PLC基本原理課程課件

第2章PLC的基本原理2.1PLC的組成及其各部分的功能2.2PLC的結(jié)構(gòu)形式2.3PLC的工作過程2.4PLC的使用步驟2.1PLC的組成及其各部分的功能2.1.1PLC的基本組成圖2.1.1PLC的基本組成圖2.1.2PLC的單總線結(jié)構(gòu)框圖2.1.2PLC各組成部分的功能1．輸入部件輸入部件是PLC與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)被控對(duì)象之間的連接部件，是現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)入PLC的橋梁。該部件接收由主令元件、檢測(cè)元件來的信號(hào)。主令元件是指由用戶在控制鍵盤(或控制臺(tái))上操作的一切功能鍵，如開機(jī)、關(guān)機(jī)、調(diào)試或緊急停車等按鍵。主令元件給出的信號(hào)稱為主令信號(hào)。檢測(cè)元件的功能是檢測(cè)一些物理量(如行程距離、速度、位置、壓力、流量、液位、溫度、電壓、電流等)在設(shè)備工作進(jìn)程中的狀態(tài)，并通過輸入部件送入PLC以控制工作程序的轉(zhuǎn)換等。常見的檢測(cè)元件有行程開關(guān)、限位開關(guān)、光電檢測(cè)開關(guān)、繼電器觸點(diǎn)及其他各類傳感器等。輸入方式有兩種，一種是數(shù)字量輸入(也稱為開關(guān)量或接點(diǎn)輸入)，另一種是模擬量輸入(也稱為電平輸入)。后者要經(jīng)過模擬/數(shù)字變換部件才能進(jìn)入PLC。輸入部件均帶有光電耦合電路，其目的是把PLC與外部電路隔離開來，以提高PLC的抗干擾能力。為了與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)連接，輸入部件上設(shè)有輸入接線端子排。為了濾除信號(hào)的噪聲和便于PLC內(nèi)部對(duì)信號(hào)的處理，輸入部件內(nèi)部還有濾波、電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)鎖存電路。各PLC生產(chǎn)廠家都提供了多種形式的I/O部件或模塊，供用戶選用。2．輸出部件輸出部件也是PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的連接部件，其功能是控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行工作(如電機(jī)的啟、停、正/反轉(zhuǎn)，閥門的開、關(guān)，設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)、升降等)。對(duì)于PLC，希望它能直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，如電磁閥、微電機(jī)、接觸器、燈和音響等，因此，輸出部件中的輸出級(jí)常是一些大功率器件，如機(jī)械觸點(diǎn)式繼電器、無觸點(diǎn)交流開關(guān)(如雙向可控硅)及直流開關(guān)(如晶體三極管)等。與輸入部件類似，輸出部件上也有輸出狀態(tài)鎖存、顯示、電平轉(zhuǎn)換和輸出接線端子排。輸出部件或模塊也有多種類型供選用。3．中央處理器(CPU)與一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一樣，CPU是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它按PLC中系統(tǒng)程序賦予的功能，指揮PLC有條不紊地進(jìn)行工作。其主要任務(wù)有：控制從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)的接收與存儲(chǔ)；用掃描的方式通過I/O部件接收現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入狀態(tài)表或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中；診斷電源、PLC內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語法錯(cuò)誤等；PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲(chǔ)器逐條讀取用戶指令，經(jīng)過命令解釋后按指令規(guī)定的任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送、邏輯或算術(shù)運(yùn)算等；根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出寄存器表的內(nèi)容，再經(jīng)由輸出部件實(shí)現(xiàn)輸出控制、制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。目前，小型PLC為單CPU系統(tǒng)，而中型及大型PLC則為雙CPU甚至多CPU系統(tǒng)。PLC所采用的微處理器有三種：(1)通用微處理器。小型PLC一般使用8位微處理器如8080/8085、6800和Z80等，大中型PLC除使用位片式微處理器外，大都使用16位或32位微處理器。當(dāng)前不少PLC的CPU已升級(jí)到INTEL公司的微處理器產(chǎn)品，有些已采用奔騰(PENTIUM)處理器，如西門子公司的S7-400。采用通用微處理器的優(yōu)點(diǎn)是：價(jià)格便宜，通用性強(qiáng)，還可借用微機(jī)成熟的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和豐富的軟硬件資源。(2)單片微處理器(即單片機(jī))。它具有集成度高、體積小、價(jià)格低及可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。如INTEL公司的8位MCS-51系列運(yùn)行速度快，可靠性高，體積小，很適合于小型PLC；16位96系列速度更快，功能更強(qiáng)，適合于大中型PLC使用。(3)位片式微處理器。它是獨(dú)立于微型機(jī)的一個(gè)分支，多為雙極型電路，4位為一片，幾個(gè)位片級(jí)聯(lián)可組成任意字長(zhǎng)的微處理器，代表產(chǎn)品有AMD2900系列。PLC中位片式微處理器的主要作用有兩個(gè)，一是直接處理一些位指令，從而提高了位指令的處理速度，減少了位指令對(duì)字處理器的壓力；二是將PLC的面向工程技術(shù)人員的語言(梯形圖、控制系統(tǒng)流程圖等)轉(zhuǎn)換成機(jī)器語言。模塊式PLC把CPU作為一種模塊，備有不同型號(hào)供用戶選擇。4.存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)器擴(kuò)展PLC中存儲(chǔ)器的功能與普通微機(jī)系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器功能相似，用來存儲(chǔ)系統(tǒng)程序和用戶的程序與數(shù)據(jù)。目前主要采用的系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器是指用來存放系統(tǒng)管理、用戶指令解釋及標(biāo)準(zhǔn)程序模塊、系統(tǒng)調(diào)用等程序的存儲(chǔ)器，常用EPROM構(gòu)成。用戶存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)用戶編制的梯形圖程序或用戶數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)用戶程序的叫用戶程序存儲(chǔ)器，常用EPROM或EEPROM構(gòu)成。存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)的叫用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，常用RAM構(gòu)成，為防止掉電時(shí)信息的丟失，有后備電池作保護(hù)。由于于PLC系統(tǒng)統(tǒng)程程序序關(guān)關(guān)系系到到PLC的性性能能，，不不能能由由用用戶戶直直接接存存取取，，因因而而，，PLC產(chǎn)品品樣樣本本或或使使用用手手冊(cè)冊(cè)中中所所列列存存儲(chǔ)儲(chǔ)器器形形式式及及其其容容量量一一般般都都是是指指用用戶戶存存儲(chǔ)儲(chǔ)器器而而言言。。PLC中已已提提供供一一定定容容量量的的存存儲(chǔ)儲(chǔ)器器供供用用戶戶使使用用，，但但對(duì)對(duì)有有些些用用戶戶，，可可能能還還不不夠夠用用，，因因此此大大部部分分PLC都提提供供了了存存儲(chǔ)儲(chǔ)器器擴(kuò)擴(kuò)展展(EM)功能能，，用用戶戶可可以以將將新新增增的的存存儲(chǔ)儲(chǔ)器器擴(kuò)擴(kuò)展展模模板板直直接接插插入入CPU模板板中中，，也也有有的的是是插插入入中中央央基基板板中中。。5.通信信接接口口為了了實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)"人-機(jī)"或"機(jī)-機(jī)"之間間的的對(duì)對(duì)話話，，PLC中配配有有多多種種通通信信接接口口。。通通過過這這些些通通信信接接口口，，PLC可以以與與監(jiān)監(jiān)視視器器、、打打印印機(jī)機(jī)、、其其他他PLC或計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)相相連連。。當(dāng)PLC與打打印印機(jī)機(jī)相相連連時(shí)時(shí)，，可可將將過過程程信信息息、、系系統(tǒng)統(tǒng)參參數(shù)數(shù)等等輸輸出出打打印??；；當(dāng)當(dāng)與與監(jiān)監(jiān)視視器器(CRT)相連連時(shí)時(shí)，，可可將將過過程程圖圖像像顯顯示示出出來來；；當(dāng)當(dāng)與與其其他他PLC相連連時(shí)時(shí)，，可可以以組組成成多多機(jī)機(jī)系系統(tǒng)統(tǒng)或或連連成成網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)，，實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)更更大大規(guī)規(guī)模模的的控控制制；；當(dāng)當(dāng)與與計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)相相連連時(shí)時(shí)，，可可以以組組成成多多級(jí)級(jí)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)，，實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)控控制制與與管管理理相相結(jié)結(jié)合合的的綜綜合合系系統(tǒng)統(tǒng)。。6.智能能I/O接口口為了了滿滿足足更更加加復(fù)復(fù)雜雜控控制制功功能能的的需需要要，，PLC配有有多多種種智智能能I/O接口口。。例例如如滿滿足足位位置置調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)需需要要的的位位置置閉閉環(huán)環(huán)控控制制模模板板，，對(duì)對(duì)高高速速脈脈沖沖進(jìn)進(jìn)行行計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)和和處處理理的的高高速速計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)模模板板等等等等。。這這類類智智能能模模板板都都有有其其自自身身的的處處理理器器系系統(tǒng)統(tǒng)。。7.I/O擴(kuò)展展接接口口當(dāng)一一個(gè)個(gè)PLC中心心單單元元的的I/O點(diǎn)數(shù)數(shù)不不夠夠用用時(shí)時(shí)，，就就要要對(duì)對(duì)系系統(tǒng)統(tǒng)進(jìn)進(jìn)行行擴(kuò)擴(kuò)展展。。擴(kuò)擴(kuò)展展接接口口就就是是用用于于連連接接中中心心基基本本單單元元與與擴(kuò)擴(kuò)展展單單元元的的。。8.功能開關(guān)與與指示燈功能開關(guān)是是用來控制制PLC工作狀態(tài)的的，如編程程、監(jiān)視、、運(yùn)行開關(guān)關(guān)等。指示示燈有PLC工作狀況指指示燈、電電源指示燈燈，電壓過過低指示燈燈等。9.編程器編程器的作作用是供用用戶進(jìn)行程程序的輸入入、編輯、、調(diào)試和監(jiān)監(jiān)視。有的的編程器還還可與打印印機(jī)或磁帶帶機(jī)相連，，以將用戶戶程序和有有關(guān)信息打打印出來或或存放在磁磁帶上。磁磁帶上的信信息可以重重新裝入PLC。編程器有簡(jiǎn)簡(jiǎn)易型和智智能型兩類類。簡(jiǎn)易型型編程器只只能聯(lián)機(jī)編編程，且往往往需要將將梯形圖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為機(jī)器器語言助記記符后才能能送入，簡(jiǎn)簡(jiǎn)易編程器器一般由簡(jiǎn)簡(jiǎn)易鍵盤和和發(fā)光二極極管矩陣或或其他顯示示器件組成成。智能編編程器又稱稱圖形編程程器，它可可以聯(lián)機(jī)編編程，也可可以脫機(jī)編編程，具有有LCD(液晶顯示器器)或CRT圖形顯示功功能，可直直接輸入梯梯形圖和通通過屏幕對(duì)對(duì)話。也可以利用用微機(jī)作為為編程器，，這時(shí)微機(jī)機(jī)應(yīng)配有相相應(yīng)的軟件件包。2.2PLC的結(jié)構(gòu)形式式2.2.1單元式結(jié)構(gòu)構(gòu)圖2.2.1單元式結(jié)構(gòu)構(gòu)的PLC2.2.2模塊式結(jié)構(gòu)構(gòu)圖2.2.2模塊式結(jié)構(gòu)構(gòu)PLC的結(jié)構(gòu)2.2.3疊裝式結(jié)構(gòu)構(gòu)前者結(jié)構(gòu)緊緊湊、安裝裝方便、體體積小巧，，易于與被被控設(shè)備組組合成一個(gè)個(gè)整體，但但由于每個(gè)個(gè)單元的I/O點(diǎn)數(shù)有一定定的搭配關(guān)關(guān)系，有時(shí)時(shí)配置的系系統(tǒng)輸入點(diǎn)點(diǎn)或輸出點(diǎn)點(diǎn)不能充分分利用，加加之各單元元尺寸大小小不一致，，因此不易易安裝整齊齊。而后者者無論是輸輸入還是輸輸出點(diǎn)數(shù)均均可靈活配配置，又易易于構(gòu)成較較多點(diǎn)數(shù)的的大規(guī)?？乜刂葡到y(tǒng)，，且尺寸統(tǒng)統(tǒng)一、安裝裝整齊，但但是尺寸較較大，難于于與小型設(shè)設(shè)備聯(lián)成一一體。為此此有些PLC生產(chǎn)廠家開開發(fā)出疊裝裝式結(jié)構(gòu)，，將二者的的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合合起來。疊疊裝式結(jié)構(gòu)構(gòu)的CPU、電源、I/O等單元也是是各自獨(dú)立立的模塊，，但它們相相互的連接接安裝不需需要用基板板，僅用電電纜連接即即可，并且且各模塊可可以一層層層地疊裝。。這樣，不不但系統(tǒng)可可以靈活配配置，還可可以將體積積做得小巧巧。2.3PLC的工作過過程2.3.1大中型PLC的工作過過程2.3.1大中型PLC的工作過過程1．自監(jiān)視視掃描階階段為了保證證工作的的可靠性性，PLC內(nèi)部具有有自監(jiān)視視或自診診斷功能能。自監(jiān)監(jiān)視功能能是由監(jiān)監(jiān)視定時(shí)時(shí)器WDT(Watch-dogTimer)完成的，，WDT是一個(gè)硬硬件時(shí)鐘鐘。自監(jiān)監(jiān)視過程程主要是是檢查及及復(fù)位WDT。如果在復(fù)復(fù)位前，，掃描時(shí)時(shí)間已超超過WDT的設(shè)定值值，CPU將停止運(yùn)運(yùn)行、輸輸入/輸出復(fù)位位，并給給出報(bào)警警信號(hào)。。這種故故障稱為為WDT故障。WDT故障可能能由CPU硬件引起起，也可可能由于于用戶程程序執(zhí)行行時(shí)間太太長(zhǎng)，使使掃描周周期超過過WDT的規(guī)定時(shí)時(shí)間而引引起。用用編程器器可以清清除WDT故障。WDT的設(shè)定時(shí)時(shí)間一般般為150～200ms，而一般系系統(tǒng)的掃掃描時(shí)間間均小于于50～60ms。有些PLC中，用戶戶可以對(duì)對(duì)WDT的時(shí)間進(jìn)進(jìn)行修改改(修改方法法在使用用手冊(cè)中中給出)。2.與編程器器交換信信息的掃掃描階段段用戶程序序通過編編程器寫寫入PLC，以及用用編程器器進(jìn)行在在線監(jiān)視視和修改改時(shí)，CPU將總線的的控制權(quán)權(quán)交給編編程器，，CPU處于被動(dòng)動(dòng)狀態(tài)。。當(dāng)編程程器完成成處理工工作或達(dá)達(dá)到信息息交換的的規(guī)定時(shí)時(shí)間，CPU重新得到到總線權(quán)權(quán)，并恢恢復(fù)主動(dòng)動(dòng)狀態(tài)。。在這一掃掃描階段段，用戶戶可以通通過編程程器修改改內(nèi)存程程序，啟啟動(dòng)或停停止CPU，讀CPU狀態(tài)，封封鎖或開開放輸入入/輸出，對(duì)對(duì)邏輯變變量和數(shù)數(shù)字變量量進(jìn)行讀讀寫等。。3.與數(shù)字處理器器DPU交換信息的掃掃描階段當(dāng)系統(tǒng)配有數(shù)數(shù)字處理器時(shí)時(shí)，一個(gè)掃描描周期中才包包含這一階段段。4.網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信信的掃描階段段在配配有有網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的的PLC系統(tǒng)統(tǒng)中中，，才才有有通通信信掃掃描描階階段段。。在在這這一一階階段段，，PLC與PLC之間間，，PLC與磁磁帶帶機(jī)機(jī)或或與與上上位位計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)之之間間進(jìn)進(jìn)行行信信息息交交換換。。5.用戶戶程程序序掃掃描描階階段段PLC處于于運(yùn)運(yùn)行行狀狀態(tài)態(tài)時(shí)時(shí)，，一一個(gè)個(gè)掃掃描描周周期期中中包包含含了了用用戶戶程程序序掃掃描描階階段段。。在用戶程程序掃描描階段，，對(duì)應(yīng)于于用戶程程序存儲(chǔ)儲(chǔ)器所存存的指令令，PLC從輸入狀狀態(tài)暫存存區(qū)和其其他軟元元件的狀狀態(tài)暫存存區(qū)中將將有關(guān)元元件的通通/斷狀態(tài)讀讀出，從從第一條條指令開開始順序序執(zhí)行，，每一步步的執(zhí)行行結(jié)果均均存入輸輸出狀態(tài)態(tài)暫存區(qū)區(qū)。6.輸入/輸出(I/O)服務(wù)掃描描階段CPU在執(zhí)行用用戶程序序時(shí)，使使用的輸輸入值不不是直接接從實(shí)際際輸入端端得到的的，運(yùn)算算的結(jié)果果也不直直接送到到實(shí)際輸輸出端，，而是在在內(nèi)存中中設(shè)置了了兩個(gè)暫暫存區(qū)，，一個(gè)是是輸入暫暫存區(qū)或或稱輸入入映像寄寄存器，，一個(gè)是是輸出暫暫存區(qū)或或稱輸出出映像寄寄存器。。用戶程程序中所所用到的的輸入值值是輸入入狀態(tài)暫暫存區(qū)的的值，運(yùn)運(yùn)算結(jié)果果放在輸輸出狀態(tài)態(tài)暫存區(qū)區(qū)中。圖圖2.3.2給出了用用戶程序序執(zhí)行階階段與I/O服務(wù)階段段的信息息流程圖圖。在輸輸入服務(wù)務(wù)(輸入采樣樣及輸入入刷新)掃描過程程中，CPU將實(shí)際輸輸入端的的狀態(tài)讀讀入輸入入狀態(tài)暫暫存區(qū)。。在輸出出服務(wù)(輸出刷刷新與與鎖存存)掃描過過程中中，CPU將輸出出狀態(tài)態(tài)暫存存區(qū)的的值同同時(shí)傳傳送到到輸出出狀態(tài)態(tài)鎖存存器。。由于輸輸入/輸出暫暫存區(qū)區(qū)的設(shè)設(shè)置，，使PLC對(duì)輸入入/輸出的的處理理具有有以下下特點(diǎn)點(diǎn)：輸入狀狀態(tài)暫暫存區(qū)區(qū)的數(shù)數(shù)據(jù)，，取決決于輸輸入服服務(wù)階階段各各實(shí)際際輸入入點(diǎn)的的通/斷狀態(tài)態(tài)。在在用戶戶程序序執(zhí)行行階段段，輸輸入狀狀態(tài)暫暫存區(qū)區(qū)的數(shù)數(shù)據(jù)不不再隨隨輸入入的變變化而而變化化。在用戶戶程序序執(zhí)行行階段段，輸輸出狀狀態(tài)暫暫存區(qū)區(qū)的內(nèi)內(nèi)容隨隨程序序執(zhí)行行結(jié)果果不同同而隨隨時(shí)改改變，，但輸輸出狀狀態(tài)鎖鎖存器器的內(nèi)內(nèi)容不不變。。在輸出出服務(wù)務(wù)階段段，將將用戶戶程序序執(zhí)行行階段段的最最終結(jié)結(jié)果由由輸出出狀態(tài)態(tài)暫存存區(qū)傳傳遞到到輸出出狀態(tài)態(tài)鎖存存器。。輸出出端子子的狀狀態(tài)由由輸出出狀態(tài)態(tài)鎖存存器決決定。。圖2.3.2I/O服務(wù)階段與與用戶程序序執(zhí)行階段段2.3.2小型PLC的工作過程程圖2.3.3小型PLC的典型工作作過程小型PLC的工作過程程可以分為為四個(gè)掃描描階段。①一般處處理掃描階階段。在此此掃描階段段PLC復(fù)位WDT，檢查I/O總線和程序序存儲(chǔ)器。。②執(zhí)行外外設(shè)命令掃掃描階段。。在此階段段PLC執(zhí)行編程器器、圖形編編程器等外外設(shè)輸入的的命令。③執(zhí)行用用戶程序掃掃描階段。。④數(shù)據(jù)輸輸入/輸出掃描階階段。與大大中型PLC的I/O服務(wù)階段類類似。2.3.3輸入/輸出響應(yīng)的的滯后現(xiàn)象象響應(yīng)時(shí)間的的大小與以以下因素有有關(guān)：①輸入濾濾波的時(shí)間間常數(shù)(輸入延遲)；②輸出繼繼電器的機(jī)機(jī)械滯后(輸出延遲)；③PLC的循環(huán)掃描描工作方式式；④PLC的輸入采樣樣、輸出