PLC的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.第7講PLC的結(jié)構(gòu)組成及工作原理講解內(nèi)容：5.1PLC的硬件結(jié)構(gòu)組成5.2PLC的軟件組成5.3PLC的工作原理與技術(shù)指標(biāo)5.4西門子S7-200系列PLC系統(tǒng)組成學(xué)習(xí)說明：本講是學(xué)習(xí)PLC的根底知識。重點掌握：PLC的硬件組成、軟件組成、工作原理及主要性能技術(shù)指標(biāo)

52.可編程控制器組成硬件編程器電源CPU存儲器I/O口軟件系統(tǒng)程序用戶程序PLC

53.

5.1PLC的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成外部設(shè)備現(xiàn)場用戶輸出設(shè)備微處理器（CPU）運算器控制器輸出部件輸入部件系統(tǒng)存儲器用戶存儲器I/O擴展接口通訊及編程接口編程設(shè)備計算機打印機等傳感器按鈕、開關(guān)現(xiàn)場信號電磁閥中間繼電器執(zhí)行器現(xiàn)場用戶輸入設(shè)備擴展設(shè)備擴展單元通訊模塊功能模塊電源變換器～220V市電PLC基本單元PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖4.CPU開關(guān)量I/O接口RAM、ROM模擬量I/O接口EPROM/E2ROM通迅接口編程器電源

PLC組成的原理框圖PLC由5個主要部件組成：①CPU②存儲器③I/O局部④編程器⑤電源

5.1

PLC主要部件5.微處理器〔CPU〕接收并存儲用戶程序和數(shù)據(jù)；診斷電源、PLC工作狀態(tài)及編程的語法錯誤；接收輸入信號，送入數(shù)據(jù)存放器并保存；運行時順序讀取、解釋、執(zhí)行用戶程序，完成用戶程序的各種操作；將用戶程序的執(zhí)行結(jié)果送至輸出端。PLC主要部件：微處理器〔CPU〕

5.1

6.系統(tǒng)存儲器——系統(tǒng)程序存儲器+系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器存放系統(tǒng)工作程序〔監(jiān)控程序〕；存放模塊化應(yīng)用功能子程序；存放命令解釋程序；存放功能子程序的調(diào)用管理程序；存放存儲系統(tǒng)參數(shù)。用戶存儲器——RAM/EPROM/E2PROM存放用戶工作程序；存放工作數(shù)據(jù)。PLC主要部件：存儲器

5.1

7.輸入單元——帶光電隔離電路多種輔助電源類型：AC電源DC24V輸入DC電源DC24V輸入DC電源DC12V輸入接收開關(guān)量及數(shù)字量信號〔數(shù)字量輸入單元〕；接收模擬量信號〔模擬量輸入單元〕；接收按鈕或開關(guān)命令〔數(shù)字量輸入單元〕；接收傳感器輸出信號。PLC主要部件：輸入單元

5.1

8.注意：光電耦合器的作用實現(xiàn)現(xiàn)場與PLC主機的電氣隔離，以提高抗干擾性。防止外部強電侵人主機而損壞主機。電平變換，光電耦合器將現(xiàn)場各種開關(guān)信號變換成

PLC主機要求的標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平。

5.1

9.PLC

輸入接口電路

5.1

10.輸出單元——帶光電隔離器及濾波器多種輸出方式：晶體管晶閘管繼電器驅(qū)動直流負(fù)載〔晶體管輸出單元〕；驅(qū)動非頻繁動作的交/直流負(fù)載〔繼電器輸出單元〕；驅(qū)動頻繁動作的交/直流負(fù)載〔晶閘管輸出單元〕。PLC主要部件：輸出單元

5.1

11.通訊及編程接口——采用RS-485或RS-422串行總線連接專用編程器；連接個人電腦〔PC〕，實現(xiàn)編程及在線監(jiān)控；連接工控機，實現(xiàn)編程及在線監(jiān)控；連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備〔如調(diào)制解調(diào)器〕，實現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊；連接打印機等計算機外設(shè)。PLC主要部件：通訊及編程接口

5.1

12.I/O擴展接口——采用并行通訊方式擴展I/O模塊；擴展位置控制模塊；擴展通訊模塊；擴展模擬量控制模塊。PLC主要部件：I/O擴展接口

5.1

13.

5.1

PLC的硬件結(jié)構(gòu)組成PLC由三個根本局部組成：輸入局部、邏輯處理局部、輸出局部。根本結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-1所示。

PLC的基本組成框圖輸入局部輸出局部14.輸入局部：是指各類按鈕、行程開關(guān)、傳感器等接口電路，它收集并保存來自被控對象的各種開關(guān)量、模擬量信息和來自操作臺的命令信息等。邏輯處理局部：用于處理輸入局部取得的信息，按一定的邏輯關(guān)系進行運算，并把運算結(jié)果以某種形式輸出。輸出局部：是指驅(qū)動各種電磁線圈、交/直流接觸器、信號指示燈等執(zhí)行元件的接口電路，它向被控對象提供動作信息。為了使用方便，PLC還常配套有編程器等外部設(shè)備，它們可以通過總線或標(biāo)準(zhǔn)接口與PLC連接。不同廠家、不同類型的PLC指令系統(tǒng)的指令符號、指令內(nèi)容、指令條數(shù)也不同；關(guān)于軟器件和I/O口的相應(yīng)規(guī)定也不一樣。雖然PLC方方面面都有很多不同，但是這種裝置都稱為可編程序控制器，它們在根本內(nèi)涵上一定同多異少。PLC的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

5.1

15.

5.2

PLC軟件系統(tǒng)組成系統(tǒng)監(jiān)控程序

運行管理

生成用戶元件系統(tǒng)內(nèi)部自檢管理程序

解釋程序標(biāo)準(zhǔn)程序模塊、系統(tǒng)調(diào)用用戶程序自動化系統(tǒng)控制程序數(shù)據(jù)表格軟件系統(tǒng)一、軟件組成16.梯形圖(LAD)語句表〔STL〕功能塊圖(FBD)順序功能表圖〔SFC〕高級語言二、PLC的編程語言

5.2PLC編程語言是多種多樣的，對于不同生產(chǎn)廠家、不同系列的PLC產(chǎn)品采用的編程語言的表達方式也不相同。IEC61131-317.梯形圖語言是在傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)中常用的接觸器、繼電器等圖形表達符號的根底上演變而來的。它與電氣控制線路圖相似，繼承了傳統(tǒng)電氣控制邏輯中使用的框架結(jié)構(gòu)、邏輯運算方式和輸入輸出形式，具有形象、直觀、實用的特點。因此，這種編程語言為廣闊電氣技術(shù)人員所熟知，是應(yīng)用最廣泛的PLC的編程語言，是PLC的第一編程語言。1.梯形圖語言(LAD)

5.2二、PLC的編程語言18.從圖中可看出，與電氣接線圖表示思想是一致的，具體表達方式有一定區(qū)別。PLC的梯形圖使用的是內(nèi)部繼電器、定時／計數(shù)器等，都是由軟件來實現(xiàn)，使用方便，修改靈活，是電氣控制線路硬接線無法比較的。1.梯形圖語言(LAD)

5.2二、PLC的編程語言19.這種編程語言是一種與匯編語言類似的助記符編程表達方式。STL適合于熟悉PLC和邏輯編程的有經(jīng)驗的程序員雖然各個PLC生產(chǎn)廠家的語句表形式不盡相同，但根本功能相差無幾。2.語句表語言〔STL〕

5.2二、PLC的編程語言20.這是一種建立在布爾表達式之上的圖形語言。實質(zhì)上是一種將邏輯表達式用類似于“與〞、“或〞、“非〞等邏輯電路結(jié)構(gòu)圖表達出來的圖形編程語言。它沒有梯形圖的觸點和線圈，但是有與之等價的指令〔盒指令〕，程序邏輯由盒指令盒指令之間的連接決定。3.功能塊圖(FBD)

5.2二、PLC的編程語言21.功能表圖語言是一種較新的編程方法，又稱狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖語言。它將一個完整的控制過程分為假設(shè)干階段，各階段具有不同的動作，階段間有一定的轉(zhuǎn)換條件，轉(zhuǎn)換條件滿足就實現(xiàn)階段轉(zhuǎn)移，上一階段動作結(jié)束，下一階段動作開始。是用功能表圖的方式來表達一個控制過程，對于順序控制系統(tǒng)特別適用。4.順序功能表圖〔SFC〕

5.2二、PLC的編程語言22.隨著PLC技術(shù)的開展，為了增強PLC的運算、數(shù)據(jù)處理及通信等功能，以上編程語言無法很好地滿足要求。近年來推出的PLC，尤其是大型PLC，都可用高級語言進行編程。采用高級語言后，用戶可以像使用普通微型計算機一樣操作PLC，使PLC的各種功能得到更好的發(fā)揮。5.高級語言

5.2二、PLC的編程語言23.IEC〔國際電工委員會〕推出了一個有關(guān)PLC編程方面的輪廓性標(biāo)準(zhǔn)。這個標(biāo)準(zhǔn)鼓勵不同的PLC廠商向用戶提供與IEC指令集的表示和操作一致的指令。IEC61131-3指令集是不同PLC廠商的指令標(biāo)準(zhǔn)。

5.2IEC61131-3指令集二、PLC的編程語言24.PLC的工作原理PLC的主要技術(shù)指標(biāo)

5.3

PLC的工作原理及技術(shù)指標(biāo)

525.一、PLC的工作原理

5.3

S7-200CPU連續(xù)執(zhí)行用戶程序，任務(wù)的循環(huán)序列稱為掃描STOP模式：不運行用戶程序S7-200CPU有兩個操作模式RUN模式：運行用戶程序CPU的掃描周期包含：讀輸入執(zhí)行程序處理通訊請求執(zhí)行CPU自診斷測試寫輸出26.CycleoftheS7200CPU(1)ProgramexecutionCommunica-tionhandlingSelf-diagnosticsonCPUReaddig.inputsWritedig.outputsStart:

5.327.CycleoftheS7200CPU(2)ReadinputsCyclicalupdatingofthedigitalinputsintheprocessimageofinputs(thePIIhas8-bitsections,bitswhicharenotusedareinitializedtozero)AnaloginputsarereadbydirectI/Oaccesswithoutstorageinprocessimage.ProgramexecutionExecutionofalloperationsAdditionaldirectaccesstoI/OsalsopossibleintheinterruptsectionoftheprogramCommunicationhandlingInthispartofthecycle,theCPUprocessesallmessagesreceivedfromtheinterfaces.

5.328.CycleoftheS7200CPU(3)Self-diagnosticsonCPUDuringthispartofthecycle,theCPUchecksthefirmware,theprogrammemoryandthestatusoftheexpansionmodules.WriteoutputsTheprocessimageofthedigitaloutputs(PIQ)isautomaticallyoutputtotheI/Osattheendofthecycle(thePIQhas8-bitsections,bitswhicharenotusedcanbeusedasinternalbitmemories).AnalogoutputsareupdatedbydirectI/Oaccess.

5.329.一、

PLC的工作原理

PLC的運行方式理解PLC的運行過程〔和繼電器系統(tǒng)比較〕

5.330.形象理解PLC的工作原理典型例子

5.3一、

PLC的工作原理

31.一、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。

5.332.理解PLC的工作原理典型例子

5.3一、

PLC的工作原理

啟動排水的操作面板開關(guān)狀態(tài)加到其它的輸入狀態(tài)上。這些狀態(tài)的計算決定了輸出的狀態(tài)，由輸出驅(qū)動關(guān)閉排水的閥門。CPU讀輸入狀態(tài)CPU中存儲的程序利用這些輸入執(zhí)行控制邏輯。當(dāng)程序運行時，CPU刷新有關(guān)數(shù)據(jù)。CPU把數(shù)據(jù)寫到輸出CPU連續(xù)地掃描程序，讀寫數(shù)據(jù)。33.PLC的工作方式PLC的工作按集中輸入、集中輸出，周期性循環(huán)掃描的方式進行工作的。工作過程上電處理掃描過程出錯處理

5.3一、

PLC的工作原理

34.形象理解PLC的工作方式

5.3一、

PLC的工作原理

35.PLC工作過程定期檢查用戶程序存儲器、I/O單元的連接、I/O總線是否正常，定期復(fù)位監(jiān)控定時器WDTPLC之間以及PLC與PC之間；PLC與其他帶微處理器的智能裝置通信編程器、終端設(shè)備、彩色圖形顯示器、打印機以掃描的方式按順序逐句掃描處理，運算結(jié)果存入輸出映象區(qū)對應(yīng)位中掃描的方式輸入信號的狀態(tài)存入輸入映象區(qū)；結(jié)果存入輸出映象區(qū)，直至傳送到外部被控設(shè)備。去除內(nèi)部繼電器區(qū)，復(fù)位定時器等，并進行自診斷，對電源、PLC內(nèi)部電路、用戶程序的語法進行檢查。開機內(nèi)部處理通信效勞輸入刷新程序執(zhí)行輸出刷新

5.336.執(zhí)行OB1中的程序(循環(huán)執(zhí)行)事件(日期時間中斷、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PLC的工作過程流程圖

5.337.用戶程序的循環(huán)掃描過程

信號傳遞過程(從輸入到輸出)輸入端輸入電路輸入映像存放器輸入刷新階段---CPU從輸入電路的輸出端讀出各路狀態(tài)，并將其寫入輸入映像存放器；X0X1b.程序執(zhí)行階段--CPU從輸入映像存放器和元件映像存放器中讀出各繼電器的狀態(tài)，并根據(jù)此狀態(tài)執(zhí)行用戶程序，執(zhí)行結(jié)果再寫入元件映像存放器中；c.緊接著的輸出刷新階段---將輸出映像存放器的狀態(tài)寫入輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路傳遞輸出端子，從而控制外接器件動作。X0Y0Y0Y1元件映像存放器讀寫輸出鎖存器輸出電路輸出端Y0Y1讀寫

5.338.PLC掃描過程的中心內(nèi)容輸入采樣階段程序執(zhí)行階段輸出刷新階段

5.3一、

PLC的工作原理

39.PLC的掃描工作過程的進一步描述PLC主要的方式是周期掃描方式。可以細(xì)分成下面幾個過程。

5.3一、

PLC的工作原理

40.上電處理過程PLC上電后，要進行上電的初始化處理。占用的時間為T0。共同處理過程共同處理的主要任務(wù)是復(fù)位監(jiān)視計時器、檢查I/O總線、檢查掃描周期、檢查程序存儲器。該過程占用時間為T1。通訊效勞過程當(dāng)PLC和微機構(gòu)成通訊網(wǎng)絡(luò)或由PLC構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)時，需要有通訊效勞過程。該過程占用的時間為T2。外設(shè)效勞過程當(dāng)PLC接有外部設(shè)備如編程器、打印機等，那么需要進行外設(shè)效勞過程。該過程占用的時間為T3。PLC的掃描工作過程的進一步描述〔續(xù)〕

5.3一、

PLC的工作原理

41.輸入刷新過程輸入信號刷新為輸入處理過程。該過程占用時間為T4，和PLC所帶的輸入模塊的種類和點數(shù)多少有關(guān)程序執(zhí)行過程該過程用于執(zhí)行用戶程序。從輸入映像區(qū)讀入輸入信息，根據(jù)用戶程序進行運算操作，并向輸出映像區(qū)送出控制信息。該過程占用的時間為T5。顯然T5和PLC速度、用戶程序長短及指令種類有關(guān)。輸出刷新過程輸出信號刷新為輸出處理過程。該過程占用時間為T6和PLC所帶的輸出模塊的種類和點數(shù)多少有關(guān)。

PLC的掃描周期TS=T1+T2+T3+T4+T5+T6PLC的掃描工作過程的進一步描述〔續(xù)〕

5.3一、

PLC的工作原理

42.I/O滯后現(xiàn)象的原因

輸入濾波器有時間常數(shù)

輸出繼電器有機械滯后

PC循環(huán)操作時，進行公共處理、I/O刷新和執(zhí)行用戶程序等產(chǎn)生掃描周期

程序語句的安排，也影響響應(yīng)時間

5.343.關(guān)于PLC的時間滯后問題

PLC對輸入和輸出信號的響應(yīng)是有延時的，這就是滯后現(xiàn)象。為了確保PLC在任何情況下都能正常無誤地工作，一般情況下，輸入信號的脈沖寬度至少必須大于一個掃描周期TS。

5.3還應(yīng)該注意一個問題是輸出信號的狀態(tài)是在輸出刷新時才送出的。因此在一個程序中假設(shè)給一個輸出端屢次賦值時，只有最后一次賦的值有效。44.PLC輸入輸出響應(yīng)時間說明:輸入信號在第一個掃描周期的輸入采樣階段之后才出現(xiàn)，故在第一個掃描周期內(nèi)，各映像存放器的均為“0〞狀態(tài)，使Y0、Y1、Y2輸出端的狀態(tài)為OFF〔“0〞〕狀態(tài)Y1Y0X0Y1Y0Y2輸入信號X0Y1Y2Y0輸入采樣程序執(zhí)行輸出處理出現(xiàn)信號第一周期說明:在第二個掃描周期的輸入采樣階段，輸入繼電器X0的狀態(tài)為ON〔“1〞〕狀態(tài)，程序執(zhí)行階段，Y1、Y2沒有接通，故Y1、Y2輸出端的狀態(tài)為OFF〔“0〞〕狀態(tài)。說明:在第三個掃描周期的程序執(zhí)行階段，由于Ｙ１的接通使Ｙ０接通，可見從外部輸入觸點接通到Ｙ０驅(qū)動的負(fù)載接通，程序執(zhí)行階段，響應(yīng)延遲達兩個多掃描周期．輸出處理輸入采樣程序執(zhí)行第二周期輸入采樣程序執(zhí)行輸出處理第三周期

5.345.針對掃描周期循環(huán)工作制的優(yōu)缺點提兩點建議：對于小型PLC:

I/O點數(shù)較少、用戶程序較短一般采用：集中采樣、集中輸出的工作方式

對于大中型PLC:I/O點數(shù)較多，控制功能強，用戶程序較長，為提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，采用：定期采樣、定期輸出方式或中斷輸入、輸出方式以及采用智能I/O接口等多種方式

5.346.二、PLC的主要技術(shù)指標(biāo)＊I/O點數(shù)I/O點數(shù)的多少反映PLC的控制規(guī)模。＊程序容量程序容量的大小決定了PLC可以處理控制任務(wù)的復(fù)雜程度。＊掃描速度掃描速度決定了PLC可以處理快速動作的水平。＊指令條數(shù)指令條數(shù)的多少反映PLC的軟件功能的強弱。＊內(nèi)部繼電器內(nèi)部繼電器的多少反映PLC的硬件功能的強弱。＊特殊功能和高級模塊特殊功能和高級模塊的種類多少可用來評價PLC的水平的上下。

5.347.1．S7-200CPU模塊SIMATICS7-200系統(tǒng)CPU22X系列PLC主機〔CPU模塊〕的外形：

5.4S7-200系列PLC系統(tǒng)組成48.

5.4S7-200系列PLC系統(tǒng)組成一個根本的S7-200MicroPLC，包括一個S7-200CPU模塊，一臺PC，STEP7-Micro/WIN32編程軟件，以及一條PC/PPI電纜。49.S7-200CPU22X主要技術(shù)指標(biāo)50.S7-200CPU22X主要技術(shù)指標(biāo)(續(xù))51.課堂練習(xí)1根據(jù)PLC的循環(huán)掃描原理，分析以下PLC梯形圖程序，簡述當(dāng)I0.0為高電平后，其余元件：Q0.0、Q0.1、Q0.2得電的順序。

答案:首先：network2Q0.0其次：network3Q0.1最后：network1Q0.2

552.課堂練習(xí)2根據(jù)PLC的循環(huán)掃描原理，分析以下PLC梯形圖程序，簡述當(dāng)I0.0為高電平后，其余元件：Q0.0、Q0.1、Q0.2得電的順序。

答案:首先：network2Q0.0其次：network3Q0.2最后：network1Q0.1