第四章 PLC的結構和工作原理

1、電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理4.1 PLC4.1 PLC概述概述4.2 PLC4.2 PLC基本結構基本結構4.3 PLC4.3 PLC的工作原理的工作原理電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理4.1.1 可編程序控制器的基本概念可編程序控制器的基本概念4.1.2 PLC的主要功能和特點的主要功能和特點4.1.3 PLC的應用領域和發(fā)展趨勢的應用領域和發(fā)展趨勢4.1 PLC概述概述PLC: Programmable Logic Cont

2、roller電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理4.1.1 可編程序控制器的基本概念可編程序控制器的基本概念 一一 可編程序控制器的產生可編程序控制器的產生 1968年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司(GM公司)為了適應生產工藝不斷更新的需要，期望找到一種新的方向，盡可能減少重新設計繼電控制系統(tǒng)和重新接線的工作，以降低成本、縮短周期，設想把計算機通用、靈活、功能完備等優(yōu)點和繼電控制系統(tǒng)的簡單易懂、價格便宜等優(yōu)點結合起來，制成一種通用控制裝置，并把計算機的編程方法和程序輸入方式加以簡化，用面向控制過程、面向問題的“自然語言”進行編程，使得不熟悉

3、計算機的人也能方便地使用。為此進行招標，1969年，美國數字設備公司(DEC公司)研制出了第一臺可編程序邏輯控制器(Programmable Logic Controller，簡稱PLC)，在GM公司的自動裝配線上試用獲得了成功。 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理二二 PLC中的幾個基本概念中的幾個基本概念 1 繼電器：它在PLC中也稱編程元件，它包括線圈、常開觸點和常閉觸點。 常開觸點：常用符號為 ，受PLC輸入開關量或PLC內部相應線圈的控制，當PL

4、C輸入接通或相應的線圈通過電流時，此觸點閉合。 常閉觸點：常用符號為 ，受控方式與常開觸點相同，只是當PLC輸入接通或相應線圈通電時，此觸點斷開。 線圈：PLC中也稱邏輯線圈，常用符號為，在PLC中用它作為輸出元件，以控制外部設備(如電磁閥、接觸器、指示燈等)；也可以用來控制PLC內部的其他觸點，以構成復雜的控制邏輯。電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 (2) 定時器：它的作用與繼電器控制中的延時繼電器或時間繼電器相同。常見的定時單位有0.1 s、0.2 s、1 s幾種，其符號因型號不同各異。日本立石公司C系列機用下列符號表示： TIM02

5、TIM#0142(定時預置值)符號 例子 其中圓內“”表示定時器(TIM)的編號，圓外#號后的“”表示定時預置值，定時時間=定時預置值定時單位。例中的定時器為02號，若PLC內部規(guī)定的定時單位為0.1 s，則定時時間1420.1 s=14.2 s。 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 (3) 計數器：它的作用是每當其計數輸入端由斷開(OFF)到接通(ON)時，計一個數，即計數器記錄的是其輸入由斷到通的次數。當計數值與預置值相等時，計數器導通。有的PLC(如C40P)計數端由斷到通時，自動減一個數，當計數值由預置值減到0時，計數器導通，其相應的

6、觸點接通或斷開，可用來控制其他元件。C系列PLC常用下列符號表示計數器： 計數端復位端 CP CNT R#(計數預置值)電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 (4) 其他元件：如時序器、加法器、數據存儲器、編碼器、減法器、譯碼器等。 上述元件在PLC內部都是由軟件實現的，并不存在它們的物理實體，因此常稱之為“虛擬元件”或“軟元件”。將它們相互連接構成復雜控制邏輯的過程稱為“軟連接”，放入PLC后則是一段程序 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理(5) 梯形圖梯形圖(Ladder Diagram)

7、： 【例】 交流電機單向運轉的啟停控制。 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理PLC控制的接線圖 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理PLC梯形圖 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理PLC控制的助記符程序控制的助記符程序 步號指令數據0000LD000010001OR010010002AND NOT000020003OUT010010004END 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理4.1.2

8、PLC的主要功能和特點的主要功能和特點 一一 PLC的主要功能的主要功能 1步進順序控制步進順序控制2限時控制限時控制 3條件控制條件控制 4計數控制計數控制 5模模/數和數數和數/模轉換模轉換 6數據處理數據處理 7通信和聯網通信和聯網8冗余控制冗余控制 9監(jiān)控功能監(jiān)控功能 10其他功能其他功能 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理二二 PLC的特點的特點 1與繼電器控制邏輯相比較與繼電器控制邏輯相比較 控制邏輯：繼電器控制邏輯采用硬接線邏輯，利用繼電器機械觸點的串聯或并聯及延時繼電器的滯后動作等組合成控制邏輯，其連線多而復雜，體積大，功耗大

9、，一旦系統(tǒng)構成后，想再改變或增加功能都很困難。另外繼電器觸點數目有限，每只一般只有48對觸點，因此靈活性和擴展性都很差。而PLC采用存儲邏輯，其控制邏輯以程序方式存儲在內存中，要改變控制邏輯，只需改變程序，故稱為“軟接線”，其連線少，體積小，加之PLC中每只軟繼電器的觸點數理論上無限制，因此靈活性和擴展性都很好。PLC由中大規(guī)模集成電路組成，功耗小。 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 工作方式：當電流接通時，繼電控制線路中各繼電器都處于受約狀態(tài)，即該吸合的都應吸合，不該吸合的都因受某種條件限制不能吸合。而PLC的控制邏輯中，各繼電器都處于周

10、期性循環(huán)掃描接通之中，從宏觀上看，每個繼電器受制約接通的時間是短暫的。 控制速度：繼電控制邏輯依靠觸點的機械動作實現控制，工作頻率低。觸點的開閉動作一般在幾十毫秒數量級。另外機械觸點還會出現抖動問題。而PLC是由程序指令控制半導體電路來實現控制的，速度極快，一般一條用戶指令的執(zhí)行時間在微秒數量級。PLC內部還有嚴格的同步，不會出現抖動問題。 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 限時控制：繼電控制邏輯利用時間繼電器的滯后動作進行限時控制。時間繼電器一般分為空氣阻尼式、電磁式、半導體式等，其定時精度不高，定時時間易受環(huán)境濕度和溫度變化的影響，調整

11、時間困難。有些特殊的時間繼電器結構復雜，不便維護。 PLC使用半導體集成電路作定時器，時基脈沖由晶體振蕩器產生，精度相當高，定時范圍一般從0.1 s到若干分鐘甚至更長，用戶可根據需要在程序中設定定時值，然后由軟件和硬件計數器來控制定時時間，定時精度小于10 ms且定時時間不受環(huán)境的影響。 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 計數控制：PLC能實現計數功能，而繼電控制邏輯一般不具備計數控制功能。 設計與施工：使用繼電控制邏輯完成一項控制工程，其設計、施工、調試必須依次進行，周期長，而且修改困難。工程越大，這一點就越突出。而用PLC完成一項控制工

12、程，在系統(tǒng)設計完成以后，現場施工和控制邏輯的設計(包括梯形圖和程序設計)可以同時進行，周期短，且調試和修改都很方便。 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 可靠性和可維護性：繼電控制邏輯使用了大量的機械觸點，連線也多。觸點開閉時會受到電弧的損壞，并有機械磨損，壽命短，因此可靠性和可維護性差。而PLC采用微電子技術，大量的開關動作由無觸點的半導體電路來完成，它體積小、壽命長、可靠性高。PLC還配備有自檢和監(jiān)督功能，能檢查出自身的故障，并隨時顯示給操作人員，還能動態(tài)地監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現場調試和維護提供了方便。 價格：繼電控制邏輯使用機械開

13、關、繼電器和接觸器，價格比較便宜。而PLC使用中大規(guī)模集成電路，價格比較昂貴。 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 2. 與微型計算機相比較與微型計算機相比較 應用范圍：微機除了用在控制領域外，還大量用于科學計算、數據處理、計算機通信等方面。而PLC主要用于工業(yè)控制。 使用環(huán)境：微機對環(huán)境要求較高，一般要在干擾小、具有一定的溫度和濕度要求的機房內使用。而PLC適應于工程現場的環(huán)境。 輸入輸出：微機系統(tǒng)的I/O設備與主機之間采用微電聯系，一般不需要電氣隔離。而PLC一般控制強電設備，需要電氣隔離，輸入輸出均用“光電”耦合，輸出還采用繼電器，可控

14、硅或大功率晶體管進行功率放大。 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 程序設計：微機具有豐富的程序設計語言，例如匯編語言，FORTRAN語言、COBOL語言、PASCAL語言、C語言等，其語句多，語法關系復雜，要求使用者必須具有一定水平的計算機硬件和軟件知識。而PLC提供給用戶的編程語句數量少，邏輯簡單，易于學習和掌握。 系統(tǒng)功能：微機系統(tǒng)一般配有較強的系統(tǒng)軟件，例如操作系統(tǒng)，能進行設備管理、文件管理、存儲器管理等。它還配有許多應用軟件，以方便用戶。而PLC一般只有簡單的監(jiān)控程序，能完成故障檢查、用戶程序的輸入和修改、用戶程序的執(zhí)行與監(jiān)視等功能

15、。 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 運算速度和存儲容量：微機運算速度快，一般為微秒級。因有大量的系統(tǒng)軟件和應用軟件，故存儲容量大。而PLC因接口的響應速度慢而影響數據處理速度。一般接口響應速度為2 ms，PLC巡回檢測速度為每千字8 ms。PLC的指令少，編程也簡短，故內存容量小。 價格：微機是通用機，功能完善，故價格較高。而PLC是專用機，功能較少，其價格是微機的十分之一左右。 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理3. 與單板與單板(或單片或單片)計算機比較計算機比較 不如PLC容易掌握

16、： 不如PLC使用簡單： 不如PLC可靠： 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 4與集散系統(tǒng)比較與集散系統(tǒng)比較 PLC是由繼電控制邏輯發(fā)展而來的，而集散系統(tǒng)(TDCS)是由回路儀表控制發(fā)展而來。但兩者的發(fā)展均與計算機控制技術有關。 早期PLC在開關量控制、順序控制方面有一定優(yōu)勢，而集散系統(tǒng)在回路調節(jié)、模擬量控制方面有一定優(yōu)勢。 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 三三 PLC的主要技術指標的主要技術指標 1用戶存儲器容量用戶存儲器容量 PLC中用戶存儲器一般由用戶程序存儲器和數據存儲器組成，

17、小型PLC的用戶存儲器容量多為幾K字節(jié)，而大型PLC可達到幾M字節(jié)。 2輸入輸出點數輸入輸出點數 輸入輸出的點數決定了PLC可控制的輸入開關信號和輸出開關信號的總體數量。 3掃描速度掃描速度 掃描速度通常指PLC掃描1 K字節(jié)用戶程序所需的時間，一般以ms/K為單位。 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 4編程指令的種類和功能編程指令的種類和功能 某種程度上用戶程序所完成的控制功能受限于PLC指令的種類和功能。PLC指令的種類和功能越多，用戶編程則越方便簡單。 5內部寄存器的配置和容量內部寄存器的配置和容量 用戶編制PLC程序時，需要大量使用

18、PLC內部的寄存器存放變量、中間結果、定時計數及各種標志位等數據信息。因此內部寄存器的數量直接關系到用戶程序的編制。 6PLC的擴展能力的擴展能力 在進行PLC選型時，其擴展性是一個非常重要的因素。一般來說可擴展性包括存儲容量的擴展、輸入輸出點數的擴展、模塊的擴展、通信聯網功能的擴展等。 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理4.1.3 PLC的應用領域和發(fā)展趨勢的應用領域和發(fā)展趨勢 一、PLC的應用領域。如果按應用類型來劃分，可編程序控制器的應用可分為以下幾個類型： (1) 開關邏輯和順序控制開關邏輯和順序控制：這是可編程序控制器最基本的控制功

19、能，在工業(yè)場合應用最廣泛，可代替繼電器控制系統(tǒng)。開關量邏輯控制不但能用于單臺設備，而且可用于生產線上。 (2) 過程控制過程控制：PLC通過模擬量I/O模塊，可對溫度、流量、壓力等連續(xù)變化的模擬量進行控制。大中型PLC都具有PID閉環(huán)控制功能并已廣泛地用于電力、化工、機械、冶金等行業(yè)。電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 (3) 運動控制運動控制：PLC可應用于對直線運動或圓周運動的控制，如數控機床、機器人、金屬加工、電梯控制等。 (4) 多級控制網絡系統(tǒng)多級控制網絡系統(tǒng)：PLC之間、PLC與計算機之間及其他智能控制設備之間可以聯網通信，實現遠

20、程數據處理和信息共享，從而構成工廠CIMS/CIPS系統(tǒng)。 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理二二 PLC的發(fā)展趨勢的發(fā)展趨勢 1小型化方向發(fā)展小型化方向發(fā)展 目前的小型PLC大都局限在開關量輸入輸出，而且CPU和I/O部件組裝在一個箱體內，今后的小型PLC也將增加模擬量處理功能，而且也將有靈活的組態(tài)特性，并且能與其他機型連用。在提高系統(tǒng)可靠性的基礎上，產品的體積越來越小，功能越來越強。如OMRON公司新推出CPM1 PLC的體積約130 mm89 mm84 mm，可以放在手掌上，可連接的輸入和輸出為10點，并可以擴展到20、30乃至50點，

21、支持91個指令編程，基本指令的執(zhí)行時間為0.72s，特殊指令的執(zhí)行時間也僅16.3s。 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 2大型化方向發(fā)展大型化方向發(fā)展 主要有以下幾個方面： 功能不斷加強：不僅具有邏輯運算、計數、定時等基本功能，還具有數值運算、模擬調節(jié)、監(jiān)控、記錄、顯示、與計算機接口、通信等功能。 網絡功能是PLC發(fā)展的一個重要特征。各種個人計算機，圖形工作站、小型機等都可以作為PLC的監(jiān)控主機或工作站，這些裝置的結合能夠提供屏幕顯示、數據采集、記錄保持、回路面板顯示等功能。大量的PLC聯網及不同廠家生產的PLC兼容性增加，使得分散控制或

22、集中管理都能輕易地實現。 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 應用范圍不斷擴大：不僅能進行一般的邏輯控制，種類齊全的接口模塊還能進行中斷控制、智能控制、過程控制、遠程控制等。 用于過程控制的PLC往往對存儲器容量及速度要求較高，為此，開發(fā)了高速模擬量輸入模塊，專用獨立的PID控制器，多路轉換器等，使得數字技術和模擬量技術在可編程序控制器中得到統(tǒng)一。采用軟件、硬件相結合的方法，使得編程和接線都比過去用常規(guī)儀表控制要方便得多。 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 性能不斷提高：采用高性能微處理器

23、，提高處理速度，加快PLC的響應時間；為了擴大存儲容量，許多公司已使用了磁泡存儲器或硬盤；采用多處理器技術，以提高性能；采用冗余熱備用系統(tǒng)或三選二表決系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)可靠性。 為了進一步簡化在專用控制領域的系統(tǒng)設計及編程，專用智能輸入輸出模塊越來越多，如專用智能PID控制器、智能模擬量I/O模塊、智能位置控制模塊、語言處理模塊、專用數控模塊、智能通訊模塊、計算模塊等，這些模塊的一個特點就是本身具有CPU，能獨立工作，它們與PLC主機并行操作，無論在速度、精度、適應性、可靠性各方面都對PLC進行了極好的補充。它們與PLC緊密結合，有助于克服PLC掃描工作方式的局限，完成PLC本身無法完成的許多功

24、能。電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 編程軟件的多樣化和高級化、標準化：采用多種編程語言，有面向順序控制的步進順序語言和面向過程控制系統(tǒng)的流程圖語言，后者是一種面向功能塊的語言，能夠表示過程中動態(tài)變量與信號的相互聯結；還有與計算機兼容的高級語言，如BASIC、C及匯編語言；另外還有專用的高級語言，例如三菱的MELSAP采用編譯的方法將語句變?yōu)樘菪螆D程序；也有采用布爾邏輯語言的，CPU能直接執(zhí)行AND、OR、XOR、NOT操作，這種語言執(zhí)行速度很快，但不很直觀。PLC也將具有數據庫，并可實現整個網絡的數據庫共享，還將不斷發(fā)展自適應控制和專家系

25、統(tǒng)。 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 構成形式的分散化和集散化：PLC與I/O口分散，分散的每個I/O口輸入輸出點數可以少到十幾個點，分散的單元可以是幾十個或上百個，通信和網絡功能逐步增強。作為CIMS、CIPS的分支不斷發(fā)展，PLC本身也可分散，分散的PLC與上位機結合構成集散系統(tǒng)，分散地進行控制，這就便于構成多層分布式控制，以實現整個工廠或企業(yè)的自動化控制和管理。不同機型的PLC之間、PLC與計算機之間可方便地聯網，實現資源共享，加上功能強大的網絡監(jiān)控軟件，就構成大型PLC控制網絡系統(tǒng)。 電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章

26、PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理4.2 PLC4.2 PLC的基本結構的基本結構4.2.1 PLC的組成及其各部分的功能的組成及其各部分的功能4.2.2 PLC的結構形式的結構形式電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理4.2.1 PLC的組成及其各部分的功能的組成及其各部分的功能一一 PLC的基本組成的基本組成PLC的基本組成的基本組成中央處理單元(CPU)系統(tǒng)存儲器用戶存儲器輸入部件輸出部件外設接口I/O擴展口編程器電源可編程序控制器至現場用戶設備接觸器指示燈電磁閥電源模擬量輸出來自用戶設備按鈕選擇開關限位開關電源模擬量輸入電氣控制與電

27、氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理PLC的單總線結構框圖輸出鎖存、電平轉換等I/O擴展智能I/O輸入濾波、電平轉換、鎖存功能開關和指示器編程器微處理器CPU系統(tǒng)程序EPROM用戶數據RAM用戶程序EPROM存儲器擴展通信接口系統(tǒng)總線去現場來自現場后備電池至其他PC監(jiān)視器或打印機光電耦合光電耦合、繼電器或可控硅電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理二二 PLC各組成部分的功能各組成部分的功能 1 1輸入部件輸入部件 輸入部件是輸入部件是PLCPLC與工業(yè)生產現場被控對象之間的連與工業(yè)生產現場被控對象之間的連接

28、部件，是現場信號進入接部件，是現場信號進入PLCPLC的橋梁。該部件接收由主的橋梁。該部件接收由主令元件、檢測元件來的信號。令元件、檢測元件來的信號。 主令元件是指由用戶在控制鍵盤主令元件是指由用戶在控制鍵盤( (或控制臺或控制臺) )上操作上操作的一切功能鍵，如開機、關機、調試或緊急停車等按鍵。的一切功能鍵，如開機、關機、調試或緊急停車等按鍵。主令元件給出的信號稱為主令信號。檢測元件的功能是主令元件給出的信號稱為主令信號。檢測元件的功能是檢測一些物理量檢測一些物理量( (如行程距離、速度、位置、壓力、流如行程距離、速度、位置、壓力、流量、液位、溫度、電壓、電流等量、液位、溫度、電壓、電流等)

29、 )在設備工作進程中的在設備工作進程中的狀態(tài)，并通過輸入部件送入狀態(tài)，并通過輸入部件送入PLCPLC以控制工作程序的轉換以控制工作程序的轉換等。常見的檢測元件有行程開關、限位開關、光電檢測等。常見的檢測元件有行程開關、限位開關、光電檢測開關、繼電器觸點及其他各類傳感器等。開關、繼電器觸點及其他各類傳感器等。電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 輸入方式有兩種，一種是數字量輸入(也稱為開關量或接點輸入)，另一種是模擬量輸入(也稱為電平輸入)。后者要經過模擬/數字變換部件才能進入PLC。 輸入部件均帶有光電耦合電路，其目的是把PLC與外部電路隔離開

30、來，以提高PLC的抗干擾能力。為了與現場信號連接，輸入部件上設有輸入接線端子排。為了濾除信號的噪聲和便于PLC內部對信號的處理，輸入部件內部還有濾波、電平轉換、信號鎖存電路。 各PLC生產廠家都提供了多種形式的I/O部件或模塊，供用戶選用。電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理輸入接口電路輸入接口電路電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理ININCOMAC220 V0.33 F470 330 k910 內部電路輸入指示燈ININCOM3 k1.8 k內部電路輸入指示燈0.01 F24 VDC(a)(

31、b)電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 2輸出部件輸出部件 輸出部件也是PLC與現場設備之間的連接部件，其功能是控制現場設備進行工作(如電機的啟、停、正/反轉，閥門的開、關，設備的轉動、移動、升降等)。對于PLC，希望它能直接驅動執(zhí)行元件，如電磁閥、微電機、接觸器、燈和音響等，因此，輸出部件中的輸出級常是一些大功率器件，如機械觸點式繼電器、無觸點交流開關(如雙向可控硅)及直流開關(如晶體三極管)等。 與輸入部件類似，輸出部件上也有輸出狀態(tài)鎖存、顯示、電平轉換和輸出接線端子排。輸出部件或模塊也有多種類型供選用。電氣控制與電氣控制與PLCPLC第

32、四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理繼電器輸出繼電器輸出晶體管輸出晶體管輸出晶閘管輸出晶閘管輸出三種輸出類型三種輸出類型輸出最大開閉能力繼電器交流250 V/直流24 V, 2 A晶體管直流524 V, 0.5 A可控硅交流85250 V, 1 A電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理內部電路輸出指示燈LOUTOUTc250 VAC24 VDC max繼電器輸出電路電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理內部電路V輸入指示燈LL熔絲GGS(Nagasawa)熔絲OUTOUTCOM24

33、VDC5 A 125 V 5.2直徑20晶體管輸出電路電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理內部電路輸出指示燈FULOUT250 VAC maxLOUTCOM熔絲：3A 250 V(5.2直徑20)MQ4(SOC)可控硅輸出電路電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理COM010003050402070911060810010305000204NC24 VDC輸入設備0CH1CH00COM COM COM0102040503COM06COM010307000210CH11CH250 VAC24 VDC

34、負載I/O接線接線電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 3中央處理器中央處理器(CPU) 與一般的計算機控制系統(tǒng)一樣，CPU是整個系統(tǒng)的核心，它按PLC中系統(tǒng)程序賦予的功能，指揮PLC有條不紊地進行工作。其主要任務有：控制從編程器鍵入的用戶程序和數據的接收與存儲；用掃描的方式通過I/O部件接收現場的狀態(tài)或數據，并存入輸入狀態(tài)表或數據存儲器中；診斷電源、PLC內部電路的工作故障和編程中的語法錯誤等；PLC進入運行狀態(tài)后，從存儲器逐條讀取用戶指令，經過命令解釋后按指令規(guī)定的任務進行數據傳送、邏輯或算術運算等；根據運算結果，更新有關標志位的狀態(tài)和輸出

35、寄存器表的內容，再經由輸出部件實現輸出控制、制表打印或數據通信等功能。電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 目前，小型PLC為單CPU系統(tǒng)，而中型及大型PLC則為雙CPU甚至多CPU系統(tǒng)。PLC所采用的微處理器有三種： (1) 通用微處理器。小型PLC一般使用8位微處理器如8080/8085、6800和Z80等，大中型PLC除使用位片式微處理器外，大都使用16位或32位微處理器。當前不少PLC的CPU已升級到INTEL公司的微處理器產品，有些已采用奔騰(PENTIUM)處理器，如西門子公司的S7-400。采用通用微處理器的優(yōu)點是：價格便宜，通用

36、性強，還可借用微機成熟的實時操作系統(tǒng)和豐富的軟硬件資源。電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 (2) 單片微處理器(即單片機)。它具有集成度高、體積小、價格低及可擴展性好等優(yōu)點。如INTEL公司的8位MCS-51系列運行速度快，可靠性高，體積小，很適合于小型PLC；16位96系列速度更快，功能更強，適合于大中型PLC使用。 (3) 位片式微處理器。它是獨立于微型機的一個分支，多為雙極型電路，4位為一片，幾個位片級聯可組成任意字長的微處理器，代表產品有AMD2900系列。PLC中位片式微處理器的主要作用有兩個，一是直接處理一些位指令，從而提高了位

37、指令的處理速度，減少了位指令對字處理器的壓力；二是將PLC的面向工程技術人員的語言(梯形圖、控制系統(tǒng)流程圖等)轉換成機器語言。 模塊式PLC把CPU作為一種模塊，備有不同型號供用戶選擇。電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 4. 存儲器及存儲器擴展存儲器及存儲器擴展 PLC中存儲器的功能與普通微機系統(tǒng)中的存儲器功能相似，用來存儲系統(tǒng)程序和用戶的程序與數據。目前主要采用的系統(tǒng)程序存儲器是指用來存放系統(tǒng)管理、用戶指令解釋及標準程序模塊、系統(tǒng)調用等程序的存儲器，常用EPROM構成。用戶存儲器用來存儲用戶編制的梯形圖程序或用戶數據。存儲用戶程序的叫用戶

38、程序存儲器，常用EPROM或EEPROM構成。存儲用戶數據的叫用戶數據存儲器，常用RAM構成，為防止掉電時信息的丟失，有后備電池作保護。電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 由于PLC系統(tǒng)程序關系到PLC的性能，不能由用戶直接存取，因而，PLC產品樣本或使用手冊中所列存儲器形式及其容量一般都是指用戶存儲器而言。 PLC中已提供一定容量的存儲器供用戶使用，但對有些用戶，可能還不夠用，因此大部分PLC都提供了存儲器擴展(EM)功能，用戶可以將新增的存儲器擴展模板直接插入CPU 模板中，也有的是插入中央基板中。電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第

39、四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 5. 通信接口通信接口 為了實現人-機或機-機之間的對話，PLC中配有多種通信接口。通過這些通信接口，PLC可以與監(jiān)視器、打印機、其他PLC或計算機相連。 當PLC與打印機相連時，可將過程信息、系統(tǒng)參數等輸出打?。划斉c監(jiān)視器(CRT)相連時，可將過程圖像顯示出來；當與其他PLC相連時，可以組成多機系統(tǒng)或連成網絡，實現更大規(guī)模的控制；當與計算機相連時，可以組成多級控制系統(tǒng)，實現控制與管理相結合的綜合系統(tǒng)。電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 6. 智能智能I/O接口接口 為了滿足更加復雜控制功能的需

40、要，PLC配有多種智能I/O接口。例如滿足位置調節(jié)需要的位置閉環(huán)控制模板，對高速脈沖進行計數和處理的高速計數模板等等。這類智能模板都有其自身的處理器系統(tǒng)。 7. I/O擴展接口擴展接口 當一個PLC中心單元的I/O點數不夠用時，就要對系統(tǒng)進行擴展。擴展接口就是用于連接中心基本單元與擴展單元的。 8. 功能開關與指示燈功能開關與指示燈 功能開關是用來控制PLC工作狀態(tài)的，如編程、監(jiān)視、運行開關等。指示燈有PLC工作狀況指示燈、電源指示燈，電壓過低指示燈等。電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 9. 編程器編程器 編程器的作用是供用戶進行程序的輸入

41、、編輯、調試和監(jiān)視。有的編程器還可與打印機或磁帶機相連，以將用戶程序和有關信息打印出來或存放在磁帶上。磁帶上的信息可以重新裝入PLC。 編程器有簡易型和智能型兩類。簡易型編程器只能聯機編程，且往往需要將梯形圖轉化為機器語言助記符后才能送入，簡易編程器一般由簡易鍵盤和發(fā)光二極管矩陣或其他顯示器件組成。智能編程器又稱圖形編程器，它可以聯機編程，也可以脫機編程，具有LCD(液晶顯示器)或CRT圖形顯示功能，可直接輸入梯形圖和通過屏幕對話。 也可以利用微機作為編程器，這時微機應配有相應的軟件包。電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理4.2.2 PLC的結

42、構形式的結構形式一一 單元式結構單元式結構 單元式結構的PLC電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理二二 模塊式結構模塊式結構模塊式結構模塊式結構PLC的結構的結構 電源單元DIN導軌CPU單元電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理三三 疊裝式結構疊裝式結構 前者結構緊湊、安裝方便、體積小巧，易于與被控設備組合成一個整體，但由于每個單元的I/O點數有一定的搭配關系，有時配置的系統(tǒng)輸入點或輸出點不能充分利用，加之各單元尺寸大小不一致，因此不易安裝整齊。而后者無論是輸入還是輸出點數均可靈活配置，又易于構

43、成較多點數的大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)，且尺寸統(tǒng)一、安裝整齊，但是尺寸較大，難于與小型設備聯成一體。為此有些PLC生產廠家開發(fā)出疊裝式結構，將二者的優(yōu)點結合起來。疊裝式結構的CPU、電源、I/O等單元也是各自獨立的模塊，但它們相互的連接安裝不需要用基板，僅用電纜連接即可，并且各模塊可以一層層地疊裝。這樣，不但系統(tǒng)可以靈活配置，還可以將體積做得小巧。電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理4.3.1 PLC的工作過程的工作過程4.3.2 PLC的使用步驟的使用步驟4.3 PLC4.3 PLC的工作原理的工作原理電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLC

44、PLC結構和工作原理結構和工作原理4.3.1 PLC的工作過程的工作過程一一 大中型大中型PLC的工作過程的工作過程電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理電源啟動電源檢查WDT時間與編程器交換信息是否用DPU？與DPU交換信息是否有網絡？與網絡交換信息狀態(tài)判定執(zhí)行用戶程序I/O服務I / O故障運行停止運行NNYY123456大中型大中型PLC的工作過程的工作過程電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 1自監(jiān)視掃描階段自監(jiān)視掃描階段 為了保證工作的可靠性，PLC內部具有自監(jiān)視或自診斷功能。自監(jiān)視功能

45、是由監(jiān)視定時器WDT(Watch-dog Timer)完成的，WDT 是一個硬件時鐘。自監(jiān)視過程主要是檢查及復位WDT。如果在復位前，掃描時間已超過WDT的設定值，CPU將停止運行、輸入/輸出復位，并給出報警信號。這種故障稱為WDT故障。WDT故障可能由CPU硬件引起，也可能由于用戶程序執(zhí)行時間太長，使掃描周期超過WDT的規(guī)定時間而引起。用編程器可以清除WDT故障。 WDT的設定時間一般為150200 ms，而一般系統(tǒng)的掃描時間均小于5060 ms。有些PLC中，用戶可以對WDT的時間進行修改(修改方法在使用手冊中給出)。電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理

46、結構和工作原理 2. 與編程器交換信息的掃描階段與編程器交換信息的掃描階段 用戶程序通過編程器寫入PLC，以及用編程器進行在線監(jiān)視和修改時，CPU將總線的控制權交給編程器，CPU處于被動狀態(tài)。當編程器完成處理工作或達到信息交換的規(guī)定時間，CPU重新得到總線權，并恢復主動狀態(tài)。 在這一掃描階段，用戶可以通過編程器修改內存程序，啟動或停止CPU，讀CPU狀態(tài)，封鎖或開放輸入/輸出，對邏輯變量和數字變量進行讀寫等。 3. 與數字處理器與數字處理器DPU交換信息的掃描階段交換信息的掃描階段 當系統(tǒng)配有數字處理器時，一個掃描周期中才包含這一階段。電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC

47、結構和工作原理結構和工作原理 4. 網絡進行通信的掃描階段網絡進行通信的掃描階段 在配有網絡的PLC系統(tǒng)中，才有通信掃描階段。在這一階段，PLC與PLC之間，PLC與磁帶機或與上位計算機之間進行信息交換。 5. 用戶程序掃描階段用戶程序掃描階段 PLC處于運行狀態(tài)時，一個掃描周期中包含了用戶程序掃描階段。 在用戶程序掃描階段，對應于用戶程序存儲器所存的指令，PLC從輸入狀態(tài)暫存區(qū)和其他軟元件的狀態(tài)暫存區(qū)中將有關元件的通/斷狀態(tài)讀出，從第一條指令開始順序執(zhí)行，每一步的執(zhí)行結果均存入輸出狀態(tài)暫存區(qū)。電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 6. 輸入輸

48、入/輸出輸出(I/O)服務掃描階段服務掃描階段 CPU在執(zhí)行用戶程序時，使用的輸入值不是直接從實際輸入端得到的，運算的結果也不直接送到實際輸出端，而是在內存中設置了兩個暫存區(qū)，一個是輸入暫存區(qū)或稱輸入映像寄存器，一個是輸出暫存區(qū)或稱輸出映像寄存器。用戶程序中所用到的輸入值是輸入狀態(tài)暫存區(qū)的值，運算結果放在輸出狀態(tài)暫存區(qū)中。圖2.3.2給出了用戶程序執(zhí)行階段與I/O服務階段的信息流程圖。在輸入服務(輸入采樣及輸入刷新)掃描過程中，CPU 將實際輸入端的狀態(tài)讀入輸入狀態(tài)暫存區(qū)。在輸出服務(輸出刷新與鎖存)掃描過程中，CPU將輸出狀態(tài)暫存區(qū)的值同時傳送到輸出狀態(tài)鎖存器。電氣控制與電氣控制與PLCPL

49、C第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理 由于輸入/輸出暫存區(qū)的設置，使PLC對輸入/輸出的處理具有以下特點： 輸入狀態(tài)暫存區(qū)的數據，取決于輸入服務階段各實際輸入點的通/斷狀態(tài)。在用戶程序執(zhí)行階段，輸入狀態(tài)暫存區(qū)的數據不再隨輸入的變化而變化。 在用戶程序執(zhí)行階段，輸出狀態(tài)暫存區(qū)的內容隨程序執(zhí)行結果不同而隨時改變，但輸出狀態(tài)鎖存器的內容不變。 在輸出服務階段，將用戶程序執(zhí)行階段的最終結果由輸出狀態(tài)暫存區(qū)傳遞到輸出狀態(tài)鎖存器。輸出端子的狀態(tài)由輸出狀態(tài)鎖存器決定。電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理I/O服務階段與用戶程序執(zhí)行階段輸入端子輸入濾波及光電耦合輸入狀態(tài)暫存器輸出狀態(tài)鎖存器輸出狀態(tài)暫存器輸出光電耦合及功率放大輸出端子輸入輸出梯形圖輸入采樣階段用戶程序執(zhí)行階段輸出執(zhí)行階段電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理二二 小型小型PLCPLC的工作過程的工作過程電氣控制與電氣控制與PLCPLC第四章第四章 PLCPLC結構和工作原理結構和工作原理上 電清I/O和內部電器復位定時器檢查總線及I