第一-二2章可編程控制器的原理及技術性能

1、2021-7-171 第三節(jié) 可編程控制器的原理及 技術性能教學目標1、了解可編程序控制器與繼電器及微型計算機控制系統(tǒng)的區(qū)別2、熟悉PLC的系統(tǒng)配置3、重點掌握PLC的工作原理 2021-7-172PLCPLC的基本工作原理的基本工作原理繼電器控制裝置：采用硬邏輯并行運行的方式，如果一個繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器的所有觸點(常開/常閉觸點)不論在控制線路的哪個位置，都會立即同時動作。微機：等待命令等待命令的工作方式; PLC：循環(huán)掃描循環(huán)掃描的工作方式。CPU從第一條指令開始按指令步序號作周期性的循環(huán)掃描，如果無跳轉指令,則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結束符后又返回第一

2、條指令，周而復始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。如果一個線圈接通或斷開，該線圈的所有觸點不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。 PLC是以循環(huán)掃描的工作方式工作的。每一掃描周期分為三個階段：輸入采樣、執(zhí)行程序、輸出刷新。輸入刷新 程序執(zhí)行輸出刷新一個掃描周期輸入刷新PLC的掃描工作過程可編程控制器在運行工作狀態(tài)時，執(zhí)行一次掃描操作所需要的時間稱為掃描周期。其典型值為1-100ms。2021-7-174 要注意的是，只有在輸入采樣階段，輸入映像寄存器的內容才與輸入信號一致，而在輸入采樣結束后，轉入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數據發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的

3、相應單元的狀態(tài)和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。（1 1）輸入采樣階段）輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數據，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應的單元內。在PLC的存儲器中，有一個專門存放輸入輸出信號狀態(tài)的區(qū)域，稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器，PLC梯形圖中別的編程元件也有對應的映像存儲區(qū)，稱為元件映像寄存器。（2 2）用戶程序執(zhí)行階段）用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序（梯形圖）。在掃描每一行梯形圖時，又總是先掃描梯

4、形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按“先左后右、先上后下”的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算（3 3）輸出處理階段）輸出處理階段 當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內對應的狀態(tài)和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時才是PLC真正的輸出。 輸入輸出映像寄存器集中在一起就是I/O映像區(qū)，其大小隨系統(tǒng)輸入/輸出的點數而定。I/O映像區(qū)的設置，使得CPU執(zhí)行用戶程序所需信號狀態(tài)及執(zhí)行結果都與I/O映像區(qū)產生聯系，只有CPU掃描執(zhí)行到輸入輸出服務過程時，CPU才從實際的輸入點讀入相關信號狀態(tài)，存放于輸入映像區(qū)，并將暫時存放在輸

5、出映像區(qū)內的運行結果傳送至實際輸出點。輸入端輸入端輸入電路輸入電路輸入映像寄存輸入映像寄存器器 輸入刷新階段-CPU從輸入電路的輸出端讀出各路狀態(tài)，并將其寫入輸入映像寄存器；X0X1b.程序執(zhí)行階段 - CPU從輸入映像寄存器和元 件映像寄存器中讀出各繼電器的狀態(tài)，并根據 此狀態(tài)執(zhí)行用戶程序，執(zhí)行結果再寫入元件映 像寄存器中；c. 緊接著的輸出刷新階段-將輸出映像寄存器的狀態(tài)寫入輸出鎖存電路，再經輸出電路傳遞輸出端子，從而控制外接器件動作。X0Y0Y0Y1元件映像寄存元件映像寄存器器讀讀寫寫輸出鎖存器輸出鎖存器輸出電路輸出電路輸入端輸入端Y0Y1讀讀寫寫輸輸入入端端子子輸入輸入映象映象寄存器寄

6、存器X0X1X2 M0 Y0元件元件映象映象寄存器寄存器讀讀X0Y0讀讀寫寫讀讀寫寫輔助繼電器輔助繼電器輸輸出出端端子子輸出輸出鎖存鎖存存儲器存儲器Y0Y1Y2輸出輸出反復一個周期反復一個周期稱為掃描周期稱為掃描周期程序執(zhí)行中讀程序執(zhí)行中讀 X X程序執(zhí)行完寫所有程序執(zhí)行完寫所有 Y YPLC PLC 用戶程序掃描工作過程圖用戶程序掃描工作過程圖 集中采樣、集中輸出、周期性循環(huán) 掃描 串行工作方式 二PLC的工作特點 由于PLC是集中采樣，在程序處理階段即使輸入發(fā)生了變化，輸入映象寄存器中的內容也不會變化，要到下一周期的輸入采樣階段才會改變。注意由于PLC是串行工作方式，所以 PLC的運行結果

7、與梯形圖程序的順序有關。這與繼電器控制系統(tǒng)“并行”工作有質的區(qū)別。避免了觸點的臨界競爭，減少了繁瑣的聯鎖電路。2021-7-1710三、 PLC的工作方式PLC的基本邏輯圖形 PLCPLC控制的等效電路控制的等效電路等效輸入繼電器等效輸入繼電器輸輸入入元元件件負負載載SB1SB2FRKM負載電源負載電源PLC內部控制電路內部控制電路（用戶程序）（用戶程序）等效輸出繼電器等效輸出繼電器I0PLCCOMDC 24VI0I1I2200.00200.00I1I2Q0Q0Q0COMQ0I22021-7-1712 第四節(jié) PLC的分類及功能PLC的分類（1）按結構形式分類）按結構形式分類1 1）整體式）整

8、體式 PLCPLC （單元式、箱體式）（單元式、箱體式） 將電源、將電源、CPUCPU、存儲器、存儲器、I/OI/O裝在一起裝在一起 特點：特點：結構緊湊、體積小、價格低、結構緊湊、體積小、價格低、 2 2）模塊式）模塊式 PLCPLC （積木式）（積木式） 各個部分按功能做成獨立模塊各個部分按功能做成獨立模塊 電源模塊、電源模塊、CPUCPU模塊、模塊、I/OI/O模塊等模塊等 特點：特點：配置靈活、裝配維護方便配置靈活、裝配維護方便2021-7-1713（2）、按按I IO O點數和程序容量分類點數和程序容量分類 1）小型）小型 PLC I/O點數點數 2048點，存儲器點，存儲器 8kB

9、步步 具有：具有：數據運算、模擬調節(jié)、聯網通信、監(jiān)視記錄、打印數據運算、模擬調節(jié)、聯網通信、監(jiān)視記錄、打印等功能等功能 應用：應用：大規(guī)?？刂啤⒆詣踊W絡控制大規(guī)模控制、自動化網絡控制 2021-7-1714 第五節(jié) PLC的特點、應用場合和發(fā)展趨勢一、一、PLCPLC的主要特點的主要特點可靠性高、抗干擾能力強。主要有以下幾個方面： 隔離隔離( (采用光電耦合器采用光電耦合器 ) )濾波 對PLC的內部電源采取了屏蔽、穩(wěn)壓、保護等措施。 設置了連鎖、環(huán)境檢測與診斷、Watchdog等電路。 利用系統(tǒng)軟件定期進行系統(tǒng)狀態(tài)、用戶程序、工作環(huán)境和故障檢測。對用戶程序及動態(tài)工作數據進行電池備份。 采用

10、密封、防塵、抗振的外殼封裝結構。采用密封、防塵、抗振的外殼封裝結構。 1.以集成電路為基本元件，內部處理過程不依賴于機械觸點。采用循環(huán)掃描的工作方式采用循環(huán)掃描的工作方式，也提高了抗干擾能力。？ 2021-7-1715 配套齊全，功能完善，適用性強，性價比高 編程簡單、使用方便、柔性好編程簡單、使用方便、柔性好 系統(tǒng)的設計，建造工作量小，維護方便，系統(tǒng)的設計，建造工作量小，維護方便，改造容易改造容易 體積小、重量輕、功耗低2021-7-1716二、PLC的應用場合 邏輯控制邏輯控制 ：可取代傳統(tǒng)繼電器系統(tǒng)和順序控制器。如各種機床、自動電梯、裝配生產線、電鍍流水線、運輸和檢測等的控制。 運動控制

11、運動控制：可用于精密金屬切削機床、機械手、機器人等設備的控制。 過程控制過程控制 ：通過配用AD、DA轉換模塊及智能PID模塊實現對生產過程中的溫度、壓力、流量、速度等連續(xù)變化的模擬量進行閉環(huán)調節(jié)控制。數據處理數據處理 1.多級控制：利用PLC的網絡通信功能模塊及遠程IO控制模塊實現多臺PLC之間、PLC與上位計算機的鏈接，以完成較大規(guī)模的復雜控制。2021-7-1717PLC與傳統(tǒng)的繼電器邏輯相比 （ 1 1 ）控制邏輯）控制邏輯 繼電器控制繼電器控制邏輯采用邏輯采用硬接線邏輯硬接線邏輯，利用物理繼電器機械觸點，利用物理繼電器機械觸點的串聯或并聯及延時繼電器的滯后動作等組合成控制邏輯，其接線

12、多的串聯或并聯及延時繼電器的滯后動作等組合成控制邏輯，其接線多而復雜，體積大，功耗大，一旦系統(tǒng)構成后想再改變或增加功能都很而復雜，體積大，功耗大，一旦系統(tǒng)構成后想再改變或增加功能都很困難。另外，困難。另外，繼電器觸點數目有限，每只有繼電器觸點數目有限，每只有 48 48 對觸點，因此靈活對觸點，因此靈活性和擴展性很差。性和擴展性很差。而可編程控制器采用存儲器邏輯，其控制邏輯以程而可編程控制器采用存儲器邏輯，其控制邏輯以程序方式存儲在內存中，要改變控制邏輯，只需改變程序，故稱為序方式存儲在內存中，要改變控制邏輯，只需改變程序，故稱為 “軟接線軟接線 ” ” ，其接線少，體積小，而且，可編程控制器

13、中每只軟繼，其接線少，體積小，而且，可編程控制器中每只軟繼電器的觸點數在理論上無限制，因此靈活性和擴展性很好?？删幊炭仉娖鞯挠|點數在理論上無限制，因此靈活性和擴展性很好?？删幊炭刂破饔芍写笠?guī)模集成電路組成，功耗小。制器由中大規(guī)模集成電路組成，功耗小。 （ 2 2 ）工作方式）工作方式 當電源接通時，繼電器控制線路中各繼電器都處于受約束狀態(tài)，當電源接通時，繼電器控制線路中各繼電器都處于受約束狀態(tài)，即該吸合的都應吸合，不該吸合的都因受某種條件限制不能吸合。而即該吸合的都應吸合，不該吸合的都因受某種條件限制不能吸合。而可編程控制器的控制邏輯中，各繼電器都處于周期性循環(huán)掃描接通之可編程控制器的控制邏輯

14、中，各繼電器都處于周期性循環(huán)掃描接通之中，從宏觀上看，每個繼電器受制約接通的時間是短暫的。中，從宏觀上看，每個繼電器受制約接通的時間是短暫的。 另外在控制速度另外在控制速度 、可靠性、維護性等方面也有區(qū)別。、可靠性、維護性等方面也有區(qū)別。 在需要大量中間繼電器、時間繼電器及計數繼電器的場合，PLC 無需增加硬設備。 隨著要求的變更隨著要求的變更PLCPLC對程序修改方便。繼電器線路要想改對程序修改方便。繼電器線路要想改變控制功能，必須變更硬接線，靈活性差。變控制功能，必須變更硬接線，靈活性差。 具有網絡通訊功能，可附加高性能模塊對模擬量進行處理，實現各種復雜控制功能。 2 2、可編程控制器與微

15、型計算機系統(tǒng)的區(qū)別、可編程控制器與微型計算機系統(tǒng)的區(qū)別 從微型計算機的應用范圍來說，微型計算機是從微型計算機的應用范圍來說，微型計算機是通用機通用機，而可編，而可編程控制器是程控制器是專用機專用機。因此可以說，微型計算機是通用的專用計算機，。因此可以說，微型計算機是通用的專用計算機，而可編程控制器則是專用的通用計算機。而可編程控制器則是專用的通用計算機。 可編程控制器與微型計算機計算機的主要差異及各自的特點主可編程控制器與微型計算機計算機的主要差異及各自的特點主要表現在應用范圍要表現在應用范圍 、使用環(huán)境、使用環(huán)境 、輸入、輸入 / / 輸出輸出 、程序設計語言、程序設計語言 、系、系統(tǒng)功能統(tǒng)

16、功能 、運算速度、存儲容量等幾個方面，例如：、運算速度、存儲容量等幾個方面，例如： 微型計算機除了用于控制領域外，還大量用于科學計算，數微型計算機除了用于控制領域外，還大量用于科學計算，數據處理，計算機通信等方面。而據處理，計算機通信等方面。而可編程控制器主要用于工業(yè)控制可編程控制器主要用于工業(yè)控制。 微型計算機對環(huán)境要求較高，一般要在干擾小，具有一定的微型計算機對環(huán)境要求較高，一般要在干擾小，具有一定的溫度和濕度要求的機房內使用。可編程控制器則使適用于工業(yè)現場環(huán)溫度和濕度要求的機房內使用?？删幊炭刂破鲃t使適用于工業(yè)現場環(huán)境。境。 微型計算機系統(tǒng)的微型計算機系統(tǒng)的 I/O I/O 設備與主機之

17、間采用微電聯系，一般不設備與主機之間采用微電聯系，一般不需要電氣隔離。而可編程控制器一般控制強電設備，需要電氣隔離，需要電氣隔離。而可編程控制器一般控制強電設備，需要電氣隔離，輸入輸出均用光電耦合，輸出還采用繼電器，可控硅或大功率晶體管輸入輸出均用光電耦合，輸出還采用繼電器，可控硅或大功率晶體管進行功率放大。進行功率放大。 可編程控制器的技術性能指標1.輸入輸入/輸出點數輸出點數輸入/輸出點數指的是外部輸入、輸出端子數量的總和，又稱為主機的開關量輸入/輸出點數，它是描述可編程控制器大小的一個重要參數。2.存儲容量存儲容量可編程控制器存儲容量通常指用戶程序存儲器和數據存儲器容量之和，表征系統(tǒng)提供

18、給用戶的可用資源，是系統(tǒng)性能的一項重要技術指標。3.掃描速度掃描速度可編程控制器采用循環(huán)掃描方式工作，完成一次掃描所需的時間叫做掃描周期，掃描速度與掃描周期成反比。4.指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)是指可編程控制器所有指令的總和。可編程控制器的編程指令越多，軟件功能就越強，但掌握應用也相對較復雜。5.可擴展性可擴展性小型可編程控制器的基本單元（主機）多為開關量I/O接口，模擬量處理、高速處理、溫度控制、通信等智能擴展模塊的多少及性能也已成為衡量可編程控制器產品水平的標志。6.通信功能通信功能可編程控制器的組網和通信能力也已成為可編程控制器產品水平的重要衡量指標之一。 項項 目目繼電器輸出繼電器輸出S

19、SRSSR輸出輸出晶體管輸出晶體管輸出 外部電源外部電源AC 250VAC 250V，DC DC 30V30V以下以下AC 85AC 85242V 242V DC 5DC 530V 30V 最大負載最大負載電阻負電阻負載載2A/12A/1點點0 03A/13A/1點，點，0.8A/40.8A/4點點0.5A/10.5A/1點點,0.8A/4,0.8A/4點點感性負感性負載載80VA80VAAC 150VA/100V AC 150VA/100V AC 30VA/240V AC 30VA/240V DC 12W/24V DC 12W/24V 燈負載燈負載100W100W30W30WDC 1.5W/

20、24V DC 1.5W/24V 開路漏電流開路漏電流AC 1mA/100V AC 1mA/100V AC 2.4A/240V AC 2.4A/240V DC DC 0.1mA/30V 0.1mA/30V 最小負載最小負載 AC0.4VA/100V AC0.4VA/100V AC2.3VA/240V AC2.3VA/240V 響應響應 時間時間OFF-ONOFF-ON 約約10ms10ms1ms1ms以下以下0.2ms0.2ms以下以下ON-OFFON-OFF 約約10ms10ms最大最大10ms 10ms 0.2ms0.2ms以下以下 隔離方式隔離方式繼電器隔離繼電器隔離光電晶閘管隔離光電晶閘

21、管隔離光耦合隔離器光耦合隔離器表一表一 輸出技術指標輸出技術指標輸入輸入ON時時LED燈亮燈亮輸入輸入狀態(tài)狀態(tài)顯示顯示無電壓觸點，或無電壓觸點，或NPN集電極開路輸出晶體管集電極開路輸出晶體管輸入信號輸入信號形式形式X0X7為為060mA（FX2N），其他系列），其他系列015mA可調節(jié)可調節(jié)輸入輸入響應時間響應時間10ms輸入響應時間輸入響應時間3.5mA4.5mADC24V,5mADC24V,7mA輸入信號電流輸入信號電流DC24V10%輸入信號電壓輸入信號電壓其他輸入點其他輸入點X0X7元件號元件號DC24V10% %輸入電壓輸入電壓輸入開關電流輸入開關電流OFFONFXFX系列系列PLCPLC的輸入技術指標的輸入技術指標FXFX系列系列PLCPLC的輸出技術指標的輸出技術指標項項 目目繼電器輸出繼電器輸出晶 閘 管 輸 出 （ 僅晶 閘 管 輸 出 （ 僅FX2N）晶體管輸出晶體管輸出 外部電源外部電源