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模块三PLC应用基础 任务一认识PLC的硬件组成与软件任务二认识PLC工作原理任务三认识PLC与传统电气控制的区别 任务一认识PLC的硬件组成与软件 提出任务项目1PLC的硬件组成包括哪些部分 各部分有何特点 其作用是什么 项目2PLC数字量的输出接口电路有几种类型 如果要驱动交流负载 应选择哪种输出类型 新知识储备一 PLC的产生从20世纪20年代起 人们已经将继电器控制系统应用于工业生产自动化领域中 并由此开始 在很长时间内占据着主导地位 但继电器控制系统具有明显的缺点 如体积大 动作速度慢 可靠性低 接线复杂 难以胜任复杂控制任务等 一种新型的装置 一项先进的应用技术 总是根据工业生产的实际需要产生的 20世纪60年代末 下一页 返回 任务一认识PLC的硬件组成与软件 期 美国的汽车制造业竞争激烈 为抛弃传统继电器控制系统的束缚 适应市场竞争的要求 1968年美国通用汽车公司公开招标 提出要用新的控制装置取代生产线上的继电器控制系统 其相应的技术指标如下 1 编程简单 可在现场修改程序 2 维护方便 最好是插件式 3 可靠性高于继电器控制柜 4 体积小于继电器控制柜 5 可将数据直接送入管理计算机 6 价格便宜 在成本上可与继电器控制柜竞争 7 输入可以是交流115V 8 在扩展时 原有系统只需作很小变更 上一页 下一页 返回 任务一认识PLC的硬件组成与软件 9 输出交流115V以上 2A以上 能直接驱动电磁阀 10 用户程序存储器容量至少能扩展到4KB 以上就是著名的10条技术指标 这些要求的实质就是利用计算机的完善 灵活和通用等功能与继电器控制系统的简单易懂 使用方便 价格低廉等优点相结合 能够使用面向问题的 自然语句 进行编程 面向控制过程 并使得不熟悉计算机的人也能方便地使用 于是 PLC应运而生 1969年 美国数字设备公司 DEC 率先研制出第一台PLC 并在GM公司生产线上首次得到应用 为GM公司取得了显著的经济效益 人们称之为可编程序逻辑控制器 ProgrammableLogicController PLC 二 PLC定义和发展1 PLC的定义国际电工委员会IEC对PLC的定义做了多次修改后 于1987年2月 上一页 下一页 返回 任务一认识PLC的硬件组成与软件 颁布了第三稿 终稿对PLC做出的明确定义是 PLC是一种数字运算操作的电子系统 专为在工业环境下应用而设计 它采用可编程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术运算等操作命令 并通过数字式 模拟式的输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 PLC及其有关的设备 都应按易于与工业控制系统联成一个整体 易于扩充功能的原则而设计 2 PLC的发展史第一台PLC生产不久 MODICON公司也推出了084控制器 随后 1971年日本推出了DSC 80控制器 1973年 西欧国家的各种PLC也纷纷研制成功 这些PLC的功能虽然不够强大 但它们开启了工业自动化应用技术新时代的大门 随着计算机技术和微电子技术的发展 PLC技术业迅速发展起来 由最初的1位机发展到8位机 形成了现代意义上的PLC 进入20世纪80年代 随着大规模和 上一页 下一页 返回 任务一认识PLC的硬件组成与软件 超大规模集成电路的迅猛发展 以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到了惊人的发展 使PLC不仅在设计 性价比与应用等方面有了新的突破 而且控制功能强 可靠性高 使用灵活方便 具有远程I O和通信网络 数据处理及人机界面等功能 PLC技术已经成为当今自动化技术领域的三大支柱之一 PLC从产生到现在 其发展经历的几个过程可概括如下 第一代 1969 1972年 其功能是逻辑运算 定时 计数 中小规模集成电路CPU 磁芯存储器 应用范围 取代继电器控制 第二代 1973 1975年 其功能在第一代的基础上 增加了算术运算 数据处理功能 初步形成系列 可靠性进一步提高 应用范围 能同时完成逻辑控制 模拟量控制 第三代 1976 1983年 其功能在第二代的基础上 增加了复杂数值运算和数据处理 远程I O和通信功能 采用大规模集成电路CPU 加强自诊断 容错技术 应用范围 适应大型复杂控制系统 上一页 下一页 返回 任务一认识PLC的硬件组成与软件 控制的需要 并用于联网 通信 监控等场合 第四代 1983至今 其功能在第三代的基础上 具有高速大容量功能 采用32位CPU 编程语言多样化 通信能力进一步完善 智能化功能模块齐全 应用范围 构成分级网络控制系统 实现图像动态过程控制 模拟网络资源共享 目前 世界上有200多个厂家生产300多个品种的PLC 比较著名的厂家包括 美国的AB 被ROCKWELL收购 GE MODICON 被SCHNEIDER收购 日本的OMRON MITSUBISHI FUJI 松下电工 德国的SIEMENS 法国的SCHNEIDER公司等 国内的生产厂家 如浙大中控等生产的PLC产品也在市场占有一席之地 PLC总的发展趋势是向高集成度 小体积 大容量 高速度 高性能 信息化 标准化及与现场总线技术紧密结合等方向发展 上一页 下一页 返回 任务一认识PLC的硬件组成与软件 三 PLC的功能及特点1 可靠性高 抗干扰能力强 1 采用循环扫描 集中采样 集中输出 2 硬件设计采用模块式结构 采取屏蔽 滤波 隔离 联锁等抗干扰技术 增加输出联锁 环境检测与故障诊断电路 3 软件设计中设置实时监控 自诊断 信息保护 恢复等程序与硬件电路配合实现各种故障诊断 处理 报警显示及保护功能 2 编程简单 使用方便PLC设计的最初目的 就是为取代继电器控制逻辑 所以在PLC诞生之时 其设计者充分考虑到工程技术人员的技能与习惯 其编程语言采用了和传统控制系统中电气原理图类似的梯形图程序 具有直观 清晰 修改方便 易掌握的特点 上一页 下一页 返回 任务一认识PLC的硬件组成与软件 3 控制功能强 通用型好现代的PLC几乎能满足所有工业控制领域的需要 PLC的控制系统可大可小 并且都具备很强的信息处理能力 输出控制能力 为实现某些特殊控制功能 PLC制造商开发出了许多智能化的I O模块 这些模块本身带有CPU 减少了对PLC扫描速度的影响 提高了控制性能和功能 典型的智能化模块有高速计数器模块 定位控制模块 温度控制模块 闭环控制模块 以太网通信模块和各种现场总线协议通信模块等 能轻松完成单机控制 批量控制及组成通信网络 进行数据处理和管理等任务 可实现现场 远距离 简单系统 复杂系统等的控制 4 开发周期短 成功率高用PLC完成一项控制工程时 由于其硬件和软件齐全 为模块化积木式结构 只要正确 合理选用各种模块组成系统 且具体的编程工作也可在PLC到货前进行 而且这些用户程序大都可以在实验室模拟调 上一页 下一页 返回 任务一认识PLC的硬件组成与软件 试好 再到工业现场进行联机统调 设计和施工是可以同时进行的 从而缩短了施工周期 提高了成功率 5 维护简单 方便现代的PLC都具有相应的系统软件和自诊断功能 不仅能对PLC控制程序进行检测 修改 还能对PLC的工作过程进行监控 能随时检查出自身的故障 并显示给操作人员 如I O通道的状态 RAM后备电池的状态 数据通信的异常 PLC内部电路异常等信息 正是通过PLC这种完善的诊断和显示能力 当PLC主机和外部的输入装置及执行机构发生故障时 使操作人员能迅速检查 判断故障原因 确定故障位置 以便采取迅速有效的措施 如果是PLC本身的故障 在维修时只需要更换插入式模板或其他易损件即可完成 既方便又缩短了维护周期 上一页 下一页 返回 任务一认识PLC的硬件组成与软件 四 PLC的分类1 按结构形式分类根据PLC结构形式不同 可分为整体式和模块式 1 整体式PLC 单元式 箱体式 小型 微型PLC一般采用整体式结构 其特点是将电源 CPU 存储器 I O安装在一个标准机壳内 组成一个PLC的基本单元 主机 基本单元上设有I O扩展单元接口 通信接口等 可以和扩展单元模块相连接 小型机系统还提供许多特殊功能模块 如I O模块 热电偶模块 定位模块 通信模块等 通过不同的配置 可完成不同的控制任务 整体式特点 结构紧凑 体积小 价格低 容易装配在工业控制设备的内部 适于生产机械的单机控制 上一页 下一页 返回 任务一认识PLC的硬件组成与软件 2 模块式PLC 积木式 中 大型PLC 中 大型PLC多采用模块式结构 模块式结构的PLC 各个部分功能做成独立模块 电源模块 CPU模块 I O模块 各种功能模块等 使用时将这些模块插在导轨基架上即可 特点 配置灵活 装配维护方便 易于扩展 2 按I O点数和存储器容量分类PLC按照I O点数的多少 可将PLC分为3类 即小型机 中型机和大型机 1 小型机 I O点数小于128点 存储器2KB步 小型机一般以开关量的逻辑控制为主 其I O点数在128点以下 这类机主要应用于逻辑控制 定时 计数 顺序控制 也具有一定的通信能力和模拟量处理功能 其特点是价格低廉 体积小 适用于单机设备 上一页 下一页 返回 任务一认识PLC的硬件组成与软件 2 中型机 I O点数在128 2048点 存储器2 8KB步 中型机具有逻辑运算 算术运算 数据传送 中断 数据通信 模拟量处理等功能 它不仅具有较强的开关量控制能力 而且通信能力和模拟量处理功能也更强大 指令群更丰富 适用于复杂的逻辑控制及连续生产线的过程控制 3 大型机 I O点数在大于2048点 存储器 8KB步 大型PLC的程序存储器和数据存储器容量可达10MB 其性能已经与工业控制计算机相当 它具有数据运算 模拟调节 联网通信 监视记录 打印等功能 还有强大的网络结构和通信联网能力 它的监视系统能够表示过程的动态流程 记录各种曲线 PID调节参数等 它还可以构成多功能控制系统 可以与其他型号的控制器相连 和上位机相连 组成集散控制系统 大型机适用于大规模控制 自动化网络控制 过程监控等系统 上一页 下一页 返回 任务一认识PLC的硬件组成与软件 五 PLC的应用1 用于开关量逻辑控制这是PLC最基本的应用领域 可用PLC取代传统的继电器控制系统 实现逻辑控制和顺序控制 如用于机床电气控制 起重机控制 带运输机控制 包装机械的控制 注塑机的控制 自动洗车机的控制 电梯控制 自动装配生产线的控制等 2 用于闭环过程控制目前 大多数PLC都具有模拟量处理功能 通过模拟量I O模块可以对温度 压力 速度 流量等连续变化的模拟量进行控制 而且编程和使用都很方便 中 大型的PLC还具有PID指令 PID模块 可实现闭环控制功能 甚至组成复杂的闭环控制系统 如锅炉温度控制 连轧机速度和位置控制 自动焊机控制 冷冻 反应堆 水处理 酿酒等闭环位置控制和速度控制 上一页 下一页 返回 任务一认识PLC的硬件组成与软件 3 运动控制在机械加工行业 PLC与计算机数控 CNC 集成在一起 用于完成机床的运动控制 最典型的如数控机床 很多PLC生产厂家已提供了控制步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块 目前PLC的运动控制功能广泛地应用在金属切削机床 电梯 机器人等各种机械设备上 4 步进控制PLC为用户提供了一些指令 如步进指令 寄存器移位指令等 用这些指令可方便地完成步进控制功能 5 数据处理现代的PLC具有不同程度的数据处理功能 PLC生产厂家提供了很多有关数据处理方面的指令 如算术运算类指令 逻辑运算类指令以及数据传送 移位 转换 查表 填表指令等 可方便地完成数据的 上一页 下一页 返回 任务一认识PLC的硬件组成与软件 采集 分析和处理等操作 数据处理通常用在中 大型控制系统中 如柔性制造系统 机器人控制系统等 六 PLC系统的硬件组成PLC是一种为工业控制而设计的专用计算机 PLC系统的硬件组成包括主机 基本单元 I O扩展模块 外部设备 端口等设备 其中 主机单元由微处理器 CPU 存储器 ROM RAM I O接口和电源组成 如图3 1所示 1 中央处理单元中央处理单元 CPU 一般由运算器 控制器和寄存器组成 这些电路都集成在一个芯片内 CPU通过数据总线 地址总线和控制总线与存储单元 输入 输出接口电路相连接 CPU是PLC的运算与控制中心 它主要完成的任务包括以下几个方面 1 检查编程中的语法错误 诊断电源 内部电路故障 上一页 下一页 返回 任务一认识PLC的硬件组成与软件 2 用扫描方式接收输入设备的状态和数据 存入输入映像寄存器或数据寄存器中 3 运行时 从存储器中逐条读取并执行用户程序 完成用户程序中规定的逻辑运算 算术运算和数据处理等操作 4 根据运算结果更新标志位数据寄存器 刷新输出映像寄存器内容 由输出寄存器的位状态或寄存器的有关内容实现输出控制 5 响应外部设备的工作请求 如打印机 上位机 条形码判读器和图形监控系统等的请求 2 存储器PLC存储器系统中包含两种存储器 即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 1 系统程序存储器 PROM或EPROM 系统程序存储器一般采用PROM或EPROM构成系统程序存储器 上一页 下一页 返回 任务一认识PLC的硬件组成与软件 这两种存储器都是只读型的 具有掉电保持功能 系统程序存储器主要用来存放PLC的系统程序 系统程序是PLC生产厂家固化在ROM中的 用户不能更改 系统程序一般是由PLC生产厂家编写的系统监控程序 它主要由系统管理 指令解释 标准程序及系统调用等程序组成 系统管理程序 负责系统的运行管理 存储空间管理 系统自诊断管理等 用户程序编辑和指令解释程序 将编程语言转为机器码 为CPU运行操作 标志子程序与调用管理程序 为提高运行速度专用的子程序 2 用户程序存储器 RAM RAM称为随机存取存储器 它的特点是 掉电失忆 即电源关断后 存储的信息将会丢失 为了保证RAM中的信息不丢失 一般可 上一页 下一页 返回 任务一认识PLC的硬件组成与软件 用锂电池作为后备电源 使RAM中的用户程序和数据保存下来 锂电池可用2 5年 需要更换锂电池时 由PLC发出信号通知用户 现在大部分的PLC已经不用锂电池 而改用大电容来完成临时的掉电保护功能 对重要的用户程序和数据 则存储到E2PROM中 RAM中仅用来存储一些不太重要的数据 用户程序存储器又分成两个区 用户程序存储区和数据存储区 用户程序存储区 一般用于存放用户程序 数据存储区 用于存放CPU采样的数据和程序执行时的中间结果及内部编程元件的状态 3 输入 输出接口PLC的输入 输出信号类型可以是开关量 也可以是模拟量 输入 输出接口 I O单元 是PLC和工业控制现场各类信号连接的部分 输入信号通过输入接口电路进入PLC 输出信号则通过输出接口电路 上一页 下一页 返回 任务一认识PLC的硬件组成与软件 控制外部设备 接口电路的功能还包括电平变换 速度匹配 驱动功率放大 信号隔离等 输入 输出单元是PLC的重要组成部分 一般对接口电路的两个主要要求是 接口有良好的抗干扰能力 接口能满足工业现场各类信号的匹配要求 PLC生产厂家根据不同的接口需求设计了不同的接口单元 主要有以下几种 1 数字量输入 输出接口 数字量输入接口 数字量输入接口的任务是把现场的数字量信号变成PLC内部处理的标准信号 输入接口电路通常有两类 一类为直流输入型 如图3 2所示 一类为交流输入型 如图3 3所示 输入接口中都有滤波电路及光耦合电路 滤波有抗干扰的作用 光耦合电路的关键器件是有发光二极管和光电三极管组成的光耦合器 具有抗干扰及产生标准信号的作用 数字量输出接口 数字量输出接口的任务是把PLC内部的标准信号转换成现场执行机构所需的数字量信号 输出接口电路通常有3种 上一页 下一页 返回 任务一认识PLC的硬件组成与软件 类型 继电器输出型 图3 4 晶体管输出型 图3 5 晶闸管输出型 图3 6 每一种输出电路都采用了电气隔离技术 电源都是由外部提供 输出电流一般为0 5 2A 这样的负载容量一般可以直接驱动一个常用的接触器线圈或电磁阀 对于输出接口电路应当注意以下几点 各类输出接口中也都具有隔离耦合电路 输出接口本身都不带电源 而且在考虑外驱动电源时 还需考虑输出器件的类型 继电器型的输出接口可用于交流及直流两种电源 但接通与断开的频率低 晶体管型的输出接口有较高的接通 断开频率 但只适用于直流驱动的场合 晶闸管型的输出接口仅适用于交流驱动场合 上一页 下一页 返回 任务一认识PLC的硬件组成与软件 2 模拟量输入 输出接口 模拟量输入接口 模拟量输入接口的任务是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合PLC内部处理的由若干位二进制数字表示的信号 模拟量输出接口 模拟量输出接口的任务是将PLC运算处理后的若干位数字量信号转换为相应的模拟量信号输出 模拟量输出接口一般由光电隔离 D A转换和信号驱动等环节组成 4 电源单元PLC的电源分成两大类 外部工作电源和内部电源 PLC的外部工作电源一般使用220V的交流电源或24V直流电源 PLC内部的开关电源为PLC的中央处理器 存储器等电路提供5V 12 24V等直流电 上一页 下一页 返回 任务一认识PLC的硬件组成与软件 5 外部设备及接口PLC的外部设备主要包括编程器 盒式磁带机 打印机 EPROM写入器等 因为编程器的功能简陋和操作不便 现在大多数的PLC生产厂家已经不再提供编程器 取而代之的是能在PC上运行的基于Windows的编程软件 使用编程软件不仅可以编辑和下载用户程序 还可实现实时监控 功能非常强大 为了便于PLC功能扩展 系统还设置了I O扩展单元接口 通过数据线可与I O扩展单元模块相连接 除此之外 为了实现 人 机 或 机 机 之间的对话 大部分PLC都配有通信接口 通过通信接口可与显示设定单元 触摸屏 打印机相连 提供方便的人机交换途径 也可与其他PLC 计算机及现场网络总线相连 组成多机系统或工业网络系统 上一页 下一页 返回 任务一认识PLC的硬件组成与软件 七 PLC的软件PLC是微型计算机技术在工业控制领域的重要应用 而计算机是离不开软件的 PLC的软件也可分为系统软件和应用软件 1 系统软件所谓系统软件就是PLC的系统监控程序 也称之为PLC的操作系统 它是每台PLC必备的部分 是PLC的制造厂家编制的 用于控制PLC本身的运行 一般说来 系统软件对用户是不透明的 系统监控程序通常可分为3部分 即系统管理程序 用户指令解释程序及标准模块和系统调用 1 系统管理程序 系统管理程序是监控中最重要的部分 它主要完成以下任务 负责系统的运行管理 即控制PLC何时输入 何时输出 何时运算 何时自检 何时通信等 进行时间上的分配管理 上一页 下一页 返回 任务一认识PLC的硬件组成与软件 负责存储空间的管理 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存放地址 它将有限的资源变为用户可直接使用的很方便的编程元件 负责系统自检 包括系统出错检验 用户程序语法检验 句法检验 警戒时钟运行等 有了系统管理程序 整个PLC就能在其管理控制下 有条不紊地进行各种工作 2 用户指令解释程序 任何一台计算机 无论应用何种语言编程 CPU最终只能执行机器语言 而机器语言无疑是一种枯燥 麻烦和令人生畏的编程语言 为此 在PLC中都采用简单 易懂的梯形图语言编程 再通过用户指令解释程序 将梯形图语言一条条地翻译成机器语言 虽然 因为PLC 上一页 下一页 返回 任务一认识PLC的硬件组成与软件 在执行指令的过程中需要对程序逐条予以解释 降低了程序的执行速度 但由于PLC所控制的对象多数是机电设备 这些滞后的时间 一般是ms或ms级的 完全可以忽略不计 尤其是当前PLC主频越来越高时 时间上的延迟将越来越少 3 标准程序模块和系统调用 这部分是由许多独立的程序块组成的 各自能完成不同的功能 如输入 输出 运算或特殊运算等 PLC的各种具体工作都是由这部分程序完成的 这部分程序的多少 决定了PLC性能的强弱 2 应用软件PLC的应用软件是指用户根据自己的控制要求编写的用户程序 由于PLC的应用场合是工业现场 它的主要用户是电气技术人员 所以其编程语言 与通用计算机相比 具有明显的特点 它既不同于高级语言 又不同于汇编语言 它要满足易于编写和易于调试的要求 还要 上一页 下一页 返回 任务一认识PLC的硬件组成与软件 考虑现场电气技术人员的接受水平和应用习惯 因此 PLC常用梯形图语言 另外 为满足各种不同形式的编程需要 根据不同的编程器和支持软件 还可以采用语句表 逻辑功能图 顺序功能图 流程图及高级语言进行编程 上一页 返回 任务二认识PLC工作原理 提出任务项目PLC的工作方式有何特点 它的整个工作过程分为哪几个阶段 每个阶段完成哪些任务 新知识储备PLC是一种专用的工业控制计算机 因此 其工作原理是建立在计算机控制系统工作原理基础上的 但为了可靠地应用在工业环境下 便于现场电气技术人员的使用和维护 它有着大量的接口器件 特定的监控软件和专用的编程器件 所以 不但其外观不像计算机 其操作使用方法 编程语言及工作过程与计算机控制系统也是有区别的 一 PLC控制系统的等效工作电路PLC控制系统等效工作电路可分为3个部分 即输入部分 逻辑部分和输出部分 输入部分和输出部分与继电器控制电路相同 逻辑部分 下一页 返回 任务二认识PLC工作原理 是通过编程方法实现的控制逻辑 用软件编程代替继电器电路的功能 如图3 7所示 1 输入部分输入部分由外部输入电路 PLC输入接线端子和输入继电器组成 外部输入信号经PLC输入接线端子驱动输入继电器线圈 每个输入端子与其相同编号的输入继电器有着唯一确定的对应关系 当外部输入元件处于接通状态时 对应的输入继电器线圈 得电 注意 这个输入继电器是PLC内部的 软继电器 即PLC内部存储单元中的某个位 为使输入继电器的线圈 得电 即让外部输入元件的接通状态写入与其对应的基本单元中去 输入回路要有电源 输入回路所使用的电源 可以是PLC内部提供的24V直流电源 其负载能力有限 也可由PLC外部的独立交流或直流电源供电 需要注意的是 输入继电器的线圈只能由来自现场的输入元件 如按 上一页 下一页 返回 任务二认识PLC工作原理 钮 传感器 行程开关的触点以及各种检测和保护器件的触点或动作信号等 驱动 而不能用编程的方式去控制 所以 在梯形图程序中 只能使用输入继电器的触点 不能使用输入继电器的线圈 2 逻辑部分所谓内部控制逻辑 是指由用户程序规定的逻辑关系 对输入 输出信号的状态进行监测 判断 运算和处理 然后得到相应的输出 一般用户常使用梯形图语言编程 3 输出部分输出部分是由PLC内部且与内部相隔离的输出继电器的外部动合触点 输出接线端子 外部驱动电路组成 用来驱动外部负载 PLC的内部控制电路中有许多输出继电器 每个输出继电器除了为内部控制电路提供编程用的任意多个动合 动断触点外 还为外部输出电路提供了一个实际的动合触点与输出接线端子相连 驱动外部负载 上一页 下一页 返回 任务二认识PLC工作原理 电路的电源必须由外部电源提供 电源种类及规格可根据负载要求去配备 二 PLC的工作过程PLC的工作过程与微型计算机有很大的差别 小型PLC的工作过程有两个显著特点 一个是周期性扫描 另一个是集中批处理 PLC在运行过程中总是处于不断循环的顺序扫描过程中 每次扫描所用时间称为扫描周期或工作周期 CPU从第一条指令开始 按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循环扫描工作的 每个扫描周期长短不一 取决于程序的长短 复杂程度 扫描速度 每一个扫描周期不同的执行情况等 小型PLC的工作过程大致可以分为4个扫描阶段 公共处理扫描阶段 上一页 下一页 返回 任务二认识PLC工作原理 输入采样扫描阶段 执行用户程序扫描阶段 输出刷新扫描阶段 PLC一上电 即对系统进行一次初始化 包括硬件初始化 I O模块配置检查 停电保持范围设定 系统通信参数配置及其他初始化处理等 上电处理结束即进入扫描阶段 1 公共处理扫描阶段公共处理包括PLC自检 执行来自外设的命令 对警戒时钟 即看门狗定时器 清零 2 输入采样扫描阶段这是第一个集中批处理阶段 在这个阶段 PLC按顺序逐个采集所有输入端子上的信号 无论端子上是否接线 CPU顺序读取全部输入端 将所有采集到的一批信号写到输入映像寄存器中 此时输入映像寄存器被刷新 输入采样阶段结束后 在当前扫描周期内 输入映像寄存器中的内容不变 所以 一般来说 输入信号的宽度要大于一个 上一页 下一页 返回 任务二认识PLC工作原理 扫描周期 或者说输入信号的频率不能太高 否则很可能造成信号的丢失 3 执行用户程序扫描阶段本阶段PLC对用户程序按从左到右 自上而下的顺序进行扫描 逐个采集所有输入端子上的信号 每扫描到一条指令 所需要的信息从输入映像寄存器或元件映像寄存器中去读取 每一次运算结果 都立即写入元件映像寄存器中 以备后边扫描时所利用 对输出继电器的扫描结果 不是马上去驱动外部负载 而是将结果写入元件映像寄存器中的输出映像寄存器中 待输出刷新阶段集中进行批处理 4 输出刷新扫描阶段CPU对全部用户程序扫描结束后 将元件映像寄存器中的各输出继电器状态同时送到输出锁存器中 再由输出锁存器经输出端子去驱动各输出继电器所带的负载 在下一个输出刷新阶段开始之前 输出锁存器的状态不会改变 上一页 下一页 返回 任务二认识PLC工作原理 输出刷新阶段结束后 CPU将自动进入下一个扫描周期 三 PLC对输入 输出的处理规则由PLC的工作特点可知 PLC对输入 输出的处理规则如下 1 输入映像寄存器中的数据 是在输入采样扫描阶段扫描到的输入信号的状态 本扫描周期内 这些数据不随外部信号的变化而变化 2 输出映像寄存器 包含在元件映像寄存器中 的数据取决于输出指令的执行结果 3 输出锁存器的数据 由上一次输出刷新期间从输出映像寄存器中集中写进去的 4 输出端子的接通和断开状态 由输出锁存器中的数据决定 5 执行程序中所需要的数据是从输入映像寄存器和输出映像寄存器及其他各元件映像寄存器中读取的 PLC对输入 输出的处理规则如图3 8所示 上一页 下一页 返回 任务二认识PLC工作原理 四 PLC的编程语言编程语言是PLC的重要组成部分 PLC为用户提供的编程语言包括以下几种 1 梯形图梯形图 LadderDiagram 是最常用的一种简单明了 易于理解的编程语言 它是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的 它继承了继电器控制系统中的基本工作原理和电气逻辑关系的表示方法 梯形图与继电器控制系统控制电路的基本思想是一致的 只是使用符号和表达方式有一定区别 图3 9所示为梯形图程序 在梯形图程序中的一个关键概念是 能流 可以把左侧逻辑母线假想成电源线 例如 对于图3 9中网络1 在分析时常说 若编号为I0 0的常开触点闭合 则编号为Q0 0的线圈得电 也可以说是有 能流 从左至右流向线圈 线圈被激励 值得注意的是 能流的方向只能是自左向右 自上而下的 上一页 下一页 返回 任务二认识PLC工作原理 需要强调的是 引入 能流 的概念 仅仅是为了和继电器控制电路相比较 其实 能流 在梯形图中是不存在的 2 指令表语句指令表 StatementList 是类似于计算机中的助记符语言的编程语言 它是用一个或几个容易记忆的字符来代表PLC的某种操作功能 按照一定的语法和句法编写出的程序 3 功能块图功能块图 FunctionBlockDiagram 又称为逻辑功能图 它是一种图形式的编程语言 类似于逻辑门电路 它是将输入 输出几个编程元件之间的逻辑关系用逻辑门电路的形式表达出来 如图3 10所示 4 顺序功能图顺序功能图 SequentialFunctionChart 是一种真正的图形化 上一页 下一页 返回 任务二认识PLC工作原理 编程方法 使用它可以方便地解决复杂的顺序控制问题 在顺序功能图中 最重要的单个元素是状态 和状态相关的动作及状态转移 在后续的内容中 读者会了解到顺序功能图的编程方法和具体应用 上一页 返回 任务三认识PLC与传统电气控制的区别 提出任务项目找出PLC控制系统与传统电气控制之间的联系和本质区别 提示 可以从控制逻辑 工作方式 设计施工 维护等方面来分析 新知识储备一 传统的继电器控制系统使用传统的继电器控制系统实现的电机正 反转互锁运行 如图3 11所示 这种以真正的物理继电器为主要元件的传统电气控制线路 有着逻辑清晰 成本低的优点 但也存在着诸多的缺点 图3 11仅仅是一个简单的控制系统 而在工业生产现场一个控制系统可能是由成百上千只各种继电器构成 需要成千上万根导线连接起来 安装这些继电器 下一页 返回 任务三认识PLC与传统电气控制的区别 则需要大量的继电器控制柜 且占据大量的空间 除此之外 继电器控制线路还有运行可靠性低 维护困难 不易于扩展等缺点 继电器控制逻辑采用硬接线逻辑 利用继电器机械触点的串联或并联 其接线多而复杂 功能有限 电源接通时 继电器控制线路中各继电器同时都处于受控状态 即该吸合时都应吸合 不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合 属于并行工作方式 例如 图3 11中 当KM1的线圈通电时 KM1的所有动合触点都应吸合 所有动断触点同时断开 因为继电器控制逻辑使用了大量的机械触点 连线多 触点开闭时会受到电弧的损坏 并有机械磨损 寿命短 可靠性低 除此之外 继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制 工作频率低 输出点的开闭动作一般在几十毫秒数量级 另外触点还会出现抖动问题 二 PLC控制系统PLC控制系统主要包括硬件设计与接线 软件设计与调试两大部分 上一页 下一页 返回 任务三认识PLC与传统电气控制的区别 PLC系统的硬件接线主要是指PLC及其外部所需设备的选择和PLC的I O接线 用户只需要将输入设备与PLC的输入端子相连接 输出设