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第3章可编程控制器基础 了解可编程控制器产生的背景 特点 性能指标以及今后的发展方向掌握可编程控制器的硬件组成形式熟悉可编程控制器的软件及工作过程 学习目标 教学内容 3 1可编程控制器概述3 2可编程控制器的组成3 3可编程控制器的工作原理3 4可编程控制器的硬件基础3 5可编程控制器的软件基础3 6可编程控制器的性能指标及分类 第3章可编程控制器基础 3 1可编程控制器概述 可编程控制器的英文名称是ProgrammableController 早期简称PC 后来为了与个人计算机 PC 区分 在行业中多称之为ProgrammableLogicController 即可编程逻辑控制器 简称PLC 而这种称呼又与可编程控制器的起源和它本身的特点有关 返回 3 1 1可编程控制器的产生与发展 美国数字设备公司 DEC 根据美国通用汽车公司提出的10项指标 于1969年研制出第一台控制器 型号为PDP 14 它的开创性意义在于引入了程序控制功能 为计算机技术在工业控制领域的应用开辟了空间 至上世纪70年代 PLC技术已经进入成熟期 推动PLC技术发展的动力主要来自于两个方面 其一是企业对高性能 高可靠性自动控制系统的客观需要和追求 其次 大规模及超大规模集成电路技术的飞速发展 微处理器性能的不断提高 为PLC技术的发展奠定了基础并开拓了空间 返回 3 1 1可编程控制器的产生与发展 PLC对高性能的追求主要体现在 增强网络通信功能 发展智能模块 高可靠性 编程软件标准化 编程软件和语言向高层次发展 3 1 2可编程控制器的特点 可编程控制器的产生是基于工业控制的需要 是面向工业 电气 控制领域的专用设备 取代传统继电 接触器系统的硬件线路 它有以下特点 CPU为可靠性高 抗干扰能力强 灵活性强 控制系统具有良好的柔性 编程简单 使用方便 控制系统易于实现 开发工作量少 周期短 维修方便 体积小 能耗低 功能强 性能价格比高 3 2可编程控制器的组成 PLC的基本组成部件如图3 1所示 返回 3 2 1中央处理单元 CPU 中央处理单元是PLC的核心部件 负责完成逻辑运算 数字运算以及协调系统内各部分的工作 它在系统程序的管理下运行 主要功能有 接受并存储由编程器键入的用户程序和数据 诊断电源故障以及用户程序的语法错误 读取输入状态和数据并存储到相应的存储区 读取用户程序指令 解释执行用户程序 完成逻辑运算 数字运算 数据传递等任务 刷新输出映像区 将输出映像内容送至输出单元 返回 3 2 2存储器单元 PLC的存储器单元分成两个部分 系统程序存储器 用于存放PLC生产厂家编写的系统程序 系统程序在出厂时已经被固化在PROM或EPROM中 用户程序存储器 可分为程序存储区和数据存储区 程序存储器用于存放用户编写的控制程序 数据存储区存放的是程序执行过程中所需要的或者所产生的中间数据 3 2 3电源单元 电源单元将外界提供的电源转换成PLC的工作电源后 提供给PLC 有些电源单元也可以作为负载电源 通过PLC的I O接口向负载提供直流24V电源 电源单元还提供掉电保护电路和后备电池电源 以维持部分RAM存储器的内容在外界电源断电后不会丢失 在面板上通常有发光二极管 LCD 指示电源的工作状态 便于判断电源工作是否正常 3 2 4输入输出单元 PLC的输入 输出单元也叫I O单元 对于模块式的PLC来说 I O单元以模块形式出现 所以又称为I O模块 I O单元是PLC与工业现场的接口 现场信号与PLC之间的联系通过I O单元实现 工业现场的输入和输出信号包括数字量和模拟量两类 因此I O单元也有数字I O和模拟I O两种 前者又称为DI DO 后者又称为AI AO PLC的输入 输出单元还应包括一些功能模块 所谓功能模块就是一些智能化了的输入和输出模块 3 2 5接口单元 对外部设备 接口单元包括扩展接口 通信接口 编程器接口和存储器接口及其它外部设备接口等 PLC的I O单元也属于接口单元的范畴 它完成PLC与工业现场之间电信号的往来联系 除此之外 PLC与其它外界设备和信号的联系都需要相应的接口单元 3 2 5接口单元 对外部设备 接口单元通常有以下5种 I O扩展接口 用于扩展输入输出点数 通信接口 通常集成有RS232或RS422口 用于与PLC 上位机 远程I O 监视器 编程器等外部设备相连组网 编程器接口 PLC本体通常是不带编程器的 编程器接口是连接编程器的 存储器接口 存储器接口是为了扩展存储区而设置的 其它外部设备接口 包括条码读入器的接口 打印机接口等等 3 2 6外部设备 PLC的外部设备种类很多 可以概括为以下四类 编程设备 除了用于编程 还可对系统作一些设定 以确定PLC的工作方式 监控设备 将现场数据动态实时显示出来 以便操作人员随时掌握系统运行的情况 存储设备 用于保存用户数据 避免程序丢失 输入输出设备 用于接受信号和输出信号的专用设备 例如条码读入器 打印机等 返回 3 3可编程控制器的工作原理 可编程控制器是基于电子计算机的工业控制器 从PLC产生的背景来看 PLC系统与继电器控制系统有着极深的渊源 因此可以比照着继电器系统来学习PLC的工作原理 返回 3 3 1可编程控制器的等效电路 PLC的等效电路如下图所示 3 3 2可编程控制器的工作过程 PLC的工作过程以循环扫描的方式进行 当PLC处于运行状态时 它的运行周期可以划分为3个基本阶段 输入采样阶段 PLC逐个扫描每个输入端口 将所有输入设备当前状态保存到相应的输入专用存储区 输入映像 寄存 区 用户 程序执行阶段 在系统程序的指示下 CPU从用户程序存储区逐条读取用户指令 经解释后执行相应动作 产生相应结果 刷新相应的输出映像寄存器 期间需要用到输入映像寄存器 输出映像寄存器的相应状态 输出刷新阶段 系统程序将输出映像寄存器中的内容传送到输出锁存器中 经过输出接口 输出端子输出 驱动外部负载 上述三步骤为一个周期结束后 再进行下一循环 返回 3 3 2可编程控制器的工作过程 PLC工作过程的特点小结如下 PLC采用集中采样 集中输出的工作方式 这种方式减少了外界干扰的影响 PLC的工作过程是循环扫描的过程 循环扫描时间的长短取决于指令执行速度 用户程序的长度等因素 输出对输入的响应有滞后现象 PLC采用集中采样 集中输出的工作方式 当采样阶段结束后 输入状态的变化将要等到下一个采样周期才能被接收 因此这个滞后时间的长短又主要取决于循环周期的长短 此外 影响滞后时间的因素还有输入电路滤波时间 输出电路的滞后时间等 3 4可编程控制器的硬件基础 I O单元是组成PLC系统的重要环节 本节以介绍I O单元的硬件电路为主 在此基础上简单介绍PLC系统的硬件配置 应当说明的是 不同PLC在硬件的具体实现方案上总是有区别的 本节的任务是讨论一般性的原理 而非某一具体型号的结构特征 本书后续章节将针对不同型号的PLC 分别介绍其特点 返回 3 4 1可编程控制器的I O模块 PLC的输入输出部分 可以分为数字I O DI DO 和模拟I O AI AO 两大类 数字量I O DI DO 数字量输入单元 数字量输出单元 模拟量I O AI AO 模拟量输入单元 模拟量输出单元 3 4 1可编程控制器的I O模块 数字量输入单元 直流 图3 4漏型数字量输入电路示意图 电阻R2和电容C构成RC滤波电路 光耦将现场信号与PLC内部电路隔离 3 4 1可编程控制器的I O模块 数字量输入单元 交流 图3 5带整流桥的交流输入电路示意图 也可使用双向光电耦合器和双向发光二极管 去了桥式整流电路 3 4 1可编程控制器的I O模块 数字量输出单元 继电器式 图3 6继电器输出电路示意图 3 4 1可编程控制器的I O模块 模拟量输入单元 模拟量输入信号可以是电压或电流 在选型时要考虑输入信号的范围以及系统要求的A D转换精度 图3 78通道模拟输入单元原理框图 3 4 1可编程控制器的I O模块 模拟量输出单元 模拟量输出的过程与输入正相反 它将PLC运算处理过的二进制数字转换成相应的电量 例如4 20mA 0 10V等 图3 8模拟量输出单元原理框图 3 4 2可编程控制器的配置 PLC的品种繁多 其结构型式 性能 容量 指令系统 编程方法 价格等各有自已的特点 适用场合也各有侧重 站在硬件选型的角度 首先需要考虑的是设备容量与性能是否与任务相适应 其次要看PLC运行速度是否能够满足实时控制的要求 所谓设备容量 主要是指系统I O点数的多少以及扩充的能力 对于纯开关量控制的应用系统 如果对控制速度的要求不高 比如单台机械的自动控制 可选用小型一体化PLC 如S7 200系列 对于比较复杂 控制功能要求较高的系统 如需要PID调节 应当选用中 大型PLC S7 300 400系列 返回 3 5可编程控制器的软件基础 PLC是一种通用的 商业化的工业控制计算机 与个人计算机相仿 用户程序必须在系统程序的管理下才能运行 本节首先介绍PLC系统监控程序的运行情况 然后再介绍用户指令系统的相关内容 返回 3 5 1系统监控程序 系统监控程序执行过程分为以下几部分 图3 9 初始化程序 CPU自诊断 通信信息处理 输入刷新 用户程序执行 输出刷新 外部设备服务 第一大类 公共操作 第二大类 现场输入 输出 第三大类 用户程序操作 第四大类 服务外部设备 3 5 1系统监控程序 初始化程序 作用是清零各个标志寄存器 清零输入 输出映像寄存器 清零各计数器 复位定时器等 为PLC开始正常工作 清理现场 CPU自诊断 自诊断主要包括检查电源电压是否正常 I O单元的连接是否正常 用户程序是否存在语法错误 对监控定时器定期复位等 通信信息处理 这个阶段PLC要完成与网络及总线上其它设备的通信任务 包括与PLC 计算机 智能I O模块 数字处理器 DPU 等设备之间的信息交换 外部设备服务 PLC在这个阶段与外部设备交换信息 包括编程器 图形监视器 监控设备 打印机等 继电 接触器控制系统 计算机 PLC三者监控程序系统的工作方式对比 继电 接触器控制系统 硬逻辑并行运行方式 计算机 等待输入响应处理的工作方式 系统 软逻辑循环扫描方式 3 5 2用户应用程序 用户程序是由用户编写的 能够完成系统控制任务的指令序列 不同厂家的PLC会提供不同的指令集 但基本的编程元件和编程形式有许多共同之处 返回 1 PLC的编程元件 1 继电器输入 输出映像寄存器里的每一位 在指令系统中都对应一个固定的编号 在图形编程语言 例如梯形图语言 中形象的用继电器线圈来表示 因此也常称之为输入继电器 输出继电器 同时为了满足对复杂逻辑关系的编程要求 还提供大量的中间辅助继电器 它们也对应存储器中的某一固定区域 这些继电器都是所谓的 软元件 它们的状态用一个二进制位就可以表示 1对应ON状态 0对应OFF状态 在用户程序中可以无限次使用它们的常开 常闭触点 3 5 2用户应用程序 2 定时器类似于继电器逻辑电路中的时间继电器 有延时接通 延时断开 脉冲定时等多种形式 可以组成复杂的时间顺序逻辑 定时器指令一般由线圈 定时时间设定值和当前计时值组成 PLC专门在存储器中开辟出一个区域 用以保存各个定时器线圈当前的状态 ON或OFF 以及时间的设定值和当前值 定时器的常开 常闭触点可以在用户程序中无限次使用 3 计数器用于脉冲计数功能 有递减计数 递增计数等形式 计数器指令一般由线圈 计数设定 计数复位 计数输入 当前计数值等组成 3 5 2用户应用程序 4 触发器该指令用于对状态位的置1和清零 状态位即为触发器线圈 它的ON状态一旦触发可以自保持 直至复位条件满足才变为OFF状态 触发器的常开 常闭触点同样可以无限次使用 5 其它元件及指令除上述4种逻辑元件之外 PLC指令系统一般还提供移位寄存器 数据寄存器 边沿检测 比较 运算 ASCII码 格林码处理以及数制转换等等多种指令 3 5 2用户应用程序 2 PLC的编程语言 1 梯形图语言 LAD 这是一种使用最广泛的语言 与继电器电路图非常相似 具有直观易懂的优点 很容易被工厂里熟悉电气控制的工程技术人员掌握 继电器逻辑电路 梯形图语言程序 3 5 2用户应用程序 2 语句表语言 STL 语句表语言类似于微机中汇编语言的助记符语言 由多条语句组成一个程序段 适合于经验丰富的程序员使用 可以实现某些用梯形图难以实现的功能 例如 0LDX4006ORY433ORY4327ANIX403ANIX4018ANIY432ANIY4339OUTY433OUTY432 5LDX402 3 6可编程控制器的性能指标及分类 本章前几节对PLC的工作原理和编程形式做了简单介绍 除此之外 如果对PLC设备的基本性能指标以及它们的类型情况有所了解的话 则对具体的系统设计和选型非常有帮助 返回 返回 3 6 1可编程控制器的性能指标 各厂家的PLC产品虽然各有特色 但是总体来讲均可用以下几项指标来衡量对比其性能 I O点数 存储器容量 扫描速度 内部寄存器 指