第四可编程序控制器的硬件与工作原理PPT课件.ppt

第一章：可编程控制器的组成与工作原理 娄底职院11/8/20241.4.1 可编程控制器的构成图图.1 PLC.1 PLC的结构的结构 PLC PLC由由CPUCPU、存储器、输入存储器、输入/输出接口、内输出接口、内部电源和编程部电源和编程设备几部分构设备几部分构成成11/8/20242.4.1.1 CPU模块 接受、存储用户程序；接受、存储用户程序；按扫描工作方式接收来自输入单元的数据和信息，按扫描工作方式接收来自输入单元的数据和信息，并存入相应的数据存储区；并存入相应的数据存储区；执行监控程序和用户程序，完成数据和信息的逻辑执行监控程序和用户程序，完成数据和信息的逻辑处理，产生相应的内部控制信号，完成用户指令规定处理，产生相应的内部控制信号，完成用户指令规定的各种操作；的各种操作；响应外部设备的请求。响应外部设备的请求。CPUCPU是是PLCPLC的运算控制中心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运的运算控制中心，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的工作，其具体作用是：算、数学运算、协调系统内部各部分的工作，其具体作用是：CPUCPU模块（中央处理器模块（中央处理器+存储器）存储器）11/8/20243.RAM：随机存储器，可读可写，没有断电保持功能。随机存储器，可读可写，没有断电保持功能。ROM：只读存储器，只读，不能写。只读存储器，只读，不能写。RAM存放用户程序存放用户程序ROM存放系统程序存放系统程序 存储器存储器用于存放系统程序、用户程序和运行中的数据。包括只读用于存放系统程序、用户程序和运行中的数据。包括只读存储器存储器(ROM)和随机存取存储器和随机存取存储器(RAM)。EPROM：可擦除程序的只读存储器，用紫外线照射芯片上的透可擦除程序的只读存储器，用紫外线照射芯片上的透镜窗口，可以擦除已写入的内容，而写入新的程序。镜窗口，可以擦除已写入的内容，而写入新的程序。EEPROM：可电擦除的只读存储器，兼有可电擦除的只读存储器，兼有ROM的非易失性和的非易失性和RAM的随机存取的优点。的随机存取的优点。11/8/20244.输入输出接口输入输出接口是是PLC与工业控制现场各类信号连接的部分。与工业控制现场各类信号连接的部分。4.1.2 输入输出接口 输入接口输入接口用来用来接受接受生产过程的各种参数（生产过程的各种参数（输入信号输入信号）。）。输输出出接接口口用用来来送送出出可可编编程程控控制制器器运运算算后后得得出出的的控控制制信信息息（输输出出信信号），并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。号），并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。为为了了适适应应可可编编程程控控制制器器在在工工业业生生产产现现场场的的工工作作，对对输输入入输输出出接接口口有二个主要的要求：有二个主要的要求：良好的抗干扰能力良好的抗干扰能力 能满足工业现场各类信号的匹配要求能满足工业现场各类信号的匹配要求11/8/20245.可编程控制器为不同的接口需求设计了不同的接口单元：可编程控制器为不同的接口需求设计了不同的接口单元：开开关关量量输输入入接接口口 其其作作用用是是把把现现场场的的开开关关量量信信号号变变成成可可编编程程控控制制器器内部处理的标准信号。内部处理的标准信号。开关量输入接口按可接纳的外部信号电源的类型不同，分为开关量输入接口按可接纳的外部信号电源的类型不同，分为直流输直流输入单元入单元和和交流输入单元交流输入单元。开关量输出接口按可编程控制器机内使用的器件不同，分为开关量输出接口按可编程控制器机内使用的器件不同，分为继电器型继电器型、晶体管型晶体管型和和可控硅型可控硅型。开关量输出接口开关量输出接口 其作用是把可编程内部的标准信号转换成现场执行其作用是把可编程内部的标准信号转换成现场执行机构所需的开关量信号。机构所需的开关量信号。11/8/20246.1 1开关量输入接口开关量输入接口图图1.3 1.3 直流开关量输入单元直流开关量输入单元4.1.2 4.1.2 输入输出接口输入输出接口11/8/20247.1 1开关量输入接口开关量输入接口图图1.3 1.3 交流开关量输入单元交流开关量输入单元1.1.2 1.1.2 1.1.2 1.1.2 输入输出接口输入输出接口输入输出接口输入输出接口11/8/20248.4.1.3 电源可编程控制器的电源包括可编程控制器的电源包括:*为可编程控制器各工作单元供电的为可编程控制器各工作单元供电的开关开关电源电源*为掉电保护电路供电的为掉电保护电路供电的后备电源后备电源，一般，一般为电池为电池 11/8/20249.4.1.4 4.1.4 外部设备外部设备 可编程控制器一般可配备的外部设备：可编程控制器一般可配备的外部设备：编程器编程器 盒式磁带机，用以记录程序或信息盒式磁带机，用以记录程序或信息 打印机，用以打印程序或制表打印机，用以打印程序或制表 EPROM写入器，用以将程序写入用户写入器，用以将程序写入用户EPROM中中 高分辨率大屏幕彩色图形监控系统，用以显示或监视有关部高分辨率大屏幕彩色图形监控系统，用以显示或监视有关部分的运行状态分的运行状态编程器编程器11/8/202410.4.2.1 输入接口电路输入接口电路一、直流输入接口电路一、直流输入接口电路 说明把外部开关量的状态转换为PLC内部“1”、“0”状态的过程。图中只画出一个点的一个点的内部接口内部接口，外部电源是直流24V电源。11/8/202411.4.2.1 输入接口电路的工作过程与原理输入接口电路的工作过程与原理工作作用：工作作用：外部电路中的一个按钮或外部电路中的一个按钮或开关闭合开关闭合时，时，二极二极管都要导通管都要导通发光使光耦合元件的输出端的发光使光耦合元件的输出端的晶晶体光敏三极管导通体光敏三极管导通，就把该，就把该外部开关闭合的外部开关闭合的信号传递到内部电路信号传递到内部电路，使，使输入状态寄存器对输入状态寄存器对应位存应位存“1”。当外部电路中按钮或当外部电路中按钮或开关断开开关断开时，接口电路时，接口电路不通，不通，发光二极管不发光发光二极管不发光，则把该外部开关，则把该外部开关断开的信号也传递到内部电路，使断开的信号也传递到内部电路，使输入状态输入状态寄存器对应位存寄存器对应位存“0”。11/8/202412.4.2.1 输入接口电路输入接口电路二、交流输入接口电路二、交流输入接口电路其外部电源是交流电源，电压为交流110V或220V（50或60Hz）。交流输入接口电路在外部输入开关器件需接交流电源时使用。工作：工作：同样的，当外部电路中的按钮或开关闭合时，交流电压加在输入端与公共端之间，使光耦元件工作，开关闭合的信号送到PLC内部，使输入状态暂存器对应位存“1”。三、直接输入接口电路三、直接输入接口电路有的PLC已经把24V电源电源事先串接在PLC的内部接口电路线上，在外部看不见电源，外部接线时只需要把开关或按钮直接接在输入点和COM端上就可以了，这叫做直接输入。11/8/202413.4.3.1 plc工作方式（循环扫描）扫描：扫描：从从00000000号存贮地址开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存贮号存贮地址开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存贮地址号递增的方向顺序逐条扫描用户程序直到程序结束。地址号递增的方向顺序逐条扫描用户程序直到程序结束。完成一次扫描程序后，再从头开始扫描，并周而复始地重复。完成一次扫描程序后，再从头开始扫描，并周而复始地重复。一一个循环扫描过程时间称为扫描周期。个循环扫描过程时间称为扫描周期。扫描过程分为三个阶段进行：扫描过程分为三个阶段进行：即输入采样（输入处理）阶段，程序执行（程序处理）阶段，输出即输入采样（输入处理）阶段，程序执行（程序处理）阶段，输出刷新（输出处理）阶段。刷新（输出处理）阶段。输入采样输入采样程序执行程序执行输出刷新输出刷新11/8/202414.PLC的工作过程示意图的工作过程示意图11/8/202415.输入采样输入采样程序执行程序执行输出处理输出处理一个扫描周期一个扫描周期Y0Y1Yn输输入入映映像像寄寄存存器器采样采样元元件件映映像像寄寄存存器器写写写写读读X0Y0Y0M0输输出出锁锁存存电电路路输输出出端端子子输输入入端端子子4.3.2 程序执行过程读读图图1.11 PLC 1.11 PLC 的扫描工作过程的扫描工作过程X0X1Xn刷新刷新11/8/202416.图 4-3 I/O接口电路结构框图(a)输入端；(b)输出端 11/8/202417.输入采样阶段：输入采样阶段：PLC PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态（开或关、即态（开或关、即ON或或OFF、“1”或或“0”）读入）读入到输入映像寄存器中寄存起来，称为对输入信号的到输入映像寄存器中寄存起来，称为对输入信号的采样采样，或称，或称输入刷新输入刷新。接着转入程序执行阶段，接着转入程序执行阶段，在程序执行期间，即使在程序执行期间，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不会改变。输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不会改变。输入状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样输入状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读入。阶段才被重新读入。11/8/202418.4.3.2 程序执行过程程序执行阶段：程序执行阶段：程序执行阶段，程序执行阶段，PLCPLC对程序按顺序进行扫描；对程序按顺序进行扫描；如果程序用梯形图表示，则总是按先左后右、先上后下的顺序如果程序用梯形图表示，则总是按先左后右、先上后下的顺序进行扫描；进行扫描；每扫描到一条指令时，所需要的输入元件状态或其它元件的状每扫描到一条指令时，所需要的输入元件状态或其它元件的状态分别由输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出，而将执态分别由输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出，而将执行结果写入到元件映像寄存器中；行结果写入到元件映像寄存器中；元件映像寄存器中寄存的内容，随程序执行的进程而动态变化元件映像寄存器中寄存的内容，随程序执行的进程而动态变化。11/8/202419.4.3.2 程序执行过程 输出刷新阶段：输出刷新阶段：程序执行完后，进入输出刷新阶段。此时，将元件映像寄存程序执行完后，进入输出刷新阶段。此时，将元件映像寄存器中所有输出继电器的状态转存到输出锁存寄存器，再去驱动用器中所有输出继电器的状态转存到输出锁存寄存器，再去驱动用户输出设备（负载），这就是户输出设备（负载），这就是PLCPLC的实际输出。的实际输出。扫描周期：扫描周期：PLC重复执行上述三个过程，每重复一次的时间就是一个工作周期重复执行上述三个过程，每重复一次的时间就是一个工作周期（或扫描周期）。工作周期的长短与程序的长短、指令的种类和（或扫描周期）。工作周期的长短与程序的长短、指令的种类和CPU执执行的速度有关。一个扫描过程中，执行指令程序的时间占了绝大部分。行的速度有关。一个扫描过程中，执行指令程序的时间占了绝大部分。PLC在每次扫描中，对输入信号采样一次，对输出信号刷新一次。这在每次扫描中，对输入信号采样一次，对输出信号刷新一次。这就保证了就保证了PLC在执行程序阶段，输入映像寄存器和输出锁存寄存器的内容在执行程序阶段，输入映像寄存器和输出锁存寄存器的内容或数据保持不变。或数据保持不变。11/8/202420.4.3.1 4.3.1 扫描工作方式扫描工作方式 扫描工作方式的特点：扫描工作方式的特点：简单直观，简化了程序的设计，并为简单直观，简化了程序的设计，并为PLC的可靠的可靠运行提供了保证；运行提供了保证；所扫描到的指令被执行后，其结果马上就可以被将要扫描所扫描到的指令被执行后，其结果马上就可以被将要扫描到的指令所利用；到的指令所利用；系统监视定时器系统监视定时器WDT可可监视每次扫描的时间，并在每个扫监视每次扫描的时间，并在每个扫描周期内都要对描周期内都要对WDT进行复位操作。如果系统的硬件或用进行复位操作。如果系统的硬件或用户软件发生了故障，户软件发生了故障，WDT就会就会超时自动报警，并停止超时自动报警，并停止PLCPLC的的运行，从而避免了程序进入死循环的故障。运行，从而避免了程序进入死循环的故障。11/8/202421.4、.3、3 输入输出的处理规则输入映像寄存器的数据，取决于输入端子在输入采样阶段所刷新输入映像寄存器的数据，取决于输入端子在输入采样阶段所刷新的状态；的状态；输出映像寄存器的状态，由程序中输出指令的执行结果决定；输出映像寄存器的状态，由程序中输出指令的执行结果决定；输出锁存寄存器中的数据，由上一个工作周期输出刷新阶段存入输出锁存寄存器中的数据，由上一个工作周期输出刷新阶段存入到输出锁存电路中的数据来确定；到输出锁存电路中的数据来确定；输出端子的输出状态，由输出锁存寄存器中的数据来确定；输出端子的输出状态，由输出锁存寄存器中的数据来确定；程序执行中所需的输入、输出状态（数据），从输入映像寄存器程序执行中所需的输入、输出状态（数据），从输入映像寄存器或输出映像寄存器中读出。或输出映像寄存器中读出。11/8/202422.4.3.4 输入输出滞后时间 输入输出滞后时间输入输出滞后时间又称为又称为系统响应时间系统响应时间，是指从，是指从PLC外部输入信号发生变化的时刻起至它所控制的外部输入信号发生变化的时刻起至它所控制的有关外部输出信号发生变化的时刻止之间的时间间有关外部输出信号发生变化的时刻止之间的时间间隔。隔。输入输出滞后时间由输入电路的滤波时间、输出模输入输出滞后时间由输入电路的滤波时间、输出模块的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三块的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分所组成。部分所组成。输入模块的输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引起的滤波电路用来滤除由输入端引起的干扰噪声，消除因外接输入触点动作时产生抖动引干扰噪声，消除因外接输入触点动作时产生抖动引起的不良影响。滤波时间常数决定了输入滤波时间起的不良影响。滤波时间常数决定了输入滤波时间的长短的长短,其典型值为其典型值为10ms10ms左右。左右。11/8/202423.4.3.5 输入输出滞后时间 输出模块的滞后时间与模块开关元件的类型有关：输出模块的滞后时间与模块开关元件的类型有关：继电器型输出电路继电器型输出电路的滞后时间一般最大值在的滞后时间一般最大值在10ms10ms左右。左右。双向可控硅型输出电路双向可控硅型输出电路的滞后时间在负载被的滞后时间在负载被接通接通时的滞后时间约为时的滞后时间约为1ms1ms，负载由导通到，负载由导通到断开断开时的最时的最大滞后时间为大滞后时间为10ms10ms。晶体管型输出电路晶体管型输出电路的滞后时间一般在的滞后时间一般在1ms1ms左右。左右。11/8/202424.PLC的扫描工作过程总结的扫描工作过程总结 整整整整个个个个过过过过程程程程包包包包括括括括内内内内部部部部处处处处理理理理：系系系系统统统统自自自自检检检检和和和和外外外外部部部部设设设设备备备备服服服服务务务务、通通通通信信信信服服服服务务务务、输输输输入入入入处处处处理理理理、程程程程序序序序执执执执行行行行、输出处理六个阶段输出处理六个阶段输出处理六个阶段输出处理六个阶段 整整整整个个个个过过过过程程程程扫扫扫扫描描描描执执执执行行行行一一一一遍遍遍遍所所所所需需需需的时间称为的时间称为的时间称为的时间称为扫描周期扫描周期扫描周期扫描周期 扫扫扫扫描描描描周周周周期期期期与与与与CPUCPU运运运运行行行行速速速速度度度度、PLCPLC硬硬硬硬件件件件配配配配置置置置及及及及用用用用户户户户程程程程序序序序长长长长短短短短有关。有关。有关。有关。典型值为典型值为典型值为典型值为1 1100ms100ms11/8/202425.4 4、4 4、1 PLC1 PLC的编程语言的编程语言PLC为用户提供了完整的编程语言，以适应编制用户程序的需要。PLC提供的编程语言通常有以下几种：梯形图、指令表、顺序功能流程图和功能块图。1梯形逻辑图（LAD）梯形逻辑图简称梯形图(Ladder programming)，它是从继电器一接触器控制系统的电气原理图演化而来的，是一种图形语言。它沿用了常开触点、常闭触点、继电器线圈、接触器线圈、定时器和计数器等术语及图形符号，也增加了一些简单的计算机符号，来完成时间上的顺序控制操作。触点和线圈等的图形符号就是编程语言的指令符号。这种编程语言与电路图相呼应，使用简单，形象直观，易编程，容易掌握，是目前应用最广泛的编程语言之一。11/8/202426.PLCPLC参参与与逻逻辑辑组组合合的的元元件件可可看看成成和和继继电电器器一一样样的的器器件件，具具有有常常开开、常常闭闭触触点点及及线线圈圈；且且线线圈圈的的得得电电及及失失电电将将导导致致触触点点的的相相应应动动作作。再再用用母母线线代代替替电电源源线线；用用能能量量流流概概念念来来代代替替继继电电器器线线路路中中的的电电流流概概念念，采用绘制继电器线路图类似的思路绘出梯形图。采用绘制继电器线路图类似的思路绘出梯形图。需需要要说说明明的的是是，PLCPLC中中的的继继电电器器等等编编程程元元件件并并不不是是实实际际物物理理元元件件，而而是是机机内内存存储储器器中中的的存存储储单单元元，它的所谓接通不过是相应存储单元置它的所谓接通不过是相应存储单元置1 1而已。而已。11/8/202427.v输入继电器（输入继电器（X）在在PLCPLC内部，与输入端子相连的输入继电器是光电隔离内部，与输入端子相连的输入继电器是光电隔离的电子继电器，采用的电子继电器，采用八进制八进制编号，用无数个常开和常编号，用无数个常开和常闭触点。闭触点。输入继电器不能用程序驱动输入继电器不能用程序驱动。11/8/202428.v输出继电器（输出继电器（Y）输输出出继继电电器器采采用用八八进进制制编编号号，有有内内部部触触点点和和外外部部输输出出触触点点（继继电电器器触触点点、双双向向可可控控硅硅、晶晶体体管等输出元件）之分，由程序驱动。管等输出元件）之分，由程序驱动。在在PLCPLC内内部部，外外部部输输出出触触点点与与输输出出端端子子相相连连，向向外外部部负负载载输输出出信信号号，且且一一个个输输出出继继电电器器只只有有一一个常开型外部输出触点。个常开型外部输出触点。输输出出继继电电器器有有无无数数个个内内部部常常开开和和常常闭闭触触点点，编编程时可随意使用。程时可随意使用。11/8/202429.图 4-4 PLC的等效电路11/8/202430.表中给出了继电接触器线路图中部分符号和表中给出了继电接触器线路图中部分符号和PLCPLC梯形图符号对照关系。梯形图符号对照关系。图图3 3 符号对照表符号对照表符号名称符号名称继电器电路图符号继电器电路图符号梯形图符号梯形图符号常开触点常开触点常闭触点常闭触点线圈线圈11/8/202431.(a)梯形图 (b)语句表图4-711/8/202432.2指令语句表(STL)指令语句表简称语句表(statementlist，简写为STI。)，类似于计算机的汇编语言，它是用语句助记符来编程的。中、小型PLC一般用语句表编程。3顺序功能流程图(SFC)顺序功能流程图(SFC)编程是一种图形化的编程方法，亦称功能图。使用它可以对具有并发、选择等复杂结构的系统进行编程，许多PLC都提供了用于SFC编程的指令。4.功能块图(FBD)利用FBD可以查看到像普通逻辑门图形的逻辑盒指令。它没有梯形图编程器中的触点和线圈，FBD编程语言有利于程序流的跟踪，但在目前使用较少。11/8/202433.4、5、FXFX系列系列PLCPLC概述概述三菱电机现有的FX系列产品样本中仅有FX1S、FX1N、FX2N和FX2NC这四个子系列。FX系列的适应面广，FX2N和FX2NC最多扩展256个I/O点，并且有很强的网络通信功能，能够满足大多数要求较高的系统的需要，是国内使用最广泛的PLC系列产品之一。1.FX系列PLC的型号11/8/202434.2.FX2N系列PLC的基本单元FX2N系列是FX系列中功能最强、速度最高的小型PLC。其基本单元见下表：类 型输 入 点 数输 出 点 数FX2N-16MR88FX2N-32MR1616FX2N-48MR2424FX2N-64MR3232FX2N-80MR4040FX2N-128MR646411/8/202435.3.3.FX FX2N2N系列系列PLCPLC的编程元件的编程元件1）输入继电器（X0X177）：PLC的输入端子是从外部开关接收信号的窗口。输入继电器最多可达128点，采用八进制编号，且不能用程序驱动。2）输出继电器（Y0Y177）：PLC的输出端子是向外部负载输出信号的窗口。输出继电器最多可达128点，且编号为八进制。外部负载的驱动必须由输出继电器实行。11/8/202436.4-5 基本指令介绍基本指令介绍一、逻辑取及线圈驱动指令一、逻辑取及线圈驱动指令LD、LDI、OUT说明：说明：LD取指令，表示一个与输入母线相连接取指令，表示一个与输入母线相连接 的常开触点指令；的常开触点指令；LDI取反指令，表示一个与输入母线相取反指令，表示一个与输入母线相连连 接的常闭触点指令。接的常闭触点指令。11/8/202437.OUT线圈驱动指令，也称输出指令。操作目线圈驱动指令，也称输出指令。操作目标元件不可以是输入继电器标元件不可以是输入继电器X。11/8/202438.LDLD、LDILDI、OUTOUT指令的使用说明指令的使用说明X0Y0LDOUTX1M0LDIT0K10Y1T0母线步序指令数据1234OUTLDIOUTOUTK10LDOUT78Y0X1M0T0T0Y1驱动定时器驱动定时器设定常数SP0LDX03 3步步11/8/202439.3）指令使用说明：LD和LDI指令用于将常开和常闭触点接到左母线上；LD和LDI在电路块分支起点处也使用；OUT指令是对输出继电器、辅助继电器、状态继电器、定时器、计数器的线圈驱动指令，不能用于驱动输入继电器，因为输入继电器的状态是由输入信号决定的。OUT指令可作多次并联使用，如下图。11/8/202440.2.AND、ANI指令符号名称功能操作元件AND与常开触点串联连接X、Y、M、S、T、CANI与非常闭触点串联连接X、Y、M、S、T、C11/8/202441.1）程序举例：2）例题解释：当X0接通，X2接通时Y0接通；X1断开，X3接通时Y2接通；常开X4接通，X5断开时Y3接通；X6断开，X7断开，同时达到2.5秒时间，T1接通，Y4接通。11/8/202442.11/8/202443.