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1、电气控制及电气控制及PLCPLC 第五章 可编程控制器（PLC）基本原理1 目的：以日本三菱公司小型可编程控制器FX系列PLC为例，介绍可编程控制器的基本结构，以及工作原理。要求：掌握可编程控制器的原理，理解可编程控制器的输入输出接口电路，掌握可编程控制器的工作过程。2目 录第一节第一节 概论第二节第二节 可编程控制器构成及工作原理 3第一节第一节 概论1.1 可编程控制器的产生及定义1、PLC的产生 1968年由美国通用汽车公司（GE）提出，1969年有美国数字设备公司（DEC）研制成功，有逻辑运算、定时、计算功能称为PLC（programmable logic controller）。80
2、年代，由于计算机技术的发展，PLC采用通用微处理器为核心，功能扩展到各种算术运算，PLC运算过程控制并可与上位机通讯、实现远程控制。被称为PC（programmable controller）即可编程控制器。2、PLC的定义国际电工委员会（IEC）1987年颁布的可编程逻辑控制器的定义如下：“可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。它能够存储和执行命令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备，都应按易于工业控制系统形成一
3、个整体、易于扩展其功能的原则设计”。41.2 可编程控制器的工作特点（1）抗干扰能力强，可靠性高。（采用无触点电路，高品质的电源模块，采用屏蔽、滤波、隔离等措施；完善的I/O接口；独特的程序运行方式）（抗干扰强度：1000V，10 s；AC220V15%，-1055?C，3585%RH。环境适应性强。）（2）控制功能强，柔性好。（逻辑控制、步进、定时/计数、模拟量控制、数据处理、通讯联网；修改程序方便）（3）编程简单，易学易用（采用近似于继-接线路的梯形图编程语言，指令系统简单。在PLC内部增加了解释程序）（4）组合灵活，使用方便（为系列产品，可组合成各种规模的控制系统。直接与外部I/O设备相
4、连，接线简单，I/O状态显示清晰，便于调试）（5）实现联网控制51.3 可编程控制器的分类和结构 1、分类 按I/O点数可分为大、中、小型三大类，通常可以定义为：小型：I/O点数在256点以下；中型：I/O点数在2561024点之间；大型：I/O点数在1024点以上。2、结构：整机式：一般为小型机（24点，40点，64点等），可扩展。模块式：分电源模块、CPU模块、输入/输出模块、A/D，D/A模块、通讯模块等，添加时安在母板上，组合灵活，可组成中型机（128512点）、大型机（512点）。叠装式：不使用母板，采用电缆连接各单元，安装时一层层叠装，整机式与模块式结合起来。61.4 可编程控制器
5、的应用和发展1、应用 PLC在多品种、小批量、高质量的产品生产中得到广泛的应用，PLC控制已成为工业控制的重要手段之一，与CAD/CAM，机器人技术一起成为实现现代自动化生产的三大支柱。通常可以认为，只要有控制要求的地方，都可以用到PLC。应用方式：（1）单机控制系统（2）多机控制系统（利用PLC通讯功能组成主从站分级控制）（3）网络控制系统（与计算机共同组成多级控制网络）2、发展方向 发展方向分小型化和大型化两个发展趋势。小型PLC有两个发展方向，即小（微）型化和专业化。大型化指的是大中型PLC向着大容量、智能化和网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合性的自动
6、控制。7第二节第二节 可编程控制器构成原理 可编程控制器硬件系统：可编程控制器系统由输入部分、运算控制部分和输出部分组成。输入部分：将被控对象各种开关信息和操作台上的操作命令转换成可编程控制器的标准输入信号，然后送到PLC的输入端点。运算控制部分（CPU）：由可编程控制器内部CPU按照用户程序的设定，完成对输入信息的处理，并可以实现算术、逻辑运算等操作功能。输出部分：由PLC输出接口及外围现场设备构成。CPU的运算结果通过PLC的输出电路，提供给被控制装置。82.1 可编程控制器的基本组成可编程控制器主机的硬件电路：由CPU，存储器，基本I/O接口电路，外设接口，电源等五大部分组成。9CPU、
7、存贮器、用户程序输入设备1.CPU：PLC的核心功能：接收并存贮用户程序；I/O控制；自诊断（电源、内部工作状态、编程语法）；执行用户程序。CPU主要采用通用微处理器（Z80、8086、M68000）、单片机（8051、8031、8049）双极型位片式微处理器（AMD2900系列）2.存贮器：RAM、EPROM，E2PROM系统程序存贮器-存放系统监控、编译、诊断程序，ROM（由厂方固化）用户程序存贮器-存放用户程序（根据现场控制要求用PLC专用语言编制的程序）3.用户程序输入设备编程器-直接输入指令表或梯形图，简单方便，但程序修改、运行监控不方便。计算机-利用PLC编程软件，进行程序编辑、传
8、送、运行、实时监控、打印以及不同程序间转换等。10输入接口电路CPU与用户输入设备的连接部件。采集现场开关接点的状态信号；并转换成标准逻辑电平，送CPU处理；带光电隔离，实现电气隔离，避免强电侵入。（信号采样、电平转换、电气隔离）。开关接点的“通”、“断”信号经光电耦合电路转化为“1”、“0”数据，存放在输入状态寄存器中，每个开关状态占寄存器字中的一位。接通时一般为7mA。输入接点分为直流输入式和交流输入式两大类。11输出接口电路CPU与用户输出设备的连接部件。输出状态寄存器的信号经输出锁存电路和光电耦合电路转换为不同类型的输出信号，再经功率放大电路驱动外接负载（电磁铁、继电器、接触器线圈等）
9、。（信号锁存、功率放大、电气隔离）每个输出点输出电路等效为一个输出继电器，输出信号为“1”，对应输出接点“接通”；输出信号为“0”，对应输出接点“断开”。PLC输出电路结构形式分为晶体管式，晶闸管式和继电器式等三种。122.2 可编程控制器的工作原理1 1、PLCPLC的等效电路的等效电路软元件：输入继电器 X 输出继电器 Y辅助继电器 M 定时器 T计数器 C 数据寄存器 D 132 2、PLCPLC工作过程工作过程分三个阶段进行：a.输入采样阶段-对输入端口状态进行扫描，并将结果存放在输入状态寄存器器中。b.程序执行阶段-按顺序逐行扫描，解释执行程序，所需数据从输入状态寄存器和元素状态 寄存器中读取，执行结果写入相应元素状态寄存器（Y、M、T、C、D）c.输出刷新阶段-把输出状态寄存器内容送给锁存电路，通过功率放大电路，驱动相应端口负载，完成实际输出。14工作周期 PLC不断重复上述三个阶段，来完成它的工作过程。每重复一次的时间就是一个工作周期（一般为几十ms）15