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1、第2章的基础知识1第1页，本讲稿共38页 PLC原理及工程应用原理及工程应用第二章第二章 PLC的基础知识的基础知识 2第2页，本讲稿共38页第二章第二章 PLC的基础知识的基础知识 n可编程序控制器的基本概念可编程序控制器的基本概念 n可编程序控制器的基本组成可编程序控制器的基本组成 n可编程序控制器的扩展构成可编程序控制器的扩展构成n可编程序控制器的工作方式可编程序控制器的工作方式 3第3页，本讲稿共38页2.1 可编程序控制器的基本概念可编程序控制器的基本概念 2.1.1存储程序控制存储程序控制 1、接线程序控制：通过电器元器件的固定接线来实、接线程序控制：通过电器元器件的固定接线来实现
2、控制逻辑，完成控制任务。现控制逻辑，完成控制任务。制造周期较长，造价相应较高，维修也不方便，灵制造周期较长，造价相应较高，维修也不方便，灵活性和通用性较低，故障率较高活性和通用性较低，故障率较高 2、支配控制系统工作的程序存放在存储器中，、支配控制系统工作的程序存放在存储器中，利用程序来实现控制逻辑，完成控制任务。利用程序来实现控制逻辑，完成控制任务。具有通用、灵活、可靠性高等特点具有通用、灵活、可靠性高等特点 4第4页，本讲稿共38页 可编程序控制器构成的存储程序控制系可编程序控制器构成的存储程序控制系统的组成部分：统的组成部分：输入部分：输入部分：它们直接接受来自操作台上的操它们直接接受来
3、自操作台上的操作命令，或来自被控对象上的各种状态信息，作命令，或来自被控对象上的各种状态信息，如按钮、开关、传感器等。如按钮、开关、传感器等。输出部分：输出部分：它们用来接受程序执行结果的状它们用来接受程序执行结果的状态，以操作各种被控对象，如电动机、电磁态，以操作各种被控对象，如电动机、电磁阀、状态指示部件等。阀、状态指示部件等。控制部分：控制部分：采用微处理器和存储器，执行按采用微处理器和存储器，执行按照被控对象的实际要求编制并存入程序存储照被控对象的实际要求编制并存入程序存储器的程序，来完成控制任务。器的程序，来完成控制任务。5第5页，本讲稿共38页软继电器的概念：软继电器的概念：对于使
4、用者来说，在编制应用程序时，可对于使用者来说，在编制应用程序时，可以不考虑微处理器和存储器的复杂构成及其以不考虑微处理器和存储器的复杂构成及其使用的计算机语言，而把使用的计算机语言，而把PLC看成是内部由看成是内部由许多许多“软继电器软继电器”组成的控制器，用提供给组成的控制器，用提供给使用者的近似于继电器控制线路图的编程语使用者的近似于继电器控制线路图的编程语言进行编程。言进行编程。PLC内部的继电器并不是实际的物理继内部的继电器并不是实际的物理继电器，它实质上是存储器中的某些触发器，电器，它实质上是存储器中的某些触发器，该位触发器状态为该位触发器状态为“1”时，相当于继电器接时，相当于继电
5、器接通；该位触发器状态为通；该位触发器状态为“0”时，相当于继电时，相当于继电器断开。器断开。6第6页，本讲稿共38页“软继电器软继电器”的线圈、常开接点、常闭接的线圈、常开接点、常闭接点点 PLC为用户提供的继电器一般是：为用户提供的继电器一般是：输入继电器、输出继电器、辅助继电器、输入继电器、输出继电器、辅助继电器、特殊功能继电器、移位寄存器、计时特殊功能继电器、移位寄存器、计时计数器等。其中输入输出继电器一般与计数器等。其中输入输出继电器一般与外部输入、输出设备相连接，而其他继外部输入、输出设备相连接，而其他继电器与外部设备没有直接联系，因此可电器与外部设备没有直接联系，因此可统称为内部
6、继电器。统称为内部继电器。线圈线圈 常开接点常开接点 常闭接点常闭接点 7第7页，本讲稿共38页PLC控制系统的组成控制系统的组成 内部内部“软接线软接线”（用程序实现）（用程序实现）输入输入继电器线圈继电器线圈继电器接点继电器接点内部内部继电器线圈继电器线圈负载电源负载电源输出公共端输出公共端输出接点输出接点COMCOM输入公共端输入公共端输入端输入端用户输出设备用户输出设备（接触器、电磁阀等）（接触器、电磁阀等）用户输入设备用户输入设备（按钮、限位开关等）（按钮、限位开关等）8第8页，本讲稿共38页2.1.2 PLC 常用术语常用术语 1位位 是是PLC中逻辑运算的基本元素，通常也称为内部
7、中逻辑运算的基本元素，通常也称为内部继电器。继电器。2I/O点点 常用常用I/O点数来表征点数来表征PLC的规模。的规模。3通道通道 一个通道含一个通道含16位，或者说含位，或者说含16个继电器。个继电器。4区区 相同类型通道的集合。数据区、定时相同类型通道的集合。数据区、定时/计数器区、计数器区、内部继电器区等内部继电器区等 数字数字2数字数字3数字数字1 数字数字0 左字节左字节 右字节右字节 15 14131211109876543210位位通道通道9第9页，本讲稿共38页2.2 可编程序控制器的基本组成可编程序控制器的基本组成 2.2.1 PLC的硬件组成的硬件组成 10第10页，本讲
8、稿共38页1主机（主机（CPU模块）模块）在主机内部，由微处理器（在主机内部，由微处理器（MPU）通过）通过数据总线、地址总线、控制总线以及辅助电数据总线、地址总线、控制总线以及辅助电路连接存储器、接口及路连接存储器、接口及I/O单元，诊断单元，诊断PLC的硬件状态；借助编程器接收用户键入的程的硬件状态；借助编程器接收用户键入的程序和数据；读取、解释并执行用户程序；按序和数据；读取、解释并执行用户程序；按规定的时序接收输入状态、刷新输出状态，规定的时序接收输入状态、刷新输出状态，与外部设备交换信息等。总之，由主机实现与外部设备交换信息等。总之，由主机实现对整个对整个PLC的控制和管理。的控制和
9、管理。11第11页，本讲稿共38页 （1）微处理器（）微处理器（MPU）：）：PLC 中常用的中常用的MPU主要采用通用微处理器、单片机等。主要采用通用微处理器、单片机等。（2）存储器：）存储器：PLC的存储器用于存储程序的存储器用于存储程序和数据。系统程序存储器用于存储系统程序，和数据。系统程序存储器用于存储系统程序，一般采用一般采用ROM或或EPROM；用户程序存储器；用户程序存储器用于存储用户的应用程序。用于存储用户的应用程序。（3）I/O接口：接口：I/O接口是接口是MPU与外部设与外部设备、备、I/O模块等的连接部件，用于扩充模块等的连接部件，用于扩充PLC总线的驱动能力和扇入扇出点
10、数。总线的驱动能力和扇入扇出点数。12第12页，本讲稿共38页2电源电源 PLC配有开关式稳压电源，电源的交流输配有开关式稳压电源，电源的交流输入端一般接有尖峰脉冲吸收电路，以提高抗入端一般接有尖峰脉冲吸收电路，以提高抗干扰能力。小型干扰能力。小型PLC电源的交流输入电压范电源的交流输入电压范围一般较宽，如有的小型围一般较宽，如有的小型PLC可在可在l60VAC 260VAC范围内正常工作。范围内正常工作。13第13页，本讲稿共38页3输入输出模块输入输出模块 输入输入/输出模块是输出模块是PLC与现场与现场I/O设备或设备或其他外部设备之间的连接部件。其他外部设备之间的连接部件。输入模块输入
11、模块用于调理输入信号，对输入信号用于调理输入信号，对输入信号进行滤波、隔离、电平转换等，把输入信号进行滤波、隔离、电平转换等，把输入信号的逻辑值安全可靠地传递到的逻辑值安全可靠地传递到PLC内部。内部。输出模块输出模块用于把用户程序的逻辑运算结果用于把用户程序的逻辑运算结果输出到输出到PLC外部，输出模块具有隔离外部，输出模块具有隔离PLC内内部电路和外部执行元件的作用，还具有功率部电路和外部执行元件的作用，还具有功率放大的作用。放大的作用。14第14页，本讲稿共38页（1）直流开关量输入模块：）直流开关量输入模块：15第15页，本讲稿共38页（2）交流开关量输入模块：）交流开关量输入模块：1
12、6第16页，本讲稿共38页（3）直流开关量输出模块）直流开关量输出模块 17第17页，本讲稿共38页（4）交流开关量输出模块）交流开关量输出模块 18第18页，本讲稿共38页（5）继电器输出模块）继电器输出模块 19第19页，本讲稿共38页（6）开关量输入输出模块等效电路：）开关量输入输出模块等效电路：20第20页，本讲稿共38页4功能模块功能模块 除开关量输入除开关量输入/输出外，输出外，PLC的其他输的其他输入入/输出功能由功能模块来实现。一个功能输出功能由功能模块来实现。一个功能模块占用多个输入输出通道，因此在组合模块占用多个输入输出通道，因此在组合式式PLC中对功能模块的使用数量存在限
13、制，中对功能模块的使用数量存在限制，而对开关量输入而对开关量输入/输出模块的数量不加限制。输出模块的数量不加限制。一般地，除编程器以外的外部设备需经功能一般地，除编程器以外的外部设备需经功能模块才能与主机总线连接。因此，对应于各模块才能与主机总线连接。因此，对应于各种外设以及种外设以及PLC要完成的特殊输入输出功要完成的特殊输入输出功能，有多种功能模块。能，有多种功能模块。21第21页，本讲稿共38页常用的功能模块有：常用的功能模块有：模拟量输入模块模拟量输入模块 模拟量输出模块模拟量输出模块 动态输入动态输入/输出模块输出模块 温度传感器模块温度传感器模块 高速计数模块高速计数模块 PID模
14、块模块 远程远程I/O模块模块 通讯模块通讯模块 5扩展口扩展口 扩展口是扩展口是PLC的总线接口。主机与近程扩展机之间的总线接口。主机与近程扩展机之间利用扩展口相连接。利用扩展口相连接。22第22页，本讲稿共38页6编程器编程器 编程器是编程器是PLC最常用的外设，也是最常用的外设，也是PLC中唯一不需中唯一不需要通过功能模块而直接与总线相连接的外设。要通过功能模块而直接与总线相连接的外设。编程器上的方式选择开关编程器上的方式选择开关 编程位置：编程位置：PLC主机处于编程方式。用户可通主机处于编程方式。用户可通 过过编程器向编程器向PLC输入、查询、修改用户程序，但输入、查询、修改用户程序
15、，但PLC不运行不运行用户程序；用户程序；监控位置：监控位置：PLC主机处于监控方式。主机处于监控方式。PLC已运行用户已运行用户程序，用户不能输入和修改用户程序，但可查询用户程序，用户不能输入和修改用户程序，但可查询用户程序，干预户程序运行。程序，干预户程序运行。运行位置：运行位置：PLC主机处于运行方式。主机处于运行方式。PLC运行用户程序，运行用户程序，用户不能输入和修改用户程序，也不能干预用户程序的运用户不能输入和修改用户程序，也不能干预用户程序的运行情况，只能查询用户程序并监视其状态。行情况，只能查询用户程序并监视其状态。23第23页，本讲稿共38页7其他外设其他外设 PLC可带打印
16、机、可带打印机、CRT显示器、键显示器、键盘等外设，这些外设需通过相应的功能盘等外设，这些外设需通过相应的功能模块与模块与PLC连接。连接。24第24页，本讲稿共38页2.2.2 PLC的软件系统的软件系统 1系统程序系统程序 系统程序是系统程序是PLC赖以工作的基础，采用赖以工作的基础，采用汇编语言编写，在汇编语言编写，在PLC出厂时就已固化于出厂时就已固化于ROM型系统程序存储器中，不需要用户干预。型系统程序存储器中，不需要用户干预。系统程序分为系统监控程序和解释程序。系统程序分为系统监控程序和解释程序。2用户程序用户程序 用户程序又称为应用程序，是用户为完用户程序又称为应用程序，是用户为
17、完成某一特定的控制任务而利用成某一特定的控制任务而利用PLC的编程语的编程语言编制的程序。用户程序通过编程器输入到言编制的程序。用户程序通过编程器输入到PLC的用户程序存储器中。的用户程序存储器中。25第25页，本讲稿共38页3编程语言编程语言 各种型号的各种型号的PLC都有其自己的编程语言，都有其自己的编程语言，但这些编程语言基本可分为两类：梯形图语但这些编程语言基本可分为两类：梯形图语言和语句表语言。言和语句表语言。语句表语言语句表语言类似于计算机汇编语言，是类似于计算机汇编语言，是用指令助记符来编程的。用指令助记符来编程的。梯形图语言梯形图语言是类似于继电器控制线路图是类似于继电器控制线
18、路图的一种编程语言，它面向控制过程，直观易的一种编程语言，它面向控制过程，直观易懂，是懂，是PLC编程语言中应用最多的一种语言。编程语言中应用最多的一种语言。（P16）26第26页，本讲稿共38页2.3 可编程序控制器的扩展构成可编程序控制器的扩展构成 在实际应用中，经常遇到仅用主机不能在实际应用中，经常遇到仅用主机不能满足控制要求的情况。例如，有的场合控制满足控制要求的情况。例如，有的场合控制规律不太复杂，但信号较多，这时仅用主机规律不太复杂，但信号较多，这时仅用主机就可能出现输入就可能出现输入/输出点数不够用，而选用输出点数不够用，而选用高档高档PLC虽然输入虽然输入/输出点数够用，但成本
19、输出点数够用，但成本较高。在这种情况下，应考虑采用主机带扩较高。在这种情况下，应考虑采用主机带扩展机的方式。展机的方式。27第27页，本讲稿共38页2.3.1 近程扩展方式近程扩展方式 当当CPU主机上的主机上的I/O点数不能满足需要时，点数不能满足需要时，或组合式或组合式PLC选用的模块较多在主机上安装不开时，选用的模块较多在主机上安装不开时，可通过扩展口进行近程扩展。可通过扩展口进行近程扩展。注意：注意：（1）不同型号的）不同型号的PLC所带扩所带扩展机的数量不同；展机的数量不同；（2）主机和扩展机必须同类）主机和扩展机必须同类型，但不一定同型号；型，但不一定同型号；（3）在构成近程扩展方
20、式时，）在构成近程扩展方式时，一般采用主机一般采用主机I/O点数多于扩展点数多于扩展机机I/O点数的方式。点数的方式。28第28页，本讲稿共38页2.3.2 通讯联网方式通讯联网方式 PLC有多种通讯模块，利用这些通讯模有多种通讯模块，利用这些通讯模块，配以适当的通讯适配器，可以构成块，配以适当的通讯适配器，可以构成PLC网络和计算机网络和计算机PLC网络。网络。1HOST Link通讯通讯 PLC与上位机的连接通讯称为与上位机的连接通讯称为HOST Link通讯。一台通讯。一台CPM2A与一台上位机通讯称为与一台上位机通讯称为1：1方式；多台方式；多台CPM2A与一台上位机通讯称为与一台上位
21、机通讯称为1：N方式。方式。利用利用1：N HOST Link 通讯可以用一台上位机监控多台通讯可以用一台上位机监控多台PLC，实现集散控制，一台上位机最多可以监控，实现集散控制，一台上位机最多可以监控32台台PLC。29第29页，本讲稿共38页2同级连接系统同级连接系统Controller Link网网 Controller Link是一种工厂自动化网络是一种工厂自动化网络形式，它可在形式，它可在CS1、C200H、CVM1等等PLC之间进行数据交换。此外，还可与带之间进行数据交换。此外，还可与带Controller Link支持卡的上位机进行大容量支持卡的上位机进行大容量数据包的发送和接收
22、操作。数据包的发送和接收操作。30第30页，本讲稿共38页2.4 可编程序控制器的工作方式可编程序控制器的工作方式 2.4.1 工作方式工作方式 31第31页，本讲稿共38页2.4.2 扫描工作方式扫描工作方式 各种各种PLC均采用循环扫描方式工作，但其扫描均采用循环扫描方式工作，但其扫描时间上有所不同。所谓时间上有所不同。所谓扫描时间扫描时间，是指，是指PLC两次执行两次执行用户程序之间的时间间隔，又称为用户程序之间的时间间隔，又称为扫描周期扫描周期或或循环周期循环周期。CPU的操作可以分为如下的操作可以分为如下6部分：上电后初始处理、部分：上电后初始处理、共同处理、上位链接服务、外设服务、
23、运算处理、共同处理、上位链接服务、外设服务、运算处理、I/O刷新。其中，共同处理、上位链接服务、外设服务、运算刷新。其中，共同处理、上位链接服务、外设服务、运算处理、处理、I/O刷新所占用的时间构成了刷新所占用的时间构成了PLC的扫描时间的扫描时间TS。32第32页，本讲稿共38页1上电后初始处理上电后初始处理 PLC刚加上电源后，进行一次上电后初始处理，刚加上电源后，进行一次上电后初始处理，为为PLC工作做好准备。上电后初始处理，用于清除工作做好准备。上电后初始处理，用于清除内部继电器区，并复位所有计时器，检查内部继电器区，并复位所有计时器，检查I/O单元的单元的连接等。连接等。2共同处理共
24、同处理 用于复位监视计时器，检查用于复位监视计时器，检查I/O总线是否正常，总线是否正常，检查扫描时间是否过长，检查程序存储器有无异检查扫描时间是否过长，检查程序存储器有无异常。检查正常后，方可进行下面的操作。如果有常。检查正常后，方可进行下面的操作。如果有异常情况，可根据错误的严重程度发出报警或停异常情况，可根据错误的严重程度发出报警或停止止PLC运行。共同处理时间记为运行。共同处理时间记为TC。33第33页，本讲稿共38页3上位链接服务上位链接服务 在构成计算机在构成计算机PLC网络时，用于处理网络时，用于处理与计算机间的通讯。与计算机间的通讯。4外设服务外设服务 用于处理来自外部设备的信
25、息。外设服用于处理来自外部设备的信息。外设服务时间务时间TO取决于共同处理时间取决于共同处理时间TC、上位链、上位链接服务时间接服务时间TL、运算处理时间、运算处理时间TP和和I/O刷新刷新时间时间TR。34第34页，本讲稿共38页5运算处理运算处理 用于执行用户程序。每条指令均有其执用于执行用户程序。每条指令均有其执行时间，并且同行时间，并且同条指令执行时与不执行时条指令执行时与不执行时所占用的时间也不相同。运算处理时间就是所占用的时间也不相同。运算处理时间就是CPU执行一遍用户程序所用的时间。受此因执行一遍用户程序所用的时间。受此因素影响，运算处理时间素影响，运算处理时间TP不是常数，而是
26、受不是常数，而是受程序状态的影响，每次执行程序都不尽相同。程序状态的影响，每次执行程序都不尽相同。35第35页，本讲稿共38页6I/O刷新刷新 在每次程序执行完后，通过在每次程序执行完后，通过I/O刷新，刷新，从输入部分读取输入信号的状态并送入输入从输入部分读取输入信号的状态并送入输入映像区，从输出映像区中将程序执行结果输映像区，从输出映像区中将程序执行结果输出到出到PLC外部。外部。I/O刷新时间刷新时间TR与与PLC硬件硬件系统的构成有关，取决于系统的构成有关，取决于PLC中中I/O模块的模块的数量以及是否具有远程扩展机。数量以及是否具有远程扩展机。PLC的的I/O刷新时间为主机和近程扩展
27、机刷新时间为主机和近程扩展机I/O刷新时间刷新时间加上远程部分加上远程部分I/O刷新时间。刷新时间。36第36页，本讲稿共38页7PLC扫描时间扫描时间TS PLC的扫描时间的扫描时间TSTC十十TL+TO+TP+TR。由。由于于TP不是定值，构成计算机不是定值，构成计算机PLC网络时网络时TL也不是定也不是定值，所以在一个值，所以在一个PLC系统用户程序不变的情况下，系统用户程序不变的情况下，TS也也不是定值。扫描时间不是定值。扫描时间TS的大小，对的大小，对PLC的工作有着重要的工作有着重要影响。扫描时间越长。影响。扫描时间越长。PLC系统反应越慢，输入信号的系统反应越慢，输入信号的允许频
28、率越低，用于定位控制时产生的误差越大。因允许频率越低，用于定位控制时产生的误差越大。因此，在进行此，在进行PLC系统设计时，除硬件选择得当、结构系统设计时，除硬件选择得当、结构合理外，软件上应尽可能地减小运算处理时间合理外，软件上应尽可能地减小运算处理时间TP，从而减小扫描时间从而减小扫描时间TS。37第37页，本讲稿共38页2.4.3 I/O响应响应 I/O响应响应是从输入状态变化到与之相关是从输入状态变化到与之相关的外部输出状态变化之间的过程。的外部输出状态变化之间的过程。I/O响应时间是表征响应时间是表征PLC反应速度的一反应速度的一个重要指标，它取决于个重要指标，它取决于PLC系统的结构，并系统的结构，并与与PLC的扫描时间密切相关。的扫描时间密切相关。38第38页，本讲稿共38页