可編程序控制器第二章

第2章可編程序控制器的原理與結(jié)構(gòu)Chapter2PLCtheoriesandstructures

可編程序控制器的結(jié)構(gòu)

ThestructureofPLC2.1.1基本結(jié)構(gòu)可編程序控制器與一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一樣，也具有中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入輸出模塊（I/O）等部分。

1．

中央處理單元(CPU)

CPU是PLC的控制中樞。常用的CPU主要采用通用微處理器、單片機(jī)和雙極型微處理器。通用微處理器如INTEL公司的8080、8086、80286、80386等，單片機(jī)如8031、8096等等，位片式微處理器如AM2900、AM2901、AM2903等?？删幊绦蚩刂破鞯臋n次越高，CPU的位數(shù)越多，運(yùn)算速度越快，功能指令也越強(qiáng)。

CPU模塊完成下述各項(xiàng)工作∶1）接收用戶從編程器輸入的用戶程序，并將它們存入用戶存儲區(qū)；2）用掃描方式接收源自被控對象的狀態(tài)信號，并存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)(輸入映象區(qū))；3）用戶程序的語法錯誤檢查，并給出錯誤信息；4）系統(tǒng)狀態(tài)及電源系統(tǒng)的監(jiān)測；5）執(zhí)行用戶程序，完成各種數(shù)據(jù)的處理、傳輸和存儲等功能；6）根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，刷新輸出狀態(tài)表，以實(shí)現(xiàn)對各種外部設(shè)備的實(shí)時(shí)控制和其它輔助工作(如顯示和打印等)。2.存儲器Memory存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。

PLC常用的存儲器類型

RAM(RandomAssessMemory)

這是一種讀/寫存儲器(隨機(jī)存儲器)，其存取速度最快，由鋰電池支持。

EPROM(ErasableProgrammableReadOnlyMemory)這是一種可擦除的只讀存儲器。在斷電情況下，存儲器內(nèi)的所有內(nèi)容保持不變。(在紫外線連續(xù)照射下可擦除存儲器內(nèi)容)。

EEPROM(ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory)這是一種電可擦除的只讀存儲器。使用編程器就能很容易地對其所存儲的內(nèi)容進(jìn)行修改。

PLC存儲空間的分配

系統(tǒng)程序存儲器在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。由制造廠商將其固化在EPROM中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該P(yáng)LC的性能。

用戶存儲器存儲用戶程序。不同類型的PLC，其存儲容量各不相同。３.電源Power

電源有的選用市電，也有很大一部分用直流24V供電。PLC內(nèi)有一個(gè)穩(wěn)壓電源用于對PLC的CPU單元和I/O單元供電，而小型的PLC電源往往和CPU合為一體，中大型PLC都有專門的電源模塊。此外，根據(jù)可編程序控制器的規(guī)模及所允許擴(kuò)展接口板數(shù)，各種可編程序控制器的電源種類和容量往往是不同的，用戶使用和維修時(shí)應(yīng)該注意這一點(diǎn)。４.輸入輸出單元（I/O單元）

Inputandoutputunits

功能：

實(shí)際生產(chǎn)過程中的信號電平多種多樣，外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的電平也千差萬別，而可編程序控制器的CPU所處理的信號電平只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，因此需要通過輸入輸出單元實(shí)現(xiàn)這些電平的轉(zhuǎn)換。

PLC通過I／O接口與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，PLC的輸入輸出信號有開關(guān)量、模擬量、數(shù)字量三種類型，所有的輸入輸出信號均經(jīng)過光電等隔離，大大增強(qiáng)了PLC的抗干擾能力。

1、輸入接口電路InputInterfaceCircuit各種PLC的輸入電路大都相同，通常有三種類型：1、直流（12～24V）輸入，2、交流（100～120V）、（200～240V）輸入，3、交直流（12～24V）輸入。

2、輸出接口電路OutputInterfaceCircuit繼電器輸出

特點(diǎn)：CPU驅(qū)動繼電器線圈，令觸點(diǎn)吸合，使外部電源通過閉合的觸點(diǎn)驅(qū)動外部負(fù)載，其開路漏電流為零，響應(yīng)時(shí)間慢（約10ms），可帶較大的外部負(fù)載。晶閘管（SSR）輸出

CPU通過光耦合使三端雙向可控硅通斷，以控制外部交流負(fù)載,開路漏電流大,響應(yīng)時(shí)間較快(約1ms)。

晶體管輸出

CPU通過光耦合使晶體管通斷，以控制外部直流負(fù)載，響應(yīng)時(shí)間快（約0.2ms），可帶外部負(fù)載小。5編程器Programmer編程器是PLC的最重要的外圍設(shè)備。分為簡易型和智能型。小型PLC常使用簡易型編程器，大中型PLC多用智能型。編程器的工作方式編程工作方式

主要功能是輸入新的控制程序，或者對已有的程序進(jìn)行編輯。監(jiān)控工作方式

主要功能是對運(yùn)行中的可編程序控制器的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和跟蹤。

2.2可編程序控制器工作原理

PLCworkprinciple2.2.1I/O映象區(qū)Imagearea

輸入映象區(qū)的概念：在程序執(zhí)行之前將現(xiàn)場全部有關(guān)信息采集到可編程序控制器中來，存放在系統(tǒng)準(zhǔn)備好的一定區(qū)域—隨機(jī)存儲器RAM的某一地址區(qū)，稱為輸入映象區(qū)。執(zhí)行用戶程序所需現(xiàn)場信息都在輸入映象區(qū)取用，而不直接到外設(shè)去取。輸出映象區(qū)的概念

同樣對被控制對象的控制信息，也不采用形成一個(gè)就去輸出改變一個(gè)的控制方法，而是先把它們存放在隨機(jī)存儲器RAM的某特定區(qū)域，稱之為輸出映象區(qū)。

當(dāng)用戶程序執(zhí)行結(jié)束后，將所存被控對象的控制信息，集中輸出，改變被控對象的狀態(tài)。

數(shù)字采樣控制系統(tǒng)

I/O映象區(qū)的建立，使系統(tǒng)工作變成一個(gè)采樣控制系統(tǒng)，我們稱之為數(shù)字采樣控制系統(tǒng)。雖然它不象硬件邏輯系統(tǒng)那樣，能隨時(shí)反映控制器件工作狀態(tài)變化對系統(tǒng)的控制作用，但在采樣時(shí)刻則基本符合實(shí)際工作狀態(tài)，只要采樣周期T足夠小，采樣頻率足夠高，我們就可以認(rèn)為這樣的采樣系統(tǒng)足夠符合實(shí)際系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

2.2.2可編程序控制器的工作原理

PLCworkprinciple

可編程序控制器采用循環(huán)掃描的工作方式。工作過程主要分為：輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新，一直循環(huán)掃描工作，工作過程見下圖。

輸出刷新

程序執(zhí)行輸入采樣輸入端子輸入映象區(qū)輸出映象區(qū)輸出鎖存輸出端子輸出信號輸入信號梯形圖

PLC工作過程執(zhí)行OB1中的程序

(循環(huán)執(zhí)行)事件(日期時(shí)間中斷、硬件中斷等)調(diào)用其他

OB，F(xiàn)B，F(xiàn)C輸出

模塊AI0.1AI0.2=Q8.0塊OB1循環(huán)監(jiān)視時(shí)間的開始啟動塊(OB100)上電后執(zhí)行一次從模塊讀信號狀態(tài)，并保存到過程映象區(qū)(PII)把過程映象輸出表(PIQ)寫到輸出模塊CPU循環(huán)輸入

模塊1．

輸入掃描（又稱輸入采樣）

Enterscan(alsoknownasinputsample)工作過程：可編程序控制器按掃描方式讀入該可編程序控制器所有端子上的輸入信號(可能有的端子上并沒有接輸入信號，它也作輸入)，并將這些輸入信號存入輸入映象區(qū)。特點(diǎn)：在本工作周期的執(zhí)行和輸出過程中，輸入映象區(qū)內(nèi)的內(nèi)容不會隨實(shí)際信號的變化而變化。

掃描順序

可編程序控制器在輸入掃描過程中一般都以固定的順序(例如從最小號到最大號)進(jìn)行掃描，但在一些可編程序控制器中可由用戶確定可變的掃描順序。2．

執(zhí)行掃描（又稱程序執(zhí)行）

Scan(alsoknownasprogramexecution)

工作過程：可編程序控制器對用戶以梯形圖方式(或其它方式)編寫的程序按從上到下，從左到右的順序逐一掃描各指令，然后從輸入映象區(qū)取出相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)或從輸出映象區(qū)讀取有關(guān)數(shù)據(jù)，然后做由程序確定的邏輯運(yùn)算或其它數(shù)字運(yùn)算，然后隨運(yùn)算結(jié)果存入確定的輸出映象區(qū)有關(guān)單元，但這個(gè)結(jié)果在整個(gè)程序未執(zhí)行完畢前不會送到輸出端口上。3．

輸出掃描（稱輸出刷新）

Outputscanning(calledoutputrefresh)

在執(zhí)行完用戶所有程序后，可編程序控制器將輸出映象區(qū)中的內(nèi)容同時(shí)送入到輸出鎖存器中(稱輸出刷新)，然后由鎖存器經(jīng)功率放大后去驅(qū)動繼電器的線圈，最后使輸出端子上的信號變?yōu)楸敬喂ぷ髦芷谶\(yùn)行結(jié)果的實(shí)際輸出。

PLC的掃描工作過程輸入刷新

程序執(zhí)行輸出刷新一個(gè)掃描周期輸入刷新

工作周期

上述三個(gè)過程構(gòu)成了可編程序控制器工作的一個(gè)工作周期。可編程序控制器按掃描方式周而復(fù)始地循環(huán)工作，完成對被控對象的控制作用。但嚴(yán)格來說，可編程序控制器的一個(gè)工作周期還包括下述四個(gè)過程，這四個(gè)過程都是在輸入掃描過程之后進(jìn)行的。

四個(gè)系統(tǒng)過程1.系統(tǒng)自監(jiān)測：檢查Watchdog(看門狗)是否超時(shí)(即檢查程序執(zhí)行是否正確)，如果超時(shí)則停止用戶程序的執(zhí)行。2.與編程器交換信息：這只有在使用編程器輸入和調(diào)試程序時(shí)才執(zhí)行。3.與數(shù)字處理器交換信息：這只有在可編程序控制器中配置有專用的數(shù)字處理器時(shí)才執(zhí)行。4.網(wǎng)絡(luò)通信：當(dāng)可編程序控制器配置有網(wǎng)絡(luò)通信模板時(shí)，與通信對象(如其它可編程序控制器或計(jì)算機(jī)等)作數(shù)據(jù)交換。PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)的區(qū)別PLC控制系統(tǒng)是“串行”工作的，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)“并行”工作。優(yōu)點(diǎn)：PLC的串行工作方式避免了繼電器控制系統(tǒng)中觸點(diǎn)競爭和時(shí)序失配的問題。

PLC工作特點(diǎn)

由于PLC是掃描工作過程，在程序執(zhí)行階段即使輸入發(fā)生了變化，輸入映象區(qū)的內(nèi)容也不會發(fā)生變化，要等到下一個(gè)周期的輸入處理階段才能改變。暫存在輸出映象區(qū)的輸出信號，等到一個(gè)循環(huán)周期結(jié)束，CPU集中將這些輸出信號全部輸送給輸出鎖存器。由此可以看出，全部輸入輸出狀態(tài)的改變，需要一個(gè)掃描周期。換言之，輸入輸出的狀態(tài)保持一個(gè)掃描周期。

掃描周期概念從一次輸入掃描開始到這次輸出掃描結(jié)束的所耗費(fèi)的時(shí)間稱為掃描周期。特點(diǎn)：小型PLC的掃描周期一般為十幾毫秒到幾十毫秒。PLC的掃描時(shí)間取決于掃描速度和用戶程序長短。

I/O快速響應(yīng)的設(shè)備

采取的措施：選用高速CPU，提高掃描速度，采用快速響應(yīng)模塊、高速計(jì)數(shù)模塊以及不同的中斷處理等措施減少滯后時(shí)間。造成I/O滯后的主要原因有輸入濾波器的慣性輸出繼電器接點(diǎn)的慣性程序執(zhí)行的時(shí)間程序設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)母郊佑绊懙?.3可編程序控制器的編程語言

PLCprogramminglanguages

目前PLC常用的編程語言有四種，梯形圖編程語言、指令語句表編程語言、控制系統(tǒng)流程圖編程語言以及高級語言。1.梯形圖編程語言（LAD）

習(xí)慣上簡稱梯形圖。沿襲了繼電器控制電路的形式，是在電氣控制系統(tǒng)中常用的繼電器、接觸器邏輯控制基礎(chǔ)上簡化了符號演變而成的。梯形圖形象、直觀、實(shí)用，電氣技術(shù)人員容易接受，是目前用得最多的一種PLC編程語言。

SA1K2K1K1k1SA1SA2Q4.0Q4.0Q4.1Q4.0I1.1I1.0圖2-7繼電器接觸器電氣控制電路圖和PLC梯形圖繼電器接觸器電氣控制電路圖和PLC梯形圖與原有的繼電器邏輯控制技術(shù)的不同點(diǎn)是，梯形圖中的能流（PowerFLow）不是實(shí)際意義的電流，內(nèi)部的繼電器也不是實(shí)際存在的繼電器，因此，應(yīng)用時(shí)，需與原有繼電器邏輯控制技術(shù)的有關(guān)概念區(qū)別對待。2.語句表編程語言（STL）

為計(jì)算機(jī)匯編語言，采用助記符編程方式，用一系列操作指令組成的語句表將控制流程描述出來，并通過編程器送到PLC中去。需要指出的是：不同廠家的PLC