第二章PLC的基础知识

1/39《PLC原理及工程应用》第二章PLC的基础知识2/39第二章PLC的基础知识可编程序控制器的基本概念可编程序控制器的基本组成可编程序控制器的扩展构成可编程序控制器的工作方式3/392.1可编程序控制器的基本概念2.1.1存储程序控制1、接线程序控制：通过电器元器件的固定接线来实现控制逻辑，完成控制任务。制造周期较长，造价相应较高，维修也不方便，灵活性和通用性较低，故障率较高2、支配控制系统工作的程序存放在存储器中，利用程序来实现控制逻辑，完成控制任务。具有通用、灵活、可靠性高等特点4/39可编程序控制器构成的存储程序控制系统的组成部分：输入部分：它们直接接受来自操作台上的操作命令，或来自被控对象上的各种状态信息，如按钮、开关、传感器等。输出部分：它们用来接受程序执行结果的状态，以操作各种被控对象，如电动机、电磁阀、状态指示部件等。控制部分：采用微处理器和存储器，执行按照被控对象的实际要求编制并存入程序存储器的程序，来完成控制任务。5/39软继电器的概念：对于使用者来说，在编制应用程序时，可以不考虑微处理器和存储器的复杂构成及其使用的计算机语言，而把PLC看成是内部由许多“软继电器”组成的控制器，用提供给使用者的近似于继电器控制线路图的编程语言进行编程。PLC内部的继电器并不是实际的物理继电器，它实质上是存储器中的某些触发器，该位触发器状态为“1”时，相当于继电器接通；该位触发器状态为“0”时，相当于继电器断开。6/39“软继电器”的线圈、常开接点、常闭接点PLC为用户提供的继电器一般是：输入继电器、输出继电器、辅助继电器、特殊功能继电器、移位寄存器、计时／计数器等。其中输入输出继电器一般与外部输入、输出设备相连接，而其他继电器与外部设备没有直接联系，因此可统称为内部继电器。线圈常开接点常闭接点7/39PLC控制系统的组成内部“软接线”（用程序实现）输入继电器线圈继电器接点内部继电器线圈负载电源输出公共端输出接点COMCOM输入公共端输入端用户输出设备（接触器、电磁阀等）用户输入设备（按钮、限位开关等）8/392.1.2PLC常用术语1．位是PLC中逻辑运算的基本元素，通常也称为内部继电器。2．I/O点常用I/O点数来表征PLC的规模。3．通道一个通道含16位，或者说含16个继电器。4．区相同类型通道的集合。数据区、定时/计数器区、内部继电器区等数字2数字3数字1数字0左字节右字节1514131211109876543210位通道9/392.2可编程序控制器的基本组成2.2.1PLC的硬件组成外部设备盒式磁带机打印机EPROM写入器图形监控系统PC或上位计算机输入单元外设I/O接口微处理器（CPU）运算器控制器输出单元存储器EPROM(系统程序)RAM（用户程序）I/O扩展接口电源I/O扩展机编程器用户输出设备用户输入设备10/391．主机（CPU模块）在主机内部，由微处理器（MPU）通过数据总线、地址总线、控制总线以及辅助电路连接存储器、接口及I/O单元，诊断PLC的硬件状态；借助编程器接收用户键入的程序和数据；读取、解释并执行用户程序；按规定的时序接收输入状态、刷新输出状态，与外部设备交换信息等。总之，由主机实现对整个PLC的控制和管理。11/39（1）微处理器（MPU）：PLC中常用的MPU主要采用通用微处理器、单片机等。（2）存储器：PLC的存储器用于存储程序和数据。系统程序存储器用于存储系统程序，一般采用ROM或EPROM；用户程序存储器用于存储用户的应用程序。（3）I/O接口：I/O接口是MPU与外部设备、I/O模块等的连接部件，用于扩充PLC总线的驱动能力和扇入扇出点数。12/392．电源PLC配有开关式稳压电源，电源的交流输入端一般接有尖峰脉冲吸收电路，以提高抗干扰能力。小型PLC电源的交流输入电压范围一般较宽，如有的小型PLC可在l60VAC~260VAC范围内正常工作。13/393．输入／输出模块输入/输出模块是PLC与现场I/O设备或其他外部设备之间的连接部件。输入模块用于调理输入信号，对输入信号进行滤波、隔离、电平转换等，把输入信号的逻辑值安全可靠地传递到PLC内部。输出模块用于把用户程序的逻辑运算结果输出到PLC外部，输出模块具有隔离PLC内部电路和外部执行元件的作用，还具有功率放大的作用。14/39（1）直流开关量输入模块：输入输入选择器COMR1CR2DDC24V图2-4直流开关量输入模块原理图T滤波滤波.........15/39（2）交流开关量输入模块：图2-5交流开关量输入模块原理图输入选择器COMCR3DR2R1AC200~240V滤波滤波T输入.........16/39（3）直流开关量输出模块图2-6直流开关量输出模块原理图输出锁存器D2DC24V负载COMFD3T1D1+VL8L1.........17/39（4）交流开关量输出模块输出锁存器AC250VCOMF图2-7交流开关量输出模块原理图L0负载L11D1R1R2K1R3CA...18/39（5）继电器输出模块图2-8继电器输出模块原理图输出锁存器J1J1J8COM负载L1L8J8D1................19/39（6）开关量输入／输出模块等效电路：001000010100111B0B1B11COM图2-10输出模块等效电路A0A100001外部输入信号内部继电器（即位）A15图2-9输入模块等效电路000000001520/394．功能模块除开关量输入/输出外，PLC的其他输入/输出功能由功能模块来实现。一个功能模块占用多个输入／输出通道，因此在组合式PLC中对功能模块的使用数量存在限制，而对开关量输入/输出模块的数量不加限制。一般地，除编程器以外的外部设备需经功能模块才能与主机总线连接。因此，对应于各种外设以及PLC要完成的特殊输入／输出功能，有多种功能模块。21/39常用的功能模块有：模拟量输入模块模拟量输出模块动态输入/输出模块温度传感器模块高速计数模块PID模块远程I/O模块通讯模块5．扩展口扩展口是PLC的总线接口。主机与近程扩展机之间利用扩展口相连接。22/396．编程器编程器是PLC最常用的外设，也是PLC中唯一不需要通过功能模块而直接与总线相连接的外设。编程器上的方式选择开关编程位置：PLC主机处于编程方式。用户可通过编程器向PLC输入、查询、修改用户程序，但PLC不运行用户程序；监控位置：PLC主机处于监控方式。PLC已运行用户程序，用户不能输入和修改用户程序，但可查询用户程序，干预户程序运行。运行位置：PLC主机处于运行方式。PLC运行用户程序，用户不能输入和修改用户程序，也不能干预用户程序的运行情况，只能查询用户程序并监视其状态。23/397．其他外设PLC可带打印机、CRT显示器、键盘等外设，这些外设需通过相应的功能模块与PLC连接。24/392.2.2PLC的软件系统1．系统程序系统程序是PLC赖以工作的基础，采用汇编语言编写，在PLC出厂时就已固化于ROM型系统程序存储器中，不需要用户干预。系统程序分为系统监控程序和解释程序。2．用户程序用户程序又称为应用程序，是用户为完成某一特定的控制任务而利用PLC的编程语言编制的程序。用户程序通过编程器输入到PLC的用户程序存储器中。25/393．编程语言各种型号的PLC都有其自己的编程语言，但这些编程语言基本可分为两类：梯形图语言和语句表语言。语句表语言类似于计算机汇编语言，是用指令助记符来编程的。梯形图语言是类似于继电器控制线路图的一种编程语言，它面向控制过程，直观易懂，是PLC编程语言中应用最多的一种语言。26/392.3可编程序控制器的扩展构成在实际应用中，经常遇到仅用主机不能满足控制要求的情况。例如，有的场合控制规律不太复杂，但信号较多，这时仅用主机就可能出现输入/输出点数不够用，而选用高档PLC虽然输入/输出点数够用，但成本较高。在这种情况下，应考虑采用主机带扩展机的方式。27/392.3.1近程扩展方式当CPU主机上的I/O点数不能满足需要时，或组合式PLC选用的模块较多在主机上安装不开时，可通过扩展口进行近程扩展。CPU主机箱1号扩展机箱2号扩展机箱图2-12近程扩展方式注意：（1）不同型号的PLC所带扩展机的数量不同；（2）主机和扩展机必须同类型，但不一定同型号；（3）在构成近程扩展方式时，一般采用主机I/O点数多于扩展机I/O点数的方式。28/392.3.2通讯联网方式PLC有多种通讯模块，利用这些通讯模块，配以适当的通讯适配器，可以构成PLC网络和计算机－PLC网络。1．HOSTLink通讯PLC与上位机的连接通讯称为HOSTLink通讯。一台CPM2A与一台上位机通讯称为1：1方式；多台CPM2A与一台上位机通讯称为1：N方式。利用1：NHOSTLink通讯可以用一台上位机监控多台PLC，实现集散控制，一台上位机最多可以监控32台PLC。29/392．同级连接系统ControllerLink网ControllerLink是一种工厂自动化网络形式，它可在CS1、C200Hα、CVM1等PLC之间进行数据交换。此外，还可与带ControllerLink支持卡的上位机进行大容量数据包的发送和接收操作。CPUCPUCPU上位机ControllerLink支持卡双绞线电缆ControllerLink单元图2-13ControllerLink的系统结构图30/392.4可编程序控制器的工作方式2.4.1工作方式31/392.4.2扫描工作方式各种PLC均采用循环扫描方式工作，但其扫描时间上有所不同。所谓扫描时间，是指PLC两次执行用户程序之间的时间间隔，又称为扫描周期或循环周期。CPU的操作可以分为如下6部分：上电后初始处理、共同处理、上位链接服务、外设服务、运算处理、I/O刷新。其中，共同处理、上位链接服务、外设服务、运算处理、I/O刷新所占用的时间构成了PLC的扫描时间TS。32/391．上电后初始处理PLC刚加上电源后，进行一次上电后初始处理，为PLC工作做好准备。上电后初始处理，用于清除内部继电器区，并复位所有计时器，检查I/O单元的连接等。2．共同处理用于复位监视计时器，检查I/O总线是否正常，检查扫描时间是否过长，检查程序存储器有无异常。检查正常后，方可进行下面的操作。如果有异常情况，可根据错误的严重程度发出报警或停止PLC运行。共同处理时间记为TC。33/393．上位链接服务在构成计算机－PLC网络时，用于处理与计算机间的通讯。4．外设服务用于处理来自外部设备的信息。外设服务时间TO取决于共同处理时间TC、上位链接服务时间TL、运算处理时间TP和I/O刷新时间TR。34/395．运算处理用于执行用户程序。每条指令均有其执行时间，并且同—条指令执行时与不执行时所占用的时间也不相同。运算处理时间就是CPU执行一遍用户程序所用的时间。受此因素影响，运算处理时间TP不是常数，而是受程序状态的影响，每次执行程序都不尽相同。35/396．I/O刷新在每次程序执行完后，通过I/O刷新，从输入部分读取输入信号的状态并送入输入映像区，从输出映像区中将程序执行结果输出到PLC外部。I/O刷新时间TR与PLC硬件系统的构成有关，取决于PLC中I/O模块的数量以及是否具有远程扩展机。PLC的I/O刷新时间为主机和近程扩展机I/O刷新时间加上远程部分I/O刷新时间。36/397．PLC扫描时间TSPLC的扫描时间TS＝TC十TL+TO+TP+TR。由于TP不是定值，构成计算机—PLC网络时TL也不是定值，所以在一个PLC系统用户程序不变的情况下，TS也不是定值。扫描时间TS的大小，对PLC的工作有着重要影响。扫描时间越长。PLC系统反应越慢，输入信号的允许频率越低，用于定位控制时产生的误差越大。因此，在进行PLC系统设计时，除硬件选择得当、结构合理外，软件上应尽可能地减小运算处理时间TP，从而减小扫描时间TS。37/392.4.3I/O响应I/O响应是从输入状态变化到与之相关的外部输出状态变化之间的过程。I/O响应时