電氣控制與plc第五章

電氣控制與plc第五章第一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日第5章電氣控制與PLC可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理第二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日本章提要5.1概述5.2PLC的基本結(jié)構(gòu)與工作原理5.3PLC的性能指標(biāo)及分類5.4PLC與其它工業(yè)控制系統(tǒng)的區(qū)別第三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日1.PLC的產(chǎn)生

1968年，美國通用汽車公司（GeneralMotors，GM）根據(jù)市場形勢與生產(chǎn)發(fā)展的需要，提出了“多品種、小批量、不斷翻新汽車品牌型號(hào)”的戰(zhàn)略。原有的汽車生產(chǎn)線電氣控制裝置遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這一戰(zhàn)略決策的要求，因此需要尋求一種比繼電器更可靠、功能更齊全、響應(yīng)速度更快的新型工業(yè)控制器，并從方便用戶使用角度提出了新一代控制器應(yīng)具備的十大條件，這十大條件是：5.1概述

5.1.1PLC的產(chǎn)生第四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日1）編程方便，可現(xiàn)場修改程序；2）維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)；3）可靠性高于繼電器控制裝置；4）體積小于繼電器控制盤；5）數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī)；6）成本可與繼電器控制盤競爭；7）輸入可為市電；8）輸出可為市電，電流要求在2A以上，可直接驅(qū)動(dòng)接觸器等；9）擴(kuò)展時(shí)原系統(tǒng)改變最少；10）用戶存儲(chǔ)器大于4KB。第五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司（DataEquipmentCompany，DEC）研制出了世界上第一臺(tái)可編程控制器PDP-14，在美國通用汽車公司的生產(chǎn)線上試用成功，并取得了滿意的效果，可編程控制器自此誕生?？删幊炭刂破髯詥柺酪詠?，發(fā)展極為迅速。1971年，日本開始生產(chǎn)可編程控制器。1973年，歐洲開始生產(chǎn)可編程控制器。到現(xiàn)在世界各國的一些著名的電氣工廠幾乎都在生產(chǎn)可編程控制器?？删幊炭刂破饕炎鳛橐粋€(gè)獨(dú)立的工業(yè)設(shè)備被列入生產(chǎn)中，成為當(dāng)代電控裝置的主導(dǎo)。第六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日從1969年研制出第一臺(tái)PLC以來，PLC發(fā)展已經(jīng)歷了四個(gè)階段，其發(fā)展過程大致如下：

第一階段1969～1972年，CPU由中小規(guī)模集成電路組成，存儲(chǔ)器為磁心存儲(chǔ)器。其功能也比較單一，僅能實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能。

第二階段1973～1975年，這個(gè)時(shí)期的產(chǎn)品已開始使用微處理器作為CPU，存儲(chǔ)器采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。其功能也有所增加，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字運(yùn)算、傳送、比較等功能，并初步具備自診斷能力，可靠性也有了一定的提高。2．PLC的發(fā)展第七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日第三階段1976～1983年，PLC進(jìn)入了迅速發(fā)展階段，美國、日本、德國各有幾十個(gè)廠家生產(chǎn)PLC。采用8位和16位微處理器作為CPU，部分產(chǎn)品還采用了多處理器結(jié)構(gòu)。能進(jìn)行多種復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，具備完善的通信功能和較強(qiáng)的遠(yuǎn)程輸入/輸出控制能力，具有較強(qiáng)的自診斷功能并采用了容錯(cuò)技術(shù)。

第四階段從1983年到現(xiàn)在。除采用16位以上的微處理器作為CPU外，內(nèi)存容量更大；可以將多臺(tái)PLC鏈接起來，實(shí)現(xiàn)資源共享；可以直接用于一些規(guī)模較大的復(fù)雜控制系統(tǒng)；編程語言除了可使用傳統(tǒng)的梯形圖、流程圖外，還可使用高級(jí)語言；外設(shè)多樣化。第八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日早期的可編程控制器只能實(shí)現(xiàn)邏輯控制的功能，因此又被稱為可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，PLC）。隨著微電子技術(shù)和集成電路的發(fā)展，特別是微處理器功能的不斷增強(qiáng)，各生產(chǎn)廠家紛紛采用微處理器作為可編程控制器的中央處理單元，這使其在邏輯控制功能的基礎(chǔ)上，增加了算術(shù)運(yùn)算、模擬量控制、通信及一些特殊應(yīng)用功能。美國電氣制造協(xié)會(huì)（NationalElectricalManufacturersAssociation，NEMA）于1980年將它正式命名為可編程控制器（ProgrammableController，PC），為了和個(gè)人計(jì)算機(jī)相區(qū)別，仍把可編程控制器縮寫為PLC。5.1.2PLC的定義第九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日NEMA在1980年給PLC作了如下的定義：“PLC是一個(gè)數(shù)字式的電子裝置，它使用了可編程序的記憶體以儲(chǔ)存指令，用來執(zhí)行諸如邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和演算等功能，并能通過數(shù)字或模擬的輸入和輸出，以控制各種機(jī)械或生產(chǎn)過程。一部數(shù)字電子計(jì)算機(jī)若是用來執(zhí)行PLC之功能者，亦被視同為PLC，但不包括鼓式或機(jī)械式順序控制器?！?.美國電氣制造協(xié)會(huì)的定義第十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日2.國際電工委員會(huì)的定義國際電工技術(shù)委員會(huì)（InternationalElectrotechnicalCommission，IEC）曾于1982年11月頒發(fā)了可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第一稿，1985年1月有頒發(fā)了第二稿，1987年2月頒發(fā)了第三稿。草案中對(duì)可編程控制器的定義是：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入/輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)?！钡谑豁?，共三十三頁，編輯于2023年，星期日5.2PLC的基本結(jié)構(gòu)與工作原理圖5-1PLC的基本結(jié)構(gòu)第十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日1．輸入／輸出模塊（I/O模塊）

在PLC中，輸入模塊用于將控制現(xiàn)場輸入信號(hào)變換成CPU能接受的信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行濾波、電平轉(zhuǎn)換、隔離和放大等；輸出模塊用于將CPU的決策輸出信號(hào)變換成驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)，并對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大、隔離PLC內(nèi)部電路和外部執(zhí)行元件等。I/O模塊一般包括：數(shù)字量輸入模塊，數(shù)字量輸出模塊，模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊等。按用途分為：輸入/輸出模塊還包括：數(shù)據(jù)傳送/校驗(yàn)、串/并行轉(zhuǎn)換、電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換以及其它功能模塊等。5.2.1PLC的基本結(jié)構(gòu)第十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日（1）輸入接口電路

PLC輸入方式按輸入回路電流來分，有直流輸入和交流輸入兩種，有的PLC還有交直流輸入方式。圖5-2直流輸入電路示意圖圖5-3交流輸入電路示意圖第十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D5-4匯點(diǎn)式輸入接線示意圖a)直流模塊b)交流模塊圖5-5分隔式輸入接線示意圖第十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日（2）輸出接口電路

圖5-6PLC開關(guān)量輸出電路示意圖a)繼電器型

b)晶體管型

c)晶閘管型第十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日

圖5-7匯點(diǎn)式輸出接線示意圖a)匯集為一組輸出

b)分為若干組輸出圖5-8分隔式輸出接線示意圖第十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日2．中央處理單元（CPU部分）（1）微處理器（CPU）

微處理器是PLC的核心部件，整個(gè)PLC的工作過程都是在中央處理器的統(tǒng)一指揮和協(xié)調(diào)下進(jìn)行的。（2）存儲(chǔ)器

在PLC中，存儲(chǔ)器是保存系統(tǒng)程序、用戶程序和工作數(shù)據(jù)的器件。系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器用以存放系統(tǒng)程序或監(jiān)控程序、管理程序。指令解釋程序、功能應(yīng)用子程序、系統(tǒng)診斷程序等，此外還用以存放輸入/輸出電路、內(nèi)部繼電器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、移位寄存器等各部分的固定參數(shù)。第十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日3．電源部件

PLC的電源是把交流電轉(zhuǎn)換成其內(nèi)部的中央處理單元、存儲(chǔ)器單元等電子電路工作所需的直流電源（一般為5V）和外部輸入設(shè)備所需直流電源（一般為24V）。此外，還有包括PLC斷電后為掉電保護(hù)電路供電的后備電源（一般為鋰離子電池）。第十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日4．編程器

編程器是PLC必不可少的重要外圍設(shè)備，它通過通信端口與CPU相聯(lián)系，以此完成人機(jī)對(duì)話的功能。編程器上提供了用于編程的各種按鍵、指示燈和用于編程、監(jiān)控、運(yùn)行的轉(zhuǎn)換開關(guān)。第二十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日1．循環(huán)掃描工作原理

PLC的控制過程實(shí)質(zhì)上是采用了對(duì)整個(gè)用戶程序循環(huán)執(zhí)行的工作方式即循環(huán)掃描方式。即執(zhí)行用戶程序不是只執(zhí)行一遍，而是一遍一遍不停地循環(huán)執(zhí)行。這里每執(zhí)行一遍我們稱為掃描一次。掃描一遍全部用戶程序的時(shí)間叫做掃描周期。掃描周期的長短，與程序中指令的數(shù)量以及每條指令執(zhí)行時(shí)間的長短有關(guān)。應(yīng)保障掃描周期足夠短，以確保在前一次掃描中剛好未捕捉到的某變量的變化狀態(tài)，在下一次掃描過程中必定被捕捉到。5.2.2PLC的基本工作原理第二十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日PLC的掃描工作方式可以按固定的順序運(yùn)行，即每掃描一遍立即執(zhí)行一遍，這種方法多用于小型PLC，其優(yōu)點(diǎn)是提高了系統(tǒng)抗干擾能力；而對(duì)于大型系統(tǒng)，當(dāng)I/O點(diǎn)數(shù)很多時(shí)，響應(yīng)的及時(shí)性則較難于滿足。此時(shí)，也可以采用分時(shí)分批掃描執(zhí)行的方法，以縮短掃描周期、提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)性。此外，也可以直接使用專門指令執(zhí)行一個(gè)I/O映像區(qū)的及時(shí)采樣輸入、直接刷新輸出，或中斷輸入輸出，或運(yùn)用專門的智能化快速響應(yīng)I/O模板等方法來提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)性。第二十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日2．PLC掃描周期的執(zhí)行過程PLC是在其系統(tǒng)軟件的支持下按掃描原理工作的，它的工作過程就是周期性的循環(huán)掃描過程，每一個(gè)掃描周期均分為自診斷、采樣輸入、執(zhí)行用戶程序、輸出刷新、通信五個(gè)階段，如圖5-9所示。圖5-9PLC的工作過程

第二十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日PLC在上電后和進(jìn)行每一次掃描之前都要執(zhí)行自診斷程序以保證設(shè)備的可靠性。診斷包括校驗(yàn)系統(tǒng)軟件的校驗(yàn)和、CPU測試、存儲(chǔ)器測試、I/O接口測試和總線動(dòng)態(tài)測試等。如果自診斷發(fā)現(xiàn)異常情況，PLC將全部輸出置為OFF狀態(tài)，保留當(dāng)前相關(guān)狀態(tài)，然后停止PLC運(yùn)行。PLC除了上述自診斷功能外，往往還使用一個(gè)硬件時(shí)鐘即時(shí)間監(jiān)視器WDT（WatchdogTimer）來輔助自診斷，即在每一次掃描之前均復(fù)位WDT。如果CPU出現(xiàn)故障，或用戶程序執(zhí)行時(shí)間太長，使掃描周期時(shí)間超過WDT的設(shè)定時(shí)間，WDT將使PLC停止運(yùn)行，復(fù)位輸入輸出，并給出報(bào)警信號(hào)。而WDT的主要功能是針對(duì)CPU工作過程中出現(xiàn)受外界干擾而產(chǎn)生程序跑飛，以后始終不能再進(jìn)行正常掃描循環(huán)的嚴(yán)重情況而設(shè)置的。（1）自診斷第二十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日在采樣階段，PLC以順序掃描的方式采樣所有輸入的狀態(tài)，并存入存儲(chǔ)器輸入映像區(qū)中，然后轉(zhuǎn)入程序掃描執(zhí)行階段。在程序掃描執(zhí)行期間，用戶程序中所有的輸入值是輸入映像區(qū)的值，即使外部輸入狀態(tài)發(fā)生變化，輸入映像區(qū)的內(nèi)容也不會(huì)隨之改變，這種變化只能在下一掃描周期輸入采樣時(shí)才能再讀入。（2）采樣輸入第二十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日PLC處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，一個(gè)掃描周期中包含了用戶程序執(zhí)行過程。在程序掃描執(zhí)行階段，先從存儲(chǔ)器輸入映像區(qū)中讀入程序中所需的輸入狀態(tài)，從存儲(chǔ)器輸出映像區(qū)中讀入程序中所需的輸出狀態(tài)，以及程序中規(guī)定要讀入的內(nèi)部輔助繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的狀態(tài)。然后，按照程序的安排進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)構(gòu)存入存儲(chǔ)器輸出映像區(qū)。由于使用了輸入輸出狀態(tài)映像區(qū)，用戶程序具有三個(gè)明顯特點(diǎn)：1）由于在同一掃描周期內(nèi)，對(duì)每一輸入狀態(tài)只采樣一次，其在整個(gè)掃描周期內(nèi)是一致的，因而不會(huì)造成在同一掃描周期內(nèi)運(yùn)算結(jié)果的混亂。2）在同一掃描周期內(nèi)，對(duì)每一輸出狀態(tài)一般只運(yùn)算并存儲(chǔ)一次，如果程序中運(yùn)算、存儲(chǔ)多次，則僅最后一次有效。3）在同一掃描周期內(nèi)，每一存儲(chǔ)在輸出狀態(tài)映像區(qū)中的輸出狀態(tài)，在用戶程序中亦可作為邏輯運(yùn)算的條件使用。（3）執(zhí)行用戶程序

第二十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日在程序掃描執(zhí)行階段完成以后，存儲(chǔ)器輸出映像區(qū)中已存儲(chǔ)了所有輸出繼電器的狀態(tài)。在輸出刷新階段，將存儲(chǔ)器輸出映像區(qū)中所有輸出繼電器的狀態(tài)轉(zhuǎn)存到輸出鎖存電路，并驅(qū)動(dòng)所有外部輸出電路，至此，才真正完成了驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載的功能。為了便于現(xiàn)場調(diào)試，PLC一般提供有輸入輸出控制功能，即用戶可以通過編程器關(guān)閉或打開輸入輸出服務(wù)掃描過程或強(qiáng)制向外部負(fù)載輸出開或關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。（4）輸出刷新第二十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日配有網(wǎng)絡(luò)的PLC，在掃描周期的通信階段中，進(jìn)行PLC之間以及PLC與計(jì)算機(jī)之間的信息交換。PLC的用戶程序是通過編程器寫入的，在調(diào)試過程中，用戶也是通過編程器進(jìn)行在線監(jiān)視和在線修改相應(yīng)參數(shù)的。在掃描周期的通信階段中，用戶可以通過編程器修改內(nèi)存程序、啟動(dòng)或停止CPU、讀CPU狀態(tài)、清內(nèi)存、封鎖或開放輸入輸出。PLC亦將欲顯示的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、邏輯變量和數(shù)字變量、誤碼等發(fā)送給編程器。當(dāng)PLC配有數(shù)字模塊時(shí)，該掃描周期中這一過程用于數(shù)字模塊與CPU間的數(shù)據(jù)交換。（5）通信第二十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日5.3PLC的性能指標(biāo)及分類5.3.1PLC的性能指標(biāo)（1）編程語言（2）指令種類和總條數(shù)（3）I/O總點(diǎn)數(shù)（4）PLC內(nèi)部繼電器的種類和點(diǎn)數(shù)（5）用戶程序存儲(chǔ)量（6）掃描速度（7）工作環(huán)境（8）特殊功能（9）其它第二十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日5.3.2PLC的分類（1）按結(jié)構(gòu)形式分類按PLC結(jié)構(gòu)形式分類，可分為整體式、模塊式和疊裝式三種。（2）按輸入/輸出點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)容量分類按輸入/輸出點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)容量來分，PLC大致可分為大、中、小和微型（超小型）4種。（3）按功能分類按PLC功能強(qiáng)弱來分，可大致分為低檔機(jī)、中檔機(jī)和高檔機(jī)三種。第三十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日5.4PLC與其它工業(yè)控制系統(tǒng)的區(qū)別5.4.1PLC與繼電接觸控制系統(tǒng)的區(qū)別5.4.2PLC與微型計(jì)算機(jī)的區(qū)別5.4.3PLC與集散控制系統(tǒng)的區(qū)別第三十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日1）繼電接觸控制全部用硬器件、硬觸點(diǎn)和“硬”線連接，為全硬控制