1、1毕 业 设 计 （ 论 文 ） 说 明 书题 目 ：PLC 控 制 电 动 机 正 反 转姓 名 ： 王 盼 系 部 名 称 ： 专 业 ： 学 号 ： 指 导 老 师 ： 2012 年 10 月 25 日2PLC 控制电动机的正反转摘 要可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，将自动控制技术、计算机技术和通信技术融为一体而发展起来的崭新的工业自动控制装置。目前 PLC 已基本替代了传统的继电器控制而广泛应用于工业控制的各个领域，PLC 已跃居工业自动化三大支柱的首位。生产机械往往要求运动部件可以实现正反两个方向的起动，这就要求拖动电动机能作正、反向旋转。由电机原理可知，改变电动机三相电源
2、的相序，就能改变电动机的转向。按下正转启动按钮 SB1，电动机正转运行，且 KM1,KMY 接通。2s 后 KMY 断开，KM 接通，即完成正转启动。按下停止按钮 SB2，电动机停止运行。按下反转启动按钮SB3，电动机反转运行，且 KM2,KMY 接通。2s 后 KMY 断开，KM 接通，即完成反转启动。关键词：可编程控制器（PLC），微处理器，自动控制装置ABSTRACTProgrammable logic controller (PLC) is a microprocessor, automatic control technology, computer technology and c
3、ommunication technology harmony and development of new industrial automatic control device. Currently PLC has replaced the traditional relay control and widely used in the fields of industrial control, PLC has grown three pillars of industrial automation.Production machinery are demanding sport comp
4、onents can realize positive direction, which requires the starting drag electric function for positive and negative spin. By motor principle, change the three-phase power motors, can change the sequence of the motor. Press the start button is SB1, motor is running, and KM1, KMY through. After KMY di
5、sconnect KM 2s, is turned on. Press the stop button SB2, motor stops running. Press the start button, motor SB3 inversion, and reverse operation KM2, KMY through. After KMY disconnect KM 2s, through inversion.KEY WOEDS：Programmable logic controller (PLC) , Microprocessor, Automatic control device34目
6、 录第一章 可编程控制器概述51.1 可编程控制器的产生 51.2 可编程控制器的定义 61.3PLC 的特点 .61.4PLC 应用. 71.5PLC 的主要技术指标 .81.6 可编程控制器的一般结构.81.7PLC 的基本工作原理 . .10第 2 章 PLC 与可编程控制器.112.1 PLC 的 体 系 结 构 112.2 可 编 程 控 制 器 的 基 本 结 构 .112.3 开 关 量 I/O 模 块 122.4 可 编 程 控 制 器 的 工 作 原 理 142.5 PLC 的 选 型 .162.6 FXzn 可 编 程 控 制 器 简 介 202.7 PLC 控 制 程 序
7、 设 计 .20第三章 三相异步电动机控制设计223.1 三相异步电动机正反转控制线路223.2 三相异步电动机正反转 PLC 控制 I/O 端口分配表223.3 三相异步电动机正反转 PLC 控制接线图 .233.4 三相异步电动机正反转 PLC 控制的梯形图、指令表 233.5 三相异步电动机正反转 PLC 控制的工作原理 .233.6 指令的介绍.24第四章 控制系统的设备.264.1 输入继电器2654.2 输出继电器264.3 热继电器264.4 交流接触器264.5 熔断器.27第四章 结论. .28致谢. .29参考文献30第一章 可编程控制器概述1.1 可编程控制器的产生随着计
8、算机控制技术的不断发展，可编程控制器的应用已广泛普及，成为自动化技术的重要组成。可编程控制器最先出现在美国，1968 年，美国的汽车制造公司通用汽车公司(GM)提出了研制一种新型控制器的要求，并从用户角度提出新一代控制器应具备以下十大条件：（1）编程简单，可在现场修改程序； （2）维护方便，最好是插件式； （3）可靠性高于继电器控制柜； （4）体积小于继电器控制柜； （5）可将数据直接送入管理计算机；（6）在成本上可与继电器控制柜竞争； （7）输入可以是交流 115V（即用美国的电网电压） ； （8）输出为交流 115V、2A 以上，能直接驱动电磁阀； （9）在扩展时，原有系统只需要很小的变更
9、； （10）用户程序存储器容量至少能扩展到 4KB。 条件提出后，立即引起了开发热潮。1969 年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台可编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。当时叫可编程逻辑控制器 PLC（Programmable Logic Controller） ，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。紧接着，美国 MODICON 公司也开发出同名的控制器，1971 年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制成了日本第一台可编程控制器。1973 年，西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到
10、 70 年代中期以后，特别是进入 80 年代以来，PLC 已广泛地使用 16 位甚至 32 位微处理器作为中央处理器，6输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，使 PLC 在概念、设计、性能价格比以及应用方面都有了新的突破。这时的 PLC 已不仅仅是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID 调节和数据通信功能，称之为可编程序控制器（Programmable Controller）更为合适，简称为 PC，但为了与个人计算机（Persona1 Computer）的简称 PC 相区别，一般仍将它简称为 PLC（Programmable Logic Controller） 。
11、PLC 是微机技术与传统的继电器-接触器控制技术相结合的产物，其基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。继电器控制系统已有上百年历史，它是用弱电信号控制强电系统的控制方法，在复杂的继电器控制系统中，故障的查找和排除困难，花费时间长，严重地影响工业生产。在工艺要求发生变化的情况下，控制柜内的元件和接线需要作相应的变动，改造工期长、费用高，以至于用户宁愿另外制作一台新的控制柜。而 PLC 克服了继电器-接触器控制系统中机械触点的接线复
12、杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点，并将控制器和被控对象方便的连接起来。由于 PLC 是由微处理器、存储器和外围器件组成，所以应属于工业控制计算机中的一类。对用户来说，可编程控制器是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此如果在初步设计阶段就选用可编程控制器，可以使得设计和调试变得简单容易。从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。我国从 1974 年也开
13、始研制可编程序控制器，1977 年开始工业应用。目前它已经大量地应用在楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域，并涌现出大批应用可编程序控制器的新型设备。掌握可编程序控制器的工作原理，具备设计、调试和维护可编程序控制器控制系统的能力，已经成为现代工业对电气技术人员和工科学生的基本要求。1.2 可编程控制器的定义国际电工委员会(IEC)曾于 1982 年 11 月颁发了可编程控制器标准草案第一稿，1985 年 1 月又发表了第二稿，1987 年 2 月颁发了第三稿。该草案中对可编程控制器的定义是：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了
14、可编程序的存储器，用来在其内部存储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，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。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。 ”定义强调了可编程控制器是“数字运算操作的电子系统” ，是一种计算机。它是“专为在工业环境下应用而设计”的工业计算机，是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种各样的控制功能外，还有与其他计算机通信联网的功7能。这种工业计算机采用“面向用户的指令” ，因此编程方便。它能完成逻辑运算、顺序控制、定时计数和算术操作，它还具有“数字量和模拟量
15、输入输出控制”的能力，并且非常容易与“工业控制系统联成一体” ，易于“扩充” 。定义还强调了可编程控制器应直接应用于工业环境，它须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和应用范围。这也是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。应该强调的是，可编程控制器与以往所讲的顺序控制器在“可编程”方面有质的区别。PLC 引入了微处理机及半导体存储器等新一代电子器件，并用规定的指令进行编程，能灵活地修改，即用软件方式来实现“可编程”的目的。可编程序控制器是应用面最广、功能强大、使用方便的通用工业控制装置，自研制成功开始使用以来，它已经成为了当代工业自动化的主要支柱之一。1.3 PLC 的特点（1）编程简单，使用
16、方便梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其符号与继电器电路原理图相似。有继电器电路基础的电气技术人员只要很短的时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序，梯形图语言形象直观，易学易懂， 。（2）控制灵活，程序可变，具有很好的柔性可编程序控制器产品采用模块化形式，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，不用改变硬件，方便快速地适应工艺条件的变化，具有很好的柔性。（3）功能强，扩充方便，性能价格比高可
17、编程序控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的逻辑判断、数据处理、PID 调节和数据通信功能，可以实现非常复杂的控制功能。如果元件不够，只要加上需要的扩展单元即可，扩充非常方便。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。（4）控制系统设计及施工的工作量少，维修方便可编程序控制器的配线与其它控制系统的配线比较少得多，故可以省下大量的配线，减少大量的安装接线时间，开关柜体积缩小，节省大量的费用。可编程序控制器有较强的带负载能力、可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。一般可用接线端子连接外部接线。可编程序控制器的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能，便于迅速地排除故障。（5）可
18、靠性高，抗干扰能力强可编程序控制器是为现场工作设计的，采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，硬件措施如屏蔽、滤波、电源调整与保护、隔离、后备电池等，例如，西门子公司 S7-200 系列 PLC 内部 EEPROM 中，储存用户原程序和预设值在一个较长时间段（190 小时） ，所有中间数据可以通过一个超级电容器保持，如果选配电池模块，可以确保停电后中间数据能保存 200 天。软件措施如故障检测、信息保护和恢复、警戒时钟，加强对程序的检测和校验。从而提高了系统抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，可编程序控制器已被广大用户公认为最可8靠的工业控制设备之一。（
19、6）体积小、重量轻、能耗低，是“机电一体化”特有的产品。1.4 PLC 应用目前，可编程序控制器已经广泛地应用在各个工业部门。随着其性能价格比的不断提高，应用范围还在不断扩大，主要有以下几个方面：1. 逻辑控制可编程序控制器具有“与” 、 “或” 、 “非”等逻辑运算的能力，可以实现逻辑运算，用触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制，定时控制与顺序逻辑控制。数字量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域最为普及，包括微电子、家电行业也有广泛的应用。2. 运动控制 可编程序控制器使用专用的运动控制模块，或灵活运用指令，使运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。随着变频
20、器、电动机起动器的普遍使用，可编程序控制器可以与变频器结合，运动控制功能更为强大，并广泛地用于各种机械，如金属切削机床、装配机械、机器人、电梯等场合。3. 过程控制可编程序控制器可以接收温度、压力、流量等连续变化的模拟量，通过模拟量 I/0模块，实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的 A/D 转换和 D/A 转换，并对被控模拟量实行闭环 PID（比例-积分-微分）控制。现代的大中型可编程序控制器一般都有PID 闭环控制功能，此功能已经广泛地应用于工业生产、加热炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。 4. 数据处理可编程序控制器具有数学运算、数据传送、
21、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以是运算的中间参考值，也可以通过通信功能传送到别的智能装置，或者将它们保存、打印。数据处理一般用于大型控制系统，如无人柔性制造系统，也可以用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。5. 构建网络控制可编程序控制器的通信包括主机与远程 I/0 之间的通信、多台可编程序控制器之间的通信、可编程序控制器和其他智能控制设备(如计算机、变频器)之间的通信。可编程序控制器与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。当然，并非所有的可编程序控制器都具有上述功能，用户应根据系统的需要选择可
22、编程序控制器，这样既能完成控制任务，又可节省资金。1.5 PLC 的主要技术指标可编程控制器的种类很多，用户可以根据控制系统的具体要求选择不同技术性能指标的 PLC。可编程控制器的技术性能指标主要有以下几个方面： 1. 输入/输出点数可编程控制器的 I/O 点数指外部输入、输出端子数量的总和。它是描述的 PLC 大小的一个重要的参数。 2. 存储容量9PLC 的存储器由系统程序存储器，用户程序存储器和数据存储器三部分组成。PLC存储容量通常指用户程序存储器和数据存储器容量之和，表征系统提供给用户的可用资源，是系统性能的一项重要技术指标。 3. 扫描速度可编程控制器采用循环扫描方式工作，完成 1
23、 次扫描所需的时间叫做扫描周期。影响扫描速度的主要因素有用户程序的长度和 PLC 产品的类型。PLC 中 CPU 的类型、机器字长等直接影响 PLC 运算精度和运行速度。 4. 指令系统指令系统是指 PLC 所有指令的总和。可编程控制器的编程指令越多，软件功能就越强，但掌握应用也相对较复杂。用户应根据实际控制要求选择合适指令功能的可编程控制器。 5. 通信功能通信有 PLC 之间的通信和 PLC 与其他设备之间的通信。通信主要涉及通信模块，通信接口，通信协议和通信指令等内容。PLC 的组网和通信能力也已成为 PLC 产品水平的重要衡量指标之一。 厂家的产品手册上还提供 PLC 的负载能力、外形
24、尺寸、重量、保护等级、适用的安装和使用环境如温度、湿度等性能指标参数，供用户参考。1.6 可编程控制器的一般结构可编程控制器主要由 CPU、存储器、基本 I/O 接口电路、外设接口、编程装置、电源等组成。可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构，如图 1-1 所示。编程装置将用户程序送入可编程控制器，在可编程控制器运行状态下，输入单元接收到外部元件发出的输入信号，可编程控制器执行程序，并根据程序运行后的结果，由输出单元驱动外部设备。图 1-1 可编程控制器系统结构1. CPU 单元CPU 是可编程控制器的控制中枢，相当于人的大脑。CPU 一般由控制电路
25、、运算器和寄存器组成。这些电路通常都被封装在一个集成的芯片上。CPU 通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。CPU 的功能有：它在系统监控程序的控制下工作，通过扫描方式，将外部输入信号的状态写入输入映象寄存区域，PLC10进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，按指令规定的任务进行数据的传送、逻辑运算、算术运算等，然后将结果送到输出映像寄存区域。CPU 常用的微处理器有通用型微处理器、单片机和位片式计算机等。通用型微处理器常见的如 Intel 公司的 8086、80186、到 Pentium 系列芯片，单片机型的微处理器如Intel 公司的 MCS-96 系列单片
26、机，位片式微处理器如 AMD 2900 系列的微处理器。小型PLC 的 CPU 多采用单片机或专用 CPU，中型 PLC 的 CPU 大多采用 16 位微处理器或单片机，大型 PLC 的 CPU 多用高速位片式处理器，具有高速处理能力。 2. 存储器可编程控制器的存储器由只读存储器 ROM、随机存储器 RAM 和可电擦写的存储器EEPROM 三大部分构成，主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。 只读存储器 ROM 用以存放系统程序，可编程控制器在生产过程中将系统程序固化在 ROM 中，用户是不可改变的。用户程序和中间运算数据存放的随机存储器 RAM 中，RAM 存储器是一种高密度、低功耗、
27、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。它存储的内容是易失的，掉电后内容丢失；当系统掉电时，用户程序可以保存在只读存储器 EEPROM 或由高能电池支持的 RAM 中。EEPROM 兼有 ROM 的非易失性和 RAM 的随机存取优点，用来存放需要长期保存的重要数据。3. I/O 单元及 I/O 扩展接口（1）I/O 单元PLC 内部输入电路作用是将 PLC 外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的符合 PLC 输入电路要求的电压信号，通过光电耦合电路送至 PLC 内部电路。输入电路通常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力，输入响应时间一般在 0.115ms 之间。根据输入信号形式
28、的不同，可分为模拟量 I/O 单元、数字量 I/O 单元两大类。根据输入单元形式的不同，可分为基本 I/O 单元、扩展 I/O 单元两大类。（2）I/O 扩展接口可编程控制器利用 I/O 扩展接口使 I/O 扩展单元与 PLC 的基本单元实现连接，当基本 I/O 单元的输入或输出点数不够使用时，可以用 I/O 扩展单元来扩充开关量 I/O点数和增加模拟量的 I/O 端子。4. 外设接口外设接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能通过外设接口组成 PLC 的控制网络。PLC 通过 PC/PPI 电缆或使用 MPI 卡通过 RS-485 接口与计算机连接，可以实现编程、监控、连
29、网等功能。5. 电源电源单元的作用是把外部电源（220V 的交流电源）转换成内部工作电压。外部连接的电源，通过 PLC 内部配有的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（直流 5 伏、正负 12 伏、24 伏） ，并为外部输入元件（如接近开关）提供 24V 直流电源（仅供输入端点使用） ，而驱动 PLC 负载的电源由用户提供。1.7 PLC 的基本工作原理结合 PLC 的组成和结构分析 PLC 的工作原理更容易理解。PLC 是采用周期循环扫描的工作方式，CPU 连续执行用户程序和任务的循环序列称为扫描。CPU 对用户程序的执行过程是 CPU 的循环扫
30、描，并用周期性地集中采样、集中输出的方式来完成的。一个扫描周期主要可分为：11（1）读输入阶段。 每次扫描周期的开始，先读取输入点的当前值，然后写到输入映像寄存器区域。在之后的用户程序执行的过程中，CPU 访问输入映像寄存器区域，而并非读取输入端口的状态，输入信号的变化并不会影响到输入映像寄存器的状态，通常要求输入信号有足够的脉冲宽度，才能被响应。（2）执行程序阶段。 用户程序执行阶段，PLC 按照梯形图的顺序，自左而右，自上而下的逐行扫描，在这一阶段 CPU 从用户程序的第一条指令开始执行直到最后一条指令结束，程序运行结果放入输出映像寄存器区域。在此阶段，允许对数字量 I/O 指令和不设置数
31、字滤波的模拟量 I/O 指令进行处理，在扫描周期的各个部分，均可对中断事件进行响应。（3）处理通信请求阶段。 是扫描周期的信息处理阶段，CPU 处理从通信端口接收到的信息。（4）执行 CPU 自诊断测试阶段。在此阶段 CPU 检查其硬件，用户程序存储器和所有 I/O 模块的状态。（5）写输出阶段。每个扫描周期的结尾，CPU 把存在输出映像寄存器中的数据输出给数字量输出端点（写入输出锁存器中） ，更新输出状态。然后 PLC 进入下一个循环周期，重新执行输入采样阶段，周而复始。如果程序中使用了中断，中断事件出现，立即执行中断程序，中断程序可以在扫描周期的任意点被执行。如果程序中使用了立即 I/O
32、指令，可以直接存取 I/O 点。用立即 I/O 指令读输入点值时，相应的输入映像寄存器的值未被修改，用立即 I/O 指令写输出点值时，相应的输出映像寄存器的值被修改。第 二 章 PLC 与 可 编 程 控 制 器2.1 PLC 的 体 系 结 构PLC 实 质 上 是 一 种 被 专 用 于 工 业 控 制 的 计 算 机 ， 其 硬 件 结 构 和 微 机 是 基 本 一致 的 。 如 下 图 所 示 ：12编 程 器中央处理单元（CPU）输入电路 输出电路系统程序存储区 用户程序存储区电源PLC 硬件的基本结构2.2 可编程序控制器的基本结构可编程序控制器简称为 PLC（Programma
33、ble Logic Controller）主要由 CPU 模块、输入模块、输出模块和编程器组成。 （如下图所示）可可编程序控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相似，甚至与之无异。可编程序控制器主要由 CPU（中央处理单元） 、存储器（RAM 和 EPROM） 、输入 /输出模块（简称 I/O 模块） 、编程器和电源五大部分组成。(1) CPU 模块CPU 模块又叫中央处理单元或控制器，它主要由微机处理器（CPU）和存储器组13成。CPU 的作用类似于人类的大脑和心脏。它采用扫描方式工作，每一次扫描要完成以下工作：1） 输入处理：将现场的开关量输入信号和数据分别读入输
34、入映像寄存器和数据寄存器。2） 程序执行：逐条读入和解释用户程序，产生相应的控制信号去控制有关的电路，完成数据的存取、传送和处理工作，并根据运算结果更新各有关寄存器的内容。3） 输出处理：将输出映像寄存器的内容送给输出模块，去控制外部负载。(2) I/O 模块I/O 模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和 CPU 模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。输入信号有两类：一类是从按钮、选择开关、数字开关、限位开关、接收开关、关电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟量输入信号。可编程序控制器通过输出模块控制接触器、电磁
35、阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器，可编程序控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。CPU 模块的工作电压一般是 5V，而可编程序控制器的输入/输出信号电压一般较高，如直流 24V 和交流 220V。从外部引入的尖蜂电压和干扰噪声可能损坏 CPU 模块中的元器件，或使可编程序控制器不能正常工作，所以 CPU 模块不能直接与外部输入/输出装置相连。I/O 模块除了传递信号外，还有电平转换与噪声隔离的作用。(3) 编程器编程器除了用来输入和编辑程序外，还可以用来监视可编程序控制器运行时梯形图中各种编程元件的工作状态。编程器可以永久地连续在可编程序控制器上，将它取下来后可编程
36、序控制器也可以运行。一般只在程序输入、调试阶段和检修时使用，一台编程器可供多台可编程序控制器公用。2.3 开关量 I/O 模块开关量模块的输入输出信号仅有接通和断开两种状态。电压等级有直流5V，12V，24V，48V 和交流 110V，220V 等。输入输出电压的允许范围很宽，如某交流220V 输入模块的允许低电压为 070V，高电压为 70256V，频率为 4763HZ。各 I/O 点的通/断状态用发光二极管或其它元件显示在面板上，外部 I/O 接线一般接在模块的接线端子上，某些模块使用可拆除的插座型端子板，在不拆去端子的外部连线的情况下，可以迅速地更换模。开关量 I/O 模块可能 4，8，
37、16，32，64 点。142.3.1 输入模块 2.3.1 a 直流输入电路输入电路中设有 RC 滤波电路，以防止由于输入点抖动或外部干扰脉冲引起的错误的输入信号。滤波电路延迟时间的典型值为 1020ms（信号上升沿）和 2050ms（信号下降沿） ，输入电流约为 10mA，上图 2.3.1a 是某直流输入模块的内部电路和外部接线图。本节的输入电路和输出电路都只画出了一路，COM 是各路的公共点。图中的输入触点直接接在公共点和输入端（400 是梯形图中输入继电器的编号）之间，不需要外接电源。有的可编程序控制器还可以为接近开关、光电开关之类的传感器提供 24V 电源。 （如图 2.3.1b）图
38、2.3.1 b 输入电路当图 2.3.1b 中的外接触点接通时，光电耦合器中的发光二极管发光，光敏三极管导通，信号经内部电路传送给 CPU 模块。15图 2.3.1 c 是交流输入电路。光电耦合器中有两个反并联的发光二极管，显示用的两个发光二极管也是反并联的，因此这个电路可以接收外部的交流输入电压。图 2.3.1 c 交流输入电路图2.3.2 输出模块输出模块的功率放大元件有大功率晶体管和磁效应管（驱动直流负载） 、双向可控硅（驱动内交流负载）和小型继电器，后者可以驱动交流负载或直流负载。输出电流的典型值为 0.52A，负载电源由外部现场提供。输出电流的额定值与负载的性质有关，但是只能驱动 1
39、00VA/22V 的电感性负载和100W 的白炽灯。额定负载电流还与温度有关，温度升高时额定负载电流减小，有的可编程序控制器提供了有关曲线。输出模块内可能设置有熔断器，并在模块面板上用发光二极管显示熔断器的状态。某些新式的模块用非破坏性的电子保护电路代替熔断器。162.4 可编程序控制器的工作原理可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入、输出继电器等。这种计算机程序实现的“软继电器” ，与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处。2.4.1 可编程序控制器的工作原理可编程序控制器有两种基本的工作状态
40、，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或切换到 STOP 工作状态。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可编程序控制器还要完成，内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为 5 个阶段（见左上图） 。可编程序控制器的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。在内部处理联合阶段。可编程序控制器检查CPU 模块
41、内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。当可编程序控制器处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操作。可编程序控制器处于（RUN）状态时，还要完成另外 3 个阶段的操作（见右图） ，图中仅画出了与用户程序执行过程有关的 3个阶段。172.4.2 扫描周期可编程序控制器在 RUN 工作状态时，执行一次上图所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为 1100ms。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
42、，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。不 过 严 格 地 来 说 扫 描 周 期 还 包 括 自 诊 断 、 通 信 等 。 如 图 2.4.2 所 示 。图 2.4.2 PLC 的扫描运行方式(1)输 入 采 样 阶 段在 输 入 采 样 阶 段 ， PLC 以 扫 描 方 式 依 次 读 入 所 有 的 数 据 和 状 态 它 们 存 入 I/O映 象 区 的 相 应 单 元 内 。 输 入 采 样 结 束 后 ， 转 入 用 户 程 序 行 和 输 出 刷 新 阶 段 。 在这 两 个 阶 段 中 ， 即 使 输 入 数 据 和 状 态 发 生 变 化 I/O 映 象 区 的 相 应
43、 单 元 的 数 据和 状 态 也 不 会 改 变 。 所 以 输 入 如 果 是 脉 冲 信 号 ， 它 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 。(2)用 户 程 序 执 行 阶 段在 用 户 程 序 执 行 阶 段 ， PLC 的 CPU 总 是 由 上 而 下 ， 从 左 到 右 的 顺 序 依 次的 扫 描 梯 形 图 。 并 对 控 制 线 路 进 行 逻 辑 运 算 ， 并 以 此 刷 新 该 逻 辑 线 圈 或 输 出 线圈 在 系 统 RAM 存 储 区 中 对 应 位 的 状 态 。
44、或 者 确 定 是 否 要 执 行 该 梯 形 图 所 规 定 的特 殊 功 能 指 令 。 例 如 ： 算 术 运 算 、 数 据 处 理 、 数 据 传 达 等 。(3)输 出 刷 新 阶 段在 输 出 刷 新 阶 段 ， CPU 按 照 I/O 映 象 区 内 对 应 的 数 据 和 状 态 刷 新 所 有 的 数据 锁 存 电 路 ， 再 经 输 出 电 路 驱 动 响 应 的 外 设 。 这 时 才 是 PLC 真 正 的 输 出 。2.5 PLC 的 选 型为了能够更好的选型，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制第(N-1)个扫描周期输出刷新第(N+1)个扫描周期输
45、入采样第 N 个扫描周期输入采样 输出刷新用户程序执行18要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定 PLC 的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的 PLC 和设计相应的控制系统。2.5.1 输入输出（I/O）点数的估算I/O 点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商 PLC 的产品特点，对输入输出点数进行圆整。2.5.2 存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用
46、项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量 I/O 点数的 1015 倍，加上模拟 I/O 点数的 100 倍，以此数为内存的总字数（16 位为一个字），另外再按此数的 25%考虑余量。2.5.3 控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。(一)运算功能 简单 PLC 的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通 PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有
47、代数运算、数据传送等；大型 PLC 中还有模拟量的 PID 运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在 PLC 中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和 PID 运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。(二)控制功能 控制功能包括 PID 控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC 主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回19路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高 PLC 的处理速度和节省存储器容量。例如采用 PID 控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC 码转换单元等。(三)通信功能 大中型 PLC 系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相
