PLC教案第三章.docx

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PLC教案第三章

上课时间

第三周

上课节次

课型

理论课

课题

§3-1PLC基本组成及各部分的作用§3-2PLC的工作原理

§3-3PLC的I/O模块和外部设备

教学目的

掌握PLC的基本组成及工作原理

教学方法

多媒体教学

重点、难点

PLC的工作原理

时间分配

教学内容

板书或课件版面设计

§3-1PLC基本组成及各部分的作用

目前，PLC产品种类繁多，不同型号的PLC结构也各不相同，但他们的基本组成和工作原理却大致相同。

从广义上讲，PLC是一种特殊的工业控制计算机，只不过比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言。

所以PLC与微机控制系统十分相似。

一、PLC的基本组成（最小系统）

由四部分组成：

1、中央处理单元（CPU）3、电源（开关式稳压电源）

2、存储器（RAM、ROM）4、输入/输出单元（I/O接口）

二、整体式和模块式PLC的组成

1、整体式PLC的组成

2、模块式PLC的组成

三、PLC各部分的作用

（一）中央处理单元（CPU）的作用

（1）控制从编程器输入的用户程序和数据的接收与存储。

（2）诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误。

（3）用扫描的方式接收输入设备的状态（即开关量信号）和数据

（即模拟量信号）。

（4）执行用户程序，输出控制信号。

（5）与外部设备或计算机通信。

CPU是PLC的核心部件，小型PLC多采用8位微处理器或单片机作为CPU，中型PLC多采用16位微处理器或单片机作为CPU，大型PLC多采用高速位片式微处理器。

（1）通用处理器：

8086、80286、80386

（2）单片机芯片：

8031、8096

（3）位片式微处理器：

AMD-2900

（二）存储器的作用

作用：

存放系统程序，用户程序和数据。

系统程序：

决定PLC的基本智能，由厂家设计，并存入ROM、EEPROM，用户不能修改。

用户程序：

根据要求，用PLC的编程语言，编制的程序，用户用编程器写入RAM或EEPROM。

（三）I/O接口的作用

输入/输出接口是PLC与现场输入/输出设备或其他外部设备之间的连接部件。

PLC通过输入接口把工业设备或生产过程的状态或信息（如按钮、各种继电器触点、行程开关和各种传感器等）读入中央处理单元。

输出接口是将CPU处理的结果通过输出电路驱动输出设备（如指示灯、电磁阀、继电器和接触器等）。

（四）电源的作用

把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。

可编程序控制器的电源一般采用开关式稳压电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。

（五）编程器作用

编程器是PLC最重要的外部设备。

一般分为简易型和智能型两种。

简易型编程器常采用在小型PLC上，只能联机编程，且往往需要将梯形图程序转化为语句表程序才能送入PLC中。

智能型编程器又称图形编程器，常用于大中型PLC的编程。

可直接输入梯形图程序。

它可以联机，也可以脱机编程。

除此之外，在个人计算机上添加适当的硬件接口（如编程电缆）和配置编程软件包（如西门子的STEP7），就可以用个人计算机（PC）对PLC编程，且可以向PLC输入各种类型的程序。

既可以联机编程也可以脱机编程，且能监视PLC的运行状态，还能进行系统仿真，使用起来非常方便。

目前，这种基于PC的编程器已非常流行和普遍，可用于各种类型的PLC，尤其是笔记本电脑式的。

§3-2PLC的工作原理

可编程控制器是一种特殊的工业控制计算机。

但它的工作方式与普通微机有很大的不同。

普通微机一般采用等待命令的工作方式，如键盘扫描方式和I/O扫描方式。

当有键按下或有I/O动作则转入相应子程序去处理。

PLC采用了“循环扫描”的工作方式，即在每一次循环扫描中采样所有的输入信号，随后转入程序执行，最后把程序执行结果输出（即信号输出）去控制现场的设备。

总之，PLC是靠CPU循环扫描的机制来进行工作的。

以德国西门子S7-300为例介绍PLC的工作原理

一、PLC的系统工作过程

PLC的系统工作是采用“循环扫描”

的工作方式。

其内部要进行一系列

操作，大致包括6个方面的内容，

其执行顺序和过程为：

二、用户程序的循环扫描过程

PLC与继电器控制系统对信息的处理方式是不同的！

它们的区别如下：

继电器控制系统——对信息的处理是采用“并行”处理方式，只要电流形成通路，就可能有几个电器同时动作。

PLC控制系统——对信息的处理是采用扫描方式，它是顺序地、连续地、循环地逐条执行程序指令，在任何时候它只能执行一条指令（即正被扫描到的指令）,即以“串行”处理方式工作。

显然，这种“串行”处理方式可有效避免继电器控制系统中“触点竞争”和“时序失配”的问题,但会使I/O响应慢（即输入I延时,输出O滞后）,影响PLC的控制速度。

故PLC一般都设有1～2个高速输入点。

扫描周期

扫描周期是指在正常循环扫描时,从扫描过程中的一点开始,经过顺序扫描又回到该点所需要的时间。

例如，CPU从第一条指令开始到扫描最后一条指令后又返回到第一条指令所用的时间就是一个扫描周期。

PLC运行正常时，扫描周期的长短与下列因素有关：

①CPU的运算速度。

②I/O点的数量。

③外设服务的多少与时间（如编程器是否接上、通信服务及其占用时间等）。

④用户程序的长短。

⑤编程质量（如功能程序长短,使用的指令类别以及编程技巧等）。

用户程序的循环扫描过程

可编程序控制器对用户程序进行循环扫描可分为三个阶段进行，即输入采样阶段，程序执行阶段和输出刷新阶段。

注：

PLC在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。

当PLC进入程序执行阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。

这方式称为集中采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入状态进行采样。

在一个扫描周期内，只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出，对输出接口进行刷新。

在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。

这种方式称为集中输出。

三、PLC的I/O响应滞后问题

当PLC输入端的信号发生变化到PLC输出端对该变化作出反应需要一段时间，这种现象称为输入、输出延迟响应或滞后现象。

影响输入输出延迟响应的因素：

①输入电路滤波时间：

它由RC滤波电路的时间常数决定。

改变时间常数可调整输入延迟时间。

②输出电路的滞后时间，它与输出电路的输出方式有关。

继电器输出方式的滞后时间为10ms左右；双向晶闸管输出方式，在接通负载时滞后时间约为1ms，切断负载时滞后时间小于10ms；晶体管输出方式的滞后时间小于1ms。

③PLC循环扫描的工作方式。

④PLC对输入采样、输出刷新的集中处理方式。

⑤用户程序中语句的安排。

四、PLC的中断

中断的概念

PLC在整个控制过程中，为了处理紧急事件，或者特殊的外部事件，CPU就要暂停当前的工作，而去完成外部过程的请求，这个过程称为中断。

发生中断时，系统停止循环扫描而去调用中断服务程序，处理完成后再返回到被中断处，接着循环扫描。

中断指令可对内部和外部事件快速反应。

PLC对于中断的处理思路与微机对中断的处理基本一样，但也会由于厂家与型号的不同稍有区别。

§3-3PLC的I/O模块和外部设备

PLC对外是通过各类I/O接口模块的外接线，来完成对工业设备或生产过程的检测与控制。

为了适应各种各样输入/输出的过程信号需要，相应有许多种I/O接口模块。

一、数字量（开关量）I/O模块

数字量输入模块—接收现场输入电器的开关量输入信号、光电隔离，并通

过电平转换将开关量输入信号转换成CPU所需的信号电平。

数字量输出模块—光电隔离、电平转换、并通过功率放大器输出（或驱动）

去控制现场的执行电器。

数字量I/O模块的类型及特点：

1、输入模块

直流输入模块—外接直流12V、24V、48V电源

交流输入模块—外接交流110V、220V电源

交直流输入模块—外接交直流电源，即交、直流电源都能用。

无源输入模块（干接触型）—由PLC内部提供电源,无需外接电源。

2、输出模块

继电器输出（交直流输出模块）—输出电流大（3～5A）,交直流两用,

适应性强,但动作速度慢（10～12ms）,工作频率低。

晶体管输出（直流输出模块）—外接直流电源,动作速度（≤2ms）,工

作频率高（可达20KHz）,但输出电流小（≤1A）

可控硅（双向的）或固态继电器输出（交流输出模块）—外接交流电源,

输出电流大,动作速度快,工作频率高。

二、模拟量I/O模块

1、模拟量输入模块

模拟量输入模块的作用就是通过A/D转换把外部模拟量输入信号转换成CPU所需的数字信号电平。

其参数如下：

（1）模拟电压输入范围（典型值）

单极性：

0～5V；0～10V

双极性：

-5～+5V；-10～+10V

（2）模拟电流输入范围（典型值）：

0～10mA；4～20mA

2、模拟量输出模块

模拟量输出模块的作用就是通过D/A转换把CPU输出的数字信号转换成外部控制所需的模拟量输出的控制信号。

其参数如下：

（1）模拟电压输出范围（典型值）

单极性：

1～5V；1～10V

双极性：

-10～+10V

（2）模拟电流输出范围（典型值）：

0～20mA；4～20mA

3、模拟量输入/输出模块

模拟量输入/输出模块是将模拟输入/输出集成在同一模块中，其电压电流输入/输出范围典型值同上。

三、特殊I/O模块（智能模块）

1、智能模块的涵义与特点

智能模块是自带微处理器、存储器和系统程序的功能模块。

其特点是：

（1）智能模块的CPU与PLC的CPU并行工作（也可独立地连续工作）;

（2）占用PLC的CPU时间很少,有利于提高PLC的扫描速度和完成特殊功能,并大大减少用户程序的编程难度和编程量。

2、智能模块的种类

常见的特殊I/O模块有：

PID调节模块、高速计数器模块、温度传感器模块、通信模块、运动控制模块等。

此外，还有快速响应模块、数控模块、计算模块、模糊控制模块、语言处理模块、阀门控制模块和中断控制模块等。

四、外部设备简介

PLC的外部设备有很多，如编程器、人机接口装置、打印机、EPROM写入器、盒式磁带机或微存储卡（MMC卡）等，其中最常用的有人机接口装置和编程器。

1、人机接口装置（HMI）

人机接口装置简称HMI（即人机操作界面HumanMachineInterface）,是用来实现操作人员与PLC控制系统之间的对话和相互作用的装置,或简单地说是人与机器直接打交道的工具或界面。

1）普通型人机接口

普通型人机接口是由安装在控制台上的按钮、转换开关、拨码开关、指示灯、LED数码管显示器和声光报警器等元件组成。

它是纯硬件并通过硬接线的方式来实现与控制系统的连接，常用于小型PLC控制系统。

2）可编程终端

可编程终端（PT，ProgrammableTermination）是一种智能型的人机接口装置，它具有以下功能：

（1）在PT上显示当前的控制状态、过程变量,包括数字量（开关量）和数值等数据。

（2）显示报警信息。

（3）通过硬件和可视化图形按键输入数字量（如起动或停止按钮信号）、数值等控制参数。

（4）使用PT的内置功能对PLC内部进行简单的监控、设置等。

西门子的可编程终端产品有：

文本显示器（TD）、操作员面板（OP）、触摸屏（TP）等。

它们可以用专用的组态软件进行不同的组态，以实现其相应的显示、参数设置、控制等功能。

文本显示器是一种低档的人机界面产品，硬键盘操作。

一般只能用于显示中文和英文信息，适用于小型的PLC控制系统，完成不太复杂的显示与操作

操作员面板是一种中档的人机界面产品,硬键盘操作,有文本操作面板和图形操作面板二大类。

可显示更多的文字和图形,适用于中小型的PLC控制系统,完成较复杂的显示与操作。

触摸屏是一种高档的人机界面产品，具有显示和软键盘操作功能，操作人员能够在触摸屏上操作。

触摸屏一般和中大型PLC连接构成一个控制系统，用于较大型的、工作流程较复杂的、显示和设置较多的、且需较多操作单元的过程控制。

组合型人机接口装置

组合型人机接口装置就是以上二种人机接口的组合，常用于大型PLC控制系统。

监控计算机系统

监控计算机系统是用通用计算机和监控软件结合而形成的一种人机接口装置。

它除了能实现可编程终端的全部功能外，在显示、对数据库的支持、对网络的支持、对大量数据的记录、统计和报表的打印等功能明显增强。

监控计算机系统多用于监控中心内作为整个控制网络的监控站使用。

教学后记