《現(xiàn)代電氣與PLC應用技術(shù)》課件項目2的任務(wù)1

項目2PLC概述

任務(wù)1PLC的系統(tǒng)組成、工作原理

任務(wù)引入

PLC，中文名稱為：可編程序控制器；英文名稱為：ProgrammableLogicController（早期），稱為PLC；后改為ProgrammableController，稱為PC。為了與個人計算機（PersonalComputer

簡稱PC）相區(qū)分，在行業(yè)中仍稱之為PLC。它是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制裝置。近年來PLC技術(shù)已廣泛應用于自動化控制的各個領(lǐng)域，是當代工業(yè)生產(chǎn)自動化的重要支柱。任務(wù)分析

要完成該任務(wù)，要學習以下知識：1．了解PLC產(chǎn)生的原因。2．熟悉PLC的硬件組成。3．了解PLC面板上各部分的功能。相關(guān)知識

20世紀60年代以前，自動控制裝置主要由繼電器控制系統(tǒng)構(gòu)成。隨著自動控制技術(shù)的發(fā)展，繼電控制系統(tǒng)開始無法滿足工業(yè)控制的需求。繼電器控制系統(tǒng)體積大、耗電多、可靠性低、接線復雜且不易更改、查找和排除故障困難，對生產(chǎn)工藝變化的適應性差，不利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。1968年，美國通用汽車公司為適應汽車型號不斷翻新（小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量），提出要用一種新型的控制裝置取代繼電器控制裝置。并提出了十項招標指標，即：1．PLC的產(chǎn)生

編程方便，現(xiàn)場可修改程序；維修方便，采用模塊化結(jié)構(gòu)；可靠性高于繼電器控制裝置；體積小于繼電器控制裝置；數(shù)據(jù)可直接送入管理計算機；成本可與繼電器控制裝置競爭；輸入量是交流115V（美國電網(wǎng)電壓為110V）；輸出量為交流115V，2A以上，能直接驅(qū)動電磁閥，接觸器等；在擴展時，原系統(tǒng)只要很小變更；用戶程序存儲器容量至少能擴展到4K。相關(guān)知識

美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）的子公司AB公司根據(jù)GM公司招標的技術(shù)要求，于1969年研制出世界上第一臺PLC，并在GM公司汽車自動裝配線上試用，獲得成功。這種新型的工業(yè)控制裝置以其簡單易懂，操作方便，可靠性高，通用靈活，體積小，使用壽命長等一系列優(yōu)點，很快地在美國其他工業(yè)領(lǐng)域推廣應用。隨后，日本、德國等相繼引入這項新技術(shù)，PLC由此而迅速發(fā)展起來。相關(guān)知識

2．PLC的定義

國際電工委員會(IEC)于1987年通過了對PLC定義：“可編程控制器（PLC）是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都應按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計?！毕嚓P(guān)知識目前，PLC的種類很多，型號和規(guī)格也不統(tǒng)一，為了更好的學習PLC，我們可以從以下幾方面來對其進行分類。

（1）按I/O點數(shù)及內(nèi)存容量分類。PLC對外部信號的采集、外部設(shè)備的控制以及PLC運算結(jié)果的輸出都要通過PLC輸入、輸出端子來進行接線。PLC的輸入、輸出端子的數(shù)目之和稱為輸入、輸出點數(shù)，簡稱I/O點數(shù)。根據(jù)PLC的I/O點數(shù)數(shù)量、存儲器容量和功能強弱，可將PLC分為以下幾種類型：

超小型PLC：I/O點數(shù)為64點以內(nèi)，內(nèi)存容量為256～1000字節(jié)。該類型PLC特點是尺寸小、重量輕、功耗低。

小型PLC：I/O點數(shù)一般在256點以下，內(nèi)存容量為1～3.6K字節(jié)，其特點是體積小、成本低、結(jié)構(gòu)緊湊，整個硬件融為一體，除了開關(guān)量I/O以外，還可以連接模擬量I/O以及其他各種特殊功能模塊。它能執(zhí)行邏輯運算、計時、計數(shù)、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊聯(lián)網(wǎng)以及各種應用指令，適用于小型設(shè)備的控制。相關(guān)知識3．PLC的分類

中型PLC：采用模塊化結(jié)構(gòu)，其I/O點數(shù)一般在256~1024點之間，內(nèi)存容量為3.6～13K字節(jié)。I/O的處理方式除了采用一般PLC通用的掃描處理方式外，還能采用直接處理方式，即在掃描用戶程序的過程中，直接讀輸入，刷新輸出。它能聯(lián)接各種特殊功能模塊，通訊聯(lián)網(wǎng)功能更強，指令系統(tǒng)更豐富，內(nèi)存容量更大，掃描速度更快，適用于較復雜系統(tǒng)的邏輯控制和閉環(huán)控制過程。

大型PLC：一般I/O點數(shù)在1024點以上、內(nèi)存容量為13K字節(jié)以上的稱為大型PLC。大型PLC的軟、硬件功能極強。具有極強的自診斷功能。通訊聯(lián)網(wǎng)功能強，有各種通訊聯(lián)網(wǎng)的模塊，可以構(gòu)成三級通訊網(wǎng)，實現(xiàn)工廠生產(chǎn)管理自動化。相關(guān)知識3．PLC的分類

（2）按結(jié)構(gòu)形式分類。按組成和結(jié)構(gòu)形式，PLC可分為整體式結(jié)構(gòu)和模塊式結(jié)構(gòu)兩種類型。

整體式結(jié)構(gòu)：又叫做單元式或箱體式，一般的小型及超小型PLC多為整體式結(jié)構(gòu)，這種PLC是把CPU、存儲器、I/O模塊及電源、指示燈等基本功能電路都裝配在一個整體裝置內(nèi)。整體式PLC還配備有許多專用的特殊功能模塊，使PLC的功能得到擴展。

模塊式結(jié)構(gòu)：大、中型PLC如西門子的S7-400系列一般采用模塊式結(jié)構(gòu)，它由機架和模塊組成，用搭積木的方式組成系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)形式的特點是把PLC的每個工作單元都制成獨立的模塊，如CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊、通信模塊等。用戶可以選用不同檔次的CPU模塊、品種繁多的I/O模塊和特殊功能模塊，對硬件配置的選擇余地較大，維修時更換模塊也很方便。相關(guān)知識3．PLC的分類

（3）按生產(chǎn)廠家分類。PLC的生產(chǎn)廠家比較多，在我國應用非常廣泛。常見的PLC產(chǎn)品有以下類型：日本立石（OMRON）公司的C系列PLC；日本三菱公司的F、F1、F2、FX2系列PLC；日本松下電氣公司的FP1系列PLC；美國通用電氣公司的GE系列PLC；德國西門子公司的S5、S7系列PLC。相關(guān)知識3．PLC的分類

在工業(yè)控制領(lǐng)域中，PLC的特點十分顯著，主要特點如下：（1）可靠性高，抗干擾能力強。（2）控制功能強。（3）采用模塊化結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)組合靈活方便。（4）編程簡單易學。（5）安裝簡單，維修方便。

相關(guān)知識4．PLC的特點

PLC是一種工業(yè)控制用的專用計算機，它的實際組成與一般微型計算機系統(tǒng)基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成，但PLC具有更強的與工業(yè)過程相連接的接口。PLC的硬件系統(tǒng)主要由CPU、存儲器、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成，如圖2-1所示。相關(guān)知識5．PLC的硬件構(gòu)成

相關(guān)知識5．PLC的硬件構(gòu)成

圖2-1PLC基本組成相關(guān)知識5．PLC的硬件構(gòu)成

（1）CPU模塊：又叫中央處理單元或控制器。CPU是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)。當PLC進入運行狀態(tài)，CPU根據(jù)用戶程序存放的順序讀取、解釋和執(zhí)行程序，完成用戶程序中規(guī)定的各種操作，并將程序執(zhí)行的結(jié)果送至輸出端口，以驅(qū)動可編程控制器的外部負載。（2）存儲器：PLC的內(nèi)部存儲器有兩類，一類是系統(tǒng)程序存儲器，主要存放系統(tǒng)管理和監(jiān)控程序及對用戶程序作編譯處理的程序，系統(tǒng)程序已由廠家固定，用戶不能更改；另一類是用戶程序及數(shù)據(jù)存儲器，主要存放用戶編寫的應用程序及各種暫存數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。相關(guān)知識5．PLC的硬件構(gòu)成

（3）I/O模塊：I/O模塊是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場和CPU模塊的橋梁，分為輸入模塊和輸出模塊。輸入模塊：用來接收和采集輸入信號，并轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部處理的標準信號。輸入信號有兩類：一類是從按鈕、開關(guān)、繼電器等設(shè)備來的開關(guān)量輸入信號；另一類是由電位器、熱電偶、變送器等設(shè)備提供的連續(xù)變化的模擬輸入信號。模擬量信號輸入后一般經(jīng)運算放大器放大后進行A/D轉(zhuǎn)換、再經(jīng)光電耦合后轉(zhuǎn)換為PLC能識別數(shù)字量信號。輸入電路通常以光電隔離和阻容耦合的方式提高抗干擾的能力，根據(jù)輸入信號類型的不同，輸入電路接口單元可分為以下兩種形式。相關(guān)知識5．PLC的硬件構(gòu)成

直流輸入模塊：電路原理圖如圖2-2所示，R1為限流電阻。R2和C構(gòu)成濾波電路，濾除輸入信號的高頻抖動。發(fā)光二極管用于指示工作狀態(tài)，光電偶合器隔離輸入電路和PLC內(nèi)部電路的電氣連接，使外部信號變成內(nèi)部電路能接收的標準信號。圖2-2直流輸入電路原理圖相關(guān)知識5．PLC的硬件構(gòu)成

交流輸入模塊：電路原理圖如圖2-3所示，當開關(guān)閉合后，交流電源經(jīng)C、R2、雙向光電耦合器、發(fā)光二極管構(gòu)成通路。光電耦合器將外部輸入開關(guān)的狀態(tài)輸入至PLC內(nèi)部電路，供CPU處理；為防止輸入信號過高，R1電阻用于限幅；發(fā)光二極管用于指示輸入狀態(tài)；R2和C串聯(lián)為高頻去耦電路。圖2-3交流輸入電路原理圖相關(guān)知識5．PLC的硬件構(gòu)成

輸出模塊：用于將PLC內(nèi)部的標準信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)所需的開關(guān)量信號、模擬信號等形式輸出，驅(qū)動外部負載。如接觸器、電磁閥等執(zhí)行器，或者是指示燈、報警裝置等負載。輸出模塊按照輸出信號類型可分為直流輸出模塊、交流輸出模塊和繼電器輸出模塊三種。相關(guān)知識5．PLC的硬件構(gòu)成

直流輸出模塊：直流輸出模塊用晶體管或場效應管輸出方式驅(qū)動。晶體管輸出式電路原理圖如圖2-4所示，PLC通過內(nèi)部電路把輸出信號送出，經(jīng)光電耦合器使晶體管導通，相應的負載在外部直流電源的激勵下通電工作。圖中光電耦合器用于隔離PLC內(nèi)部電路和外部負載，晶體管為輸出驅(qū)動器件，發(fā)光二極管用于指示工作狀態(tài)，穩(wěn)壓管對輸出晶體管起過壓保護作用。圖2-4晶體管輸出電路原理圖相關(guān)知識5．PLC的硬件構(gòu)成

交流輸出模塊：交流輸出模塊的輸出電路是采用光控雙向晶閘管驅(qū)動，電路原理圖見圖2-5所示。當PLC有信號輸出時，輸出電路使發(fā)光二極管導通，通過光電耦合器使雙向晶閘管導通，交流負載在外部交流電源的激勵下得電工作。發(fā)光二極管用于指示輸出狀態(tài)，雙向晶閘管用于光電耦合和功率放大，電阻和電容構(gòu)成高頻濾波電路。圖2-5晶閘管輸出電路原理圖

晶體管輸出和晶閘管輸出均為無觸點開關(guān)系統(tǒng)，開關(guān)動作速度快、頻率高，但過載能力差。相關(guān)知識5．PLC的硬件構(gòu)成

（4）電源：PLC一般使用220V交流電源。PLC內(nèi)部的直流穩(wěn)壓電源為各模塊內(nèi)的元件提供5V、24V等直流電壓。PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要得作用，如果沒有一個良好的、可靠得電源，系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設(shè)計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+15%范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。（5）接口電路：PLC的接口電路分為I/O擴展接口和外部設(shè)備接口兩種類型。I/O擴展接口用于擴充外部輸入/輸出端子數(shù)量，將擴展單元與基本單元（即主機）連接在一起。外部設(shè)備接口將編程器、打印機、條碼掃描儀,變頻器等外部設(shè)備與主機相聯(lián)，以完成相應的操作。相關(guān)知識6．PLC的軟件系統(tǒng)

PLC的軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)程序和用戶程序兩大部分組成。

（1）系統(tǒng)程序。系統(tǒng)程序由PLC的制造企業(yè)編制，固化在PROM或EPROM中，安裝在PLC上，隨產(chǎn)品提供給用戶。包括系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序和供系統(tǒng)調(diào)用的標準程序模塊等，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該PLC的性能。

（2）用戶程序。用戶程序是根據(jù)生產(chǎn)過程控制的要求由用戶自行編制的應用程序。用戶程序包括開關(guān)量邏輯控制程序、模擬量運算程序、閉環(huán)控制程序和操作站系統(tǒng)應用程序等。

PLC與一般的計算機相類似，一般的用戶只能通過編程軟件來編制用戶程序。編程軟件是由PLC生產(chǎn)廠家提供的編程工具，至今為止還沒有一種能適合各種PLC的通用的編程語言，但是各個PLC編程工具都大體差不多，一般有如下五種形式。

（1）梯形圖(LAD)。梯形圖是一種以圖形符號及其相互關(guān)系表示控制關(guān)系的編程語言，它是從繼電器控制電路圖演變過來的，如圖2-7所示。梯形圖將繼電器控制電路圖進行簡化，同時加進了許多功能強大、使用靈活的指令，將微機的特點結(jié)合進去，使編程更加容易，而實現(xiàn)的功能大大超過傳統(tǒng)繼電器控制，是目前最普遍的編程語言。

相關(guān)知識7．編程語言和程序結(jié)構(gòu)梯形圖兩側(cè)的垂直公共線稱為公共母線（BUSbar）。在分析梯形圖的邏輯關(guān)系時，可以想象左右兩側(cè)母線之間有一個左正右負的直流電源電壓，當圖中的觸點接通時，有一個假想的“概念電流”或“能流”從左到右流動，這一方向與執(zhí)行用戶程序時的邏輯運算的順序是一致的。相關(guān)知識7．編程語言和程序結(jié)構(gòu)圖2-7梯形圖程序示例

（2）語句表(STL)。梯形圖編程語言優(yōu)點是直觀、簡便，但要求圖形編程器才能輸入圖形符號。小型的編程器一般無法滿足，而是采用經(jīng)濟便攜的編程器（指令編程器）將程序輸入到PLC中，這種編程方法使用指令語句（助記符語言），它類似于微機中的匯編語言。操作碼表示要執(zhí)行的功能，操作數(shù)（參數(shù)）表明操作的地址或一個預先設(shè)定的值。語句表程序?qū)嵗缦拢篖DI0.1OM0.3ANI0.2=Q1.1相關(guān)知識7．編程語言和程序結(jié)構(gòu)

（3）功能塊圖（FBD）。功能圖編程語言是用邏輯功能符號組成的功能塊來表達命令的圖形語言，如圖2-8所示。與數(shù)字電路中邏輯圖一樣，它極易表現(xiàn)條件與結(jié)果之間的邏輯功能。這種編程方法是根據(jù)信息流將各種功能塊加以組合，是一種逐步發(fā)展起來的新式的編程語言，正在受到各種PLC廠家的重視。相關(guān)知識7．編程語言和程序結(jié)構(gòu)圖2-8功能塊圖程序示例

（4）順序功能圖。順序功能圖常用來編制順序控制類程序。它包含步、動作、轉(zhuǎn)換三個要素。順序功能編程法可將一個復雜的控制過程分解為一些小的順序控制再連接組合成整體的控制程序。順序功能圖法體現(xiàn)了一種編程思想，在程序的編制中具有很重要的意義。

（5）結(jié)構(gòu)文本（StructureText）。為了增強可編程控制器的數(shù)字運算、數(shù)據(jù)處理、圖表顯示、報表打印等功能，方便用戶的使用，許多大中型PLC都配備了高級編程語言。這種編程方式叫做結(jié)構(gòu)文本。與梯形圖相比，結(jié)構(gòu)文本有兩個很大優(yōu)點，其一，是能實現(xiàn)復雜的數(shù)學運算，其二，是非常簡潔和緊湊。用結(jié)構(gòu)文本編制極其復雜的數(shù)學運算程序只占一頁紙，用來編制邏輯運算程序也很容易。

相關(guān)知識7．編程語言和程序結(jié)構(gòu)

PLC的工作原理與計算機的工作原理基本上是一致的，可以簡單地表述為在系統(tǒng)程序的管理下，通過運行應用程序完成用戶任務(wù)。PLC有兩種基本的工作狀態(tài)，即運行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP）狀態(tài)。在運行狀態(tài)，PLC執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)控制功能。為了使PLC的輸出及時地響應隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復不斷地循環(huán)執(zhí)行，直至PLC停機或切換到STOP工作狀態(tài)。相關(guān)知識8．PLC的工作原理

每次循環(huán)過程中，PLC還要完成內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為5個階段（如圖2-9所示）。

內(nèi)部處理階段。PLC檢查CPU，模塊內(nèi)部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時器復位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。

通信服務(wù)階段。PLC與別的智能裝置通信，響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容。

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