PLC課件第2章

1、第2章 PLC的組成及工作原理 第2章 PLC的組成及工作原理 2.1 PLC的基本組成和各部分的作用的基本組成和各部分的作用 2.2 PLC的工作原理的工作原理 2.3 PLC的編程語(yǔ)言的編程語(yǔ)言 習(xí)題習(xí)題 第2章 PLC的組成及工作原理 2.1 PLC的基本組成和各部分的作用的基本組成和各部分的作用 2.1.1 PLC的基本組成的基本組成PLC采用典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，其實(shí)質(zhì)就是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。PLC主要由中央處理單元、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口、編程器、電源以及其他電路組成，如圖2.1所示。 第2章 PLC的組成及工作原理 圖2.1 PLC的基本組成 第2章 PLC的組成及工作原理 2.1.

2、2 PLC各部分的作用各部分的作用1中央處理單元中央處理單元(CPU)CPU是PLC的核心部件，由控制電路、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路一般都集成在一個(gè)芯片上。CPU通過(guò)地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與存儲(chǔ)單元、輸入/輸出接口電路連接。CPU因PLC的型號(hào)不同也不一樣。小型PLC一般采用8位、16位微處理器或單片機(jī)，如Z80A、8031、M6800等；中型PLC大多采用16位、32位微處理器或單片機(jī)，如8086、96系列單片機(jī)，具有集成度高、速度快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)；大型PLC大多采用高速位片式微處理器，具有靈活性強(qiáng)、運(yùn)算速度快、效率高的優(yōu)點(diǎn)。還有一些PLC采用冗余技術(shù)，即雙CPU或者三CPU工作

3、，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。 第2章 PLC的組成及工作原理 CPU的主要任務(wù)如下：(1) 接收、存儲(chǔ)用戶程序。(2) 以掃描方式接收輸入的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，并存入映像寄存器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。(3) 執(zhí)行監(jiān)控程序和用戶程序，完成數(shù)據(jù)和信息的邏輯處理，產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)部控制信號(hào)，完成用戶程序所規(guī)定的各種操作。(4) 響應(yīng)外設(shè)請(qǐng)求。(5) 診斷電源、PLC內(nèi)部電路的工作故障和編程語(yǔ)法錯(cuò)誤等。 第2章 PLC的組成及工作原理 2存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器(Memory)可編程序控制器配置有系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器。1) 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器用來(lái)存放系統(tǒng)管理程序，并固化在ROM或EPROM存儲(chǔ)器中，用戶不可以訪

4、問(wèn)和修改。它相當(dāng)于個(gè)人計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)，包括系統(tǒng)監(jiān)控、用戶指令解釋、標(biāo)準(zhǔn)程序模塊、系統(tǒng)調(diào)用和管理等程序以及系統(tǒng)參數(shù)等。 第2章 PLC的組成及工作原理 2) 用戶程序存儲(chǔ)器用戶程序存儲(chǔ)器分為三部分：用戶程序區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)和系統(tǒng)區(qū)。用戶程序區(qū)存放用戶經(jīng)編程器輸入的應(yīng)用程序；數(shù)據(jù)區(qū)用于存放PLC運(yùn)行過(guò)程中所生成的各種數(shù)據(jù)，包括輸入/輸出數(shù)據(jù)映像區(qū)、定時(shí)器與計(jì)數(shù)器的預(yù)置值和當(dāng)前值的數(shù)據(jù)等；系統(tǒng)區(qū)主要存放CPU的組態(tài)數(shù)據(jù)，如輸入/輸出組態(tài)、設(shè)置輸入濾波、脈沖捕捉、輸出表配置、模擬電位器設(shè)置、高速計(jì)數(shù)器配置、通信組態(tài)等。 第2章 PLC的組成及工作原理 3輸入輸入/輸出單元輸出單元(Input/Output

5、 Unit)輸入/輸出單元是可編程序控制器的CPU與現(xiàn)場(chǎng)輸入/輸出裝置或其他外部設(shè)備之間的連接接口部件。輸入單元將現(xiàn)場(chǎng)的輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)輸入單元接口電路的轉(zhuǎn)換，變換為標(biāo)準(zhǔn)電平的數(shù)字量信號(hào)，送給中央處理器進(jìn)行運(yùn)算和處理；輸入單元一般有直流、交流和交直流輸入單元以及模擬量和智能輸入單元。 第2章 PLC的組成及工作原理 輸出單元將中央處理器輸出的控制信號(hào)變換為控制器件所能接收的電壓、電流信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)接觸器、電磁閥、指示燈等。輸出單元一般有繼電器輸出單元、晶體管輸出單元和雙向晶閘管輸出單元以及模擬量和智能輸出單元。所有的輸入/輸出單元均帶有光電耦合電路，將PLC和外部電路隔開(kāi)，以提高其可靠性。 第2章

6、 PLC的組成及工作原理 4編程器編程器編程器是PLC的重要外部設(shè)備，供用戶編制程序、調(diào)試程序和監(jiān)控等。很多現(xiàn)代PLC也可直接在計(jì)算機(jī)上利用組態(tài)軟件進(jìn)行編程和監(jiān)控。5電源單元電源單元電源單元是PLC的供電部分，是把外部電源變換為系統(tǒng)內(nèi)部各單元所需的電源，包括掉電保護(hù)電路和后備電池電源。PLC一般采用開(kāi)關(guān)電源。 第2章 PLC的組成及工作原理 2.2 PLC的工作原理的工作原理 2.2.1 建立建立I/O映像區(qū)映像區(qū)在PLC的存儲(chǔ)器建立了I/O映像區(qū)，其大小由PLC的程序所決定。每一個(gè)輸入/輸出點(diǎn)的編址號(hào)與輸入/輸出映像區(qū)的某一位(地址號(hào))相對(duì)應(yīng)。PLC工作時(shí)，將采集到的輸入信號(hào)狀態(tài)存放在輸入映

7、像區(qū)對(duì)應(yīng)的位上；將運(yùn)算的結(jié)果存放到輸出映像區(qū)對(duì)應(yīng)的位上。PLC在執(zhí)行程序時(shí)所需“輸入繼電器”和“輸出繼電器”的數(shù)據(jù)取自對(duì)應(yīng)I/O映像區(qū)的內(nèi)容，而不與外界設(shè)備發(fā)生接觸。I/O映像區(qū)的建立不僅加快了程序的執(zhí)行速度，而且還將中央處理模塊和外界隔開(kāi)，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。同時(shí)這種相對(duì)隔離也為PLC硬件的標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)造了條件。 第2章 PLC的組成及工作原理 2.2.2 PLC的巡回掃描工作方式的巡回掃描工作方式1PLC的工作過(guò)程的工作過(guò)程PLC開(kāi)始運(yùn)行后，在系統(tǒng)程序的監(jiān)控下周而復(fù)始地按照一定的順序?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)部的各種任務(wù)進(jìn)行查詢、判斷和執(zhí)行，這個(gè)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是按照巡回掃描的方式進(jìn)行的。執(zhí)行一次巡回掃描所需要的

8、時(shí)間稱作掃描周期。PLC的工作過(guò)程如圖2.2所示。 第2章 PLC的組成及工作原理 圖2.2 PLC的工作過(guò)程 第2章 PLC的組成及工作原理 (1) 初始化：PLC運(yùn)行后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，清除內(nèi)部繼電器區(qū)，復(fù)位定時(shí)器等。(2) CPU自診斷：PLC每個(gè)掃描周期都要進(jìn)行自診斷，對(duì)電源、內(nèi)部電路、用戶程序的語(yǔ)法進(jìn)行檢查，定期復(fù)位監(jiān)控定時(shí)器等，以確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行。(3) 通信信息處理：在此階段，進(jìn)行PLC之間以及PLC與計(jì)算機(jī)之間的信息交換；PLC與其他帶有微處理器的智能裝置通信等。 第2章 PLC的組成及工作原理 (4) 與外設(shè)交換信息：PLC與外部設(shè)備相連時(shí)，每個(gè)掃描周期都要進(jìn)行信息交換。

9、這些外部設(shè)備包括編程器、終端設(shè)備、打印機(jī)等。在程序輸入、編輯、調(diào)試和監(jiān)控時(shí)，PLC要和編程器交換信息。 (5) 執(zhí)行用戶程序：執(zhí)行用戶程序時(shí)，以掃描的方式按順序逐句掃描、處理，掃描一條執(zhí)行一條，并把運(yùn)算處理的結(jié)果存入輸出映像區(qū)對(duì)應(yīng)的位上。(6) 輸入/輸出信息處理：在每個(gè)掃描周期都要把外部信號(hào)的狀態(tài)存入輸入映像區(qū)；把程序運(yùn)行處理的結(jié)果存入輸出映像區(qū)，直至傳到外部被控設(shè)備。 第2章 PLC的組成及工作原理 2用戶程序的巡回掃描過(guò)程用戶程序的巡回掃描過(guò)程CPU在運(yùn)行(RUN)狀態(tài)下，PLC對(duì)用戶程序進(jìn)行巡回掃描可分為三個(gè)階段，即輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段，如圖2.3所示。 第2章 P

10、LC的組成及工作原理 圖2.3 PLC用戶程序的工作過(guò)程 第2章 PLC的組成及工作原理 1) 輸入采樣階段在執(zhí)行程序之前，首先掃描輸入端子，按順序?qū)⑺休斎胄盘?hào)的狀態(tài)存入輸入映像寄存器中，這一過(guò)程稱為輸入采樣。輸入映像區(qū)的信息供用戶程序運(yùn)行時(shí)使用。在該工作周期內(nèi)輸入采樣結(jié)果不變，只有到下個(gè)掃描周期的輸入采樣階段才會(huì)刷新。 第2章 PLC的組成及工作原理 2) 程序執(zhí)行階段PLC完成采樣后，從起始地址開(kāi)始按自左而右、從上到下的順序，對(duì)每條指令逐句掃描并執(zhí)行。在執(zhí)行程序時(shí)，分別從輸入映像寄存器、輸出映像寄存器以及輔助繼電器中獲取所需數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理。再將運(yùn)行結(jié)果寫(xiě)入輸出映像寄存器中保存，但這個(gè)保

11、存的結(jié)果在該程序執(zhí)行階段完成前不會(huì)送到輸出端子上。 第2章 PLC的組成及工作原理 3) 輸出刷新階段在程序執(zhí)行階段完成后，即執(zhí)行完END指令，PLC將輸出映像寄存器的內(nèi)容集中轉(zhuǎn)存到輸出鎖存寄存器，然后傳送到輸出端子進(jìn)行輸出，以驅(qū)動(dòng)用戶設(shè)備。 第2章 PLC的組成及工作原理 2.2.3 輸入輸入/輸出延遲響應(yīng)輸出延遲響應(yīng)由于PLC采用巡回掃描的工作方式，即對(duì)信息采用串行處理方式，必然導(dǎo)致輸入/輸出延遲響應(yīng)。從PLC的一個(gè)輸入信號(hào)狀態(tài)發(fā)生變化到輸出端對(duì)該信號(hào)做出反應(yīng)就必然需要一定的時(shí)間，這段時(shí)間就稱為響應(yīng)時(shí)間或滯后時(shí)間(通常有幾十毫秒)。這種現(xiàn)象稱為輸入/輸出延遲響應(yīng)或滯后現(xiàn)象。對(duì)于一般的工業(yè)設(shè)

12、備來(lái)說(shuō)，其輸入多為開(kāi)關(guān)量，其輸入信號(hào)的變化周期(秒級(jí)以上)大于程序掃描周期，所以這種延遲響應(yīng)是完全允許的。而對(duì)于某些需要輸出對(duì)輸入做出快速響應(yīng)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，可以采用快速響應(yīng)模塊、高速計(jì)數(shù)模塊以及中斷處理等措施來(lái)盡量減小響應(yīng)時(shí)間。 第2章 PLC的組成及工作原理 從PLC的工作過(guò)程可總結(jié)出以下幾個(gè)結(jié)論：(1) 以掃描的方式處理程序，其輸入/輸出信號(hào)間存在著原理上的延遲響應(yīng)。程序越復(fù)雜，掃描周期越長(zhǎng)，延遲響應(yīng)必然越嚴(yán)重。(2) 掃描周期除了輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新三個(gè)主要工作階段所占用的時(shí)間外，還包含系統(tǒng)管理操作所占用的時(shí)間。(3) 輸入/輸出延遲響應(yīng)不僅與掃描方式有關(guān)，還與程序設(shè)計(jì)安排有關(guān)。

13、第2章 PLC的組成及工作原理 2.3 PLC的編程語(yǔ)言的編程語(yǔ)言 2.3.1 梯形圖語(yǔ)言梯形圖語(yǔ)言梯形圖語(yǔ)言是PLC最常用的編程語(yǔ)言，類似于繼電器接觸器控制原理圖，由觸點(diǎn)、線圈或功能指令等構(gòu)成。左右兩條垂直線稱為母線，如圖2.4(a)所示。 第2章 PLC的組成及工作原理 圖2.4 梯形圖和助記符(指令表)(a) 梯形圖；(b) 助記符(指令表)第2章 PLC的組成及工作原理 2.3.2 助記符助記符(指令表指令表)語(yǔ)言語(yǔ)言由若干條指令組成的程序稱為指令表程序，有的生產(chǎn)廠商將指令稱為語(yǔ)句?？删幊绦蚩刂破鞯闹噶钍且环N與匯編語(yǔ)言中的指令相似的助記符表達(dá)式。小型可編程序控制器的指令系統(tǒng)比匯編語(yǔ)言簡(jiǎn)

14、單得多，使用20多條基本邏輯指令就可以編制出能替代繼電器接觸器控制系統(tǒng)的梯形圖。指令表程序較難閱讀，其中的邏輯關(guān)系很難一眼看出，所以在設(shè)計(jì)時(shí)一般使用梯形圖語(yǔ)言。使用編程軟件可以直接將梯形圖寫(xiě)入可編程序控制器，并在顯示器上顯示出來(lái)。如果使用簡(jiǎn)易編程器，則必須將梯形圖轉(zhuǎn)換成指令表后再寫(xiě)入可編程序控制器，這種轉(zhuǎn)換的規(guī)則很簡(jiǎn)單。在用戶程序存儲(chǔ)器中，指令按步序號(hào)順序排列，圖2.4(a)梯形圖對(duì)應(yīng)的助記符(指令表)如圖2.4(b)所示。 第2章 PLC的組成及工作原理 2.3.3 功能圖語(yǔ)言功能圖語(yǔ)言功能圖語(yǔ)言類似于數(shù)字邏輯電路的形式，對(duì)于熟悉數(shù)字電路的技術(shù)人員比較容易掌握。功能圖語(yǔ)言如圖2.5所示，其中

15、I表示輸入信號(hào)，Q表示輸出信號(hào)。 第2章 PLC的組成及工作原理 圖2.5 功能圖語(yǔ)言 第2章 PLC的組成及工作原理 2.3.4 順序控制功能圖語(yǔ)言順序控制功能圖語(yǔ)言順序控制功能圖應(yīng)用于順序控制類的程序設(shè)計(jì)，包括工步、具體動(dòng)作和轉(zhuǎn)換條件三個(gè)基本要素。順序控制功能圖編程法是將復(fù)雜的控制過(guò)程分成多個(gè)工作步驟(簡(jiǎn)稱工步)，每個(gè)工步又對(duì)應(yīng)著多個(gè)具體的工藝動(dòng)作，把這些工步依據(jù)一定的順序要求進(jìn)行排列組合，再在不同工步內(nèi)實(shí)現(xiàn)各自的具體要求，形成一個(gè)完整的控制程序。順序控制功能圖在復(fù)雜控制系統(tǒng)中有著很重要的地位。本書(shū)將在第4章對(duì)順序控制功能圖編程作較為詳細(xì)的介紹。順序控制功能圖如圖2.6所示。 第2章 PLC的組成及