PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1、晉湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系第2講可編程控制器基本結(jié)構(gòu)和工作原理 PLC可編程控制技術(shù) 第二講PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 教學(xué)課題：可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 教學(xué)目的： 1. 熟悉PLC的結(jié)構(gòu)組成、內(nèi)部等效電路； 2. 理解掌握PLC的工作方式和工作過程 教學(xué)重點(diǎn)：PLC可編程序控制器的組成和工作過程 教學(xué)難點(diǎn)：PLC可編程序控制器的工作過程 教學(xué)方法：講授 教學(xué)時(shí)間：2課時(shí) 教學(xué)過程及內(nèi)容： 導(dǎo)入 要實(shí)現(xiàn)PLC的控制需要： 輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、PLC硬件和軟件（控制程序）。 一、PLC的基本組成 可編程控制器的結(jié)構(gòu)多種多樣，但其組成的一般原理基本相同，都是以微處理器為核心 的結(jié)構(gòu)，其

2、功能的實(shí)現(xiàn)不僅基于硬件的作用，更要靠軟件的支持，實(shí)際上可編程控制器就是 一種新型的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。Memorizer（RAM,ROM）, it is the memory devices of the PLC and used to store programs and data. （一）PLC的硬件結(jié)構(gòu) 士微處理器（CPU）控制器的核心 機(jī)“ 、存儲器（RAM、ROM ） 輸入、輸出部件（I/O部件）一一連接現(xiàn)場設(shè)備與 CPU之間的接口電路 電源部件一一為PLC內(nèi)部電路提供能源 整體結(jié)構(gòu)的PLC四部分裝在同一機(jī)殼內(nèi) 模塊式結(jié)構(gòu)的PLC各部件獨(dú)立封裝，稱為模塊，通過機(jī)架和總線連接而成 I/O的

3、能力可按用戶的需要進(jìn)行擴(kuò)展和組合(擴(kuò)展機(jī)) 另外，還必須有編程器一一將用戶程序?qū)戇M(jìn)規(guī)定的存儲器內(nèi) 其他外設(shè) 外 設(shè) 接 口 編程器 系統(tǒng)程序 用戶程序器 儲 存 I/O 擴(kuò) 展 接 口 1/C 擴(kuò) 展 單 元 徽處理器CPU 接收現(xiàn)場信號 電源部件 1 Sy 出 部 件 驅(qū)動 |受控元件 I I 1基本單元 圖1 PLC硬件結(jié)構(gòu) 1. 中央控制處理單元(CPU) 可編程控制器中常用的CPU主要采用通用微處理器、單片機(jī)和雙極型位片式微處理 器三種類型。 通用微處理器有 8080、8086、80286、80386等；單片機(jī)有 8031、8096等；位 片式微處理器的AM2900、AM2903等。F

4、X2可編程控制器使用的微處理器是 16位的 8096單片機(jī) 2. 存儲器 可編程控制器配有兩種存儲器：系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器 系統(tǒng)存儲器：存放系統(tǒng)管理程序，用只讀存儲器實(shí)現(xiàn)。 用戶存儲器：存放用戶編制的控制程序，一般用RAM實(shí)現(xiàn)或固化到只讀存儲器中 3. 輸入輸出接口 作用：連接用戶輸入輸出設(shè)備和 PLC控制器，將各輸入信號轉(zhuǎn)換成 PLC標(biāo)準(zhǔn)電平供 PLC處理，再將處理好的輸出信號轉(zhuǎn)換成用戶設(shè)備所要求的信號驅(qū)動外部負(fù)載。 對輸入輸出接口的要求：良好的抗干擾能力；對各類輸入輸出信號（開關(guān)量、模擬量、 直流量、交流量）的匹配能力。 PLC輸入輸出接口的類型：模擬量輸入輸出接口、開關(guān)量輸入輸出接口（

5、直流、交流 及交直流）。用戶應(yīng)根據(jù)輸入輸出信號的類型選擇合適的輸入輸出接口。 開關(guān)量輸入接口電路 各種輸入接口均采取了抗干擾措施。如帶有光耦合器隔離使PLC與外部輸入信號進(jìn) 行隔離；并設(shè)有RC濾波器，用以消除輸入觸點(diǎn)的抖動和外部噪聲干擾。 通常有三種類型：直流（12 24）V輸入、交流（100 20）V輸入與交流（200辺40）V 輸入和交直流（12 24）V輸入。直流輸入模塊的電源一般由機(jī)內(nèi)24v電源提供，輸入信號 接通時(shí)輸入電流一般小于10mA ;交流輸入模塊的電源一般由用戶提供。 開關(guān)量輸出接口電路 有三種形式，即繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出。開關(guān)量輸出端的負(fù)載電源一般 由用戶提供

6、，輸出電流一般不超過 2A 第16頁共12頁 開關(guān)量輸出端的負(fù)載電源一般由用戶提供，輸出電流一般不超過2A COM 卜u 舊八咆阪 輸出端子的兩種接法: 隔離式 輸出各自獨(dú)立，無公共點(diǎn)：各輸出端子各自形成獨(dú)立回路 匯點(diǎn)式 全部輸入點(diǎn)（輸出點(diǎn)）共用一個(gè)公共點(diǎn)?；蛘邔⑤斎朦c(diǎn)（輸出點(diǎn)）分成幾組，組內(nèi)各點(diǎn) 共用一個(gè)公共點(diǎn)。各組的公共點(diǎn)之間相互隔離。組內(nèi)的各點(diǎn)必須使用同一電壓類型和同一電 壓等級，各組可使用不同電壓類型和等級的負(fù)載。 4. 電源 PLC的供電電源一般是市電，也有用直流 24V電源供電的。 5. 外圍設(shè)備：編程器、打印機(jī)、演示板等 利用編程器可將用戶程序輸入 PLC的存儲器，還可以用編程器

7、檢查程序、修改程序; 利用編程器還可以監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)。 6. 用戶輸入輸出設(shè)備： 用戶輸入器件有控制開關(guān)和檢測元件，即各種開關(guān)、按鈕、傳感器等；用戶輸出設(shè)備 主要有接觸器、電磁閥、指示燈等。 （二）PLC的軟件結(jié)構(gòu) 在可編程控制器中，PLC的軟件分為兩大部分： 1. 系統(tǒng)監(jiān)控程序：用于控制可編程控制器本身的運(yùn)行。主要由管理程序、用戶指令解釋 程序和標(biāo)準(zhǔn)程序模塊，系統(tǒng)調(diào)用。 2. 用戶程序：它是由可編程控制器的使用者編制的，用于控制被控裝置的運(yùn)行。 PLC的內(nèi)部等效電路 以兩臺電機(jī)的啟動為例： PLC的輸入端：用戶輸入設(shè)備 輸入端子（I接口） SBiNSBiNSA刁 s- E J i Hl

8、 N PLC的輸出端：PLC內(nèi)部 輸出端子（0接口） 用戶輸出設(shè)備 內(nèi)部控制（梯形圖）可視為由繼電器、接觸器等組 成的等效電路 輸入COM端是機(jī)內(nèi)電源24V的負(fù)極端，輸出COM 端接用戶負(fù)載電源。 三、工作原理 （一）基本工作模式：PLC有運(yùn)行模式和停止模式 1. 運(yùn)行模式：分為內(nèi)部處理、通信操作、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理五個(gè)階段 2. 停止模式 當(dāng)處于停止工作模式時(shí)，PLC只進(jìn)行內(nèi)部處理和通信服務(wù)等內(nèi)容。 (二) PLC工作過程： (1) 內(nèi)部處理階段： 在此階段，PLC檢查CPU模塊的硬件是否正常，復(fù)位監(jiān)視定時(shí)器，以及完成一些 其它內(nèi)部工作。 (2) 通信服務(wù)階段 在此階段，PLC與一

9、些智能模塊通信、響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯 示內(nèi)容等，當(dāng)PLC處于停狀態(tài)時(shí)，只進(jìn)行內(nèi)容處理和通信操作等內(nèi)容。 (3) 輸入處理階段 輸入處理也叫輸入采樣。在此階段順序讀取所有輸入端子的通斷狀態(tài)，并將所讀 取的信息存到輸入映象寄存器中，此時(shí)，輸入映像寄存器被刷新。 (4) 程序處理階段 按先上后下，先左后右的步序，對梯形圖程序進(jìn)行逐句掃描并根據(jù)采樣到輸入映 像寄存器中的結(jié)果進(jìn)行邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再存入有關(guān)映像寄存器中。但遇到程序跳 轉(zhuǎn)指令，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來決定程序的跳轉(zhuǎn)地址。 (5) 輸出刷新階段 程序處理完畢后，將所有輸出映象寄存器中各點(diǎn)的狀態(tài)，轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中， 再通過輸

10、出端驅(qū)動外部負(fù)載。 在運(yùn)行模式下，PLC按上述五個(gè)階段進(jìn)行周而復(fù)始的循環(huán)工作，稱為循環(huán)掃描工 作方式。 (三) PLC工作方式與特點(diǎn)：集中采樣、集中輸出、周期性循環(huán)掃描，“串行”工作方式 1 掃描周期：PLC的工作方式是一個(gè)不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的 時(shí)間稱為掃描周期或工作周期。 PLC運(yùn)行正常時(shí)，掃描周期的長短與 CPU的運(yùn)算速度有關(guān)，與I/O點(diǎn)的情況有關(guān), 與用戶應(yīng)用程序的長短及編程情況等均有關(guān)。通常用 PLC執(zhí)行1K指令所需時(shí)間來說 明其掃描速度（一般110ms/K）。 2 .輸出滯后：指從PLC的外部輸入信號發(fā)生變化至它所控制的外部輸出信號發(fā)生變化 的時(shí)間間隔。一般為

11、幾十 一100ms. 弓I起輸出滯后的因素：輸入模塊的濾波時(shí)間、輸出模塊的滯后時(shí)間、掃描方式引起的 滯后。 3. 由于PLC是集中采樣，在程序處理階段即使輸入發(fā)生了變化，輸入映象寄存器中的 內(nèi)容也不會變化，要到下一周期的輸入采樣階段才會改變。 4. 由于PLC是串行工作，所以PLC的運(yùn)行結(jié)果與梯形圖程序的順序有關(guān)。 這與繼電器控制系統(tǒng) 并行”工作有質(zhì)的區(qū)別。避免了觸點(diǎn)的臨界競爭，減少繁瑣的聯(lián) 鎖電路。 四、FX系列可編程控制器 三菱公司的PLC是最早進(jìn)入中國市場的產(chǎn)品。小型機(jī)FX2N是近幾年推出的高功能整體 式小型機(jī)。 FX系列PLC具有龐大的家族?；締卧ㄖ鳈C(jī)）有FX0、FX0S、FXON

12、、FX1、FX2、FX2C、 FXis、FX2N、FX2NC 9個(gè)系列。每個(gè)系列又有14、16、32、48、64、80、128點(diǎn)等不同 輸入輸出點(diǎn)數(shù)的機(jī)型，每個(gè)系列還有繼電器輸出、晶體管輸出、晶閘管輸出三種輸出形式。 1. FX系列PLC型號的含義 FX系列可編程控制器型號命名的基本格式為: 特殊種圧區(qū)別 輸出電式+ 單元類型 I/O總點(diǎn)教V 系列序號# 說明： 系列序號：0,0S，ON，1,2,2C，1S，2N，2NC I/O總點(diǎn)數(shù)：14256 單兀類型： M -基本單元； EX- -輸入專用擴(kuò)展模塊; 輸出形式： R- 繼電器輸出； S- 晶閘管輸出 特殊品種區(qū)別： D-DC 電源，DC輸

13、入； H-大電流輸出擴(kuò)展模塊（1A/1 C接插口輸入輸出方式； L-TTL輸入型擴(kuò)展模塊； 例如：FX2N-32MRD 含義是： DC電源，DC輸入的基本單元。 2. 主要性能指標(biāo) （1）硬件指標(biāo)： 硬件指標(biāo)包括 E-輸入輸出混合擴(kuò)展模塊； EY-輸出專用擴(kuò)展模塊； T-晶體管輸出； AI-AC 電源，AC輸入； V-立式端子排的擴(kuò)展模塊； F-輸入濾波器1ms的擴(kuò)展模塊； 獨(dú)立端子（無公共端）擴(kuò)展模塊。 32點(diǎn)，繼電器輸出、 S FX2N系列，輸入輸出總點(diǎn)數(shù)為 般指標(biāo)、輸入特性和輸出特性。 (2)軟件指標(biāo): 軟件指標(biāo)包括運(yùn)行方式、速度、程序容量、元件種類和數(shù)量、指令類型等。 3. FX系列P

14、LC的一般技術(shù)指標(biāo) FX系列PLC的一般技術(shù)指標(biāo)包括基本性能指標(biāo)、輸入技術(shù)指標(biāo)及輸出技術(shù)指標(biāo)，如下表: 表1 FX系列PLC的基本性能指標(biāo) 項(xiàng)目Items FX1S FX1N FX2N 和 FX2NC 運(yùn)算控制方式 computing 存儲程序，反復(fù)運(yùn)算computing con trol,iterative operati on con trol I/O Con trol mode控制方式 批處理方式(在執(zhí)行 END指令時(shí))，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 運(yùn)算處理速 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 應(yīng)用指 applicati on in structi on 令 3.7微秒/指令數(shù)百微秒/指令 1.52微秒/指令數(shù)百微秒/ 指令 程序語 言 program 邏輯梯形圖和指令表，可以用步進(jìn)梯形指令來生成順序控制指 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） 內(nèi)置2KB步 內(nèi)置8KB步 內(nèi)置8KB步，用存儲盒可達(dá) Built- in2KB Built- in8KB 16KB 步 Built-in 8KB step, step step can up to 16KB step by STORAGE BOXES 指令數(shù)量 基 本 基本指令 elementaryinstruction27 條，步進(jìn)指令 step numberof instructions eleme ntary 、 instruction 2 條 步 進(jìn) st

17、ep-by-step 應(yīng)用指令 85條 89條 128條 I/O設(shè)置 最多30點(diǎn) 最多128點(diǎn) 最多256點(diǎn) 表2 FX系列PLC的輸入技術(shù)指標(biāo) 輸入電壓 DC24V 10% 元件號 X0 X7 其他輸入點(diǎn) 輸入信號電壓 DC24V 10% 輸入信號電流 DC24V,7mA DC24V,5mA 輸入開關(guān)電流OFF-ON 4.5mA 3.5mA 輸入開關(guān)電流ON -OFF 1.5mA 輸入響應(yīng)時(shí)間 10ms 可調(diào)節(jié)輸入響應(yīng)時(shí)間 X0X7為060mA (FX2N),其他系列015mA 輸入信號形式 無電壓觸點(diǎn)，或NPN集電極開路輸出晶體管 輸入狀態(tài)顯示 輸入ON時(shí)LED燈亮 表3 FX系列PLC的

18、輸出技術(shù)指標(biāo) 項(xiàng)目 繼電器輸出 晶閘管輸出(僅 FX2N ) 晶體管輸出 外部電源 最大 AC240V 或 DC30V AC85V 242V DC5 30V 最大 負(fù)載 電阻負(fù) 載 2A/1 點(diǎn)，8A/COM 0.3A/1點(diǎn), 0.8A/COM 0.5A/1 點(diǎn)，0.8A/COM 感性負(fù) 載 80VA , 120/240VAC 36VA/AC 240V 12W/24V DC 燈負(fù)載 100W 30W 0.9W/DC240V (FX1S ),其他系列 1.5W/DC 24V 最小負(fù)載 電壓v 5VDC時(shí) 2mA ,電壓 v 24V DC 時(shí) 5mA (FX2N ) 2.3VA/240V AC 響應(yīng) 時(shí)間 OFF ON 10ms 1ms 0.2ms ; 5 g（僅 Y0, Y1） ON 10ms 10ms 0.2