阶段才能被读入。,（4）程序执行阶段 在程序执
8、行阶段，PLC根据用户输入的执行程序，从第一条指令开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。在扫描过程中如果遇到程序跳转指令，就会根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输出刷新阶段。,（5）输出刷新阶段 当程序中所有指令执行完毕后，PLC将输出状态寄存器中所有输出继电器的状态，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部负载，从而形成PLC的实际输出。,在上述5个阶段中，内部处理阶段、通信处理阶段为PLC公共处理阶段，与用户程序的执行无直接关联；输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段是PLC执行用户程序的3
9、个主要阶段，这3个阶段构成PLC一个工作周期，并循环执行。,三、PLC的常用编程语言,梯形图 梯形图沿用了继电接触器控制电路的符号,同时增加了一些继电接触器控制中没有的符号。,PLC的编程语言有梯形图、语句表、功能块图、顺序功能图和结构文本。其中,梯形图和功能块图为图形语言；语句表和结构文本为文字语言；顺序功能图为结构块控制流程图。,1）梯形图的表达形式,梯形图按照从左到右、从上而下的顺序排列，如图10-3所示。,最左边的竖线称为起始母线或左母线，或者简称母线。一般最右边还加上一条竖线，称为右母线。各个触点及线圈按照控制要求和一定的规则连接起来。从左母线开始，自左向右依次连接各个触点，最后以线
10、圈结束,称为一个逻辑行或一个梯级，整个图形呈阶梯形。,图10-3 梯形图,梯形图中的触点有常开、常闭两种，它们可以是PLC内输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、状态元件等的触点，每个触点都要标上自己的编号以示区别。,梯形图中的线圈，可以是输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等的线圈，每个线圈也要标上其编号。 编程时，可以通过编程器上的键盘将梯形图输入进去，同时梯形图在编程器的显示器或显示屏上显示出来。 2）梯形图语言的编程规则 （1）梯形图中的每个逻辑行，要以左母线为起点、右母线为终点（有时允许省略右母线）。,在一个逻辑行中，各种符号应从左到右横向排列。一行结束，才能自上而下
11、再排列下一行。,（2）线圈及命令框必须位于一行的最右端（或与右母线连接），在它们的右边不允许再有任何触点存在。线圈接通后，才能使对应的触点动作。,（3）触点可以任意串联或并联，但线圈只能并联而不能串联。,（4）同一个触点的使用次数不受限制，而同一线圈则一般不能重复使用。 （5）触点应画在水平线上，而不应画在垂直分支上。 （6）梯形图中，每行串联的触点数目和沿垂直方向的并联触点数目，理论上虽没有限制，但它们受所用编程器显示屏幕大小的限制，不同的编程器对此有不同的限定。,（7）当有几个串联支路相并联时，宜将含有触点最多的那个串联支路画在梯形图的最上面；当有几个并联电路相串联时，宜将含有触点最多的并
12、联支路画在梯形图的最左面。,（8）程序结束时要有结束标志END。 （9）梯形图中的元件，是PLC的内部的软元件而不是实际元件，用户程序执行时所依据的输入、输出状态，是相应映像寄存器中的状态，而不是PLC外接的实际开关在当时的状态 。,（10）PLC按照循环扫描方式沿梯形图从左到右、自上而下顺序执行程序。可以把左、右母线假想为火线、地线,有假想的电流在梯形图中流动,在每一行中只能自左向右;在母线则从上向下流。一段程序的执行结果,可以立即被其后的程序所利用。在这样的假想电流流动中,如果电流可以通过线圈流至右母线,则线圈就接通,相应的触点就动作。程序执行遇到END时,一个扫描周期中对用户程序的扫描就
13、结束,结果存在各元件的映像寄存器中。,（1）组成元件不同 继电接触器控制系统使用的继电器是真正存在的实物，它有真正的线圈和触点，各继电器间的连线也是真正的导线，母线间需施加真正的电源，元件及线路中有真正的电流流通。 梯形图是借用继电器、线圈、触点、母线、连线等概念及其图形符号，用图形的表达方式来描述逻辑运算关系和顺序控制的操作。,3）梯形图与继电接触器控制电路图的差别,梯形图中的元件都是PLC内部存储器中的软元件，其触点的使用次数是无限的，母线间也不加真正的电源，元件与接线中并没有真正的电流通过。,（2）工作方式不同,在继电接触器控制电路图中的母线上施加电压后，接于其间的继电器在满足条件时是并
14、行动作的，因此往往要采取措施来防止发生触点竞争现象。,而梯形图被执行时，是按照循环扫描方式，即从左向右、自上而下逐个动作的，因此一般不会产生触点竞争问题。 另一方面，继电接触器控制电路图的母线加电后，只要是连通的节点，电流都可以向左、右两个方向流通。而在梯形图中，当触点闭合时，假想电流只能从左向右单方向流通。,设计继电接触器控制电路图时，为了控制作用的安全可靠并尽量节约触点使用量，往往要设置许多联锁环节。而画梯形图时，由于在扫描工作方式下不存在几个并联支路同时动作的问题，加之可使用的软元件极为丰富，因此使难度大大降低，效率大大提高。,（3）设计难度不同,指令语句由操作码和操作数两部分组成，其格
15、式为： 操作码 操作数, 语句表,语句表类似于计算机的汇编语言，用指令的助记符进行编程。语句表表达式与梯形图有一 一对应关系，由指令组成的程序叫做指令（语句表）程序。,操作码用助记符表示，指示CPU要完成的各种操作功能，又称为编程指令，包括逻辑运算、算术运算、定时、计数等操作。 操作数给出了操作码指定的某种操作的对象或执行操作所需的数据，通常为编程元件的编号或常数，如输入继电器、输出继电器、定时器、计数器等。在用户程序存储器中，指令按步序号顺序排列。,将图10-3梯形图程序用语句表编写如下： 序号 操作码 操作数 1 LD I0.1 2 O Q0.1 3 AN I0.2 4 = Q0.1,功能
16、块图编程语言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系。方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，信号自左向右流动。功能块图程序如图10-4所示，功能块输出逻辑为：, 功能块图,图10-4 功能块图程序,顺序功能图将一个完整的控制过程分为若干阶段，各阶段具有不同的动作，阶段间有一定的转换条件，转换条件满足就实现阶段转移，上一阶段动作结束，下一阶段动作开始。在顺序功能图中可以用别的语言嵌套编程，步、路径和转换是顺序功能图中的3种主要元素。顺序功能图主要用来描述开关量顺序控制系统，根据它可以很容易地画出顺序控制梯形图程序。, 顺序功能图,结构文本是为IEC61131-3标准创建的一种专用高级编程语言，如VB语言、VC语言等，它采用计算机的描述语句来描述系统中各种变量之间的各种运算关系，完成所需的功能或操作。与梯形图相比，它能实现复杂的数学运算，编写的程序简洁而紧凑，常用于大中型可编程控制系
