PLC工作原理及概述

学习内容●PLC的产生与发展●PLC的组成及基本工作原理●PLC的性能、特点及分类●PLC的应用领域学习目标：●了解PLC的产生原因●了解PLC的发展过程●掌握PLC的组成●掌握PLC的基本工作原理●理解PLC的性能●理解PLC的特点●理解PLC的分类●理解PLC的控制功能•可编程控制器的英文名称是ProgrammableController，早期简称PC，后来为了与个人计算机（PC）区分，在行业中多称之为ProgrammableLogicController，即可编程逻辑控制器，简称PLC，而这种称呼又与可编程控制器的起源和它本身的特点有关。什么时间？谁提出要造PLC？二十世纪六十年代末期，美国汽车制造工业竞争十分激烈，为了适应市场从少品种大批量生产向多品种小批量生产的转变，为了尽可能减少转变过程中控制系统的设计制造时间，减少经济成本，1968年美国通用汽车公司GM（GenerlMotors）公开招标，要求用新的控制装置取代生产线上的继电接触器控制系统。1.1PLC的产生和发展1.1PLC的产生和发展①编程容易，并可在现场修改程序；②维修方便，采用插件式结构；③可靠性高于继电器控制柜；④体积小于继电器控制柜；⑤成本可与继电器控制柜竞争；⑥具有通讯功能，可将数据直接送入管理计算机；⑦可以使用115V交流输入电压；⑧输出采用115V交流电压，能直接驱动电磁阀；⑨通用性好，易于扩展；⑩用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。什么时间？谁最先造出世界上的第一台PLC？1969年美国数字设备公司DEC（DIGTAL）根据上述要求，首先研制出了世界上第一台可编程控制器PDP-14，用于通用汽车公司的生产线，取得了满意的效果。1.1PLC的产生和发展KM2SB1SB3FRQFRFUM3~~~SB2KM1KM2KM1KM2KM1KM2KM1继电接触器电动机正反转控制线路I0.0Q0.0I0.1I0.2Q0.1Q0.0I0.1Q0.1I0.0I0.2Q0.0Q0.1PLC电动机正反转控制程序()()PLC从产生到现在经历了几代的发展过程？第二代PLC（1973～1975年）：采用了8位微处理器及半导体存储器，增加了数字运算、传送、比较等功能，能实现模拟量的控制，开始具备自诊断功能，初步形成系列化。从PLC产生到现在，已发展到第四代产品。其过程基本可分为：第一代PLC（1969～1972年）：大多用一位机开发，用磁芯存储器存储，只具有单一的逻辑控制功能，机种单一，没有形成系列化。第四代PLC（1983年～现在）：不仅全面使用16位、32位高性能微处理器，高性能位片式微处理器，RISC(reducedinstructionsetcomputer)精简指令系统CPU等高级CPU，而且在一台PLC中配置多个微处理器，进行多通道处理，同时生产了大量内含微处理器的智能模块，使得第四代PLC产品成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的真正名符其实的多功能控制器。第三代PLC（1976～1983年）：随着高性能微处理器及位片式CPU在PLC中大量的使用，PLC的处理速度大大提高，从而促使它向多功能及联网通信方向发展，增加了多种特殊功能，如浮点数的运算、三角函数、表处理、脉宽调制输出等，自诊断功能及容错技术发展迅速。由于PLC的发展，使其功能已经远远超出了逻辑控制的范围，因而用“PLC”已不能描述其多功能的特点。1980年，美国电气制造商协会(NEMA)给它起了一个新的名称，叫programmablecontroller”，简称PC。由于PC这一缩写在我国早已成为个人计算机(personalcomputer)的代名词，为避免造成名词术语混乱，因此在我国仍沿用PLC表示可编程控制器。正是由于PLC具有多种功能，并集三电（电控装置、电仪装置、电气传动控制装置）于一体，使得PLC在工厂中备受欢迎，用量高居首位，成为现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。可编程序控制器的用途与特点可编程序控制器的用途PLC的应用通常可分为五种类型：顺序控制运动控制闭环过程控制数据处理通信和联网可编程序控制器的特点抗干扰能力强，可靠性高控制系统结构简单、通用性强、应用灵活编程方便，易于使用功能完善，扩展能力强PLC控制系统设计、安装、调试方便维修方便，维修工作量小PLC具有完善的自诊断，履历情报存储及监视功能。体积小、重量轻，易于实现机电一体化。硬件软件+1.2PLC的组成和基本工作原理1.2.1PLC的组成中央处理单元输入输出接口编程器接口I/O扩展接口电源编程器系统总线通信接口1.PLC的硬件系统(一)PLC的硬件系统中央处理单元输入输出接口编程器接口I/O扩展接口电源编程器系统总线通信接口中央处理单元PLC的中央处理单元主要由微处理器CPU、存储器ROM/RAM和微处理器I/O接口组成。⑴微处理器CPUCPU作为整个PLC的核心起着总指挥的作用，是PLC的运算和控制中心。。⑵存储器RAM/ROM存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其它一些信息。⑶微处理器I/O接口它一般由数据输入寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路构成，负责微处理器及存储器与外部设备的信息交换。中央处理单元输入输出接口编程器接口I/O扩展接口电源编程器系统总线通信接口这是PLC与被控设备相连接的接口电路。用户设备需输入PLC的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其它一些传感器输出的开关量或模拟量(要通过模数变换进入机内)等，通过输入接口电路将这些信号转换成中央处理单元能够接收和处理的信号。输出接口电路将中央处理单元送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、电机等被控设备的执行元件。输入输出接口直流输入接口电路示意图内部电路输入LEDININCOM交流输入接口电路示意图内部电路输入LEDININCOM～输入接口电路示意图汇点输入接线示意图独立输入接线示意图继电器输出接口电路示意图内部电路输出LED～OUTOUTCOMLL双向晶闸管输出接口电路示意图输出LED～OUTOUTCOMLL内部电路晶体管输出接口电路示意图L+OUTOUTCOMLL输出LED内部电路继电器输出电路继电器输出模块汇点输出接线示意图独立输出接线示意图中央处理单元输入输出接口编程器接口I/O扩展接口电源编程器系统总线通信接口中小型的PLC输入输出接口都是与中央处理单元CPU制造在一起的，为了满足被控设备输入输出点数较多的要求，常需要扩展数字量输入输出模块；为了满足模拟量控制的需要，常需要扩展模拟量输入输出模块，如A/D、D/A转换模块等；I/O扩展接口就是为连接各种扩展模块而设计的。I/O扩展接口的连接中央处理单元输入输出接口编程器接口I/O扩展接口电源编程器系统总线通信接口通信接口用于PLC与计算机、PLC、变频器、触摸屏等智能设备之间的连接，以实现PLC与智能设备之间的数据传送。1.PLC的硬件系统通信接口的连接输入输出接口I/O扩展接口中央处理单元编程器接口电源编程器系统总线通信接口用于将编程器与PLC进行连接，以实现编程器对PLC的操作。1.PLC的硬件系统中央处理单元输入输出接口编程器接口I/O扩展接口电源编程器系统总线通信接口编程器用作用户程序的编制、编辑、调试和监视，还可以通过其键盘去调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数，它经过编程器接口与中央处理器单元联系，完成人机对话操作。1.PLC的硬件系统PLC手持编程器液晶显示窗工作方式开关指令键数字键编辑键通信电缆1.PLC的硬件系统中央处理单元输入输出接口编程器接口I/O扩展接口电源编程器系统总线通信接口电源部件将交流电源转换成供PLC的中央处理器、存储器等电子电路工作所需要的直流电源，同时还向各种扩展模块提供24V直流电源。2.PLC的软件组成系统管理程序用户指令解释程序标准化模块程序开关量逻辑控制程序模拟量运算控制程序闭环控制程序工作站初始化程序2）用户程序PLC由硬件系统组成，由软件系统支持，硬件和软件共同构成了PLC系统。PLC的软件系统可分为：1）系统程序1)系统程序系统程序是用来控制和完成PLC各种功能的程序，这些程序是由PLC制造厂家用相应CPU的指令系统编写的，并固化到ROM中。它包括●系统管理程序●用户指令解释程序●供系统调用的标准程序模块2.PLC的软件组成●系统管理程序系统管理程序主要功能是运行时序分配管理、存储空间分配管理和系统自检等。●用户指令解释程序用户指令解释程序将用户编制的应用程序翻译成机器指令供CPU执行。●供系统调用的标准程序模块标准程序模块具有独立的功能，使系统只需调用输入、输出、特殊运算等程序模块即可完成相应的具体工作。2)用户程序用户程序是用户根据工程现场的生产过程和工艺要求、使用PLC生产厂家提供的专门编程语言而自行编制的应用程序。它包括：●开关量逻辑控制程序●模拟量运算控制程序●闭环控制程序●工作站初始化程序2.PLC的软件组成工作站初始化程序是用户为PLC系统网络进行数据交换和信息管理而编制的初化程序，在PLC厂商提供的通信程序的基础上进行参数设定，一般采用高级语言实现。●开关量逻辑控制程序开关量逻辑控制程序一般采用PLC生产厂商提供的如梯形图、语句表等编程语言编制。●模拟量运算控制和闭环控制程序模拟量运算控制和闭环控制程序是大中型PLC系统的高级应用程序，通常采用PLC厂商提供的相应程序模块及主机的汇编语言或高级语言编制。●工作站初始化程序自诊断通讯处理扫描输入执行程序刷新输出开机1.2.2PLC的基本工作原理PLC经过五个阶段的工作过程，称为一个扫描周期，完成一个扫描周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。自诊断通讯处理扫描输入执行程序刷新输出开机每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。自诊断内容为I／0部分、存储器、CPU等，发现异常停机显示出错。若自诊断正常，继续向下扫描。PLC检查是否有与编程器、计算机等的通信请求，若有则进行相应处理，如接收由编程器送来的程序、命令和各种数据，并把要显示的状态、数据、出错信息等发送给编程器进行显示。如果有与计算机等的通信请求，也在这段时间完成数据的接受和发送任务。自诊断通讯处理扫描输入执行程序刷新输出开机PLC的中央处理器对各个输入端进行扫描，将所有输入端的状态送到输入映象寄存器。自诊断通讯处理扫描输入执行程序刷新输出开机中央处理器CPU将逐条执行用户指令程序，即按程序要求对数据进行逻辑、算术运算，再将正确的结果送到输出状态寄存器中。自诊断通讯处理扫描输入执行程序刷新输出开机当所有的指令执行完毕时，集中把输出映象寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。自诊断通讯处理扫描输入执行程序刷新输出开机PLC经过这五个阶段的工作过程，称为一个扫描周期，完成一个扫描周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。在不考虑第二个因素（通讯处理）时，扫描周期T的大小为：T=（读入一点时间×输入点数）+（运算速度×程序步数）+（输出一点时间×输出点数）+故障诊断时显然扫描周期主要取决于程序的长短，一般每秒钟可扫描数十次以上，这对于工业设备通常没有什么影响。但对控制时间要求较严格，响应速度要求快的系统，就应该精确的计算响应时间，细心编排程序，合理安排指令的顺序，以尽可能减少扫描周期造成的响应延时等不良影响。（）程序执行输入电路输入映象寄存器输出映象寄存器输出电路接触器按钮按钮输入扫描执行程序输出刷新梯形图（LAD）编程符号对照典型梯形图示意典型的梯形图示意图指令表（STL）编程指令表编程举例a）梯形图b）指令表•PLC是专为工业控制设计的专用计算机，就电路作用而言，可看作是由一般继电器、定时器、计数器等元件组成.PLC的内部等效电路第二节PLC控制与继电器控制的比较一、系统框图的比较继电器控制系统框图PLC控制系统框图二、PLC的等效电路图接触器控制电动机单向旋转控制电路PLC控制系统等效电路图可编