1、第四章 PLC工作原理 一、可編程控制器概述 二、可編程控制器的基本原理 三、可編程控制器的性能指標(biāo) 本章主要講解什么是PLC？1.可編程控制器的定義是一種工業(yè)控制裝置是在電器控制技術(shù)和計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，將自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)控制裝置。通用叫法中文名稱為可編程控制器；英文名稱為Programmable Logic Controller，簡稱PLC。一、可編程控制器概述 1.可編程控制器的定義1987年，國際電工委員會（IEC）定義： “可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的

2、存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計”。 2.可編程控制器的產(chǎn)生因為繼電器邏輯電路配線復(fù)雜2.可編程控制器的產(chǎn)生背景：1968年美國通用汽車公司（GM），為了適應(yīng)汽車型號的不斷更新，生產(chǎn)工藝不斷變化的需要，實現(xiàn)小批量、多品種生產(chǎn)，希望能有一種新型工業(yè)控制器，它能做到盡可能減少重新設(shè)計和更換繼電器控制系統(tǒng)及接線，以降低成本，縮短周期。 1968年，GM公司提出十項設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序；

3、維護方便，采用插件式結(jié)構(gòu)；可靠性高于繼電器控制柜；體積小于繼電器控制柜；成本可與繼電器控制柜競爭；可將數(shù)據(jù)直接送入計算機；可直接使用115V交流輸入電壓；輸出采用115V交流電壓，能直接驅(qū)動電磁閥、交流接觸器等；通用性強，擴展方便;能存儲程序，存儲器容量可以擴展到4KB。2.可編程控制器的產(chǎn)生1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司研制第一臺可編程控制器，并應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。2.可編程控制器的產(chǎn)生3. 可編程控制器的特點無觸點免配線，可靠性高，抗干擾能力強 通用性強，控制程序可變，使用方便硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強編程簡單，容易掌握 系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少維修工作量小，維護方便體積小，能耗

4、低. 4.可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域4.可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域4.可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域4.可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域4.可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域4.可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域4.可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域4.可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域4.可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域4.可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域5.可編程控制器的發(fā)展高性能、高速度、大容量發(fā)展為了提高PLC的處理能力，要求PLC具有更好的響應(yīng)速度和更大的存儲容量。目前，有的PLC的掃描速度可達0.1ms/k步左右。PLC的掃描速度已成為很重要的一個性能指標(biāo)。在存儲容量方面，有的PLC最高可達幾十兆字節(jié)。為了擴大存儲容量，有的公司已使用了磁泡存儲器或硬盤。 向小型化和大型化兩

5、個方向發(fā)展小型PLC由整體結(jié)構(gòu)向小型模塊化結(jié)構(gòu)發(fā)展，使配置更加靈活，為了市場需要已開發(fā)了各種簡易、經(jīng)濟的超小型微型PLC，最小配置的I/O點數(shù)為816點，以適應(yīng)單機及小型自動控制的需要。 大型化是指大中型PLC 向大容量、智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，使之能與計算機組成集成控制系統(tǒng)，對大規(guī)模、復(fù)雜系統(tǒng)進行綜合性的自動控制。現(xiàn)已有I/O點數(shù)達14336點的超大型PLC，其使用32位微處理器，多CPU并行工作和大容量存儲器，功能強。5.可編程控制器的發(fā)展大力開發(fā)智能模塊，加強聯(lián)網(wǎng)與通信能力為滿足各種控制系統(tǒng)的要求，不斷開發(fā)出許多功能模塊，如高速計數(shù)模塊、溫度控制模塊、遠程I/O模塊、通信和人機接口模塊等。P

6、LC的聯(lián)網(wǎng)與通信有兩類： PLC之間聯(lián)網(wǎng)通信，各PLC生產(chǎn)廠家都有自己的專有聯(lián)網(wǎng)手段； PLC與計算機之間的聯(lián)網(wǎng)通信。為了加強聯(lián)網(wǎng)與和通信能力，PLC生產(chǎn)廠家也在協(xié)商制訂通用的通信標(biāo)準(zhǔn)，以構(gòu)成更大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 5.可編程控制器的發(fā)展增強外部故障的檢測與處理能力據(jù)統(tǒng)計資料表明：在PLC控制系統(tǒng)的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，輸入設(shè)備占45%，輸出設(shè)備占30%，線路占5%。前二項共20%故障屬于PLC的內(nèi)部故障，它可通過PLC本身的軟、硬件實現(xiàn)檢測、處理。而其余80%的故障屬于PLC的外部故障。PLC生產(chǎn)廠家都致力于研制、發(fā)展用于檢測外部故障的專用智能模塊，進一步提高系統(tǒng)的可靠性。 5

7、.可編程控制器的發(fā)展編程語言多樣化在PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的同時，PLC的編程語言也越來越豐富，功能也不斷提高。除了大多數(shù)PLC使用的梯形圖、語句表語言外，為了適應(yīng)各種控制要求，出現(xiàn)了面向順序控制的步進編程語言、面向過程控制的流程圖語言、與計算機兼容的高級語言（BASIC、C語言等）等。多種編程語言并存、互補與發(fā)展是PLC進步的一種趨勢。5。可編程控制器的發(fā)展按I/O點數(shù)分小型PLC I/O點數(shù)為256點以下的為小型PLC （其中I/O點數(shù)小于64點的為超小型或微型PLC）中型PLC I/O點數(shù)為256點以上、2048點以下的為中型PLC大型PLC I/O點數(shù)為2048以上的為大型PLC （其

8、中I/O點數(shù)超過8192點的為超大型PLC）6.可編程控制器的類型按結(jié)構(gòu)形式分整體式PLC 將電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個機箱內(nèi)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低等特點。6.可編程控制器的類型6.可編程控制器的類型模塊式PLC 將PLC各組成部分分別作成若干個單獨的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊（有的含在CPU模塊中）以及各種功能模塊。6.可編程控制器的類型緊湊式PLC 還有一些PLC將整體式和模塊式的特點結(jié)合起來。按功能分低檔PLC 具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入輸出、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能。 中檔PLC 具

9、有低檔PLC功能外，增加模擬量輸入/輸出、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、遠程I/O、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還增設(shè)中斷、PID控制等功能。 高檔PLC 具有中檔機功能外，增加帶符號算術(shù)運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其它特殊功能函數(shù)運算、制表及表格傳送等。高檔PLC機具有更強的通信聯(lián)網(wǎng)功能。 6.可編程控制器的類型二、 PLC的基本原理工作方式 周期循環(huán)掃描工作過程自診斷、輸入采樣、程序掃描、輸出刷新幾個階段。掃描周期 T =自檢時間+讀入一點時間輸入點數(shù)+程序步數(shù)運算速度+輸出一點時間輸出點數(shù)。PLC的工作過程示意圖型號及意義特殊品種輸出形式單元類型I/O總點數(shù)系列序號DD

10、C電源A1AC電源H大電流輸出擴展模塊V立式端子排的擴展模塊C接插口輸入輸出方式F輸入濾波器1ms 擴展模塊LTTL輸入擴展模塊S獨立端子（無公共端）擴展模塊R繼電器輸出T晶體管輸出S晶閘管輸出M基本單元E輸入輸出混合擴展單元及擴展模塊EX輸入專用擴展模塊EY輸出專用擴展模塊16256點0、2、ON、2C、2N型號的命名方式三、PLC的組成型號及意義I/O點數(shù)：16256點單元類型 M表示基本單元 E表示擴展單元及擴展模塊 EX擴展輸入單元 EY擴展輸出單元型號及意義型號變化DS24VDC，世界型ES世界型（晶體管型為漏輸出）ESS世界型（晶體管型為源輸出）輸出形式R繼電器輸出T晶體管輸出S晶

11、閘管輸出PLC硬件系統(tǒng)組成外部設(shè)備現(xiàn)場用戶輸出設(shè)備微處理器（CPU）運算器控制器輸出部件輸入部件系統(tǒng)存儲器用戶存儲器I/O擴展接口通訊及編程接口編程設(shè)備計算機打印機等傳感器按鈕、開關(guān)現(xiàn)場信號電磁閥中間繼電器執(zhí)行器現(xiàn)場用戶輸入設(shè)備擴展設(shè)備擴展單元通訊模塊功能模塊電源變換器110V/220V市電PLC基本單元PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖FX 系列PLC的硬件配置圖FX 系列PLC的網(wǎng)絡(luò)通信能力微處理器（CPU）接收并存儲用戶程序和數(shù)據(jù)；診斷電源、PLC工作狀態(tài)及編程的語法錯誤；接收輸入信號，送入數(shù)據(jù)寄存器并保存；運行時順序讀取、解釋、執(zhí)行用戶程序，完成用戶 程序的各種操作；將用戶程序的執(zhí)行結(jié)果送至輸出端。

12、 PLC硬件系統(tǒng)組成系統(tǒng)存儲器系統(tǒng)程序存儲器+系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器存放系統(tǒng)工作程序（監(jiān)控程序）；存放模塊化應(yīng)用功能子程序；存放命令解釋程序；存放功能子程序的調(diào)用管理程序；存放存儲系統(tǒng)參數(shù)。PLC硬件系統(tǒng)組成用戶存儲器RAM/EPROM/EEPROM存放用戶工作程序；存放工作數(shù)據(jù)。PLC硬件系統(tǒng)組成輸入單元帶光電隔離電路多種輔助電源類型：AC電源DC24V輸入 DC電源DC24V輸入 DC電源DC12V輸入接收開關(guān)量及數(shù)字量信號（數(shù)字量輸入單元）；接收模擬量信號（模擬量輸入單元）；接收按鈕或開關(guān)命令（數(shù)字量輸入單元）；接收傳感器輸出信號。輸出單元帶光電隔離器及濾波器多種輸出方式：晶體管 晶閘管 繼電器

13、驅(qū)動直流負載（晶體管輸出單元）；驅(qū)動非頻繁動作的交/直流負載（繼電器輸出單元）；驅(qū)動頻繁動作的交/直流負載（晶閘管輸出單元）。通訊及編程接口采用RS-485或RS-422串行總線連接專用編程器（FX-20P、FX-10P）；連接個人電腦（PC），實現(xiàn)編程及在線監(jiān)控；連接工控機，實現(xiàn)編程及在線監(jiān)控；連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如調(diào)制解調(diào)器），實現(xiàn)遠程通訊；連接打印機等計算機外設(shè)。PLC硬件系統(tǒng)組成I/O擴展接口采用并行通訊方式擴展I/O模塊；擴展位置控制模塊（如F2-30GM）；擴展通訊模塊（如FX-232AW等）；擴展模擬量控制模塊（如FX-2DA、FX-4AD等）。PLC軟件系統(tǒng)組成系統(tǒng)監(jiān)控程序 運行管理

14、 生成用戶元件系統(tǒng)內(nèi)部自檢管理程序 解釋程序標(biāo)準(zhǔn)程序模塊、系統(tǒng)調(diào)用用戶程序自動化系統(tǒng)控制程序數(shù)據(jù)表格軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)十進制數(shù)（DEC:DECimal number），常用于：定時器/計數(shù)器的設(shè)定值；輔助繼電器（M）、定時器（T）、計數(shù)器（C）、狀態(tài)（S）等軟元件的地址號；應(yīng)用指令的數(shù)值型操作數(shù)及指令動作常數(shù)（K）。十六進制數(shù)（HEX:HEXdecimal number） 與十進制數(shù)一樣，用于指定應(yīng)用指令的數(shù)值型操作數(shù)及指令動作常數(shù)（H）。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)二進制數(shù)（BIN:BINary number） PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)類型，通過外設(shè)進行監(jiān)視時，各軟元件的數(shù)值自動變換為十進制數(shù)或十六進制數(shù)。八進制數(shù)（OCT

15、:OCTal number）用于輸入繼電器和輸出繼電器的軟元件編號。輸入繼電器用X00X07、X10X17、X20X27等八進制格式進行編號；輸出繼電器用Y00Y07、Y10Y17、Y20Y27等八進制格式進行編號。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)BCD碼（BCD:BINary Code Decimal）用二進制形式表示的十進制數(shù)，常采用8421BCD碼。常用BCD碼編碼開關(guān)將BCD碼數(shù)據(jù)送入PLC；PLC常以BCD碼格式將輸出數(shù)據(jù)送數(shù)碼顯示器顯示。浮點數(shù)據(jù)（標(biāo)繪值）二進制浮點數(shù)常用于高精度浮點運算；十進制浮點數(shù)用于實施監(jiān)視。輸入繼電器（X）在PLC內(nèi)部，與輸入端子相連的輸入繼電器是光電隔離的電子繼電器，采用八進制編

16、號，有無數(shù)個常開和常閉觸點。輸入繼電器不能用程序驅(qū)動。軟元件（邏輯元件）輸出繼電器（Y）輸出繼電器采用八進制編號，有內(nèi)部觸點和外部輸出觸點（繼電器觸點、雙向可控硅、晶體管等輸出元件）之分，由程序驅(qū)動。在PLC內(nèi)部，外部輸出觸點與輸出端子相連，向外部負載輸出信號，且一個輸出繼電器只有一個常開型外部輸出觸點。輸出繼電器有無數(shù)個內(nèi)部常開和常閉觸點，編程時可隨意使用。軟元件（邏輯元件）輔助繼電器（M）由內(nèi)部軟元件的觸點驅(qū)動,常開和常閉觸點使用次數(shù)不限，但不能直接驅(qū)動外部負載,采用十進制編號。通用輔助繼電器M0M499（500點）掉電保持輔助繼電器M500M1023（524點）特殊輔助繼電器M8000M

17、8255（256點） 只能利用其觸點的特殊輔助繼電器可驅(qū)動線圈的特殊輔助繼電器通用輔助繼電器與掉電保持用輔助繼電器的比例，可通過外設(shè)設(shè)定參數(shù)進行調(diào)整。軟元件（邏輯元件）只能利用其觸點的特殊輔助繼電器M8000：運行監(jiān)控用，PLC運行時M8000接通。M8002：僅在運行開始瞬間接通的初始脈沖特殊輔助繼電器。M8012：產(chǎn)生100ms時鐘脈沖的特殊輔助繼電器。可驅(qū)動線圈的特殊輔助繼電器M8030：鯉電池電壓指示燈特殊繼電器。M8033：PLC停止時輸出保持特殊輔助繼電器。M8034：止全部輸出特殊輔助繼電器。M8039：時掃描特殊輔助繼電器。狀態(tài)（S）狀態(tài)是對工序步進型控制進行簡易編程的內(nèi)部軟元

18、件，采用十進制編號。與步進指令STL配合使用；狀態(tài)有無數(shù)個常開觸點與常閉觸點，編程時可隨意使用；狀態(tài)不用于步進階梯指令時，可作輔助繼電器使用。狀態(tài)同樣有通用狀態(tài)和掉電保持用狀態(tài)，其比例分配可由外設(shè)設(shè)定。軟元件（邏輯元件）狀態(tài)（S）狀態(tài)有五種類型：初始狀態(tài)S0S9共10點回零狀態(tài)S10S19共10點通用狀態(tài)S20S499共480點保持狀態(tài)S500S899共400點報警用狀態(tài)S900S999共100點 軟元件（邏輯元件）定時器（T）定時器實際是內(nèi)部脈沖計數(shù)器，可對內(nèi)部1ms、10ms和100ms時鐘脈沖進行加計數(shù)，當(dāng)達到用戶設(shè)定值時，觸點動作。定時器可以用用戶程序存儲器內(nèi)的常數(shù)k或H作為設(shè)定值，也

19、可以用數(shù)據(jù)寄存器D的內(nèi)容作為設(shè)定值。普通定時器（T0T245）100ms定時器T0T199共200點，設(shè)定范圍0.13276.7s；10ms定時器T200T245共46點，設(shè)定范圍0.01327.67s。積算定時器（T246T255）1ms定時器T246T249共4點，設(shè)定范圍0.00132.767s；100ms定時器T250T255共6點，設(shè)定范圍為0.13276.7s。軟元件（邏輯元件）T10K123X0T10Y1普通定時器的工作原理加法計數(shù)器設(shè)定值K、H或D觸點動作TxTx時鐘脈沖驅(qū)動相等比較器T10T250設(shè)定值K計數(shù)器1100ms時鐘脈沖X2X1觸點動作Tx相等比較器積算定時器的工作

20、原理RSTT250K345X1X2T250Y1T250計數(shù)器（C） 計數(shù)器可分為通用計數(shù)器和高速計數(shù)器。16位通用加計數(shù)器，C0C199共200點，設(shè)定值：132767。設(shè)定值K0與K1含義相同，即在第一次計數(shù)時，其輸出觸點動作。32位通用加/減計數(shù)器，C200C234共135點，設(shè)定值：-2147483648+2147483647。高速計數(shù)器C235C255共21點，共享PLC上6個高速計數(shù)器輸入（X0X5）。高速計數(shù)器按中斷原則運行。軟元件（邏輯元件）16位加計數(shù)器通用型：C0C99共100點 斷電保持型：C100C199共100點 16位計數(shù)器工作過程示意圖32位雙向計數(shù)器有兩種32位加/減計數(shù)器，設(shè)定值：-2147483648+2147483647。通用計數(shù)器：C200C219共20點保持計數(shù)器：C220C234共15點 計數(shù)方向由特殊輔助繼電器M8200M8234設(shè)定。加減計數(shù)方式設(shè)定：對于C，當(dāng)M8接通（置1）時，為減計數(shù)器，斷開