可编程序控制器 原理及工程应用

1. 可编程序控制器原理及工程应用 天津工程师范学院 常斗南 李全利 钟平 于静 编著 2006.4

2. 第一章可编程序控制器的一般结构及基本工作原理 第一节 可编程序控制器的基本结构 PLC实现控制的两个基本点是输入输出的变换，予以物理实现。 输入输出的变换就是信息处理，当今世界最常用的是微机处理技术。PLC也是采用这种微机技术，使其专门化——用于工业现场。 物理实现就要求PLC的输入应排除各种干扰信号，适应于工业现场，输出应放大到工业控制水平，能为实现控制系统方便使用，即I/O电路为专门设计。其内部结构框图如图1.1所示。下面介绍各部分的作用。

4. 1、微处理机 微处理机由微处理器（CPU）和存储器组成。CPU的主要作用是诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。采集现场的状态或数据，送入PLC的寄存器中。逐条读取指令，完成各种运算和操作。将处理运算结果送到输出端响应外部各种设备的工作请求。 存储器由ROM（只读存储器）和随机存储器RAM（可读可写存储器）。ROM用以存放系统管理程序、监控程序及系统内部数据，用户不能更改。RAM主要存放用户程序，为防止去电后RAM内容丢失，一般用专门锂电池供电。 2、输入输出接口电路 输入接口电路：利用由发光二极管和光电三极管组成光电耦合电路，将限位开关、手动开关、编码器等现场输入设备的控制信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。直流输入型的PLC输入接口电路如图1.2所示。 图1.2 PLC的输入接口电路

5. （1）输出接口电路：采用光电耦合电路，将CPU处理完的信号转换成现场需要的强电信号输出用以驱动执行元件，如接触器、电磁阀等外部设备的通断电。输出接口电路共有三种类型：继电器输出型为有触点输出方式，用于接通或断开开关频率较低的直流负载或交流负载，如图1.3所示。（1）输出接口电路：采用光电耦合电路，将CPU处理完的信号转换成现场需要的强电信号输出用以驱动执行元件，如接触器、电磁阀等外部设备的通断电。输出接口电路共有三种类型：继电器输出型为有触点输出方式，用于接通或断开开关频率较低的直流负载或交流负载，如图1.3所示。 图1.3 继电器输出型的PLC输出接口电路 （2）晶闸管输出型为无触点输出方式，用于接通或关断开关频率较小的交流电源负载。其PLC输出接口电路如图1.4所示。 图1.4晶闸管输出型的PLC输出接口电路

6. （3）晶体管输出型为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的直流电源负载，其NPN晶体管输出型和PNP晶体管输出型如图1.5所示。（3）晶体管输出型为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的直流电源负载，其NPN晶体管输出型和PNP晶体管输出型如图1.5所示。 （a）NPN型 （b）PNP型 图1.5 晶体管输出型PLC的输出接口电路

7. 3、电源部件 PLC的电源部件是指将外部输入的交流电整流滤波处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输入输出接口等内部电路工作需要的直流电源电路或电源模块。许多PLC的直流电源多采用直流开关稳压电源，不仅可以提供多路独立的电压供内部电路使用，而且还为输入设备提供标准的直流电源。 4、手持编程器 手持编程器主要由键盘、显示器、工作方式选择开关等组成。采用指令助记符语言编程，主要用来输入编辑、检索、修改、调试用户程序，并具有系统设置、内存监控等功能。采用手持编程器编程具有使用灵活方便、价格低廉等特点，但不够直观。 目前采用计算机进行编程和监控比手持编程工具更加直观和方便。可通过PLC的RS232外设通信口（或RS422口配以适配器）与计算机联机，利用专用工具软件（NPST-GR、FPSOFT、FPWIN-GR）对PLC进行编程和监控。 5、输入输出I/O扩展接口 若PCL主控单元的I/O点数不能满足用户需要时，可通过该接口用扁平电缆将I/O扩展单元与主控单元相连，以增加I/O点数。PLC的最大扩展能力主要受CPU寻址能力和主机驱动能力的限制。

8. 二、可编程序控制器的基本工作原理 1、PLC的等效电路 对于继电器输出型的PLC，类似继电接触器控制的等效电路如图1.6所示。PLC可视为一个执行逻辑控制功能的工业控制装置。其中CPU的功能是完成逻辑运算，存储器是保持逻辑功能。 图1.6 PLC的等效电路

9. PLC的等效电路可分为输入部分、内部控制电路和输出部分。输入部分的作用是收集被控设备的信息或操作命令。输入端子是PLC与外部开关（行程开关、转换开关、按钮开关等）、敏感元件等交换信号的端口。输入继电器（如图1.6中X0、X1、X2等）由接到输入端的外部信号来驱动，其驱动电源可由PLC的电源组件提供（如直流24V）。等效电路中的一个输入继电器，实际对应于PLC 输入端的一个输入点及其对应的输入电路。 内部控制电路是由用户根据控制要求编制的程序所组成，其作用是按用户程序的控制要求对输入信息进行运算处理，来判断哪些信号需要输出，并将得到的结果输出给负载。PLC内部有许多类型的器件，如定时器（用TIM表示）、计数器（用CNT表示）、内部辅助继电器（如图1.6中的R0）。这些器件都是软器件，它们都有成对软件实现的常开触头和常闭触头，均在PLC内部。 输出部分的作用是驱动外部负载。输出端子是PLC向外部负载输出信号的端子，每一个输出端子对应一个输出继电器。与输出端子相接的是各种执行元件如接触器线圈、电磁阀等。输出继电器除提供一副供实际使用的硬常开触头外，还提供内部使用的许多对常开和常闭触点。

10. 输入刷新 输出刷新 程序执行 输入刷新 一个扫描周期 2、PLC的工作方式 PLC采用循环扫描工作方式，这种工作方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向各输出点发出相应的控制信号。整个过程可分为三个阶段：输入刷新，用户程序执行，输出刷新。其工作过程如图1.7所示。 图1.7 PLC的扫描工作过程

11. PLC的中央处理器在开始时，首先对各个输入端进行扫描，将输入端的状态送到输入状态寄存器中，这是输入刷新阶段。然后中央处理器将指令逐条调出并执行，以对输入和原输出状态（这些状态统称为数据）进行“处理”，即按程序对数据进行逻辑、算术运算，再将正确的结果送到输出状态寄存器，这就是程序执行阶段。当所有的指令执行完毕时，集中把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备所能接收的电压或电流信号，以驱动被控设备，这就是输出刷新阶段。 由于输入刷新分阶段是紧接输出刷新阶段之后马上进行的，所以要将这两个阶段统称为I/O刷新阶段。实际上，除了执行程序和I/O刷新外，ＰＬＣ还要进行各种错误检测（自诊断功能），并与编程器或计算机等编程工具进行通信，这些操作统称为“监视服务”。 PLC经过上述这三个阶段的工作过程，称为一个扫描周期，完成一个周期后又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。扫描周期是PLC的重要指标之一。扫描时间主要取决于程序的长短，一般每秒可扫描数十次以上，这对于工业设备通常没有什么影响。 由于PLC采用反复扫描的工作方式与工业生产现场的机器需要反复执行一系列操作 的工作方式相似，因此PLC的程序可以与机器的动作过程一一对应，直观明了，容易编写和修改。当某个工序的操作需要修改时，只要把程序作相应的修改就可以了，不易出错，从而大大减小了软件的开发费用。

12. 由于每一个扫描周期只进行一次I/O刷新，故使系统存在输入、输出滞后现象。这对于一般的开关量控制系统不但不会造成影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。但对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后。由于每一个扫描周期只进行一次I/O刷新，故使系统存在输入、输出滞后现象。这对于一般的开关量控制系统不但不会造成影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。但对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后。 PLC与继电接触器控制的重要区别之一就是工作方式不同。继电接触器控制是按“并行”方式工作的，也就是说是同时执行方式工作的，只要形成电流通路，就可能有几个电器同时动作。而PLC是以反复扫描的工作方式，它是循环地、连续逐条执行程序，任一时刻它只能执行一个指令，这就是说PLC是以“串行”方式工作的。这种串行的工作方式可以避免继电接触器控制的触点竞争和时序失配的问题。