機(jī)床電氣與PLC第5章課件

第5章可編程控制器的結(jié)構(gòu)及工作原理5.1可編程控制器的硬件系統(tǒng)5.2可編程控制器的軟件及編程語言5.3可編程控制器的工作原理思考題與習(xí)題五

5.1可編程控制器的硬件系統(tǒng)

PLC實(shí)質(zhì)上是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī),只不過它比一般計(jì)算機(jī)具有更強(qiáng)的與工業(yè)過程相連接的接口和更直接的適應(yīng)于控制要求的編程語言,故PLC與計(jì)算機(jī)的組成十分相似。從硬件結(jié)構(gòu)看,它也有中央處理器(CPU)、存儲器、輸入/輸出(I/O)接口、電源等,其硬件結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。

圖5-1PLC的硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.存儲器系統(tǒng)存儲器用來存放由PLC生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序,并固化在ROM內(nèi),用戶不能直接更改。它使PLC具有基本的智能,能夠完成PLC設(shè)計(jì)者規(guī)定的各項(xiàng)工作。系統(tǒng)程序質(zhì)量的好壞在很大程度上決定了PLC的性能。其內(nèi)容主要包括三部分:第一部分為系統(tǒng)管理程序,它主管控制PLC的運(yùn)行,使整個(gè)PLC按部就班地工作;第二部分為用戶指令解釋程序,通過用戶指令解釋程序?qū)LC的編程語言變?yōu)闄C(jī)器語言指令,再由CPU執(zhí)行這些指令;第三部分為標(biāo)準(zhǔn)程序模塊與系統(tǒng)調(diào)用程序,它包括許多不同功能的子程序及其調(diào)用管理程序,如完成輸入、輸出及特殊運(yùn)算等的子程序。PLC的具體工作都是由這部分程序來完成的,這部分程序的多少決定了PLC性能的強(qiáng)弱。

用戶存儲器包括用戶存儲器(程序區(qū))和功能存儲器(數(shù)據(jù)區(qū))兩部分。用戶程序存儲器用來存放用戶針對具體控制任務(wù),用規(guī)定的PLC編程語言編寫的各種用戶程序。用戶程序存儲器根據(jù)所選用的存儲器單元類型的不同,可以是RAM(有掉電保護(hù))、EPROM或EEPROM存儲器,其內(nèi)容可以由用戶任意修改或增刪。用戶功能存儲器用來存放(記憶)用戶程序中使用的ON/OFF狀態(tài)、數(shù)值數(shù)據(jù)等。它構(gòu)成PLC的各種內(nèi)部器件,也稱“軟元件”。用戶存儲器容量的大小關(guān)系到用戶程序容量的大小和內(nèi)部器件的多少,是反映PLC性能的重要指標(biāo)之一。

3.輸入/輸出接口輸入/輸出接口是PLC與外界連接的接口。輸入接口用來接收和采集兩種類型的輸入信號:一類是由按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)、繼電器觸頭、接近開關(guān)、光電開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)等來的開關(guān)量輸入信號;另一類是由電位器、測速發(fā)電機(jī)和各種變送器等來的模擬量輸入信號。輸出接口用來連接被控對象中各種執(zhí)行元件,如接觸器、電磁閥、指示燈、調(diào)節(jié)閥(模擬量)、調(diào)速裝置(模擬量)等。

6.通信接口為了實(shí)現(xiàn)“人—機(jī)”或“機(jī)—機(jī)”之間的對話,PLC配有多種通信接口。PLC通過這些接口可以與監(jiān)視器、打印機(jī)、其他PLC或計(jì)算機(jī)相連。當(dāng)PLC與打印機(jī)相連時(shí),可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打印;當(dāng)與監(jiān)視器(CRT)相連時(shí),可將過程圖像顯示出來;當(dāng)與其他PLC相連時(shí),可以組成系統(tǒng)或聯(lián)成網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的控制;當(dāng)與計(jì)算機(jī)相連時(shí),可以組成多級控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)控制與管理相結(jié)合的綜合系統(tǒng)。

7.智能I/O接口為了滿足更加復(fù)雜的控制功能的需要,PLC配有多種智能I/O接口,例如滿足位置調(diào)節(jié)需要的位置閉環(huán)控制模塊,對高速脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)和處理的高速計(jì)數(shù)模塊等。這類智能模塊都有其自身的處理器系統(tǒng)。

8.編程器編程器的作用是供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。編程器有簡易型和智能型兩類。簡易型的編程器只能聯(lián)機(jī)編程,且往往需要將梯形圖轉(zhuǎn)化為機(jī)器語言助記符(指令表)后才能輸入。它一般由簡易鍵盤和發(fā)光二極管或其他顯示器件組成。智能型的編程器又稱圖形編程器。它可以聯(lián)機(jī)或脫機(jī)編程,具有LCD或CRT圖形顯示功能,可以直接輸入梯形圖并通過屏幕對話。9.其他部件PLC還可配有盒式磁帶機(jī)、EPROM寫入器、存儲器卡等其他外圍設(shè)備。

2)用戶指令解釋程序眾所周知,任何計(jì)算機(jī)最終都是執(zhí)行機(jī)器語言指令的。但用機(jī)器語言編程卻是非常復(fù)雜的事情。PLC可用梯形圖語言編程。把使用者直觀易懂的梯形圖變成機(jī)器懂得的機(jī)器語言,這就是解釋程序的任務(wù)。解釋程序?qū)⑻菪螆D逐條解釋,翻譯成相應(yīng)的機(jī)器語言指令,由CPU執(zhí)行這些指令。

3)標(biāo)準(zhǔn)程序模塊和系統(tǒng)調(diào)用這部分軟件由許多獨(dú)立的程序塊組成。各程序塊完成不同的功能,有些完成輸入、輸出處理,有些完成特殊運(yùn)算等。PLC的各種具體工作都是由這部分程序來完成的。這部分程序的多少決定了PLC性能的強(qiáng)弱。整個(gè)系統(tǒng)軟件是一個(gè)整體,其質(zhì)量的好壞很大程度上會影響PLC的性能。很多情況下,通過改進(jìn)系統(tǒng)軟件就可在不增加任何設(shè)備的條件下,大大改善PLC的性能。因此PLC的生產(chǎn)廠商對PLC的系統(tǒng)軟件都非常重視,其功能也越來越強(qiáng)。

2.用戶程序用戶程序是PLC的使用者針對具體控制對象編制的程序。在小型PLC中,用戶程序有三種形式:指令表(STL)、梯形圖(LAD)和順序功能流程圖(SFC)。

圖5-2所示是用OMRON公司C系列P型機(jī)編號的自保持電路梯形圖。這里0506的觸點(diǎn)與啟動觸點(diǎn)0000并聯(lián)。當(dāng)0000接通,0506工作后,0506線圈可由自己的觸點(diǎn)保持。若0001通,則0506斷。

圖5-2自保持電路梯形圖

2.指令語句表編程指令語句表語言類似于微機(jī)中的助記符語言。它是可編程控制器最基礎(chǔ)的編程語言。所謂指令語句表編程,是用一個(gè)或幾個(gè)容易記憶的字符來代表可編程控制器的某種操作功能。每個(gè)生產(chǎn)廠家使用的助記符是各不相同的,因此同一個(gè)梯形圖書寫的語句形式不盡相同。語句是用戶程序的基礎(chǔ)單元,每個(gè)控制功能由一個(gè)或多個(gè)語句的用戶程序來執(zhí)行。每條語句是規(guī)定CPU如何動作的指令,它的作用和微機(jī)的指令一樣,而且PLC的語句也是由操作碼和操作數(shù)組成的,故其表達(dá)式也和微機(jī)指令類似。

表5-1指

令

表

3.順序功能流程圖編程順序功能流程圖編程(SFC)是一種較新的編程方法。它的作用是用功能圖來表達(dá)一個(gè)順序控制過程。目前國際電工協(xié)會(IEC)也正在實(shí)施發(fā)展這種新的編程標(biāo)準(zhǔn)。使用SFC作為一種步進(jìn)控制語言,用這種語言可以對一個(gè)控制過程進(jìn)行控制,并顯示該過程的狀態(tài)。將用戶應(yīng)用的邏輯分成步和轉(zhuǎn)換條件,來代替一個(gè)長的梯形圖程序。這些步和轉(zhuǎn)換條件的顯示,使用戶可以看到在某個(gè)給定時(shí)間中機(jī)器過程處于什么狀態(tài)。圖5-3所示是一個(gè)順序鉆孔的順序功能流程圖編程的例子。方框中數(shù)字代表順序步,每一步對應(yīng)于一個(gè)控制任務(wù),每個(gè)順序步的步進(jìn)條件以及每個(gè)順序執(zhí)行的功能可以寫在方框右邊。

圖5-3順序功能流程圖編程示例

圖5-4PLC控制系統(tǒng)的等效工作電路

1.輸入部分輸入部分由外部輸入電路、PLC輸入接線端子和輸入繼電器組成。外部輸入信號經(jīng)PLC輸入接線端子去驅(qū)動輸入繼電器的線圈。每個(gè)輸入端子與相同編號的輸入繼電器有著惟一確定的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)外部的輸入元件處于接通狀態(tài)時(shí),對應(yīng)的輸入繼電器線圈“得電”(注意:這個(gè)輸入繼電器是PLC內(nèi)部的“軟繼電器”,就是我們在前面介紹過的存儲器基本單元中的某一位,它可以提供任意多個(gè)動合觸點(diǎn)或動斷觸點(diǎn)供PLC內(nèi)部控制電路編程使用)。

為使輸入繼電器的線圈“得電”,即讓外部輸入元件的接通狀態(tài)寫入與其對應(yīng)的基本單元中去,輸入回路要有電源。輸入回路所使用的電源,可以用PLC內(nèi)部提供的24V直流電源(其帶載能力有限),也可由PLC外部獨(dú)立的交流或直流電源供電。需要強(qiáng)調(diào)的是,輸入繼電器的線圈只能是由來自現(xiàn)場的輸入元件(如控制按鈕、行程開關(guān)的觸點(diǎn)、晶體管的基極-發(fā)射極電壓、各種檢測及保護(hù)器件的觸點(diǎn)或動作信號等)驅(qū)動,而不能用編程的方式去控制。因此,在梯形圖程序中只能使用輸入繼電器的觸點(diǎn),不能使用輸入繼電器的線圈。

3.輸出部分輸出部分是由在PLC內(nèi)部且與內(nèi)部控制電路隔離的輸出繼電器的外部動合觸點(diǎn)、輸出接線端子和外部驅(qū)動電路組成,用來驅(qū)動外部負(fù)載。PLC的內(nèi)部控制電路中有許多輸出繼電器,每個(gè)輸出繼電器除了有為內(nèi)部控制電路提供編程用的任意多個(gè)動合、動斷觸點(diǎn)外,還為外部輸出電路提供了一個(gè)實(shí)際的動合觸點(diǎn)與輸出接線端子相連。驅(qū)動外部負(fù)載電路的電源必須由外部電源提供,電源種類及規(guī)格可根據(jù)負(fù)載要求去配備,只要在PLC允許的電壓范圍內(nèi)工作即可。

5.3.2掃描工作方式可編程控制器是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī),故它的工作原理是建立在計(jì)算機(jī)工作原理基礎(chǔ)上的,即是通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)PLC運(yùn)行時(shí),用戶程序中有眾多的操作需要去執(zhí)行,但CPU是不能同時(shí)去執(zhí)行多個(gè)操作的,它只能按分時(shí)操作原理每一時(shí)刻執(zhí)行一個(gè)操作。由于CPU的運(yùn)算處理速度很高,使得外部出現(xiàn)的結(jié)果從宏觀上看似乎是同時(shí)完成的。這種分時(shí)操作的過程稱為CPU對程序的掃描。掃描是一種形象化的術(shù)語,用作描述CPU是如何完成分配給它的各種任務(wù)的方式。

掃描從0000號存儲地址所存放的第一條用戶程序開始,在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下,按存儲地址號遞增的方向順序逐條掃描用戶程序,也就是順序逐條執(zhí)行用戶程序,直到程序結(jié)束。每掃描完一次程序就構(gòu)成一個(gè)掃描周期,然后再從頭開始掃描,并周而復(fù)始地重復(fù)。順序掃描的工作方式簡單直觀,它簡化了程序的設(shè)計(jì),并為PLC的可靠運(yùn)行提供了非常有用的保證。一方面,所掃描到的指令被執(zhí)行后,其結(jié)果馬上就可以被將要掃描到的指令所利用;另一方面,還可以通過CPU設(shè)置的定時(shí)器來監(jiān)視每次掃描是否超過規(guī)定的時(shí)間,從而避免了由于CPU內(nèi)部故障使程序進(jìn)入死循環(huán)而造成故障的影響。

5.3.3PLC的工作過程PLC的工作過程就是程序執(zhí)行過程。PLC投入運(yùn)行后,便進(jìn)入程序執(zhí)行過程。它分為三個(gè)階段進(jìn)行,即輸入采樣(或輸入處理)階段、程序執(zhí)行(或程序處理)階段和輸出刷新(或輸出處理)階段,如圖5-5所示。

圖5-5PLC程序執(zhí)行的過程

1.輸入采樣階段在輸入采樣階段,PLC以掃描方式按順序?qū)⑺休斎攵说妮斎胄盘枲顟B(tài)(開或關(guān),即ON或OFF、“1”或“0”)讀入到輸入映像寄存器中寄存起來,稱為對輸入信號的采樣,或稱輸入處理。接著轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段,在程序執(zhí)行期間,即使輸入狀態(tài)變化,輸入映像寄存器的內(nèi)容也不會改變。輸入狀態(tài)的變化只能在下一個(gè)工作周期的輸入采樣階段才被重新讀入。

2.程序執(zhí)行階段在程序執(zhí)行階段,PLC對程序按順序進(jìn)行掃描。如果程序用梯形圖表示,則總是按先上后下、先左后右的順序進(jìn)行掃描。每掃描到一條指令時(shí),所需要的輸入狀態(tài)或其它元素的狀態(tài)分別由輸入映像寄存器和元素映像寄存器中讀出,而將執(zhí)行結(jié)果寫入元素映像寄存器中。也就是說,對于每個(gè)元素來說,元素映像寄存器中寄存的內(nèi)容,會隨程序執(zhí)行的進(jìn)程而變化。

3.輸出刷新階段當(dāng)程序執(zhí)行完后,進(jìn)入輸出刷新階段。此時(shí),將元素映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)轉(zhuǎn)存到輸出鎖存電路,再驅(qū)動用戶輸出設(shè)備(負(fù)載),這就是PLC的實(shí)際輸出。PLC重復(fù)地執(zhí)行上述三個(gè)階段,每重復(fù)一次的時(shí)間就是一個(gè)工作周期(或掃描周期)。工作周期的長短與程序的長短(即組成程序的語句多少)有關(guān),通常為幾十毫秒。PLC在每次掃描中,對輸入信號采樣一樣,對輸出刷新一次。這就保證了PLC在執(zhí)行程序階段,輸入映像寄存器和輸出鎖存電路的內(nèi)容或數(shù)據(jù)保持不變。

5.3.4PLC對輸入/輸出的處理規(guī)則總結(jié)上面分析的程序執(zhí)行過程,可以得出PLC對輸入／輸出的處理規(guī)則,如圖5-6所示。對應(yīng)于圖中的數(shù)字標(biāo)號說明如下:

圖5-6PLC對輸入/輸出的處理規(guī)則

①輸入映像寄存器的數(shù)據(jù),取決于輸入端子在上一個(gè)工作周期的輸入采樣階段所刷新的狀態(tài)。②輸出映像寄存器(包含在元素映像寄存器中)的狀態(tài),由程序中輸出指令的執(zhí)行結(jié)果確定。③輸出鎖存電路中的數(shù)據(jù),由上一個(gè)工作周期的輸出刷新階段存入到輸出鎖存電路