《电气控制及可编程控制器应用》课件第3章 PLC的基本结构和工作原理

第3章PLC的基本结构和工作原理3.1PLC概述3.2PLC的硬件组成和软件系统3.3PLC的基本工作原理3.1PLC概述一、PLC的产生与定义

可编程控制器（ProgrammableLogicController)简称PLC。现代社会对产品快速变化的需求，使得生产设备和自动生产线的控制系统需要具有极高的可靠性、灵活性。PLC就是顺应此需求而出现的一种以CPU为核心的通用工业控制装置。现在已成为实现工业自动化的主要手段之一，与Robot、CAD/CAM并称为工业生产自动化的三大支柱。PLC的产生

1968年，美国通用汽车公司改造其汽车装配线，要求控制器生产商提供一种新型的通用程序控制器，提出了10项招标指标，这就是著名的GM10条。

GM10条是PLC出现的直接原因。

美国数字设备公司(DEC)在一年内完成了控制器的研制，并在GM汽车生产线上应用成功。

1969年，第一台PLC诞生。

国际电工委员会（IEC）对PLC的定义

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。动画演示二、PLC的特点

可靠性高，抗干扰能力强编程简单、易于掌握控制系统结构简单，通用性好丰富的I/O模块，功能完善体积小，操作维护方便设计、施工、调试周期短PLC与继电器控制系统、微机控制系统比较下一节项目PLC继电器控制系统微机控制系统功能用程序可以实现各种复杂控制用大量继电接触器逻辑布线实现顺序控制用程序实现各种复杂控制,功能最强改变控制要求修改程序较简单改变硬件接线性逻辑,工作量大修改程序，技术难度较大可靠性平均无故障工作时间长受机械触点寿命限制一般比PLC差工作方式顺序扫描顺序控制中断处理，响应最快接口直接与生产设备连接直接与生产设备连接要设计专门的接口环境适应性可适应一般工业生产现场环境环境差，会降低可靠性和寿命要求有较好的环境，如机房、实验室、办公室抗干扰性一般不用专门考虑抗干扰问题能抗一般电磁干扰要专门设计干扰措施，否则易受干扰影响维护现场检查、维护方便定时更换继电器，维修费时技术难度高系统开发设计容易、安装简单调试周期短图样多、安装接线工作量大、调试周期长系统设计较复杂、调试技术难度大，需要有系统的计算知识通用性较好，适应面广一般是专用要进行软、硬件改造才能作其它用硬件成本比微机控制系统高少于30个继电器的系统最低一般比PLC低三、PLC的分类

PLC的主要生产商:德国西门子SIEMENS公司日本三菱、欧姆龙OMRON公司美国Rockwell下属的AB、GE-Fanuc公司中国台达、无锡华光-光洋牌PLC下一节下载PLC软件和资料西门子自动化与驱动集团的中文网站:三菱电机自动化(上海)有限公司的网站:/

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PLC的分类

1.按I/O点数分类小型：256点以内。如三菱FX系列、SIEMENS

S7-200等中型：256-2048点。如SIEMENS

S7-300、三菱A系列等大型：2048点以上。

SIEMENS

S7-400、三菱Q系列等2.按结构形式分类整体式、模块式整体式PLCFX0S松下FPFX2N返回模块式PLCSIEMENSOMRON返回四、PLC的主要性能指标I/O点数扫描速度存储容量指令系统内部寄存器功能扩展能力FX系列PLC的主要性能：书P81实验室选用的是FX0S-30MR型PLC。下一节五、PLC的发展和应用主要用于领域：顺序控制（最基本、最广泛的应用领域）如包装机械、装配生产线、电镀流水线、电梯控制等。运动控制在机加工行业，与CNC集成在一起，用以完成机床的运动控制。过程控制如对温度、流量、压力、速度进行PID控制。数据处理和通讯PLC与PLC、PLC与PC间。小结：初识PLC

可编程控制器简称PLC，是一种能进行编程并能对程序进行修改的一种控制器。它直接应用于工业环境下，能直接与生产现场的设备联成一体，根据生产现场输入和输出设备之间的控制要求，在输入设备状态有变化时，驱动相应的输出设备动作。

控制功能改变时，只需修改程序即可。

PLC可靠性高、抗干扰能力强、适应性好、应用范围广、维护方便；编程简单、易学；控制系统设计调试周期短；具有数字量和模拟量的输入、输出能力。

应用实例-手动控制卷帘门用PLC自动控制卷帘门用PLC自动控制卷帘门PLC直接与生产现场的设备联成一体返回3.2PLC的硬件组成和软件系统3.2.1PLC的硬件组成3.2.2PLC的软件系统3.2.3PLC常用的编程语言返回主页3.2.1PLC的硬件组成

PLC种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。

PLC系统组成:基本单元、I/O扩展单元、外部设备。FX2N-32MR：基本单元FX2N-32ER：扩展单元PLC的硬件组成

编程器外打印机

EPROM

写入器设

PLC或上位计算机

按钮

触点

行程开关

接触器线圈指示灯电磁阀

主机

电源

CPU

存储器

控制器输入接口

输出接口

运算器

系统存储器（ROM）外设接口

用户存储器（RAMEPROM等）I/O扩展接口电源I/O扩展单元动画演示返回CPU

中央处理单元是PLC的运算和控制中心，它可将存储在PLC内的程序逐步取出加以分析、判断、运算及执行。这种依程序逐步执行的动作，称之为扫描。

CPU的执行速度会影响PLC的功能

CPU的处理器位数也会影响扫描时间。返回系统存储器：存放系统程序用户存储器：分用户程序存储器和数据存储器，用于存放用户编写的控制程序和数据。PLC使用的存储器类型:ROM：只读存储器RAM：读写存储器EPROM：紫外线擦除的只读存储器EEPROM：电擦除的只读存储器存储器返回输入接口

是外部输入设备与PLC的连接界面,通过此界面,CPU可以测得外部输入设备的状态（0或1）。输入接口电路形式：干接触:由内部的直流电源供电直流输入:小型PLC也由内部的直流电源供电交流输入:必须外加电源当输入端外回路接通时，输入点获取逻辑值“1”当输入端外回路断开时，输入点获取逻辑值“0”输入接口电路原理图动画演示返回光电耦合器输入开关信号PLC内部X0COM24+输出接口PLC通过输出接口实现对外部负载的控制操作。

PLC的输出形式有三种：继电器输出（R）：可带交、直流负载晶体管输出（T）：可带直流负载晶闸管输出（S）：可带交流负载PLC内部当PLC没有输出时(低电平)，输出端电路断开，外部设备不动作。当PLC有输出时(高电平)，输出端电路被接通，外部负载被驱动；低电平输出接口电路原理图动画演示返回电源动画演示返回

PLC主机内部一般配有为输入点供电的小容量直流24V电源；负载需配置专门的外部负载电源。允许在额定值的+10％—15％范围内波动。为防止PLC内部程序和数据等重要信息的丢失，PLC还带有锂电池作为后备电源。编程器（HPP）动画演示返回

编程器的功能是完成用户程序的编制、编辑、输入主机、调试和执行状态监控，是PLC系统故障分析和诊断的重要工具。简易型：只能用语句表形式编程，且需要连机工作，如三菱FX2N-20P-E手持式编程器。智能型：可以用指令语句编程，又可以用梯形图编程，既可联机编程又可脱机编程，但价格更高，如GP-80X-E编程器。3.2.2PLC的软件系统

指PLC所使用的各种程序的集合。系统程序：是PLC硬件与用户之间的接口，由PLC生产厂家提供，并固化在ROM中，用户不能直接读写。用户程序：用户根据控制要求，用PLC的编程语言编制的应用程序。用户可以修改和更新，一般存放在RAM中，当PLC断电时被锂电池保持。常用的PLC编程语言有:梯形图、语句表、状态转移图(SFC图)。

返回

PLC常用的编程语言有：梯形图LD（Ladderdiagram）语句表IL(Instructionlist)状态转移图

SFC图(Sequentialfunctionchart)3.2.3PLC常用的编程语言

返回梯形图-PLC的第一用户编程语言梯形图的编写须符合一定的规范PLC的梯形图与传统的继电接触器控制线路相比较基本一致，只是在使用符号和表达方式上有些区别。

梯形图与传统控制线路对比返回指令语句表

语句表是PLC的命令语句表达式，表示机器的操作命令，可用简易HPP输入，是PLC的最基础语言。返回状态转移图（SFC图）

状态转移图是一种图形化的编程语言，多用于描述顺序控制系统功能，也称作功能图。返回3.3PLC的基本工作原理输入采样开始ＲＵＮ内部处理通信处理程序执行输出刷新ＹＮ一、可编程控制器的工作方式具有两大特点：采用循环扫描工作方式对输入、输出集中处理PLC的工作过程包括五个阶段：内部处理、通信处理、输入采样（输入处理）、程序执行、输出刷新（输出处理）。

用户程序执行过程返回主页二、PLC的程序执行过程扫描周期输入采样阶段程序执行阶段输出刷新阶段下一节写入读出读出输出映像寄存器

输入采样阶段：PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态(“o”或“l”）读入输入映像寄存器区。这个过程称为对输入信号的采样。此时输入映像区被刷新，PLC进入下一个阶段。（输入信号集中批处理）返回

程序执行阶段：PLC按照先左后右、先上后下的顺序对梯形图程序进行扫描，对由接点构成的控制线路进行逻辑运算，（X触点的值是从输入映像寄存器中读出的，其它触点的值是从元件映像寄存器中读出的）并把逻辑运算的结果（各继电器线圈的状态值）存入输出映像寄存器区对应位置，刷新原来数据区的状态。注意：

运算结果在全部程序未执行完毕之前，不会送到输出端子上。返回

输出刷新阶段：在执行完用户所有程序后，PLC将输出映像寄存器中的Y寄存器的状态，集中送到输出锁存器中，刷新上一阶段输出锁存器中的数据，再通过一定的输出方式(如继电器输出方式)去驱动输出端的外接负载。（输出信号集中批处理）返回扫描周期：PLC完成一次扫描过程所需的时间。

扫描周期的长短与PLC的运算速度和工作方式有关,但主要和用户程序的长度及指令的种类有关。

一个扫描周期的时间大约在几毫秒到几百毫秒之间。返回三、PLC的I/O响应时间

是指PLC的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻的时间间隔。PLC采用