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第二章可编程控制器原理与应用技术第一节概述可编程控制器的发展史可编程控制器的特点编程简单可靠性高通用性好功能强使用维护方便设计施工周期短第二节可编程控制器的结构与工作原理编程器编程器微处理器系统程序存储器用户程序存储器输入部分输出部分电源部分按钮继电器行程开关电磁线圈指示灯电磁阀图2-1PLC的基本结构编程器编程器微处理器系统程序存储器用户程序存储器输出部分电源部分电磁线圈指示灯电磁阀2-1PLC的基本结构输入转换电路输出转换电路输入组件输出组件电源组件现场输入信号执行设备和显示设备主机单元和存储器程序存储器数据存储器CPU可编程序控制器硬件构成示意图PLC的结构(CPU、输入输出部分、电源部分、编程器等组成）中央处理器（CPU）【微处理器+存储器】微处理器是PLC的核心部件，它的主要任务是按一定的规律和要求读入被控对象的各种状态，然后根据用户所编制程序的要求去处理有关数据，最后再向被控对象送出相应的控制信号。存储器【ROM+RAM】用来存储系统程序（ROM-只读存储器）和用户程序（RAM-读写存储器)。系统程序存储器主要用于存放系统正常工作所必需的程序。这部分程序根据各种PLC的功能不同，制造厂家在出厂前已固化下来，不能修改。用户程序可通过编程器进行必要的修改输入输出部分输入输出部分是PLC与现场外围设备相连接的组件。用户送入PLC的各种开关量、模拟量信号，通过输入部件的光电隔离器件，将各种信号转化成微处理器能够接受的数字信号。输出部件接受微处理器处理过的输出数字信号，并把它转换成被控对象或显示装置能接受电压或电流信号，以驱动接触器、电磁阀和指示器件等。可编程序控制器有以下3种输出方式：晶体管输出方式：用于直流输出电路。晶闸管输出方式：用于交流输出电路。继电器输出方式：用于交/直流输出电路。电源部分将工业交流电转换成直流电，供PLC使用。一般均为开关电源编程器主要功能是用于用户程序的编制、编辑、修改、调试和监视。使用时，将编程器的连接电缆接到PLC的外接端口上，用户程序通过它才能输入PLC，实现人机对话。在介绍PLC等效电路之前，通过一个实例来认识一下PLC的控制原理。如下图是一个简单继电器控制电路。KT是时间继电器；KM1、KM2是两个接触器，分别控制电机M1、M2的运转；SB1为起动按钮，SB2为停止按钮。控制功能如下：按下SB1，电机M1开始运转，过10ｓ后，电机M2开始运转；按停止按钮SB2，电机M1、M2同时停止。图4-4的继电器控制原理如下：在控制线路中，当按下SB1时，KM1、KT的线圈同时通电，KM1的一个常开触点闭合并自锁，M1开始运转；KT线圈通电后开始延时，10ｓ后KT的延时常开触点闭合，KM2线圈通电，M2开始运转。当按下SB2时，KM1、KT1线圈同时断电，KM2线圈也断电，M1、M2随之停转。现在用PLC实现上述控制功能，图4-5为PLC控制的接线图。PLC控制系统的主电路和继电器控制系统完全相同。在小型PLC的面板上，有一排输入和输出端子，输入端子和输出端子各有自己的公共接线端子COM，输入端子的编号为00000，00001，……，输出端至编号为01000，01001，……。将启动按钮SB1、停止按钮SB2接到输入端子上，输入公共端子COM上接DC24V的输入电源；接触器KM1、KM2的线圈接到输出端子上，输出公共端子COM上接AC220V的负载驱动电源。电动机全压起动PLC控制接线图a)主电路b)I/O实际接线图二、PLC的工作原理PLC的等效电路PLC的等效电路如图2-2所示。它主要由输入部分、内部控制电路和输出部分组成。下面通过一个例子来说明。如图1所示为三相异步电动机单向起动运行的电器控制系统。其中，由输入设备SB1、SB2、FR的触点构成系统的输入部分，由输出设备KM构成系统的输出部分。如果用PLC来控制这台三相异步电动机，组成一个PLC控制系统，根据上述分析可知，系统主电路不变，只要将输入设备SB1、SB2、FR的触点与PLC的输入端连接，输出设备KM线圈与PLC的输出端连接，就构成PLC控制系统的输入、输出硬件线路。而控制部分的功能则由PLC的用户程序来实现，其等效电路如图2所示。图中，输入设备SB1、SB2、FR与PLC内部的“软继电器”X0、X1、X2的“线圈”对应，由输入设备控制相对应的“软继电器”的状态，即通过这些“软继电器”将外部输入设备状态变成PLC内部的状态，这类“软继电器”称为输入继电器；同理，输出设备KM与PLC内部的“软继电器”Y0对应，由“软继电器”Y0状态控制对应的输出设备KM的状态，即通过这些“软继电器”将PLC内部状态输出，以控制外部输出设备，这类“软继电器”称为输出继电器。因此，PLC用户程序要实现的是：如何用输入继电器X0、X1、X2来控制输出继电器Y0。当控制要求复杂时，程序中还要采用PLC内部的其它类型的“软继电器”，如辅助继电器、定时器、计数器等，以达到控制要求。要注意的是，PLC等效电路中的继电器并不是实际的物理继电器，它实质上是存储器单元的状态。单元状态为“１”，相当于继电器接通；单元状态为“０”，则相当于继电器断开。因此，我们称这些继电器为“软继电器”。PLC控制的等效电路由三部分组成：输入部分：该部分接收操作指令（如：启动按钮、停止按钮等）和被控对象的各种状态信息（如：行程开关、接近开关等）。PLC的每一个输入点对应一个内部输入继电器，当输入点与输入COM端接通时，输入继电器线圈通电，它的常开触点闭合、常闭触点断开；当输入点与输入COM断开时，输入继电器线圈断电，它的常开触点断开、常闭触点闭合。内部控制电路这一部分是用户编制的控制程序，通常用梯形图表示，通常用梯形图表示。控制程序放在PLC的用户程序存储器中。系统运行时，PLC依次读取用户存储器中的程序语句，对它的内容进行解释并执行，又将输出的结果送到PLC的输出端子，以控制外部负载的工作。输出部分该部分根据程序执行的结果直接驱动负载。在PLC内部有多个输出继电器，每个输出继电器对应一个硬触点，当程序执行的结果使输出继电器线圈通电时，对应的硬输出触点闭合，控制外部负载的动作。例如，下图的输出触点01000，01001，分别连结接触器KM1、KM2的线圈，控制两个线圈通电或断电。梯形图是从继电器控制电路原理图演变而来的。PLC内部的继电器并不是实际的硬继电器，每个内部继电器都是PLC内部存储单元。因此，称为“软继电器”，梯形图是由这些“软继电器”组成的控制线路，他们并不是真正的物理连接，而是逻辑关系的连接，称为“软连接”。PLC内部继电器线圈用表示，PLC内部继电器线圈用表示，常开触点用表示，常闭触点用表示。当存储单元某位状态为1时，相当于某个继电器线圈得电；当该位状态为0时，相当于该继电器线圈断电。软继电器的常开触点、常闭触点可以在程序中使用次数不受限制。PLC为用户提供的继电器一般有：输入继电器、输出继电器、辅助继电器、特殊功能继电器、移位继电器、定时器/计数器等。其中，输入、输出继电器一般与外部输入输出继电器相连接，而其它继电器与外部设备没有直接联系。现在看一下图4-6的控制原理：当按下SB1时，输入继电器00000的线圈通电，00000常闭触点闭合，使输出继电器01000线圈得电，01000对应的硬输出触点闭合，KM1得电，M1开始运转。同时，01000的一个常开触点闭合并自锁，时间继电器TIM000的线圈通电开始延时，10ｓ后TIM000的常开触点闭合，输出继电器01001的线圈得电，01001对应的硬输出触电闭合，KM2得电，M2开始运转。当按下SB2时，输入继电器00001的线圈通电，00001的常闭触电断开，01000、TIM000的线圈均断电，01001的线圈也断电，01000，01001的两个硬输出点随之断开，KM1、KM1断电，M1、M2停转。PLC的工作方式PLC编程控制器采用循环扫描的方式周期性地进行工作，每一周期可分为以下三个阶段：PLC对用户程序进行循环扫描分为输入采样、程序执行阶段和输出控制信号阶段三个阶段1）输入采样阶段CPU将全部现场输入信号，如按钮、限位开关、速度继电器的通断状态经PLC的输入接口读入映像寄存器，这一过程称为输入采样。输入采样结束后进入程序执行阶段后，期间即使输入信号发生变化，输入映像寄存器内数据不再随之变化，直至一个扫描循环结束，下一次输入采样时才会更新。这种输入工作方式称为集中输入方式。2）程序执行阶段PLC在程序执行阶段，若不出现中断或跳转指令，就根据梯形图程序从首地址开始按自上而下、从左往右的顺序进行逐条扫描执行，直到END指令为止。然后，根据输入端与输出端的状态，运行用户程序，进行逻辑运算，最后把运算结果写入输出寄存器状态表。3）输出处理阶段CPU将输出映像寄存器的状态经输出锁存器和PLC的输出接口传送到外部去驱动接触器和指示灯等负载。这时输出锁存器保存的内容要等到下一个扫描周期的输出阶段才会被再次刷新。这种输出工作方式称为集中输出方式。第三节可编程控制器的技术性能CPM1A的规格与型号按I/O点数可分为小型PLC、中型PLC、大型PLC小型PLC：I/O点数一般在128点以下中型PLC：I/O点数一般在256~1024点以下大型PLC：I/O点数一般在1024点以上按电源的种类：交流和直流输出方式：晶体管（直流）、晶闸管（交流）、继电器（直流/交流）在使用时根据实际需要合理选择注：CPM1A的扩展单元主要用于对CPU的I/O扩展，其本身没有CPU，不可以单独使用，应与30点或40点的CPU配合使用。面板结构有图可知，CPM1A-20它的输入有12点，即00000~00011，这12个点共用一个COM端。而输出有8点，即01000~01007，共分为01000、01001、01002~01003和01004~01007四组，分别对应4个COM端。主要技术性能CPM1A的地址分配