基于plc的电机控制系统的研制.doc

安徽理工大学毕业设计本科毕业论文基于PLC的电机控制系统的研制DEVELOPMENT OF THE MOTOR CONTROL SYSTEM BASED ON PLC学 院： 电气与信息工程学院专业班级： 电气09-7 学生姓名： 指导教师： 2013年6月3日2安徽理工大学毕业设计基于PLC的电机控制系统的研制摘要电动机作为电力系统中的主要负载，电机用户消耗了超过1/2的系统负荷，但从机电能量转化的角度来看，大多数电机的效率仍然偏低。随着工农业的不断发展，对电动机运行的要求也不断提高，很多的生产过程中都要求电动机能根据不同的工况，运行在不同的速度状态下。随着科学技术的不断发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，PLC、变频器和电气控制系统在工业中的应用越来越广泛。在实际的工程应用中往往是根据工程项目的需要，用PLC进行编程实现复杂控制，利用变频器实现变频调速和软启动控制，利用电气控制系统实现主电路的连接，三个系统要密切配合才能实现控制要求。本设计将在PLC电控系统的基础上配合变频调速装置，运用现在先进的矢量控制技术，实现提升电机在不同时间阶段运行在不同速度下。关键词：PLC，变频器，三相交流异步电动机DEVELOPMENT OF THE MOTOR CONTROL SYSTEM BASED ON PLCABSTRACTMotor as the main load in the power system, motor users consumed more than 1/2 system load, but the electromechanical energy conversion point of view, the majority of the motor efficiency is still low. With the continuous development of agriculture and industry, the motor is running, a lot of the production process requirements of the motor according to different conditions, run at a different speed. With the continuous development of science and technology, microelectronic technology, computer technology and automatic control technology has been rapid development of the PLC, inverter and electrical control system is more widely applied in industry. In practical engineering applications, often according to the needs of the project, with the PLC programming to implement complex control, the inverter frequency control and soft start control, electrical control system to achieve the main circuit connection, the three systems should closely cooperate to achieve the control requirements.The design will be on the basis of the PLC electric control system with frequency control devices, the use of advanced vector control technology to achieve to enhance the speed of the motor at different times and stages.KEYWORDS: PLC,inverter,three-phase ac asynchronous motor15目录摘要IABSTRACTII1绪论11.1引言11.2 PLC控制的交流电动机变频调速系统简述11.3 PLC控制的交流电动机变频调速系统的发展与现状21.4 PLC与电气控制的结合运用21.4.1 PLC与电气控制相结合的优点31.4.2 PLC与电气控制发展的方向31.5课题研究设计的目的和意义52 PLC的基础知识62.1 PLC的概述62.1.1 PLC的定义62.1.2 PLC的特点72.2 PLC的基本构成82.2.1中央处理模块82.2.2存储器模块92.2.3输入/输出（I/O）模块92.2.4电源模块102.2.5外部设备112.3 PLC的工作原理112.3.1 PLC的循环扫描的工作方式113三相交流异步电动机的基本原理143.1三相交流异步电动机的结构143.2三相交流异步电动机工作原理143.2.1旋转磁场的产生143.2.2三相异步电动机的转差率163.3三相交流异步电动机控制电路173.3.1三相异步电动机启动控制173.3.2三相异步电动机正反转控制193.3.3三相异步电动机制动控制193.3.4三相异步电动机变频调速和变频器控制204提升电机系统模型的设计224.1提升电机对电气控制系统的要求224.2提升电机模型基于PLC电机调速控制系统方案设计234.3系统总体设计方案244.3.1选择机型244.3.2系统控制结构244.3.3系统接线图244.3.3控制系统I/O点264.4设计步骤264.5系统流程框图264.6系统硬件部分设计274.6.1变频器参数设置表274.6.2输出规格及标度变换275系统软件部分设计295.1 STEP7-Micro/Win32简介295.2系统程序主体305.2.1系统控制主程序305.2.2 020秒上升加速子程序315.2.3 3040秒减速子程序325.2.4 6065秒减速子程序336系统调试程序及结果346.1系统调试过程346.2系统调试结果34结论35参考文献36致谢381绪论1.1引言电动机作为电力系统中的主要负载，电机用户消耗了超过1/2的系统负荷，但从机电能量转化的角度来看，大多数电机的效率仍然偏低。随着工农业的不断发展，对电动机运行的要求也不断提高，很多的生产过程中都要求电动机能根据不同的工况，运行在不同的速度。早期工业生产中，对于一些要求调速精度高的系统，采用了直流电动机，但直流电动机存在启动转矩小，换向电刷容易老化产生火花等问题。人们又根据交流电动机的运行特点，得出了传统的交流电动机调速方法，是利用转子回路串电阻分段控制的交流绕线式电机继电器接触器系统，设备陈旧、技术落后。随着微电子技术、计算机技术和数字通信技术的高速发展，PLC产品高度融合了计算机产业最先进的技术与工业自动控制的经典理论，在其功能及性能指标上得以丰富和完善，从而突破了传统PLC的概念，在中、小型控制领域内极大地扩展了其应用范围。在特定的范围内，高性能价格比己成为新型PLC的最突出的特点。PLC以其高可靠性、适应性强和使用方便等突出优点在自动化控制领域应用广泛。1.2 PLC控制的交流电动机变频调速系统简述所谓交流电动机的变频调速，是利用电动机转速的规律： (1-1)对电动机的速度进行调节，本次毕业设计选用的是交-直-交变频器。工作原理是，先通过半导体器件组成的整流电路，把三相电源转换成直流电。然后，再把直流电逆变成所需频率的交流电，从而达到控制电动机转速的目的。现在通用变频器大都是采用二极管整流器和由全控开关器件IGBT或功率模块组成的PWM（脉宽调制）逆变器，构成交-直-交电压源型变压变频器，他们已经占据了全世界0.5到500kVA中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。所谓“通用”，包含着两方面的含义：一是可以和通用的鼠笼型异步电动机配套使用；二是具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。PLC（可编程控制器）的引入，使得控制系统自动化程度有了很大的提高，也对一些复杂的工作环境实现远程控制。其原理是通过RS-285串行通信技术，把PLC和上位机连接，实现他们之间的通信，利用STEP_7MicroWIN.V4.0编程软件，根据搭建好的硬件线路图进行编程，实现所要实现的逻辑控制功能。1.3 PLC控制的交流电动机变频调速系统的发展与现状随着电力电子技术和自动控制技术的日益发展，电动机的调速已经从继电气时代发展到今天的由变频器控制调速。且在工业各个领域中得到了极为广泛的应用。在现在工业自动化控制系统中，最为常见的是由PLC控制变频器实现电动机的调速控制。该方法主要通过程序来控制电动机的变频调速，从而实现了自动控制。直流电气传动和交流电气传动在十九世纪先后诞生。在二十世纪的大部分年代里，鉴于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速传动都采用直流电动机，而约占电气传动总容量80%的不变速传动则采用交流电动机，这种状况在一段时期内已成为一种举世公认的格局。二十世纪七十年代后，随着大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应，且实现了在四相限运行的良好技术性能。它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调节省电效果明显，而且易于实现过程自动化在调速性能方面可以和直流电力拖动相媲美。目前交流调速技术在工业发达国家已得到广泛应用。例如在通用变频器方面，针对中、低压应用领域的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的高开关频率使得高性能的变频器成为了可能，而在以后出现的只能功率模块（IPM），更加简化了通用变频器的设计。此后，交流调速系统主要沿用下述两个方向发展和应用。（1）一般性能的节能调速。在过去大量的所谓不变速交流传动中，风机、水泵等机械总容量几乎占工业电气传动总容量的一半，其中有不少的场合并不是不需要调速，只是因为过去交流电机本身不具备调速性能，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，许多电能因此白白的浪费掉了。如果把这些设备的控制系统换成交流调速系统，就能节省消耗在挡板和阀门上的能量。根据有关计算统计，由于风机、水泵对调速范围和动态性能的要求都不高只需要一般的调速性能就已足够，那么换成交流调速系统后，每台风机、水泵平均约可节能20%，这种节能效果是非常可观的。（2）高性能交流调速系统。许多在工艺上就需要调速的生产机械，过去多用直流传动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、转动惯量小、效率高，如果改成交流调速传动，显然能够带来不少的效益。交流调速系统的国内外研究现状近年来随着电力电子技术和微电子技术迅猛发展以及现代控制理论和计算机控制技术的应用，交流调速领域发展非常迅速，交流传动技术取得了突破性进展，获得了许多创造性成果。自七十年代矢量控制技术发展以来，从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流传动相媲美的问题。 1.4 PLC与电气控制的结合运用作为通用工业控制计算机，30年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃。其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步。其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越。今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用。1.4.1 PLC与电气控制相结合的优点PLC的优点是外部接线简单，内部程序可变，在不改变接线的情况下，可以重新设计程序，而且相应的施工周期较短，内部软继电器是寄存器，没有触动，故障率低，寿命长，抗干扰能力强，执行时间短，应用指令多，可实现复杂的控制功能等等。传统继电器的不足之处是有触动系统，故而故障率高，平均修复时间长，寿命短，功耗大，如需改变系统功能将需重新的接线，工作量相对较大且容易出错，执行时间长等等。然而PLC对于高压控制元件的控制却没有继电器等系统的优点，在许多工厂的电力系统中有许多的高压电力设备所需的控制系统只能通过大型的继电元件来实现动作，而对于要实现自动化程度较高的工厂生产线而言，这种继电系统却没有PLC系统的结构简单，操作容易，方便快捷等优点，然而将这两种系统相结合却可以实现对工厂电气系统的控制，使之更科学，更简洁，更加具有高速的运行速度，让工厂的自动化成度更高。1.4.2 PLC与电气控制发展的方向 从工业革命时期到现在电气控制已经发展了一个相当长的时间，再发展也不会有什么突出的表现，而PLC技术的发展还处于一个不断创新的阶段，所以PLC的发展与电气控制的发展已然成为一种主从关系，即PLC的发展带动电气控制的发展，而未来PLC的发展其中有两个趋势。一方面，PLC网络系统已经不再是自成体系的封闭系统，而是迅速向开放式系统发展，各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网，实现信息交流，成为整个信息管理系统的一部分。1. PLC向网络化技术发展 PLC向网络化技术发展，其中有两个趋势：一方面，PLC网络系统已经不再是自成体系的封闭系统，而是迅速向开放式系统发展，各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网，实现信息交流，成为整个信息管理系统的一部分；另一方面，现场总线技术得到广泛的采用，PLC与其他安装在现场的智能化设备，比如智能化仪表，传感器，智能型电磁阀，智能型驱动执行机构等，通过一根传输介质(比如双绞线，同轴电缆，光缆)连接起来，并按照同一通信规约互相传输信息，由此构成一个现场工业控制网络，这种网络与单纯的PLC远程网络相比，配置更灵活，扩容更方便，造价更低，性能价格比更好，也更具开放性意义。2. PLC向高性能小型化发展 PLC的功能正越来越丰富，而体积则越来越小。比如西门子的S7-200系列PLC，最小的机种，体积仅为609070，相当于一个继电器，但却具有高速计数、斜坡、交替输出及16位四则运算等能力，还具有可调电位器时间设定功能。PLC已不再是早期那种只能进行开关量逻辑运算的产品了，而是具有越来越强的模拟量处理能力，以及其他过去只有在计算机上才能具有的高级处理能力，如浮点数运算，PID调节，温度控制，精确定位，步进驱动，报表统计等。从这种意义上说，PLC系统与DCS(集散控制系统)的差别已经越来越小了。用PLC同样可以构成一个过程控制系统。3. 预测发展前景（1）增强抗干扰性 如果生产环境过于恶劣，或是电磁干扰异常强烈则也可造成PLC控制系统的运算或是控制错误，导致在某些生产环节出现错误而不能保证正常的生产运行，因此，提高PLC的可靠性是其未来发展的主要方向，其一方面要提高抗干扰能力同时在设计、安装以及使用过程中引起重视，尽量减少对其造成负面影响。（2）进一步网络化、数字化 目前用于火电系统控制系统的DCS虽技术日益成熟但近年来其发展日趋缓慢，PLC的产生及发展使其与DCS相互吸收彼此特点，逐步同化，并逐步发展成为新的控制系统FCS系统，其既保留了原来系统的特性又实现了工业自动化技术的发展，并使数作为通用工业控制计算机，30年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃。其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步。其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越。今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用。PLC的优点是外部接线简单，内部程序可变，在不改变接线的情况下，可以重新设计程序，而且相应的施工周期较短，内部软继电器是寄存器，没有触动，故障率低，寿命长，抗干扰能力强，执行时间短，应用指令多，可实现复杂的控制功能等等。传统继电器的不足之处是有触动系统，故而故障率高，平均修复时间长，寿命短，功耗大，如需改变系统功能将需重新的接线，工作量相对较大且容易出错，执行时间长等等。然而PLC对于高压控制元件的控制却没有继电器等系统的优点，在许多工厂的电力系统中有许多的高压电力设备所需的控制系统只能通过大型的继电元件来实现动作，而对于要实现自动化程度较高的工厂生产线而言，这种继电系统却没有PLC系统的结构简单，操作容易，方便快捷等优点，然而将这两种系统相结合却可以实现对工厂电气系统的控制，使之更科学，更简洁，更加具有高速的运行速度，让工厂的自动化成度更高。从工业革命时期到现在电气控制已经发展了一个相当长的时间，再发展也不会有什么突出的表现，而PLC技术的发展还处于一个不断创新的阶段，所以PLC的发展与电气控制的发展已然成为一种主从关系，即PLC的发展带动电气控制的发展，而未来PLC的发展其中有两个趋势。一方面，PLC网络系统已经不再是自成体系的封闭系统，而是迅速向开放式系统发展，各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网，实现信息交流，成为整个信息管理系统的一部分 PLC向网络化技术发展，其中有两个趋势：一方面，PLC网络系统已经不再是自成体系的封闭系统，而是迅速向开放式系统发展，各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网，实现信息交流，成为整个信息管理系统的一部分；另一方面，现场总线技术得到广泛的采用，PLC与其他安装在现场的智能化设备，比如智能化仪表，传感器，智能型电磁阀，智能型驱动执行机构等，通过一根传输介质(比如双绞线，同轴电缆，光缆)连接起来，并按照同一通信规约互相传输信息，由此构成一个现场工业控制网络，这种网络与单纯的PLC远程网络相比，配置更灵活，扩容更方便，造价更低，性能格比更好，也更具开放性意义。 PLC的功能正越来越丰富，而体积则越来越小。比如西门子的S7-200系列PLC，最小的机种，体积仅为609070，相当于一个继电器，但却具有高速计数、斜坡、交替输出及16位四则运算等能力，还具有可调电位器时间设定功能。PLC已不再是早期那种只能进行开关量逻辑运算的产品了，而是具有越来越强的模拟量处理能力，以及其他过去只有在计算机上才能具有的高级处理能力，如浮点数运算，PID调节，温度控制，精确定位，步进驱动，报表统计等。从这种意义上说，PLC系统与DCS(集散控制系统)的差别已经越来越小了。用PLC同样可以构成一个过程控制系统。如果生产环境过于恶劣，或是电磁干扰异常强烈则也可造成PLC控制系统的运算或是控制错误，导致在某些生产环节出现错误而不能保证正常的生产运行，因此，提高PLC的可靠性是其未来发展的主要方向，其一方面要提高抗干扰能力同时在设计、安装以及使用过程中引起重视，尽量减少对其造成负面影响。 目前用于火电系统控制系统的DCS虽技术日益成熟但近年来其发展日趋缓慢，PLC的数字化、智能化控制得到进一步的发展和应用，因此其近年来在火电厂的应用日益广泛。 PLC产品还可以用于离散、制程和混合式自动化产品领域，并在各个制造行业保持稳固增长。基于对更高自动化程度和更高能效的需要，制造业会越来越多地应用PLC。在制造过程中，以最低生产设备生命周期成本来实现适应性和灵活性的日益增加的需求，给PLC的创新与发展提供了不竭的动力。一些新兴行业的运用以及新能源产生、储存和基础设施建设的需要，无疑给PLC带来了巨大的机遇。 为了能够更广泛的适应未来各种工业生产过程中控制场所的需要，PLC控制系统作为自动化控制网络和国际通用网络的重要部分其产品将会更加丰富，规格也会更加齐全，并将在人类电气自动化发展过程中发挥更加广泛的作用。随着社会的日益进步，人们对生活水平要求的不断提高，未来的PLC与电气制的目标将朝着工业自动化水平更高的方向发展，在西方国家这一目标已经得到一定的实现，而我国正朝着这一目标努力前进。一个国家的发达水平与该国家的工业自动化程度有着密不可分的关系，而电、气、水的控制又与工业自动化的成度密不可分，而要实现这一系列的动作控制无疑通过PLC控制系统的统一集中控制是最能体现自动化优势的。1.5课题研究设计的目的和意义电机是工业生产中最重要的拖动设备之一，交流异步电机由于结构简单、维修容易等优点，被广泛应用于工农业及其他生产当中。但随着工农业的不断发展，对电动机运行的要求也不断提高，很多的生产过程中都要求电动机能根据不同的工况，运行在不同的速度。早期工业生产中，对于一些要求调速精度高的系统，采用了直流电动机，但直流电动机存在启动转矩小，换向电刷容易老化产生火花等问题。人们又根据交流电动机的运行特点，得出了传统的交流电动机调速方法，是利用转子回路串电阻分段控制的交流绕线式电机继电器接触器系统，设备陈旧、技术落后。而且这种控制方式存在着很多的问题:（1）转子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费。（2）电阻分级切换，为有级调速，设备运行不平稳，容易引起电气及机械冲击。（3）继电器、接触器频繁动作，电弧烧蚀触点，影响接触器使用寿命，维修成本较高。（4）交流绕线异步电动机的滑环存在接触不良问题，容易引起设备事故。（5）电动机依靠转子电阻获得的低速，其运行特性较软。上述问题使提升机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，需研制更加安全可靠的控制系统，使可调速系统的运行有更好的可靠性和安全性。就计算机技术在工业现场应用情况而言，可编程控制器(PLC)是目前作为工业控制最理想的机型，它是采用计算机技术、按照事先编好并储存在计算机内部一段程序来完成设备的操作控制。采用PLC控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，PLC技术己经广泛应用于各种控制系统。 本设计将在PLC电控系统的基础上配合变频调速装置，运用现在先进的矢量控制技术，适合和现在工业应用领域的绝大部分控制要求。2 PLC的基础知识2.1 PLC的概述2.1.1 PLC的定义 PLC的技术从诞生之日起,就不断地发展，PLC的定义也经过多次变动。1987年国际电工委员会IEC颁布了可编程控制器最新的定义：可编程控制器（PLC）是一种能够直接应用于专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数核算数计算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各类的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。可见，PLC的定义实际是根据PLC的硬件和软件技术进展而发展的。这些发展不仅改进了PLC的设计，也改变了恐怖感知系统的设计理念。1.PLC的硬件发展（1）采用新的先进的微处理器和电子技术达到快速的扫描时间。（2）小型的、低成本的PLC，可以代替410个继电器，现在获得了更大的发展动力。（3）高密度的I/O系统，以低成本提供了节省空间的接口。（4）基于微处理器的智能I/O接口扩展了分布式控制能力，典型的接口有PID、网络、CAN总线、现场总线、ASCII通信、定位、主机通信模块和语言模块等。（5）包括输入/输出模块和端子的结构设计改进，使端子更加集成。（6）特殊接口允许某些期间可以直接接到控制器上，如热电偶、热电阻、应力测量级快速响应脉冲等。（7）外部设备改进了操作员界面技术，系统文档功能成为PLC的标准功能。以上这些硬件的改进，使PLC的产品系列丰富和发展，PLC从最小只有10个I/O点的微型PLC，发展到可以达到8000个I/O点的大型PLC。2.PLC的软件进展（1）PLC引入了面向对象的编程工具，并根据国际电工委员会的IEC61131-3的标准形成了多种语言。（2）小型PLC也提供了强大的编程指令，并且延伸了应用领域。（3）高级语言如BASIC和C语言在某些控制器模块中已经可以实现，并在与外部通信和处理数据时提供了更大的编程灵活性。（4）形图逻辑中可以实现高级的功能块指令，使用户用简单的编程方法实现复杂的软件功能。（5）诊断和错误检测功能是从简单的系统控制器的过账诊断扩大到对所控制的机器和设备的过程诊断。（6）浮点算术可以进行控制应用中计量、平衡和统计的所牵涉的复杂计算。（7）数据处理指令得到简化和改进，可以进行涉及大量数据存储、跟踪和存取复杂控制，以及数据采集和处理功能。2.1.2 PLC的特点PLC发展如此迅速是因为它具有一些其他控制系统所不及的一些特点。1.可靠性可靠性包括产品的有效性和可维修性。PLC的可靠性高，表现在以下几个方面： （1）PLC不需要大量的活动部件和电子元件，接线大大减少，与此同时，系统的维修简单、维修时间缩短，使可靠性得到提高。（2）PLC采用一系列可靠性设计方法进行设计。（3）PLC有较强的易操作性，它具有编程简单、操作方便、编程的出错大大降低及为工业恶劣操作环境而设计的硬件，使可靠性大大提高。2.易操作性PLC的易操作性表现在下列三个方面：（1）操作方便。对PLC的操作包括程序的输入和程序更改的操作，大多数PLC采用编程器进行程序输入和程序更改操作。（2）编程简单。PLC有多种程序设计语言可以使用，对现场电器人员来说，由于梯形图与电气原理图相似，因此，梯形图很容易理解和掌握。采用语句表编程时，由于编程语句是功能的缩写，便于记忆，并且与梯形图有一一对应的关系，所以有利于编程人员的编程操作。功能图表语言以过程流程进展为主线，十分适合设计人员与工艺专业人员设计思想的沟通。功能模块图和结构化文本语言编程方法具有功能清晰、易于理解等优点。（3）维修方便。PLC所具有的自诊断功能对维修人员的技术要求降低。3.灵活性PLC的灵活性主要表现在以下3个方面：（1）编程的灵活性。PLC采用的标准编程语言有梯形图、指令表、功能图表、功能模块图和结构化文本编程语言等。（2）扩展的灵活性。PLC的扩展灵活性是指可以根据应用的规模不断扩大，即进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。（3）操作的灵活性。操作的灵活性是指涉及工作量、编程工作量和安装施工的工作量的减少。2.2 PLC的基本构成PLC实质上是一台用于工业控制的专用计算机，它与一般计算机的结构机组成相似。主要是由中央处理（CPU）模块、编程器、电源模块、存储器模块和专门设计的输入输出接口电路等组成。结构如图2-1所示：图2-1PLC的基本结构图主机内的各部分均通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接。根据实际控制对象的需要配备一定的外部设备，可构成不同的PLC控制系统。2.2.1中央处理模块中央处理模块（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。CPU是PLC的核心部件，它完成PLC所进行的逻辑运算、数值运算及信号变换等任务，并发出管理、协调PLC各部分工作的控制信号。CPU主要作用如下：（1）接收从编程器输入的用户程序和数据，送入存储器存储。（2）用扫描方式接收输入设备的状态信号，并存入相应的数据区。（3）监测和诊断电源、PLC内部电路的工作状态和用户编程过程中的语法错误。（4）执行用户程序，从存储器逐条读取用户指令，完成各种数据的运算、传送和存储等功能。（5）根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出映像寄存器表的内容，再经输出部件实现输出控制，制表打印或数据通信等功能。2.2.2存储器模块PLC的存储器是存储程序和数据的地方，PLC运行所需的程序分为系统程序及用户程序，存储器也分为系统存储器（EPROM）和用户存储器（RAM）两部分。（1）系统存储器。系统存储器是用来存放PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在只读存储器ROM内，用户不能更改。 （2）用户存储器。用户存储器包括用户程序存储区和用户数据存储区两部分。用户程序存储区存放针对具体控制任务，用规定的PLC编程语言编写的控制程序。用户程序存储区的内容可以由用户任意修改和增删。用户程序存储器的容量一般代表PLC的标称容量，通常小型机小于8KB，中型机小于64KB，大型机在64KB以上。用户数据存储区用于存放PLC在运行过程中所用到的和生成的各种工作数据。用户数据存储区包括输入数据映像区、输出数据映像区、定时器、计算器的预置值和当前值的数据区，以及存放中间结果的缓冲区等。这些数据是不断变化的，但不需要长久保存，因此采用随机读写存储器RAM，由于随机读写存储器RAM是一种挥发性的器件，即当供电电源关掉后，其存储的内容会丢失，因此，在实际使用中通常为其配备掉电保护电路。当正常电源关断后，由备用电池为其供电，保护其存储内容不丢失。2.2.3输入/输出（I/O）模块输入/输出（I/O）模块是PLC与工业控制现场各类信号连接的部分，起着PLC与被控制对象间传递输入/输出信息的作用。由于实际生产过程中产生的输入信号多种多样，信号电平各不相同，而PLC所能处理的信号只能是标准电平，因此必须通过输入模块讲这些此信号转换成CPU能够接受和处理得标准电平信号。同样，外部执行元件如电磁阀、接触器、继电器等所需的控制信号电平也有差别，也必须通过输出模块将CPU输出的标准电平信号转换成这些执行元件所能接收的控制信号。PLC I/O模块的接口电路结构框图如图2-2所示。为了提高抗干扰能力，一般的I/O模块都有光电隔离装置。在数字量I/O模块中广泛采用由发光二极管和光电三极管组成的光耦合器，在模拟模块中通常采用隔离放大器。来自工业生产现场的输入信号经输入模块进入PLC。这些信号可以是数字量、模拟量、直流信号、交流信号等，使用时要根据输入信号的类型选择合适的输入模块。有PLC产生的输出控制信号经过输出模块驱动负载，如电动机的启停和正反转、阀门的开闭、设备的移动、升降等。和输入模块相同，与输出模块相接的负载所需的控制信号可以是数字量、模拟量、直流信号、交流信号等，因此，同样需要根据负载性质选择合适的输出模块。图2-2 输入/输出接口电路结构框图（a）输入接口；（b）输出接口2.2.4电源模块PLC的电源模块把交流电源转换成供CPU、存储器等电子电路工作所需要的直流电源，使PLC正常工作。PLC的电源部件有很好的稳压措施，因此对外部电源的稳定性要求不高，一般允许外部电源电压的额定值在+10% -15%的范围内波动。有些PLC的电源模块还能向外提供24V（DC）稳压电源，用于外部传感器供电。为了防止在外部电源发生故障的情况下，PLC内部程序和数据等重要信息的丢失，PLC用锂电池做停电时的后备电源。2.2.5外部设备编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可或缺的外部设备，用于编程、调试、系统设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。编程器分智能型与非智能型，非智能型的是手持编程器，用于状态监测；智能型编程器是一台运行编程软件的计算机，通过通信适配器与PLC通信完成编程器的功能。2.3 PLC的工作原理2.3.1 PLC的循环扫描的工作方式PLC是以执行用户程序来实现控制要求的，在存储器中设置输入映像寄存器区和输出映像寄存器区，分别存放执行程序之前的各输入状态和执行过程中各结果状态。PLC对用户程序的执行是以循环扫描方式进行。PLC这种运行程序的方式与微型计算机相比有较大的不同。微型计算机运行程序时，一旦执行到END指令，程序运行结束；而PLC从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转的情况下，按存储地址号递增的方向顺序逐条执行用户程序，直到END指令结束，然后再从头开始执行，并周而复始地重复，直到停机或从运行（RUN）切换到停止（STOP）工作状态。PLC每扫描完一次程序就构成一个扫描周期。PLC采用循环扫描控制程序的工作方式，即在PLC的工作过程中，如果某一个软继电器的线圈接通，该县权的所有动合触点和动断触点，并不一定都会立即动作，只有CPU扫描到该触点时才会动作。1.PLC的两种工作状态PLC有两种工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。运行状态是执行应用程序，停止状态一般用于程序的编制与修改。图2-3给出了运行和停止两种状态PLC不同的扫描过程，在这两个不同的工作状态中，扫描过程所要完成的任务是不同的。PLC在RUN状态时，执行一次图2-3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执行速度有很大的关系，PLC厂家一般给出每执行1K条基本逻辑指令所需的时间（以ms为单位）。图2-3 PLC的工作过程2.PLC的工作过程PLC通电后，在系统程序的监控下，周而复始的按一定的顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上是按顺序循环扫描的过程。（1）初始化。PLC上电后，首先进行系统初始化，清除内部继电器区，复位定时器等。（2）CPU自诊断。在每个扫描周期都要进入自诊断阶段，对电源、PLC内部电路、用户程序的语法进行检查，定期复位监控定时器等，以确保系统可靠运行。（3）通信信息处理。在每个通信信息处理扫描阶段，进行PLC之间、PLC与计算机之间及PLC与其他带微处理器的智能装置通信，在多处理器系统中，CPU还要与数字处理器交换信息。（4）PLC与外部设备交换信息。PLC与外部设备连接时，在每个扫描周期内要与外部设备交换信息。这些外部设备有编程器、终端设备、彩色图形显示器、打印机等。编程器是人机交互的设备，用户可以进行程序的编制、编辑、调试和监视等。用户把应用程序输入到PLC中，PLC与编程器要进行信息交换。当在线编程、在线修改、在线运行监控时，也要求PLC与编程器进行信息交换。在每个扫描周期内都要执行此项任务。（5）执行用户程序。PLC在运行状态下，每一个扫描周期都要执行用户程序。执行用户程序时，是以扫描的方式按顺序逐句扫描处理的，扫描一条执行一条，并把运算结果存入输入映像区对应位中。（6）输入、输出信