第三章(上) PLC基本结构和工作原理

第2篇可编程控制器（PLC）应用技术第3章PLC基本结构和工作原理3.1PLC的概论3.2PLC的基本结构与工作原理3.3PLC的性能指标3.4PLC与其他工业控制系统的比较3.1可编程控制器(PLC)的概论20世纪60年代，由于小型计算机的出现和大规模生产及多机群控的发展，人们曾试图用小型计算机来实现工业控制，代替传统的继电接触器控制。PLC的产生和发展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。1969年美国数字设备公司(DEC公司)研制出了第一台可编程控制器PDP-14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功并取得了满意的效果，可编程控制器自此诞生。美国从1971年开始输出这种技术，1973年以后，西德、日本、英国、法国相继开发了各自的PLC，并广泛应用。廿余年来，PLC的发展迅猛异常，它的应用领域可谓是各行各业。PLC的出现和发展，是工业控制技术上的一个飞跃。PLC在我国机械、冶金、化工、轻工的大多数工业部门已开始得到广泛应用。PLC的应用在工业界产生了巨大的影响。可编程序逻辑控制器简称为PLC（ProgrammableLogicalController），也常称为可编程序控制器即PC(ProgrammableController)，它是微机技术与继电接触器常规控制概念相结合的产物，即采用了微型计算机的基本结构和工作原理，融合了继电接触器控制的概念构成的一种新型电控器，它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，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC的定义输入端子输入信号灯输出端子输出信号灯编程电缆运行开关电源指示灯运行指示灯电池指示灯出错指示灯扩展端口锂电池FX2N型PLC外观1.通用性强：由于采用了微型计算机的基本结构和工作原理，而且接口电路考虑了工业控制的要求，输出接口能力强，因而对不同的控制对象，可以采用相同的硬件，只需编制不同的软件，就可实现不同的控制。2.接线简单：只要将用于控制的接线、限位开关和光电开关等接入控制器的输入端，将被控制的电磁铁、电磁阀、接触器和继电器等功率输出元件的线圈接至控制器的输出端，就完成了全部的接线任务。PLC的特点3.编程容易：一般使用与继电接触器控制电路原理图相似的梯形图或用面向工业控制的简单指令形式编程。因而编程语言形象直观，容易掌握，具有一定的电工和工艺知识的人员可在短时间学会并应用自如。4.抗干扰能力强、可靠性高：PLC的输入输出采取了隔离措施，并应用大规模集成电路，故它能适应各种恶劣的环境，能直接安装在机器设备上运行。5.容量大，体积小，重量轻，功耗少，成本低，维修方便：例如一台具有128个输入输出点的小型PLC，其尺寸为216×127×110mm3，重约2.3Kg，空载功耗为1.2W，它可以完成相当于400～800个继电器组成的系统的控制功能，而其成本仅相当于相同功能继电器系统的（10～20）％；PLC一般采用模块结构，又具有自诊断功能，判断故障迅速方便，维修时只需更换插入式模块，因而维修十分方便。1.按结构形式分类,可分为整体式和模块式两类。PLC的分类2.按I/O点数和存储容量分类小型PLC：I/O点数在256点以下，存储器容量2K；中型PLC：I/O点数在256～2048点之间，存储器容量2K～8K;大型PLC：I/O点数在2048点以上，存储器容量8K以上。随着微电子技术的快速发展，PLC的制造成本不断下降，而功能却不断增强。目前在先进工业国家PLC已成为工业控制中的标准设备，应用的领域已覆盖整个工业企业。概括起来主要应用在以下几个方面：PLC的应用领域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当今世界上PLC生产厂家按地域可分为三大流派：美国、欧洲和日本。美国和欧洲以大中型PLC而闻名，但产品的差异性很大，这是由于它们是在相互隔离的情况下独立开发出来的；日本以小型PLC著称，它的技术是从美国引进的，因此对美国的产品有一定的继承性。PLC的生产厂家美国是PLC生产大国，有100多家PLC厂商，著名的有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司、德州仪器（TI）公司、西屋电气公司等。欧洲著名的PLC生产厂商有德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司，法国的TE公司等。日本有许多PLC制造商，如：三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等。我国的PLC生产厂家规模一般不大，主要有无锡华光电子工业有限公司、上海香岛机电制造有限公司、杭州机床电器厂、天津中环自动化仪表公司等。3.2PLC的基本结构与工作原理一、基本结构PLC生产厂家很多，产品的结构也各不相同，但其基本构成是一样的，都采用计算机结构，都以微处理器为核心，通过硬件和软件的共同作用来实现其功能。PLC主要有六部分组成：CPU(中央处理器)、存储器、输入/输出（I/O）接口电路、电源、外设接口、输入/输出（I/O）扩展接口。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)。RAM：随机存储器，可读可写，没有断电保持功能。ROM：只读存储器，只读，不能写。RAM存放用户程序ROM存放系统程序EPROM：可擦除程序的只读存储器，用紫外线照射芯片上的透镜窗口，可以擦除已写入的内容，而写入新的程序。EEPROM：可电擦除的只读存储器，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取的优点。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）。输出接口用来送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：•良好的抗干扰能力•能满足工业现场各类信号的匹配要求4.电源单元PLC一般采用AC220V电源，经整流、滤波、稳压后可变换成供PLC的CPU、存储器等电路工作所需的直流电压，有的PLC也采用DC24V电源供电。为保证PLC工作可靠，大都采用开关型稳压电源。有的PLC还向外部提供24V直流电源。5.外部设备外部设备接口是在主机外壳上与外部设备配接的插座，通过电缆线可配接编程器、计算机、打印机、EPROM写入器、触摸屏等。编程器：用于编辑、输入、调试PLC的工作程序；对PLC的运行状态及被控对象的参数进行监视；与打印机相连可打印程序清单或输出有关记录信息。二、基本工作原理PLC的工作方式为循环扫描方式，其工作过程大致分为3个阶段：输入采样、程序执行和输出刷新。读读读写写执行用户程序I/O刷新I/O刷新I/O刷新I/O刷新0100101000000000000101000输入端子输入电路用户输入设备输入映像寄存器输出电路输出端子元件映像寄存器输出锁存器用户输出设备扫描一个循环所用的时间称为扫描周期,约40~100ms为提高工作可靠性和及时接收外部控制命令，每个扫描周期还要进行故障自诊断（自诊断），处理与编程器、计算机的通信请求（与外设通信）。工作过程1.自诊断每次扫描用户程序前，对CPU、存贮器、I／O模块等进行故障诊断，发现故障或异常情况则转入处理程序，保留现行工作状态，关闭全部输出，停机并显示出错信息。2.与外设通信自诊断正常后，PLC对编程器、上位机等通信接口进行扫描，如有请求便响应处理。3.输入采样完成前两步后，PLC扫描各输入点，将各点状态和数据（开关的通／断、A／D转换值、BCD码数据等），读入到寄存输入状态的输入映象寄存器中存贮，称为采样。4．程序执行PLC从用户程序存贮器的最低地址（0000H）开始顺序扫描（无跳转情况），并分别从输入映象寄存器和输出映象寄存器中获得所需的数据进行运算、处理，再将程序执行的结果写入输出映象寄存器中保存。5．输出刷新执行完用户程序后，PLC将输出映象寄存器中的内容送到寄存输出状态的输出锁存器中，再去驱动用户设备，称为输出刷新。扫描不断循环，实现对设备的连续控制。扫描周期:T＝T1＋T2＋T3＋T4＋T5，为上述五步操作时间之和。3.3PLC性能指标1、输入/输出（I/O）点数PLC上的I/O端子的个数。I/O点数越多，外部可接的输入和输出元器件就越多，控制规模就越大。2、存储容量存储容量指的是用户程序存储器的容量。也有的PLC用存放用户程序的指令条数来表示容量。3、扫描速度扫描速度是指PLC执行程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标。4、指令的种类和条数编程指令的种类和条数是衡量PLC软件功能强弱的主要指标。5、特殊I/O单元（高级模块或智能模块）PLC不仅能完成开关量的逻辑控制，而且利用特殊I/O单元可完成模拟量控制、运动控制、模糊控制、定位控制、高速中断控制、通信联网等功能。6、支持软件符合IEC1131-3(国际电工委员会（InternationalElectro-technicalCommission）)标准的语言，为用户提供方便的编程环境。3.4PLC与其他工业控制系统的比较1.PLC与继电器控制系统比较•继电器控制采用硬接线方式装配而成，只能完成既定的功能。•PLC控制只要改变程序并改动少量的接线端子（软接线），就可适应生产工艺的改变。•从适应性、可靠性及设计、安装、维护等各方面进行比较。传统的继电器控制大多数将被PLC所取代。2.与工业计算机比较•工业控制机控制要求开发人员具有较高的计算机专业知识和微机软件编程的能力。•PLC采用了采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用，便于推广应用。•PLC是专为工业现场应用而设计的，具有更高的可靠性。•在模型复杂、计算量大且较难、实时性要求较高的环境中，工业控制机则更能发挥其专长。3.PLC与集散系统的比较集散系统从工业自动化仪表控制系统发展到以工业控制计算机为中心的集散系统，所以其在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，初期主要用在连续过程控制，侧重回路调节功能。PLC是由继电器逻辑系统发展而来，主要用在离散制造、工序控制，初期主要是代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面。