第二章PLC基础

1、第二章第二章 PLC基础基础 1、教学目的：、教学目的：通过这一章的学习，使学生了解通过这一章的学习，使学生了解PLC 2、教学重点：、教学重点：PLC的产生、特点、应用及发展趋的产生、特点、应用及发展趋势；势；PLC的组成、基本工作原理及技术性能指标的组成、基本工作原理及技术性能指标 3、教学难点：、教学难点： PLC的产生、特点、应用范围，的产生、特点、应用范围，PLC的扫描的工作方式和执行程序的过程的扫描的工作方式和执行程序的过程 4、学时分配：、学时分配：理论理论4学时学时5、参考教材：、参考教材： 可编程控制器原理及应用教程可编程控制器原理及应用教程孙振强孙振强编编 清华大学出版社清

2、华大学出版社“十一五十一五”国家级规划国家级规划教材教材 电气控制及可编程控制器电气控制及可编程控制器史国生编史国生编 化化学工业出版社学工业出版社 电气控制与可编程控制器的原理及应用电气控制与可编程控制器的原理及应用陈立定编陈立定编 机械工业出版社机械工业出版社2-1 可编程控制器概述可编程控制器概述一、可编程控制器的产生一、可编程控制器的产生 可编程控制器（可编程控制器（Programmable Controller) 简称简称PLC。 自自1969年第一台年第一台PLC面世以来，已成为一种面世以来，已成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器。

3、器。与机器人、与机器人、CAD/CAM并称为工业生产自并称为工业生产自动化的三大支柱。动化的三大支柱。 1968年年 美国通用汽车公司提出的美国通用汽车公司提出的替代继替代继电器电器控制系统的新型控制器的控制系统的新型控制器的十项指标十项指标：1） 编程简单、现场可编程简单、现场可修改程序；修改程序；2）维护方便、采用插）维护方便、采用插件式结构；件式结构；3）可靠性高于继电器）可靠性高于继电器控制系统；控制系统；4）体积小于继电器控）体积小于继电器控制系统；制系统；5）数据可以直接送入）数据可以直接送入计算机；计算机；6）成本可与继电器系）成本可与继电器系统竞争；统竞争；7）输入可为市电；）

4、输入可为市电；8）输出可为市电，能）输出可为市电，能直接驱动电磁阀、交直接驱动电磁阀、交流接触器等；流接触器等；9）通用性强、易于扩）通用性强、易于扩展；展；10）用户存储器大于）用户存储器大于4K。一、可编程控制器的诞生一、可编程控制器的诞生 1969年年,美国研制出世界第一台美国研制出世界第一台PDP-14 1971年年,日本研制出第一台日本研制出第一台DCS-8 1973年年,德国研制出第一台可编程控制器德国研制出第一台可编程控制器 1974年年,中国研制出第一台可编程控制器中国研制出第一台可编程控制器 Programmable Logic Controller:PLC Programm

5、able Controller:PC Personal Computer:PC二、国际电工委员会（二、国际电工委员会（IEC）PLC的定义：的定义： PLC是一种是一种数字运算操作的电子装置数字运算操作的电子装置，专为在专为在工业环境工业环境下应用而设计。它采用下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储可编程序的存储器，用来在其内部存储执行执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算和算术运算等操作指令，并通过数字式等操作指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制和模拟式的输入和输出，控制各种类型各种类型的机械或生产过程。的机械或生产过程。PLC及其

6、有关外围及其有关外围设备，都应按易于与设备，都应按易于与工业控制系统工业控制系统联成联成一个整体，一个整体，易于扩展易于扩展其功能的原则设计其功能的原则设计三、三、PLC的特点的特点 1.可靠性高、抗干扰能力强可靠性高、抗干扰能力强(滤波、光电滤波、光电隔离隔离) 2编程简单、使用方便编程简单、使用方便（梯形图编程梯形图编程） 3设计、安装、调试工作量小、维护设计、安装、调试工作量小、维护方便方便（可在实验室模拟调试可在实验室模拟调试） 4体积小、重量轻、能耗低体积小、重量轻、能耗低（编程省编程省掉中间继电器、时间继电器，减少线圈掉中间继电器、时间继电器，减少线圈用电用电）四、四、PLC的分类

7、的分类 1、按结构形式分类、按结构形式分类 整体式整体式PLC 模块式模块式PLC 叠装式叠装式PLC 2、按输入、按输入/输出总点数分输出总点数分 小型小型PLC 中型中型PLC 大型大型PLC3、按生产厂家分、按生产厂家分 （1）日本：）日本：三菱公司三菱公司(FX系列系列)、OMRON公司（公司（C系列）、日立公司（系列）、日立公司（E系列）、松系列）、松下公司（下公司（FPI系列）、东芝公司（系列）、东芝公司（EX机）、机）、富士公司（富士公司（NB、NS系列）系列） （2）德国：）德国：西门子公司（西门子公司（S7系列）系列） （3）美国：）美国：GE公司、莫迪康公司（公司、莫迪康公

8、司（984机）、机）、AB公司（公司（PLC-5系列），系列），IPM公司公司（IP1612） 五、五、PLC的应用的应用 早期的早期的PLC 改造原有的继电接触器控制系统。广改造原有的继电接触器控制系统。广泛应用于各种控制系统中，如各种顺序控制等。泛应用于各种控制系统中，如各种顺序控制等。主要用于有大量开关量和少数模拟量的控制系统。主要用于有大量开关量和少数模拟量的控制系统。 1、开关量的逻辑控制、开关量的逻辑控制 2、运动控制、运动控制 3、过程控制、过程控制 4、数据控制、数据控制 5、通信及联网、通信及联网六、六、PLC的发展趋势的发展趋势 PLC的发展趋势：的发展趋势： 1小型化、专

9、用化和低价格；体积小，但小型化、专用化和低价格；体积小，但功能强。功能强。 2大型、高速、多功能和分布式全自动网大型、高速、多功能和分布式全自动网络化。向大容量，智能化和网络化发展，络化。向大容量，智能化和网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统。使之能与计算机组成集成控制系统。七、可编程控制器的性能指标可编程控制器的性能指标 1、存储容量、存储容量 2、I/O点数点数 3、扫描速度、扫描速度 4、指令系统、指令系统 5、内部元件的种类及数量、内部元件的种类及数量 6、特殊功能单元、特殊功能单元 7、可扩展能力、可扩展能力2-2 PLC的组成的组成一、组成：一、组成： 中央处理单元中央处理单

10、元（CPU） 存储器存储器 输入输出单元（输入输出单元（I/O单元）单元） 电源单元电源单元 编程器编程器 其他外部设备其他外部设备 I/O扩展单元扩展单元外形的样子外形的样子 PLC 编程器编程器 7-1三菱FX2N系列PLC的外形图工作指示灯工作指示灯输出端子输出端子输入端子输入端子I/O状态指示灯状态指示灯1、中央处理器模块（CPU）CPU的功能：的功能： 诊断电源、诊断电源、PC内部电路的工作状态和编程内部电路的工作状态和编程的语法错误；的语法错误； 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；接收并存储从编程器输入的用户程序和数据； 用扫描的方式接收输入信号，送入用扫描的方式接收输入信号

11、，送入PC的数的数据寄存器保存起来；据寄存器保存起来； PC进入运行状态后，根据存放的先后顺序进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作；用户程序中规定的各种操作； 将用户程序的执行结果送至输出端。将用户程序的执行结果送至输出端。2、存储器、存储器 包括系统存储器和用户存储器。包括系统存储器和用户存储器。 系统存储器存放系统管理程序。系统存储器存放系统管理程序。 用户存储器存放用户编制的控制程用户存储器存放用户编制的控制程序。序。3、输入输出单元（、输入输出单元（I/O）：）：是是PLC与被控与被控对象

12、间传递输入输出信号的接口部件。输对象间传递输入输出信号的接口部件。输入部件是开关、按钮、传感器等。输出部入部件是开关、按钮、传感器等。输出部件是电磁阀、接触器、继电器。件是电磁阀、接触器、继电器。输输入入接接口口电电路路 2-2（2）输出接）输出接口电路口电路 继电器输出继电器输出 晶体管输出晶体管输出 晶闸管输出晶闸管输出 4、电源、电源 可编程控制器使用可编程控制器使用220V交流电源或交流电源或24V直流电源，内直流电源，内部配有一个专用开关式稳压电源，将交流部配有一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电直流供电电源转化为电源转化为PLC内部电路需要的工作电源（内部电路需要的工作电源（5

13、V直直流）。流）。 5、编程器、编程器 主要用来编辑程序、调试程序和监控程序的执行，还主要用来编辑程序、调试程序和监控程序的执行，还可以在线测试可以在线测试PC的内部状态和参数，与的内部状态和参数，与PC进行人机进行人机对话。对话。 编程器一般有两类：专用编程器和个人计算机。编程器一般有两类：专用编程器和个人计算机。 专用编程器专用编程器: : (1)手持编程器：手持编程器：FX-10P-E,FX-20P-E (2)图形编程器图形编程器 个人计算机：安装相关编程软件个人计算机：安装相关编程软件 6 其他外部设备其他外部设备 7 I/O扩展单元扩展单元2.3 2.3 可编程控制器基本工作原理可编

14、程控制器基本工作原理开机开机内部处理内部处理通讯服务通讯服务输入刷新输入刷新程序执行程序执行输出刷新输出刷新 一、工作原理：一、工作原理：循环扫描循环扫描 编程控制器有两种基本的工作状编程控制器有两种基本的工作状态：运行（态：运行（RUN）状态与停）状态与停止（止（STOP）状态。）状态。 可编程控制器在开机后，可编程控制器在开机后，完成内部处理、通信处理、完成内部处理、通信处理、输入刷新、程序执行、输出输入刷新、程序执行、输出刷新五个工作阶段，称为一刷新五个工作阶段，称为一个扫描周期。完成一次扫描个扫描周期。完成一次扫描后，又重新执行上述过程，后，又重新执行上述过程，可编程控制器这种周而复始

15、可编程控制器这种周而复始的循环工作方式称为扫描工的循环工作方式称为扫描工作方式。作方式。 内部处理阶段内部处理阶段 PLC接通电源后，在进行循环扫描之前，首先接通电源后，在进行循环扫描之前，首先确定自身的完好性，若发现故障，除了故障灯确定自身的完好性，若发现故障，除了故障灯亮之外，还可判断故障性质：一般性故障，只亮之外，还可判断故障性质：一般性故障，只报警不停机，等待处理；严重故障，则停止运报警不停机，等待处理；严重故障，则停止运行用户程序，此时行用户程序，此时PLC切断一切输出联系。切断一切输出联系。 确定内部硬件正常后，进行清零或复位处理，确定内部硬件正常后，进行清零或复位处理，清除各元件

16、状态的随机性；检查清除各元件状态的随机性；检查I/O连接是否正连接是否正确；启动监控定时器，执行一段涉及到各种指确；启动监控定时器，执行一段涉及到各种指令和内存单元的程序，然后监控定时器复位，令和内存单元的程序，然后监控定时器复位，允许扫描用户程序。允许扫描用户程序。通信服务阶段通信服务阶段 PLC在通信服务阶段检查是否有与编程器和计算在通信服务阶段检查是否有与编程器和计算机的通信请求，若有则进行相应处理，如接收由机的通信请求，若有则进行相应处理，如接收由编程器送来的程序、命令和各种数据，并把要显编程器送来的程序、命令和各种数据，并把要显示的状态、数据、出错信息等发送给编程器进行示的状态、数据

17、、出错信息等发送给编程器进行显示。如果有与计算机等的通信要求，也在这段显示。如果有与计算机等的通信要求，也在这段时间完成数据的接收和发送任务。时间完成数据的接收和发送任务。 可编程控制器可编程控制器处于停止状态时，只执行以上的处于停止状态时，只执行以上的操作。可编程控制器处于运行状态时，还要完成操作。可编程控制器处于运行状态时，还要完成下面三个阶段的操作。下面三个阶段的操作。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a. 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；SB0SB1b.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

18、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。X0Y0Y0Y1元件映像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出端输出端KM0KM1读读写写X0X1Y0Y1 映像寄存器映像寄存器 在在PLC的存储器中，有一个专门存放输入输出的存储器中，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信号状态的区域，称为输入映像寄存器和输出映像寄存器，可编程控制器梯形图中别的编程映像寄存器，可编程控制器梯形图中别的编程元件也有对

19、应的映像存储区，它们统称为元件元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。映像寄存器。 外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存器为寄存器为“1”，梯形图中对应的输入继电器的，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入触常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入触点电路断开时，对应的输入映像寄存器为点电路断开时，对应的输入映像寄存器为“0”，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。常闭触点接通。输入处理阶段输入处理阶段 在输入处理阶段，可编程控制器把所有外部输入电在输入处

20、理阶段，可编程控制器把所有外部输入电路的接通路的接通/断开（断开（ON/OFF）状态读入输入映像寄存）状态读入输入映像寄存器。器。 注意注意：在采样时刻，输入映像寄存器中的内容才与：在采样时刻，输入映像寄存器中的内容才与输入信号一致，而其它时间范围内输入信号的变化输入信号一致，而其它时间范围内输入信号的变化是不会影响输入映像寄存器中的内容的，输入信号是不会影响输入映像寄存器中的内容的，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。段被读入。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲因此，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

21、期，才能保证在任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。何情况下，该输入均能被读入。 程序执行阶段程序执行阶段 可编程控制器的用户程序由若干条指令所组成，指可编程控制器的用户程序由若干条指令所组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。令在存储器中按步序号顺序排列。在没有跳转指令在没有跳转指令时，时，CPUCPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束之处。序，直到用户程序结束之处。在执行指令时，各编在执行指令时，各编程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程

22、序的执行而变化。容随着程序的执行而变化。 注意：当程序执行过程中因某种干扰使扫描失控或进入死循注意：当程序执行过程中因某种干扰使扫描失控或进入死循环时，环时，WDTWDT会发出超时报警信号，使程序重新开始执行；若由会发出超时报警信号，使程序重新开始执行；若由于偶然因素造成超时，而重新扫描程序不会再遇到于偶然因素造成超时，而重新扫描程序不会再遇到“偶然干偶然干扰扰”，系统便转入正常运行；若出现不可恢复的确定性故障，系统便转入正常运行；若出现不可恢复的确定性故障，则系统会自动停止执行用户程序，切断外部负载，发出故障则系统会自动停止执行用户程序，切断外部负载，发出故障信号，等待处理。信号，等待处理。

23、输出处理阶段输出处理阶段 在输出处理阶段，在输出处理阶段，CPU将输出映像寄存器的将输出映像寄存器的0/1状态传送到输出锁存器。梯形图中某一输出继电状态传送到输出锁存器。梯形图中某一输出继电器的线圈器的线圈“通电通电”时，对应的输出映像寄存器为时，对应的输出映像寄存器为“1”状态（或称该编程元件为状态（或称该编程元件为ON ）。信号经输）。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。使外部负载通电工作。二、二、 扫描周期扫描周期 可编程控制

24、器在运行工作状态时，执行一次扫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，其典型值描操作所需要的时间称为扫描周期，其典型值为为1100ms。 没有外部设备与可编程控制器连接时该段时间没有外部设备与可编程控制器连接时该段时间为为0；输入；输入/输出处理的执行时间输出处理的执行时间1ms。指令执。指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和和CPU执行指令的速度有很大的关系。当用户执行指令的速度有很大的关系。当用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。当大的比例。三、三、

25、I/OI/O滞后时间滞后时间 1、I/O滞后时间又称为系统响应时间，是指可滞后时间又称为系统响应时间，是指可编程控制器外部输入信号发生变化的时刻起至编程控制器外部输入信号发生变化的时刻起至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的间隔。间的间隔。 ：（1）输入滤波器有时间常数）输入滤波器有时间常数 （2）输出继电器有机械滞后）输出继电器有机械滞后 （3）PC循环操作时，进行公共处理、循环操作时，进行公共处理、I/O刷刷新和执行用户程序等产生扫描周期新和执行用户程序等产生扫描周期 （4）程序语句的安排，也影响响应时间）程序语句的安排，也影响响应时间说明说

26、明:输入信号在第一个扫描周期的输入采样阶段之后才出现，故在第一个扫输入信号在第一个扫描周期的输入采样阶段之后才出现，故在第一个扫描周期内，各映像寄存器的均为描周期内，各映像寄存器的均为“0”状态，使状态，使Y0、Y1、Y2输出端的状态为输出端的状态为OFF（“0”）状态）状态Y1Y0X0Y1Y1Y2输入信号输入信号X0Y1Y2Y0输入采样输入采样 程序执行程序执行 输出处理输出处理出现信号出现信号第一周期第一周期输入采样输入采样 程序执行程序执行 输出处理输出处理第二周期第二周期说明说明:在第二个扫描周期的输入采样阶段，输入继电器在第二个扫描周期的输入采样阶段，输入继电器X0的状态为的状态为ON（“1”）状态，程序执行阶段，状态，程序执行阶段，Y1、Y2依次接通，故依次接通，故Y1、Y2输出端的状态为输出端的状态为ON（“1”）状态。）状态。输入采样输入采样 程序执行程序执行 输出处理输出处理第三周期第三周期说明说明:在第三个扫描周期的程序执行阶段，由于的接通使接通，可见在第三个扫描周期的程序执