第3章PLC基本組成和工作原理(簡化)

PLC基本組成和工作原理

第三章

●PLC的基本組成●PLC的工作原理1、教學(xué)內(nèi)容

（1）PLC的基本組成及各組成部分的作用（2）PLC對繼電器控制系統(tǒng)的仿真

?

模擬繼電器控制的編程；?

梯形圖。（3）可編程序控制器的工作原理

A、建立I/O映像區(qū)；B、循環(huán)掃描的工作方式；C、輸入、輸出延遲響應(yīng)。

2、基本要求

（1）了解可編程序控制器的基本組成；（2）理解梯形圖編程法是PLC模擬繼電器控制系統(tǒng)的編程方法；（3）理解可編程序控制器的周期循環(huán)掃描的工作過程；輸入、輸出延遲響應(yīng)等知識；為正確編制程序奠定理論基礎(chǔ)。PLC的基本組成1.中央處理單元（CPU）1)控制用戶從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)的接收與存儲；2)檢查編程過程中的語法錯誤，診斷電源及PLC內(nèi)部的工作故障；3)用掃描方式工作，接收來自現(xiàn)場輸入信號，并輸入到輸入映象寄存器和數(shù)據(jù)存儲器中。4)在進入運行方式后，從存儲器中逐條讀取并執(zhí)行用戶程序完成用戶程序所規(guī)定的邏輯運算，算術(shù)運算機數(shù)據(jù)處理等操作5)根據(jù)運算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)，刷新輸出映象寄存器的內(nèi)容，再經(jīng)輸出部件實現(xiàn)輸出控制，打印制表或數(shù)據(jù)通信等功能（1）通用處理器：8086、80286、80386（2）單片機芯片：MCS-51、MCS-96（3）位片式微處理器：AMD-2900，2901，2903小型PLC多采用8位微處理器或單片機作為CPU中型PLC多采用16位微處理器或單片機作為CPU大型PLC多采用高速位片式微處理器2.存儲器存儲系統(tǒng)：存放系統(tǒng)程序的系統(tǒng)程序存儲器和存放用戶程序的用戶程序存儲器

系統(tǒng)程序存儲器：用來存儲可編程控制器內(nèi)部的各種信息一般系統(tǒng)程序由PLC廠家編寫的系統(tǒng)監(jiān)控程序，不能由用戶直接存取。系統(tǒng)程序主要由有關(guān)系統(tǒng)管理，解釋指令，標(biāo)準(zhǔn)程序及系統(tǒng)調(diào)用等程序組成。系統(tǒng)程序存儲器一般用PROM或EPROM構(gòu)成

用戶程序存儲器：用來存放用戶程序，該存儲器的容量不大，主要存儲可編程控制器內(nèi)部的輸入輸出信息，以及內(nèi)部繼電器，移位寄存器，累加寄存器，數(shù)據(jù)寄存器，定時器和計數(shù)器的動作狀態(tài)。比如，小型的容量一般只有幾個K字節(jié)（不高于8KB），中型的為2～64KB，大型的達(dá)到幾百KB以上。一般講的PLC的內(nèi)存大小，是指用戶程序存儲器的容量，常用RAM構(gòu)成，為防止RAM：存儲各種暫存數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、用戶正調(diào)試的程序。ROM：存放監(jiān)控程序和用戶已調(diào)試好的程序。電源掉電時RAM中信息丟失，常采用鋰電池做后備保護。若程序已經(jīng)完全調(diào)試好了，且一段時期內(nèi)不需改變功能，可將其固化到EPROM。但是用戶程序中必須有部分RAM，用以存放一些必要的動態(tài)數(shù)據(jù)。用戶程序區(qū)分兩個區(qū)：程序存儲區(qū)和數(shù)據(jù)存儲區(qū)

程序存儲區(qū)：用來存儲由用戶編寫的，通過編程的，通過編程器輸入的程序。

數(shù)據(jù)存儲區(qū)：用來存儲通過輸入端子讀取的輸入信號狀態(tài)，輸出端子輸出信號狀態(tài)，PLC中的各個內(nèi)部器件的狀態(tài)，以及特殊功能要求的有關(guān)數(shù)據(jù)3.輸入、輸出接口：采用光電隔離，實現(xiàn)了PLC的內(nèi)部電路與外部電路的電氣隔離，減小了電磁干擾。輸入接口作用：將按鈕、行程開關(guān)或傳感器等產(chǎn)生的信號，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入主機。輸入單元類型：直流輸入單元 交流輸入單元 交直流輸入單元輸入信號：1.控制信號：開機，關(guān)機，轉(zhuǎn)換，調(diào)整，急停（控制臺）2.檢測信號：傳感器，繼電器的觸點，限位開關(guān)，行程開關(guān)等這些信號有的是開關(guān)（或數(shù)字）量，有的是模擬量，有的是直流信號，有的是交流信號。要根據(jù)輸入信號的類型選擇合適的輸入接口。輸出接口作用：將主機向外輸出的信號轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動外部執(zhí)行電路的信號，以便控制接觸器線圈等電器通斷電；另外輸出電路也使計算機與外部強電隔離。輸出三種形式：繼電器--低速大功率 可控硅--高速大功率 晶體管--高速小功率輸出信號：1.控制信號：如指示燈的亮或滅，電動機的啟動，停止或正反轉(zhuǎn)，設(shè)備的轉(zhuǎn)動，平移，升降，閥門的開閉等。

因為PLC的直接輸出帶負(fù)載的能力有限，所以PLC輸出接口所帶的負(fù)載，通常是接觸器的線圈，電磁閥的線圈，信號指示燈，可控硅，晶體管（1）輸入接口電路：采用光電耦合器，防止強電干擾。COM光電三極管發(fā)光二極管直流電源輸入端子+–PLCXn+24V–發(fā)光二極管繼電器輸出（2）輸出接口電路：以繼電器形式為例：PLC內(nèi)部電路內(nèi)部電路J+交流電源或直流電源YCOM-4.電源單元把外部供應(yīng)的電源變換成系統(tǒng)內(nèi)部各單元所需的電源。有的電源單元還向外提供24v隔離直流電源，可供開關(guān)量輸入單元連接的現(xiàn)場無源開關(guān)等使用?？删幊绦蚩刂破鞯碾娫匆话悴捎瞄_關(guān)式電源，其特點是輸入電壓范圍寬、體積小、重量輕、效率高、抗干擾性能好。4.電源單元

PLC的外部工作電源一般為單相85～260V50/60HZAC電源，也有采用24~26VDC電源的。PLC對其外部工作電源的穩(wěn)定度要求不高，一般可允許±15％左右對于PLC輸出端子上接的負(fù)載所需負(fù)載工作電源，必須由用戶提供。PLC的內(nèi)部電源系統(tǒng)一般有三類：第一類是供PLC中的TTL芯片和集成運算放大器使用的基本電源（＋5V和±15VDC電源）第二類電源是提供輸出接口使用的高壓大電流功率電源第三類電源是鋰電池及其充電電源考慮到系統(tǒng)的可靠性及光電隔離器的使用，不同類電源有不同的地線5.各種接口、高功能模塊：便于擴展

小型機：一體機，有接口可擴展。

PowerinaSmallPackage!!電源模塊CPU模塊IO模塊底板中、大型機：模塊式?？筛鶕?jù)需要在主板上隨意組合。編程設(shè)備可以是專用的手持式的編程器；也可以是安裝了專門的編程通訊軟件的個人計算機。6.編程設(shè)備用戶可以通過鍵盤輸入和調(diào)試程序；另外在運行時，還可以對整個控制過程進行監(jiān)控。PCFPPROGRAMMER(HELP)CLRWRTFN/PFLSTKIX/IYNOTDT/LdREADOTLWLORRWRANYWYSTXWXSRC(-)OP(BIN)K/HSCCTCEVTMTSVACLRENTBAFEDC

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4(DELT)CLR手持式的編程器PLC對繼電器系統(tǒng)的仿真1.模擬繼電器控制系統(tǒng)的編程方法對于控制電路又可分成三個組成部分:輸入部分、邏輯部分、輸出部分。輸入部分：電路中全部輸入信號構(gòu)成,這些輸入信號來自被控對象上的各種開關(guān)信息,如控制按鈕、操作開關(guān)、限位開關(guān)、光敏管信號等；輸出部分：由電路中全部輸出元件構(gòu)成,例如,接觸器線圈、電磁閥線圈等執(zhí)行電器及信號燈；邏輯部分：由各種主令電器、繼電器、接觸器等電器的觸點和導(dǎo)線組成,各電器觸點之間以固定的方式接線,其控制邏輯就編制在硬接線中,這種固化的程序不能靈活變更。（1）電氣控制電路圖中，根據(jù)流過電流的大小可分為主電路和控制電路。PLC基本組成的框圖(見圖3·1)也大致可分為三部分:輸入部分、邏輯部分、輸出部分,這與繼電器控制系統(tǒng)很相似。輸入部分、輸出部分：與繼電器控制系統(tǒng)所用的電器大致相同,所不同的是PLC中輸入、輸出部分多了輸入、輸出單元,增加了光耦合、電平轉(zhuǎn)換、功率放大等功能。邏輯部分：是由微處理器、存儲器組成,由計算機軟件替代繼電器控制電路,實現(xiàn)"軟接線",可以靈活編程。PLC對繼電器系統(tǒng)的仿真（2）使用PLC控制系統(tǒng)：用PLC的替代繼電器控制系統(tǒng)電氣控制電路圖中的控制電路那部分,而主電路部分基本保持不變。PLC對繼電器系統(tǒng)的仿真盡管PLC與繼電器控制系統(tǒng)的邏輯部分組成元件不同,但在控制系統(tǒng)中所起的邏輯控制條件作用是一致的。因而我們可以把PLC內(nèi)部看作有許多“軟繼電器”：如輸入繼電器"、"輸出繼電器"、"中間繼電器"、……"時間繼電器"等。這樣,我們就可以模擬繼電器控制系統(tǒng)的編程方法,仍然按照設(shè)計繼電器控制電路的形式來編制程序,這就是梯形圖編程方法。使用梯形圖編程時,完全可以不考慮微處理器內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu),也不必使用計算機語言。因此,梯形圖是與繼電器控制電路圖相呼應(yīng)的,使用起來極為方便。2.梯形圖仿真繼電器電路PLC對繼電器系統(tǒng)的仿真母線:梯形圖左、右的垂直線稱為左、右母線(SimaticS7系列PLC的右母線通常省略不畫出)。畫梯形圖時,從左母線開始,經(jīng)過觸點和線圈(或功能方框),終止于在母線。在梯形圖中,可以把左母線看作是提供能量的母線。觸點閉合可以使能量流過,直到下一個元件:觸點斷開將阻止能量流過。這種能量流,我們稱之為"能流"。實際上,梯形圖是CPU仿真繼電器控制電路圖,使來自"電源"的"電流"通過一系列的邏輯控制條件,根據(jù)運算結(jié)果決定邏輯輸出的模擬過程。PLC對繼電器系統(tǒng)的仿真梯形圖是PLC模擬繼電器控制系統(tǒng)的編程方法,它由觸點、線圈或功能方框等構(gòu)成PLC對繼電器系統(tǒng)的仿真觸點：代表邏輯控制條件。觸點閉合時表示能量可以流過。觸點分常開觸點（一||一）和常閉觸點(一|/|一)兩種形式。線圈:通常代表邏輯"輸出"的結(jié)果。能量流到,則該線圈被激勵。方框:代表某種特定功能的指令。能量流通過方框時,則執(zhí)行方框所代表的功能。方框所代表的功能有多種,例如:定時器、計數(shù)器、數(shù)據(jù)運算等。梯形圖中,每個輸出元素(線圈或方框)可以構(gòu)成一個梯級。每個梯形圖網(wǎng)絡(luò)由一個或多個梯級組成。PLC對繼電器系統(tǒng)的仿真梯形圖與繼電器控制電路圖差異:(1)梯形圖內(nèi)各種元件也沿用了繼電器的叫法,我們稱之為“軟繼電器”。梯形圖中的“軟繼電器”不是物理繼電器（每個“軟繼電器”各為存儲器中的一位,相應(yīng)位為“1”態(tài),表示該繼電器線圈“通電”,故稱之為“軟繼電器”）(2)梯形圖中流過的"電流"不是物理電流。而是"能流",它只能從左到右、自上而下流動。"能流"不允許倒流。"能流"到,線圈則接通。"能流"是用戶程序解算中滿足輸出執(zhí)行條件的形象表示方式。"能流"流向的規(guī)定順應(yīng)了PLC的掃描是自左向右、自上而下順序地進行,而繼電器控制系統(tǒng)中的電流是不受方向限制的,導(dǎo)線連接到哪里,電流就可流到那里。(3)梯形圖中的常開、常閉觸點不是現(xiàn)場物理開關(guān)的觸點。它們對應(yīng)輸入、輸出映像寄存器或數(shù)據(jù)寄存器中的相應(yīng)位的狀態(tài),而不是現(xiàn)場物理開關(guān)的觸點狀態(tài)。PLC認(rèn)為常開觸點是取位狀態(tài)操作:常閉觸點應(yīng)理解為位取反操作。因此在梯形圖中同一元件的一對常開、常閉觸點的切換沒有時間的延遲,常開常閉觸點只是互為相反狀態(tài)。而繼電器控制系統(tǒng)大多數(shù)的電器是屬于先斷后合型的電器。(4)梯形圖中的輸出線圈不是物理線圈，不能用它直接驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)。輸出線圈的狀態(tài)對應(yīng)輸出映像寄存器相應(yīng)位的狀態(tài)而不是現(xiàn)場電磁開關(guān)的實際狀態(tài)。(5〉編制程序時，PLC內(nèi)部繼電器的接點原則上可無限次反復(fù)使用，因為存儲單元中的位狀態(tài)可取用任意次：繼電器控制系統(tǒng)中的繼電器觸點數(shù)是有限的。但是可編程序控制器內(nèi)部的線圈通常只引用一次，所以，應(yīng)慎重對待重復(fù)使用同一地址編號的線圈。PLC對繼電器系統(tǒng)的仿真PLC的工作原理—建立I/O映像區(qū)輸入點總有輸入映象區(qū)的某一位與之相對應(yīng)I/O映象區(qū)的大小與系統(tǒng)控制的規(guī)模有關(guān)PLC工作時，將采集到的輸入信號狀態(tài)存放在輸入映象區(qū)對應(yīng)的位上；將運算的結(jié)果存放到輸出映象區(qū)對應(yīng)的位上。PLC在執(zhí)行用戶程序時所需“輸入繼電器”、“輸出繼電器”的數(shù)據(jù)取用于I/O映象區(qū)，而不直接與外部設(shè)備發(fā)生關(guān)系。循環(huán)掃描的工作方式（一）PLC的工作過程循環(huán)掃描的工作方式（二）用戶程序的循環(huán)掃描過程輸入、輸出延遲響應(yīng)(一)輸入、輸出延遲響應(yīng)

由于PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，即對信息采用串行處理方式，必定導(dǎo)致輸入、輸出延遲響應(yīng)。當(dāng)PLC的輸入端有一個輸入信號發(fā)生變化到PLC輸出端對該輸入變化作出反應(yīng)，需要一段時間，這段時間就稱為響應(yīng)時間或滯后時間（通常滯后幾十毫秒），這種現(xiàn)象稱為輸入、輸出延遲響應(yīng)或滯后現(xiàn)象。(二)響應(yīng)時間

響應(yīng)時間是設(shè)計PLC控制系統(tǒng)時應(yīng)了解的一個重要參數(shù)。響應(yīng)時間與以下因素有關(guān)：③PLC循環(huán)掃描的工作方式，要想減少程序掃描時間，必須優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)，在可能的情況下，應(yīng)采用跳轉(zhuǎn)指令⑤用戶程序中語句的安排④PLC對輸入采樣、輸出刷新的集中處理方式輸入、輸出延遲響應(yīng)①

輸入電路濾波時間，它由RC濾波電路的時間常數(shù)決定。改變時間常數(shù)可高速輸入延遲時間。②

輸出電路的滯后時間，它與輸出電路的輸出方式有關(guān)。繼電器輸出方式的滯后時間為10ms左右；雙向晶閘管輸出方式，在接通負(fù)載時滯后時間約為1ms，切斷負(fù)載時滯后時間小于10ms；晶體管輸出方式的滯后時間小于1ms.CPU讀輸入輸入輸出延遲時間——最短響應(yīng)時間輸入/輸出刷新時間最短響應(yīng)時間=輸入延遲時間+一個掃描周期+輸出延遲時間CPU讀輸入輸入/輸出刷新時間輸入輸出延遲