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1、第2章PLC软硬件组成及工作原理,2.1 概述 2.2 PLC的硬件组成 2.3 PLC的软件系统 2.4 PLC的工作原理 2.5 PLC的主要指标 2.6 PLC的分类,2.1 概述,PLC在早期是一种开关逻辑控制装置，被称为可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC。 随着计算机技术和通信技术的发展，PLC采用微处理器作为其控制核心，它的功能已不再局限于逻辑控制的范畴。因此，1980年美国电气制造协会(NEMA)将其命名为Programmable Controller(PC)，但为避免与个人计算机(Personal Computer)的简
2、称PC混淆，习惯上仍将其称为PLC。,2.1.1 PLC的定义,国际电工委员会（ IEC）于 1982年11月1985年1月对可编程序控制器作了如下的定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计”。,PLC的定义,2.1.2 PLC的产生与发展,PLC的产生和发展与继电接触器控制系统有很大的关系。在PLC出现之前
3、，生产线控制多采用继电接触器控制系统。20世纪60年代，美国的汽车生产技术相对成熟，汽车制造业竞争激烈，导致汽车产品不断更新，生产线也随之频繁改变。而当时的自动控制装置是继电接触器控制系统，要改变工艺十分困难，这不仅阻碍了产品更新换代周期，而且可靠性不高。,1968年美国通用汽车公司提出的替代继电器控制系统的新型控制器的十项指标（GM十条）：,1） 编程简单、现场可 修改程序； 2）维护方便、采用插 件式结构； 3）可靠性高于继电器 控制系统； 4）体积小于继电器控 制系统； 5）数据可以直接送入 计算机；,6）成本可与继电器系 统竞争； 7）输入可为市电； 8）输出可为市电，能 直接驱动电磁
4、阀、交 流接触器等； 9）通用性强、易于扩 展； 10）用户存储器大于 4K。,PLC的产生与发展,1969年美国数字设备公司（DEC）根据招标的要求，研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。 1971年，日本引进了这项技术并开始生产PLC。 19731974年德国和法国也研制出自己的PLC。,PLC的产生与发展,PLC的发展经历了五个重要时期 ： （1）从产生到20世纪70年代初期。CPU由中小规模数字集成电路组成，存储器为磁芯存储器，控制功能比较简单。 （2）20世纪70年代末期。采用CPU微处理器，存储器采用半导体存储器，体积减小，数据处理能力有很大提高。
5、 （3）20世纪70年代末到80年代中期。PLC开始采用8位和16位微处理器，使数据处理能力和速度大大提高。 （4）20世纪80年代中期到90年代中期。超大规模集成电路促使PLC完全计算机化，CPU已经开始采用32位微处理器。 （5）20世纪90年代中期至今。PLC使用16位和32位微处理器，出现了智能化模块，可以实现对各种复杂系统的控制。,PLC的产生与发展,PLC经过30多年的发展，现已形成了完整的产品系列，其功能与昔日的初级产品不可同日而语，强大的软、硬件功能已接近或达到计算机功能。 PLC自问世以来，经过几十年的发展，PLC的功能越来越强大，应用范围也越来越广泛，其足迹已遍及国民经济的
6、各个领域，但PLC的主要应用领域是自动化。不同的企业对自动化程度的要求都不相同。不仅需要发展适合于大、中型企业的高水准的PLC网络系统，而且也要发展适合小型企业性能价格比高的小型PLC控制系统。所以 PLC控制系统将朝着两个方向发展：一是向小型化、微型化方向发展。作为控制系统的关键设备，PLC将朝着体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的方向发展。二是向大型化、网络化、多功能方向发展。,2.1.3 PLC与其他工业控制系统的比较,随着电子行业的飞速发展，PLC已经可以在各个领域适应不同的客户要求。用PLC构成的工业控制系统可以实现其他工业控制系统的功能。 这里主要从系统结构、功能特性等方面，将
7、PLC控制系统与继电接触器控制系统、计算机控制系统（CCS）进行比较。,PLC与继电接触器控制系统的比较,1灵活性和扩展性 极佳 2可靠性高和可维护性好 3控制速度快和稳定性高 4延时的可调性好与精度高 5设计与施工周期短，调试修改方便 6性能价格比高,PLC与计算机控制系统的比较,1、PLC系统采用功能模块的结构形式，系统的组合性好。 2、PLC系统采用扫描方式工作，有利于顺序逻辑控制的实施 。 3、PLC系统是分散的自治系统，把危险和功能分散，实现分散综合的控制结构。 4、 PLC适应恶劣工业应用环境，工业用微机的耐环境水平无论是在硬件还是在软件上都无法和PLC相比。 5、PLC程序设计简
8、单，易学易懂易维护，更适合工程技术人员 。,2.1.4 PLC 的特点及应用领域,1可靠性高、抗干扰能力强 2功能强、应用面广 3使用方便、适应性强 4编程方便易学 5系统设计、安装、调试工作量少 6维修方便 7体积小、重量轻、能耗低,PLC 的特点,PLC的应用领域,应用的领域已覆盖了所有工业企业。其应用范围大致可归纳为以下几种： 1.开关量逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域 2运动控制 PLC可用于直线运动或圆周运动的控制 3闭环过程控制 PLC通过模拟量模块实现模拟量与数字量的A/D、D/A转换，能够实现对模拟量的控制 4数据处理 现代的PLC具有数学运算（包括矩阵运算、函数运
9、算、逻辑运算），数据传递、排序和查表、位操作等功能；可以完成数据的采集、分析和处理，可以与存储器中存储的参考数据相比较，也可以传送给其它智能装置或传送给打印机打印制表 5联网通信 PLC的通讯包括PLC与PLC之间、PLC与上位计算机之间和其它的智能设备之间的通讯,PLC的基本组成,PLC主要由CPU模块、输入/输出模块、电源模块和外部设备组成,整体式,组合式,PLC的基本分类,小型机常采用整体式,中、大型机常采用组合式,2.2 PLC的硬件组成,整体式 PLC的基本组成框图,组合式 PLC的基本组成框图, 输入并存储用户程序、显示输入内容和地址；,CPU指挥PLC完成各种预定的功能, 检查、
10、校验用户程序，发现错误即报警；, 执行用户程序、驱动外部输出设备动作；, 诊断故障、记忆故障信息并报警。,2.2.1 CPU单元,1.中央处理单元（CPU）： (1)从程序存储器读取程序指令，编译、执行指令 (2)将各种输入信号取入 (3) 把运算结果送到输出端 (4) 响应各种外部设备的请求,PLC中所采用的CPU通常有三种 ： （1）通用处理器：8086、80286、80386 （2）单片机芯片：8031、8096 （3）位片式微处理器：AMD-2900 小型PLC多采用8位微处理器或单片机作为CPU 中型PLC多采用16位微处理器或单片机作为CPU 大型PLC多采用高速位片式微处理器,系
11、统程序存储器 存储系统系统程序,用户程序存储器 存储系统用户程序,工作数据存储器 存储工作数据,2. 存储器,RAM：存储各种暂存数据、中间结果、用户正调 试的程序。 ROM：存放监控程序和用户已调试好的程序。,存储器,PLC与外部设备联系的桥梁,开关量输入单元,开关量输出单元,2.2.2. I/O单元,输入、输出接口：采用光电隔离，实现了PLC的内部电路与外部电路的电气隔离，减小了电磁干扰。,输出接口作用：将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。,输出三种形式：继电器 - 低速大功率 可控硅 - 高速大功率
12、晶体管 - 高速小功率,输入接口作用：将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。,（1）输入接口电路：采用光电耦合器，防止强电干扰。,COM,光电三极管,发光二极管,直流电源,输入端子,PLC,发光二极管,直流输入电路,光电耦合,外部开关,输入点的状态显示,输入点,公共端,交流输入电路,光电耦合,输入点的状态显示,外部开关,输入点,继电器输出,（2）输出接口电路：,以继电器形式为例：,PLC,+,交流电源或直流电源,晶体管输出电路,光电耦合,输出点的状态显示,公共端,输出点,晶闸管输出电路,光电耦合,输出点的状态显示,公共端,输出点,继电器输出电路,输出点的状态显示,继电器
13、,机械触点,公共端,输出点,PLC由开关式稳压电源为内部电路供电,抗干扰性能好,有的PLC能向外部提供24V的直流电源,可作为输入单元连接的外部设备的电源,开关电源,输入电压范围宽,体积小,重量轻,效率高,2.2.3 电源单元,电源单元,把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。 有的电源单元还向外提供24v隔离直流电源，可供开关量输入单元连接的现场无源开关等使用。,各种接口、高功能模块：便于扩展 小型机：一体机。有接口可扩展。,Power in a Small Package!,电源模块,CPU模块,IO模块,底 板,中、大型机：模块式。可根据需要在主板上随意组合。,PLC的外部设备主
14、要有： 编程设备 触摸屏 操作面板 文本显示器 打印机 等,2.2.4 外部设备,编程设备可以是专用的手持式的编程器；也可以是安装了专门的编程通讯软件的个人计算机。,编程设备,用户可以通过键盘输入和调试程序；另外在运行时，还可以对整个控制过程进行监控。,编程器是对PLC进行操作的工具,专 用 编 程 器,在装有专用编程软件的计算机上编程,简易编程器,直插式、便携式,计算机辅助编程,图形编程器,编程工具,2.2.5 PLC的配置,PLC的基本配置 1整体式结构 2模块式结构 3混合式结构,PLC的扩展配置 1近程扩展配置 2远程扩展配置,2.3 PLC的软件系统,2.3.1 系统程序 系统程序是
15、由PLC的制造者采用汇编语言编写的，固化于ROM型系统程序存储器中，用于控制PLC本身的运行，用户不能更改。 系统程序分为： 1.系统管理程序 2.用户指令解释程序 3.标准程序模块和系统调用程序,PLC的软件系统,2.3.2 用户程序 用户程序又称为应用程序，是用户为完成某一控制任务而利用PLC的编程语言编制的程序。用户程序是线性地存储在系统程序制定的存储区内。 1用户环境 用户环境是由系统程序生成的，它包括用户数据结构、用户元件区、用户程序存储区、用户参数、文件存储区等。 2用户程序结构 用户程序结构大致可以分为三种： （1）线性程序（2）分块程序（3）结构化程序 3用户程序语言 PLC的
16、编程语言有多种，其中梯形图、语句表、功能块图是三种基本语言。,2.4 PLC的工作原理,PLC的循环扫描工作过程,接线程序控制与存储程序控制,输入/输出滞后响应,2.4.1 接线程序控制与存储程序控制,继电接触器控制系统，又称为接线程序控制系统，是通过电器元器件的固定接线来实现控制逻辑，完成控制任务的。,接线程序控制与存储程序控制,在PLC控制系统中，用户根据控制要求编制出相应的控制程序，并写入PLC的程序存储器中。系统运行时，PLC将程序执行结果输出给相应的输出设备，控制被控对象工作。 这种控制称为存储程序控制。,2.4.2 PLC 的循环扫描工作过程,扫描工作分为 5 个阶段,PLC的循环扫描工作过程,扫描工作一般分为：读输入、执行程序、处理通信请求、自诊断检查和写输出等过程，CPU反复不停地分阶段处理上述各种不同的任务，这种周而复始的循环工作方式称为循环扫描。 执行用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时，PLC也在扫描，只不过在一个周期中去除了执行
