西門子PLC可編程序控制器原理

1、1第第5 5章章 可編程序控制器原理可編程序控制器原理本本章章內(nèi)內(nèi)容容5.1 可編程序控制器簡介5.2 可編程序控制器的特點5.3 可編程序控制器的發(fā)展趨勢5.4 可編程序控制器的基本組成5.5 可編程序控制器的工作原理 5.6 PLC的主要性能指標(biāo) 25.1 5.1 可編程序控制器簡介可編程序控制器簡介-PLC的發(fā)展的發(fā)展 1968年，美國通用汽車公司（GM）希望有一種新的工業(yè)控制裝置，保留上述兩種控制裝置的優(yōu)點，而摒棄其缺點：它可以隨著生產(chǎn)品種的改變，靈活方便地改變控制方案以滿足對控制的不同要求。 GM公司對這種新的工業(yè)控制裝置提出了十項功能指標(biāo) ， 并向社會公開招標(biāo)。 1969年著名的美

2、國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）按GM的功能要求研制出了這種新的工業(yè)控制裝置，并在GM公司的一條汽車自動化生產(chǎn)線上（位于底特律）首次運(yùn)行取得成功。 人們根據(jù)這種新型工業(yè)控制裝置可以通過編程改變控制方案這一特點，以及專門用于邏輯控制的情況，稱這種新的工業(yè)控制裝置為可編程邏輯控制器(programmable logic controller)，簡稱PLC。 3 可編程序邏輯控制器PLC產(chǎn)生于1969年，最初只具備邏輯控制、定時、計數(shù)等功能，主要是用來取代繼電接觸器控制。 隨著可編程控制器的發(fā)展，它已經(jīng)完全不是一開始只能進(jìn)行邏輯控制那種功能狀態(tài)，因而用“PLC”是不能描述其多功能的特點的。1980年，美國電

3、氣制造商協(xié)會（NEMA）給它一個新的名稱“programmable controller”，簡稱PC。 1985年，國際電工委員會IEC對可編程序控制器作了如下規(guī)定：可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。5.1 5.1 可編程序控制器簡介可編程序控制器簡介- PLC的發(fā)展的發(fā)展 4 1969年美國的DEC公司研制成功了世界第一臺PLC。Allen-Bradley公司（簡稱A-B公司），MODICON公司。美國流派 歐洲走的是獨立研制PLC的道路，1973年由德國的西門子公司研制成功了歐洲的第一臺PLC。德國西門子（SIMENS）公司 。歐洲流派 1971年日本從

4、美國引進(jìn)了PLC技術(shù)加以消化，由日立公司試制成功了日本的第一臺PLC。OMRON，松下電工，三菱。日本流派5.1 5.1 可編程序控制器簡介可編程序控制器簡介- PLC的三大流派的三大流派 512435靈活靈活性和性和通用通用性強(qiáng)性強(qiáng)抗干抗干擾能擾能力強(qiáng)力強(qiáng)可靠可靠性高性高編程編程語言語言簡單簡單易學(xué)易學(xué)PLC與外與外部設(shè)部設(shè)備的備的連接連接簡單簡單 使用使用方便方便PLC具有具有完善完善的功的功能和能和較強(qiáng)較強(qiáng)的擴(kuò)的擴(kuò)展能展能力力5.2 5.2 可編程序控制器的特點可編程序控制器的特點 65.3 5.3 可編程序控制器的發(fā)展趨勢可編程序控制器的發(fā)展趨勢小型小型PLCPLC體積更小、速度更高、

5、功能增強(qiáng)、價體積更小、速度更高、功能增強(qiáng)、價格低廉格低廉容量更大、速度更高、功能更多、可容量更大、速度更高、功能更多、可靠性更高、易于連絡(luò)通信靠性更高、易于連絡(luò)通信大中型大中型PLCPLC7按按I/OI/O點點按結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)按使用按使用小型機(jī)中型機(jī)大型機(jī)整體式模塊式通用型專用型PLCPLC的基本分類的基本分類5.4 5.4 可編程序控制器的基本組成可編程序控制器的基本組成 8輸入設(shè)備輸入設(shè)備按鈕行程開關(guān)繼電器觸點輸出設(shè)備輸出設(shè)備接觸器電磁閥指示燈5.4 5.4 可編程序控制器的基本組成可編程序控制器的基本組成 I/OI/O擴(kuò)展擴(kuò)展 單元單元 特殊功特殊功 能單元能單元主機(jī)主機(jī)輸出單元輸出單元輸入

6、單元輸入單元 電電 源源外設(shè)接口外設(shè)接口I/O/O擴(kuò)擴(kuò)展展口口存存 儲儲 器器 系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序 存儲器存儲器 C P U 用戶程序用戶程序 存儲器存儲器整體式整體式 PLC的基本組成框圖的基本組成框圖打印機(jī)編程器PLC上位計算機(jī) 9智能智能I/O模塊模塊 PLC系系 統(tǒng)統(tǒng) 總總 線線通信模塊通信模塊PLC或或上位上位PC 控控 制制 系系 統(tǒng)統(tǒng) 現(xiàn)現(xiàn) 場場輸出模塊輸出模塊輸入模塊輸入模塊 編程器編程器CPU模塊模塊組合式組合式 PLC的基本組成框圖的基本組成框圖5.4 5.4 可編程序控制器的基本組成可編程序控制器的基本組成 10輸入并存儲用戶程序、顯示輸入內(nèi)容和地址；輸入并存儲用戶程序、顯

7、示輸入內(nèi)容和地址；檢查、校驗用戶程序，發(fā)現(xiàn)錯誤即報警；檢查、校驗用戶程序，發(fā)現(xiàn)錯誤即報警；執(zhí)行用戶程序、驅(qū)動外部輸出設(shè)備動作；執(zhí)行用戶程序、驅(qū)動外部輸出設(shè)備動作；診斷故障、記憶故障信息并報警。診斷故障、記憶故障信息并報警。接收、調(diào)用現(xiàn)場信息。接收、調(diào)用現(xiàn)場信息。中央處理單元是PLC的主要組成部分，是系統(tǒng)的控制中樞。5.4.1 5.4.1 中央處理單元中央處理單元(CPU)(CPU)11用戶程序用戶程序存儲器存儲器工作數(shù)據(jù)工作數(shù)據(jù)存儲器存儲器系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序存儲器存儲器5.4.2 5.4.2 存儲器存儲器存儲工作數(shù)據(jù)存儲工作數(shù)據(jù), ,可讀可讀/ /寫寫存儲系統(tǒng)系統(tǒng)程序存儲系統(tǒng)系統(tǒng)程序, ,是只讀

8、存儲器是只讀存儲器存儲系統(tǒng)用戶程序存儲系統(tǒng)用戶程序, ,可讀可讀/ /寫寫125.4.3 5.4.3 輸入輸入/ /輸出單元輸出單元數(shù)字量數(shù)字量I/OI/O 模擬模擬量量I/OI/O按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)、接近開關(guān)、壓力繼電器等輸入輸入接觸器、繼電器、電磁閥、指示燈、報警裝置等輸出輸出 壓力、流量、液位、溫度、轉(zhuǎn)速等輸入輸入 電動調(diào)節(jié)閥、變頻器等，進(jìn)行模擬量的PID調(diào)節(jié)輸出輸出PLCPLC與外部與外部設(shè)備聯(lián)系設(shè)備聯(lián)系的橋梁的橋梁13濾波內(nèi)部電路SR1CR2LEDCOMT5VAR3直流輸入電路直流輸入電路 1 1開關(guān)量輸入單元開關(guān)量輸入單元5.4.3 5.4.3 輸入輸入/ /輸出單元輸出單元

9、T- 光電耦合器R1- 限流電阻R2/C-濾波電路LED-顯示輸入狀態(tài)14交流輸入電路交流輸入電路5.4.3 5.4.3 輸入輸入/ /輸出單元輸出單元1 1開關(guān)量輸入單元開關(guān)量輸入單元C 隔直電容R2/R1- 分壓電路LED-顯示輸入狀態(tài)T- 光電耦合器15晶體管輸出電路晶體管輸出電路5.4.3 5.4.3 輸入輸入/ /輸出單元輸出單元 負(fù)載電源只能是直流 輸出電路負(fù)載能力小 工作電流僅0.30.5 A 接口使用壽命長 響應(yīng)速度快 延遲一般為0.51 ms2 2開關(guān)量輸出單元開關(guān)量輸出單元16雙向晶閘管輸出電路雙向晶閘管輸出電路5.4.3 5.4.3 輸入輸入/ /輸出單元輸出單元 負(fù)載電

10、源交/直流均可 輸出電路負(fù)載能力大 工作電流約1A 接口使用壽命長 響應(yīng)速度較快 延遲一般為12 ms2 2開關(guān)量輸出單元開關(guān)量輸出單元17繼電器輸出電路繼電器輸出電路5.4.3 5.4.3 輸入輸入/ /輸出單元輸出單元 負(fù)載電源交/直流均可 輸出電路負(fù)載能力大 工作電流約25A 接口使用壽命長 響應(yīng)速度較慢 延遲一般為810 ms2 2開關(guān)量輸出單元開關(guān)量輸出單元18保證保證CPUCPU、存、存儲器、輸入儲器、輸入接口、輸出接口、輸出接口能夠可接口能夠可靠工作靠工作。由開關(guān)式穩(wěn)壓電源為內(nèi)部電路供電由開關(guān)式穩(wěn)壓電源為內(nèi)部電路供電可作為輸入單元連接的外部設(shè)備的電源可作為輸入單元連接的外部設(shè)備的

11、電源能向外部提供能向外部提供24V的直流電源的直流電源5.4.4 5.4.4 電源部件電源部件19用一臺軟啟動器控制兩臺電動機(jī) 5.5 PLC5.5 PLC工作原理工作原理u 循環(huán)掃描工作方式循環(huán)掃描工作方式u 輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新三個階段輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新三個階段 20啟動組織塊啟動組織塊上電后執(zhí)行一次上電后執(zhí)行一次循環(huán)監(jiān)視時間開始循環(huán)監(jiān)視時間開始讀取輸入信號狀態(tài)，讀取輸入信號狀態(tài)，并存儲在輸入映像區(qū)并存儲在輸入映像區(qū)執(zhí)行執(zhí)行OB1程序程序包括中斷程序包括中斷程序?qū)⑤敵鲇诚駞^(qū)狀態(tài)寫將輸出映像區(qū)狀態(tài)寫到實際輸出設(shè)備到實際輸出設(shè)備一一個個循循環(huán)環(huán)掃掃描描周周期期5.5 PLC5

12、.5 PLC工作原理工作原理21(一) 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(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)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。5.5 PLC5.5 PLC工作原理工作原理22(二) 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)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各

13、觸點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。5.5 PLC5.5 PLC工作原理工作原理23即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或

14、數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。5.5 PLC5.5 PLC工作原理工作原理24(三) 輸出刷新階段當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時，才是PLC的真正輸出。5.5 PLC5.5 PLC工作原理工作原理25PLCSB1SB2KMSTI0.0I0.1I0.2Q0.0COMCOMKMFUFR M 3 QS5.5 PLC5.5 PLC工作原理工作原理PLC控制原理控制原理26讀讀讀讀讀讀寫寫寫寫 執(zhí)行用戶程序執(zhí)行用戶程序 I/O I/O刷新刷新 I/OI/O刷新刷新Q0.1Q0.1Q0.0Q0.0I0.0I0.0I0.1I0.1Q0.0Q0.0輸輸入入端端子子輸輸入入電電路路用戶輸入設(shè)備用戶輸入設(shè)備輸入映像寄存器輸入映像寄存器輸輸出出電電路路輸輸出出端端子子元件映像寄存器元件映像寄存器輸出鎖存器輸出鎖存器 用戶輸出設(shè)備用戶輸出設(shè)備PLC執(zhí)行用戶程序的過程執(zhí)行用戶程序的過程5.5 PLC5.5 PLC工作原理工作原理( )( )( )( )27124356785.6 PLC5.