第3章 PLC的基本结构和工作原理

激光设备及加工控制第3章PLC的基本组成和工作原理PLC的分类方法PLC的工作原理及编程语言PLC的基本组成欧姆龙PLC硬件系统激光设备及加工控制20世纪60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器装置构成的。当时，汽车的每一次改型都需要重新设计和安装继电器控制装置。随着生产的发展，汽车型号更新的周期越来越短，这样，继电器控制装置就需要经常地更换，十分费时、费工、费料，延长了更新的周器。为改变这一现状，人们曾试图用小型计算机来实现工业控制代替传统的继电器控制，但因价格昂贵、输入输出电路不匹配、编程复杂等原因，而没能得到推广和应用。20世纪60年代末，美国通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号不断翻新的需要，要求制造商为其装配线提供一种新型的通用控制器。1969年美国数据通信公司（DEC）公司研制出第一台可编程控制器，在GM公司生产线上获得成功。其后日本、德国、等相继引入，可编程控制器迅速发展起来。这一时期它主要用于顺序控制。虽然也采用了计算机的设计思想，但当时只能进行逻辑运算，故称为“可编程控制器”，简称为PLC（ProgrammableLogicController）。1PLC的由来1.1什么是PLC？激光设备及加工控制20世纪70年代以来，由于大规模集成电路和微处理器在PLC中的应用，PLC的功能日益增强，它不仅能执行逻辑控制、顺序控制、定时及计数控制，还增加了算术运算、数据处理、通信等功能，具有处理分支，中断、自诊断能力，使PLC从开关量的控制扩展到数字控制及生产过程控制领域，真正成为一种电子计算机控制装置。因此有人将PLC称为工业生产自动化三大支柱（即PLC、机器人、计算机的辅助设计/制造CAD/CAM）之一。由于PLC的功能已远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，故称为“可编程控制器”，简称PC（ProgrammableController）。但因PC容易和“个人计算机”（PersonalComputer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。激光设备及加工控制电度表生产装配线激光设备及加工控制三菱PLC西门子PLC激光设备及加工控制1)可靠性高，抗干扰能力强。2)配套齐全，功能完善，适用性强。3)易学易用，深受工程技术人员欢迎。4)系统设计周期短，维护方便，改造容易。5)体积小，重量轻，能耗低。2PLC的主要特点激光设备及加工控制3PLC的主要应用1)逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，可用它取代传统继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，又可用于多机群控制及自动化流水线。如电梯控制、高炉上料、注塑机、印刷机、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2)模拟量控制3)运动控制4)过程控制5)数据处理6)通信互联网激光设备及加工控制4PLC代替继电器接线逻辑用于电动机的控制继电器控制三相异步电动机正、停、反电路激光设备及加工控制PLC控制三相交流电动机正、停、反电路激光设备及加工控制物理继电器PLC继电器线圈触点动合动断PLC梯形图符号与继电器符号对照表激光设备及加工控制PLC梯形图梯形图语言是一种以图形符号及其在图中的相互关系表示控制关系的编程语言，是从继电器电路图演变过来的。梯形图中的图形符号和继电器线路图中的符号十分相似。梯形图的结构和继电器控制线路图也十分相似。一是因为梯形图是为熟悉继电器线路图的工程技术人员设计的，所以使用类似的符号；二是两种图所表打的逻辑含义一样的。因而，将可编程控制器中参与逻辑组合的元件看成和继电器一样的器件，具有常开、常闭触点及线圈；且线圈的得电及失电将导致触点的相应动作。再用母线代替电源线；用能量流概念来代替继电器线路的电流概念，使用继电器线路图类似的思路绘出梯形图。激光设备及加工控制1.2PLC的硬件？1PLC的硬件结构可编程控制器虽然外观各异，但其硬件结构大体相同。主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出器件（I/O接口）、电源及编程设备几大部分构成。激光设备及加工控制输出设备输入设备I/O扩展单元特殊功能单元主机输出单元输入单元电源外设接口I/O扩展口存储器系统程序存储器CPU用户程序存储器盒式磁带机打印机EPROM写入器上位计算机PLC编程器可编程终端PT…13激光设备及加工控制1)中央处理器（CPU）中央处理器是可编程控制器的核心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分工作等任务。可编程控制器中采用的CPU一般有三大类：一类为通用微处理器，如80286、80386等；一类为单片机心片，如8051、8096等；另外还有双极行为片式微位处理器，如AMD2900、AMD2930等。FX2N系列的控制器使用的微处理器是16位的8096单片机激光设备及加工控制2)存储器（RAM、ROM）存储器用于存放程序和数据。PLC配有系统存储器和用户存储器,前者用于存放系统的各种管理监控程序;后者用于存放用户编制的程序。PLC的用户程序和参数的存储器有RAM、EPROM和EEPROM三种类型。RAM一般采用锂电池作为后备电源,停电后RAM中的数据可以保存1～5年。对于EPROM,写入时必须用专用的写入器,擦除时要用专用的擦除器。EEPROM是电可擦除只读存储器,它不仅具有其他程序存储器的性能,还可以在线改写,且不需要专门的写入和擦除设备。激光设备及加工控制PLC与外部设备联系的桥梁开关量输入单元开关量输出单元直流输入单元交流输入单元晶体管输出单元晶闸管输出单元继电器输出单元3.输入/输出单元（I/O）16激光设备及加工控制PLC与外部设备联系的桥梁开关量输入单元开关量输出单元直流输入单元交流输入单元晶体管输出单元晶闸管输出单元继电器输出单元3.输入/输出单元（I/O）17激光设备及加工控制直流输入型接口电路激光设备及加工控制(2)输出接口电路PLC的输出电路有三种形式:继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出。激光设备及加工控制4)电源及编程设备PLC的供电电源一般是市电，有的也用直流24V电源供电。PLC对电源稳定性要求不高，一般允许电源电压在+10％～-15％内波动。可编程控制器的编程设备一般有两类：一类是专用的编程器，有手持式的，其优点是携带方便，也有台式的，有的可编程控制器软件即可完成编程任务。借助软件编程比较容易，一般是编好了以后再下载到可编程控制器中去。激光设备及加工控制PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式，而PLC则采用循环扫描的工作方式。在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始按指令步序号进行其周性的循环扫描，直到遇到结束符后又返回第一条指令，周而复始不断循环，因此称为循环扫描方式。3PLC的循环扫描工作流程激光设备及加工控制PLC进入工作状态后，首先通过其输入端子，将外部输入设备的状态收集并存入对应的输入继电器，如图中的X0就是对应于按钮SB的输入继电器，当按钮按下时，X0被写“1”，当按钮被送开时，X0被写入“0”，并由此时写入的值来决定程序中X0触点的状态。输入信号采集后，CPU会结合输入的状态，根据语句排序逐步进行逻辑运算，产生确定的输出信息，再将其送到输出部分，从而控制执行元件动作。以图中程序为例，若SB按下，SQ未被压动，则X0被写入“1”，X1被写入“0”。则程序中出现X0的常开触点合上，而Y1运算得“0”。最终，在外部执行元件中，接触器线圈KM，得电，而指示灯H1不亮。激光设备及加工控制PLC的扫描工作过程激光设备及加工控制激光设备及加工控制台达DVPES系列PLC软继电器有八大类：1)输入继电器[X]2)输出继电器[Y]3)辅助继电器[M]4)状态继电器[S]5)定时器[T]6)计数器[C]7)数据寄存器[D]8)指针[P、I、N](详见台达DVPES系列PLC应用技术手冊26页,三菱FX2N系列PLC类似)2PLC的软继电器激光设备及加工控制分析PLC工作原理时，常用到继电器的概念，但在PLC内部没有传统的实体继电器，仅是一个逻辑概念，因此被称为“软继电器”。这些“软继电器”实在上由程序的软件功能实现的存储器，它有“1”和“0”两种状态，对应于实体继电器线圈的“ON”（接通）和“OFF”（断开）状态。在编程时，“软继电器”可向PLC提供无数动合（常开）触点,动断（常闭）触点。PLC软组件的编号分为两部分，第一部分用一个字母代表功能，如输入继电器用“X”表示，输入继电器用“Y”表示，第二部分用数字表示该类型软组件的序号，输入、输出继电器的序号为八进制，其余软组件号为十进制。激光设备及加工控制输入继电器（X）输入继电器是PLC用来接收用户输入设备发来的输入信号，与输入端子相对应，在PLC内部是光电隔离的电子继电器。输入继电器线圈由外部输入信号所驱动，只有当外部信号接通时，对应的输入继电器才得电，不能用程序驱动。1、输入继电器和输出继电器Y0COMX0X0COM1Y0X0X1Y0Y0Y0X0X0常开触点常闭触点输入信号输入端子梯形图电源公共端输入继电器输出继电器公共端输出端子输出负载Y0COMX0X0COM1Y0X0X1Y0Y0Y0X0X0常开触点常闭触点输入信号输入端子梯形图电源公共端输入继电器输出继电器公共端输出端子输出负载激光设备及加工控制输出继电器（Y）输出继电器具有一常开硬触点向外部负载发送信号，直接驱动外部负载。每一输出继电器的常开硬触点（或输出管）与可编程控制器的一个输出点相连，二者一一对应。由内部程序驱动，不受外部信号控制。在梯形图中既能出现其线圈又能出现其触点。输出继电器有无数个内部常开和常闭触点，编程时可随意使用。※在程序中绝对不可能出现输入继电器的线圈，只能出现输入继电器的触点※每个输入继电器的常开与常闭触点均可无数次使用激光设备及加工控制输入、输出继电器采用八进制编号激光设备及加工控制2、辅助继电器（M）辅助继电器M是用软件来实现的，用于状态暂存、移位辅助运算及赋予特殊功能的一类编程元件，采用十进制编号。辅助继电器是PLC中数量最多的一种继电器，其作用相当于继电器控制系统中的中间继电器。和输出继电器一样，其线圈由程序指令驱动，每个辅助继电器都有无限多对常开常闭触点，供编程使用。但是，其触点不能直接驱动外部负载，要通过输出继电器才能实现对外部负载的驱动。分类：通用辅助继电器M0～M499（500点）断电保持辅助继电器M500～M3071（2572点）特殊辅助继电器M8000～M8255（256点）通用辅助继电器与断电保持用辅助继电器的比例，可通过外设设定参数进行调整。激光设备及加工控制通用辅助继电器和输出继电器一样，在PLC电源中断后，其状态将变为OFF。当电源恢复后，除因程序使其变为ON外，其它仍保持OFF断电保持辅助继电器在PLC电源中断后，它具有保持断电前的瞬间状态的功能，并在恢复供电后继续断电前的状态其中的M500～M1023可以用软件来设定使其变为非断电保持辅助继电器。特殊辅助继电器是具有某项特定功能的辅助继电器，用来表示可编程控制器的某些状态、设定计数器为加计数或减计数及提供功能指令中的标志等。特殊辅助继电器通常可分为两类：触点利用型和线圈驱动型触点利用型特殊辅助继电器的线圈由PLC的系统程序驱动，用户只可以利用其触点。线圈驱动型特殊辅助继电器的线圈由用户程序驱动（用户控制），其线圈得电后，PLC完成特定操作。激光设备及加工控制特殊辅助继电器（触点型1）M8000（M8001）----运行监视用特殊辅助继电器PLC运行时M8000得电（M8001断电），PLC停止时M8000失电（M8001得电）激光设备及加工控制M8002（M8003）----初始化脉冲辅助继电器M8002（M8003）只在PLC开始运行的第一个扫描周期内得电（断电），其余时间均断电（得电）。常用M8002的触点作为一些继电器的初始化复位信号特殊辅助继电器（触点型2）激光设备及加工控制M8011、M8012、M80