PLC的基本组成及工作原理.ppt

第6章PLC的基本组成及工作原理,6.1PLC的基本组成6.2PLC的基本工作原理6.3PLC的编程语言,6.1PLC的基本组成,1)CPU模块微处理器+存储器2)I/O模块输入：开关量、模拟量输出：执行器（接触器、电磁阀、调节器、调速）3)编程器编辑用户程序监视PLC状态4)电源为系统提供电源,6.1PLC的基本组成,中央处理单元,存储器,数据存储器,输出接口,地址总线控制总线,数据总线,编程单元,照明,电磁装置,执行机构,电源,地址总线控制总线,输入接口,模拟量输入,行程开关,继电器接点,各种开关,PLC结构示意图,6.1PLC的基本组成,1)中央处理单元CPUPLC的核心,与一般计算机一样，CPU是可编程控制器的核心，它按系统程序赋予的功能指挥可编程控制器有条不紊地进行工作，其主要任务有：（1）接收、存储由编程工具输入的用户程序和数据，并通过显示器显示出程序的内容和存储地址。（2）检查、校验用户程序。（3）接收、调用现场信息。（4）执行用户程序。（5）故障诊断。注意：PLC通常以字而不是以字节为单位存储和处理数据,描述PLC性能的几个术语,位：二进制的一位，仅有1、0,数字：4位二进制数构成一个数字,字节：2个数字或8位二进制数构成一个字节,字：两个字节构成一个字。,6.1PLC的基本组成,1)中央处理单元CPUPLC的核心,不同型号可编程控制器的CPU芯片是不同的，有的采用通用CPU芯片，如8031、8051、8086、80826等，也有采用厂家自行设计的专用CPU芯片（如西门子公司的S7-200系列可编程控制器均采用其自行研制的专用芯片），CPU芯片的性能关系到可编程控制器处理控制信号的能力与速度，CPU位数越高，系统处理的信息量越大，运算速度也越快。随着CPU芯片技术的不断发展，可编程控制器所用的CPU芯片也越来越高档。,6.1PLC的基本组成,2)存储器,PLC常用的存储器主要有PROM、EPROM、E2PROM、RAM等几种，多数都直接集成在CPU单元内部。,虽然大、中、小型PLC的CPU的最大可寻址存储空间各不相同但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区系统RAM存储区也称工作数据区(包括IO映象区和系统软设备等)用户程序存储区,6.1PLC的基本组成,2)存储器_系统程序存储区,系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。它包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能够直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的各项性能。,6.1PLC的基本组成,2)存储器_系统RAM存储区,也称工作数据存储器，指PLC在工作过程中经常变化、需要经常存取的数据，如：参数测量结果、运算结果、设定值等，这部分数据一般存放在RAM之中。在工作数据区中开辟有元件映像寄存器和数据表，包括I/O映象区以及各类系统软设备存储区软设备(例如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等)存储区。,6.1PLC的基本组成,2)存储器_系统RAM存储区,由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要有一定数量的存储单元(RAM)以供存放I/O的状态和数据，这些存储单元称作I0映象区。一个开关量I0占用存储单元中的一个位(bit)，一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字(16个bit)。开关量的IO映象区模拟量的I/O映象区,6.1PLC的基本组成,2)存储器_系统RAM存储区,该映象区中的存储单元用来存放开关量I/O。每个开关量I/O占用存储单元中的一个位(bit)。连接到PLC开关量输入端的每个开关量输入在IO映象区中都有一个确定的位与之相对应。在输入采样阶段或扫描该开关量输入的立即刷新指令时，如果该开关量输入端所连接的外设处于“断开”状态，则I/O映象区中相对应的位被置为“0”；如果该输入端所联接的外设处于“闭合”状态，则I/O映象区中相对应的位被置为“1”。,6.1PLC的基本组成,2)存储器_系统RAM存储区,PLC的每个开关量输出在IO映象区中都有一个确定的位与之相对应。在扫描用户程序时，根据该输出线圈的控制线路的逻辑运算结果确定I/O映象区中与之相对应的位的状态。如果其控制线路的逻辑运算结果将该位置为“0”，则用户程序中地址为该输出线圈的常开触点均“断开”，其常闭触点均“闭合”，在输出刷新阶段或扫描含该输出的立即刷新指令时，该输出端断开，与之相连接的外设不动作；如果其控制线路的逻辑运算结果将该位置为“1”，则用户程序中地址为该输出线圈的常开触点均“闭合”，其常闭触点均“断开”，在输出刷新阶段或扫描含该输出的立即刷新指令时，该输出端闭合，与之相连接的外设动作。,6.1PLC的基本组成,2)存储器_系统RAM存储区,模拟量I/O映象区中的存储单元用来存放模拟量IO。每个模拟量IO占用一个字(16bits)，而每个PLC规定了其允许的最大模拟量I/O点数，因此，模拟量I/O映象区中存储单元的总数就等于模拟量IO点数的和。例如：具有模拟量IO各8点的PLC，其模拟量I/O映象区由16个16位的存储单元组成。这就是说，连接到PLC模拟量I/O端的每个模拟量IO在I/O映象区中都有一个16位的存储单元与之相对应。每个存储单元内的数据反映了相对应的模拟量IO的大小。,6.1PLC的基本组成,2)存储器_系统RAM存储区,系统软设备存储区除了I/O映象区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备(逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器、变址寄存器和累加器等)的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域。前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，使这部分存储单元内的数据得以保留；后者当PLC停止运行时，将这部分存储单元内的数据全部清零。,6.1PLC的基本组成,3)输入/输出模块,输入/输出接口通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接通道。PLC输入接口-可以检测被控对象的各种数据，用这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据PLC输出接口-将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的,6.1PLC的基本组成,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。,3)输入/输出模块,继电器输出：低速大功率直流、交流负载（隔离、功率放大）晶体管集电极输出：高速小功率直流负载双向可控硅输出：高速大功率交流负载,6.1PLC的基本组成,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。,3)输入/输出模块,6.1PLC的基本组成,3)输入/输出模块PLC输出电路用来驱动被控负载（电磁铁、继电、接触器线圈等）。PLC输出电路结构形式分为继电器式，双极型和晶闸管式等三种。,6.1PLC的基本组成,3)输入/输出模块,晶体管输出,晶闸管输出,6.1PLC的基本组成,3)输入/输出模块,继电器输出,输出接口电路,PLC,+,交流电源或直流电源,开关量I/O模块的外部接线方式,汇点式各个I/O电路有一个公共点，共用一个电源。分组式I/O分成若干组，每组I/O共用一个电源，各组电源可以不同。分割式各个I/O点之间相互隔离，每个I/O可以使用独立电源。,6.1PLC的基本组成,模拟量输入/输出接口模拟量输入接口（A/D接口）分辨率（8位、10位、12位等）、量化误差、偏移误差、满刻度误差、线性度、精度等许多PLC还有与热电阻或热电偶配套使用的A/D接口模拟量输出接口（D/A接口）分辨率（8位、10位、12位等）、精度、线性度、稳定时间等,6.1PLC的基本组成,PLC配有各种通信接口与外部设备连接与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印与监视器连接，可将控制过程图像显示出来与PLC连接，组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制与计算机连接，组成多级分布式控制系统，控制与管理相结合与人机界面（触摸屏）连接与智能接口模块连接。智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口，PLC的智能接口模块种类很多，如：高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。与编程器连接,6.1PLC的基本组成,6.1PLC的基本组成,6.1PLC的基本组成,6.2PLC的工作原理,6.2PLC的工作原理,继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。,6.2PLC的工作原理,为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。,6.2PLC的工作原理,6.2PLC的工作原理,例：三相异步电动机单向运行电器控制系统,输入设备,输出设备,6.2PLC的工作原理,三相异步电动机单向运行PLC控制系统,6.2PLC的工作原理,控制方法上：硬：软工作方式上：并行工作方式：串行工作方式控制速度上：速度慢：快定时和计数控制上：精度低：高可靠性和可维护性上：可靠性低：高,6.2.1PLC的工作过程,顺序扫描、不断循环。CPU从第一条指令开始执行，遇到结束符又返回第一条，不断循环。分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，并进行周期性循环。,6.2.1PLC的工作过程,1)输入采样PLC在输入操作上采用定时采样的方式。即在一个扫描周期的固定时刻（一般在扫描周期的开始或结束）采样所有的输入点，采样結果存入RAM中一个区域（输入映像区）。这样在执行程序时，所需的现场信息全部从输入映像区中取用。,2)程序执行执行程序时，所需的现场信息全部从输入映像区中取用。同样控制信息输出也不是采取生成一个就输出一个的方法，而是先將它們存放在RAM中的一个区域（输出映像区）。,6.2.1PLC的工作过程,3)输出刷新PLC在输出操作上采用定时输出的方式。扫描周期结束时再將输出映像区中控制信息集中输出。通过建立I/O映像区，使PLC成为一个真正的数字采样控制系統。只要采样周期足够短，即采样頻率足够高，这样的采样系統应該完全符合实际系統的需要,6.2.1PLC的工作过程,两种工作状态运行（RUN）/停止（STOP）,内部处理：内部诊断、监控定时器复位；通信服务：与其它装置通信、响应编程器命令（输入、显示）。输入处理：外部端口状态读入输入映像寄存器。程序执行：完成用户程序的逻辑运算。输出处理：将输出映像寄存器状态送到输出端口（锁存器）,6.2.1PLC的工作过程,集中采样：在一个扫描周期中，对输入状态的采样只在输入处理阶段进行。当PLC进入程序处理阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入处理阶段才对输入状态进行重新采样。,集中输出：在用户程序中如果对输出结果多次赋值，则最后一次有效。在一个扫描周期内，只在输出处理阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出，对输出接口进行刷新。在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。,6.2.1PLC的工作过程,提高了抗干扰能力，增强了系统可靠性PLC工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。,6.2.1PLC的工作过程,降低了系统的响应速度,PLC输入输出响应滞后：当PLC输入端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。对一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。注意：这种响应滞后不仅是由于PLC扫描工作方式造成，更主要是PLC输入接口滤波环节带来的输入延迟和输出接口中驱动器件动作时间带来输出延迟，还与程序设计有关。,对于小型PLC:I/O点数较少、用户程序较短一般采用集中采样、集中输出的工作方式,而对于大中型PLC:I/O点数较多，控制功能强，用户程序较长，为提高系统响应速度，采用定期采样、定期输出方式或中断输入、输出方式以及采用智能I/O接口等多种方式,6.2.1PLC的工作过程,6.2.2输入/输出的滞后现象,输入电路滤波时间，它由RC滤波电路的时间常数决定。改变时间常数可调整输入延迟时间。,PLC循环扫描的工作方式,PLC对输入采样、输出刷新的集中处理方式,用户程序中语句的安排,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,6.2.2输入/输出的滞后现象,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/输出刷新时间,CPU读输入,6.2.2输入/输出的滞后现象,最长响应时间=输入延迟时间+两个扫描周期+输出延迟时间,CPU读输入,6.3PLC的编程语言,指令表（助记符）语言梯形图语言功能图语言顺序功能语言高级语言,6.3.1梯形图语言,控制电路图,X1,X0,COM,Y0,COM,KM,SB2,SB1,PLC外部接线图,Y0,X1,Y0,X0,梯形图,梯形图与继电器控制电路相似直观、易懂,I/O分配：X0：启动X1：停车Y0：KM,1)梯形图与继电器控制的区别,例1：直接启动停车控制,控制电路图,I/O分配：X0：启动X1：停车Y0：KM,6.3.1梯形图语言,1软继电器梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但他们不是物理继电器（即硬件继电器），而是软件中使用的编程元件，每个继电器和PLC存储器中元件映象寄存器的一个存储单元相对应，因此称为“软继电