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1、PLC应用技术,三菱PLC外形图,Q系列PLC,FX2N系列PLC,FX1N系列PLC,FX1S系列PLC,西门子PLC外形图,S7-200系列PLC,S7-300系列PLC,S7-400系列PLC,欧姆龙PLC外形图,C200H系列PLC,CPM1A、CPM2A系列PLC,主要内容,PLC的组成与工作原理 PLC的基本指令 PLC的功能指令 PLC的特殊功能模块,前修课程 数字电子电路模拟电子电路电路分析 计算机文化基础微机原理及接口技术 后续课程 微机控制技术,第4章 可编程控制器的组成与工作原理,4.1 概述 4.2 可编程控制器的组成 4.3 可编程控制器的工作原理 4.4 可编程控制
2、器的编程语言,教学要求,1、了解可编程序控制器的由来及其特点 2、熟悉PLC的应用领域 3、掌握PLC发展趋势 4、掌握PLC的基本结构和工作原理,4.1 概述,可编程控制器运行实例,主电路原理图,PLC控制原理图,传统的继电接触控制原理图,问题提出:,传统的继电接触控制系统，只有通过改变某些硬件接线，才能完成控制方式的改变，而可编程控制器控制系统可在不改变硬件接线的情况下，通过修改程序而实现控制顺序的变化。控制两个电动机的顺序运行，控制复杂程度不高，如用继电接触控制系统已够费时的了，何况汽车生产流水线的控制系统？,1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号不断翻新的
3、需要，提出了用一种新型的工业控制装置取代传统的继电器控制系统的设想，并为此提出了以下10项招标指标： 编程方便，可在现场修改程序； 维护方便，最好采用插件式结构； 可靠性高于继电器控制装置； 数据可直接输入管理计算机； 体积小于继电器控制装置； 成本可与继电器控制装置竞争； 输入电源可为市电（交流115V）； 输出电源可为市电，负载电流要求在2A以上，能直接驱动电磁阀、接触器等； 扩展时，原系统要求变更最少； 用户程序存储器容量大于4K字节。,PLC的产生:,1969年，美国数字设备公司研制出了世界上第一台PC，型号为PDP-14。并成功的应用在通用公司的汽车自动化生产线上,1969年时被称为
4、可编程逻辑控制器，简称PLC (Programmable Logic Controller)。 70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，称其为可编程控制器，简称PC (Programmable Controller)。但由于PC容易和个人计算机 (Personal Computer)相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。,可编程控制器的名称演变,（1985年 国际电工委员会） 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。它采用了可编程序的存储器，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指令，并通过数字的，模拟的
5、输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。,可编程控制器定义,可编程控制器的发展历史,第一代：从第一台可编程控制器诞生到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：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 ； 第三代：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、CMOSRAM等 ； 第四代：80年代中期到90年代中期。CPU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：90年代中期至今。CPU使用
6、16位和32位的微处理器芯片，有的已使用RISC处理器。,可编程控制器的基本特点,灵活、通用 -PLC是通过存储在存储器中的程序实现控制功能的，如果控制功能需要改变的话，只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。,可靠性高、抗干扰能力强 平均无故障时间一般可达10万小时左右 -PLC采用的是微电子技术，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，因此不会出现继电器控制系统中的接线老化、脱焊、触点电弧等现象。,-PLC还采取了以下主要措施来提高其可靠性。 1)硬件措施： 对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，均采用严格措施进行屏蔽，以防外界干扰； 2)软件措施 监控程序定期地监测外界环境；死循
7、环报警；停电时利用后备电池供电。,“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机” 编程简单、使用方便 -用微机实现控制，使用的是汇编语言，难于掌握，要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。而PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握 。,接线简单 功能强 体积小,重量轻,易于实现机电一体化,1向高速度、大存储容量方向发展 CPU处理速度进一步加快 存储容量进一步扩大 2控制系统将分散化 分散控制、集中管理的原则。 3可靠性进一步提高 随着PLC进入过程控制领域，对可靠性的要求进 一 步提高。硬件冗余的容错技术将进一步应用。 4控制与管理功能一体化 PLC将广泛采用计算机信息处
8、理技术、网络通信技术和图形显示技术，使PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。,可编程控制器的发展趋势,开关量的逻辑控制 -开关量的逻辑控制是PLC的最基本控制功能。目前，PLC首用的目标，就是用于开关量的控制。,PLC的应用领域,模拟量的闭环控制 -PLC具有A/D、D/A转换及算术运算等功能，因此可以实现模拟量控制。,数字量的智能控制 -利用PLC能接收和输出高速脉冲的功能，在配备了相应的传感器（如旋转编码器）或脉冲伺服装置（如环型分配器、功放、步进电机）就能实现数字量的智能控制。,数据采集与监控 -利用PLC自检信号多的特点实现自诊断方式的监控，减少系统的故障，提高累计平均无故障
9、运行时间，同时可减低故障修复时间，提高系统的可靠性。,通信、联网及集散控制 -利用PLC的强大的通信联网功能，把PLC分布到控制现场，并实现各站间的通信，上、下层间的通信，达到分散控制、集中管理，即构成了现在的DCS系统。,FX系列可编程控制器型号格式如下： FX - ,子系列名,I/O总点数,单元功能,特殊品种特性,输出类型,R：继电器输出 T：晶体管输出 S：晶闸管输出,M：基本单元 E：输入输出混合扩展单元与扩展模块 EX：输入专用扩展模块 EY：输出专用扩展模块,4.2 可编程控制器的组成,图4-1 PLC基本结构,一、PLC的组成,PLC的物理结构,1 、整体式,CPU模块，输入输出
10、模块和电源装在一个箱状机壳内。 适用于小型PLC，它包括基本单元和扩展单元 特点：体积小，价格底,2 、模块式,由框架和模块组成，模块插在模块插座上，模块插座焊在框架中的总线连接板上。,1、CPU (1) 诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。 (2) 采集现场的状态或数据，并送入PLC的寄存器中。 (3) 逐条读取指令，完成各种运算和操作。 (4) 将处理结果送至输出端。 (5) 响应各种外部设备的工作请求。 主要类型 通用处理器：8086、80286、80386 单片机芯片：8031、8096 位片式微处理器：AMD-2900,PLC的硬件,2、存储器,(RAM) 随机
11、存取存储器：可读可写，没有断电保持功能。,(ROM)只读存储器：只读，不能写。,(EEPROM)电可电擦除的存储器：它是非易失的，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取的优点。但价格比较高。,NOTE：,RAM存放用户程序，ROM存放系统程序！,（1）系统程序存储器（ROM） 用以存放系统管理程序、监控程序及系统内部数据，PLC出厂前已将其固化在只读存储器ROM或PROM中，用户不能更改。 （2）用户存储器（RAM） 包括用户程序存储区和工作数据存储区。这类存储器一般由低功耗的CMOS-RAM构成，其中的存储内容可读出并更改。掉电会丢失存储的内容，一般用锂电池来保持。 注意： PLC产品手册中
12、给出的“存储器类型”和“程序容量”是针对用户程序存储器而言的。,3、输入输出接口电路,开关量输入接口电路：采用光电耦合电路，将限位开关、手动开关、编码器等现场输入设备的控制信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。 PLC的输入接口电路（直流输入型）,开关量输出接口电路： 采用光电耦合电路，将CPU处理过的信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀等外部设备的通断电。 有三种类型： 第一:继电器输出型：为有触点输出方式，用于接通或断开开关频率较低的直流负载或交流负载回路。,第二:晶闸管输出型： 为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的交流电源负载,第三:晶体管输出型： 为无触
13、点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的直流电源负载。,4、电源 5、扩展接口 6、存贮器接口 7、外设接口,PLC的软件,1、监控程序 由生产厂家编制，用于管理、协调PLC各部分工作，方便用户使用的通用程序。 1）系统配置登记及初始化 2）系统自诊断 3）命令识别与处理 4）用户程序编译 5）模块化子程序及调用管理 2、用户程序,3、用户环境 （1）用户数据结构 第一类为bit数据，属于逻辑量，其值为“0”或“1”。 第二类为字数据，其数制、位长有多种形式。通常采用BCD码形式。FX2N系列和A系列中为4位BCD、双字节为8位BCD码。 第三类为字与bit的混合，即同一元件既有bit元件，又
14、有字元件。例如T（定时器）和C（计数器），它们的触点为bit，设定值寄存器和当前值寄存器则为字。 （2）元件 用户使用的每一个输入、输出端子及内部的存贮单元都称为元件，每个元件有其固定的地址。元件的数量由监控程序规定，它的多少决定PLC整个系统的规模及数据处理能力。,(4) PLC的内部等效电路,二、PLC的主要性能指标,1、存储器容量 2、I/O点数 3、扫描速度 4、内部寄存器 5、指令系统 6、特殊功能及模块 7、扩展能力,4.3 可编程控制器的工作原理,可编程控制器的工作原理,内部处理,通讯服务,输入刷新,程序执行,输出刷新,可编程控制器在开机后，完成内部处理、通信处理、输入刷新、程序
15、执行、输出刷新五个工作阶段，称为一个扫描周期。完成一次扫描后，又重新执行上述过程，可编程控制器这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。,信号传递过程(从输入到输出),输入刷新阶段-CPU从输入电路的输出端读出各路状态，并将其写入输入映像寄存器；,b.程序执行阶段 - CPU从输入映像寄存器和元 件映像寄存器中读出各继电器的状态，并根据 此状态执行用户程序，执行结果再写入元件映 像寄存器中；,c. 紧接着的输出刷新阶段-将输出映像寄存器的状态写入输出锁存电路，再经输出电路传递输出端子，从而控制外接器件动作。,扫描周期和I/O滞后时间,I/O滞后时间又称为系统响应时间，是指可编程控制器外部输入
16、信号发生变化的时刻起至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的间隔。,可编程控制器在运行工作状态时，执行一次扫描操作所需要的时间称为扫描周期。其典型值为1100ms。,I/O滞后现象的原因,（1）输入滤波器有时间常数 （2）输出继电器有机械滞后 （3）PLC循环操作时，进行公共处理、I/O刷新和执行用户程序等产生扫描周期 （4）程序语句的安排，也影响响应时间,PLC输入输出响应时间,说明:输入信号在第一个扫描周期的输入采样阶段之后才出现，故在第一个扫描周期内，各映像寄存器的均为“0”状态，使Y0、Y1、Y2输出端的状态为OFF（“0”）状态,Y1,Y0,X0,Y1,X0,Y2,输入信号,X0,Y1,Y2,Y0,输入采样,说明:在第二个扫描周期的输入采样阶段，输入继电器X0的状态为ON（“1”）状态，程序执行阶段，Y1、Y2依次接通，故Y1
