02可编程控制器的系统构成和工作原理.ppt

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1、第2章 可编程控制器的 系统构成和工作原理,2.1 可编程控制器的基本组成,2.1.1 可编程控制器的硬件系统 世界各国生产的可编程控制器外观各异，但其硬件构成大体相同，主要有中央处理单元、存储器、输入/输出单元、编程器和电源等。 可编程控制器的硬件结构如图2-1所示。下面分别介绍可编程控制器的各组成部分。,图2-1 可编程控制器硬件结构,2.1.1.1 中央处理单元(CPU) 中央处理单元是可编程控制器的核心部件，它类似人的大脑，是系统的运算和控制中心，能指挥PLC按照预先编好的系统程序完成各种任务。 其作用有以下几点。 (1) 接收并存储用户程序和数据。 (2) 检查、校验用户程序。 (3

2、) 接收、调用现场信息。 (4) 执行用户程序。 (5) 故障诊断。 当PLC运行时，CPU首先以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算，并将运算的结果送入I/O映像区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕后，最后将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直至停止。,2.1.1.2 存储器 存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量及其他信息。PLC存储器分为两大部分。 1系统程序存储器 系统程序存储器由ROM(R

3、ead Only Memory，只读存储器)或EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory，可擦除的只读存储器)组成。 存储器主要用于存放系统程序和应用软件(用户程序及工作数据)。PLC系统所用存储器基本上由ROM、EPROM或EEPROM(电擦除可编程序只读存储器)，用以存放系统程序，生产厂家在PLC出厂前已将系统程序固化其中，用户一般不作更改。 系统程序由以下各部分内容组成： (1) 系统管理程序。 (2) 编译程序。 (3) 监控程序。,2用户程序存储器 用户存储器由RAM或CMOS RAM组成。 CMOS RAM是一种高密度、低功耗、价格便

4、宜的半导体存储器，用锂电池作备用电源，掉电时可有效地保持存储的信息不丢失。锂电池的寿命一般为35年。 用户存储器分两个区存放用户应用程序： (1) 用户程序存储器区。 (2) 工作数据存储区(变量存储器)。,2.1.1.3 输入/输出单元 输入/输出单元是PLC与外部设备相互联系的窗口，必须能直接与现场相连，这是PLC的重要特点。输入单元由输入端子、输入电路和输入锁存器组成。其作用是连接外部信号，并将这些信号转换成PLC的CPU所需要的标准电平信号，并将输入信号锁存。输出单元由输出锁存器、输出电路和输出端子组成。其作用是将CPU送来的各输出点的信号进行锁存，并转换成外部过程所需要的信号电平，并

5、以此来驱动外部过程的执行机构、指示灯及各种负载。而与PLC输入部分和输出部分相连的器件的电压都很高，一般在直流24V或交流220V之间，电流达几个安培。PLC的输入、输出接口部分是PLC的内部弱电与外部强电相连的部分。因此，输入、输出接口部分必须具有电压转换和隔离功能，这样不需中间继电器，PLC就能直接与传感器或执行器件相连，同时还可减小电磁干扰。 下面介绍几种常用的输入/输出单元的工作原理。,1开关量输入单元 按照输入端电源类型，开关量输入单元可分为直流输入单元和交流输入单元。 (1) 直流输入单元。直流输入单元的电路如图2-2所示，外接的直流电源极性可任意。虚框内是PLC内部的输入电路，框

6、外左侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输入点的输入电路，各个输入点对应的输入电路均相同。 (2) 交流输入单元。交流输入单元的电路如图2-3所示。虚线框内是PLC内部的输入电路，框内左侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输入点的输入电路，各个输入点所对应的输入电路均相同。,图2-2 直流输入单元的电路,图2-3 交流输入单元的电路,2开关量输出单元 按输出电路所用开关器件的不同，PLC的开关量输出单元可分为晶体管输出单元、双向晶闸管输出单元和继电器输出单元。 (1) 晶体管输出单元。晶体管输出单元的电路如图2-4所示。虚线框内是PLC的内部输出电路，框外右侧为外部用户接线。图中只画出对应

7、于一个输出点的输出电路，各个输出点所对应的输出电路均相同。 (2) 双向晶闸管输出单元。在双向晶闸管输出单元中，输出电路采用的开关器件是光控双向晶闸管，电路如图2-5所示。虚框内是PLC内部的输出电路，框外右侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输出点的输出电路，各个输出点所对应的输出电路均相同。,图2-4 晶体管输出单元的电路,图2-5 双向晶闸管输出单元,(3) 继电器输出单元。继电器输出单元的电路如图2-6所示。 图中虚框内是PLC内部的输出电路，框外右侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输出点的输出电路，各个输出点所对应的输出电路均相同。,图2-6 继电器输出单元,2.1.1.4 电

8、源 PLC一般配有开关式稳压电源为内部电路供电。开关电源输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。有的PLC能向外部提供24V的直流电源，并可给输入单元所连接的外部开关或传感器供电。 PLC的输出端子上接的负载所需的负载工作电源必须由用户提供。,图2-7 输入/输出单元的接线方式,2.1.1.5 编程器 编程器用于用户程序的输入、编辑、调试和监视，可以通过其键盘调用和显示PLC的一些内部继电器状态和系统参数。它经过编程器接口与CPU联系，完成人机对话。 编程器一般有两大类。 一类是专用的编程器，有手持的，也有台式的，也有的可编程控制器机身上自带编程器，其中手持编程器携带方便，适合工

9、业控制现场使用。 另一类是个人计算机，在个人计算机上运行可编程控制器的编程软件即可完成编程任务。可编程控制器以每隔几年一代的速度更新，因此专用可编程控制的使用寿命有限，价格一般也比较高。现在的趋势是由可编程控制器厂家向用户提供编程软件，使用个人计算机作为基础的编程系统。,2.1.1.6 其他设备(各种接口及智能模块) 1I/O扩展单元 若主机(基本单元)I/O点数不能满足实际的I/O点需求，可通过I/O扩展单元用电缆将基本单元与I/O扩展单元相连，增加I/O点数。 2外设接口 可连上位计算机和打印机等外部设备。 3智能单元 为适应和满足更加复杂的控制功能的需要，PLC厂家生产了各种功能的智能I

10、/O模块。,2.1.2 可编程控制器的软件系统 可编程控制器的软件系统也可分为系统程序和用户程序两大类。系统程序即可编程控制器的操作系统。它是由PLC的生产厂家编制的，用于控制可编程控制器本身的运行，一般来说，系统软件对用户是不透明的。 系统程序通常包含3个部分。 (1) 系统管理程序。 (2) 用户指令解释程序。 (3) 标准程序模块和系统调用。,2.1.2.1 梯形图 梯形图是一种图形编程语言，是面向控制过程的一种“自然语言”，它沿用继电器的触点(触点在梯形图中又常称为接点)线圈和串并联等术语和图形符号，同时也增加了一些继电接触器控制系统中没有的特殊功能符号。梯形图语言比较形象、直观，对于

11、熟悉继电器控制线路的电气技术人员来说，很容易接受且不需要学习专门的计算机知识。 在PLC应用中是使用的最基本、最普遍的编程语言。 这种编程方式只能用图形编程器直接编程。 如图2-8(a)所示为一启保停程序的梯形图。,2.1.2.2 指令语句表 指令语句就是用助记符来表达PLC的各种功能。 它类似于计算机的汇编语言，但比汇编语言通俗易懂，因此也是应用很广泛的一种编程语言。 这种编程语言可使用简易编程器编程，尤其是在未能配置图形编程器时，只能将已编好的梯形图程序转换成指令语句表的形式，再通过简易编程器将用户程序逐条地输入到PLC的存储器中。 通常每条指令由地址、操作码(指令)和操作数(数据或器件编

12、号)3部分组成。编程设备简单，逻辑紧凑、系统化，连接范围不受限制，但比较抽象，一般与梯形图语言配合使用互为补充。目前，大多数PLC都有指令语句编程功能。梯形图的指令表如图2-8(b)所示。,图2-8 梯形图语言与指令表语言,2.1.2.3 逻辑功能图 这是一种由逻辑功能符号组成的功能块来表达命令的图形语言，这种编程语言基本上沿用了半导体逻辑电路的逻辑方块图。对每一种功能都使用一个运算方块，其运算功能由方块内的符号确定。常用“与”、“或”、“非”等逻辑功能表达控制逻辑。和功能方块有关的输入画在方块的左边，输出画在方块的右边。采用这种编程语言，不仅能简单明确地表达逻辑功能，还能通过对各种功能块的组

13、合实现加法、乘法和比较等高级功能。也是一种功能较强的图形编程语言。对于熟悉逻辑电路和具有逻辑代数基础的人来说是非常方便的。,2.1.2.4 顺序功能图(SFC) 顺序功能图编程方式采用工艺流程图的方法编程，只要在每一个工艺方框的输入和输出端标上特定的符号即可。对于在工厂中搞工艺设计的人来说，用这种方法编程不需要很多的电气知识，非常方便。 不少PLC的新产品采用了顺序功能图。有的公司已生产出系列的、可供不同的PLC使用的SFC编程器，原来十几页的梯形图程序，SFC只用一页就可完成，是一种效果显著的编程语言。顺序功能图如图2-9所示。,图2-9 顺序功能图,2.1.2.5 高级语言 一些大型PLC

14、为了完成一些较为复杂的控制，采用功能很强的微处理器和大容量存储器将逻辑控制、模拟控制、数值计算与通信功能结合在一起，配备Basic、Pascal、C等计算机语言，从而可像使用通用计算机那样进行结构化编程。 目前，各种类型的PLC基本上都同时具备两种以上的编程语言。其中以同时使用梯形图和指令语句表的占大多数。不同厂家、不同型号的PLC，其梯形图及指令语句表都有些差异，使用符号也不尽相同，配置的功能各有千秋。因此各个厂家不同系列、不同型号的可编程控制器是互不兼容的，但编程的思想方法和原理是一致的。,2.2 可编程控制器的工作原理,可编程控制器是一种专用的工业控制计算机，因此，其工作原理是建立在计算

15、机控制系统原理的基础上。但为了可靠地应用在工业环境下，便于现场电气技术人员的使用和维护，有着大量的接口器件、特定的监控软件和专用的编程器件。所以，不但其外观不像计算机，而且操作使用方法、编程语言及工作过程与计算机控制系统也是有区别的。,2.2.1 PLC控制系统的等效工作电路 PLC控制系统的等效工作电路可分为3部分，即输入电路、内部控制电路和输出电路。输入电路就是采集输入信号，输出电路就是系统的执行部件。这两电路与继电器控制电路相同。 内部控制电路是通过编程方法实现的控制逻辑，用软件编程实现继电器电路的功能。其等效工作电路如图2-10所示。,图2-10 PLC的等效工作电路,2.2.1.1

16、输入电路 输入电路由外部输入电路、PLC输入接线端子和输入继电器组成。外部输入信号经PLC输入接线端子驱动输入继电器的线圈。每个输入端子和与其相同编号的输入继电器X有着唯一确定的对应关系。当外部的输入元件处于接通状态时，对应的输入继电器线圈得电(这个输入继电器是PLC内部的软继电器，就是我们在前面介绍过的存储器基本单元中的某一位，它可以提供任意多个动合触点或动断触点供PLC内部控制电路编程使用)。 为使输入继电器的线圈得电，即将外部输入元件的接通状态写入与其对应的基本单元中去，输入回路要有电源。 输入回路所使用的电源，可以是PLC内部提供的24 V直流电源(其带载能力有限)，也可由PLC外部独

17、立的交流或直流电源供电。 需要强调的是，输入继电器的线圈只能是由来自现场的输入元件(如控制按钮、行程开关的触点、晶体管的基极-发射极电压、各种检测及保护器件的触点或动作信号等)的驱动，而不能用编程的方式去控制。因此在梯形图程序中，只能使用输入继电器的触点，不能使用输入继电器的线圈。,2.2.1.2 内部控制电路 所谓内部控制电路是由用户程序形成的用软继电器来代替硬继电器的控制逻辑。它的作用是按照用户程序规定的逻辑关系，对输入信号和输出信号的状态进行检测、判断、运算和处理，然后得到相应的输出。 一般用户程序是用梯形图语言编制的，它看起来很像继电器控制线路图。在继电器控制线路中，继电器的触点可瞬时

18、动作，也可延时动作，而PLC梯形图中的触点是瞬时动作的。如果需要延时，可由PLC提供的定时器来完成。延时时间可根据需要在编程时设定，其定时精度及范围远远高于时间继电器。 在PLC中还提供了计数器C、定时器T、辅助继电器M(相当于继电器控制线路中的中间继电器)及某些特殊功能的继电器S、D等。PLC的这些器件所提供的逻辑控制功能，可在编程时根据需要选用，但只能在PLC的内部控制电路中使用。,2.2.1.3 输出电路 输出电路是由在PLC内部且与内部控制电路隔离的输出继电器的外部动合触点输出接线端子和外部驱动电路组成，用来驱动外部负载。,PLC的内部控制电路中有许多输出继电器Y，每个输出继电器除了有

19、为内部控制电路提供编程用的任意多个动合、动断触点和一个线圈外，还为外部输出电路提供了一个可与输出接线端子相连的实际的动合触点。 驱动外部负载电路的电源必须由外部电源提供，电源种类及规格可根据负载要求去配备，只要在PLC允许的电压范围内工作即可。 综上所述，我们可对PLC的等效电路作进一步简化而深刻的理解，即将输入等效为一个继电器的线圈，将输出等效为继电器的一个动合触点。,2.2.2 可编程控制器的工作特点及工作过程 2.2.2.1 可编程控制器的工作特点 可编程控制器虽然同微机有许多相同的地方，但它的工作特点与微机有很大不同。 周期性扫描是可编程控制器特有的工作方式。 PLC投入运行后，都是以

20、重复的方式执行的，执行用户程序不是只执行一遍，而是一遍一遍不停地循环执行，这里每执行一遍我们称为扫描一次。 PLC在运行过程中，总是处在不断循环的顺序扫描过程中。每次扫描所用的时间称为扫描时间，又称为扫描周期或工作周期。,由于可编程控制器的I/O点数较多，采用集中批处理的方法可以简化操作过程，便于控制，提高系统可靠性。因此可编程控制器的另一个主要特点就是对输入采样、执行用户程序、输出刷新实施集中批处理。这同样是为了提高系统的可靠性。 当PLC起动后，先进行初始化操作，包括对工作内存的初始化、复位所有的定时器、将输入/输出继电器清零，检查I/O单元连接是否完好，如有异常，则发出报警信号。初始化之

21、后，PLC就进入周期性扫描过程中。,PLC的循环扫描工作方式示意图如图2-11所示。,图2-11 PLC循环扫描工作方式示意图,2.2.2.2 工作过程 根据图2-11所示，我们可将PLC的工作过程(周期性扫描过程)分为3个阶段。如图2-12所示。 1输入采样阶段 2程序执行阶段： PLC在用户程序执行阶段，CPU总是按由上而下的顺序依次扫描用户的梯形图程序。 3输出刷新阶段,PLC的工作过程示意图,2.2.3 PLC的扫描周期及滞后响应 PLC的扫描周期与PLC的时钟频率、用户程序的长短及系统配置有关。一般PLC的扫描时间为几十毫秒，在输入采样和输出刷新阶段只需12ms。作公共处理也是在瞬间

22、完成的，所以扫描时间的长短主要由用户程序决定。 从PLC的输入端有一个输入信号发生变化到PLC的输出端对该输入变化做出反应的时间称为响应时间或滞后时间。这种输出对输入在时间上的滞后现象，严格地说，影响了控制的实时性，但对于一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。如果需要快速响应，可选用快速响应模板、高速计数模板及采用中断处理功能来缩短滞后时间。 响应时间的快慢与以下因素有关： (1) 输入滤波器的时间常数(输入延迟)。 (2) 输出继电器的机械滞后(输出延迟)。 (3) PLC的循环扫描工作方式。 (4) 用户程序中语句顺序安排不当。,图2-13 语句顺序安排不当导致响应滞后示例,图2-14 最短响应时间,图2-15 最长响应时间,FX2N系列PLC的面板,-输出端子,三菱FX2N系列PLC的面板,-型号,-状态指示灯,-模式转换开关与通讯接口, -PLC的电源端子与输入端子,-输入指示灯,-输出指示灯,