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1、 PLC应用技术 绪论一、电气控制技术的发展概况二、本课程的性质与任务一、电气控制技术的发展概况一、电气控制技术的发展概况l继电接触式控制系统 l顺序控制器 l可编程序控制器 二二、课程的目标是培养实际应用的能力，课程的目标是培养实际应用的能力，具体要求是具体要求是:l 1)熟悉常用低压电器的结构原理、用途和型号，具有合理选择、使用的能力。l 2)熟练掌握继电接触器控制线路的基本环节，具有阅读和初步分析电气控制线路的工作原理的能力。l 3)了解电气控制电路分析的方法和步骤，熟悉典型生产设备的电气控制电路。l 4)熟悉可编程序控制器的基本工作原理及应用发展概况。l 5)熟练掌握PLC的基本指令系
2、统和典型电路的编程，掌握可编程序控制器的程序设计方法。能够根据一般工艺过程和控制要求进行系统设计和编写应用程序。l6)了解可编程控制器的网络和通信原理。l7)初步具有设计和改进一般安全机械设备电气控制线路的基本能力。第1章 常用低压电器 l作用与分类作用与分类l接触器接触器l继电器继电器l开关开关l熔断器熔断器1.1 概述概述l1.1.1 电器的定义电器定义：一种能控制电路的设备。电器定义：一种能控制电路的设备。l低压电器：用于交流低压电器：用于交流1200V、直流、直流1500V级以级以下的电路中起通断、保护、控制或调节作用的下的电路中起通断、保护、控制或调节作用的电器产品。电器产品。l高压
3、电器：交流高压电器：交流1200V以上、直流以上、直流1500V以上。以上。1.1.2 常用低压电器分类l1按工作电压分类（1）低压电器。工作电压在交流）低压电器。工作电压在交流1000V或直流或直流1200V以下的电器。生产机械大多用低压电器。以下的电器。生产机械大多用低压电器。（2）高压电器。工作电压在交流）高压电器。工作电压在交流1000V或直流或直流1200V以上的电器。以上的电器。2按动作方式分类（1）自动电器。按照信号或某个物理量的高低而自动动作的电器。（2）非自动电器。通过人力操作而动作的电器。3按作用分类 （1）执行电器。用来完成某种动作或传送功）执行电器。用来完成某种动作或传
4、送功率。率。（2）控制电器。用来控制电路的通断。（）控制电器。用来控制电路的通断。（3）主今电器。发出控制指令以控制其他电器的动主今电器。发出控制指令以控制其他电器的动作。作。（4）保护电器。用来保护电源、电路及用电）保护电器。用来保护电源、电路及用电设备，使它不致在短路、过载状态下运行，免设备，使它不致在短路、过载状态下运行，免遭损坏。遭损坏。1.2 接触器接触器l定义：用来自动地接通或断开大电流电路的电定义：用来自动地接通或断开大电流电路的电器。器。l分：交流接触器、直流接触器。分：交流接触器、直流接触器。l组成：触点系统、电磁机构、灭弧装置。组成：触点系统、电磁机构、灭弧装置。1.2.1
5、 接触器结构和工作原理接触器结构和工作原理1.电磁系统电器分感测部分和执行部分。电器分感测部分和执行部分。组成：吸引线圈、铁心、衔铁、铁轭、空气气隙组成：吸引线圈、铁心、衔铁、铁轭、空气气隙。直动式电磁机构 拍合式电磁机构1-衔铁 2-铁心 3-吸引线圈 2、接触器的灭弧系统 电弧产生：在触点由闭合状态过渡到断开状态的电弧产生：在触点由闭合状态过渡到断开状态的过程中产生的电弧。气体自持放电形式之一，是过程中产生的电弧。气体自持放电形式之一，是一种带电质点的急流。一种带电质点的急流。电弧特点：外部有白炽弧光，内部有很高的温度电弧特点：外部有白炽弧光，内部有很高的温度和密度很大的电流。和密度很大的
6、电流。灭弧方法:（1）电动力吹弧 （2）磁吹灭弧电动力灭弧示意图 磁吹灭弧示意图1静触点 2动触点 1-磁吹线圈 2-绝缘套 3-铁心 4-引弧角 5-导磁夹板 6-灭弧罩 7-动触点 8-静触点；（3）栅片灭弧 栅片灭弧示意图 1-灭弧栅片 2-触点 3-电弧 3、触点系统、触点系统 触点的作用触点的作用:接通或分断电路接通或分断电路触点的结构触点的结构:桥式、指式桥式、指式桥式触点分为桥式触点分为:点接触式和面接触式点接触式和面接触式 a）桥式触点 b）桥式触点 c）指形触点 触点结构型式4、接触器的工作原理CJ20交流接触器结构示意1-动触桥 2-静触点 3-衔铁 4-缓冲弹簧 5-电磁
7、线圈 6-静铁心 7-垫毡 8-触点弹簧 9-灭弧罩 10-触点压力簧片交流接触器a)线圈 b）主触点 c）动合（常开）辅助触点 d)动断（常闭）辅助触点接触器图形符号 1.2.2 接触器的型号及主要技术参数额定电压：指主触点的额定工作电压。额定电压：指主触点的额定工作电压。直流有：直流有：24V、48V、110V、220V、440V交流有：交流有：36V、127V、220V、380V额定电流：主触点的额定电流。额定电流：主触点的额定电流。机械寿命（机械寿命（1000万次以上）与电气寿命（万次以上）与电气寿命（100万次万次以上）以上）操作频率：每小时的操作次数操作频率：每小时的操作次数一般：
8、一般：300次次/h、600次次/h、1200次次/h接通与分断能力：可靠接通和分断的电流值。接通时：主触点不应发生熔焊。分断时：主触点不应发生长时间燃弧。型号、含义l CJ20型号、含义 CZl接触器的选用接触器的选用 l(1)根据被接通或分断的电流种类选择接触器的类型；l(2)根据被控电路中电流大小和使用类别来选择接触器的额定电流；l(3)根据被控电路电压等级来选择接触器的额定电压；l(4)根据控制电路的电压等级选择接触器线圈的额定电压。1.3 继电器继电器继电器分类：继电器分类：用途分：控制继电器、保护继电器、中间用途分：控制继电器、保护继电器、中间 继电器。继电器。原理分：电磁式、感应
9、式、热继电器等原理分：电磁式、感应式、热继电器等参数分：电流、电压、速度、压力继电器参数分：电流、电压、速度、压力继电器动作时间分：瞬时继电器、延时继电器动作时间分：瞬时继电器、延时继电器输出形式分：有触点、无触点继电器输出形式分：有触点、无触点继电器区别继电器：用于控制电路、电流小，没有灭继电器：用于控制电路、电流小，没有灭 弧装置，可在电量或非电量的作弧装置，可在电量或非电量的作 用下动作。用下动作。接触器：用于主电路、电流大，有灭弧装接触器：用于主电路、电流大，有灭弧装 置，一置，一 般只能在电压作用下动般只能在电压作用下动 作。作。电磁式继电器电磁式继电器:以电磁力为驱动力的继电器以电
10、磁力为驱动力的继电器分分:电流继电器、电流继电器、电压继电器、时电流继电器、电流继电器、电压继电器、时间继电器、速度继电器、温度继电器、压力继间继电器、速度继电器、温度继电器、压力继电器等。电器等。1.3.1 电磁式继电器1电流继电器电流继电器 根据线圈中电流大小通断电路的继电器称为电流继电器。过电流、欠电流继电器图形符号 2.电压继电器电压继电器电压继电器 根据线圈两端电压的大小而接通或断开电根据线圈两端电压的大小而接通或断开电路继电器称为电流继电器路继电器称为电流继电器。电压继电器图形符号 3中间继电器中间继电器在控制电路中主要用来传递信号，扩中间继电器在控制电路中主要用来传递信号，扩大信
11、号功率以及将一个输入信号变换成多个输大信号功率以及将一个输入信号变换成多个输出信号等。出信号等。中间继电器的基本结构及工作原理与接触器完全中间继电器的基本结构及工作原理与接触器完全相同。相同。中间继电器图形符号a）线圈 b）常开触点 c）常闭触点1.3.2 热继电器l热继电器是利用电流的热效应原理来工作的保护电器。热继电器是利用电流的热效应原理来工作的保护电器。l热继电器主要用于电动机的过载保护、断相保护。热继电器主要用于电动机的过载保护、断相保护。l结构结构:由热元件、双金属片、动作机构、触点、调整装置及由热元件、双金属片、动作机构、触点、调整装置及手动复位装置等组成。手动复位装置等组成。工
12、作原理 热继电器工作原理示意图 1-凸轮 2a、2b簧片 3-手动复位按钮 4-弓簧 5-主双金属片 6-外导板 7-内导板 8-静触点 9-动触点 10-杠杆11-调节螺钉 12-补偿双金属片 13-推杆 14-连杆 15-压簧热继电器图形符号 1.4.3 时间继电器时间继电器l时间继电器:从得到输入信号（线圈的通电或断电）开始，经过一定的延时后才输出信号（触点的闭合或断开）的继电器，称为时间继电器。l时间继电器延时方式有两种：通电延时、断电延时。l分:电磁式、电动式、空气阻尼式、晶体管式等。空气阻尼式空气阻尼式 JS7-A系列时间继电器1-线图；2-铁心；3-衔铁；4-反力弹簧；5-推板；
13、6-活塞杆；7-杠杆；8-塔形弹簧；9-弱弹簧；10-橡皮膜；11-空气室壁；12-活塞；13-调节螺钉；14-进气口；15、16-微动开关图形符号时间继电器图形及文字符号 1.3.4 速度继电器l速度继电器速度继电器:是当转速达到规定值时动作的继是当转速达到规定值时动作的继电器，其作用是与接触器配合实现对电动机的电器，其作用是与接触器配合实现对电动机的制动，所以又称为反制动继电器。制动，所以又称为反制动继电器。l结构结构:转子、定子和触点三部分组成转子、定子和触点三部分组成 结构原理图速度继电器的结构原理图。速度继电器图形符号1-螺钉 2-反力弹簧 3-常闭触点 4-动触点 5-常开触点 a
14、）常开触点 b常闭触点6-返回杠杆 7-杠杆 8-定子导体 9-定子 10-转轴 11-转子1.4 熔断器熔断器l熔断器熔断器:是低压电路及电动机控制线路中主要用作短路保护是低压电路及电动机控制线路中主要用作短路保护的电器。的电器。l结构结构:熔管（熔座）、熔体熔管（熔座）、熔体l分类分类:插入式熔断器插入式熔断器、螺旋式熔断器螺旋式熔断器、无填料封闭管式熔断无填料封闭管式熔断器器、有填料封闭管式熔断器有填料封闭管式熔断器 型号，图形符号熔断器图形符号 熔断器的时间电流特性 1.5 低压隔离开关低压隔离开关l1.5.1 刀开关l刀开关:是一种手动配电器，主要用来手动接通或断开交、直流电路。l作
15、用:通常只作隔离开关使用，也可用于不频繁地接通与分断额定电流以下的负载，如小容量电动机、电阻炉等。l结构:操作手柄、触刀、触点座和底座组成。1.5.2 自动空气开关低压断路器的工作原理示意图 低压断路器的图形、文字符号1-主触点 2-自由脱扣结构 3-过电流脱扣器 4-分磁脱扣器5-热脱扣器 6-欠电脱扣器 7-按钮 1.5.3组合开关组合开关 组合开关的图形符号和文字符号 l组合开关:是一种多触点、多位置式，可控制多个回路的电器。l作用:一般用于电气设备中非频繁地通断电路、换接电源和负载，测量三相电压以及控制小容量电动机。l结构由动触点（动触片）、静触点（静触片）、转轴、手柄、定位机构及外壳
16、等部分组成。1.6 主令电器主令电器l主令电器主令电器:是主要用来发号施令，使接触器和是主要用来发号施令，使接触器和继电器动作，以达到接通与分断控制电路的目继电器动作，以达到接通与分断控制电路的目的。的。l分分:按钮按钮、行程开关与接近开关、行程开关与接近开关 1.6.1 按钮l按钮按钮:是一种手动且可以自是一种手动且可以自动复位的主令电器。动复位的主令电器。l作用作用:在控制电路中用于手在控制电路中用于手动发出控制信号以控制接动发出控制信号以控制接触器、继电器等。触器、继电器等。l结构结构:钮帽、复位弹簧、桥钮帽、复位弹簧、桥式触点和外壳等组成。式触点和外壳等组成。l分类分类:启动按钮、停止
17、按钮启动按钮、停止按钮和复合按钮等。和复合按钮等。控制按钮的图形及文字符号 1.6.2行程开关行程开关l行程开关l依照生产机械的行程发出命令以控制其运行方向或行程长短的主令电器，称为行程开关。若将行程开关安装于生产机械行程终点处，以限制其行程，则称为限位开关或终点开关。l行程开关结构分为直动式（如LX1、JLXK1系列）、滚轮式（如LX2、JLXK2系列）和微动式（如LXW-11、JLXK1-11系列）三种。l行程开关的工作原理和按钮相同，区别在于它不靠手的按压，而是利用生产机械运动部件的档铁碰压而使触点动作。行程开关的图形符号 第第2章章 电气控制线路的基本环节电气控制线路的基本环节l 电气
18、控制系统图及绘制原则 l 并励直流电动机的基本控制电路并励直流电动机的基本控制电路l 三相笼型异步电动机的控制电路三相笼型异步电动机的控制电路l 典型设备电气控制电路分析典型设备电气控制电路分析2.1 电气控制系统图及绘制原则电气控制系统图及绘制原则 电气控制系统图的定义电气控制系统是由电气控制元件按一定要求联接成为了清晰地表达生产机械电气控制系统的工作原理，便于系统的安装、调整、使用和维修，将电气控制系统中的各电气元件用一定的图形符号和文字符号表达出来，再将其连接情况用一定的图形表达出来，这种图形就是电气控制系统图。常用的电气控制系统图有电气原理图、电器布置图与安装接线图。2.1.1 电气图
19、常用的图形符号、文字符号和接线端子标记l1图形符号和文字符号电气控制系统图中，电气元件的图形符号、文字符号必须采用国家最新标准，即GBT472819962000“电气简图用图形符号”、GBT6988142002“电气技术文件的编制”、GBT69886-1993“控制系统功能图表的绘制”、GBT7159-1987“电气技术中的文字符号制定通则”，并按照GBT6988-1997“电气制图”要求来绘制电气控制系统图。l2接线端子标记2.1.2 电气控制图绘制原则电气原理图电气原理图又称电路图，它是用图形符号和项目代号表示电路中各个电器元件连接关系和电气工作原理的。它不反映电气元件的大小、安装位置，只
20、用电气元件的导电部件及其接线端钮表示电气元件，用导线将这些导电部件连接起来，反映其连接关系。所以电气原理图结构简单、层次分明，关系明确，适用于分析研究电路的工作原理，且为其他电气图的依据，在设计部门和生产现场获得广泛的应用。CW6132普通车床电气原理图普通车床电气原理图（1）绘制电气原理图的原则）绘制电气原理图的原则l1)图中所有的元器件都应采用国家统一规定的图形符号和文字符号。l2)电气原理图的组成 l3)电源线的画法 l4)原理图中电气元件的画法 l5)电气原理图中电气触头的画法 l6)原理图的布局 l7)线路连接点、交叉点的绘制 l8)原理图的绘制要层次分明，各电器元件及触头的安排要合
21、理，既要做到所用元器件最少，耗能最少，又要保证电路运行可靠，节省连接导线以及安装、维修方便。(2)关于电气原理图图面区域的划关于电气原理图图面区域的划分分 为了便于确定原理图的内容和组成部分在 图中的位置，可在各种幅面的图样区。每个分区内竖边方向用大写的拉丁字母号，横边方向用阿拉伯数字编号。编号的顺序应从与标题栏相对应的图幅的左上角始，分区代号用该区的拉丁字母和阿拉伯数字表示。有时为了分析方便，也把数字区放在图的下面。为了方便读图，利于理解电路工作原理，常在图面区域对应的上方标明该区域的元件或电路的功能(3)继电器、接触器触头位置的索继电器、接触器触头位置的索引引 电气原理图中，在继电器、接触
22、器线圈的下方注有该继电器、接触器触头所在图中位置的索引代号，索引代号用图面区域号表示。其中左栏为常开触头所在图区号，右栏为常闭触头所在图区号(4)电气图中技术数据的标注 电气原理中电气元件的相关数据，常在电气原理图中电器元件文字符号下方标注出来。2.电器布置图电器元件的布置应注意以下几方面：l1)体积大和较重的电器元件应安装在电器安装板的下方，而发热元件应安装在电器安装板的上面。l2)强电、弱电应分开，弱电应屏蔽，防止外界干扰。l3)需要经常维护、检修、调整的电器元件安装位置不宜过高或过低。l4)电器元件的布置应考虑整齐、美观、对称。外形尺寸与结构类似的电器安装在一起，以利安装和配线。l5)电
23、器元件布置不宜过密，应留有一定间距。如用走线槽，应加大各排电器间距，以利布线和维修。CW6132车床电气设备安装及控制车床电气设备安装及控制盘电器布置图盘电器布置图3.电气安装接线图l电气安装接线图的绘制原则是：（1）外部单元同一电器的各部件应画在一起，其布置尽可能符合电器的实际情况。（2）各电器元件的图形符号、文字符号和回路标记均以电气原理图为准，并保持一致。（3）不在同一配电屏上和同一控制柜上的各个电器元件的连接，必须经接线端子板进行连接。互连图中的电气互连关系用线束表示。连接导线应注明导线的规格（数量、截面积等），一般不表示实际走线途径，施工时由操作者根据实际情况选择最佳走线方式。（4）
24、对于控制装置的外部连接线，应在图上或用接线表表示清楚，同时还需标明电源的引入点。2.2并励直流电动机的基本控制电并励直流电动机的基本控制电路路l2.2.1启动控制电路并励直流电动机电枢回路串电阻2级启动控制线路。2.2.2正反转控制电路 改变直流电动机的旋转方向有两种方法：1）改变电枢电流方向，保持励磁磁场方向不变；2）改变励磁绕组电流方向，保持电枢电流方向不变。并励直流电动机正反转控制线路2.2.3能耗制动控制电路 直流电动机的制动分为机械制动和电气制动。直流电动机进行电气制动时，励磁电源是不能切断的，同时为产生必要的制动转矩，还必须使励磁保持为额定值。直流电动机的电气制动方式有能耗制动、反
25、接制动和再生制动。并励直流电动机带能耗制动的正反转控制线路2.2.4调速控制电路直流电动机的转速公式 式中U电枢回路的 电源电压；Ia电枢电流；Ra电枢绕组电阻；Rs电枢回路所串电阻。Ce决定于电动机结构的常数；电动机工磁通。1.电枢回路串电阻调速2.改变励磁主磁通调速3.改变电枢电压调速法l 人们以前常采用他励直流发电机作为调速电源，组成直流发电机一电动机组的调速系统。这种系统虽然有较好的调速性能，也可实现无级调速，同时也能很方便地进行电动机启动、制动和正反转的控制。但由于这种系统机组多，设备庞大，费用高，且效率较低，过渡时间较长，渐渐被由晶闸管组成的整流装置的电动机直流调速系统所取代 2.
26、3 三相笼型异步电动机的控制电三相笼型异步电动机的控制电路路l2.3.1三相异步电动机的基本控制电路1.1.全压启动控制电路全压启动控制电路2.2.正、反转控制电路正、反转控制电路3.3.顺序控制顺序控制4.4.行程控制行程控制1.全压启动控制电路l（1）开关控制线路（2）点动控制线路）点动控制线路(3)长动控制线路长动控制线路（4）长动及点动控制线路）长动及点动控制线路2.正、反转控制电路（1）接触器连锁正反转控制线路（2）双重连锁的正反转控制线路）双重连锁的正反转控制线路3.顺序控制4.行程控制2.3.2 三相异步电动机降压启动控制电路l1.三相笼型异步电动机定子串电阻启动控制电路l2.三
27、相笼型异步电动机星-三角（Y-）形启动控制电路l 3.绕线式异步电动机转子绕组串电阻启动控制电路1.三相笼型异步电动机定子串电阻启动控制电路l（1）手动控制（2）自动控制）自动控制2.三相笼型异步电动机星-三角（Y-）形启动控制电路l（1）手动控制（2）自动控制）自动控制3.绕线式异步电动机转子绕组串电阻启动控制电路l（1）按钮操作控制线路(2)自动控制自动控制2.3.3异步电动机的制动控制电路l1.鼠笼型异步电动机能耗制动控制线路2.鼠笼型异步电动机反接制动控制线路2.4 典型设备电气控制电路分析典型设备电气控制电路分析 l机床电气控制系统图的分析方法及步骤：l1）了解金属切削机床的主要技术
28、性能，了解其中机械、液压和气动各部分的分工、作用及工作原理。l2）分析并明确机床所具有的运动，各运动执行件的运动性质、规律以及对这些运动属性的控制要求。l3）主电路分析。根据对各运动的控制要求，对电气控制系统的主电路进行分析。包括用电设备的数目、线路的连接情况、各触点及保护环节的作用与功能等。l4）控制电路分析。包括控制线路各环节的构成、相互关系及控制功能的实现等进行分析。2.4.1 C650-2型普通车床电气控制线路 C650卧式车床电气控制原理图2.机床控制电路l（1）主电动机的正、反转控制l（2）主电动机的点动控制l（3）主电动机的停车制动控制l（4）机床快速移动电动机和冷却泵电动机 的
29、控制 2.4.2 Z3040型摇臂钻床电气控制线路l 摇臂钻床的成形运动有：主轴的旋转(主运动)及垂直进给运动。l辅助运动有：主轴箱沿摇臂导轨的径向移动、摇臂沿外立柱的上下升降运动、摇臂随外立柱一起绕内立柱的转动。对机床控制系统的控制要求：对机床控制系统的控制要求：l1)刀具主轴的正反转控制，以实现螺纹的加工及退刀。l 2)刀具主轴旋转及垂直进给速度的控制，以满足不同的工艺要求。l 3)外立柱、摇臂、主轴箱等部件位置的调整运动。l 4)为确保加工过程中刀具的径向位置不会发生变化，外立柱、摇臂、主轴箱等部件必须有夹紧与松开控制。l 5)冷却泵及液压泵电动机的起停控制。l 6)必要的保护环节及照明
30、指示电路。l 7)摇臂钻床的主轴旋转与摇臂的升降不允许同时进行，它们之间应互锁，以确保安全。Z3040摇臂钻床电气控制原理图摇臂钻床电气控制原理图1主电动机的控制 2摇臂的升降控制3立柱和主轴箱的松开与夹紧控制第第3章章 可编程序控制器及其工作原理可编程序控制器及其工作原理 3.1 可编程控制器的基本概念可编程控制器的基本概念 3.2可编程控制器的硬件组成及各部分功能可编程控制器的硬件组成及各部分功能 3.3 可编程序控制器的软件组成及编程语言可编程序控制器的软件组成及编程语言 3.4 可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理 3.5 可编程序控制器的主要性能指标可编程序控制器的主要性能指
31、标 3.1 可编程控制器的基本概念可编程控制器的基本概念l国际电工委员会(International Electrical Committee)在1987年颁布的PLC标准草案中对PLC作了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”3.1.1可编程控制器的特点及应用可编程控制器的特点及应用 l1PLC
32、的特点l（1）可靠性高，抗干扰能力强 （2）编程简单、直观l（3）控制功能强l（4）易于安装，便于维护2PLC的应用领域的应用领域l目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为以下几类。l(1)顺序控制l(2)运动控制l(3)闭环过程控制l(4)数据处理 l(5)通信和联网3.1.2可编程序控制器的产生与发展可编程序控制器的产生与发展l世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司(DEC)研制的PDP-14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意的效果。可编程自问世以来，发展极为
33、迅速。l20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得了广泛的应用。l这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。l如美国Rockwell自动化公司所属的A-B(Allen-Bradley)公司，GE-Fanuc公司，日本的三菱公司和立石公司，德国的西门子(Siemens)公司等。可编程控制器已作为一个独立的工业设备被列入生产中，成为当代电控装置的主导。l中国是20世纪80年代初引进、应用、研制、生产可编程控制器的。目前，中国已能够生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、
34、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模，并在工业产品中获得了应用。3.1.3 可编程控制器的分类可编程控制器的分类l1、按硬件结构类型分类l(1)整体式结构l整体式又叫单元式或箱体式，它的特点是将PLC的基本部件，如 CPU模块，I/O模块和电源等紧凑地安装在一个标准机壳内，组成PLC的一个基本单元或扩展单元。l(2)模块式结构l模块式结构又叫积木式。这种结构形式的特点是把PLC的每个工作单元l都制成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、通讯模块等等。另外用一块带有插槽的母板(实质上就是计算机总线)把这些模块按控制系统需要选取后插到母
35、板上，就构成了一个完整的PLC。这种结构的PLC的特点是系统构成非常灵活，安装、扩展、维修都很方便。缺点是体积比较大。（3）叠装式结构）叠装式结构 l图示 叠装式可编程控制器l叠装式结构是单元式和模块式相结合的产物。把某个系列的PLC工作单元的外形都制作成一致的外观尺寸，CPU、I/O口及电源也可做成独立的，不使用模块式PLC中的母板，采用电缆连接各个单元，在控制设备中安装时可以一层层地叠装，就成了叠装式PLC。图示是一款西门子S7-200叠装式PLC示意图。二、按运用规模及功能分类二、按运用规模及功能分类lPLC按规模分类l超小型64点以下,小型64128点,中型128512点,大型5128
36、192点,超大型8192点以上.l可编程控制器还可以按功能分为低档机、中档机及高档机。3.2可编程控制器的硬件组成及各部分功能可编程控制器的硬件组成及各部分功能l主要由中央处理器(CPU)，存储器，输入、输出接口，电源，扩展接口，通信接口，编程工具，智能I/O接口，智能单元等组成。PLC的硬件结构框图如图所示。l中央处理器中央处理器(CPU)l主要作用l1.接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。l2.诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误。l3.用扫描的方式通入I/O部件接收现场的状态或数据，并存入输入映像存储器或数据存储器中。l4.PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，解
37、释并按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像存储器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。l存储器存储器 l PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分 l系统存储器一般存放系统程序。l用户存储器主要用于存放用户程序、逻辑变量和其它一些信息l输入输入/输出接口输出接口l输入/输出接口是PLC与外界连接的接口。lI/O单元实际上是PC与被控对象间传递输入、输出信号的接口部件。lPLC开关量输出接口按输出开关器件种类不同常有三种形式：一是继电器输出型l第二种是晶体管输出型，通过光耦合使开关晶体管截止或饱和导通以控制外部电路
38、；l第三种是双向晶闸管输出型.l按照负载使用电源不同，分为直流输出接口、交流输出接口和交直流输出接口。l通常PLC的开关量输入接口按使用的电源不同有三种类型：直流1224V输入接口，交流100120V或200240V输入接口与交直流(AC/DC)1224V输入接口。输入开关可以是无源触点或传感器的集电极开路的晶体管。.开关量输入接口电路开关量输入接口电路l（1）直流输入接口电路l（2）交流输入接口电路l（3）交、直流输入接口电路l2.输出接口单元l图（a）输出接口为继电器型；图（b）输出接口为晶体管型；图（c）输出接口为可控硅型。l 电源单元 lPLC一般使用220V单相交流电源，电源部件将交
39、流电转换成中央处理器、存储器等电路工作所需的直流电，保证PLC的正常工作。l对于整体式结构的PLC，电源通常封装在机箱内部；对于组合式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。l外部设备 l1编程设备l一般有两类：一类是专用的编程器l另一类是个人计算机l2其他外部设备l(1)盒式磁带机 用以记录程序或信息。l(2)打印机 用以打印程序或制表。l(3)EPROM写入器 用以将程序写入到用户EPROM中。l(4)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。3.3 可编程序控制器的软件组成及编程语可编程序控制器的软件组成及编程语言言l可编程序控制器的软件
40、由系统软件和用户程序两大部分组成。系统软件由PLC制造商 固化在机内，用以控制可编程序控制器本身的运作；用户程序则是由使用者编制并输入的，用来控制外部对象的运作。3.3.1可可 编编 程程 控控 制制 器器 的的 软软 件件 分分 类类 可编程控制器的软件包含可编程控制器的软件包含系统软件系统软件和和应用软件应用软件两大部分两大部分 l系统软件l系统软件包含系统的管理程序，用户指令的解释程序，另外还包括一些供系统调用的专用标准程序块等。系统管理程序用以完成机内运行相关时间分配、存储空间分配管理及系统自检等工作。用户指令的解释程序用以完成用户指令变换为机器码的工作。系统软件在用户使用可编程控制器
41、之前就已装入机内，并永久保存，在各种控制工作中并不需要做什么调整。l应用软件l应用软件也叫用户软件。是用户针对具体控制对象，采用PLC厂家提供的编程语言自主编制的程序。它是一定控制功能的表述，同一台PLC用于不同的控制目的时，需编制不同的应用程序，相当于改变可编程序控制器的用途，也相当于继电接触器控制设备的硬接线线路进行重设计和重接线，这就是所谓的“可编程序”。程序既可由编程器方便地送人PLC内部的存储器中，也能通过它方便地读出、检查与修改。3.3.2 PLC的编程语言的编程语言l应用程序的编制需使用可编程控制器生产厂方提供的编程语言。至今为止还没有一种能适合于各种可编程序控制器的通用编程语言
42、。但由于各国可编程控制器的发展过程有类似之处，可编程序控制器的编程语言及编程工具都大体差不多。一般常见的有如下几种编程语言的表达方式。l1梯形图(LAD)l2.指令表(STL)编程l3功能块图(Functionblockdiagram)l4顺序功能图(Sequential FunctiOn Chart)l5结构文体(Structuredtext)1梯形图梯形图(LAD)。l梯形图(LAD)编程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，是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。它的许多图形符号与继电器控制系统电路图有对应关系见表lPLC梯形图的一个关键概念是“能流”，是一
43、种假想的“能量流”。l要强调的是，引入“能流”概念，仅仅是为了和继电接触器控制系统相比较，告诉人们如何来理解梯形图各输出点的动作，实际上并不存在这种“能流”。2.指令表指令表(STL)编程编程l指令表也叫语句(Statement List)，它类似于计算机中的助记符语言，是可编程序控制器最基础的编程语言。所谓指令表编程，是用一系列的指令表达程序的控制要求。l一条典型指令往往由两部分组成：一是用来代表可编程序控制器的某种操作功能的特定字符，如图中的“LD”，称为助记符；另一部分为操作数或称为操作数的地址如“I0.1”。指令与梯形图有一定的对应关系 l图右边是指令表编程举例。图中LD指令为常开触点
44、与左侧母线相连接，O指令为常开触点与其他程序段相并联，AN指令为常闭触点与其他程序段相串联，“=”指令为将运算结果输出到某个继电器，I00、I0I02中I为输入继电器，后面数字为编号，Q11中Q为输出继电器，后面数字为编号，M03中M为内部标志位，也称位存储区，类似于继电接触器系统中的中间继电器。3功能块功能块(Functionblockdiagram)l功能块图与语句表l功能块图是一种类似于数字逻辑电路的编程语言，熟悉数字电路的人比较容易掌握。该编程语言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，信号自左向右流动。就像电路图一样，它们被“导线”连
45、接在一起.在与控制元件之间的信息、数据流动有关的高级应用场合，FBD是很有用的。4顺序功能图顺序功能图(SequentialFunctiOn Chart)l顺序功能图（SFC）常用来编制顺序控制类程序。它包含步、动作、转换三个要素。顺序功能编程法可将一个复杂的控制过程分解为一些小的工作状态，对这些小的工作状态的功能分别处理后再依一定的顺序控制要求连接组合成整体的控制程序。顺序功能图体现了一种编程思想，在程序的编制中有很重要的意义。5结构文体结构文体(Structuredtext)l随着PLC的飞速发展，如果许多高级功能还使用梯形图来表示，会很不方便。为了增强PLC的数学运算、数据处理、图表显示
46、、报表打印等功能，许多大中型PLC都配备了PASCAL、BASIC、C语言等高级编程语言。这种编程方式叫作结构文本。与梯形图相比，结构文本有两个很大的优点，其一是能实现复杂的数学运算，其二是非常简洁和紧凑，用结构文本编制极其复杂的数学运算程序是相当简洁的。结构文本用来编制逻辑运算程序也很容易。3.4 可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理l可编程控制器的工作原理与计算机的工作原理基本上是一致的，可以简单地表述为在系 统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户所规定的任务。但个人计算机与PLC的工作方式有所不同，计算机一般采用等待命令的工作方式。如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式。当键盘有
47、键按下或I/O口有信号时则中断转入相应的子程序。因此，当控制软件发生故障时，会一直等待键盘或I/O命令，可能发生死机现象。而PLC作为工业专用控制机，采用循环扫描用户程序工作方式，即系统工作任务管理及应用程序执行全部都是以循环扫描方式完成的。当软件发生故障时，可以定时执行下一轮扫描，避免了死机现象，因此可靠性更高。3.4.1分时处理及扫描工作方式分时处理及扫描工作方式l1.PLC输入信号传送方式lPLC采集现场信息即采样输入信号有两种方式：l（1）集中采样输入方式。一般在扫描周期的开始或结束将所有输入信号（输入元件的通/断状态）采集并存放到输入映像寄存器（PII）中。执行用户程序所需输入状态均
48、在输入映像寄存器中取用，而不直接到输入端或输入模块中去取用。l（2）立即输入方式。随程序的执行需要哪一个输入信息就直接从输入端或输入模块取用这个输入状态,同样，PLC对外部的输出控制也有集中输出和立即输出两种方式。此时输入映像寄存器的内容不变，到下一次集中采样输入时才变化。lPLC对输入、输出信号一般采用集中输入、输出的传送方式，在有特殊要求的地方执行立即输入/输出指令，此时全部或部分的输入点信号读入一次，以刷新输入映像寄存器内容，或将此时的输出结果立即向输出端或输出模块输出。2.PLC工作全过程工作全过程lPLC工作的全过程可用图所示的运行框图来表示。整个运行可分为三部分：l第一部分是上电处
49、理。机器上电后对PLC系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。l 第二部分是扫描过程。PLC上电处理完成以后进入扫描工作过程。先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU处于STOP方式时，转人执行自诊断检查。当CPU处于RUN方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。l 第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通信等是否异常或出错，如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在
50、特殊寄存器中会存入出错代码。当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描停止。PLC运行框图运行框图 3.从输入到输出信号传递过程从输入到输出信号传递过程l(1)输入采样阶段 PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存人内存中各对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着，进入程序执行阶段，在程序执行阶段或输出阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。l (2)程序执行阶段 根据PLC梯形图程序扫描原则，PLC按先左后右，先上后下的步序语句逐句扫描。但遇到程序跳转指