可编程序控制器的基本原理.ppt

5.2 可编程序控制器的基本原理,PLC的组成与微型计算机相似，由硬件和软件两部份组成。为适应恶劣的工作环境，并能取得高可靠性、多功能、使用方便等要求，其硬件配置和系统软件、应用软件又与微型计算机有较大区别。 硬件系统是由输入部分、逻辑部分、和输出部分组成。 输入部分收集并保存被控对象实际运行的数据和信息。例如，它收集来自被控制对象上的各种开关信息或操作台上的操作命令等。,逻辑部分处理输入部分所取得的信息，并按照被控对象实际的动作要求做出反映。 输出部分提供被控装置中哪几个设备正在需要实时操作处理。 5.2.1 PLC的硬件框图及各部分作用 不同厂家、不同型号PLC结构各不相同，但其基本组成和基本工作原理大致相同。PLC就是一台工业控制计算机。 PLC硬件系统基本结构如图5-1所示。,5.2.1.1 中央处理单元（CPU） CPU是PLC的控制中枢，它是由控制器和运算器组成。 一般来说，小型PLC大多采用8位微处理器或单片机作为CPU，如Z80、8085、8031等。对于中型的PLC，大多采用16位微处理器或单片机作为CPU，如Intel8086、Intel96系列单片机，日本欧姆龙公司生产的OMRON C200H型PLC采用的是Motorola公司生产的MC68B09 CPU芯片，这是一种增强型8位微处理器。对于大型PLC采用高速位片式微处理器。,目前，一些厂家生产的PLC，还采用冗余技术，即采用双CPU或三CPU工作，进一步提高了系统的可靠性。采用冗余技术可使PLC的平均无故障工作时间达几十万小时。 当程序装入PLC后，每条指令单独占用一个存储单元，也就是一个地址。CPU内设置有程序计数器，用于指示将要从存储器中取出的下一条指令的地址。当CPU取出一条指令后，便将取出的指令放入指令寄存器中，然后根据指令寄存器中的指令，译码成该指令所需要的内部操作。,CPU的信号处理过程如图5-2所示。,5.2.1.2 存储器 PLC中的存储器主要用于存放系统程序，用户程序和工作状态数据。现代PLC都采用半导体存储器作为它的存储器。 用户程序存储区用于存放用户经编程器输入的应用程序。一般采用EPROM存储器，用户可擦除重新编程。用户程序存储器的容量一般就代表PLC的标准容量。通常小型机小于8KB，中型机小于50KB，大型机可在50KB以上。,5.2.1.3 输入/输出模块 PLC的控制对象是工业生产过程，PLC与工业生产过程的联系是通过I/O模块实现的。生产厂家以开发出各种型号的输入/输出模块供用户选择。如：数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、交流信号输入/输出模块及智能模块。 （1）开关量输入模块 输入模块是将生产现场的信号进行电平和格式转换，能为CPU所能接收、存储和传送的TTL标准电平的二进制信号。开关输入模块如图5-3所示。,现场信号“1”（ S）,24V电源经R1和R2分压后，经2CW52稳压到3V左右,光耦原边LD,光耦副边,5V信号 输入锁存器,需要时 读入CPU,（2）开关量输出模块 输出模块的任务是将CPU输出的控制信息转化为生产现场所需的、能驱动各种特定设备的控制信号，以驱动各执行机构动作。,通常PLC的输出有三种形式： 一是继电器输出型； 二是晶体管输出型； 三是双向晶闸管输出型，采用的是光触发型双向晶闸管。 继电器输出型模块，如图5-4所示。,CPU输出时，经光耦隔离，接通或断开继电器的线圈，继电器的触头闭合或断开控制外电路的通断。,（3）通信接口和通信模块 当PLC需要与其它PLC或上位计算机进行通信时，必须具有通信接口。目前，一般使用RS232C或RS422等标准串行接口。 5.2.1.4 编程器 编程器是PLC的重要外部设备。主要任务就是编写用户程序、输入程序、调试程序和监控程序的执行过程。按照编程器的结构来化分，可以分为三种：,简易编程器 可直接与PLC上的专用插座或电缆与PLC相连。一般只能用助记符编程。 带有显示屏的编程器 即图形编程器。显示屏有液晶显示（LCD）和阴极射线管（CRT）。 计算机编程 采用通用的计算机，通过硬件接口和专用软件包，用户直接在计算机上连机或脱机方式编程，可以是梯形图编程也可以用助记符指令编程。,5.2.2 PLC的内部编程器件,继电器系统是通过硬件电路实现其控制功能，在电路设计中要用到各种继电器、接触器、时间继电器等一系列有特定功能的逻辑器器件。 而PLC则是通过程序实现外部控制功能。在PLC梯形图程序设计中也需要有各种逻辑器件和运算器件，称之为编程器件，以PLC程序所赋予的逻辑运算、算术运算、定时、计数等功能。这些器件有着与硬件继电器类似的功能，为便于区别我们称PLC编程器件为软器件。,从编程角度看，我们可以不管器件的物理实现，只注重它们的功能，统一称为“元件”或“器件”。给每种元件的功能一个名称，如输入继电器、输出继电器、定时器、计数器等。同类元件有多个时，每个给一个编号，以便区分。编程器件实质上是由PLC内部的电子电路和用户存储区中一个储单元构成的，存储单元地址与它们的编号相对应。 鉴于上述原因，在介绍PLC工作原理和进行PLC程序设计之前，必须对PLC内部供编程用的各类软器件有所了解。,（1）输入继电器X 输入继电器的作用是用于接收和存储外部开关量信号，它能提供无数对常开、常闭触头用于内部编程。每一个输入继电器线圈与PLC的一个输入端子相联。 输入继电器有两个特点：一是其状态只能由外部信号驱动改变，而无法用程序驱动。因此，在梯形图中只见输入继电器的触头而不会出现输入继电器线圈符号。其二是输入继电器触头只能用于内部编程，无法驱动外部负载。,（2）输出继电器Y 有两个作用，其一是提供无数对常开、常闭触头用于内部编程，其二是能提供一副常开触头驱动外部负载。每一个输出继电器的外部常开触头与一个PLC输出点相联。输出继电器状态只能由程序驱动，外部信号不能直接改变输出继电器的状态。 （3）内部继电器M 有很多内部继电器，相当于继电器系统中的中间继电器。用于状态暂存、移位、辅助运算及赋予特殊功能等。线圈是由程序驱动，也能提供无数对常开、常闭触头用于内部编程，但没有输出控制能力。,（4）锁存继电器L 用于PLC的输入、输出状态的锁存。 （5）特殊继电器M 用于PLC的工作状态和出错状态的显示等用途的专用继电器。它有两个特点；一是不能输出到外部；二是可以以位或字为单位进行处理。 （6）计时器T 其作用相当于时间继电器。所有计时器都是通电延时型，可用程序方式获得断电延时功能。定时器输出触头可供编程使用，使用次数不限。,（7）计数器C 是PLC实现逻辑运算和算术运算及其它各种特殊运算必不可少的重要软器件。当计数器当前值等于计数器设定值时，计数器计数到达位即接通。 （8）数据寄存器D PLC在进行输入输出处理、模拟量控制、数字控制时，需要有许多数据寄存器用以存储各种数据。每个数据寄存器都是16位，可用两个数据寄存器串联存放32位数据。,（9）特殊寄存器D 特殊寄存器D用于PLC内各种器件的运行监视。 （10）指示器P 指示器P有两种类型：一种是分支指令用指针，用来指定跳转指令或子程序调用指令等分支指令的跳转目标，指针在用户程序和PLC内用户存储器占有一定空间；二是中断用指针，用于执行标号后面的中断程序。,5.2.3 PLC的基本原理与工作方式 5.2.3.1 PLC的基本控制原理 继电器控制系统与PLC控制系统框图，都是由输入、逻辑和输出三个基本部分构成。如图5-5所示。,其中，输入、输出部分基本上相同。但由于PLC采用了计算机技术，且为了提高可靠性与抗干扰能力，加入了输入、输出变换器。 继电器控制系统的逻辑部分，是按控制对象实际需要，构成所谓“硬件逻辑系统”。程序固定在电路中，不能灵活变更。 早期PLC设计以取代继电器为目标，其基本控制原理和继电器系统类似。其逻辑部分根据编制的程序，用软件处理输入、输出及内部相关元件组成的逻辑。,现代PLC还具有数值运算，模拟量生产过程控制、联网通信等各种复杂功能。 PLC可以灵活地改变其控制程序，相当于改变了继电器控制系统的硬接线电路，这就是所谓的“可编程序”。程序由编程器送入处理器中的存储器，也可以方便地读出、检查与修改。 PLC是专门为工业控制需要而设计，因而对于使用者来说，编程时完全可以不考虑微处理器内部的复杂结构，也不必使用各种计算机使用的语言，而是把PLC内部看成由许多“软继电器”组成，给使用者提供一种按设计继电器控制电路方式的编程方法。,5.2.3.2 PLC的工作方式 PLC是一种工业控制的专用计算机。CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，所以按程序分时扫描工作是其基本特征。PLC内相应各种软器件是按程序号顺序在时间上串行工作的。 继电器逻辑系统各电器元件在时间上是并行工作的，因此两者的工作方式、工作特点是不相同的。 另一方面，PLC虽然采用了计算机技术，但由于其工作环境、技术指标、控制要求、应用领域等与微机有很大不同。,因此，PLC无论在硬件、软件设计与组成，控制系统的构成、工作方式、工作特点等方面与微机及微机控制系统也是不相同的。 例如：在计算机程序中常采用中断、查询工作方式。这种工作方式是先查看某一变量条件是否满足，有否中断请求，条件满足与否，并据此决定下一步的操作。对于一个高要求、多任务系统就要求计算机有很高的运行速度与很大的存储容量。,而在PLC控制中，要查看的已不再是某一个变量条件，而是多个变量条件，等待查询方式已不能满足控制要求，而且一般工业设备对控制系统的运行速度与存储容量要求相对也比较低，因而PLC控制采用与微机控制不同的工作方式。 PLC用周期循环扫描、集中输入与集中输出的工作方式。这种工作方式的显著特点是：可靠性高、抗干扰能力强，但响应滞后、速度慢。也就是说PLC以降低速度求得高可靠性。图5-6是PLC的工作框图，框图全面表示了PLC控制系统的工作过程。,当PLC处于停止（STOP）状态，只进行内部处理和通信服务等内容，一旦进入运行（RUN）状态，就采用周期循环扫描方式执行用户程序。在正常情况下，一个用户程序扫描周期由三个阶段组成，如图5-7所示。,集中采样方式运用于小型PLC，响应速度慢，但提高了系统的抗干扰能力，增强了可靠性。 而大中型PLC，采用定期输入采样、直接输入采样、中断输入采样及智能化I/O接口模块等多种采样方式，以求提高运行速度。,（1）输入（采样）处理阶段,扫描所有输入端子并将输入量（开关“1”“0”状态）顺序存入输入映像寄存器，此后关闭输入通道，转入程序执行阶段。,在程序执行过程中根据程序执行需要，将有关元件的状态、数据读出，按程序要求运行逻辑运算和算术运算并将每步运算结果写入相关元件映像寄存器（有关存储器或数据寄存器）。因此，内部元件寄存器随程序执行在不断刷新。,（2）程序执行阶段,PLC对用户程序（梯形图）按先左后右、从上至下步序，逐句执行程序指令。,（3）输出处理阶段,所有程序指令执行完毕，将内部元件寄存器中所有输出继电器状态（构成输出状态表）在输出处理阶段一次转存到输出锁存器中，经隔离、驱动功率放大电路送到输出端子，并通过PLC外部接线驱动实际负载。,程序扫描周期T是PLC运行的一个重要参数，小型PLC的扫描周期在十几毫秒到几十毫秒。扫描周期T是自诊断、输入采样、用户程序执行和输出刷新等几部分时间的总和，其中用户程序执行时间是影响T长短的主要因素，它决定于程序执行速度、程序长短和程序执行情况。必须指出程序执行情况不同，所需时间相差很大，因此要准确计算T是很困难的。 5.2.3.3 PLC的信息处理规则 输入映像寄存器的数据取决于各输入端子在输入刷新期间的接通或断开状态。, 程序如何执行取决于用户程序和输入映像寄存器（输入状态表），内部元件寄存器的内容。在程序执行中，输入映像寄存器内容不会改变，但元件寄存器和输出映像寄存器内容却随程序执行进程不断刷新。 输出映像寄存器（输出状态表）内容取决于所有输出指令的执行结果。 输出锁存器内容决定于上一次输出刷新期间输出映像寄存器的内容。 所有输出端子状态由输出锁存器决定。,5.2.3.4 PLC与微型计算机、继电器控制图的区别 （1）PLC与微型计算机区别 从应用范围来说，微型计算机是通用机，而PLC是一种为适应工业控制环境而设计的专用计算机。 从工业控制角度来看，PLC也是一种通用机, 选配对应的功能模块便可适用于各种工业控制系统，而只需改变用户程序。如果采用微型计算机作为控制器就必须根据实际使用情况在硬件和软件两方面进行二次开发设计以适应该控制需要。,PLC与微型计算机的主要差异及特点： PLC抗干扰性能较微型计算机高。 PLC编程比微型计算机简单。 PLC组成的控制系统设计调试周期短。 PLC的输入输出响应速度慢，有较大的滞后现象（一般为ms级），而微型计算机的响应速度快（为ns级）。 PLC易于操作，人员培训时间短，而微型计算机则比较难。, PLC便于维修，微型计算机则较困难。 随着PLC功能的不断增强，越来越多地采用了微机技术，同时微型计算机也为了适应用户需要；向提高可靠性、耐用性及便于维修的方向发展，两者间相互渗透，使PLC与微型计算机的差异越来越小，两者之间的界限也越来越模糊。 今后PLC与微型计算机将继续共存，在一个控制系统中，使PLC集中在功能控制上，使微型计算机集中在信息处理及管理上，两者相辅相成共同发展。,（2）梯形图与继电器控制图的区别 相同之处有： 结构形式基本相同。 梯形图大致沿用了继电器控制电路元件符号，仅个别处有些不同。 信号输入输出形式及控制的功能相同。 不同之处有： 组成器件不同。继电器控制电路是由许多真正的硬件继电器组成，而梯形图则由许多所谓“软继电器”组成，它的通、断状态实质是对应某存储单元的“1”或“0”状态。,硬件继电器易磨损，而“软继电器”则无磨损现象。 工作方式不同。继电器控制电路中，当电源接通时，电路中各继电器都处于受制约状态，即吸合的继电器都同时吸合，不应吸合的继电器都因受某种条件限制不能吸合；而在梯形图的控制电路中，图中各软继电器处于周期性循环扫描控制中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序中控制这些继电器的顺序。, 触头数量不同。硬继电器的触头数量有限，用于控制的继电器的触头数一般只有48对，而梯形图中的每只软继电器供编程使用的触头数有无限对，因为CMOS RAM电子电路功耗极小，在有限的用户程序容量内，其触发器状态（电平）取用次数可以不受限制。 继电器控制图的左右（或上下）母线是电源线，施加一定电压。 当支路接通时，流过电流，各支路元件都有电压。而梯形图左右母线是一种界限（有的梯形图不画右母线），并未施加电压。,支路接通时，并无电流流过。我们设想一种“假想电流”或称“能流”通过，假想电流流向只能从左到右单向流动。 制约关系不同。在继电器控制线路中，为了达到某种控制目的，要求安全可靠，节约触头使用量，因此设置了许多制约关系的连锁环节；在梯形图中，由于是扫描工作方式不存在几个并列支路同时动作的因素，因此设计过程大为简化。 梯形图修改方便，适应性强。继电器控制电路一旦构成，其功能单一，修改困难。,5.2.4 PLC的编程语言,（1）梯形图编程语言 梯形图编程语言（Ladder Diagram）是目前PLC应用最广、最受电气技术人员欢迎的一种编程语言。其原因是梯形图与传统继电器控制电路图相似；梯形图与继电器控制图设计思路也基本一致；梯形图很容易由电气控制电路转化而来。由于梯形固是PLC用户程序的一种图形表达形式，因此梯形图设计又称为PLC程序设计或编程。有关梯形图设计方法与规则在下一节中进一步论述。,（2）指令表编程语言 指令表编程语言（Instruction List）是一种类似汇编语言，但更简单的编程语言。它采用助记符指令（又称语句），并以程序执行顺序逐句