第5章PLC基本原理

第5章PLC基本原理•5.1概述•5.2PLC组成及各部分功能•5.3PLC的工作原理•5.4PLC的指令系统•5.5梯形图设计方法•5.6SFC设计方法5.1概述可编程控制器(PLC)是非常有用的工业控制装置。每个工业控制工程师都应该学会使用PLC，从而使机器能够自动运行，提高工作效率和质量，提高产量。5.1.1可编程控制器的定义和发展史•最初，可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC，主要用于顺序控制，虽然采用了计算机的设计思想，但是实际上只能进行逻辑运算。但是为了和个人计算机（PersonalComputer）的简称PC相区别，人们常常把可编程控制器仍简称为PLC。•国际电工委员会（IEC）于1987年对PLC定义如下：PLC是专为在工业环境下应用而实际的一种数字运算操作的电子装置，是带有存贮器、可以编制程序的控制器。它能够存贮和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械和生产过程。PLC及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一体、易于扩展其功能的原则设计。•PLC就是以嵌入式CPU为核心，配以输入、输出等模块，可以方便的用于工业控制领域的装置。PLC与机器人、计算机辅助设计与制造一起称为现代业的三大支柱。•1969年，美国数字设备公司研制出了世界上第一台PLC，型号为PDP-14。•第一代PLC：从第一台PLC诞生到70年代初期。其特点是：CPU由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器。•第二代PLC：70年代初期到70年代末期。其特点是：CPU采用微处理器，存储器采用EPROM。•第三代PLC：70年代末期到80年代中期。其特点是：CPU采用8位和16位微处理器，有些还采用多微处理器结构，存储器采用EPROM、EAROM、CMOSRAM等。•第四代PLC：80年代中期到90年代中期。PLC全面使用8位、16位微处理芯片的位片式芯片，处理速度也达到1us/步。•第五代PLC：90年代中期至今。PLC使用16位和32位的微处理器芯片，有的已使用了RISC芯片。•5.1.2可编程控制器的应用领域与发展趋势PLC发展方向主要有以下几个方面小型、微型化•大型、超大型化•智能化•CPU能力更强•支持更多的工业总线•编程软件标准化•人机交流功能增强•数据处理能力大大增强5.1.3可编程控制器的控制系统与电气控制系统的比较•PLC控制系统和电气控制系统的电路形式和符号基本相同，相同电路的输入和输出信号也基本相同，但是它们的控制的实现方式是不同的。•电气控制系统中的继电器触点在PLC中是存储器中的“数”，继电器的触点数量有限，设计时需要合理分配使用继电器的触点，而PLC中存储器的“数”可以反复使用，因为控制中只使用“数”的状态“1”或“0”。•电气控制系统中梯形图就是电线连接图，施工费力，更改困难，而PLC中的梯形图是利用计算机制作的，更改简单，调试方便。•电气控制系统中继电器是按照触点的动作顺序和时间延迟，逐个动作。而PLC是按照扫描方式工作，首先采集输入信号，然后对所有梯形图进行计算。当计算完成后，将计算结果输出，由于PLC的扫描速度快，输入信号的变化到输出信号的改变似乎是在一瞬间完成。•梯形图左右两侧的线对电气控制系统来说是系统中继电器的电源线，而在PLC中这两根线已经失去了意义，只是为了维持梯形图的形状。•PLC中的梯形图按行从上至下编写，每一行从左向右顺序编写，在电气控制系统中，控制电路的动作顺序和梯形图编写的顺序无关，而PLC中对梯形图的执行顺序与梯形图编写的顺序一致，因为PLC视梯形图为程序。•梯形图的最右侧必须连接输出元素，在电气控制系统中，梯形图的最右侧是各种继电器的线圈，而在PLC中，在梯形图最右侧可以是表示线圈的存储器“数”，还可以是计数器、定时器、数据传输、译码器等PLC中的输出元素或指令。•梯形图中的触点可以串联和并联，输出元素在PLC中只允许并联，不允许串联。而在电气控制系统中，继电器线圈是可以串联使用的（只要所加电压合适）。•在PLC中的梯形图结束标志是END。5.2PLC组成及各部分功能•从数字系统的角度来看，PLC其实就是一个单片机系统。PLC的基本组成PLC从结构上可分为整体式结构、模块式结构及混合式结构。整体式PLC硬件系统由CPU、存储器、通信接口、输入输出电路和电源电路组成，其结构框图如图5-1所示；模块式PLC的各个部分都是模块，这些模块由PLC的系统连接，其结构框图如图5-2所示；电源存储器CPUI/O单元通信接口总线图5-1整体式PLCA/D模块通信模块输出模块输入模块CPU存储器模块电源模块机架图5-2模块式PLC混合式PLC是由PLC主机和扩展模块组成，其中，PLC主机由CPU、存储器、通信电路、基本输入输出电路组成，而扩展模块可以是输入输出模块、模拟量模块、位置控制模块等，其结构框图如图5-3所示。电源存储器CPUI/O单元通信接口总线扩展模块1扩展模块2扩展模块3扩展模块nPLC主机图5-3混合式PLC结构5.2.2PLC主机1、CPU芯片CPU芯片是PLC的核心，所有PLC的动作(程序输入，程序执行，通信、自检等)都需要CPU芯片的参与。各个公司的PLC的CPU芯片类型不同，一般是8位或16位单片机。2、存储器PLC中的存储器用于存放以下内容：1）系统程序。系统程序是PLC生产厂赋予PLC功能的程序。由于有了系统程序，单片机组成的系统，就变成了PLC。2）用户程序。用户程序就是使PLC发出动作进行工业控制的程序。3）数据。数据包括PLC运行中的各种数据。例如，I/O、定时、计数、保持、模拟量、各种标志等。一般PLC的系统程序存放在EEPROM中，而用户程序和数据放在后备电池支持的RAM中。3、I/O电路I/O电路是PLC与现场工业设备连接的电路，现场开关量（行程开关、传感器等）信号通过I/O电路输入PLC，而PLC输出的开关（例如，继电器、晶体管等）信号从PLC输出到工业设备（例如，电磁铁、电机等）。4、通讯接口一般PLC的CPU模块上至少有一个RS232通信口或者是RS485通信口。PLC可以同过RS232通信口直接和上位计算机通信。若是RS485通信口，则和上位计算机通信时需要一个连接器。无论是RS232或是RS485通信口都可以和PLC配套的编程器通信。PLC上还有通信模块，通过这些模块，PLC可以组成网络或下位上位的分散控制系统。5、电源模块PLC电源的输入电压有直流12V、24V、48V和交流110V、220V，使用时根据需要选择。由于PLC中的电源都是开关式电源，所以在输入电压大幅度波动时，PLC仍能够稳定的工作。电源模块的输出一般为直流5V和24V，它们向PLC的CPU、存储器等提供工作电源.5.2.3特殊功能单元特殊功能单元包括高密度I/O单元、模拟I/O单元、模糊单元、温度传感单元、温度控制单元、热冷控制单元、凸轮控制单元、PID单元、位置控制单元、高速计算单元和语言单元等。这些单元越多，说明PLC的功能越强。5.2.4编程器和其他外设备编程器是PLC常用的外部设备。用户通过编程器编写控制程序，并通过通信单元（编程器接口）将程序装入PLC。编程器可以监控PLC的运行。随着计算机的价格下降，计算机配编程器软件后，成为一个功能强大的编程器。在计算机上可以对PLC进行设置、编程、调试、监控、显示、打印等功能。PLC还有一些其他外部设备如人机接口（又叫操作员接口，用来实现操作员和PLC之间的对话和交互作用）、外存储器、打印机、EPROM写入器等。5.3PLC的工作原理•5.3.1PLC控制系统的等效工作电路如图5-4所示是采用继电器控制来实现KM1和KM2电机的转动。控制功能：按下启动按钮SB1，电机M1开始运转，过10s秒钟后，电机M2开始运转；按下停止按钮SB2，电机M1、M2同时停止运转。KM1KTKM2SB1SB2KM1KT10sM1M2KM1KM2Q（a）控制线路（b）电机主电路图5-4继电器实现电机的转动采用PLC来实现同样的功能，其等效电路图如图5-500000000010100001000TIM00001001TIM00010sKM1KM2010010100001002输出触点COM控制程序梯形图输入继电器线圈内部继电器触点内部继电器线圈00000000010000200003COMSB1SB2控制部分输入部分输出部分•图5-5PLC实现电机转动的等效电路图5.3.2可编程控制器的工作过程•PLC根据输入信号的状态，按照控制要求进行处理判断，产生控制输出。PLC采用循环扫描的工作方式，其过程分为读输入、程序执行、写输出三个阶段，整个过程进行一次所需要的时间称为扫描周期。•图5-6是欧姆龙公司的小型机CPM1A的三个工作过程。输入端子输入电路输入映像寄存器输出映像寄存器输出锁存器输出电路输出端子读出写入读出写入000000000100000010010100120000输入刷新阶段用户程序执行阶段输出刷新阶段0100001001图5-6PLC的三个工作过程1）读输入（输入刷新）阶段PLC在读输入阶段，以扫描的方式依次地读入所有输入信号的通/断状态，并将它们存入存储器输入暂存器的相应单元内，这部分存储区也被特别称为输入映像区。在读输入结束后，PLC转入用户程序执行阶段。2）用户程序执行阶段PLC在程序执行阶段，按照先后次序逐条执行用户程序指令，从输入映像存储区中读取输入状态、上一扫描周期的输入状态以及定时器、计数器状态等条件。根据用户程序进行逻辑运算，不断得到运算结果，一步步运算得到的结果并不直接输出，而是将其对应地先存入输出暂存区的相应单元中，输出暂存区称为输出映像区，直到用户程序全部被执行完。用户程序执行完，得到最后输出的结果。本扫描周期内的用户程序执行阶段结束，PLC转入写输出阶段。3）写输出（输出刷新）阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段，在此期间PLC根据输出映像区中的对应状态刷新所有的输出锁存电路，再经隔离驱动到输出端子，向外界输出控制信号，控制指示灯、电磁阀、接触器等。这才是PLC的实际输出。5.3.3PLC的扫描周期及响应时间•PLC的扫描周期是指PLC一次完成读输入、程序执行、写输出三个阶段所需要的时间。•响应时间的大小与如下因素有关：输入电路的时间常数；输出电路的时间常数；用户语句的安排和指令的使用；PLC的循环扫描方式；PLC对I/O的刷新方式。•PLC是循环扫描工作方式，响应时间与收到输入信号的时刻有关，在此给出最短和最长响应时间。1)最短响应时间•如果n-1个扫描周期刚刚结束时，收到一个输入信号，则第n个扫描周期一开始，这个信号就被采样，使输出更新，这时响应时间更短，如图所示。如果考虑到输入电路造成的延迟和输出电路造成的延迟，最短响应时间可以用下式表示：•最短响应时间=输入延迟时间+一个扫描周期+输出延迟时间•第n个扫描周期第n+1个周期第n-1个周期输出刷新读输入用户程序执行输出刷新读输入输入输入延迟时间输出延迟时间输出最短响应时间图5-7最短响应时间2）最长响应时间•如果在第n个扫描刚执行完输入刷新后，输入发生了变化，在该扫描周期内这个信号不会发生作用，要n+1个扫描周期的输入刷新阶段才能采样到输入变化，在输出刷新阶段输出做出反应，这时响应时间最长，可用下式表示：•最长响应时间=输入延迟时间+两个扫描周期+输出延迟时间。第n个扫描周期第n+1个周期第n-1个周期输出刷新读输入用户程序执行输出刷新读输入用户程序执行输出刷新输入持续时间输入延迟时间输出延迟时间最长响应时间输入输出图5-8最长响应时间5.3.4PLC的内部器件（以欧姆龙公司PCM2AH系列的PLC为例）1、电源单元•电源单元向CPU和I/O单元提供电源，电源单元有直流（DC）和交流（AC）两种输入，可以按照要求来选择。•电源电压为100~120V的交流电源，允许波动85~132V。•电源电压为200~240V的