PLC的工作原理.ppt

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1、本讲主要内容：,第六节 可编程序控制器的主要性能指标,第五节 可编程序控制器的工作原理,第四节 可编程序控制器的软件组成,第三节 可编程序控制器的硬件组成,第二节 PLC控制与继电器控制的比较,第一节 可编程序控制器概述,第三讲,第七节 PLC控制系统的软件设计,第八节 PLC在三相异步电动机控制中的应用,第一节 可编程序控制器概述,一、可编程序控制器的产生与发展,（一）可编程序控制器的产生,（二）可编程序控制器的发展,二、可编程序控制器的用途与特点,（一）可编程序控制器的用途,PLC的应用通常可分为五种类型：,顺序控制,运动控制,闭环过程控制,数据处理,通信和联网,（二）可编程序控制器的特点

2、,抗干扰能力强，可靠性高,控制系统结构简单、通用性强、应用灵活,编程方便，易于使用,功能完善，扩展能力强,PLC控制系统设计、安装、调试方便,维修方便，维修工作量小 PLC具有完善的自诊断，履历情报存储及监视功能。,体积小、重量轻，易于实现机电一体化 。,三、可编程序控制器的分类,（一）按IO点数容量分类,1小型机,2中型机,3大型机,（二）按结构形式分,1整体式结构,2组合式结构,1整体式结构,整体式PLC组成示意图,2组合式结构,组合式PLC组成示意图,2021/2/4,Power in a Small Package!,电源模块,CPU模块,IO模块,底 板,第二节 PLC控制与继电器控

3、制的比较,一、系统框图的比较,继电器控制系统框图,PLC控制系统框图,二、PLC的等效电路图,接触器控制电动机单向旋转控制电路,PLC控制系统等效电路图,2.2 PLC的硬件组成,PLC 生产厂家很多，产品的结构也各不相同，但其基本构成是一样的，都采用计算机结构，如下图所示，都以微处理器为核心，通过硬件和软件的共同作用来实现其功能。 PLC 主要有六部分组成： CPU( 中央处理器 ) 、存储器、输入 / 输出（ I/O ）接口电路、电源、外设接口、输入 / 输出（ I/O ）扩展接口。,小型机常采用整体式,中、大型机常采用组合式,整体式 PLC的基本组成框图,组合式 PLC的基本组成框图,

4、输入并存储用户程序、显示输入内容和地址；,CPU指挥PLC完成各种预定的功能, 检查、校验用户程序，发现错误即报警；, 执行用户程序、驱动外部输出设备动作；, 诊断故障、记忆故障信息并报警。,2.2.1 CPU单元,2.2.1 CPU单元,1.中央处理单元（CPU）： (1)从程序存储器读取程序指令，编译、执行指令 (2)将各种输入信号取入 (3) 把运算结果送到输出端 (4) 响应各种外部设备的请求,PLC中所采用的CPU通常有三种 ： （1）通用处理器：8086、80286、80386 （2）单片机芯片：8031、8096 （3）位片式微处理器：AMD-2900 小型PLC多采用8位微处理

5、器或单片机作为CPU 中型PLC多采用16位微处理器或单片机作为CPU 大型PLC多采用高速位片式微处理器,系统程序存储器 存储系统系统程序,用户程序存储器 存储系统用户程序,工作数据存储器 存储工作数据,2.2.2 存储器,RAM：存储各种暂存数据、中间结果、用户正调 试的程序。 ROM：存放监控程序和用户已调试好的程序。,2.2.3 I/O单元,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,2.2.3 I/O单元,输入、输出接口：采用光电隔离，实现了PLC的内部电路与外部电路的电气隔离，减小了电磁干扰。,输出接口作用：将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便

6、控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。,输出接口电路按照 PLC 的类型不同一般分为继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型 3 类以满足各种用户的需要。其中继电器输出型为有触点的输出方式，可用于直流或低频交流负载；晶体管输出型和晶闸管输出型都是无触点输出方式，前者适用于高速、小功率直流负载，后者适用于高速、大功率交流负载。,输入接口作用：将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。,2.2.3 I/O单元,（1）输入接口电路：采用光电耦合器，防止强电干扰。,COM,光电三极管,发光二极管,直流电源,输入端子,PLC,发光二极管,2.2.3 I/O

7、单元,光电耦合,外部开关,输入点的状态显示,输入点,公共端,直流输入电路,2.2.3 I/O单元,交流输入电路,光电耦合,输入点的状态显示,外部开关,输入点,2.2.3 I/O单元,继电器输出,（2）输出接口电路：,以继电器形式为例：,PLC,+,交流电源或直流电源,2.2.3 I/O单元,晶体管输出电路,光电耦合,输出点的状态显示,公共端,输出点,2.2.3 I/O单元,晶闸管输出电路,光电耦合,输出点的状态显示,公共端,输出点,2.2.3 I/O单元,继电器输出电路,输出点的状态显示,继电器,机械触点,公共端,输出点,2.2.4 电源单元,PLC 一般采用 AC220V 电源，经整流、滤波

8、、稳压后可变换成供 PLC 的 CPU 、存储器等电路工作所需的直流电压，有的 PLC 也采用 DC24V 电源供电。为保证 PLC 工作可靠，大都采用开关型稳压电源。有的 PLC 还向外部提供 24V 直流电源。,小型机：一体机。有接口可扩展。,2.2.4 电源单元,Power in a Small Package!,电源模块,CPU模块,IO模块,底 板,中、大型机：模块式。可根据需要在主板上随意组合。,2.2.5 外部设备,PLC的外部设备主要有： 编程设备 触摸屏 操作面板 文本显示器 打印机 等,外部设备接口是在主机外壳上与外部设备配接的插座，通过电缆线可配接编程器、计算机、打印机、

9、 EPROM 写入器、触摸屏等。,2.2.6 I/O扩展接口,I/O 扩展接口是用来扩展输入、输出点数的。当用户输入、输出点数超过主机的范围时，可通过 I/O 扩展接口与 I/O 扩展单元相接，以扩充 I/O 点数。 A/D 和 D/A 单元以及链接单元一般也通过该接口与主机连接。,2.3 PLC的软件系统,系统程序 系统程序是由PLC的制造者采用汇编语言编写的，固化于ROM型系统程序存储器中，用于控制PLC本身的运行，用户不能更改。 系统程序分为： 1.系统管理程序 2.用户指令解释程序 3.标准程序模块和系统调用程序,2.3 PLC的软件系统,用户程序 用户程序又称为应用程序，是用户为完成

10、某一控制任务而利用PLC的编程语言编制的程序。用户程序是线性地存储在系统程序制定的存储区内。 1用户环境 用户环境是由系统程序生成的，它包括用户数据结构、用户元件区、用户程序存储区、用户参数、文件存储区等。 2用户程序结构 用户程序结构大致可以分为三种： （1）线性程序（2）分块程序（3）结构化程序 3用户程序语言 PLC的编程语言有多种，其中梯形图、语句表、功能块图是三种基本语言。,（三）标准程序模块及系统调用程序,一、系统程序,（一）系统管理程序,（二）用户指令解释程序,二、用户程序,（一）梯形图（LAD）编程,符号对照,典型梯形图示意,典型的梯形图示意图,（二）指令表（STL）编程,指令

11、表编程举例 a）梯形图 b）指令表,（三）状态流程图（功能图）编程,钻孔顺序的状态流程图,三、可编程序控制器的程序结构,（一）用户程序,（二）数据块,（三）参数块,PLC的循环扫描工作过程,接线程序控制与存储程序控制,输入/输出滞后响应,2.4 PLC的工作原理,继电接触器控制系统，又称为接线程序控制系统，是通过电器元器件的固定接线来实现控制逻辑，完成控制任务的。,在PLC控制系统中，用户根据控制要求编制出相应的控制程序，并写入PLC的程序存储器中。系统运行时，PLC将程序执行结果输出给相应的输出设备，控制被控对象工作。 这种控制称为存储程序控制。,PLC 的工作方式为循环扫描方式，其工作过程

12、大致分为 3 个阶段： 输入采样、程序执行和输出刷新 。,循环扫描工作流程,PLC,接通电源,初始化,硬件检查,正常？,异常报警,异常处理,扫描周期监视,执行用户程序,程序结束？,扫描周期检查,有固定设置？,等待,扫描周期计算,I/O刷新,外设端口服务,异常,(1) PLC扫描工作各环节的功能, PLC上电后，首先检查硬件是否正常。, 按自上而下的顺序，逐条读用户程序并执行。,对输入的数据进行处理， 将结果存入元件映象寄存器。, 计算扫描周期。,若正常，则进行下一步；若不正常，则报警并作处理。,母线, I/O刷新阶段。, 外设端口服务。,读输入点的状态并写入输入映像寄存器。,将元件映像寄存器的

13、状态经输出锁存器、输出电路送到输出点。,访问外设端口连接的外部设备。,读,读,读,写,写,执行用户程序,(2) PLC执行用户程序的过程,2021/2/4,3 PLC控制的原理,等效电路图,SB1,公共端,公共端,输出端子,输入端子,主电路,2021/2/4,线圈通电,SB1闭合,00000 闭合,接点闭合,触点闭合,电动机转,触点闭合,2021/2/4,线圈断电,00001 断开,接点断开,触点断开,电动停转,触点断开,SB2闭合,(4) PLC执行用户程序的特点, 按梯形图自左向右、自上而下逐次执行程序, 执行程序时所需数据取自于：,输入映像寄存器,元件映像寄存器, 输入映像寄存器和元件映

14、像寄存器中的数据,元件映像寄存器：在一个扫描周期中可读可写,输入映像寄存器：在一个扫描周期中保持不变, 每个扫描周期I/O刷新阶段集中读入/读出数据,从 PLC 工作过程的分析中可知，由于 PLC 采用循环扫描的工作方式，而且对输入和输出信号只在每个扫描周期的 I/O 刷新阶段集中输入并集中输出，所以必然会产生输出信号相对输入信号的滞后现象。,响应时间或滞后时间： 即从 PLC 的输入端有一个输入信号发生变化到 PLC 的输出端对该输入信号的变化做出反应需要一段时间。,滞后时间是设计 PLC 控制系统时应了解的一个重要参数。,滞后时间的长短与以下因素有关：, 输入电路滤波时间，它由RC滤波电路

15、的时间常数决定。改变时间常数可调整输入延迟时间。, PLC循环扫描的工作方式, 用户程序中语句的安排, PLC对输入采样、输出刷新的集中处理方式, 输出电路的滞后时间，它与输出电路的输出方式有关。继电器输出方式的滞后时间为10ms左右；双向晶闸管输出方式，在接通负载时滞后时间约为1ms，切断负载时滞后时间小于10ms；晶体管输出方式的滞后时间小于1ms。,CPU读输入,输入输出延迟时间最短响应时间,输入/输出刷新时间,最短响应时间=输入延迟时间+一个扫描周期+输出延迟时间,CPU读输入,输入/输出刷新时间,最长响应时间=输入延迟时间+两个扫描时间+输出延迟时间,输入输出延迟时间最长响应时间,I

16、/O响应时间的估算,以20点的继电器输出型CPM1A为例。,设输入ON延时为8毫秒 公共处理和I/O刷新时间为2毫秒 执行用户程序时间为14毫秒 输出ON延时为15毫秒,输入状态经过一个扫描周期后在输出得到响应 最小I/O响应时间,输入状态经过两个扫描周期后在输出得到响应 最大I/O响应时间,程序语句安排对I/O响应时间的影响举例,当SB闭合，经过输入滤波，设第一个扫描周期I/O刷新时 00000的映像寄存器 ON。,第一个扫描周期 结束时，01000为OFF。,01000只能在第二个扫描周期结束后才能ON。,当SB闭合，经过输入滤波，设第一个扫描周期 00000的映像寄存器 ON。,0100

17、0 在第一个扫描周期结束后就能ON 。,续,如果将梯形图的第一与第二梯级交换，如下图：,显然，程序语句的安排对I/O响应的影响很大 。,2.5 PLC的主要指标,1、输入/输出（I/O）点数 PLC上的I/O端子的个数。I/O点数越多，外部可接的输入和输出元器件就越多，控制规模就越大。 2、 存储容量 这里说的存储容量指的是用户程序存储器的容量。也有的PLC用存放用户程序的指令条数来表示容量。 3 、扫描速度 扫描速度是指PLC执行程序的速度，是衡量PLC性能的重要指标。 4、 指令的种类和条数 编程指令的种类和条数是衡量PLC软件功能强弱的主要指标。 5 、特殊I/O单元（高级模块或智能模块

18、） PLC不仅能完成开关量的逻辑控制，而且利用特殊I/O单元可完成模拟量控制、运动控制、模糊控制、定位控制、高速中断控制、通信联网等功能。 6 、支持软件 符合IEC1131-3标准的语言，为用户提供方便的编程环境。,第六节 可编程序控制器的主要性能指标,一、描述PLC性能的几个术语,位：二进制的一位，仅有1、0,数字：4位二进制数构成一个数字,字节：2个数字或8位二进制数构成一个字节,字：两个字节构成一个字。,常用基本环节编程,启动、保持、停止控制 :,常规启保停梯形图,SET、RESET分开控制的启保停梯形图,SET-RESET启保停梯形图,第七节 PLC控制系统的软件设计,三相异步电动机

19、正反转控制电路,图2-7 三相异步电动机正反转控制电路 a)无互锁电路 b)具有电气互锁电路 c)具有双重互锁电路,互锁控制,单重互锁梯形图,三相异步电动机正反转控制电路,图2-7 三相异步电动机正反转控制电路 a)无互锁电路 b)具有电气互锁电路 c)具有双重互锁电路,互锁控制,双重互锁梯形图,三相异步电动机正反转控制电路,图2-7 三相异步电动机正反转控制电路 a)无互锁电路 b)具有电气互锁电路 c)具有双重互锁电路,基本控制线路,控制线路类型很多，有的初看上去电器元件繁多、结构复杂，但实际上大多数线路都由一些基本控制线路组成：,自锁控制线路,1.自锁与互锁控制,互锁控制线路,2.顺序控

20、制,3.点动与连续控制,4.多地控制,5.往复循环控制,电动机是电力拖动控制系统的主要控制对象，电动机的控制主要是实现电动机的起动、停止、正反转、调速和制动等运行方式的控制，并以此来实现生产过程自动化，满足生产工艺要求。,第八节 PLC在三相异步电动机控制中的应用,8.1控制要求、工艺过程、控制原理,作为电动机Y/起动控制，必须实现的目标为： （1）能满足控制系统对电动机起动的基本控制要求； （2）能方便地操作，需要起动时电动机首先Y接起动，起动完成后自动转换为接运行； （3）为了安全起见，可在Y/接之间加入一定的时间延时； （4）为使用更安全，可将Y接接触器的辅助触点反馈回PLC。,三相异步

21、电动机继电接触器控制的Y/起动电气原理图,三相异步电动机PLC控制的Y/起动电气原理图,8.2 PLC选型和资源配置,由于控制比较简单，输入/输出都是开关量，数量又很少，实际上可选用任意型号的PLC，在本例中以CPU222为例，不用扩展模块，输入电源采用本机集成的24V电源。I/O地址分配表如下：,8.3 PLC程序说明,按下启动按钮SB2，主接触器KM1吸合并自锁，同时星接接触器KM3吸合电动机星接起动并开始延时，延时时间到KM3断开。星角接之间延时200毫秒。KM2吸合的条件为定时器KT2延时200毫秒时间到、KM3已断开加上KM3的互锁。,8.4 设计小结,1. PLC完成的是控制回路的功能，主回路与常规继电接触器控制相同。 2. 应用PLC实现电动机的启动与停止、正反转、顺序控制、降压起动及互锁保护等功能，可以充分发挥PLC“软控制”的优点，通过编程实现复杂的逻辑控制功能；另一方面，应用PLC“软触点”来取代继电器控制线路中的自锁触点、互锁触点及时间继电器触点等，使得PLC控制系统的硬件接线得到了很大程度的简化，提高了系统的可靠性。 3. 因此，在电动机控制中，应用PLC取代继电器控制系统成为技术发展的必然。,谢谢,