PLC第2章-PLC的结构和工作原理

第2章PLC结构和工作原理第2章PLC结构和工作原理引言2.1结构2.2工作原理2.3软件和编程软元件返回本章首页第2章PLC结构和工作原理引言在讲PLC的基本结构之前先介绍一下传统继电接触控制系统和PLC控制系统的构成。传统的继电接触控制系统通常由输入设备、控制线路和输出设备三大部分组成，如图下页所示：输入设备通常由被控对象的各种开关、按钮、传感器等构成。继电器控制线路通常由中间继电器、时间继电器和将这些器件联接起来的导线等组成。复杂的继电器控制系统，一般由一个或几个控制柜构成，系统构成比较庞大。输出设备由被控对象执行元件组成，如电磁阀、接触器等。第2章PLC结构和工作原理引言输入设备继电器控制线路输出设备被控对象输出设备PLC输入设备第2章PLC结构和工作原理引言PLC控制系统是从继电接触控制系统发展而来的，如上页图所示。因此，这两种控制系统有很多相同之处，其中输入设备和输出设备基本相同。通过图比较可以看出，用PLC的控制部分取代了继电器控制线路。传统的继电器控制线路的控制作用是通过许多导线与继电器硬连接实现的，而PLC控制系统的控制作用是通过软件编程实现的，后者可以通过软件编程改变其控制作用，前者就很难做到。第2章PLC结构和工作原理引言PLC是为了取代传统的继电器控制系统而设计的一种工业控制计算机，结构与常规计算机相似，但它是专门为工业环境而设计的标准控制器。硬件是以微处理器和输入输出接口电路构成。随着PLC的发展，功能不断完善，从开关量的输入、输出，模拟量的输入、输出，到完成复杂控制功能、通讯联网功能的各种控制单元。第2章PLC结构和工作原理引言编程语言采用梯形图、梯形图指令及高级语言编程。梯形图和继电器控制系统电路图相似，也可以说是在继电器控制系统电路图基础上发展起来的，所以非常容易被掌握。可以这样理解PLC的控制功能：由梯形图语言将输入接口电路、输出接口电路、通讯接口电路联系起来。梯形图语言将输入信号读入PLC，然后根据梯形图中的控制要求进行逻辑解算，将解算结果输出到输出接口电路。第2章PLC结构和工作原理2.1结构PLC专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。图2.1为一典型PLC结构简图。图2.1结构简图CPU存储器电源部分输入单元输出单元编程器或其他设备按钮接触器电磁阀指示灯行程开关继电器触点1.中央处理单元CPUCPU(CenterProcessUnite)单元，又称中央处理单元，是PLC的核心。它除CPU芯片外，还包含外围芯片、总线接口及有关电路等。所以，称它为CPU单元。CPU芯片实际上就是微处理器或者是单片机，如东芝公司的EX40用的是8051单片机，欧姆龙公司的C200HPLC用的是MC68B09CP微处理器。有的CPU单元从可靠性和PLC速度考虑配置多个CPU芯片。大型PLC不少采用这种多CPU结构。由于微处理器和单片机是由大规模集成电路组成的，较复杂，没有必要对CPU内部详细分析，只要弄清它的功能与特性，正确使用就可以了。CPU单元的工作方式一般是通过硬件开关的设定和对内存单元的设置来决定的。通常内存单元都有一个内存区，可以设定PLC各种工作参数，如CQM1CPU的DM6600～DM6655。CPU单元的工作状态可通过相应的状态指示灯反映出来，如运行显示、故障显示、电源显示等。PLC机型不同，这些显示也不同。第2章PLC结构和工作原理CPU的主要功能：读入现场状态。控制存储器和解读用户逻辑；执行各种算术运算；输入、输出运算结果；执行系统诊断程序；与外部设备或计算机通讯。CPU单元的性能：CPU单元性能主要反映在以下几个方面。第2章PLC结构和工作原理1）从存储器中读取指令2）执行指令3）顺序取指令4）处理中断PLC的CPU一般工作在扫描方式，所以过去PLC的CPU单元没有中断功能，为了加强对应急信号的处理能力，新推出PLC的CPU单元都具有中断处理能力。第2章PLC结构和工作原理2.存储器在PLC系统中存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。系统程序是由PLC的制造厂家研制的，它是PLC的一部分，在PLC使用过程中是不变的。因此，系统程序在机器出厂时由制造厂固化于PROM存储器中，用户不能访问、修改这一部分存储器内容。用户的应用程序是按PLC的应用对象而设计的，随着生产工艺的不同而变化，是由使用者根据应用对象的工艺要求编制的，一般存放在EPROM或E2PROM中。工作数据是PLC在应用过程中要经常变化，经常存取的数据，一般不需长期保持。因此，这部分数据的存储器都选用RAM，以适应随机存取的要求。在PLC系统的工作数据存储区中开辟有输入、输出数据的映像区，定时器/计数器的设定区和当前的数据存放区。第2章PLC结构和工作原理3.输入输出单元PLC的对外功能主要通过各类接口单元实现对工业设备或生产过程的检测与控制。通过各种输入输出接口电路，PLC即可检测到所需要的过程信息，又可以将处理后的结果传送给外部过程，驱动各种执行机构，实现工业生产过程的自动控制。实际生产中信号电平多种多样，外部执行机构所需的电平也是多种多样，而PLC的CPU只能处理标准电平，正是通过I/O接口实现了这种信号电平的转换。为了适应各种各样的过程信号，相应的有许多种I/O接口单元。例如，开关量输入单元、开关量输出单元、模拟量输入单元和模拟量输出单元。为了满足特殊的控制要求，有些PLC还配有特殊单元。如温度控制单元、PID控制单元、高速计数单元、运动控制单元、模糊控制单元、位置控制单元和网络通信单元等。第2章PLC结构和工作原理输入输出单元（1）开关量输入单元开关量输入单元是将外部的开关量信号转换成PLC内部所需要的电平信号。输入信号一般分为直流信号和交流信号两种，对应的输入单元也分为直流输入单元、交流输入单元和交直流输入单元三种；从单元的电路构成可分为直流汇点输入、直流隔点输入，交流汇点输入和交流隔点输入。a、直流输入。输入单元电路原理如图2-2所示。第2章PLC结构和工作原理图2-2直流输入电路原理图第2章PLC结构和工作原理输入单元分为汇点和隔点两种形式。汇点输入是将电路的公共端连接在一起，隔点输入是各输入电路的输入端是分开的，没有公共端子它们彼此独立互不影响，但都占输入单元端子。输入的点数有8点、16点、24点、32点。输入信号一般经过信号调理、滤波和光电隔离后再送入内部电路处理。内部电路根据PLC的指令，通过I/O的地址总线选通使被选通的某点输入信号经过I/O数据总线进入用户程序的数据存储区，供CPU做逻辑运算使用，信号电源一般由PLC单元提供，有些单元是由外部提供。直流输入信号的电压一般在12～24V，也有的单元要求24V标准电压。从图2-2（a）中可以看出，由于输入信号的光电隔离电路和LED发光二极管是双向的，所以对输入信号的正、负极无要求，对于汇点输入方式的单元将电源的正极或负极接到COM端，另一端接信号。图2-2（b）是端子接线图。第2章PLC结构和工作原理b、交流输入。输入单元电路原理如图2-3所示，输入单元也分汇点和隔点两种形式。输入点数有8点、16点、24点和32点。交流信号通过电容C、电阻R1和双向光电隔离电路和双向发光二极管输入，因为光电隔离电路和LED显示器都是双向的，所以交流信号在半周期和负半期内都能通过光电耦合电路输入到PLC内部。交流输入的电源一般都是现场供给，为了防止输入信号过高，每路输入信号端并接取样电阻和隔离直流电平的电容；为了指示各路信号的输入状态，每路均接LED显示器。第2章PLC结构和工作原理图2-3交流输入单元电路原理图第2章PLC结构和工作原理（2）开关量输出单元开关量输出单元，用来将PLC的CPU单元输出的标准电平转换成外部过程所需要的电平信号，并以此来驱动外部过程的执行机构、指示灯和负载。输出单元也分汇点和隔点两种形式。开关量输出接口单元的种类很多，下面介绍常用的开关量输出接口单元的电路结构类型和基本原理图。a、继电器输出。继电器输出电路如图2-4所示。输出负载的电源，可以是直流，也可以是交流，视负载类型决定。电源一般由外部电路提供。继电器输出电路抗干扰能力强，负载能力大（工作电流可达2～5A），但信号响应时间长一些（8～10ms）。第2章PLC结构和工作原理图2-4继电器输出电路图第2章PLC结构和工作原理b、晶闸管输出。晶闸管输出电路如图2-5所示。晶闸管电路用于功率放大，RC吸收干扰与浪涌电流，VAR压敏电阻吸收过大的浪涌电流。从图4-12可以看出，晶闸管输出一定用交流负载，故电源也是交流电源，电流由外部电路提供。一般来说，晶闸管输出响应时间短（通点1～2ms断点8～10ms），负载能力强。第2章PLC结构和工作原理图2-5双向晶闸管输出电路第2章PLC结构和工作原理c、晶体管输出。晶体管输出电路如图2-6所示，从图中可以看出，负载电源由外部提供，并且只能是直流的。晶体管输出响应时间短，（0.5～1ms以上），但负载能力小，工作电流一般在0.3～0.5A之间，也有的可以达到1A。第2章PLC结构和工作原理图2-6晶体管输出电路第2章PLC结构和工作原理(3）模拟量的输入单元模拟量的输入单元在过程控制中的应用很广泛。如常用的温度、压力、速度、流量、位移等值都是连续变化的模拟量，经传感器的检测、变换，输出的是连续变化的电压或电流形式的模拟量。也就是说，模拟量的输入电平大多数是经传感器通过变换后得到的，模拟输入信号按IEC标准为4～20mA电流信号，或1～5V、-10～10V，0～10V的直流电压信号。输入单元接收这种模拟信号后，把它转换成8位、10位或12位的二进制数字信号（最大值是255、1023、4095），送给CPU单元进行处理。因此模拟量输入单元又叫A/D转换输入单元。第2章PLC结构和工作原理（4）模拟量输出接口单元在工业控制中，经常遇到需要模拟量控制的问题。如电液伺服阀、变频器等。必须把PLC输出的数字量转换成模拟量，才能够满足这类执行机构的动作要求，这种转换过程，称为数/模（D/A）转换。模拟量输出单元的功能就是用来将PLC内部输出的数字量转换成外部生产过程所需的模拟信号。模拟量输出单元也各有不同类型。例如，有0～10V的电压输出，-10～+10V的电压输出，也有4～20mA的电流输出。同样，不管何种类型的输出单元，它们的内部电路结构完全一样，只是输出回路有所不同。与模拟量输入单元一样，模拟量输出单元中的数据也是用二进制码表示的。第2章PLC结构和工作原理2.2工作原理1.PLC的循环扫描工作过程PLC实质上也是计算机控制系统，但它具有比计算机更强的与工业过程相连接的接口，有更适合工业控制要求的编程要求的编程语言。与其它计算机系统一样，PLC的CPU是采用分时操作的原理，每一时刻执行一个操作，随着时间的延伸一个动作接一个动作顺序地进行。这种分时操作进程称为CPU对程序的扫描。PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按序号顺序排列。CPU从第一条指令开始，顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结束。然后，返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述的扫描循环，如图2-7所示。第2章PLC结构和工作原理工作原理除了执行用户程序之外，在每次扫描过程中还要完成输入、输出处理等工作。扫描一次所用的时间称为扫描周期。扫描周期与用户程序的长短和扫描速度有关，典型值为1～100ms，在对I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置在I/O的处理结果上没有什么差别。PLC采用对整个程序循环执行的工作方式，也称循环扫描，即执行用户程序不是执行一次就结束，而是一遍一遍不停的循环执行。如用户程序不长，执行一次程序的时间足够短，那末扫描一次程序所占的时间短到足以保证变量条件不变，即前一次扫描未捕捉到的某一变量的状态，保证在下一次扫描程序时该变量条件依然存在，这样，就可以解决程序顺序控制与被控对象控制条件之间存在不协调的矛盾。第2章PLC结构和工作原理反复执行（执行一次