第一-二2章可编程控制器的原理及技术性能

1、2021-7-121 第三节 可编程控制器的原理及 技术性能 教学目标 1、了解可编程序控制器与继电器及微型 计算机控制系统的区别 2、熟悉PLC的系统配置 3、重点掌握PLC的工作原理 2021-7-122 PLCPLC的基本工作原理的基本工作原理 继电器控制装置： 采用硬逻辑并行运行的方式，如果一个继电器的线圈通电或 断电，该继电器的所有触点(常开/常闭触点)不论在控制线 路的哪个位置，都会立即同时动作。 微机：等待命令等待命令的工作方式; PLC： 循环扫描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

2、，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。如 果一个线圈接通或断开，该线圈的所有触点不会立即动作， 必须等扫描到该触点时才会动作。 PLC是以循环扫描的工作方式工作的。每一扫描周期分为三 个阶段：输入采样、执行程序、输出刷新。 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 可编程控制器在运行工作状态时，执行一次扫描操作所需要的 时间称为扫描周期。其典型值为1-100ms。 2021-7-124 要注意的是，只有在输入采样阶段，输入映像寄存器的 内容才与输入信号一致，而在输入采样结束后，转入用户程 序执行和输出刷新阶段。在这

3、两个阶段中，即使输入状态和 数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会 改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必 须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能 被读入。 （1 1）输入采样阶段）输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入 状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。在 PLC的存储器中，有一个专门存放输入输出信号状态的区域， 称为输入映像寄存器和输出映像寄存器，PLC梯形图中别的 编程元件也有对应的映像存储区，称为元件映像寄存器。 （2 2）用户程序执行阶段）用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上

4、而下的顺序 依次地扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一行梯形图 时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线 路，并按“先左后右、先上后下”的顺序对由触点构成 的控制线路进行逻辑运算 （3 3）输出处理阶段）输出处理阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶 段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数 据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应 的外设。这时才是PLC真正的输出。 输入输出映像寄存器集中在一起就是I/O映像区， 其大小随系统输入/输出的点数而定。I/O映像区的设 置，使得CPU执行用户程序所需信号状态及执行结果 都与I/O映像区产生联系，只有CPU扫描执

5、行到输入输 出服务过程时，CPU才从实际的输入点读入相关信号 状态，存放于输入映像区，并将暂时存放在输出映像 区内的运行结果传送至实际输出点。 输入端输入端 输入电路输入电路 输入映像寄存输入映像寄存 器器 输入刷新阶段-CPU从输入电路的输出端读 出各路状态，并将其写入输入映像寄存器； X0 X1 b.程序执行阶段 - CPU从输入映像寄存器和元 件映像寄存器中读出各继电器的状态，并根据 此状态执行用户程序，执行结果再写入元件映 像寄存器中； c. 紧接着的输出刷新阶段-将输出映像寄存 器的状态写入输出锁存电路，再经输出电路 传递输出端子，从而控制外接器件动作。 X0Y0 Y0Y1 元件映像

6、寄存元件映像寄存 器器 读读 写写 输出锁存器输出锁存器 输出电路输出电路 输入端输入端 Y0 Y1 读读 写写 输输 入入 端端 子子 输入输入 映象映象 寄存器寄存器 X0 X1 X2 M0 Y0 元件元件 映象映象 寄存器寄存器 读读 X0 Y0 读读 写写 读读 写写辅助继电器辅助继电器 输输 出出 端端 子子 输出输出 锁存锁存 存储器存储器 Y0 Y1 Y2 输出输出 反复一个周期反复一个周期 称为扫描周期称为扫描周期 程序执行中读程序执行中读 X X 程序执行完写所有程序执行完写所有 Y Y PLC PLC 用户程序扫描工作过程图用户程序扫描工作过程图 集中采样、集中输出、周期性

7、循环 扫描 串行 工作方式 二PLC的工作特点 由于PLC是集中采样，在程序处理阶段即使 输入发生了变化，输入映象寄存器中的内容也不 会变化，要到下一周期的输入采样阶段才会改变。 注意 由于PLC是串行工作方式，所以 PLC的运行结果与梯 形图程序的顺序有关。这与继电器控制系统“并行” 工作有质的区别。避免了触点的临界竞争，减少了繁 琐的联锁电路。 2021-7-1210 三、 PLC的工作方式 PLC的基本逻辑图形 PLCPLC控制的等效电路控制的等效电路 等效输入继电器等效输入继电器 输输 入入 元元 件件 负负 载载 SB1 SB2 FR KM 负载电源负载电源 PLC内部控制电路内部控

8、制电路 （用户程序）（用户程序） 等效输出继电器等效输出继电器 I0 PLC COM DC 24V I0 I1 I2 200.00 200.00 I1I2 Q0 Q0 Q0 COM Q0 I2 2021-7-1212 第四节 PLC的分类及功能 PLC的分类 （1）按结构形式分类）按结构形式分类 1 1）整体式）整体式 PLCPLC （单元式、箱体式）（单元式、箱体式） 将电源、将电源、CPUCPU、存储器、存储器、I/OI/O装在一起装在一起 特点：特点：结构紧凑、体积小、价格低、结构紧凑、体积小、价格低、 2 2）模块式）模块式 PLCPLC （积木式）（积木式） 各个部分按功能做成独立模

9、块各个部分按功能做成独立模块 电源模块、电源模块、CPUCPU模块、模块、I/OI/O模块等模块等 特点：特点：配置灵活、装配维护方便配置灵活、装配维护方便 2021-7-1213 （2）、按按I IO O点数和程序容量分类点数和程序容量分类 1）小型）小型 PLC I/O点数点数 2048点，存储器点，存储器 8kB步步 具有：具有：数据运算、模拟调节、联网通信、监视记录、打印数据运算、模拟调节、联网通信、监视记录、打印 等功能等功能 应用：应用：大规模控制、自动化网络控制大规模控制、自动化网络控制 2021-7-1214 第五节 PLC的特点、应用场合和发展趋势 一、一、PLCPLC的主要

10、特点的主要特点 可靠性高、抗干扰能力强。主要有以下几个方面： 隔离隔离( (采用光电耦合器采用光电耦合器 ) ) 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。采用密封、防尘、抗振的外壳封装结构。 1.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采用循环扫描的工作方式，也提高了抗干扰能 力。？ 2021-7-1215 配套齐全，功能完善，适用性强，性价比高 编程

11、简单、使用方便、柔性好编程简单、使用方便、柔性好 系统的设计，建造工作量小，维护方便，系统的设计，建造工作量小，维护方便， 改造容易改造容易 体积小、重量轻、功耗低 2021-7-1216 二、PLC的应用场合 逻辑控制逻辑控制 ：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。 过程控制过程控制 ：通过配用AD、DA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。 数据处理数据处理 1.多级控制：利用PLC的

12、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。 2021-7-1217 PLC与传统的继电器逻辑相比 （ 1 1 ）控制逻辑）控制逻辑 继电器控制继电器控制逻辑采用逻辑采用硬接线逻辑硬接线逻辑，利用物理继电器机械触点，利用物理继电器机械触点 的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其接线多的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其接线多 而复杂，体积大，功耗大，一旦系统构成后想再改变或增加功能都很而复杂，体积大，功耗大，一旦系统构成后想再改变或增加功能都很 困难。另外，困难。另外，继电器触点数目有限，每只有

13、继电器触点数目有限，每只有 48 48 对触点，因此灵活对触点，因此灵活 性和扩展性很差。性和扩展性很差。而可编程控制器采用存储器逻辑，其控制逻辑以程而可编程控制器采用存储器逻辑，其控制逻辑以程 序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序，故称为序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序，故称为 “软接线软接线 ” ” ，其接线少，体积小，而且，可编程控制器中每只软继，其接线少，体积小，而且，可编程控制器中每只软继 电器的触点数在理论上无限制，因此灵活性和扩展性很好。可编程控电器的触点数在理论上无限制，因此灵活性和扩展性很好。可编程控 制器由中大规模集成电路组成，功耗小。制器由中大

14、规模集成电路组成，功耗小。 （ 2 2 ）工作方式）工作方式 当电源接通时，继电器控制线路中各继电器都处于受约束状态，当电源接通时，继电器控制线路中各继电器都处于受约束状态， 即该吸合的都应吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合。而即该吸合的都应吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合。而 可编程控制器的控制逻辑中，各继电器都处于周期性循环扫描接通之可编程控制器的控制逻辑中，各继电器都处于周期性循环扫描接通之 中，从宏观上看，每个继电器受制约接通的时间是短暂的。中，从宏观上看，每个继电器受制约接通的时间是短暂的。 另外在控制速度另外在控制速度 、可靠性、维护性等方面也有区别。、可靠性、维

15、护性等方面也有区别。 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。 随着要求的变更随着要求的变更PLCPLC对程序修改方便。继电器线路要想改对程序修改方便。继电器线路要想改 变控制功能，必须变更硬接线，灵活性差。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。 2 2、可编程控制器与微型计算机系统的区别、可编程控制器与微型计算机系统的区别 从微型计算机的应用范围来说，微型计算机是从微型计算机的应用范围来说，微型计算机是通用机通用机，而可编，而可编 程控制器是程控制器是专用机专用机。因此可以说，

16、微型计算机是通用的专用计算机，。因此可以说，微型计算机是通用的专用计算机， 而可编程控制器则是专用的通用计算机。而可编程控制器则是专用的通用计算机。 可编程控制器与微型计算机计算机的主要差异及各自的特点主可编程控制器与微型计算机计算机的主要差异及各自的特点主 要表现在应用范围要表现在应用范围 、使用环境、使用环境 、输入、输入 / / 输出输出 、程序设计语言、程序设计语言 、系、系 统功能统功能 、运算速度、存储容量等几个方面，例如：、运算速度、存储容量等几个方面，例如： 微型计算机除了用于控制领域外，还大量用于科学计算，数微型计算机除了用于控制领域外，还大量用于科学计算，数 据处理，计算机

17、通信等方面。而据处理，计算机通信等方面。而可编程控制器主要用于工业控制可编程控制器主要用于工业控制。 微型计算机对环境要求较高，一般要在干扰小，具有一定的微型计算机对环境要求较高，一般要在干扰小，具有一定的 温度和湿度要求的机房内使用。可编程控制器则使适用于工业现场环温度和湿度要求的机房内使用。可编程控制器则使适用于工业现场环 境。境。 微型计算机系统的微型计算机系统的 I/O I/O 设备与主机之间采用微电联系，一般不设备与主机之间采用微电联系，一般不 需要电气隔离。而可编程控制器一般控制强电设备，需要电气隔离，需要电气隔离。而可编程控制器一般控制强电设备，需要电气隔离， 输入输出均用光电耦

18、合，输出还采用继电器，可控硅或大功率晶体管输入输出均用光电耦合，输出还采用继电器，可控硅或大功率晶体管 进行功率放大。进行功率放大。 可编程控制器的技术性能指标 1.输入输入/输出点数输出点数 输入/输出点数指的是外部输入、输出端子数量的总和，又称 为主机的开关量输入/输出点数，它是描述可编程控制器大小 的一个重要参数。 2.存储容量存储容量 可编程控制器存储容量通常指用户程序存储器和数据存储器容 量之和，表征系统提供给用户的可用资源，是系统性能的一项 重要技术指标。 3.扫描速度扫描速度 可编程控制器采用循环扫描方式工作，完成一次扫描所需的时 间叫做扫描周期，扫描速度与扫描周期成反比。 4.

19、指令系统指令系统 指令系统是指可编程控制器所有指令的总和。可编程控制器的 编程指令越多，软件功能就越强，但掌握应用也相对较复杂。 5.可扩展性可扩展性 小型可编程控制器的基本单元（主机）多为开关量I/O接口， 模拟量处理、高速处理、温度控制、通信等智能扩展模块的 多少及性能也已成为衡量可编程控制器产品水平的标志。 6.通信功能通信功能 可编程控制器的组网和通信能力也已成为可编程控制器产品水 平的重要衡量指标之一。 项项 目目继电器输出继电器输出SSRSSR输出输出晶体管输出晶体管输出 外部电源外部电源AC 250VAC 250V，DC DC 30V30V以下以下 AC 85AC 85242V

20、242V DC 5DC 530V 30V 最大负载最大负载 电阻负电阻负 载载 2A/12A/1点点0 03A/13A/1点，点，0.8A/40.8A/4 点点 0.5A/10.5A/1 点点,0.8A/4,0.8A/4点点 感性负感性负 载载 80VA80VAAC 150VA/100V AC 150VA/100V AC 30VA/240V AC 30VA/240V DC 12W/24V DC 12W/24V 灯负载灯负载100W100W30W30WDC 1.5W/24V DC 1.5W/24V 开路漏电流开路漏电流AC 1mA/100V AC 1mA/100V AC 2.4A/240V AC

21、 2.4A/240V DC DC 0.1mA/30V 0.1mA/30V 最小负载最小负载 AC0.4VA/100V AC0.4VA/100V AC2.3VA/240V AC2.3VA/240V 响应响应 时间时间 OFF-ONOFF-ON 约约10ms10ms1ms1ms以下以下0.2ms0.2ms以下以下 ON-OFFON-OFF 约约10ms10ms最大最大10ms 10ms 0.2ms0.2ms以下以下 隔离方式隔离方式继电器隔离继电器隔离光电晶闸管隔离光电晶闸管隔离光耦合隔离器光耦合隔离器 表一表一 输出技术指标输出技术指标 输入输入ON时时LED灯亮灯亮输入输入状态 状态显示显示

22、无电压触点，或无电压触点，或NPN集电极开路输出晶体管集电极开路输出晶体管输入信号输入信号形式形式 X0X7为为060mA（FX2N），其他系列），其他系列015mA可调节可调节输入 输入响应时间响应时间 10ms输入响应时间输入响应时间 3.5mA4.5mA DC24V,5mADC24V,7mA输入信号电流输入信号电流 DC24V10%输入信号电压输入信号电压 其他输入点其他输入点X0X7元件号元件号 DC24V10% %输入电压输入电压 输入开关电流输入开关电流OFFON FXFX系列系列PLCPLC的输入技术指标的输入技术指标 FXFX系列系列PLCPLC的输出技术指标的输出技术指标 项项 目目继电器输出继电器输出 晶 闸 管 输 出 （ 仅晶 闸 管 输 出 （ 仅 FX2N） 晶体管输出晶体管输出 外部电源外部电源 最 大最