《電氣控制與PLC》課件第3章

第3章可編程序控制器（PLC）

的組成及工作原理可編程序控制器簡稱PLC，是20世紀70年代以來在繼電器—接觸器（簡稱繼電接觸）控制系統(tǒng)中引入微型計算機控制技術(shù)后，發(fā)展起來的一種專門用于工業(yè)控制領(lǐng)域的新型控制器。也是建筑電氣控制領(lǐng)域常用的新型控制器。是替代繼電器—接觸器控制系統(tǒng)的新型控制器。本章主要介紹可編程控制器的基本概念、可編程控制器（PLC）的組成、可編程控制器（PLC）的工作原理和編程語言。第3章可編程序控制器（PLC）

的組成及工作原理3.1可編程控制器（PLC）概述3.2可編程控制器（PLC）的基本硬件組成3.3可編程控制器（PLC）的工作原理和常用編程語言3.1可編程控制器（PLC）概述1.可編程序控制器（PLC）的基本定義國際電工委員會（IEC）對可編程序控制器的定義是：可編程序邏輯控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)控制環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計算和算術(shù)運算等操作的指令。通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出來控制各類機械的生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。3.1可編程控制器（PLC）概述2.可編程序控制器（PLC）的技術(shù)特點現(xiàn)代可編程序控制器主要有如下一些技術(shù)特點：（1）高可靠性與高抗干擾能力（2）通用、靈活、方便（3）編程簡單、易于掌握（4）設(shè)計和開發(fā)周期短（5）功能強、體積小、重量輕3.2可編程控制器（PLC）的基本硬件組成3.2.1可編程序控制器(PLC)的基本結(jié)構(gòu)1.整體式PLC的結(jié)構(gòu)

圖3-1整體式PLC圖3-2整體式PLC的硬件結(jié)構(gòu)示意圖3.2.1可編程序控制器(PLC)的基本結(jié)構(gòu)2.模塊式PLC的結(jié)構(gòu)大、中型PLC一般都采用模塊式結(jié)構(gòu)。如圖3-3所示為模塊式PLC的外部結(jié)構(gòu)。模塊式PLC采用搭積木的方式組成系統(tǒng)。一般由機架和模塊組成。模塊插在模塊插座上，后者焊在機架的總線連接板上。機架有不同的槽數(shù)供用戶選用。如果一個機架容納不下所選用的模塊，可以增加擴展機架。各機架之間用I/O擴展電纜連接。圖3-3模塊式PLCPLC硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.2.2中央處理器和存儲器中央處理器簡稱CPU。是PLC的核心，在整機中起到類似于人腦的神經(jīng)中樞作用，對PLC的整機性能有著決定性作用。目前大多數(shù)PLC都用8位或16位單片機作CPU。PLC的存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器兩種。⒈系統(tǒng)程序存儲器⒉用戶程序存儲器⒊PLC程序存儲器的種類⑴隨機存儲器（RAM）：一般為用戶存儲器。⑵只讀存儲器（ROM）：一般為系統(tǒng)存儲器。⑶可電擦除的存儲器（EPROM、E2PROM）：用于存放用戶程序，存儲時間遠遠長于RAM，一般作為PLC的可選件。3.2.3輸入/輸出接口電路輸入接口電路用于采集輸入信號。輸入/輸出信號有開關(guān)量、模擬量、數(shù)字量三種形式。對應(yīng)的則有開關(guān)量、模擬量、數(shù)字量三種形式的輸入/輸出模塊形式和輸入/輸出接口電路。圖3-4為采用光電耦合的開關(guān)量輸入接口電路原理圖。圖3-5為繼電器輸出接口電路原理圖。圖中繼電器KA既是輸出開關(guān)器件，又是隔離器件；電阻R1和LED組成了輸出狀態(tài)顯示器；電阻R2和電容C組成了RC放電滅弧電路。3.2.4模擬量輸入/輸出模塊⒈模擬量輸入（A/D）轉(zhuǎn)換模塊A/D轉(zhuǎn)換模塊的作用是將輸入模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。圖3-6為模擬量輸入的A/D轉(zhuǎn)換過程。3.2.4模擬量輸入/輸出模塊⒉數(shù)字量輸出（D/A）轉(zhuǎn)換模塊D/A轉(zhuǎn)換模塊的作用是將PLC的數(shù)字輸出量轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流，再去控制執(zhí)行機構(gòu)。圖3-7為D/A的轉(zhuǎn)換過程。3.2.5其他硬件模塊和接口1.高速計數(shù)模塊PLC中的計數(shù)器的最高工作頻率受掃描周期的限制，一般僅為幾十Hz。在工業(yè)控制中，有時要求PLC有快速計數(shù)功能，計數(shù)脈沖可能來自旋轉(zhuǎn)編碼器、機械開關(guān)或電子開關(guān)。高速計數(shù)模塊可以對幾十kHz甚至上百kHz的脈沖計數(shù)。

2.運動控制模塊這類模塊一般帶有微處理器，用來控制運動物體的位置、速度和加速度，它可以控制直線運動或旋轉(zhuǎn)運動、單軸或多軸運動。它們使運動控制與PLC的順序控制功能有機地結(jié)合在一起，被廣泛地應(yīng)用在機床、裝配機械等場合。3.2.5其他硬件模塊和接口3.通信模塊通信模塊是通信網(wǎng)絡(luò)的窗口。在PLC中通信模塊用來完成與別的PLC、其他智能控制設(shè)備或主計算機之間的通信。遠程I/O系統(tǒng)也必須配備相應(yīng)的通信接口模塊。4.人機接口隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及自動控制的需要，PLC的控制日趨完美。許多品牌的PLC配備了種類繁多的顯示模塊和圖形操作終端（人機界面）作為人機接口。（1）顯示模塊（2）圖形操作終端（人機界面）（3）編程器3.3可編程控制器（PLC）的

工作原理和常用編程語言3.3.1PLC控制系統(tǒng)的組成以可編程序控制器為控制核心單元的控制系統(tǒng)稱為可編程序控制器控制系統(tǒng)。如圖3-8所示為PLC控制系統(tǒng)的組成圖。此控制系統(tǒng)由PLC基本單元、編程器、信號輸入部件和輸出執(zhí)行部件等組成。3.3.2PLC的工作原理1.輸入采樣階段在輸入采樣階段以掃描方式順序讀入所有輸入端子的通/斷（ON/OFF）狀態(tài)信息，并將此狀態(tài)信息存入輸入鏡象寄存器。2.程序執(zhí)行階段在程序執(zhí)行階段順序?qū)γ織l指令進行掃描。先從輸入鏡象寄存器中讀入所有輸入端子的狀態(tài)信息。在程序執(zhí)行期間，即使外部輸入信號的狀態(tài)變化，輸入鏡象寄存器的狀態(tài)也不會改變。這些變化只能在下一個工作周期的輸入采樣階段才被讀入。接著轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。3.輸出刷新階段在所有指令執(zhí)行完畢后即執(zhí)行程序結(jié)束指令時，元件鏡象寄存器中所有輸出繼電器的通/斷（ON/OFF）狀態(tài)，在輸出刷新階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存電路。圖3-9PLC程序執(zhí)行過程3.3.3PLC常用的編程語言1、梯形圖語言它是由繼電器控制系統(tǒng)圖演變而來，與繼電接觸電氣邏輯控制原理圖非常相似，是一種形象、直觀的實用圖形語言。是PLC控制系統(tǒng)的主要編程語言，絕大多數(shù)PLC均具有這種編程語言。如圖3-10(a)所示是一個具有自鎖功能的繼電接觸控制電路，圖3-10(b)是與其對應(yīng)的梯形圖程序。

（a)繼電接觸控制電路(b)對應(yīng)的梯形圖圖3-10具有自鎖功能的繼電控制電路及其對應(yīng)的梯形圖3.3.3PLC常用的編程語言2、指令表語言PLC的指令是一種與微型計算機機的匯編語言中的指令相似的助記符表達式，由指令組成的程序叫做指令表程序語言。指令表與梯形圖有著完全的對應(yīng)關(guān)系，兩者之間可以相互轉(zhuǎn)換。指令表程序較難閱讀，其中的邏輯關(guān)系很難一眼看出，所以在程序設(shè)計時一般使用梯形圖語言。

3、順序功能圖（SFC）語言這是一種位于其他編程語言之上的圖形語言，用來編制順序控制程序。順序功能圖提供了一種組織程序的圖形方法。圖3-11為功能順序圖。圖3-11順序功能圖3.3.3PLC常用的編程語言4、功能塊圖（FBD）語言這是一種類似于數(shù)字邏輯門電路的編程語言。該編程語言用類似與門、或門的方框來表示邏輯運算關(guān)系。圖3-12(b)為西門子PLC功能塊圖與語句表，它與圖3-12(a)梯形圖的控制邏輯相同。

圖3-12西門子PLC功能塊圖與梯形圖5、高級編程語言高級編程語言是一種結(jié)構(gòu)文本語言，是與計算機兼容的高級語言。與梯形圖相比，它能完成復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算，編寫的程序非常簡潔和緊湊。如BASIC語言、C語言及匯編語言等。本章小結(jié)1、可編程序控制器（PLC）的技術(shù)特點：（1）高可靠性與高抗干擾能力；（2）通用、靈活、方便；（3）編程簡單、易于掌握；（4）設(shè)計和開發(fā)周期短；（5）功能強、體積小、重量輕。2、可編程序控制器(PLC)的基本結(jié)構(gòu)：整體式PLC的結(jié)構(gòu)、

模塊式PLC的結(jié)構(gòu)。3、中央處理器簡稱CPU。是PLC的核心，在整機中起到類似于人腦的神經(jīng)中樞作用，對PLC的整機性能有著決定性作用。4、PLC的存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器兩種。5、PLC的輸入/輸出接口電路：輸入接口電路用于采集輸入信號，輸入/輸出信號有開關(guān)量、模擬量、數(shù)字量三種形式，對應(yīng)的則有開關(guān)量、模擬量、數(shù)字量三種形式的輸入/輸出模塊形式和輸入/輸出接口電路。