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PLC基本组成和工作原理,第四章, PLC的基本组成 PLC的工作原理,PLC的基本组成,1.中央处理单元（CPU） 1)控制用户从编程器输入的用户程序和数据的接收与存储； 2)检查编程过程中的语法错误，诊断电源及PLC内部的工作故障； 3)用扫描方式工作，接收来自现场输入信号，并输入到输入映象寄存器和数据存储器中。 4)在进入运行方式后，从存储器中逐条读取并执行用户程序完成用户程序所规定的逻辑运算，算术运算机数据处理等操作 5) 根据运算结果，更新有关标志位的状态，刷新输出映象寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制，打印制表或数据通信等功能,1.中央处理单元（CPU）,（1）通用处理器：8086、80286、80386 （2）单片机芯片：MCS-51、MCS-96 （3）位片式微处理器：AMD-2900，2901，2903 小型PLC多采用8位微处理器或单片机作为CPU 中型PLC多采用16位微处理器或单片机作为CPU 大型PLC多采用高速位片式微处理器,2. 存储器,存储系统：存放系统程序的系统程序存储器和存放用户程序的用户程序存储器 系统程序存储器：用来存储可编程控制器内部的各种信息 一般系统程序由PLC厂家编写的系统监控程序，不能由用户直接存取。系统程序主要由有关系统管理，解释指令，标准程序及系统调用等程序组成。系统程序存储器一般用PROM或EPROM构成 用户程序存储器：主要用来存放用户程序，该存储器的容量不大，主要存储可编程控制器内部的输入输出信息，以及内部继电器，移位寄存器，累加寄存器，数据寄存器，定时器和计数器的动作状态。,用户程序区分成：程序存储区、数据存储区、系统区 程序存储区：用来存储由用户编写的，通过编程器输入的程序。 数据存储区：用来存储通过输入端子读取的输入信号状态，输出端子输出信号状态，PLC中的各个内部器件的状态，以及特殊功能要求的有关数据。 系统区：用来存放CPU的组态数据。,3. 输入、输出接口：,输入接口作用：将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。,输入单元类型： 直流输入单元 交流输入单元 交直流输入单元,输入信号： 1.控制信号：开机，关机，转换，调整，急停（控制台） 2.检测信号：传感器，继电器的触点，限位开关，行程开关等 这些信号有的是开关（或数字）量，有的是模拟量，有的是直流信号，有的是交流信号。要根据输入信号的类型选择合适的输入接口。,采用光电隔离，实现了PLC的内部电路与外部电路的电气隔离，减小了电磁干扰。,（1）输入接口电路：采用光电耦合器，防止强电干扰。,COM,光电三极管,发光二极管,直流电源,输入端子,PLC,发光二极管,输出接口作用：将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。,输出三种形式： 继电器 - 低速大功率 可控硅 - 高速大功率 晶体管 - 高速小功率,输出信号： 1.控制信号：如指示灯的亮或灭，电动机的启动，停止或正反转，设备的转动，平移，升降，阀门的开闭等。 因为PLC的直接输出带负载的能力有限，所以PLC输出接口所带的负载，通常是接触器的线圈，电磁阀的线圈，信号指示灯，可控硅，晶体管,继电器输出,（2）输出接口电路：,以继电器形式为例：,PLC,+,交流电源或直流电源,把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。 有的电源单元还向外提供24v隔离直流电源，可供开关量输入单元连接的现场无源开关等使用。 可编程序控制器的电源一般采用开关式电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。,4.电源单元,4.电源单元,PLC的外部工作电源一般为单相85260V 50/60HZ AC电源，也有采用2426V DC电源的。PLC对其外部工作电源的稳定度要求不高，一般可允许15左右 对于PLC输出端子上接的负载所需负载工作电源，必须由用户提供。 PLC的内部电源系统一般有三类： 第一类是供PLC中的TTL芯片和集成运算放大器使用的基本电源（5V和 15VDC电源） 第二类电源是提供输出接口使用的高压大电流功率电源 第三类电源是锂电池及其充电电源 考虑到系统的可靠性及光电隔离器的使用，不同类电源有不同的地线,5. 各种接口、高功能模块：便于扩展 小型机：一体机，有接口可扩展。,编程设备可以是专用的手持式的编程器；也可以是安装了专门的编程通讯软件的个人计算机。,6. 编程设备,用户可以通过键盘输入和调试程序；另外在运行时，还可以对整个控制过程进行监控。,PLC对继电器系统的仿真,1. 模拟继电器控制系统的编程方法,对于控制电路又可分成三个组成部分:输入部分、逻辑部分、输出部分。 输入部分：电路中全部输入信号构成,这些输入信号来自被控对象上的各种开关信息,如控制按钮、操作开关、限位开关、光敏管信号等； 输出部分：由电路中全部输出元件构成,例如,接触器线圈、电磁阀线圈等执行电器及信号灯； 逻辑部分：由各种主令电器、继电器、接触器等电器的触点和导线组成,各电器触点之间以固定的方式接线,其控制逻辑就编制在硬接线中,这种固化的程序不能灵活变更。,（1）电气控制电路图中，根据流过电流的大小可分为主电路和控制电路。,PLC对继电器系统的仿真,（2）使用PLC控制系统：用PLC替代继电器控制系统电气控制电路图中的控制电路那部分,而主电路部分基本保持不变。,PLC基本组成也大致可分为三部分:输入部分、逻辑部分、输出部分,这与继电器控制系统很相似。 输入部分、输出部分：与继电器控制系统所用的电器大致相同,所不同的是PLC中输入、输出部分多了输入、输出单元,增加了光耦合、电平转换、功率放大等功能。 逻辑部分：是由微处理器、存储器组成,由计算机软件替代继电器控制电路,实现“软接线“,可以灵活编程。,PLC对继电器系统的仿真,把PLC内部看作有许多“软继电器”：如输入继电器“、“输出继电器“、“中间继电器“、“时间继电器“等。这样,我们就可以模拟继电器控制系统的编程方法,仍然按照设计继电器控制电路的形式来编制程序,这就是梯形图编程方法。 使用梯形图编程时,完全可以不考虑微处理器内部的复杂结构,也不必使用计算机语言。因此,梯形图是与继电器控制电路图相呼应的,使用起来极为方便。,2. 梯形图仿真继电器电路,PLC对继电器系统的仿真,母线:梯形图左、右的垂直线称为左、右母线(SimaticS7系列PLC的右母线通常省略不画出)。画梯形图时,从左母线开始,经过触点和线圈(或功能方框),终止于在母线。在梯形图中,可以把左母线看作是提供能量的母线。触点闭合可以使能量流过,直到下一个元件:触点断开将阻止能量流过。这种能量流,我们称之为“能流“。实际上,梯形图是CPU仿真继电器控制电路图,使来自“电源“的“电流“通过一系列的逻辑控制条件,根据运算结果决定逻辑输出的模拟过程。,PLC对继电器系统的仿真,梯形图是PLC模拟继电器控制系统的编程方法,它由触点、线圈或功能方框等构成,PLC对继电器系统的仿真,触点：代表逻辑控制条件。触点闭合时表示能量可以流过。触点分常开触点（一|一）和常闭触点(一|/|一)两种形式。 线圈:通常代表逻辑“输出“的结果。能量流到,则该线圈被激励。 方框:代表某种特定功能的指令。能量流通过方框时,则执行方框所代表的功能。方框所代表的功能有多种,例如:定时器、计数器、数据运算等。 梯形图中,每个输出元素(线圈或方框)可以构成一个梯级。每个梯形图网络由一个或多个梯级组成。,PLC对继电器系统的仿真,梯形图与继电器控制电路图差异: (1)梯形图内各种元件也沿用了继电器的叫法,我们称之为“软继电器”。梯形图中的“软继电器”不是物理继电器（每个“软继电器”各为存储器中的一位,相应位为“1”态,表示该继电器线圈“通电”,故称之为“软继电器”） (2)梯形图中流过的“电流“不是物理电流。而是“能流“,它只能从左到右、自上而下流动。“能流“不允许倒流。“能流“到,线圈则接通。“能流“是用户程序解算中满足输出执行条件的形象表示方式。“能流“流向的规定顺应了PLC的扫描是自左向右、自上而下顺序地进行,而继电器控制系统中的电流是不受方向限制的,导线连接到哪里,电流就可流到那里。,(3)梯形图中的常开、常闭触点不是现场物理开关的触点。它们对应输入、输出映像寄存器或数据寄存器中的相应位的状态,而不是现场物理开关的触点状态。PLC认为常开触点是取位状态操作:常闭触点应理解为位取反操作。因此在梯形图中同一元件的一对常开、常闭触点的切换没有时间的延迟,常开常闭触点只是互为相反状态。而继电器控制系统大多数的电器是属于先断后合型的电器。 (4)梯形图中的输出线圈不是物理线圈，不能用它直接驱动现场执行机构。输出线圈的状态对应输出映像寄存器相应位的状态而不是现场电磁开关的实际状态。 (5编制程序时，PLC内部继电器的接点原则上可无限次反复使用，因为存储单元中的位状态可取用任意次：继电器控制系统中的继电器触点数是有限的。但是可编程序控制器内部的线圈通常只引用一次，所以，应慎重对待重复使用同一地址编号的线圈。,PLC对继电器系统的仿真,第三节 PLC的工作原理,输入点总有输入映象区的某一位 与之相对应,I/O映象区的大小与系统控制的规模有关,PLC工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映象区对应的位上；将运算的结果存放到输出映象区对应的位上。 PLC在执行用户程序时所需“输入继电器”、“输出继电器”的数据取用于I/O映象区，而不直接与外部设备发生关系,一、建立I/O映像区,二、循环扫描的工作方式,（一）PLC的工作过程,循环扫描的工作方式,（二）用户程序的循环扫描过程,(一) 输入、输出延迟响应 由于PLC采用循环扫描的工作方式，即对信息采用串行处理方式，必定导致输入、输出延迟响应。当PLC的输入端有一个输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间，这段时间就称为响应时间或滞后时间（通常滞后几十毫秒），这种现象称为输入、输出延迟响应或滞后现象。 (二)响应时间 响应时间是设计PLC控制系统时应了解的一个重要参数。响应时间与以下因素有关：,三、输入、输出延迟响应, PLC循环扫描的工作方式，要想减少程序扫描时间，必须优化程序结构，在可能的情况下，应采用跳转指令, 用户程序中语句的安排, PLC对输入采样、输出刷新的集中处理方式,影响响应时间的因素：, 输入电路滤波时间，它由RC滤波电路的时间常数决定。改变时间常数可高速输入延迟时间。, 输出电路的滞后时间，它与输出电路的输出方式有关。继电器输出方式的滞后时间为10ms左右；双向晶闸管输出方式，在接通负载时滞后时间约为1ms，切断负载时滞后时间小于10ms；晶体管输出方式的滞后时间小于1ms.,输入输出延迟时间最短响应时间,CPU读输入,输入/输出刷新时间,最短响应时间=输入延迟时间+一个扫描周期+输出延迟时间,输入输出延迟时间最长响应时间,CPU读输入,输入/输出刷新时间,最长响应时间=输入延迟时间+两个扫描时间+输出延迟时间,PLC与继电器控制系统对信息处理方式是不同的: 继电器控制系统是“并行“处理方式,只要电流形成通路,可能有几个电器同时动作: PLC是以扫描的方式处理信息,它是顺序地、连续地、循环地逐条执行程序,在任何时刻它只能执行一条指令,即以“串行”处理方式进行工作。因而在考虑PLC的输入、输出之间的关系时,应充分注意它的周期扫描工作方式。,（三）PLC对输入、输出的处理规则,在用户程序执行阶段PLC对输入、输出的处理必须遵守以下规则: (1)输入映像寄存器的内容,由上一个扫描周期输入端子的状态决定。 (2)输出映像寄存器的状态,由程序执行期间输出指令的执行结果决定。 (3)输出锁存器的状态,由上一次输出刷新期间输出映像寄存器的状态决定。 (4)输出端子板上各输出端的状态,由输出锁存器来确定。 (