第2章 PLC的基本组成和工作原理

1可编程控制器的应用技术郑刚2第2章PLC的基本组成和工作原理§2.1PLC的基本组成§2.2PLC的工作原理§2.3PLC的编程语言3§2.1PLC的基本组成任何一种继电器控制系统均是由三个基本部分组成，即输入部分、逻辑部分、输出部分。其中，输入部分是指各类按钮、行程开关、转换开关；逻辑部分是指由各种继电器及其触点组成的实现一定逻辑功能的控制线路；输出部分是指各种电磁阀、线圈、电动机的各种接触器以及信号指示灯等执行电器。一、继电器控制系统4继电器控制系统是根据各种输入条件去执行逻辑控制功能，而各种逻辑控制线路是根据被控对象实际需要已经设计并由许多继电器等逻辑部件固定接好的。FUX1X2T1Y1电源FUT1K20Y2电源FUY1Y2红灯绿灯5与继电器控制系统类似，PLC也由输入部分、逻辑部分、输出部分组成。PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，PLC是一种工业控制用的专用计算机，是由硬件系统和软件系统两大部分组成。输入部分逻辑部分输出部分6PLC外观7PLC应用于步进电机控制8二、PLC的硬件结构主机电源微处理器(CPU)运算器控制器输入单元存储器EPROM(系统程序)RAM(用户程序)外设I/O接口I/O扩展接口用户输入设备输出单元用户输出设备I/O扩展接口PLC或上位计算机图形监控系统EPROM写入器打印机盒式磁带机编程器外部设备9（一）中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器等组成，各电路都集成在一块芯片上。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元、输入/输出（I/O）接口电路相连接。它是PLC的核心部分，与通用微机的CPU一样其作用在PLC中类似于人体的神精中枢。CPU主要采用通用微处理器、单片机和双极型位片式微处理器三种类型。PLC大多采用8位或16位微处理器，可编程控制器的档次越高，CPU的位数也越多，运算速度也越快，功能指令也越强。10主要功能：1)按PLC系统程序赋予的功能接收并存贮从编程器输入的用户程序和数据；2)用扫描方式接收现场输入装置的状态与数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器；3)诊断电源及PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误；4)在PLC进入运行状态后，从存贮器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启、闭有关控制电路。11（二）存储器可编程控制器的存储器可以分为系统程序存储器、用户程序存储器及工作数据存储器等三种。系统程序存储器用来存放由可编程控制器生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。它使可编程控制器具有基本的智能。能够完成可编程控制器设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC的性能。1.系统程序存储器121）系统管理程序，它主要控制可编程控制器的运行，使整个可编程控制器按部就班地工作；2）用户指令解释程序，通过用户指令解释程序，将可编程控制器的编程语言变为机器语言指令，再由CPU执行这些指令；3）标准程序模块与系统调用程序，它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、输出及特殊运算等的子程序，可编程控制器的具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少决定了可编程控制器性能的强弱。系统程序存储器的内容主要包括三部分：13根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务，用规定的可编程控制器编程语言编写的各种用户程序。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以是RAM（有用锂电池进行掉电保护），EPROM或EEPROM存储器，其内容可以由用户任意修改或增删。目前较先进的的可编程控制器采用可随时读写的快闪存储器作为用户程序存储器。快闪存储器不需后备电池，掉电时数据也不会丢失。2.用户程序存储器14工作数据存储器用来存储工作数据，即用户程序中使用的ON/OFF状态、数值数据等。在工作数据区中开辟有元件映像寄存器和数据表。其中元件映像寄存器用来存储开关量/输出状态以及定时器、计数器、辅助继电器等内部器件的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它存储用户程序执行时的某些可变参数值及A/D转换得到的数字量和数学运算的结果等。在可编程控制器断电时能保持数据的存储器区称数据保持区。用户程序存储器和用户存储器容量的大小，关系到用户程序容量的大小和内部器件的多少，是反映PLC性能的重要指标之一。3.工作数据存储器15（三）输入接口电路可编程控制器为不同的接口需求设计了不同的接口单元。1.数字量输入接口开关和传感器接口电路16交/直流输入接口单元电路17交流输入电路18数字量输入接口单元中都有滤波电路及光电耦合隔离电路。滤波有抗干扰的作用，耦合有抗干扰及产生标准信号的作用。2.模拟量输入接口作用是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合可编程序控制器内部处理的由若干位二进制数字表示的信号。模拟量输入接口接受标准模拟信号，无论是电压信号还是电流信号均可。这里标准信号是指符合国际标准的通用交互用电压电流信号值，如4～20mA的直流电流信号，1～10V的直流电压信号等。工业现场中模拟量信号的变化范围一般是不标准的，在送入模拟量接口时一般都需经变送处理才能使用。19模拟量输入电路框图20（四）输出接口电路1.数字量输出接口采用光电耦合电路，将CPU处理过的信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀等外部设备的通断电。继电器输出型：为有触点输出方式，用于接通或断开开关频率较低的直流负载或交流负载回路。晶闸管输出型：为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的交流电源负载。晶体管输出型：为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的直流电源负载。21继电器输出型22晶闸管输出型23晶体管输出型输出接口本身都不带电源，而且在考虑外驱动电源时，还需考虑到输出设备器件的类型。242.模拟量输出接口作用是将可编程控制器运算处理后的若干位数字量信号转换为相应的模拟量信号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需求。模拟量输出接口一般由光电隔离、D/A转换和信号驱动等环节组成。25输出端子有两种接法，一种输出是各自独立的（无公共点），另一种为每4~8个输出点构成一组，共有一个公共点。在输出公用一个公共端子范围时，必须使用同一电压类型和同一电压等级，但不同的公共点组可使用不同电压类型和等级。26（五）电源PLC的电源是指将外部输入的交流电处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输人输出接口等内部电路工作需要的直流电源电路或电源模块。许多PLC的直流电源采用直流开关稳压电源，不仅可提供多路独立的电压供内部电路使用，而且还可为输入设备（传感器）提供标准电源。（六）编程器编程器用于用户程序的编制、编辑、调试检查和运行监控。还可以通过键盘去调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数。近年来，大多数PLC实现了用计算机对PLC梯形图的直接编程，它用特殊软件直接将梯形图输入计算机并下装到PLC。通过计算机可对已编程序进行模拟调试、修改、直至符合设计要求。27三、PLC的软件结构（一）系统程序（监控程序）PLC除了硬件系统外，还需要软件系统的支持，共同构成PLC。PLC的软件系统由系统程序和用户程序两大部分组成。系统程序由PLC的制造企业编制，固化在PROM或EPROM中，安装在PLC上，随产品提供给用户。系统程序包括系统管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模块等。281.系统管理程序系统管理程序是系统程序的最重要的部分，控制PLC的运行，主要功能为：1）运行管理，控制PLC何时输入、何时输出、何时运算、何时自检、何时通信等等，进行时间上的分配管理。2）存储空间管理，即生成用户元件，由它规定各种参数、程序的存放地址，将用户使用的数据参数存储地址转化为实际的数据格式及物理存放地址。3）内部自检程序，包括各种系统出错检验、用户程序语法检验、句法检验、警戒时钟运行等。292.用户指令解释程序将用户用编程语言（梯形图、功能块等）编写的应用程序解释为PLC能懂得机器语言程序。3.标准程序模块由许多独立的程序块组成，各自完成不同的功能，有些完成输入输出，有些完成特殊运算等。PLC的各种具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少，就决定了PLC性能的强弱。在不改变PLC的硬件设备的情况下，改进系统监控程序能够极大地改善PLC的性能。30（二）用户程序用户程序是PLC的使用者所编制的针对控制问题的程序。它是用PLC生产商提供的编程语言编制而成的，编程语言可以是梯形图、指令表、功能块、结构文本等，不同厂商、不同语言的助记符形式会有所不同，但大同小异。用户程序包括开关量逻辑控制程序、模拟量运算程序、闭环控制程序和操作站系统应用程序。其中操作站系统程序是大型PLC系统经过通信联网后，由用户为进行信息交换和管理而编制的程序。31四、PLC的分类（一）按硬件的结构类型分类PLC的发展很快，不同厂商生产的PLC也各有各的优势，型号也各不相同。1.一体化整体式一个箱体就是一个完整的PLC。结构紧凑、体积小、成本低、安装方便。但输入输出点数固定。2.结构化模块式每个工作单元都是一个独立的模块，都插在母板上。系统构成灵活、扩展和维护方便。32（二）按应用规模分类1.小型PLCPLC的I/O点数在128点以下，一般为整体式结构。主要用于开关量逻辑控制。2.中型PLCPLC的I/O点数在256~1024点之间，一般为模块化结构，具有数据处理功能。3.大型PLCPLC的I/O点数在1024点以上，一般为模块化结构。33（三）按功能分类1.低档PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机系统。2.中档PLC具有低档PLC功能外，具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还增设中断、PID控制等功能。3.高档PLC具有中档机功能外，增加带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数运算、制表及表格传送等。高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。34§2.2PLC的工作原理一、PLC的工作过程可编程控制器整个工作过程可分为三部分：1.上电处理可编程控制器上电后对PLC系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化，I/O模块配置运行方式检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。35362.扫描过程可编程控制器上电处理完成以后进入扫描工作过程。先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU处于STOP方式时，转入执行自诊断检查。当CPU处于RUN方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。3.出错处理PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通信等是否异常或出错，如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描停止。37二、PLC的工作方式可编程控制器和计算机都是基于分时处理的原则进行工作的，即串行工作模式。可编程控制器和计算机的工作方式又有很大的不同：计算机：中断处理或等待命令的工作方式。可编程控制器：循环扫描的工作方式。38PLC采用“顺序扫描、不断循环”的工作方式，这个过程可分为输入采样，程序执行、输出刷新三个阶段，整个过程扫描并执行一次所需的时间称为扫描周期。输入端子输入锁存器输入状态寄存器输出锁存器输出状态寄存器输出端子程序执行读读写输入采样程序执行输出刷新39PLC执行程序的过程40由于每一个扫描周期只进行一次I／0刷新，故使系统存在输入、输出滞后现象。这对于一般的开关量控制系统不但不会造成影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。但对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编