PLC第2章 PLC的结构和工作原理.ppt

第2章PLC结构和工作原理 引言2 1结构2 2工作原理2 3软件和编程软元件 返回本章首页 引言 在讲PLC的基本结构之前先介绍一下传统继电接触控制系统和PLC控制系统的构成 传统的继电接触控制系统通常由输入设备 控制线路和输出设备三大部分组成 如图下页所示 输入设备通常由被控对象的各种开关 按钮 传感器等构成 继电器控制线路通常由中间继电器 时间继电器和将这些器件联接起来的导线等组成 复杂的继电器控制系统 一般由一个或几个控制柜构成 系统构成比较庞大 输出设备由被控对象执行元件组成 如电磁阀 接触器等 引言 输入设备 继电器控制线路 输出设备 被控对象 输出设备 PLC 输入设备 引言 PLC控制系统是从继电接触控制系统发展而来的 如上页图所示 因此 这两种控制系统有很多相同之处 其中输入设备和输出设备基本相同 通过图比较可以看出 用PLC的控制部分取代了继电器控制线路 传统的继电器控制线路的控制作用是通过许多导线与继电器硬连接实现的 而PLC控制系统的控制作用是通过软件编程实现的 后者可以通过软件编程改变其控制作用 前者就很难做到 引言 PLC是为了取代传统的继电器控制系统而设计的一种工业控制计算机 结构与常规计算机相似 但它是专门为工业环境而设计的标准控制器 硬件是以微处理器和输入输出接口电路构成 随着PLC的发展 功能不断完善 从开关量的输入 输出 模拟量的输入 输出 到完成复杂控制功能 通讯联网功能的各种控制单元 引言 编程语言采用梯形图 梯形图指令及高级语言编程 梯形图和继电器控制系统电路图相似 也可以说是在继电器控制系统电路图基础上发展起来的 所以非常容易被掌握 可以这样理解PLC的控制功能 由梯形图语言将输入接口电路 输出接口电路 通讯接口电路联系起来 梯形图语言将输入信号读入PLC 然后根据梯形图中的控制要求进行逻辑解算 将解算结果输出到输出接口电路 2 1结构 PLC专为工业场合设计 采用了典型的计算机结构 主要是由CPU 电源 存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成 图2 1为一典型PLC结构简图 图2 1结构简图 1 中央处理单元CPU CPU CenterProcessUnite 单元 又称中央处理单元 是PLC的核心 它除CPU芯片外 还包含外围芯片 总线接口及有关电路等 所以 称它为CPU单元 CPU芯片实际上就是微处理器或者是单片机 如东芝公司的EX40用的是8051单片机 欧姆龙公司的C200HPLC用的是MC68B09CP微处理器 有的CPU单元从可靠性和PLC速度考虑配置多个CPU芯片 大型PLC不少采用这种多CPU结构 由于微处理器和单片机是由大规模集成电路组成的 较复杂 没有必要对CPU内部详细分析 只要弄清它的功能与特性 正确使用就可以了 CPU单元的工作方式一般是通过硬件开关的设定和对内存单元的设置来决定的 通常内存单元都有一个内存区 可以设定PLC各种工作参数 如CQM1CPU的DM6600 DM6655 CPU单元的工作状态可通过相应的状态指示灯反映出来 如运行显示 故障显示 电源显示等 PLC机型不同 这些显示也不同 CPU的主要功能 读入现场状态 控制存储器和解读用户逻辑 执行各种算术运算 输入 输出运算结果 执行系统诊断程序 与外部设备或计算机通讯 CPU单元的性能 CPU单元性能主要反映在以下几个方面 1 从存储器中读取指令2 执行指令3 顺序取指令4 处理中断PLC的CPU一般工作在扫描方式 所以过去PLC的CPU单元没有中断功能 为了加强对应急信号的处理能力 新推出PLC的CPU单元都具有中断处理能力 2 存储器 在PLC系统中存储器主要用于存放系统程序 用户程序及工作数据 系统程序是由PLC的制造厂家研制的 它是PLC的一部分 在PLC使用过程中是不变的 因此 系统程序在机器出厂时由制造厂固化于PROM存储器中 用户不能访问 修改这一部分存储器内容 用户的应用程序是按PLC的应用对象而设计的 随着生产工艺的不同而变化 是由使用者根据应用对象的工艺要求编制的 一般存放在EPROM或E2PROM中 工作数据是PLC在应用过程中要经常变化 经常存取的数据 一般不需长期保持 因此 这部分数据的存储器都选用RAM 以适应随机存取的要求 在PLC系统的工作数据存储区中开辟有输入 输出数据的映像区 定时器 计数器的设定区和当前的数据存放区 3 输入输出单元 PLC的对外功能主要通过各类接口单元实现对工业设备或生产过程的检测与控制 通过各种输入输出接口电路 PLC即可检测到所需要的过程信息 又可以将处理后的结果传送给外部过程 驱动各种执行机构 实现工业生产过程的自动控制 实际生产中信号电平多种多样 外部执行机构所需的电平也是多种多样 而PLC的CPU只能处理标准电平 正是通过I O接口实现了这种信号电平的转换 为了适应各种各样的过程信号 相应的有许多种I O接口单元 例如 开关量输入单元 开关量输出单元 模拟量输入单元和模拟量输出单元 为了满足特殊的控制要求 有些PLC还配有特殊单元 如温度控制单元 PID控制单元 高速计数单元 运动控制单元 模糊控制单元 位置控制单元和网络通信单元等 输入输出单元 1 开关量输入单元开关量输入单元是将外部的开关量信号转换成PLC内部所需要的电平信号 输入信号一般分为直流信号和交流信号两种 对应的输入单元也分为直流输入单元 交流输入单元和交直流输入单元三种 从单元的电路构成可分为直流汇点输入 直流隔点输入 交流汇点输入和交流隔点输入 a 直流输入 输入单元电路原理如图2 2所示 图2 2直流输入电路原理图 输入单元分为汇点和隔点两种形式 汇点输入是将电路的公共端连接在一起 隔点输入是各输入电路的输入端是分开的 没有公共端子它们彼此独立互不影响 但都占输入单元端子 输入的点数有8点 16点 24点 32点 输入信号一般经过信号调理 滤波和光电隔离后再送入内部电路处理 内部电路根据PLC的指令 通过I O的地址总线选通使被选通的某点输入信号经过I O数据总线进入用户程序的数据存储区 供CPU做逻辑运算使用 信号电源一般由PLC单元提供 有些单元是由外部提供 直流输入信号的电压一般在12 24V 也有的单元要求24V标准电压 从图2 2 a 中可以看出 由于输入信号的光电隔离电路和LED发光二极管是双向的 所以对输入信号的正 负极无要求 对于汇点输入方式的单元将电源的正极或负极接到COM端 另一端接信号 图2 2 b 是端子接线图 b 交流输入 输入单元电路原理如图2 3所示 输入单元也分汇点和隔点两种形式 输入点数有8点 16点 24点和32点 交流信号通过电容C 电阻R1和双向光电隔离电路和双向发光二极管输入 因为光电隔离电路和LED显示器都是双向的 所以交流信号在半周期和负半期内都能通过光电耦合电路输入到PLC内部 交流输入的电源一般都是现场供给 为了防止输入信号过高 每路输入信号端并接取样电阻和隔离直流电平的电容 为了指示各路信号的输入状态 每路均接LED显示器 图2 3交流输入单元电路原理图 2 开关量输出单元开关量输出单元 用来将PLC的CPU单元输出的标准电平转换成外部过程所需要的电平信号 并以此来驱动外部过程的执行机构 指示灯和负载 输出单元也分汇点和隔点两种形式 开关量输出接口单元的种类很多 下面介绍常用的开关量输出接口单元的电路结构类型和基本原理图 a 继电器输出 继电器输出电路如图2 4所示 输出负载的电源 可以是直流 也可以是交流 视负载类型决定 电源一般由外部电路提供 继电器输出电路抗干扰能力强 负载能力大 工作电流可达2 5A 但信号响应时间长一些 8 10ms 图2 4继电器输出电路图 b 晶闸管输出 晶闸管输出电路如图2 5所示 晶闸管电路用于功率放大 RC吸收干扰与浪涌电流 VAR压敏电阻吸收过大的浪涌电流 从图4 12可以看出 晶闸管输出一定用交流负载 故电源也是交流电源 电流由外部电路提供 一般来说 晶闸管输出响应时间短 通点1 2ms断点8 10ms 负载能力强 图2 5双向晶闸管输出电路 c 晶体管输出 晶体管输出电路如图2 6所示 从图中可以看出 负载电源由外部提供 并且只能是直流的 晶体管输出响应时间短 0 5 1ms以上 但负载能力小 工作电流一般在0 3 0 5A之间 也有的可以达到1A 图2 6晶体管输出电路 3 模拟量的输入单元模拟量的输入单元在过程控制中的应用很广泛 如常用的温度 压力 速度 流量 位移等值都是连续变化的模拟量 经传感器的检测 变换 输出的是连续变化的电压或电流形式的模拟量 也就是说 模拟量的输入电平大多数是经传感器通过变换后得到的 模拟输入信号按IEC标准为4 20mA电流信号 或1 5V 10 10V 0 10V的直流电压信号 输入单元接收这种模拟信号后 把它转换成8位 10位或12位的二进制数字信号 最大值是255 1023 4095 送给CPU单元进行处理 因此模拟量输入单元又叫A D转换输入单元 4 模拟量输出接口单元在工业控制中 经常遇到需要模拟量控制的问题 如电液伺服阀 变频器等 必须把PLC输出的数字量转换成模拟量 才能够满足这类执行机构的动作要求 这种转换过程 称为数 模 D A 转换 模拟量输出单元的功能就是用来将PLC内部输出的数字量转换成外部生产过程所需的模拟信号 模拟量输出单元也各有不同类型 例如 有0 10V的电压输出 10 10V的电压输出 也有4 20mA的电流输出 同样 不管何种类型的输出单元 它们的内部电路结构完全一样 只是输出回路有所不同 与模拟量输入单元一样 模拟量输出单元中的数据也是用二进制码表示的 2 2工作原理 1 PLC的循环扫描工作过程PLC实质上也是计算机控制系统 但它具有比计算机更强的与工业过程相连接的接口 有更适合工业控制要求的编程要求的编程语言 与其它计算机系统一样 PLC的CPU是采用分时操作的原理 每一时刻执行一个操作 随着时间的延伸一个动作接一个动作顺序地进行 这种分时操作进程称为CPU对程序的扫描 PLC的用户程序由若干条指令组成 指令在存储器中按序号顺序排列 CPU从第一条指令开始 顺序逐条地执行用户程序 直到用户程序结束 然后 返回第一条指令开始新的一轮扫描 PLC就是这样周而复始地重复上述的扫描循环 如图2 7所示 工作原理 除了执行用户程序之外 在每次扫描过程中还要完成输入 输出处理等工作 扫描一次所用的时间称为扫描周期 扫描周期与用户程序的长短和扫描速度有关 典型值为1 100ms 在对I O响应要求不高的场合 PLC与继电器控制装置在I O的处理结果上没有什么差别 PLC采用对整个程序循环执行的工作方式 也称循环扫描 即执行用户程序不是执行一次就结束 而是一遍一遍不停的循环执行 如用户程序不长 执行一次程序的时间足够短 那末扫描一次程序所占的时间短到足以保证变量条件不变 即前一次扫描未捕捉到的某一变量的状态 保证在下一次扫描程序时该变量条件依然存在 这样 就可以解决程序顺序控制与被控对象控制条件之间存在不协调的矛盾 反复执行 执行一次所需的时间称为扫描周期 扫描周期的长短 首先与每条指令执行时间长短有关 其次与指令类型及包含指令条数的多少有关 前者取决PLC的CPU执行速度的快慢 与硬件配置有关 后者取决于被控系统的复杂程度及编程人员的水平 理论上扫描周期越短越好 在实际控制系统中很难做到 只要保证PLC的扫描周期能满足控制系统的要求就可以了 图2 8程序执行原理图 2 PLC的中断的输入处理 PLC中断具有以下特点 a PLC系统具有外部输入中断 间隔定时中断 高速计数中断功能 中断的概念与计算机系统基本一样 结合PLC的工作特点 中断的处理也有其特殊之处 b 中断的响应是在系统循环扫描周期的各个阶段 系统在工作过程中不仅对用户程序进行扫描 而且对输入 输出 通信单元进行循环扫描 所以对中断程序的响应不仅仅在扫描用户程序阶段 而且在循环扫描的各个阶段 在PLC系统中 不是在每条指令结束后都查询有无中断请求 而是在相关的程序块结束后才查询中断申请 如果有中断申请 则转入执行中断服务程序 如果用户程序是模块结构 则在每个模块结束或进行块调用时处理中断 中断过程如图2 9所示 图2 9PLC中断过程示意图 用户程序是循环扫描的 但是对中断程序来说 只有中断申请被接受后中断程序才被扫描一次 如果要多次执行中断程序 则必须进行多次中断申请 c 中断源排队的先后顺序 在PLC系统中 中断源的信息是通过输入点进入系统的 PLC的扫描输入点是按顺序进行的 中断源的先后顺序是按照它们占有输入点的编号的前后顺序自动排成的 所以 在进行中断源排序时 首先确定中断源的顺序 然后按系统扫描输入点的顺序相应连接 系统接到中断申请后 顺序扫描中断源 它有可能一次或多次提出申请 系统在扫描中断的过程中 在存储器的特定区建立 中断处理申请表 按顺序存放中断信息 中断源被扫描过后 中断处理表也建立完毕 系统按中断处理表的先后顺序转至相应的中断处理程序入口地址进行中断处理 d 中断程序的编制 在PLC系统中 中断程序的编制与计算机系统基本一致 允许中断 禁止中断 中断源于中断服务程序的对等关系都是一样的 但也有些不同之处 在PLC系统中 多中断源可以有优先顺序 值得注意的是 在有的PLC系统中 有一条中断返回指令RETI 它的含义是 在中断程序执行中 若条件成立 中断程序的执行被终止 并且PLC返回主程序 3 梯形图程序的扫描工作原理 当PLC运行时 用户程序中有众多的程序需要去执行 但CPU是不能同时执行多个操作的 它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作 由于CPU的运算处理速度很高 使得出现的结果从宏观看来似乎是同时完成的 这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描 扫描是一种形象化的术语 用作描述CPU是如何完成分配给它的各种任务的方式 当PLC处于运行状态时 它首先执行系统程序 进行自检等工作 然后开始执行用户程序 梯形图程序的运行总是从第一个梯级开始 按照梯级递增的方向逐个梯级扫描 也就是顺序逐条执行用户程序 直到程序结束 每扫描完一次程序就构成一个扫描周期 然后再从头开始扫描 并周而复始的重复 具体过程见图2 10 图2 10梯形图程序的扫描原理 在图2 10中 每条指令均已赋予地址值 这些地址分别对应于用户数据存储区不同的数据存储单元 若程序中有中断或跳转控制指令 则扫描在指令所在处中断或跳转 执行完其它操作后再次返回中断或跳转处继续扫描 顺序扫描的工作方式简单直观 它简化了程序的设计 并为PLC的可靠运行提供了非常有利的保证 一方面 所扫描到的指令被执行后 其结果马上就可以被将要扫描到的指令所利用 另一方面 还可以通过CPU设置的定时器来监视每次扫描是否超过规定时间 从而避免由于CPU内部故障使程序进入死循环而造成的故障影响 根据PLC的工作原理可知 PLC的循环扫描周期值是PLC控制程序性能指标的重要内容 因为扫描周期的长短直接影响到PLC对外部控制信息变化的反应能力 4 与计算机的异同 相同点 1 基本结构相同 2 程序执行原理相同不同点 两者的不同点主要体现在工作方式上 5 与继电接触器的异同 相同点 图形结构和逻辑关系相同 不同点 1 实现原理不同 2 工作方式不同 返回本节 6技术性能指标 1 外形尺寸2 输入输出点数3 机器字长4 速度5 指令系统6 存储器容量7 扩展性8 通信功能 2 3软件和编程软元件 2 3 1 软件软件是PLC不可缺少的部分 共有如下两个方面的内容 第一部分是监督程序 由可编程制造商提供 用于控制可编程控制器本身的运行 第二部分是用户程序 由用户编制 用于控制被控装置的运行 1 监控程序系统监控程序分成如下几个部分 运行管理 生成用户元件 内部自检查 管理程序 用户指令和解释程序 标准程序模块和系统调用 系统管理程序控制PLC的整体运行 运行管理 完成PLC运行时间上的分配管理 即控制PLC的输入 输出 运算 自检 通信的时机 进行存储空间的管理 即生成用户环境 由它规定各种参数 程序的存放地址 将用户使用的数据参数存储地址转化为实际的数据格式及物理地址 系统自检程序 完成PLC系统的出错检查 用户程序语法检查 句法检验 警戒时钟的运行等 用户指令解释程序 将梯形图程序逐条翻译成相应的机器语言 然后通过CPU完成程序功能 用户程序变为内码是由编辑程序实现的 标准程序模块和系统调用 由独立的程序块组成的 各自完成不同的功能 有些完成输入 输出 有些完成特殊运算 有些完成通信等 这部分程序的多少 就决定了可编程控制器性能的强弱 系统监控程序是一个有机的整体 不可分割 它的质量的好坏很大程度上影响PCL的性能 通过改进系统监控程序就可以在不增加任何硬设备的条件下大大改善PCL的性能 2 用户程序 1 梯形图2 语句表3 逻辑符号图4 高级语言 汇编语言 2 3 2编程软元件 数据类型 1 位 bit 是二进制的一位 仅1 0两个取值 分别对应软继电器的得电与失电 ON或OFF 状态 2 字数据 通常为BCD码的形式 FX A系列中以4位BCD码 双字节为8位BCD码 书写是如果是十进制就加前缀K 如K123 如果是十六进制就加前缀H 如H123 因为PLC是在继电接触控制系统基础上发展起来的 故对内部器件命名上使用了不少继电器的术语 将存储器按功能定义为不同类型的继电器 如输入输出继电器 内部辅助继电器 特殊功能继电器 保持继电器 定时器 计数器等 3 字与bit的混合 即同一元件有bit元件又有字元件 例如T 定时器 和C 计数器 它们的触点为bit 而设定值寄存器和当前寄存器又为字 作为继电器应有线圈和触点 触点分为常开触点和常闭触点 常开触点 若线圈不得电则它不闭合 OFF 线圈得电它闭合 ON 常闭触点 若线圈不得电则它闭合 ON 线圈得电它不闭合 OFF PLC的CPU内部既没有线圈 也没有触点 只有内存单元 但在性能上可以认为 线圈得电即对应单元为1 线圈不得电即对应单元为0 常开触点的状态 是指直接读对应单元的状态 常闭触点的状态 是指直接读对应单元的状态 然后取反 这样的继电器也称软继电器 显然 软继电器的触点的使用次数不受限制 元件 用户使用的每一个输入输出端子及内部的每一个存储单元都称为元件 各种元件有其不同的功能 有其固定的地址 元件的数量是由监控程序规定的 它的多少就决定了可编程控制器整个系统的规模及数据处理能力 每一种可编程控制器的元件数都是有限的 下面介绍FX2N系列PLC部分元件的功能 1 输入 X 输出继电器 Y 输入 输出继电器 是与输入 输出点对应的存储单元 它的数量决定PLC配置的最多I O点数 输入继电器与输入点对应 当PLC扫描到输入刷新阶段时 输入端子的状态映像到输入继电器中 输入继电器以位或以通道 16位 为单位读入 传送 输入继电器只读 不能用程序改写 也不能由程序驱动 输出继电器与输出点对应 当PLC扫描到输出刷新阶段时 输出继电器的状态被映像到输出电路的锁存器中 锁存器再经电路输出到端子上 变成端子的输出 输出继电器可以被读或写 写输出继电器 在输出端子上获得要求的输出 读输出继电器用于反馈控制 对用户程序 输出继电器是可读写的存储器单元 FX2系列PLC输入 输出继电器标号用8进制 其他所有软元件元件号均按十进制编号 例如 X00 X07 X10 X17 X20 X27 Y00 Y07 Y10 Y17 Y20 Y27 2 辅助继电器 M 内部辅助继电器与输入 输出端子无对应物理关系 它只占内存单元的1位 它与输出继电器一样 可以用相应的指令读写 它的功能与继电接触控制中的中间继电器相同 用它可以完成输入与输出间复杂的变换 辅助继电器的触点可以无限次使用 但这些触点不能直接驱动外部负载 外部负载的驱动只能由输出继电器实行 内部辅助继电器的的多少也是反应PLC性能的一个重要指标 分为通用辅助继电器 停电保持辅助继电器 停电保持专用辅助继电器 A 通用辅助继电器M0 M499 500点 可用参数设置方法改为停电保持用 B 停电保持辅助继电器M500 M1023 524点 可用参数设置方法改为非停电保持用 可以保存停电时的状态 并在再运行进再现该状态 由后备电池支持 C 停电保持专用辅助继电器M1024 M3071 2048点 停电保持特性不能更改 特殊继电器M8000 M8255 256点 特殊功能继电器 也称专用继电器 也是一种内部辅助继电器 只是有特殊用途 它包括标志位和控制位 逻辑运算的结果位 用来监视PLC操作 时钟脉冲存取位 错误显示位 报警位 i 用户只能利用其触点的 线圈由PLC系统驱动M8000运行 RUN 监控 PLC运行时接通时 M8002初始脉冲 仅在程序开始瞬间接通 M8012100MS时钟脉冲 ii 可驱动线圈型特殊辅助继电器 读 写 用户驱动线圈后 PLC做特定的动作 M8030 8034 8039 见P20 未定义的特殊辅助继电器不可在用户程序中使用 3 状态元件 S 状态元件是步进顺序控制程序重要的元件 应该与步进顺控指令STL组合使用 有四种类型 初始状态S0 S9 10点 回零S10 S19 10点 通用S20 S499 480点 保持S500 S899 400点 各状态元件的常开和常闭触点在PLC内部可以自由使用 使用次数不限 不用步进顺控指令时 状态元件 S 可作为辅助继电器 M 在程序中使用 状态元件应用示例 4 报警器由状态元件构成S900 S999 用作外部故障诊断输出 例如 编写下图所示的外部故障诊断电路 监视特殊数据寄存器D8049的内容 显示出S900 S999中的动作状态的最小编号 当各种故障发生后 相应的状态元件就为ON 当发生多个故障时 排除最小编号的故障即可知道下一个故障的编号 报警器示例 5 指针 P I 分支指令 CJ CALL 用指针 用P0 P127作为标号 共128点 中断用指针I0 I8 15点 分为输入中断 定时器中断 高速计数器中断A I 0 输入中断 6点 输入中断号 0 5 对应输入 X000 X005 每个输入只能用一次 0下降沿中断 1上升沿中断 B I 定时器中断 3点 定时器中断号 6 8 例如 I610即为每隔10ms就执行标号I610后面的中断程序 并根据IRET指令返回 定时时间10ms 99msC I0 0高速计数器中断 6点 高速计数器中断号 1 6 功能示例 注意 1 中断指针必须编在FEND指令后面作为标号 2 中断点数不能多于15点 3 中断嵌套级数不多于2级 4 中断指针中百位数上的数字不能重复使用 例如 用了I100就不能用I101 用了I610就不能用I620 5 用于中断的输入端子 就再也不能用于SPD 速度检测 指令或其他高速处理 6 定时器定时器用于定时控制 功能相当于继电接触控制中的时间继电器 它有一个设定值寄存器 字 一个当前值寄存器 字 以及无数个触点 bit 其设定值可以是常数 也可以是地址 通道号 用对应地址的内容作为设定值 多数PLC的定时器是减法计数式 当定时器输入为ON时 定时器从当前设定值往下减 当减到零时 定时器输出的常开节点由OFF变为ON 常闭节点由ON变为OFF 特别注意 积算型和非积算型定时器的区别 定时器的动作及元件号定时