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发布时间:2013-12-21 09:46:22  

机设专业本科生课程

第5章 可编程序控制器的工作原理及组成
Chapter 5 The Working Principle and Components of PLC

第1节 概述 第2节 PLC的基本结构和工作 原理

第3节 PLC的技术指标、特点 及应用

1

一、PLC的定义
电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

1. 可编程序控制器-是在继电器控制和计算机控制的基础上开 发的产品,逐渐发展成以微处理器为核心,把自动化技术、计算机 技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。 2. 早期的可编程序控制器-PLC:
在功能上只能进行逻辑控制,因而称为可编程序逻辑控制器 (Programmable Logic Controller ),简称PLC。

3. 现在的可编程序控制器-PC(或工业PC):
除具有早期的逻辑控制外,同时还可以进行算术运算、模拟量 控制。 美国电气制造协会(NEMA)于1980年将它正式命名为可编程 序控制器(Programmable Controller),简称PC。

第1节 概 述
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一、PLC的定义
电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

4、国际电工委员会(IEC)于1985年1月对可编程序

控制作了如下的定义:

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 指令,并通过数字、模拟的输入和输出,控制各种类型 的机械或生产过程。可编程序控制器及其相关设备,都 应按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充功能 的原则设计。

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电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

二、PLC的分类 (一) 按容量和功能分-(小型、中型和大型)
1. 小型机 一般以开关量控制为主(有些带有模拟量控制功能); 输入/输出点数适合于接触器、继电器控制场合,能直接 驱动电磁阀等执行元件; 内部具有多个辅助继电器,具有计时、计数、寄存器等 功能; 价格低、体积小,适合于控制单台机设备。
例如:三菱(Mitsubishi)公司F-40,立石(Omron)公司 CPM2A,富士公司NB2-90,美国德州仪器公司TI-100,通用电 气公司GE-I,德国西门子公司S5-100U和S7-200等。

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电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

二、PLC的分类 (一) 按容量和功能分-(小型、中型和大型)
2. 中型机
具有开关量和模拟量控制功能,同时具有数字计算能力;
一般具有8位和12位A/D转换器和多路D/A转换器; 指令丰富,在已固化程序内,具有比例、积分、微分调

节、整 数/浮点运算、二进制/BCD码转换等功能模块; 适用于有温度控制和开关动作要求的复杂机械及连续生产过程 的控制场合。
例如:美国GE公司的GE-III系列,德州仪器公司的PM550,日本 OMRON公司的C-200H,德国西门子公司S5-115U,美国AB公司的PLC5 系列产品。

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电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

二、PLC的分类 (一) 按容量和功能分-(小型、中型和大型)
3. 大型机
与工业控制计算机功能相近,具有计算、控制和调节功能,具 有网络结构和通讯联网能力;
控制点数一般都在1000点以上,配备监视系统(CRT,工业触 摸屏),能够显示过程的动态流程、记录曲线、PID调节参数选择 图; 配备多种智能板,构成一台多功能系统;

可以和其他型号控制器互连、和上位机互连,组成一个集中分 散的生产过程和产品质量控制系统。
适合于设备自动化控制、过程自动化控制和过程监控系统。

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电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

二、PLC的分类 (二) 按硬件结构分
1. 整体式结构(一体式、单体式) (1) 一般小型机都采用整体式结构;

(2) 中央处理单元、存储器、输入输出接口和电源都安装 在一个机壳内,结构紧凑;
(3) 机箱的上下两侧分别安装输入、输出接线端子及电源 进线,并有相应的LED指示IO状态; (4) 整体式PLC一般配备多种专用特殊功能单元:位置控 制单元、温度控制单元、PID控制模块等,使PLC功能得到扩 展。

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电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

二、PLC的分类 (二) 按硬件结构分
2. 插件式结构(一体式、单体式) (1) 大中型机都采用该结构,部分小型机也采用此结构。

(2) 这种PLC由框架和模块组成:
框架上有电源和开关,对整个系统供电。框架中有总线 连接板和模块插座。 电源可能式单独模块,也可能集成于CPU模块中。 (3) 模块:

输入模块、输出模块、AD模块、DA模块、通信模块、 位置控制模块等。

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电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

二、PLC的分类 (二) 按硬件结构分
2. 插件式结构 (1) 大中型机都采用该结构,部分小型机也采用此结构。

(2) 这种PLC由框架和模块组成:
框架上有电源和开关,对整个系统供电。框架中有总线 连接板和模块插座。 电源可能式单独模块,也可能集成于CPU模块中。 (3) 模块:

输入模块、输出模块、AD模块

、DA模块、通信模块、 位置控制模块等。

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电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

二、PLC的分类 (二) 按硬件结构分
3. 叠装式结构 (1) 该结构吸收了整体式和插件式PLC的优点。

(2) 基本单元、扩展单元和模块宽度、高度相等,但长度 不同。
(3) 不采用基板,仅用扁平电缆(专用插头和插座)连接。

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电 气 4. 单板式结构 控 SC1-36是将开关电源、CPU、输入输出集成在一块完整控制板 制 与 上的可编程序控制器。 PLC (Electric Control and PLC)

二、PLC的分类 (二) 按硬件结构分

编程灵活,带通讯功能,可以配多种特殊模块,适应各种中小 控制系统。 本体固定配置,20点输入,16点输出。 通过扩展口可增加其他配置。 FlashRom存储程序,无需电池实现 掉电保护。 可配汉字显示设定器,完成人机对话。 具备通讯功能,能连接仪表打印机等 信捷电子-PLC 外设。

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三、PLC的分类
电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

1. 发展历程
(1) 国际上 20世纪60年代末—— 美国首先研制和使用PLC,之后世界各国特别是日本和 德国也开发了自己的PLC。 70年代中期—— 微处理器出现并应用到PLC中,PLC功能日趋完善,特 点:小型化、可靠性高、价格低。在工业控制中崭露头脚。 80年代初期—— PLC应用在工业控制中占主导地位,PLC控制技术广为 流行。国际市场竞争激烈、产品更新快、换代周期约3~5年。

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三、PLC的分类
电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

1. 发展历程
(1) 国际上
90年代后—— PLC几乎占领整个工业控制领域。 国外专家预言,PLC技术将在工业自动化三大支柱(PLC、 机器人和CAD/CAM)中跃居首位。

(2) 国内
80年代初开始使用PLC。

国内在消化和引进PLC的基础上,研制了自己的PLC产品。 国内目前使用的PLC主要还是靠进口和合资企业生产,但逐 步实现国产化是国内发展的必然趋势。

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三、PLC的分类
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2. 发展方向
(1) 方便灵活和小型化
工业上大多数的单机自动控制只需要监测控制参数和有限的 动作,不需要大型、高功能的PLC。 目前,小型机在PLC市场占有率为1/4。小型机的功能不断增 加(例如:数值运算、模拟量处理、联网通信,等)。

(2) 大容量

和高功能化
大型PLC输入输出点数在1024点以上,有的达到5000~10000 点。 可以满足钢铁工业、化学工业等大型企业的生产过程自动控 制需要。 PLC采用高性能的16位、32位微处理器。

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三、PLC的分类
电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

2. 发展方向
(2) 大容量和高功能化
多采用多CPU结构,用不同的CPU分别处理不同的控制任务 以提高整机处理速度和增加各种功能。 大型PLC一般具有: 有很高的运行速度 较强的科学计算能力 数据处理能力

数据通讯及联网能力
配有不同功能的智能模块,能方便地与计算机及其它控制器 连成控制网络和管理网络。

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三、PLC的分类
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2. 发展方向
(3)机电一体化 可编程序控制器在机械行业得到了广泛应用,开发大量 机电技术相结合的产品和设备,是PLC发展的重要方向。 机电一体化技术是机械、电子、信息技术的融合,它的 产品通常由机械本体、微电子装置、传感器、执行机构等组 成。 机械本体和微电子装置是机电一体化的基本构成要素。

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三、PLC的分类
电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

2. 发展方向
(4)通讯和网络标准化 随着生产技术的发展,必然会使PLC从单机自动化向全 厂生产自动化过渡。 要求个PLC之间以及PLC与计算机或其他控制设备直接 能迅速、准确、及时地互通信息,以便能步调一致地进行控 制和管理。 80年代初,美国通用汽车公司倡仪采用制造自动化通讯 地协议标准(MAP)。MAP作为一种高效能、低价格地通 讯标准,在生产自动化、管理自动化中已经确立了自己的低 位。

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电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

一、PLC的基本结构 2. 各部分作用
(1) CPU(中央处理单元)
CPU为整个PLC的核心-总指挥,由控制电路、运算器和寄存 器组成。主要功能: a. 从存储器读取指令

CPU从地址总线上给出存储器地址,从控制总线上给出读命令, 从数据总线上得到读出的指令,并放在CPU内的指令寄存器中去。 b. 执行指令 对存入在指令寄存器中的指令操作码进行译码,执行指令规定 的操作。

第2节 可编程序控制器的基本结构及工作原理
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电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

一、PLC的基本结构 2. 各

部分作用
(1) CPU(中央处理单元)
c. 取下一条指令

CPU在执行完一条指令后,能根据调节产生下一条指令的地址, 取出和执行下一条指令。
在CPU的控制下,程序的指令可以按顺序执行,也可以进行分 支或转移。 d. 处理中断 CPU除了按顺序执行程序外,还能接收输入输出接口发来的中 断请求,并进行中断处理,中断处理完后,再返回程序断点,继续 顺序执行原来的程序。

第2节 可编程序控制器的基本结构及工作原理
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电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

一、PLC的基本结构 2. 各部分作用
(2) 存储器
存储器主要用于存放系统程序、用户程序以及工作数据。

a. 常用的存储器类型
RAM — Random Access Memory ROM — Read Only Memory EPROM — Erasable Programmable Read Only Memory EEPROM — Electrical Erasable Programmable Read Only Memory

第2节 可编程序控制器的基本结构及工作原理
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电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

一、PLC的基本结构 2. 各部分作用
(2) 存储器
b. 存储空间的分配

①系统程序存储区(ROM、EPROM)-
监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统 诊断程序等

②系统RAM存储区-
用于存放现场数据和运算结果。 ③用户程序存储区- 用于存放用户编制的程序。

第2节 可编程序控制器的基本结构及工作原理
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电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

一、PLC的基本结构 2. 各部分作用
(3) 输入输出接口电路
输入、输出接口电路是PLC与现场I/O设备或其他外设直接的连 接部件,它起着PLC和外围设备直接传递信息的作用。

a. 输入接口电路

第2节 可编程序控制器的基本结构及工作原理
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电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

一、PLC的基本结构 2. 各部分作用
(3) 输入输出接口电路 a. 输入接口电路
输入接口电路特点: ①输入接口电路的一次电路与二次电路间采用光电耦合(隔离) 元件,同时在电路中设有RC滤波器,可以消除输入触点的抖动和 沿输入线引入的外部噪声干扰(PLC内部有10ms响应延迟)。 ②输入接口电路接收的信号

开关量信号- 按钮开关、选择开关、行程开关等 模拟量信号- 电位器、热电偶、测速电机等

第2节 可编程序控制器的基本结构及工作原理
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电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

一、PLC的基本结构 2. 各部分作用
(3) 输入输

出接口电路 a. 输入接口电路

OMRON CPM2A系列PLC输入接口电路

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一、PLC的基本结构 2. 各部分作用
(3) 输入输出接口电路 a. 输入接口电路

Omron E3Z系列光电开关电路示意图

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一、PLC的基本结构 2. 各部分作用
(3) 输入输出接口电路 a. 输入接口电路

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电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

一、PLC的基本结构 2. 各部分作用
(3) 输入输出接口电路 b. 输出接口电路 PLC通过输出接口电路控制现场的执行部件: 接触器、继电器、电磁阀、指示灯、数字显示装置、 报警装置等。 输出接口电路一般有三种: a. 低速、大功率负载,采用继电器输出; b. 高速、大功率负载,采用晶闸管输出; c. 高速、小功率负载,采用晶体管输出。
PLC输出接口电路通用采用光耦进行电气隔离。

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电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

一、PLC的基本结构 2. 各部分作用
(3) 输入输出接口电路 b. 输出接口电路

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电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

一、PLC的基本结构 2. 各部分作用
(3) 输入输出接口电路 b. 输出接口电路

Omron CPM2A系列PLC输出接口电路-继电器输出

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一、PLC的基本结构 2. 各部分作用
(3) 输入输出接口电路 b. 输出接口电路

Omron CPM2A系列PLC输出接口电路-晶体管(集电极开路)输出

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电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

一、PLC的基本结构 2. 各部分作用
(3) 输入输出接口电路 b. 输出接口电路

Omron CPM2A系列PLC输出接口电路-晶体管(发射极)输出

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、PLC的基本结构 2. 各部分作用
(4) 电源单元 a. 包括系统电源和备用电池; b. PLC一般使用220V交流电源,允许电源电压额定值在 ±10% 范围内波动。有些PLC可直接使用直流电源(DC24V); c. 电源的作用是把外部电源转换成内部工作电压:+5V、 +12V; d. 备用电池(一般为锂电池)用于掉电情况下保存程序 存储器和内部保持标志。

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电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

一、PLC的基本结构 2. 各部分作用
(5) 编程单元 a. 编程器是PLC重要的外设,是人机对话窗口; b. 编程器的作用:输入、修改、检查和显示用户程 序,调试用户程序,监视程序运行情况,查找故障,显 示出错信息; c. 可用通用计算机作为编程器,直接编写梯形图; d. 编程器通常两种编程方式:

在线(联机)编程方式
离线(脱机)编程方式

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二、PLC的工作原理
电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

1. 工作方式
(1) 循环扫描方式: 在PLC中,用户程序按先后顺序存放, CPU从第一条指令开始执行程序,直至遇 到结束符后又返回第一条指令,如此周而 复始不断循环。 (2) 扫描过程: 见图。

扫描周期-PLC全过程扫描一次所需要的时间。

第2节 可编程序控制器的基本结构及工作原理
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二、PLC的工作原理
电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

2. 扫描过程
(1) 内部处理阶段:
PLC检查CPU模块的硬件是否正常,复位 监视定时器等。 (2) 通信操作服务阶段: PLC与一些智能模块通信,相应编程器键入的命令,更新 编程器的显示内容等。 注:PLC处于停止(STOP)状态,只进行内部处理与通信操 作服务等内容。

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二、PLC的工作原理 2. 扫描过程
(3) 输入处理阶段: PLC顺序读入输入端子的通断状态,并将 读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器, 输入映像寄存器被刷新,之后进入程序执行阶 段。 在程序执行时,输入映像寄存器与外界隔离,即使此时输 入信号发生变化,其映像寄存器的内容也不会发生变化,只有 在下一个扫描周期的输入阶段才能被读入。 即:一个输入信号的状态必须要保持一个扫描周期,否则 该信号无效。

第2节 可编程序控制器的基本结构及工作原理

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电 气 控 制 与 PLC (Electric Control and PLC)

二、PLC的工作原理 2. 扫描过程
(4) 程序执行阶段: PLC根据梯形图程序扫描原则,按先 左后右、先上后下的步序,逐句扫描、执 行程序。 (5) 输出处理: 程序执行完毕后,将输出映象寄存器中的寄存器的状态 转存到输出锁存器,通过隔离电路,驱动功率放大电路,使 输出端子向外界输出控制信号,驱动外部负载。

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二、PLC的工作原理 3. PLC的工作特点
(1) “串行”工作:
与传统的继电接触控制系统的“并行”工作有质的区别。 该种工作方式可以避免继电器接触器控制系统“触点竞争和 时序失配”的问题。

(2) 输入输出状态:
PLC在程序执行阶段输入状态映象寄存器的内容不会变化,要 等到下一周期的输入采样阶段才能改变。暂存在输出映象寄存器中 的输出信号,要等到一个循环周期结束,CPU才集中将这些输出信 号全部输送给输出锁存器。 全部输入输出状态的改变,需要一个扫描周期。换言之,输入 输出的状态保持一个扫描周期不变,即要求输入脉冲的宽度必须大 于一个扫描周期。

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一、PLC的基本技术指标
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1. 存储容量
(1) 通常用K字(KW)或K字节(KB)、K位表示: 1K=1024

(2) 在PLC中,程序指令按“步”存放(一条指令往往不 止一“步”):
一“步”占有一个地址单元,一个地址单元占用两个字 节。 (3) 小型机内存1K到几K,大型机内存几十K,甚至达 1~2M。
例如:一个内存容量为1000步的PLC,其内存为多大?

第3节 PLC的技术指标、特点及应用
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一、PLC的基本技术指标
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2. 扫描速度
一般以执行1000步指令所需时间来衡量,单位ms/K。 有时也以执行一步指令时间计,则单位us/步。

3. I/O点数
(1) 是PLC最重要的一项技术指标。 (2) 是指PLC外部输入、输出端子总数。 (3) 举例: 小型机点数:256点以下 中型机点数:256~2048点(模拟量64~128路) 大型机点数:2048点以上(模拟量128~512路)

第3节 PLC的技术指标、特点及应用
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一、PLC的基本技术指标
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4.

编程语言
(1) 不同的PLC编程语言不同,互不兼容,但具有互相转换的 可移植性; (2)编程语言的指令条数是衡量PLC软件功能强弱的主要指标: 指令越多,编程功能越强。

其它指标
(1) 寄存器的配置: PLC内部有许多寄存器用来存放变量、中间结果、数据等,还 有许多辅助寄存器可供用户使用。 (2)功能模块的配置: A/D模块、D/A模块、高速计数模块、远程通信模块等。

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二、PLC的特点
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1. 功能完善 2. 模块化结构,硬、软件开发周期短 3. 维护操作方便,扩展容易 4. 性能稳定,可靠性高

5. 具有较高的性价比

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三、PLC的应用领域
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1. 用于开关逻辑控制 2. 用于机械加工的数字控制 3. 用于闭环过程控制及构成DCS 4. 用于实现工程的无人化管理

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三、PLC的应用领域
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第3节 PLC的技术指标、特点及应用
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三、PLC的应用领域
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第3节 PLC的技术指标、特点及应用
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三、PLC的应用领域
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第3节 PLC的技术指标、特点及应用
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三、PLC的应用领域
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第3节 PLC的技术指标、特点及应用
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三、PLC的应用领域
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第3节 PLC的技术指标、特点及应用
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三、PLC的应用领域
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第3节 PLC的技术指标、特点及应用
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