《电气可编程控制原理与应用》课件3..ppt
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2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,1,第3章PLC的基本结构和工作原理,3.1PLC的组成3.1.1概述3.1.2初步认识可编程控制器(PLC)3.2PLC的基本工作原理3.2.1PLC的等效电路3.2.2PLC的工作过程3.2.3PLC的接线图和梯形图的绘制方法3.2.4串行工作方式对梯形图控制结果的影响3.3PLC的输入输出接口电路3.3.1开关量输入接口模块3.3.2开关量输出接口模块3.4FX2N型PLC的配制3.4.1FX2N型PLC的主要种类及型号3.4.2FX2N型PLC的产品规格3.5PLC中的软元件3.5.1输入、输出继电器(X、Y)3.5.2辅助继电器(M)3.5.3状态继电器(S)3.5.4定时器(T)3.5.5计数器(C)3.5.6数据寄存器(D)3.5.7指针(P)、(I)习题,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,2,3.1PLC的组成,3.1.1概述可编程序控制器(ProgrammableController),简称PC,为了与个人计算机(PersonalComputer)的PC相区别,又称可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController),简称PLC。
在国内市场上,欧洲的代表是西门子公司,日本的代表是三菱和欧姆龙公司,美国的代表是AB与GE公司。
本书主要介绍三菱公司生产的FX2N型PLC的基本组成,原理与应用。
在了解PLC工作原理与特点的基础上,重点介绍小型PLC的应用技术。
包括小型PLC的硬件与系统构成、基本性能、指令与编程方法、控制系统的硬件与软件的设计方法、系统的安装与调试等。
PLC实质上是一种工业控制计算机。
在初次学习PLC的控制原理时,可以先不必从计算机的角度上去理解它,而把它当作一个由各种控制功能的继电器、开关等控制元件组成的控制装置来看待。
3.1.2初步认识可编程控制器(PLC),输入端子,输入信号灯,输出端子,输出信号灯,编程电缆运行开关,电源指示灯,运行指示灯,电池指示灯,出错指示灯,扩展端口,锂电池,FX2N型PLC外观,图3-1FX2N型PLC的外形,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,4,各种类型的PLC,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,5,中、大型PLC的结构外型,中、大型PLC的结构外型,它通常采用积木式结构,可以根据需要将各种标准模块进行搭接,常用的模块有电源模块、CPU模块、输入模块、输出模块以及各种特殊模块。
图3-2中、大型PLC的结构外型,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,6,3.2PLC的基本工作原理,3.2.1PLC的等效电路在PLC中有大量的、各种各样的继电器,如输入继电器(X)、输出继电器(Y)、辅助继电器(M)、定时器(T)、计数器(C)等。
不过这些继电器不是真正的继电器,而是用计算机中的存储器来模拟的,我们把它叫作软继电器。
存储器中的某一位就可以表示一个继电器,这种继电器也叫位继电器。
储器中的一位有两种状态:
“0”和“1”。
我们用0表示继电器失电,用1表示继电器得电。
把“0”或“1”写入存储器中的某一位就表示对应的继电器线圈失电或得电。
读出该存储器某位的值为0时,表示对应继电器的常开接点断开;为1时,表示对应继电器的常开接点闭合。
而常闭接点的值是对存储器位的取反。
读存储器的次数是不受限制的,所以一个位继电器的接点从理论上讲是无穷多的。
2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,7,为了区别常规控制电路和PLC控制电路(通常叫梯形图),PLC一般用专用图形符号来表示,如表3-1所示,其中可编程序控制器的继电器线圈可有多种画法。
可编程序控制器图形符号,表3-1常规电器和可编程序控制器的图形符号对照,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,8,输入部分元件热继电器FR、停止按钮SB1、起动按钮SB2;中间逻辑部分元件中间继电器KA、时间继电器KT;输出执行部分元件接触器KM1、KM2。
电动机降压起动控制,图3-3图2-16自耦变压器降压起动控制电路,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,9,用PLC控制电动机降压起动控制,用PLC控制电动机降压起动控制等效电路图,图3-4PLC等效控制电路,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,10,3.2.2LC的工作过程,图3-5PLC等效电路工作过程示意图,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,11,梯形图的过程可分为以下三个阶段:
输入采样阶段程序处理阶段输出刷新结果输出阶段PLC完成上述3个阶段称为一个扫描周期。
PLC反复不断地执行上述过程。
扫描周期的长短和PLC的运算速度和工作方式有关,但主要和梯形图的长度及指令的种类有关,一个扫描周期的时间大约在几毫秒到几百毫秒之间。
PLC执行梯形图(读程序)是一步一步进行的,所以它的逻辑结果也是由前到后逐步产生的,为串行工作方式。
常规电器的控制电路中所有的控制电器都是同时工作的,在通电和得电顺序上不存在先后的问题,为并行工作方式。
3.2.2LC的工作过程,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,12,3.2.3PLC的接线图和梯形图的绘制方法,梯形图采用水平布置画法,梯形图最左边的竖线叫作左母线,右边的竖线叫作右母线,右母线可以省略不画,左右母线相当于电源线。
画梯形图时应注意:
1梯形图中的连接线(相当于导线)不能相互交叉,并且只能水平或垂直绘制,2梯形图中的接点一般只能水平绘制,不能垂直绘制,3各种继电器线圈只能与右母线连接,不能与左母线连接,4接点不能与右母线连接,5接点中的“电流”只的从左向右单方向流动,不能出现反向流动的现象。
2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,13,图3-6PLC的接线图和梯形图,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,14,3.2.4串行工作方式对梯形图控制结果的影响,梯形图中继电器线圈的接点在线圈之前和在线圈之后,对它的控制结果可能是有影响的。
图3-7接点前后顺序对梯形图控制的影响,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,15,点动控制的电路图和梯形图,图3-8点动控制的电路图和梯形图,图3-9接点顺序的调整,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,16,3.3PLC的输入输出接口电路,PLC的输入输出接口电路是与外部控制电路联络的主要通道。
输入输出接口模块在设计时采取了光电隔离、滤波等抗干扰措施,以提高PLC工作的可靠性,对各种型号的输入输出接口模块,我们可以把它们以不同形式进行归类。
按照信号的种类归类有直流信号输入、输出,交流信号的输入、输出;按照信号的输入、输出形式分有数字量输入、输出,开关量输入、输出,模拟量输入输出。
下面通过开关量输入、输出模块来说明外部设备与CPU的连接方式。
2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,17,3.3.1开关量输入接口模块,输入形式有两种:
源型(公共端COM接极)和漏型(公共端COM接极)。
我国一般采用漏型输入形式。
开关量输入设备也有两种型式:
一种是无源开关,如各种按钮、继电器接点、控制开关等;一种是有源开关,如各种接近开关、传感器、编码器、光电开关等。
图3-10PLC的开关量输入接口电路,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,18,PLC漏型输入的外部接线,图3-11PLC漏型输入的外部接线,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,19,3.3.2开关量输出接口模块,开关量输出模块通常有三种形式:
继电器输出可驱动直流30V或交流250V负载,驱动负载大,但响应时间慢。
常用于各种电动机、电磁阀、信号灯等负载的控制。
晶体管输出属直流输出,能驱动530V直流负载,驱动负载较小,但响应时间快。
多用于电子线路的控制。
双向晶闸管输出为交流输出。
能驱动85240V交流负载。
驱动负载较大,响应时间较慢。
继电器输出,晶体管输出,双向晶闸管输出,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,20,3.3.2开关量输出接口模块,图3-12PLC的开关量继电器输出接口电路,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,21,3.4FX2N型PLC的配制,3.4.1FX2N型PLC的主要种类及型号1、FX2N型PLC的主要种类FX2N型PLC按品种可分为:
1基本单元由内部电源、内部输入输出、内部CPU和内部存储器组成,只有基本单元可以单独使用,当输入输出点数不足时可以进行扩展。
2扩展单元由内部电源、内部输入输出组成,需要和基本单元一起使用。
3扩展模块由内部输入输出组成,自身不带电源,由基本单元、扩展单元供电,需要和基本单元一起使用。
4特殊扩展设备可分为三类:
特殊功能板用于通信、连接和模拟量设定等,特殊模块主要有模拟量输入输出、高速计数、脉冲输出、接口等模块,特殊单元用于定位脉冲输出。
2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,22,2、FX2N型PLC的型号,FX2N型PLC的型号可表示如下:
FX2N128MR001PLC系列名称,输入和输出点数总和,128为64点输入和64点输出,单元种类:
M基本单元,E输入输出混合扩展模块及扩展单元,EX输入专用扩展模块,EY输出专用扩展模块,输出型式:
R继电器输出,S晶闸管输出,T晶体管输出,其它区分:
001专为中国推出的产品。
2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,23,3.4.2FX2N型PLC的产品规格,表3-4基本单元一览表,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,24,3.4.2FX2N型PLC的产品规格,表3-5扩展单元一览表,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,25,3.4.2FX2N型PLC的产品规格,表3-6扩展模块一览表,注:
()中的数字为扩展设备占用点数,控制电源(DC5V)由由基本单元或扩展单元供电。
2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,26,3.5PLC中的软元件,在PLC中软元件有三种类型。
第一种为位元件,PLC中的输入继电器X、输出继电器Y、辅助继电器M和状态继电器S为位元件。
存储单元中的一位表示一个继电器,其值为“0”或“1”,“0”表示继电器失电,“1”表示继电器得电。
第二种为字元件,最典型的字元件为数据寄存器D,一个数据寄存器可以存放16位二进制数,两个数据寄存器可以存放32位二进制数,在PLC控制中用于数据处理。
定时器T和计数器C也可以作为数据寄存器来使用。
第三种为位与字混合元件,如定时器T和计数器C,它们的线圈和接点是位元件,它们的设定值寄存器和当前值寄存器为字元件。
2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,27,3.5.1输入、输出继电器(X、Y),表3-9输入继电器和输出继电器元件分配表,输入继电器(X)和输出继电器(Y)在PLC中各有184点,采用八进制编号。
输入继电器编号为:
X0X7、X10X17、X20X27X267。
输出继电器编号为:
Y0Y7、Y10Y17、Y20Y27Y267。
但输入继电器和输出继电器点数之和不得超过256,如接入特殊单元、特殊模块时,每个占8点,应从256点中扣除。
2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,28,例3-1,用PLC控制一个电热水箱,如图3-13所示,电热水箱用3KW电加热器烧水,用2个水位开关检测水位。
控制要求:
首先进水电磁阀得电打开,进水,当水位高于水位开关1时,加热器得电开始加热,当水位高于水位开关2时,进水电磁阀失电关闭,当加热器加热到100度时停止,放水电磁阀得电将放水阀打开,水龙头可以放水。
当水位低于水位开关1时,加热器不得加热,进水电磁阀重新得电开始进水。
进水时放水电磁阀关闭。
图3-13电热水箱示意图,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,29,电热水箱PLC的控制,图3-14电热水箱的控制,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,30,3.5.2辅助继电器(M),辅助继电器(M)相当于中间继电器,它只能在内部程序(梯形图)中使用,不能对外驱动外部负载,在梯形图用于逻辑变换和逻辑记忆作用。
辅助继电器有通用辅助继电器、断电保持辅助继电器和特殊辅助继电器。
1、通用辅助继电器通用辅助继电器的元件编号为M0M499,共500点。
它和普通的中间继电器功能一样,运行时如果通用辅助继电器线圈得电,当电源突然中断时线圈失电,若电源再次接通时,线圈仍失电。
可通过参数设定将其改为断电保持辅助继电器。
2、断电保持辅助继电器断电保持辅助继电器的元件编号为M500M3071其中M500M1023共524点,可通过参数设定将其改为通用辅助继电器。
M1024M3071共2048点,为专用断电保持辅助继电器。
其中M2800M3071用于上升沿,下降沿指令的接点时,有一种特殊性。
2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,31,例3-2,用传送带运送产品。
传送带由三相鼠笼型电动机控制,在传送带末端安装一个限位开关SQ,工人在传送带首端放好产品,按下起动按钮,传送带开始运行。
当产品到达传送带末端并超过限位开关(即产品全部离开传送带)时,皮带停止。
图3-15传送带示意图,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,32,传送带PLC控制接线图和梯形图,图3-16传送带PLC控制接线图和梯形图,例3-3在例3-2用传送带传运送产品控制中,在停电之后再来电时传送带不会自行起动。
现要求停电之后再来电时传送带能够继续工作,试画出对应的梯形图。
图3-17传送带PLC控制梯形图,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,33,例3-4,一辆小车在一条线路上运行,如图3-18所示。
线路上有15共5个站点,每个站点各设一个行程开关和一个呼叫按钮。
要求无论小车在哪个站点,当某一个站点按下按钮后,小车将自动行进到呼叫点。
试用PLC对小车进行控制。
图3-18小车行走示意图,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,34,小车行走PLC控制图,图3-19小车行走PLC控制图,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,35,小车行走PLC控制图,图3-19小车行走PLC控制图,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,36,3、特殊辅助继电器,特殊辅助继电器的元件编号为M8000M8255,共有256点。
特殊辅助继电器通常分为两大类。
(1)接点型(只读型)特殊辅助继电器此类辅助继电器的接点由PLC定义,在用户程序中只可直接使用其触点。
下面介绍几种常用的接点型特殊辅助继电器的定义和应用实例。
M8000:
运行监控。
常开接点,PLC在运行(RUN)时接点闭合。
M8002:
初始化脉冲。
常开接点,仅在PLC运行开始时接通一个扫描周期。
M8005:
锂电池电压降低。
锂电池电压下降至规定值时接点闭合,可以用它的触点和输出继电器驱动外部指示灯,以提醒工作人员更换锂电池。
M8011M8014分别为10mS、100mS、1S、1min时钟脉冲。
占空比均为0.5。
例M8013为1秒钟时钟脉冲,该接点为0.5秒接通,0.5秒断开。
图3-20接点型特殊辅助继电器应用举例,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,37,
(2)线圈型(可读可写型)特殊辅助继电器,这类特殊辅助继电器由用户程序控制其线圈,当其线圈得电时能执行某种特定的操作。
如:
M8033、M8034的线圈等。
M8030:
M8030的线圈得电时,PLC面板上的锂电池电压降低指示灯熄灭。
M8033:
M8033的线圈得电时,在PLC停止(STOP)时,元件映象寄存器中(Y、M、C、T、D等)的数据仍保持。
M8034:
线圈得电时全部输出继电器失电不输出。
M8035:
强制运行(RUN)模式。
M8036:
强制运行(RUN)指令。
M8037:
强制停止(STOP)指令。
M8039:
线圈得电时,PLC以D8039中指定的扫描时间工作。
这类继电器不仅可以用其线圈,也可以用其接点。
图3-21线圈型特殊辅助继电器应用举例,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,38,用特殊辅助继电器控制PLC的运行和停止,图3-22用特殊辅助继电器控制PLC的运行和停止,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,39,3.5.3状态继电器(S),状态继电器(S)主要用于步进顺序控制。
状态继电器有3种类型。
元件编号范围为S0S999。
1、通用型状态继电器:
S0S499共500点,其中S0S9共10点用于初始状态,S10S19共10点用于回零状态。
通用型状态继电器没有失电保持功能。
2、失电保持型状态继电器:
S500S899共00点,在失电时能保持原来的状态不变。
3、报警型状态继电器:
S900S999共100点,失电保持型,它和功能指令ANS、ANR等配合可以组成各种故障诊断电路,并发出报警信号。
利用外部设备(如编程软件或编程器)进行参数设定,可改变其状态继电器的失电保持的范围。
状态继电器如果不用于步进指令编程,也可以当作辅助继电器使用,使用方法和辅助继电器一样。
2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,40,3.5.4定时器(T),定时器相当于通电延时型时间继电器,在梯形图中起时间控制作用。
FX2N系列PLC给用户提供了256个定时器,其编号为T0T255。
定时器按时钟脉冲分有1ms、10ms、100ms三挡。
表3-10定时器的类型,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,41,1、定时器的基本用法,图3-23通用定时器,图3-24积算定时器,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,42,2、定时器设定值的设定方法,
(1)常数设定方法:
用于固定延时的定时器,如图3-23和图3-24的设定值均为十进制常数设定。
(2)间接设定方法:
一般用数据寄存器D存放设定值,数据寄存器D中的值可以是常数,也可以是用外部输入开关或数字开关输入的变量,间接设定方法灵活方便,但是一般需要占用一定数量的输入量。
(3)机能扩充板设定方法:
用FX2N-8AV-D型机能扩充板,安装在PLC基本单元上,扩充板上有8个可变电阻旋钮可以输入8点模拟量,并把模拟量转换成8位二进制数(0255)。
当设定值大于255时,可以用乘法指令(MUL)乘以一个常数使之变大作为定时器的设定值。
编程方法详见功能指令VRRD。
2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,43,定时器设定方式,图3-25定时器设定方式,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,44,3、定时器的误差,图3-26定时器的误差,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,45,定时器的误差,定时器的误差可以表示如下:
2T0T0:
扫描周期:
与1mS、10mS、100mS定时器对应,分别是1.5mS、15mS、150mST:
定时器设定值,在子程序与中断程序中应采用T192T199定时器。
如果在子程序与中断程序中采用1mS型累积定时器T246T249,当线圈得电时,采用中断工作方式对1mS时钟脉冲进行计数,当达到设定值时,在执行最初线圈指令时接点动作。
2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,46,4、典型定时器应用梯形图,
(1)断电延时型定时器
(2)通断电均延时型定时器,图3-27断电延时型定时器,图3-28通断电均延时型定时器,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,47,4、典型定时器应用梯形图,(3)定时脉冲电路(4)震荡电路,图3-29定时脉冲电路,图3-30震荡电路,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,48,4、典型定时器应用梯形图,(5)占空比可调震荡电路(6)上升沿单稳态电路,图3-31占空比可调震荡电路,图3-32上升沿单稳态电路,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,49,4、典型定时器应用梯形图,(7)下降沿单稳态电路,图3-33下降沿单稳态电路,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,50,例3-5,为了保证运行安全,许多大型生产机械在运行起动之前需用电铃或蜂鸣器发出报警信号,预示机器即将起动,警告人们迅速退出危险地段。
试设计PLC控制接线图和梯形图。
图3-34起动报警控制电路,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,51,例3-6,用按钮控制三台电动机,为了避免三台电动机同时起动,起动电流过大,要求每隔5秒起动一台,试设计PLC控制梯形图。
图3-35三台电动机顺序起动控制,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,52,3.5.5计数器(C),计数器用于对各种软元件接点的闭合次数进行计数。
计数器可分为两大类:
内部信号计数器和外部信号计数器(即高速计数器)。
1.内部信号计数器内部信号计数器用于对PLC中的内部软元件(如X、Y、M、S、T、C)的信号进行计数。
可分为16位加计数器(共200点)和32位加减计数器(共35点)。
表3-11内部信号计数器,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,53,
(1)16位加计数器,l6位加计数器的元件编号为C0C199。
其中C0C99为通用型,C100C199为断电保持型。
设定值为K1K32767。
图3-3616位加计数器的工作过程示意图,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,54,
(2)32位加减计数器,32位加减计数器C200C234可以加计数,也可以减计数,其加减计数方式由特殊辅助继电器M8200M8234设定。
如表3-12所示。
当特殊辅助继电器为1时,对应的计数器为减计数,反之为0时为加计数。
表3-1232位加/减计数器的加减方式控制用的特殊辅助继电器,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,55,
(2)32位加减计数器,图3-3732位加减计数器的工作过程示意图,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,56,2、典型计数器应用梯形图,
(1)循环计数器
(2)长延时定时器,图3-40长延时定时器,图3-39循环计数器,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,57,(3)365天定时器,图3-41365天定时器,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,58,(4)单按钮控制电动机起动停止,图3-42单按钮控制电动机起动停止,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,59,例3-7,用PLC控制一个圆盘,圆盘的旋转由电动机控制。
要求按下起动按钮后每转1圈后停止3秒,转5圈后停止。
图3-43圆盘旋转控制,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,60,3、高速计数器,高速计数器采用中断工作方式,和扫描周期无关,可以对高频率的输入信号计数。
高速计数器只对固定的输入继电器(X0X5)进行计数。
高速计数器都具有停电保持功能,也可以利用参数设定变为非停电保持型。
如果不作为高速计数器使用时也可作为32位数据寄存器使用。
表3-14高速计数器,U:
加计数输入,D:
减计数输入,R:
复位输入,S:
起动输入,A:
A相输入,B:
B相输入。
2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,61,高速计数器,表3-15高速计数器对应的特殊辅助继电器,2023/7/30,第三章PLC的基本结构和工作原理,62,各种高速计数器的使用方法,
(1)一相一计数输入高速计数器一相一计数输入高速计数器的编号为C235C245,共有11点。
图3-44一相一计数输入高速计数器,2023
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