可编程控制器的基本结构、原理与技术性能

plc第一级,第二级,*,*,哈尔滨理工大学,周美兰 周封 王岳宇 编著,2003.3,PLC电气控制与组态设计,9/29/2024,1,可编程序控制器问世于1969年。是美国汽车制造工业激烈竞争的结果。更新汽车型号必然要求加工生产线改变。正是从汽车制造业开始了对传统继电器控制的挑战。1968年美国General Motors公司，要求制造商为其装配线提供一种新型的通用程序控制器，并提出10项招标指标。这就是著名的GM 10条。,第一章 可编程控制器的基本知识,第一节 可编程控制器的产生和发展,一、可编程控制器的产生,9/29/2024,2,编程简单，可在现场修改程序,；,可靠性高于继电器控制柜；,体积小于继电器控制柜；,维护方便，最好是插件式；,可将数据直接送入管理计算机,；,在成本上可与继电器控制柜竞争；,输入可以是交流,115V,；,输出为交流,115V,、,2A,以上，能直接驱动电磁阀等；,在扩展时，原系统只需很小变更；,用户程序存贮器容量至少能扩展到,4K,。,GM10条是可编程序控制器出现的直接原因：,9/29/2024,3,可编程控制器的发展及定义,1969,年，美国数据设备公司,(DEC),研制出世界上第一台可编程控制器，并成功地应用在,GM,公司的生产线上。这一时期它,主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称,PLC(Programmable Logic Controller),。,70,年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使,PLC,从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制领域，,真正成为一种电子计算机工业控制装置,，,故称为可编程控制器，简称,PC(Programmable Controller),。,但由于,PC,容易和个人计算机,(Personal Computer),相混淆，故人们仍,习惯地,用,PLC,作为可编程控制器的缩写。,9/29/2024,4,1985年1月,国际电工委员会的定义,：,“可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，,专为工业环境下应用而设计,。,它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按,易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充的原则设计,”。,9/29/2024,5,PLC,与传统的继电器逻辑相比,可靠性高、逻辑功能强、体积小。,在需要大量中间继电器、时间继电器及计数继电器的场合，,PLC,无需增加硬设备。,随着要求的变更,PLC,对程序修改方便。继电器线路要想改变控制功能，必须变更硬接线，灵活性差。,具有网络通讯功能，可附加高性能模块对模拟量进行处理，实现各种复杂控制功能。,9/29/2024,6,PLC,与工业控制计算机相比,PLC,继承了继电器系统的基本格式和习惯,，,对于有继电器系统方面知识和经验的人来说，尤其是现场的技术人员，学习起来十分方便。,PLC,一般是由电气控制器的制造厂家研制生产，,各厂家的产品不通用。,工业控制机,是由通用计算机推广应用发展起来的，一般由微机厂、芯片及板卡制造厂开发生产。它在硬件结构方面的突出优点是,总线标准化程度高，产品兼容性强。,PLC,的运行方式与工业控制机不同，,微机的许多软件不能直接使用。,工业控制机可使用通用微机的各种编程语言，对要求快速、实时性强、模型复杂的工业对象的控制占有优势。但它要求使用者具有一定的计算机专业知识。,9/29/2024,7,PLC,和工业控制机都是专为工业现场应用环境而设计的。,都具有很高的可靠性。,PLC,一般具有模块结构，,可以针对不同的对象进行组合和扩展。,9/29/2024,8,第二节 可编程控制器的基本结构,PLC,的系统结构,9/29/2024,9,PLC,各部分的作用,CPU,诊断,PLC,电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。,采集现场的状态或数据，并送,人,PLC,的寄存器中。,逐条读取指令，完成各种运算和操作。,将处理结果送至输出端。,响应各种外部设备的工作请求。,9/29/2024,10,PLC,各部分的作用,存储器,系统程序存储器,：用以存放系统管理程序、监控程序及系统内部数据。,PLC,出厂前已将其固化在只读存储器,ROM,或,PROM,中，用户不能更改。,用户存储器：,包括,用户程序存储区及工作数据存储区。,这类存储器一般由低功耗的,CMOS-RAM,构成，其中的存储内容可读出并更改。,注意：,PLC,产品手册中给出的“存储器类型”和“程序容量”是针对用户程序存储器而言的。,9/29/2024,11,PLC,各部分的作用,输入输出接口电路,输入接口电路,：,采用光电耦合电路，将限位开关、手动开关、编码器等现场输入设备的,控制信号转换,成,CPU,所能接受和处理的,数字信号,。,PLC的输入接口电路（直流输入型）,9/29/2024,12,PLC,各部分的作用,输出接口电路：,采用光电耦合电路，,将,CPU,处理过的信号转换成现场需要的强电信号输出，,以驱动接触器、电磁阀等外部设备的通断电。,有三种类型,：,继电器输出型,继电器输出型,：,为有触点输出方式，用于接通或断开,开关频率较低的,直流负载,或,交流负载,回路,。,9/29/2024,13,（b） 晶闸管输出型,（c） 晶体管输出型,（NPN集电极开路,）,（d）,晶体管输出型,（PNP集电极开路,）,晶体管输出型,：,为无触点输出方式，用于接通或断开,开关频率较高的,直流,电源负载。,晶闸管输出型：,为无触点输出方式，用于接通或断开,开关频率较高的,交流,电源负载。,9/29/2024,14,电源,PLC,的电源,是指将外部输入的交流电处理后转换成满足,PLC,的,CPU,、,存储器、输人输出接口等内部电路工作需要的,直流电源电路或电源模块,。,许多,PLC,的直流电源采用直流开关稳压电源，不仅可提供多路独立的电压,供内部电路使用,，,而且,还可为输入设备提供标准电源。,9/29/2024,15,手持编程器,手持编程器采用,助记符语言编程,，具有编辑、检索、修改程序、进行系统设置、内存监控等功能。可一机多用，具有使用方便、价格低廉的特点。,缺点：,不够直观,可通过,PLC,的,RS232,外设通讯口,(,或,RS422,口配以适配器,),与计算机联机，,利用专用工具软件,（,NPST,GR,、,FPSOFT,、,FPWIN,GR,）,对,PLC,进行编程和监控,。,利用计算机进行编程和监控比手持编程工具更加直观和方便。,9/29/2024,16,输入输出,I,0,扩展接口,若主机单元的,I,O,点数不能满足需要时,，,可通过此接口用扁平电缆线将,I,O,扩展单元与主机相连，以,增加,I,O,点数,。,PLC,的最大扩展能力主要受,CPU,寻址能力和主机驱动能力,的限制。,9/29/2024,17,第三节 可编程控制器的原理及,技术性能,PLC,的基本工作原理,微机：,等待命令,的工作方式,PLC,：,循环扫描,的工作方式,CPU,从第一条指令开始按指令步序号作周期性的循环扫描，如果,无跳转指令,则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令,，,周而复始不断循环，每一个循环称为,一个扫描周期。,9/29/2024,18,一个扫描周期主要分为三个阶段：,输入刷新阶段,程序执行阶段,输出刷新阶段,输入刷新,程序执行,输出刷新,一个扫描周期,输入刷新,PLC的扫描工作过程,用,户,输,出,设,备,输,入,端,子,输,入,锁,存,器,输,入,映,象,寄,存,器,输,出,映,象,寄,存,器,输,出,锁,存,器,输,出,端,子,程序,执行,用,户,输,入,设,备,写,读,读,9/29/2024,19,PLC,的基本工作原理,由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这,两个阶段统称为,I,O,刷新阶段。,实际上，除了执行程序和,I,O,刷新外，,PLC,还要进行各种错误检测,(,自诊断功能,),并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”。一般在程序执行后进行。,扫描周期的长短主要取决于程序的长短。,由于每一个扫描周期只进行一次,I,0,刷新，故使系统,存在输入、输出滞后现象。,这对于一般的开关量控制系统不但不会造成影响，,反而可以,增强系统的抗干扰能力。,但对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后。,9/29/2024,20,PLC,的主要技术指标,输入输出点数（,I/O,点数）,内存容量,注意：,“,内存容量”实际是指用户程序容量，不包括系统程序存储器的容量。,扫描速度,(,单位：,ms,k,或,s/,步。,),指令条数,内部继电器和寄存器数目,编程语言及编程手段,高级模块,主控模块可实现基本控制功能，,高级模块可实现一些特殊的专门功能。,如,A,D,和,D,A,转换模块等 。,9/29/2024,21,PLC,的内存分配及,I,O,点数,I,0,继电器区：,I,0,区的寄存器,可直接与,PLC,外部的输入、输出端子传递信息，,具有“继电器”的功能，有自己的“线圈”和“触点”。故常称为“,I,0,继电器区”。,内部通用继电器区：,只能在,PLC,内部使用，,其作用与中间继电器相似，在程序控制中可存放中间变量。,数据寄存器区,：,只能按字使用,，不能按位使用。一般只用来,存放各种数据,。,特殊继电器、寄存器区,：,被系统内部占用,，,专门用于某些特殊目的，一般,不能由用户任意占用,。,系统寄存器区：,用来,存放各种重要信息和参数。,通过用户程序，不能读取和修改系统寄存器的内容。,9/29/2024,22,第四节 PLC的分类及功能,PLC,的分类,按结构形式分类,整体式,模块式,按功能分类,低档机,中档机,高档机,分 类,I0点数,程序容量,超小型机,64点以内,2561000字节,小型机,64256,13.6K字节,中型机,2562048,3.613K字节,大型机,2048以上,13K字节以上,3.,按IO点数和程序容量分类,9/29/2024,23,PLC,的主要功能,条件控制功能,定时计数控制功能,数据处理功能,步进控制功能,A,D,与,D,A,转换功能,运动控制功能,过程控制功能,扩展功能,远程,I,0,功能,通信联网功能,监控功能,9/29/2024,24,第五节 PLC的特点、应用场合和发展趋势,PLC,的主要特点,可靠性高、抗干扰能力强。,主要有以下几个方面：,隔离,(,采用光电耦合器,),滤波,对,PLC,的内部电源采取了屏蔽、稳压、保护等措施。,设置了连锁、环境检测与诊断、,Watchdog,等电路。,利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测。,对用户程序及动态工作数据进行电池备份。,采用密封、防尘、抗振的外壳封装结构。,以集成电路为基本元件，内部处理过程不依赖于机械触点。,采用循环扫描的工作方式,，,也提高了抗干扰能力。,9/29/2024,25,可实现三电一体化,将电控,(,逻辑控制,),、电,仪,(,过程控制,),和电,结,(,运动控制,),集于一体，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统。,编程简单、使用方便、柔性好,体积小、重量轻、功耗低,9/29/2024,26,PLC,的应用场合,逻辑控制,：可取代传统继电器系统和顺序控制器。如各种机床、自动电梯、装配生产线、电镀流水线、运输和检测等的控制。,运动控制,：可用于精密金属切削机床、机械手、机器人等设备的控制。,过程控制,：通过配用,A,D,、,D,A,转换模块及智能,PID,模块实现对生产过程中的温度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量进行闭环调节控制。,数据处理,多级控制,：,利用,PLC,的网络通信功能模块及远程,I,O,控制模块实现多台,PLC,之间、,PLC,与上位计算机的链接，以完成较大规模的复杂控制。,9/29/2024,27,可编程控制器的发展趋势,在系统构成规模上,向大、小两个方向发展,；,功能不断增强，各种应用模块不断推出 ；,产品更加,规范化、标准化 。,9/29/2024,28,第六节 PLC的几种编程语言,不采用微机的编程语言，采用梯形图语言、指令助记符语言、控制系统流程图语言、布尔代数语言等。其中,梯形图、指令助记符语言最为常用。,PLC的设计和生产至今尚无国际统一标准，,不同厂家所用语言和符号也不尽相同。,但它们的梯形图语言的基本结构和功能是,大同小异,的。,9/29/2024,29,梯形图语言,梯形图是,在原继电器,接触器控制系统的继电器梯形图基础上演变而来的,一种图形语言,。,它是目前用得最多的,PLC,编程语言。,注意,：,梯形图表示的,并,不是一个实际电路而只是一个控制程序，,其间的连线表示的是它们之间的逻辑关系，即所谓“软接线”。,常开触点 ：,常闭触点：,线圈：,注意：,它们并非是物理实体，而是“软继电器”。,每个“软继电器”仅对应,PLC,存储单元中的一位。,该位状态为“,1”,时，对应的继电器线圈接通，其常开触点闭合、常闭触点断开；状态为“,0”,时，对应的继电器线圈不通，其常开、常闭触点保持原态。,9/29/2024,30,指令助记符语言,助记符语言类似于计算机汇编语言,，,用一些简洁易记的文字符号表达,PLC,的各种指令。同一厂家的,PLC,产品，其助记符语言与梯形图语言是相互对应的，可互相转换。,助记符语言常用于手持编程器中，梯形图语言则多用于计算机编程环境中。,9/29/2024,31,