1、第第3讲讲 PLC的基本组成与工作原理的基本组成与工作原理 一、教学目的一、教学目的1熟悉熟悉PLC的工作原理的工作原理2掌握掌握PLC的的I/O内部等效电路及使用方法内部等效电路及使用方法3掌握掌握PLC循环扫描工作方式及应用注意事项循环扫描工作方式及应用注意事项二、教学方式与学时二、教学方式与学时课堂讲解、设计分析、学生练习，2学时三、教学内容三、教学内容1PLC的产生与发展情况2PLC的I/O种类与内部等效电路3PLC的工作方式与主要技术指标四、思考题四、思考题1PLC与其它工控装置相比有何优缺点？与其它工控装置相比有何优缺点？2PLC有哪些有哪些I/O单元单元 ？各适用什么场合？各适用
2、什么场合？3请描述请描述PLC采用循环扫描工作方式。采用循环扫描工作方式。第第3讲讲 PLC的基本组成与工作原理的基本组成与工作原理 I0.0I0.1Q0.0Q0.0继电接触器继电接触器控制电机起停控制电机起停PLC控制电机起停控制电机起停PLC的产生与发展的产生与发展 1. PLC的含义 2. PLC的定义 3. PLC的发展 能不能设计一种把计算机的通用、灵活、功能完备与继电器控制的简单、易懂相结合的新型控制装置呢? 回答是肯定的，就是回答是肯定的，就是PLC。 PLC是一种集计算机技术、自动控制技术、通信技术于一体的新型自动控制装置，并得到了广泛应用，被誉为当代工业自动化的三大支柱（PL
3、C、工业机器人、CAD/CAM）之一。 n继电接触器继电接触器n应用例子应用例子 n可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller), 简称PLC。n可编程序控制器（Programmable Controller）, 简称PC。n但个人计算机（Personal Computer）常简称为PC（机），为了避免混淆，可编程控制器简称为PLC。n1. PLC含义 nPLC应用例子应用例子 n2. PLC定义 PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为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、计数和算术等操作的指令，并通过数
4、字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。 1969年，美国数字设备公司研制出世界上第一台PLC，并在GM公司的汽车自动装配生产上试用成功。1971年，日本引进这项技术并开始生产PLC。1973年，德国和法国也研制出PLC。1977年，我国研制成功第一台PLC。3. PLC发展 目前，全世界生产PLC的公司约200家，生产300多种产品。但有七家公司是举足轻重的，它们是：美国ROCKWELL所属的A-B公司，GE-FANUC公司；德国西门子公司（SIMENS）;法国施耐德(Schneider)所属的美国MODICON公司和法国TE公司；日本三菱公司（MITSUBISHI）和立石公司（O
5、MRON）。S7系列是西门子公司近年推出的新产品。其中，S7-400是大型机，数字量I/O可达128k，模拟量I/O可达8k；S7-300是中型机，数字量I/O可达16k，模拟量I/O可达1024个；S7-200是小型机，数字量I/O可达256个，模拟量I/O可达64个。S7-300S7-400vPLC的主要特点l灵活性和通用性强l干扰能力强、可靠性高l编程语言简单易学 l与外设连接简单 l功能强、扩展方便 l控制系统设计、调试时间短 l体积小、重量轻、易于实现机电一体化v 1. PLC与继电器控制逻辑的比较与继电器控制逻辑的比较 继电器控制系统具有价格便宜，但存在机械触点的缺陷，只适用于十分
6、简单、功能固定的控制场合；而PLC具有可靠、工艺改变容易等优势，必将取代继电器控制装置。继继电电器器控控制制板板v 2. PLC与单片机系统的比较与单片机系统的比较 单片机系统具有结构简单、价格便宜、响应速度快等优点，但与PLC相比，存在不易掌握、系统设计复杂、抗干扰能力不强等缺点，一般适用于控制要求不高的场合。单单片片机机控控制制板板v 3. PLC与工控计算机的比较与工控计算机的比较 工控计算机具有总线标准化程度高、兼容性强、软件资源丰富等优点，特别适合于要求快速、模型复杂、计算工作量大的场合；而PLC易学、易懂、可靠性高，在开关量逻辑控制、顺序控制及高可靠性要求的场合。工工业业控控制制计
7、计算算机机v 4. PLC与与DCS的比较的比较 DCS是由仪表回路控制系统发展而来的，所以它在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，初期主要侧重于回路调节功能。而PLC是由继电器控制逻辑发展而来的，所以它在数字处理、顺序控制方面具有一定优势，初期主要侧重于开关量的顺序控制。DCSv 开关逻辑控制开关逻辑控制v 位置控制位置控制v 过程控制过程控制v 多级控制网络多级控制网络PLC的应用领域的应用领域PLC的基本组成的基本组成v 两种结构：两种结构：整体式和模块组合式整体式和模块组合式v 整体式整体式PLCPLC的组成：的组成：由输入单元、电源、由输入单元、电源、CPUCPU、输出单、输出单元
8、、通信接口、存储器、元、通信接口、存储器、I/OI/O扩展端口等组扩展端口等组成。成。v 模块组合式模块组合式PLCPLC的基本组成的基本组成 ：由系统总线（电源及框由系统总线（电源及框架）、通信单元、智能架）、通信单元、智能I/OI/O单元、输出单元、输入单元、单元、输出单元、输入单元、CPUCPU单元等组成单元等组成。整体式整体式模块式模块式整体式整体式PLC组成框图组成框图模块式模块式PLC组成组成PLC的存储器的存储器 PLC的存贮器分为以下3种: 系统程序存贮器：用于存贮监控程序, 为只读存贮器(ROM)。 用户程序存贮器：用于存放用户程序。不同的PLC，其存贮器类型可能不同。有的P
9、LC，其用户存贮器采用锂电池或大电容后备的RAM；有些PLC，采用快闪存贮器（FLASH MEMORY）；有些PLC，采用EPROM。 数据存贮器：一般选用RAM，用于保存数据。 PLC的的I/O单元单元I/O单元是PLC与外设联系的桥梁。1. 开关量输入单元（1）开关量直流输入单元（2）开关量交流输入单元2. 开关量输出单元（1）晶体管输出单元（2）双向晶闸管输出单元（3）继电器输出单元直流输入单元电路图直流输入单元电路图交流输入单元电路图交流输入单元电路图（1 1）晶体管输出单元）晶体管输出单元 晶体管输出单元有汇流（信宿/NPN型）和源流（信源/PNP型）两种，这两种输出单元的外加直流电
10、压极性不同。当内部输出锁存器为1时，LED点亮，负载得电；当内部输出锁存器为0时，LED熄灭，负载失电。如果是感性负载（如接触器），则必须与负载并接续流二极管，以提供能量释放通路。晶体管输出单元主要用于输出脉冲信号。汇流型晶体管输出单元电路图汇流型晶体管输出单元电路图v 输出端子外部只能使用交流电源。如果外加直流电源，当双向晶闸管导通后，则无法使之关断。工作原理为：当输出锁存器状态为1时，LED点亮，负载得电。当输出锁存器状态为0时，LED熄灭，负载失电。（2 2）双向晶闸管输出单元）双向晶闸管输出单元双向晶闸管输出单元电路图双向晶闸管输出单元电路图v 可根据负载需要，选择直流电源或交流电源。
11、其工作过程：当输出锁存器状态为1时，继电器的常开触点闭合，负载得电，LED点亮；当输出锁存器状态为0时，继电器的常开触点断开，负载失电，LED熄灭。 由于继电器触点的电气寿命一般为1030万次，因此在需要输出点频繁通断的场合，应选用晶体管（直流负载）或晶闸管（交流负载）输出型的PLC。(3)(3)继电器输出单元继电器输出单元继电器输出单元电路图继电器输出单元电路图 PLC通过外设端口可与编程器、PC机、另一台PLC等相连。电源部分电源部分 PLC一般配有开关式稳压电源向内部电路供电, 外加220V/110VAC输入电源。有的PLC能向外部提供24VDC电源, 请参阅随机手册。I/OI/O扩展端
12、口扩展端口 当主机上的I/O点数或类型不能满足用户需要时, 可通过I/O扩展口连接I/O扩展单元来增加I/O点数。外设端口外设端口 智能单元是一个具有自己的CPU、存贮器、系统程序、外设端口的计算机系统。如A/D单元PID单元、温度控制单元等。编程工具编程工具 1专用编程器：由PLC制造厂提供, 可分为简易(手持式)编程器和图形编程器。 2计算机辅助编程：PLC制造厂提供计算机辅助编程软件，就能在PC机上完成编程与监视工作。 智能单元智能单元PLCPLC的编程语言的编程语言 v 梯形图梯形图 (LADDER DIAGRAM)(LADDER DIAGRAM)v 语句表语句表(INSTRUCTIO
13、N LIST)(INSTRUCTION LIST)v 顺序功能图顺序功能图(SEQUENTIAL FUNCTION CHART)(SEQUENTIAL FUNCTION CHART)v 逻辑功能图（逻辑功能图（FUNCTION BLOCK DIAGRAMFUNCTION BLOCK DIAGRAM）v 结构文本（结构文本（STRUCTURED TEXTSTRUCTURED TEXT） IEC规定的5种PLC编程语言PLCPLC的编程语言的编程语言 1.1.梯形图梯形图编程语言编程语言（1）继电器控制电路中使用的都是物理继电器，必须通过硬接线来连接。PLC中的继电器是“软继电器”，具有物理继电器
14、的特点（通电线圈、常开触点、常闭触点），但实际上是内部寄存器的一个位，互相之间的连接通过编程来实现。（2）PLC的继电器有无数个常开、常闭触点供用户使用。而物理继电器的触点数是有限的。（3）PLC的输入继电器是由外部信号驱动的。而物理继电器的状态是由通过它的线圈电流确定的。两种继电器的区别：两种继电器的区别：PLCPLC的编程语言的编程语言 语句表编程语言是一种类似于计算机的汇编语言，用助记符来表示各种指令的功能。不同厂家的PLC，其助记符一般不同。语句表编程语言不如梯形图形象、直观，但是在使用手持式编程器输入用户程序时，必须把梯形图程序转换成语句表程序才能输入。 2. 2. 语句表编程语言语
15、句表编程语言PLCPLC的工作方式的工作方式 v PLC采用循环扫描的工采用循环扫描的工作方式。即：作方式。即：PLC接通接通电源，进行系统初始化电源，进行系统初始化处理后，不管用户程序处理后，不管用户程序执行条件如何，都周而执行条件如何，都周而复始地进行循环扫描，复始地进行循环扫描，并执行系统程序规定的并执行系统程序规定的任务，如右图所示。任务，如右图所示。每个扫描周期的每个扫描周期的5 5个工作阶段个工作阶段公共处理阶段公共处理阶段 ：CPUCPU要复位监视定时器，进行硬件和用户程序检要复位监视定时器，进行硬件和用户程序检查。若发现一般性故障，则只报警而不停机查。若发现一般性故障，则只报警
16、而不停机 。执行用户程序阶段：执行用户程序阶段：从上到下、从左到右的顺序执行。输入信息从上到下、从左到右的顺序执行。输入信息从从PLCPLC内部继电器的映像寄存器读取，而不是直接从内部继电器的映像寄存器读取，而不是直接从PLCPLC的输入端子的输入端子读取。执行结也是写入元件映像寄存器中，而不是立即用于驱动外读取。执行结也是写入元件映像寄存器中，而不是立即用于驱动外部负载，必须等到部负载，必须等到I/OI/O刷新阶段才将全部输出信号通过输出端子从而刷新阶段才将全部输出信号通过输出端子从而控制负载。控制负载。扫描周期计算处理阶段扫描周期计算处理阶段I/OI/O刷新阶段：刷新阶段：从输入电路读取各
17、输入点的状态信息，并将此状态从输入电路读取各输入点的状态信息，并将此状态信息写入输入映像寄存器中；将输出继电器的元件映像寄存器的状信息写入输入映像寄存器中；将输出继电器的元件映像寄存器的状态信息传送到相应的输出锁存器中，再经输出电路隔离和功率放大态信息传送到相应的输出锁存器中，再经输出电路隔离和功率放大后传送到后传送到PLCPLC的输出端。的输出端。外设端口服务阶段：外设端口服务阶段：完成完成CPUCPU与外设的通信处理与外设的通信处理PLCPLC控制的执行过程控制的执行过程第一个扫描周期I/O刷新阶段第二个扫描周期用户程序执行阶段第二个扫描周期I/O刷新阶段PLCPLC的滞后现象的滞后现象1
18、.由于PLC采用循环扫描的工作方式，对输入信号和输出信号只在每个扫描周期的I/O刷新阶段集中输入与集中输出，必然产生输出信号相对输入信号的滞后现象。扫描周期越长，滞后现象越严重。2.输入滤波器对输入信号的延迟作用。3.输出继电器的动作延时（尤其是继电器输出PLC)。4.用户程序的设计方法及程序长度。v 扫描周期一般只有几十毫秒，最多上百毫秒。PLCPLC的主要性能指标的主要性能指标1. 用户程序存储器的容量(一般以字为单位)2. 输入/输出点数3. 扫描速度(一般以扫描1k字所需时间来衡量)4. 编程指令的种类和条数5. 内部器件的种类和数量6. 扩展能力7. 智能单元的数量 复习思考题复习思考题v1为什么称PLC的继电器是软继电器？和物理继电器相比，软继电器在使用上有何特点？v 答： plc内部继电器之所以称为软继电器，是因为PLC内部有许多具有不同功能的器件，用于实现数据的传输运算处理存储。和那个相比，PLC的触点个数不受限制。v2PLC的编程工具有哪几种？各有何特点？v 答：有手持简易式和智能式。v3什么是直流、交流输入单元？v4什么是晶体管、晶闸管、继电器输出单元？各适用范围如何？v5比较PLC和单片机的特点。
