第 1 章 可编程序控制器的一般结构及基本工作原理

主讲教师：物理学与电子工程学院王玉平电子邮件：[e-mail]：524693116可编程序控制器可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理2物理学与电子工程学院第1章PLC的一般结构及基本工作原理§1.1PLC的产生和发展§1.2PLC的一般结构和基本工作原理§1.3PLC的分类及技术指标§1.4PLC的应用设计可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理3物理学与电子工程学院1.1PLC的产生和发展1.1.1PLC的产生和特点1.1.2PLC的国内外现状及发展方向可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理4物理学与电子工程学院1.1.1PLC的产生和特点1．可编程控制器的定义可编程控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。2．PLC的产生1969年美国数字设备公司（DEC），研制出世界上第一台可编程序控制器，并在美国通用汽车公司的汽车生产线上首次应用成功，实现了生产的自动控制。1980年被正式命名为可编程序控制器，简称为PLC。可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理5物理学与电子工程学院3．PLC的特点（1）PLC编程简单，软件易学；（2）通用性强，使用和维护方便；（3）运行稳定可靠，抗干扰能力强；（4）设计施工周期短，修改容易；（5）模块化结构，组合灵活；（6）体积小、重量轻、能耗低。可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理6物理学与电子工程学院1.1.2PLC的国内外现状及发展方向1．PLC的现状20世纪70年代中末期，PLC进入了实用化发展阶段；20世纪80年代初，PLC在先进工业国家广泛应用；20世纪末期，PLC已适应现代工业控制的需要；21世纪初的几年，随着计算机通讯技术的发展，PLC重点发展了网络通讯能力，并广泛应用于工业控制系统的各个领域。PLC制造商主要有：德国西门子、美国艾伦-布拉德利、法国施耐德、日本三菱、日本欧姆龙、日本松下、中国华光等公司。可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理7物理学与电子工程学院2．PLC的发展方向技术：速度更快、存储容量更大、可靠性更高；规模：向超小型和超大型方向发展；对小型PLC：向着体积更小、速度更高、功能更强、价格低廉的方向发展，使之更利于取代继电器控制。对大中型PLC：向着更大容量、更高速度、更多的功能、更高的可靠性、易于连络通信的方向发展，使之更利于对大规模、复杂系统的控制。产品：规范化、标准化，出现通用编程语言；通讯：联网能力强，网络化通信，与工业控制计算机互联。可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理8物理学与电子工程学院1.2PLC的一般结构和基本工作原理1.2.1PLC的一般结构1.2.2PLC的基本工作原理可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理9物理学与电子工程学院1.2.1PLC的一般结构PLC是用微处理器来实现的许多电子式继电器、定时器、计数器的组合体，采用软件编程进行它们之间的连线。一般结构如图1-1所示，逻辑结构如图1-2所示。可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理10物理学与电子工程学院PLC的一般结构框图电源单元编程器输入接口中央处理器程序存储器数据存储器输出接口总线继电器触点行程开关模拟量输入照明电磁装置其他执行装置开关或传感器可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理11物理学与电子工程学院PLC的逻辑结构框图外存接口其它接口ROM------RAM键盘与显示中央处理器CPU输入接口光耦合输出接口继电器或晶体管EPROM外存储器A/DD/A计算机其它设备内存储器输入接线端子输出接线端子…………可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理12物理学与电子工程学院1．中央处理器（CPU）CPU是PLC的控制运算中心，一般由控制器、运算器和寄存器组组成，在程序的控制下，完成各种运算，协调系统内部各部分的工作，其主要功能是：（1）从存储器中读取指令（2）执行指令（3）准备取下一条指令（4）中断处理可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理13物理学与电子工程学院2．存储器存储器用于存放系统程序、用户程序和运行中的数据。包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。（1）只读存储器ROM检查程序翻译程序监控程序（2）随机存储器RAM用户程序逻辑变量供内部程序使用的工作单元可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理14物理学与电子工程学院3．输入输出接口输入输出接口是PLC与工业控制现场各类信号连接的部分。输入接口用来接受生产过程的各种参数（输入信号）。输出接口用来输出可编程控制器运算后得出的控制信息（输出信号），并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。为了适应可编程控制器在工业生产现场的工作，对输入输出接口有二个主要的要求：（1）良好的抗干扰能力；（2）能满足工业现场各类信号的匹配要求。可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理15物理学与电子工程学院可编程控制器为不同的接口需求设计了不同的接口单元。开关量输入接口：把现场的开关信号变成PLC内部处理的标准信号。开关量输入接口按可接纳的外部信号电源类型分为直流输入单元和交流输入单元。开关量输出接口：把PLC内部的标准信号转换成现场执行机构所需的开关信号。开关量输出接口按PLC内部使用的器件不同分为继电器型、晶体管型和可控硅型。可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理16物理学与电子工程学院模拟量输入接口（A／D模块）：模拟量输入接口把现场连续变化的模拟量信号转换成适合可PLC内部处理的二进制数字信号。模拟量信号输入后一般要经运算放大器放大后进行A／D转换，再经光电耦合后为可编程控制器提供一定位数的数字量信号。模拟量输出接口（D／A模块）：模拟量输出接口将PLC运算处理后的数字信号转换为相应的模拟量信号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需求。模拟量输出接口一般由光电隔离、D／A转换和信号驱动等环节组成。可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理17物理学与电子工程学院智能输入输出接口（特殊功能模块）：为了适应更复杂的控制工作的需要，可编程控制器还有一些智能控制单元，如：高速计数器单元、温度控制单元、通信单元、定位单元等。特殊功能模块都是独立的工作单元，它们和普通输入输出接口的区别在于都带有独立的CPU，有专门的处理能力。可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理18物理学与电子工程学院1.2.2PLC的基本工作原理1．PLC的等效电路PLC可以看成一个执行逻辑功能的工业控制装置，其等效电路可以分成三部分：（1）输入部分主要用于接收被控设备的信息或操作命令，有多个输入端子，可以分别与外部开关、敏感元件等交换信号。每个输入端子相当于一个继电器触点（常开/常闭触点）。可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理19物理学与电子工程学院（2）内部控制电路由用户根据控制要求编制的程序组成，按程序的控制要求对输入信号进行运算处理，按要求将结果输出到负载。它内部有许多类型的器件：定时器、计数器、辅助继电器等。这些器件都是软器件，用户可以用程序对其进行任意的逻辑连接，完成被控设备的控制要求。PLC编程时，通常用梯形图来编写，梯形图基本上和继电器原理图一一对应。常开触点：常闭触点：继电器线圈：[]可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理20物理学与电子工程学院（3）输出部分主要作用是驱动外部负载，通常有多个可以独立使用的输出端子，对应多个输出继电器。同时可以根据用户的负载要求选择不同的负载电源。例：用交流接触器控制异步电机的启动和停止。ABCM3～KM-1KM-2KMSB1SB2火线零线控制电路可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理21物理学与电子工程学院SB1为启动按钮，SB2为停止按钮。当按下SB1时，继电器KM通电，主触点KM-1闭合，电机启动。即使放开SB1，由于辅助触点KM-2仍然闭合，保持继电器通电，电机仍然转动。只有当按下SB2时，继电器断电，KM-1、KM-2断开，电机停止。这是一个硬件上完全固定的控制系统。如果用PLC来实现这种控制，只需作简单的硬件连接，并编写一个控制程序就可以了。程序为：X0、X1为输入节点，Y0为输出节点。X0左母线梯形图程序[]X1Y0Y0右母线（ED）可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理22物理学与电子工程学院由此可见，继电接触器控制是将各自独立的器件及触点以固定接线方式来实现控制要求，而PLC是将控制要求以程序形式存储其内部，这些程序就相当于继电接触器控制的各种线圈、触点和连线。可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理23物理学与电子工程学院2．PLC的工作方式PLC采用循环扫描工作方式，在系统软件控制下，依次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向各输出点发出相应的控制信号，整个工作过程可分为三个阶段：输入端输入状态寄存器输出状态寄存器输出端第1条指令第2条指令最后一条指令……输入采样用户程序执行输出刷新经过这三个阶段的工作过程称为一个扫描周期。可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理24物理学与电子工程学院1.3PLC的分类及技术指标1.3.1PLC的分类1.3.2PLC的技术指标及应用场合可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理25物理学与电子工程学院1.3.1PLC的分类1．按I/O点数、容量和功能分类I/O点数就是输入和输出节点的总数，容量一般指用户存储器容量。（1）小型机：I/O总点数在256点以下，用户程序存储容量在4KB左右，具有逻辑运算、定时、开关量输入/输出等功能。（2）中型机：I/O总点数在256～2048点之间，用户程序存储容量在8KB左右，具有逻辑运算、算术运算、数据通信、模拟量输入/输出等功能。（3）大型机：I/O总点数在2048点以上，用户程序存储容量在16KB以上，具有数据运算、模拟控制、联网通讯、打印等功能。可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理26物理学与电子工程学院2．按结构形状分类（1）整体式：将中央处理机、电源部件、输入/输出部件集中配置在一起。特点：结构紧凑、体积小、重量轻、价格低，适用于工业生产中的单机控制。（2）机架模块(组合)式：将各部分单独的模块分开，如中央处理机模块、电源模块、输入/输出模块等。使用时，将这些模块分别插入机架底板的插座上。特点：配置灵活、方便，便于扩展。可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理27物理学与电子工程学院1.3.2PLC的技术指标及应用场合1．PLC的主要技术指标（1）I/O总点数（2）扫描速度（3）用户存储容（4）指令系统（5）内部寄存器配置（6）高级功能扩展模块可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理28物理学与电子工程学院2．PLC的应用场合（1）逻辑控制（2）运动控制（3）过程控制（4）数据处理（5）多级控制可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理29物理学与电子工程学院1.4PLC的应用设计1.4.1PLC的应用设计步骤1.4.2PLC应用程序设计方法可编程序控制器原理及应用第1章PLC的一般结构及基本工作原理30物理学与电子工程学院1.4.1PLC的应用设计步骤（1）确定被控系统必须完成的动作及完成这些动作的顺序；（2）分配输入/输出设备（节点）；（3）设计PLC程序梯形图；（4）用计算机或编程器进行编程；（5）将程序传入PLC中；（6）对程序进行调试（模拟