第6章PLC的基本组成及工作原理

第6章PLC基本组成及工作原理6.1PLC的基本组成PLC的基本结构1）中央处理器（CPU）CPU是PLC的控制中枢，PLC在CPU的控制下有条不紊地协调工作，从而实现对现场的各个设备进行控制。2）存储器（EPROM/RAM）系统存储器EPROM、用户存储器RAM。3）输入/输出模块（I/O）相应的I/O模块作为CPU与工业生产现场的桥梁，进行信号电平的转换。（1）开关量输入模块：外部信号（2）开关量输出模块：三种形式4）编程器简易编程器、图形编程器、通用计算机编程5）电源单元可编程控制器的核心，主要采用通用微处理器、单片机和位片式微处理器三种类型。通用微理器：8086、80286、80386等单片机：8031、8096等位片式微处理器：AM2900、AM2903等可编程控制器的档次越高，CPU的位数也越多，运算速度越快，功能指令越强。1）中央处理单元（CPU）2）存储器（EPROM、RAM）可编程控制器配有两种存储器：系统存储器:存放系统管理程序用户存储器:（一般8K）存放用户编制的应用程序和工作数据状态。常见存储器有:CMOSRAM-价廉、高密EPROM-专用设备写入EEPROM-不需专门设备3）输入/输出模块（I/O单元）CPU所处理的信号只能是标准信号，而实际的信号电平多种多样，外部执行机构所需的电平也是千差万别的。相应的I/O模块作为CPU与工业生产现场的桥梁，进行信号电平的转换。（1）开关量输入模块：外部信号（2）开关量输出模块：三种形式I/O单元是可编程控制器与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。I/O必须具备良好的光电隔离和滤波作用。（1）开关量输入模块开关量输入设备有：开关、按钮、传感器等。信号有：交流电压（110V或220V）直流电压（12~24V）输入模块的作用：将生产现场的信号转换成CPU能接收的TTL标准电平的数字量信号。（2）开关量输出模块输出模块的作用：将CPU执行用户程序所输出的TTL电平的控制信号转化为生产现场所需的，能驱动特定设备的信号，以驱动执行机构的动作。开关量输出模块的形式：继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出。继电器输出可接直流或交流负载。当开关量输出的频率低于1000Hz时，一般选用继电器输出。晶体管输出属直流输出，只能接直流负载。当开关量输出的频率大于1000Hz时，一般选用晶体管输出。双向晶闸管输出属交流输出，只能接交流负载。4）编程器编程器是PLC最重要的外围设备，利用它将用户程序送入PLC存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序、参数，监控PLC的工作状态。除编程器外，编程还可通过软件包借助于计算机实现，其功能更强，编程更方便，界面更友好。简易编程器、图形编程器、通用计算机编程5）电源单元将交流电转换成可编程控制器所需的直流电，并可向外部传感器供电，电流往往只有mA级。6.2.1PLC的工作过程（1）PLC的外部接线6.2PLC的基本工作原理（2）PLC的内部等效电路输入部分作用：收集被控设备的外部输入信号和操作指令。内部控制电路作用：运算、处理输入部分得到的信息，并作出输出控制。这部分由用户根据控制要求编制的程序组成。输出部分作用：驱动外部负载。（3）PLC的工作过程工作方式:循环扫描工作方式，对输入、输出信号集中批处理。（微型计算机为等待命令工作方式，对输入、输出信号实时处理）PLC扫描工作方式：输入采样——程序执行——输出刷新•输入采样：以扫描方式将所有输入端子的通断状态顺序读入输入映象寄存器。•程序执行：按用户编制的程序顺序进行扫描执行。•输出刷新：在程序执行完后，将输出映象寄存器的内容集中送往输出锁存器，并通过输出端子向外输出控制信号，驱动外部负载。PLC工作过程：•内部处理阶段（自诊断）•通信服务阶段（联机通信）•输入采样阶段•程序执行阶段•输出刷新阶段扫描周期：PLC依次执行每个工作阶段，如此往复循环，完成一个周期工作的时间。扫描周期的长度主要取决于用户程序的长短。PLC工作过程示例6.2.2输入/输出的滞后现象PLC循环扫描工作方式——若在程序执行过程中，输入信号发生变化，其输出不能即时作出反映，只能等到下一个扫描周期开始时采样该变化了的输入信号。另外，程序执行过程中产生的输出不是立即去驱动负载，而是将处理的结果存放在输出映像寄存器中，等程序全部执行结束，才能将输出映像寄存器的内容通过锁存器输出到端子上。因此，PLC最显著的不足之处是输入／输出有响应滞后现象。但对一般工业设备来说，PLC的输入/输出滞后现象是完全允许的。几个结论（P151~P152）6.2.3PLC输入/输出处理的规则•输入映象寄存器的内容，由上一个输入采样期间输入端子的状态决定。•输出映象寄存器的状态，由程序执行期间的执行结果所决定，随程序执行过程而变化。•输出锁存器的状态，由程序执行期间输出映象寄存器的最后状态来确定。•各输出端子的状态，由输出锁存器确定。•程序如何执行，取决于输入、输出映象寄存器的状态。6.2.4PLC与继电接触器系统动作顺序的区别•PLC的电器动作是“串行”的，按周期重复执行。•继电接触器系统的电器动作是“并行”的，同时执行。（存在触点竞争和时序失配问题）6.3PLC的编程语言PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程。常用编程语言：梯形图语言助记符（指令表）语言功能图语言顺序功能图语言高级编程语言6.3.1梯形图语言（LAD）1)梯形图与继电器控制的区别梯形图语言形象直观，类似电气控制系统中继电器控制电路图。逻辑关系明显，电气技术人员容易接受。第一用户语言。对于同一控制电路，继电器控制原理图和梯形图的输入、输出信号、控制过程等效。两者本质区别：•继电器控制原理图：硬继电器、硬定时器，硬接线。•PLC的梯形图：内部软继电器、软定时器／计数器，软件（程序，软接线）。2)梯形图程序简介(1)梯形图程序按行从上至下，每一行从左到右顺序编写。PLC程序执行顺序与梯形图的编写一致。(2)梯形图左边垂直线称左母线，右边垂直线称为右母线。左母线右侧放置输入接点和内部继电器触点。(3)梯形图的最右侧必须放置输出器件。右母线有时可以不画出。(4)梯形图程序中的触点可以任意串、并联，而输出线圈只能并联不能串联。(5)输出线圈只对应输出映像区的相应位，不能直接驱动现场设备。(6)梯形图中每个编程元件应按一定的规则加标字母数字串。梯形图（LAD）•梯形图是一种虚拟物理电路，其左右母线不接电源，梯形图中没有真实物理电流，而只有概念电流（虚电流）；•PLC运行时，对梯形图按扫描方式从左到右，从上到下顺序执行，不存在几条回路同时工作。6.3.2、助记符语言（指令表）（STL）助记符语言是PLC的命令语句表达式，与计算机汇编语言相类似。由若干条语句组成，语句由操作符和操作数两部分构成。6.3.3逻辑功能图语言逻辑功能图语言是一种类似于数字逻辑电路图的编程语言。逻辑功能图采用标准的逻辑器件符号表达控制逻辑关系。6.3.4顺序功能图语言（SFC）顺序功能图像控制系统流程图一样，用来表达一个顺序控制过程。顺序功能图常用来编制顺序控制类程序。它包括工步、动作、转换驱动条件三个元素。6.3.5高级语言高级语言编程已经在某些厂家生产的PLC中应用。这种语言类似于BASIC语言、C语言等高级编程语言。作业P1546.1、6.3