電氣控制與PLC應(yīng)用（第2版）課件：PLC結(jié)構(gòu)及工作原理

PLC通用結(jié)構(gòu)及工作原理學(xué)習(xí)目標(biāo)（1）了解PLC的結(jié)構(gòu)和工作原理、軟件；（2）掌握PLC的幾種編程語言和程序結(jié)構(gòu)。一、任務(wù)導(dǎo)入

雖然PLC的品種繁多，但其基本結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。廣義上和工業(yè)PC一樣，PLC也是一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，只不過它更加適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，具有更強(qiáng)的抗干擾能力。

二、相關(guān)知識(shí)（一）PLC的結(jié)構(gòu)組成PLC的結(jié)構(gòu)組成如圖3.4所示，主要包括中央處理單元(CPU)、存儲(chǔ)器、I／O接口電路、電源、I／0擴(kuò)展接口、外部設(shè)備接口等。其內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。外部的各種信號(hào)送入PLC的輸人接口，在PLC內(nèi)部進(jìn)行邏輯運(yùn)算或數(shù)據(jù)處理，最后以輸出變量的形式經(jīng)輸出接口，驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)備進(jìn)行各種控制。各部分的作用如下：圖3.4PLC基本組成1.中央處理單元CPU中央處理單元CPU（CentreProcessingUnit），主要由控制電路、運(yùn)算器和寄存器等部分組成，是PLC的運(yùn)算和控制中心。PLC常用的CPU有通用微處理器、單片機(jī)和雙極型位片式微處理器。通用微處理器常用的是8位或16位，如Z80A、8085、8086、M68000等；單片機(jī)是將CPU、存儲(chǔ)器和I／O接口集成在一起，因此性價(jià)比高，多為中小型PLC采用，常用的單片機(jī)有8051、8098等；位片式微處理器的特點(diǎn)是運(yùn)算速度快，以4位為1片，可以多片級(jí)聯(lián)，組成任意字長(zhǎng)的微處理器，因此多為大型PLC采用，常用的位片式微處理器有AM2900、AM2901、AM2903等。目前，PLC的位數(shù)多為8位或16位，高檔機(jī)已采用32位，甚至更高位數(shù)。2.存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器的功能是存放程序和數(shù)據(jù)?？煞譃橄到y(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器兩大類：（1）系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。用來存放管理程序、監(jiān)控程序以及內(nèi)部數(shù)據(jù)，由PLC生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)提供，用戶不能更改。（2）用戶程序存儲(chǔ)器。主要存放用戶已編制好或正在調(diào)試的應(yīng)用程序。存放在RAM中的用戶程序可方便地修改。3.輸入／輸出接口電路輸入／輸出接口電路的作用是將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為CPU能夠接收和處理的信號(hào)，并將CPU輸出的弱電信號(hào)轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備所需要的強(qiáng)電信號(hào)，而且能有效地抑制干擾，起到與外部電路的隔離作用。（二）PLC的工作原理PLC是一種工業(yè)計(jì)算機(jī)，其工作原理是建立在計(jì)算機(jī)工作原理基礎(chǔ)上的，CPU采用分時(shí)操作方式來處理各項(xiàng)任務(wù)，即每一時(shí)刻只能處理一件事情，程序的執(zhí)行是按照順序依次執(zhí)行。這種分時(shí)操作過程稱為PLC對(duì)程序的掃描。掃描一次所用的時(shí)間稱為掃描周期。PLC的掃描工作過程大致可以分為3個(gè)階段：即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新3個(gè)階段，如圖3.7所示。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述3個(gè)階段。圖3.7PLC的工作原理1.輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC首先掃描所有輸入端子，再依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入輸入映像寄存器中。此時(shí)，輸入映像區(qū)被刷新。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，輸入映像區(qū)中相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。2.用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制電路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制電路進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，最后將執(zhí)行結(jié)果寫入輸出映像寄存器中。3.輸出刷新階段（輸出處理階段）CPU在執(zhí)行完所有的指令后，把輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，并通過輸出接口電路將其輸出，來驅(qū)動(dòng)PLC的外部負(fù)載，控制設(shè)備的相應(yīng)動(dòng)作，形成PLC的實(shí)際輸出。實(shí)際上，在每個(gè)掃描周期內(nèi)，CPU除了執(zhí)行用戶程序外，還要進(jìn)行系統(tǒng)自診斷和通信請(qǐng)求，并及時(shí)接收外來的控制命令，以提高PLC工作的可靠性，但所占用時(shí)間很短。由上可見，PLC通過周期性循環(huán)掃描，并采取集中采樣和集中輸出的方式執(zhí)行用戶程序，這與計(jì)算機(jī)的工作方式不同，計(jì)算機(jī)在工作過程中，如果輸入條件沒有滿足，程序?qū)⒌却?，直到條件滿足才繼續(xù)執(zhí)行；而PLC在輸入條件不滿足時(shí)，程序照樣往下執(zhí)行，它將依靠不斷的循環(huán)掃描，一次次通過輸入采樣捕捉輸入變量。當(dāng)然由此也帶來一個(gè)問題，如果在本次掃描之后輸入變量才發(fā)生變化，則只有等待下一次掃描時(shí)才能確認(rèn)。這就造成了輸入與輸出響應(yīng)的滯后，在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但由于PLC的一個(gè)工作周期僅為數(shù)十毫秒，故這種很短的滯后時(shí)間對(duì)一般的工業(yè)控制系統(tǒng)影響不大。（三）PLC的軟件及編程語言PLC是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。與計(jì)算機(jī)一樣，PLC的軟件也分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。1.系統(tǒng)軟件PLC的系統(tǒng)軟件就是系統(tǒng)監(jiān)控程序，也有人稱之為PLC的操作系統(tǒng)。它是每臺(tái)可編程控制器都必須包括的部分，用于控制PLC本身的運(yùn)行，是由PLC制造廠家編制的。系統(tǒng)監(jiān)控程序可分為3個(gè)部分：（1）系統(tǒng)管理程序系統(tǒng)管理程序是監(jiān)控程序中最重要的部分。它主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的運(yùn)行管理、存儲(chǔ)空間的管理和系統(tǒng)自檢，包括系統(tǒng)出錯(cuò)檢驗(yàn)、用戶程序語法檢驗(yàn)、句法檢驗(yàn)、警戒時(shí)鐘運(yùn)行等。有了系統(tǒng)管理程序，可編程控制器就能在其管理控制下，有條不紊地進(jìn)行各種工作。（2）用戶指令解釋程序在可編程控制器中采用梯形圖語言編程，再通過用戶指令解釋程序，將梯形圖語言逐條翻譯成機(jī)器語言。由于在執(zhí)行指令過程中需要對(duì)指令逐條解釋，所以降低了程序的執(zhí)行速度。好在PLC控制的對(duì)象多是機(jī)電控制設(shè)備，這些滯后的時(shí)間(μs或ms級(jí))完全可以忽略不計(jì)。尤其是當(dāng)前PLC的主頻越來越高，這種時(shí)間上的延遲將越來越短。（3）標(biāo)準(zhǔn)程序模塊和系統(tǒng)調(diào)用這部分是由許多獨(dú)立的程序塊組成的，各自實(shí)現(xiàn)不同的功能，如輸入、輸出、運(yùn)算或特殊運(yùn)算等?？删幊炭刂破鞯母鞣N具體工作都是由這部分程序完成的，這部分程序的多少，就決定了PLC的性能。整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)控程序是一個(gè)整體，它的質(zhì)量的好壞，很大程度上決定了可編程控制器的性能。2.PLC的編程語言編程語言是PLC的重要組成部分，PLC為用戶提供了完整的編程語言，以適應(yīng)用戶編制程序的需要。IEC61131.3為PLC制定了5種PLC的標(biāo)準(zhǔn)編程語言，其中有3種圖形語言即梯形圖(LAD，LAdderDiagram)、功能塊圖(FBD，F(xiàn)unctionBlockDiagram)、順序功能圖(SFC，SequentialFunctionChart)；兩種文本語言，即指令表(STL，STatementList)和結(jié)構(gòu)化文本(ST，StruturedText)。

（1）梯形圖語言梯形圖是PLC最早使用的一種編程語言，也是PLC最普遍采用的編程語言。它將PLC內(nèi)部的各種編程元件和各種具有特定功能的命令用專用圖形符號(hào)定義，并按控制要求將有關(guān)圖形符號(hào)按一定規(guī)律連接起來，構(gòu)成描述輸入、輸出之間控制關(guān)系的圖形，這種圖形稱為PLC梯形圖。梯形圖編程語言是從繼電器控制系統(tǒng)原理圖的基礎(chǔ)上演變而來的，繼承了繼電器控制系統(tǒng)中的基本工作原理和電器邏輯關(guān)系的表達(dá)方法，梯形圖語言與繼電器控制系統(tǒng)梯形圖的基本思想是一致的，只是在使用符號(hào)和表達(dá)方式上有一定區(qū)別。（2）功能塊圖（FBD）功能塊圖（FBD）是另一種圖形化的編程語言，沿用了半導(dǎo)體邏輯電路中邏輯框圖的表達(dá)方式。一般用一種功能模塊（或稱功能框）表示一種特定的功能，模塊內(nèi)的符號(hào)表示該功能塊圖的功能。功能塊圖有基本邏輯功能、計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)功能、運(yùn)算和比較功能及數(shù)據(jù)傳送功能等。（3）順序功能圖SFC編程方法是法國(guó)人開發(fā)的，是一種真正的圖形化的編程方法。SFC專用于描述工業(yè)順序控制程序，使用它可以對(duì)具有并發(fā)、選擇等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)進(jìn)行編程，特別適合在復(fù)雜的順序控制系統(tǒng)中使用。（4）指令語句表指令表編程語言類似于計(jì)算機(jī)中的助記符匯編語言，它是PLC最基礎(chǔ)的編程語言，所謂指令表編程，是用一個(gè)或幾個(gè)容易記憶的字符來代表PLC的某種操作功能，按照一定的語法和句法編寫出一行一行的程序，來實(shí)現(xiàn)所要求的控制任務(wù)的邏輯關(guān)系或運(yùn)算。梯形圖語言雖然直觀、方便、易懂，但必須配有較大的顯示器才能輸入圖形，一般多用于計(jì)算機(jī)編程環(huán)境中。而指令語句表常用于手持編程器，通過輸入助記符語言在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)編制、調(diào)試程序。對(duì)于同一廠家的PLC產(chǎn)品，其指令表語言與梯形圖語言是相互對(duì)應(yīng)的，可以互相轉(zhuǎn)換。（5）結(jié)構(gòu)化文本結(jié)構(gòu)化文本是一種高級(jí)的文本語言，是一種較新的編程語言。結(jié)構(gòu)化文本語言表面上與PASCAL語言很相似，但它是一個(gè)專門為工業(yè)控制應(yīng)用開發(fā)的編程語言，具有很強(qiáng)的編程能力，與梯形圖相比，它能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，編寫的程序非常簡(jiǎn)潔和緊湊。習(xí)題與思考題1.PLC有何特點(diǎn)?2.PLC與繼電器