可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1、可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理.2.1 可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)1 中央處理器 n 中央處理器是PLC的大腦。起著指揮的作用，其主要功能是：n （1） 編程時接受并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)，并能進行修改或更新。（2） 以掃描方式接受現(xiàn)場輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)，并存入輸入狀態(tài)表（即輸入繼電器）和數(shù)據(jù)寄存器所謂輸入影像寄存器。（3） 從存儲器中逐條讀出用戶程序，經(jīng)解讀用戶邏輯，完成用戶程序中規(guī)定的各種任務，更新輸出映像寄存器的內(nèi)容。（4） 根據(jù)輸出所存電路的有關內(nèi)容實現(xiàn)輸出控制。（5） 執(zhí)行各種診斷程序目前，PLC中的CPU主要采用單片機，如Z80A 8051 8039 AMD2900等，小

2、型PLC大多數(shù)采用8為單片機，中型PLC大多數(shù)采用16位甚至32位單片機。2 存儲器n PLC內(nèi)部存儲器用來存放PLC的系統(tǒng)程序，用戶程序和邏輯變量及數(shù)據(jù)信息。存儲器分為只讀存儲器（ROM）和隨機存儲器（RAM）兩大類。ROM的內(nèi)容雜使用時只能讀出不能寫入，它的寫入需要使用特殊的方法和設備，一旦寫入即使掉電也不會消失，稱為固化。ROM主要存放監(jiān)控程序及已調(diào)試好的用戶程序。RAM的內(nèi)容可以隨時由CPU對它進行讀取，寫入，任意修改，但掉電后，信息丟失。用戶程序是使用者為PLC完成某一具體控制任務編寫的應用程序，用戶程序在設計和調(diào)試過程中要經(jīng)常進行讀寫操作，為了便于調(diào)試、修改、擴充、完成，用戶程序一

3、般使用RAM存儲。RAM中的內(nèi)容在掉電后要消失，所以PLC對RAM提供備用鋰電池，一般鋰電池使用期為35年左右。如果調(diào)試通過的用戶程序要長期使用，可用專用EPROM寫入器把程序固化在EPROM芯片中，再把芯片插入PLC的EPROM插座上。 3 輸入、輸出模塊n 這是PLC與被控設備的連接部件，輸入模塊通過輸入端子接受現(xiàn)場設備的控制信號（包括開關量和模擬量），如控制按鈕、限位開關、傳感器信號等，并把這些信號轉(zhuǎn)換成被控設備能接收的電壓或電流信號，以驅(qū)動被控裝置（包括開關量和模擬量），如電磁閥、接觸器、信號燈等。4 擴展接口n 當PLC主機（基本單元）的點數(shù)不夠用時，可以通過擴展I/O接口連接擴展機

4、（擴展單元），以增加輸入和輸出點數(shù)。5 電源部件n 電源部件將外部提供的交流電轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部正常工作所需的直流電，它是主機的重要組成部分。6 編程器和其他外設n PLC需要通過編程器輸入、檢查、修改、完善和調(diào)試程序，也需要它在線監(jiān)控PLC的工作情況，編程器是PLC最主要的外圍設備。PLC也可以配置其他設備，如打印機、顯示器、EPROM寫入器和盒式磁帶機等。 可編程控制器的工作原理n 與普通微機類似，PLC也是由硬件和軟件兩大部分組成的。在軟件的控制下，PLC才能正常工作。軟件分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩部分。PLC的基本工作過程：n 1.輸入現(xiàn)場信息：在系統(tǒng)軟件的控制下，順次掃描各輸入點，讀入各

5、輸入點的狀態(tài)。2.執(zhí)行程序：順次掃描用戶程序中的各條指令，根據(jù)輸入狀態(tài)和指令內(nèi)容進行邏輯運算。3.輸出控制信號：根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，輸出狀態(tài)寄存器（鎖存器）向各輸出點并行發(fā)出相應的控制信號，實現(xiàn)所要求的邏輯控制功能。 PLC掃描過程:n 每次掃描開始，先執(zhí)行一次自診斷程序，對各輸入輸出點、存儲器和CPU等進行診斷，診斷的方法通常是測試出各部分的當前狀態(tài)，并與正常的標準狀態(tài)進行比較，若兩者一致，說明各部分工作正常，若不一致則認為有故障。此時，PLC立即啟動關機程序，保留現(xiàn)行工作狀態(tài)，并關斷所有輸出點，然后停機。診斷結(jié)束后，如沒發(fā)現(xiàn)故障，PLC將繼續(xù)往下掃描，檢查是否有編程器等的通信請求。如果有則

6、進行相應的處理，比如，接受編程器發(fā)來的命令，把要顯示的狀態(tài)數(shù)據(jù)、出錯信息送給編程器顯示等。處理完通信后，PLC繼續(xù)往下掃描，輸入現(xiàn)場信息，順序執(zhí)行用戶程序，輸出控制信號，完成一個掃描周期。然后又從自診斷開始，進行第二輪掃描。PLC的I/O響應時間n 為了增強PLC的抗干擾能力，提高其可靠性，PLC的每個開關量輸入端都采用光電隔離等技術。為了能實現(xiàn)繼電器控制線路的硬邏輯并行控制，PLC采用了不同于一般微型計算機的運行方式（掃描技術）。以上兩個主要原因，使得PLC的I/O響應比一般微型計算機構(gòu)成的工業(yè)控制系統(tǒng)慢的多，其響應時間至少等于一個掃描周期，一般均大于一個掃描周期甚至更長。I/O響應時間:指

7、從PLC的某一輸入信號變化開始到系統(tǒng)有關輸出端信號的改變所需的時間。最短I/O響應時間:最長I/O響應時間：CPU接口外部設備（編程器等）輸入接口輸入狀態(tài)寄存器輸出接口現(xiàn)場執(zhí)行單元存儲器輸出狀態(tài)寄存器現(xiàn)場輸入信號主體部分開始與編程器通信自診斷讀入現(xiàn)場信號執(zhí)行用戶程序輸出結(jié)果簡述PLC應用及使用中應該注意的問題摘要：介紹可編程控制器在工業(yè)控制領域的應用以及PLC在應用過程中，要保證正常運行應該注意的一系列問題，并給出一些合理的建議。 關鍵詞：PLC 工業(yè)控制 抗干擾 布線 接地 建議 一、簡述 多年來，可編程控制器（以下簡稱PLC）從其產(chǎn)生到現(xiàn)在

8、，實現(xiàn)了接線邏輯到存儲邏輯的飛躍；其功能從弱到強，實現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制的進步；其應用領域從小到大，實現(xiàn)了單體設備簡單控制到勝任運動控制、過程控制及集散控制等各種任務的跨越。今天的PLC在處理模擬量、數(shù)字運算、人機接口和網(wǎng)絡的各方面能力都已大幅提高，成為工業(yè)控制領域的主流控制設備，在各行各業(yè)發(fā)揮著越來越大的作用。 二、PLC的應用領域 目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況主要分為如下幾類： 1開關量邏輯控制 取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化

9、流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。 2工業(yè)過程控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，存在一些如溫度、壓力、流量、液位和速度等連續(xù)變化的量（即模擬量），PLC采用相應的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊及各種各樣的控制算法程序來處理模擬量，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的一種調(diào)節(jié)方法。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。 3運動控制 PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。一般使用專用的運動控制模塊，如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。 4數(shù)據(jù)處理 PLC具有數(shù)學運算（

10、含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。數(shù)據(jù)處理一般用于如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 5通信及聯(lián)網(wǎng) PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著工廠自動化網(wǎng)絡的發(fā)展，現(xiàn)在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。 三、PLC的應用特點 1可靠性高，抗干擾能力強 高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數(shù)百甚至

11、數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)將極高的可靠性。 2配套齊全，功能完善，適用性強 PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。多種多樣的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非

12、常容易。 3易學易用，深受工程技術人員歡迎 PLC是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人從事工業(yè)控制打開了方便之門。 4系統(tǒng)的設計，工作量小，維護方便，容易改造 PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時日常維護也變得容易起來，更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序而改變生產(chǎn)過程成為可能。這特別適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。四、PLC應用中需要注意的問題 PLC是一種用于工業(yè)生產(chǎn)自動化控制的設備，一般不需要采取什

13、么措施，就可以直接在工業(yè)環(huán)境中使用。然而，盡管有如上所述的可靠性較高，抗干擾能力較強，但當生產(chǎn)環(huán)境過于惡劣，電磁干擾特別強烈，或安裝使用不當，就可能造成程序錯誤或運算錯誤，從而產(chǎn)生誤輸入并引起誤輸出，這將會造成設備的失控和誤動作，從而不能保證PLC的正常運行，要提高PLC控制系統(tǒng)可靠性，一方面要求PLC生產(chǎn)廠家提高設備的抗干擾能力；另一方面，要求設計、安裝和使用維護中引起高度重視，多方配合才能完善解決問題，有效地增強系統(tǒng)的抗干擾性能。因此在使用中應注意以下問題：1工作環(huán)境  a溫度 PLC要求環(huán)境溫度在0-55oC，安裝時不能放在發(fā)熱量大的元件下面，四周通風散熱的空間應足夠大。 &#

14、160;b濕度 為了保證PLC的絕緣性能，空氣的相對濕度應小于85%（無凝露）。c震動 應使PLC遠離強烈的震動源，防止振動頻率為10-55Hz的頻繁或連續(xù)振動。當使用環(huán)境不可避免震動時，必須采取減震措施，如采用減震膠等。  d空氣 避免有腐蝕和易燃的氣體，例如氯化氫、硫化氫等。對于空氣中有較多粉塵或腐蝕性氣體的環(huán)境，可將PLC安裝在封閉性較好的控制室或控制柜中。  e電源在可-靠 性-要-求-很高或電-源-干-擾-特-別-嚴-重-的環(huán)-境中，可以-安裝一臺帶屏蔽層的隔離變壓器，以減少設備與地之間的干擾。一般PLC都有直流24V輸出提供給輸入端，當輸入端使用外接直

15、流電源時，應選用直流穩(wěn)壓電源。因為普通的整流濾波電源，由于紋波的影響，容易使PLC接收到錯誤信息。2控制系統(tǒng)中干擾及其來源 現(xiàn)場電磁干擾是PLC控制系統(tǒng)中最常見也是最易影響系統(tǒng)可靠性的因素之一，所謂治標先治本，找出問題所在，才能提出解決問題的辦法。因此必須知道現(xiàn)場干擾的源頭。（1）干擾源及一般分類 影響PLC控制系統(tǒng)的干擾源，大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，其原因是電流改變產(chǎn)生磁場，對設備產(chǎn)生電磁輻射；磁場改變產(chǎn)生電流，電磁高速產(chǎn)生電磁波。通常電磁干擾按干擾模式不同，分為共模干擾和差模干擾。共模干擾是信號對地的電位差，主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應的共態(tài)（同方向）電壓

16、疊加所形成。共模電壓通過不對稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓，直接影響測控信號，造成元器件損壞（這就是一些系統(tǒng)I/O模件損壞率較高的主要原因），這種共模干擾可為直流，亦可為交流。差模干擾是指作用于信號兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場在信號間耦合感應及由不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓，這種干擾疊加在信號上，直接影響測量與控制精度。 （2）PLC系統(tǒng)中干擾的主要來源及途徑 強電干擾 PLC系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電。由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣，它將受到所有空間電磁干擾而在線路上感應電壓。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化，刀開關操作浪涌、大型電力設備起停、交直流傳動裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等，都通過輸電線路傳到

17、電源原邊。 柜內(nèi)干擾 控制柜內(nèi)的高壓電器，大的電感性負載，混亂的布線都容易對PLC造成一定程度的干擾。 來自信號線引入的干擾 與PLC控制系統(tǒng)連接的各類信號傳輸線，除了傳輸有效的各類信息之外，總會有外部干擾信號侵入。此干擾主要有兩種途徑：一是通過變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾，這往往被忽視；二是信號線受空間電磁輻射感應的干擾，即信號線上的外部感應干擾，這是很嚴重的。由信號引入干擾會引起I/O信號工作異常和測量精度大大降低，嚴重時將引起元器件損傷。 來自接地系統(tǒng)混亂時的干擾 接地是提高電子設備電磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設

18、備向外發(fā)出干擾；而錯誤的接地，反而會引入嚴重的干擾信號，使PLC系統(tǒng)將無法正常工作。 來自PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾 主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生，如邏輯電路相互輻射及其對模擬電路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。 變頻器干擾 一是變頻器啟動及運行過程中產(chǎn)生諧波對電網(wǎng)產(chǎn)生傳導干擾，引起電網(wǎng)電壓畸變，影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量；二是變頻器的輸出會產(chǎn)生較強的電磁輻射干擾，影響周邊設備的正常工作。 3主要抗干擾措施 （1）電源的合理處理，抑制電網(wǎng)引入的干擾 對于電源引入的電網(wǎng)干擾可以安裝一臺帶屏蔽層的變比為1:1的隔離變壓器，以減少設備與地之間的干擾，還可以在電源輸入

19、端串接LC濾波電路。如圖1所示（2）安裝與布線  動力線、控制線以及PLC的電源線和I/O線應分別配線，隔離變壓器與PLC和I/O之間應采用雙膠線連接。將PLC的IO線和大功率線分開走線，如必須在同一線槽內(nèi)，分開捆扎交流線、直流線，若條件允許，分槽走線最好，這不僅能使其有盡可能大的空間距離，并能將干擾降到最低限度。  PLC應遠離強干擾源如電焊機、大功率硅整流裝置和大型動力設備，不能與高壓電器安裝在同一個開關柜內(nèi)。在柜內(nèi)PLC應遠離動力線（二者之間距離應大于200mm）。與PLC裝在同一個柜子內(nèi)的電感性負載，如功率較大的繼電器、接觸器的線圈，應并聯(lián)RC消弧電路。  

20、;PLC的輸入與輸出最好分開走線，開關量與模擬量也要分開敷設。模擬量信號的傳送應采用屏蔽線，屏蔽層應一端或兩端接地，接地電阻應小于屏蔽層電阻的1/10。  交流輸出線和直流輸出線不要用同一根電纜，輸出線應盡量遠離高壓線和動力線，避免并行。 （3）I/O端的接線 輸入接線  輸入接線一般不要太長。但如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時，輸入接線可適當長些。  輸入/輸出線不能用同一根電纜，輸入/輸出線要分開。  盡可能采用常開觸點形式連接到輸入端，使編制的梯形圖與繼電器原理圖一致，便于閱讀。 輸出連接  輸出端接線分為獨立輸出和公共輸出。在不同組中，可

21、采用不同類型和電壓等級的輸出電壓。但在同一組中的輸出只能用同一類型、同一電壓等級的電源。  由于PLC的輸出元件被封裝在印制電路板上，并且連接至端子板，若將連接輸出元件的負載短路，將燒毀印制電路板。  采用繼電器輸出時，所承受的電感性負載的大小，會影響到繼電器的使用壽命，因此，使用電感性負載時應合理選擇，或加隔離繼電器。  PLC的輸出負載可能產(chǎn)生干擾，因此要采取措施加以控制，如直流輸出的續(xù)流管保護，交流輸出的阻容吸收電路，晶體管及雙向晶閘管輸出的旁路電阻保護。 （4）正確選擇接地點，完善接地系統(tǒng) 良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件，可以避免偶然發(fā)生的電壓沖

22、擊危害。接地的目的通常有兩個，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。 PLC控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護地等。接地系統(tǒng)混亂對PLC系統(tǒng)的干擾主要是各個接地點電位分布不均，不同接地點間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。例如電纜屏蔽層必須一點接地，如果電纜屏蔽層兩端A、B都接地，就存在地電位差，有電流流過屏蔽層，當發(fā)生異常狀態(tài)如雷擊時，地線電流將更大。 此外，屏蔽層、接地線和大地有可能構(gòu)成閉合環(huán)路，在變化磁場的作用下，屏蔽層內(nèi)又會出現(xiàn)感應電流，通過屏蔽層與芯線之間的耦合，干擾信號回路。若系統(tǒng)地與其它接地處理混亂，所產(chǎn)生的地環(huán)流就可能在地線上產(chǎn)生不等電位分布，影響PLC內(nèi)邏輯電路和模擬電路的正常工作。PLC工作的邏輯電壓干擾容限較低，邏輯地電位的分布干擾容易影響PLC的邏輯運算和數(shù)據(jù)存貯，造成數(shù)據(jù)混亂、程序跑飛或死機。模擬地電位的分布將導致測量精度下降，引起對信號測控的嚴重失真和誤動作。  安全地或電源接地 將電源線接地端和柜體連線接地