PLC基础知识讲解

程序执行阶段
• 可编程控制器的用户程序由若干条指令所组成，指 令在存储器中按步序号顺序排列。在没有跳转指令 时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程 序，直到用户程序结束之处。在执行指令时，各编 程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内 容随着程序的执行而变化。
• 注意：当程序执行过程中因某种干扰使扫描失控或进入死循 环时，WDT会发出超时报警信号，使程序重新开始执行；若 由于偶然因素造成超时，而重新扫描程序不会再遇到“偶然 干扰”，系统便转入正常运行；若出现不可恢复的确定性故 障，则系统会自动停止执行用户程序，切断外部负载，发出 故障信号，等待处理。
2-1 可编程控制器概述
一、可编程控制器的产生
可编程控制器（Programmable Controller) 简称PLC。 自1969年第一台PLC面世以来，已成为一种 最重要、最普及、应用场合最多的工业控制 器。与机器人、CAD/CAM并称为工业生产自 动化的三大支柱。
1968年 美国通用汽车公司提出的替代继 电器控制系统的新型控制器的十项指标：
• 注意：在采样时刻，输入映像寄存器中的内容才与 输入信号一致，而其它时间范围内输入信号的变化 是不会影响输入映像寄存器中的内容的，输入信号 变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶 段被读入。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲 信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任 何情况下，该输入均能被读入。
二、国际电工委员会（IEC）PLC的定义：
• PLC是一种数字运算操作的电子装置， 专为在工业环境下应用而设计。它采用 可编程序的存储器，用来在其内部存储 执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数 和算术运算等操作指令，并通过数字式 和模拟式的输入和输出，控制各种类型 的机械或生产过程。PLC及其有关外围 设备，都应按易于与工业控制系统联成 一个整体，易于扩展其功能的原则设计
七、可编程控制器的性能指标
• 1、存储容量 • 2、I/O点数 • 3、扫描速度 • 4、指令的功能与数量 • 5、内部元件的种类及数量 • 6、特殊功能单元 • 7、可扩展能力
2-2 PLC的组成
一、组成： • 中央处理单元（CPU） • 存储器 • 输入输出单元（I/O单元）
• 电源单元 • 编程器
2.3 可编程控制器基本工作原理
开机 内部处理 通讯服务 输入刷新 程序执行 输出刷新
编程控制器有两种基本的 工作状态：运行（RUN）状 态与停止（STOP）状态。
可编程控制器在开机后， 完成内部处理、通信处理、 输入刷新、程序执行、输出 刷新五个工作阶段，称为一 个扫描周期。完成一次扫描 后，又重新执行上述过程， 可编程控制器这种周而复始 的循环工作方式称为扫描工 作方式。
2.3.2 扫描周期
• 可编程控制器在运行工作状态时，执行一次扫 描操作所需要的时间称为扫描周期，其典型值 为1~100ms。
• 没有外部设备与可编程控制器连接时该段时间 为0；输入/输出处理的执行时间≤1ms。指令执 行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类 和CPU执行指令的速度有很大的关系。当用户 程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相 当大的比例。
三、PLC的特点
• 可靠性高，抗干扰能力强。 • 编程直观、简单。 • 环境要求低，适应性好。 • 功能完善，接口功能强。 • 体积小、重量轻、功耗低
四、PLC的分类
• 1、按结构形式分类 • 整体式PLC • 模块式PLC • 叠装式PLC • 2、按输入/输出总点数分 • 小型PLC • 中型PLC • 大型PLC
新和执行用户程序等产生扫描周期 • （4）程序语句的安排，也影响响应时间
2.2.3 I/O滞后时间
输入信号
Y1
Y0
X0
Y1
Y1
Y2
出现信号
X0 Y1 Y2 Y0
输入采样 程序执行 输出处理 输入采样 程序执行 输出处理 输入采样 程序执行 输出处理
第一周期
第二周期
第三周期
•说明:在输第入二信三个号扫在描第周一期个的扫输描 程入周 序采期 执样的 行阶输段入，采输样 由入阶 于继段 Ｙ电之 １器后 的才 接X0出通的现使状，Ｙ态故０为在接ON第通（一，“个可1扫见”） 描状从周态外期，部内程输，序入各执触映行点像阶接寄段通存，到器 ＹY1的 ０、均 驱Y2动为依的“次负0接”载状通接态，通，故，使Y程1Y、0序、Y执2Y输行1、出阶Y端段2输的，出状响端态应的为延状O迟N态达为两个 O（多F扫“F（描1”“周）0期状”．）态状。态
通信服务阶段
• PLC在通信服务阶段检查是否有与编程器和计算 机的通信请求，若有则进行相应处理，如接收由 编程器送来的程序、命令和各种数据，并把要显 示的状态、数据、出错信息等发送给编程器进行 显示。如果有与计算机等的通信要求，也在这段 时间完成数据的接收和发送任务。
• 可编程控制器处于停止状态时，只执行以上的 操作。可编程控制器处于运行状态时，还要完成 下面三个阶段的操作。
• 《电气控制及可编程控制器》史国生编 化 学工业出版社
• 《电气控制与可编程控制器的原理及应用》 陈立定编 机械工业出版社
•课程特点及学习要求
• 特点： 本课程实践性很强，突出可编程控制器的 应用。
• 要求： 掌握可编程控制器原理，从自动化产品的 角度，了解其使用，包括产品选型，控制 系统设计，安装调试。认真做好每一次实 验。
输出处理阶段
• 在输出处理阶段，CPU将输出映像寄存器的0/1 状态传送到输出锁存器。梯形图中某一输出继电 器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为 “1”状态（或称该编程元件为ON ）。信号经输 出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中 对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合， 使外部负载通电工作。
SB0
X0
输
X0 Y0
元 Y0
KM0
SB1
输 X1 入 端
输 入 电 路
入
映读
像 寄
Y0 Y1
存
器
读
ຫໍສະໝຸດ Baidu
写
件 映
Y1
输 出
像
锁
寄
存
写存
器
器
输 出 电 路
输 KM1 出 端
映像寄存器
• 在PLC的存储器中，有一个专门存放输入输出 信号状态的区域，称为输入映像寄存器和输出 映像寄存器，可编程控制器梯形图中别的编程 元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件 映像寄存器。
内部处理阶段
• PLC接通电源后，在进行循环扫描之前，首先 确定自身的完好性，若发现故障，除了故障灯 亮之外，还可判断故障性质：一般性故障，只 报警不停机，等待处理；严重故障，则停止运 行用户程序，此时PLC切断一切输出联系。
• 确定内部硬件正常后，进行清零或复位处理， 清除各元件状态的随机性；检查I/O连接是否正 确；启动监控定时器，执行一段涉及到各种指 令和内存单元的程序，然后监控定时器复位， 允许扫描用户程序。
件是电磁阀、接触器、继电器。
• （1）输入接口电路 • 2-2
（2）输出接口 电路
• 继电器输出** • 晶体管输出 • 晶闸管输出
• 4、电源 • 可编程控制器使用220V交流电源或24V直流电源，内
部配有一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电 电源转化为PLC内部电路需要的工作电源（5V直 流）。
外形的样子
• PLC • 编程器
• 7-1
三菱FX2N系列 PLC的外形图
输入端子
I/O状态指示灯 工作指示灯
输出端子
1、中央处理器模块（CPU）
CPU的功能：
• 诊断电源、PC内部电路的工作状态和编程 的语法错误；
• 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据； • 用扫描的方式接收输入信号，送入PC的数
可编程控制器的诞生
• 1969年,美国研制出世界第一台PDP-14 • 1971年,日本研制出第一台DCS-8 • 1973年,德国研制出第一台可编程控制器 • 1974年,中国研制出第一台可编程控制器 • Programmable Logic Controller:PLC • Programmable Controller:PC • Personal Computer:PC
•五、PLC的应用
• 早期的PLC 改造原有的继电接触器控制系统。广 泛应用于各种控制系统中，如各种顺序控制等。 主要用于有大量开关量和少数模拟量的控制系统。
• 1、开关量的逻辑控制 • 2、运动控制 • 3、过程控制 • 4、数据控制 • 5、通信及联网
六、PLC的发展趋势
• PLC的发展趋势：1、小型化、专用化和低 价格；2、大型、高速、多功能和分布式全 自动网络化。
2.3.3 I/O滞后时间
• I/O滞后时间又称为系统响应时间，是指可编 程控制器外部输入信号发生变化的时刻起至它 控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间 的间隔。
I/O滞后现象的原因 ： • （1）输入滤波器有时间常数 • （2）输出继电器有机械滞后 • （3）PC循环操作时，进行公共处理、I/O刷
• 外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像 寄存器为“1”，梯形图中对应的输入继电器的 常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入触 点电路断开时，对应的输入映像寄存器为“0”， 梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开， 常闭触点接通。
输入处理阶段
• 在输入处理阶段，可编程控制器把所有外部输入电 路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入映像寄存 器。
输入处理、程序执行、输出处理
abc.程输紧序入接执刷着行新的阶阶输段段出-刷----新CCP阶PUU段从从-输输--入入将电映输路像出的寄映输存像出器寄端和存读元器 件出的映各状像路态寄状 写存态 入器， 输中并 出读将锁出其存各写电继入路电输，器入再的映经状像输态寄 出，存 电并器 路根； 传据递 此输状出态端执子行，用从户而程控序制，外执接行器结件果动再作写。入元件映 像寄存器中；
PLC基础
• 1、教学目的：通过这一章的学习，使学生了解 PLC
• 2、教学重点：PLC的产生、特点、应用及发展趋 势；PLC的组成、基本工作原理及技术性能指标
• 3、教学难点： PLC的产生、特点、应用范围， PLC的扫描的工作方式和执行程序的过程
• 4、学时分配：理论4学时
5、参考教材：
• 《可编程控制器原理及应用教程》孙振强 编 清华大学出版社“十一五”国家级规划 教材
• 5、编程器 • 主要用来编辑程序、调试程序和监控程序的执行，还
可以在线测试PC的内部状态和参数，与PC进行人机 对话。 • 编程器一般有两类：专用编程器和个人计算机。 • 专用编程器: • (1)手持编程器：FX-10P-E,FX-20P-E • (2)图形编程器 • 个人计算机：安装相关编程软件
2.4 可编程控制器的系统配置
• FX2N系列可编程控制器型号格式如下：
•
FX2N—□ □ □ □ - □
系列名 I/O总点数 单元功能 M：基本单元 E：输入输出混合扩展单元与扩展模块 EX：输入专用扩展模块 EY：输出专用扩展模块
特殊品种区别
输出类型 R：继电器输出 S：晶体管输出 T：晶闸管输出
据寄存器保存起来； • PC进入运行状态后，根据存放的先后顺序
逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成 用户程序中规定的各种操作； • 将用户程序的执行结果送至输出端。
2、存储器
• 包括系统存储器和用户存储器。 • 系统存储器存放系统管理程序。 • 用户存储器存放用户编制的控制程
序。
3、输入输出单元（I/O）：是PLC与被控 对象间传递输入输出信号的接口部件。输 入部件是开关、按钮、传感器等。输出部
1） 编程简单、现场可 修改程序； 2）维护方便、采用插 件式结构； 3）可靠性高于继电器 控制系统； 4）体积小于继电器控 制系统； 5）数据可以直接送入 计算机；
6）成本可与继电器系 统竞争； 7）输入可为市电； 8）输出可为市电，能 直接驱动电磁阀、交 流接触器等； 9）通用性强、易于扩 展； 10）用户存储器大于 4K。