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文档简介
1、晋湖北三峡职业技术学院机电系第2讲可编程控制器基本结构和工作原理 PLC可编程控制技术 第二讲PLC的基本结构和工作原理 教学课题:可编程控制器的基本结构和工作原理 教学目的: 1. 熟悉PLC的结构组成、内部等效电路; 2. 理解掌握PLC的工作方式和工作过程 教学重点:PLC可编程序控制器的组成和工作过程 教学难点:PLC可编程序控制器的工作过程 教学方法:讲授 教学时间:2课时 教学过程及内容: 导入 要实现PLC的控制需要: 输入设备、输出设备、PLC硬件和软件(控制程序)。 一、PLC的基本组成 可编程控制器的结构多种多样,但其组成的一般原理基本相同,都是以微处理器为核心 的结构,其
2、功能的实现不仅基于硬件的作用,更要靠软件的支持,实际上可编程控制器就是 一种新型的工业控制计算机。Memorizer(RAM,ROM), it is the memory devices of the PLC and used to store programs and data. (一)PLC的硬件结构 士微处理器(CPU)控制器的核心 机“ 、存储器(RAM、ROM ) 输入、输出部件(I/O部件)一一连接现场设备与 CPU之间的接口电路 电源部件一一为PLC内部电路提供能源 整体结构的PLC四部分装在同一机壳内 模块式结构的PLC各部件独立封装,称为模块,通过机架和总线连接而成 I/O的
3、能力可按用户的需要进行扩展和组合(扩展机) 另外,还必须有编程器一一将用户程序写进规定的存储器内 其他外设 外 设 接 口 编程器 系统程序 用户程序器 储 存 I/O 扩 展 接 口 1/C 扩 展 单 元 徽处理器CPU 接收现场信号 电源部件 1 Sy 出 部 件 驱动 |受控元件 I I 1基本单元 图1 PLC硬件结构 1. 中央控制处理单元(CPU) 可编程控制器中常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机和双极型位片式微处理 器三种类型。 通用微处理器有 8080、8086、80286、80386等;单片机有 8031、8096等;位 片式微处理器的AM2900、AM2903等。F
4、X2可编程控制器使用的微处理器是 16位的 8096单片机 2. 存储器 可编程控制器配有两种存储器:系统存储器和用户存储器 系统存储器:存放系统管理程序,用只读存储器实现。 用户存储器:存放用户编制的控制程序,一般用RAM实现或固化到只读存储器中 3. 输入输出接口 作用:连接用户输入输出设备和 PLC控制器,将各输入信号转换成 PLC标准电平供 PLC处理,再将处理好的输出信号转换成用户设备所要求的信号驱动外部负载。 对输入输出接口的要求:良好的抗干扰能力;对各类输入输出信号(开关量、模拟量、 直流量、交流量)的匹配能力。 PLC输入输出接口的类型:模拟量输入输出接口、开关量输入输出接口(
5、直流、交流 及交直流)。用户应根据输入输出信号的类型选择合适的输入输出接口。 开关量输入接口电路 各种输入接口均采取了抗干扰措施。如带有光耦合器隔离使PLC与外部输入信号进 行隔离;并设有RC滤波器,用以消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。 通常有三种类型:直流(12 24)V输入、交流(100 20)V输入与交流(200辺40)V 输入和交直流(12 24)V输入。直流输入模块的电源一般由机内24v电源提供,输入信号 接通时输入电流一般小于10mA ;交流输入模块的电源一般由用户提供。 开关量输出接口电路 有三种形式,即继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。开关量输出端的负载电源一般 由用户提供
6、,输出电流一般不超过 2A 第16页共12页 开关量输出端的负载电源一般由用户提供,输出电流一般不超过2A COM 卜u 旧八咆阪 输出端子的两种接法: 隔离式 输出各自独立,无公共点:各输出端子各自形成独立回路 汇点式 全部输入点(输出点)共用一个公共点。或者将输入点(输出点)分成几组,组内各点 共用一个公共点。各组的公共点之间相互隔离。组内的各点必须使用同一电压类型和同一电 压等级,各组可使用不同电压类型和等级的负载。 4. 电源 PLC的供电电源一般是市电,也有用直流 24V电源供电的。 5. 外围设备:编程器、打印机、演示板等 利用编程器可将用户程序输入 PLC的存储器,还可以用编程器
7、检查程序、修改程序; 利用编程器还可以监视PLC的工作状态。 6. 用户输入输出设备: 用户输入器件有控制开关和检测元件,即各种开关、按钮、传感器等;用户输出设备 主要有接触器、电磁阀、指示灯等。 (二)PLC的软件结构 在可编程控制器中,PLC的软件分为两大部分: 1. 系统监控程序:用于控制可编程控制器本身的运行。主要由管理程序、用户指令解释 程序和标准程序模块,系统调用。 2. 用户程序:它是由可编程控制器的使用者编制的,用于控制被控装置的运行。 PLC的内部等效电路 以两台电机的启动为例: PLC的输入端:用户输入设备 输入端子(I接口) SBiNSBiNSA刁 s- E J i Hl
8、 N PLC的输出端:PLC内部 输出端子(0接口) 用户输出设备 内部控制(梯形图)可视为由继电器、接触器等组 成的等效电路 输入COM端是机内电源24V的负极端,输出COM 端接用户负载电源。 三、工作原理 (一)基本工作模式:PLC有运行模式和停止模式 1. 运行模式:分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理五个阶段 2. 停止模式 当处于停止工作模式时,PLC只进行内部处理和通信服务等内容。 (二) PLC工作过程: (1) 内部处理阶段: 在此阶段,PLC检查CPU模块的硬件是否正常,复位监视定时器,以及完成一些 其它内部工作。 (2) 通信服务阶段 在此阶段,PLC与一
9、些智能模块通信、响应编程器键入的命令,更新编程器的显 示内容等,当PLC处于停状态时,只进行内容处理和通信操作等内容。 (3) 输入处理阶段 输入处理也叫输入采样。在此阶段顺序读取所有输入端子的通断状态,并将所读 取的信息存到输入映象寄存器中,此时,输入映像寄存器被刷新。 (4) 程序处理阶段 按先上后下,先左后右的步序,对梯形图程序进行逐句扫描并根据采样到输入映 像寄存器中的结果进行逻辑运算,运算结果再存入有关映像寄存器中。但遇到程序跳 转指令,则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。 (5) 输出刷新阶段 程序处理完毕后,将所有输出映象寄存器中各点的状态,转存到输出锁存器中, 再通过输
10、出端驱动外部负载。 在运行模式下,PLC按上述五个阶段进行周而复始的循环工作,称为循环扫描工 作方式。 (三) PLC工作方式与特点:集中采样、集中输出、周期性循环扫描,“串行”工作方式 1 扫描周期:PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的 时间称为扫描周期或工作周期。 PLC运行正常时,扫描周期的长短与 CPU的运算速度有关,与I/O点的情况有关, 与用户应用程序的长短及编程情况等均有关。通常用 PLC执行1K指令所需时间来说 明其扫描速度(一般110ms/K)。 2 .输出滞后:指从PLC的外部输入信号发生变化至它所控制的外部输出信号发生变化 的时间间隔。一般为
11、几十 一100ms. 弓I起输出滞后的因素:输入模块的滤波时间、输出模块的滞后时间、扫描方式引起的 滞后。 3. 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。 4. 由于PLC是串行工作,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,减少繁琐的联 锁电路。 四、FX系列可编程控制器 三菱公司的PLC是最早进入中国市场的产品。小型机FX2N是近几年推出的高功能整体 式小型机。 FX系列PLC具有庞大的家族。基本单元(主机)有FX0、FX0S、FXON
12、、FX1、FX2、FX2C、 FXis、FX2N、FX2NC 9个系列。每个系列又有14、16、32、48、64、80、128点等不同 输入输出点数的机型,每个系列还有继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出三种输出形式。 1. FX系列PLC型号的含义 FX系列可编程控制器型号命名的基本格式为: 特殊种圧区别 输出电式+ 单元类型 I/O总点教V 系列序号# 说明: 系列序号:0,0S,ON,1,2,2C,1S,2N,2NC I/O总点数:14256 单兀类型: M -基本单元; EX- -输入专用扩展模块; 输出形式: R- 继电器输出; S- 晶闸管输出 特殊品种区别: D-DC 电源,DC输
13、入; H-大电流输出扩展模块(1A/1 C接插口输入输出方式; L-TTL输入型扩展模块; 例如:FX2N-32MRD 含义是: DC电源,DC输入的基本单元。 2. 主要性能指标 (1)硬件指标: 硬件指标包括 E-输入输出混合扩展模块; EY-输出专用扩展模块; T-晶体管输出; AI-AC 电源,AC输入; V-立式端子排的扩展模块; F-输入滤波器1ms的扩展模块; 独立端子(无公共端)扩展模块。 32点,继电器输出、 S FX2N系列,输入输出总点数为 般指标、输入特性和输出特性。 (2)软件指标: 软件指标包括运行方式、速度、程序容量、元件种类和数量、指令类型等。 3. FX系列P
14、LC的一般技术指标 FX系列PLC的一般技术指标包括基本性能指标、输入技术指标及输出技术指标,如下表: 表1 FX系列PLC的基本性能指标 项目Items FX1S FX1N FX2N 和 FX2NC 运算控制方式 computing 存储程序,反复运算computing con trol,iterative operati on con trol I/O Con trol mode控制方式 批处理方式(在执行 END指令时),可以使用I/O刷新指令 Batch mode (in the in structio n executi on END), can use the I/O refres
15、h in structio ns 运算处理速 基本指令 0.55微秒/指令0.7微秒/指 0.08微秒/指令 度 eleme ntary 令 process ing in structi on speed 应用指 applicati on in structi on 令 3.7微秒/指令数百微秒/指令 1.52微秒/指令数百微秒/ 指令 程序语 言 program 逻辑梯形图和指令表,可以用步进梯形指令来生成顺序控制指 Ian guage 令 Logic ladder diagram and in struct ion list,Can be used stepper trapezoidin
16、struction to gen erate seque nee con trol comma nds 程序容量(EEPROM) 内置2KB步 内置8KB步 内置8KB步,用存储盒可达 Built- in2KB Built- in8KB 16KB 步 Built-in 8KB step, step step can up to 16KB step by STORAGE BOXES 指令数量 基 本 基本指令 elementaryinstruction27 条,步进指令 step numberof instructions eleme ntary 、 instruction 2 条 步 进 st
17、ep-by-step 应用指令 85条 89条 128条 I/O设置 最多30点 最多128点 最多256点 表2 FX系列PLC的输入技术指标 输入电压 DC24V 10% 元件号 X0 X7 其他输入点 输入信号电压 DC24V 10% 输入信号电流 DC24V,7mA DC24V,5mA 输入开关电流OFF-ON 4.5mA 3.5mA 输入开关电流ON -OFF 1.5mA 输入响应时间 10ms 可调节输入响应时间 X0X7为060mA (FX2N),其他系列015mA 输入信号形式 无电压触点,或NPN集电极开路输出晶体管 输入状态显示 输入ON时LED灯亮 表3 FX系列PLC的
18、输出技术指标 项目 继电器输出 晶闸管输出(仅 FX2N ) 晶体管输出 外部电源 最大 AC240V 或 DC30V AC85V 242V DC5 30V 最大 负载 电阻负 载 2A/1 点,8A/COM 0.3A/1点, 0.8A/COM 0.5A/1 点,0.8A/COM 感性负 载 80VA , 120/240VAC 36VA/AC 240V 12W/24V DC 灯负载 100W 30W 0.9W/DC240V (FX1S ),其他系列 1.5W/DC 24V 最小负载 电压v 5VDC时 2mA ,电压 v 24V DC 时 5mA (FX2N ) 2.3VA/240V AC 响应 时间 OFF ON 10ms 1ms 0.2ms ; 5 g(仅 Y0, Y1) ON 10ms 10ms 0.2
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