《电气控制与PLC》课件第3章

第3章可编程序控制器（PLC）

的组成及工作原理可编程序控制器简称PLC，是20世纪70年代以来在继电器—接触器（简称继电接触）控制系统中引入微型计算机控制技术后，发展起来的一种专门用于工业控制领域的新型控制器。也是建筑电气控制领域常用的新型控制器。是替代继电器—接触器控制系统的新型控制器。本章主要介绍可编程控制器的基本概念、可编程控制器（PLC）的组成、可编程控制器（PLC）的工作原理和编程语言。第3章可编程序控制器（PLC）

的组成及工作原理3.1可编程控制器（PLC）概述3.2可编程控制器（PLC）的基本硬件组成3.3可编程控制器（PLC）的工作原理和常用编程语言3.1可编程控制器（PLC）概述1.可编程序控制器（PLC）的基本定义国际电工委员会（IEC）对可编程序控制器的定义是：可编程序逻辑控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业控制环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令。通过数字式和模拟式的输入和输出来控制各类机械的生产过程。可编程序控制器及其有关外围设备都按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。3.1可编程控制器（PLC）概述2.可编程序控制器（PLC）的技术特点现代可编程序控制器主要有如下一些技术特点：（1）高可靠性与高抗干扰能力（2）通用、灵活、方便（3）编程简单、易于掌握（4）设计和开发周期短（5）功能强、体积小、重量轻3.2可编程控制器（PLC）的基本硬件组成3.2.1可编程序控制器(PLC)的基本结构1.整体式PLC的结构

图3-1整体式PLC图3-2整体式PLC的硬件结构示意图3.2.1可编程序控制器(PLC)的基本结构2.模块式PLC的结构大、中型PLC一般都采用模块式结构。如图3-3所示为模块式PLC的外部结构。模块式PLC采用搭积木的方式组成系统。一般由机架和模块组成。模块插在模块插座上，后者焊在机架的总线连接板上。机架有不同的槽数供用户选用。如果一个机架容纳不下所选用的模块，可以增加扩展机架。各机架之间用I/O扩展电缆连接。图3-3模块式PLCPLC硬件系统结构图3.2.2中央处理器和存储器中央处理器简称CPU。是PLC的核心，在整机中起到类似于人脑的神经中枢作用，对PLC的整机性能有着决定性作用。目前大多数PLC都用8位或16位单片机作CPU。PLC的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器两种。⒈系统程序存储器⒉用户程序存储器⒊PLC程序存储器的种类⑴随机存储器（RAM）：一般为用户存储器。⑵只读存储器（ROM）：一般为系统存储器。⑶可电擦除的存储器（EPROM、E2PROM）：用于存放用户程序，存储时间远远长于RAM，一般作为PLC的可选件。3.2.3输入/输出接口电路输入接口电路用于采集输入信号。输入/输出信号有开关量、模拟量、数字量三种形式。对应的则有开关量、模拟量、数字量三种形式的输入/输出模块形式和输入/输出接口电路。图3-4为采用光电耦合的开关量输入接口电路原理图。图3-5为继电器输出接口电路原理图。图中继电器KA既是输出开关器件，又是隔离器件；电阻R1和LED组成了输出状态显示器；电阻R2和电容C组成了RC放电灭弧电路。3.2.4模拟量输入/输出模块⒈模拟量输入（A/D）转换模块A/D转换模块的作用是将输入模拟量转换为数字量。图3-6为模拟量输入的A/D转换过程。3.2.4模拟量输入/输出模块⒉数字量输出（D/A）转换模块D/A转换模块的作用是将PLC的数字输出量转换成模拟电压或电流，再去控制执行机构。图3-7为D/A的转换过程。3.2.5其他硬件模块和接口1.高速计数模块PLC中的计数器的最高工作频率受扫描周期的限制，一般仅为几十Hz。在工业控制中，有时要求PLC有快速计数功能，计数脉冲可能来自旋转编码器、机械开关或电子开关。高速计数模块可以对几十kHz甚至上百kHz的脉冲计数。

2.运动控制模块这类模块一般带有微处理器，用来控制运动物体的位置、速度和加速度，它可以控制直线运动或旋转运动、单轴或多轴运动。它们使运动控制与PLC的顺序控制功能有机地结合在一起，被广泛地应用在机床、装配机械等场合。3.2.5其他硬件模块和接口3.通信模块通信模块是通信网络的窗口。在PLC中通信模块用来完成与别的PLC、其他智能控制设备或主计算机之间的通信。远程I/O系统也必须配备相应的通信接口模块。4.人机接口随着科学技术的不断发展，以及自动控制的需要，PLC的控制日趋完美。许多品牌的PLC配备了种类繁多的显示模块和图形操作终端（人机界面）作为人机接口。（1）显示模块（2）图形操作终端（人机界面）（3）编程器3.3可编程控制器（PLC）的

工作原理和常用编程语言3.3.1PLC控制系统的组成以可编程序控制器为控制核心单元的控制系统称为可编程序控制器控制系统。如图3-8所示为PLC控制系统的组成图。此控制系统由PLC基本单元、编程器、信号输入部件和输出执行部件等组成。3.3.2PLC的工作原理1.输入采样阶段在输入采样阶段以扫描方式顺序读入所有输入端子的通/断（ON/OFF）状态信息，并将此状态信息存入输入镜象寄存器。2.程序执行阶段在程序执行阶段顺序对每条指令进行扫描。先从输入镜象寄存器中读入所有输入端子的状态信息。在程序执行期间，即使外部输入信号的状态变化，输入镜象寄存器的状态也不会改变。这些变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被读入。接着转入程序执行阶段。3.输出刷新阶段在所有指令执行完毕后即执行程序结束指令时，元件镜象寄存器中所有输出继电器的通/断（ON/OFF）状态，在输出刷新阶段转存到输出锁存电路。图3-9PLC程序执行过程3.3.3PLC常用的编程语言1、梯形图语言它是由继电器控制系统图演变而来，与继电接触电气逻辑控制原理图非常相似，是一种形象、直观的实用图形语言。是PLC控制系统的主要编程语言，绝大多数PLC均具有这种编程语言。如图3-10(a)所示是一个具有自锁功能的继电接触控制电路，图3-10(b)是与其对应的梯形图程序。

（a)继电接触控制电路(b)对应的梯形图图3-10具有自锁功能的继电控制电路及其对应的梯形图3.3.3PLC常用的编程语言2、指令表语言PLC的指令是一种与微型计算机机的汇编语言中的指令相似的助记符表达式，由指令组成的程序叫做指令表程序语言。指令表与梯形图有着完全的对应关系，两者之间可以相互转换。指令表程序较难阅读，其中的逻辑关系很难一眼看出，所以在程序设计时一般使用梯形图语言。

3、顺序功能图（SFC）语言这是一种位于其他编程语言之上的图形语言，用来编制顺序控制程序。顺序功能图提供了一种组织程序的图形方法。图3-11为功能顺序图。图3-11顺序功能图3.3.3PLC常用的编程语言4、功能块图（FBD）语言这是一种类似于数字逻辑门电路的编程语言。该编程语言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系。图3-12(b)为西门子PLC功能块图与语句表，它与图3-12(a)梯形图的控制逻辑相同。

图3-12西门子PLC功能块图与梯形图5、高级编程语言高级编程语言是一种结构文本语言，是与计算机兼容的高级语言。与梯形图相比，它能完成复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。如BASIC语言、C语言及汇编语言等。本章小结1、可编程序控制器（PLC）的技术特点：（1）高可靠性与高抗干扰能力；（2）通用、灵活、方便；（3）编程简单、易于掌握；（4）设计和开发周期短；（5）功能强、体积小、重量轻。2、可编程序控制器(PLC)的基本结构：整体式PLC的结构、

模块式PLC的结构。3、中央处理器简称CPU。是PLC的核心，在整机中起到类似于人脑的神经中枢作用，对PLC的整机性能有着决定性作用。4、PLC的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器两种。5、PLC的输入/输出接口电路：输入接口电路用于采集输入信号，输入/输出信号有开关量、模拟量、数字量三种形式，对应的则有开关量、模拟量、数字量三种形式的输入/输出模块形式和输入/输出接口电路。