第二章_可编程控制

第二章可编程控制器的硬件 软件及工作原理 内容提要和普通计算机一样 可编程控制器由硬件及软件构成 硬件方面 PLC和普通计算机的主要差别在于PLC输入输出口是为方便与工业控制系统接口而专门设计的 软件方面和普通计算机的主要差别为PLC的应用软件是由使用者编制 用梯形图或指令表表达的专用软件 PLC工作时采用应用软件逐行扫描执行方式 这和普通计算机等待命令工作方式也有所不同 从时序上来说 PLC指令的串行工作方式和继电接触器系统判断的并行工作方式也是不同的 2 1可编程控制器的硬件及其结构 PLC的一般构成PLC生产厂家很多 产品的结构也各不相同 但其基本构成相同 都采用计算机结构 如图2 1所示 PLC主要有六部分组成 CPU 中央处理器 存储器 输入 输出接口电路 电源 外设接口 I O扩展接口 CPUCPU是中央处理器 CentralProcessingUnit 的英文缩写 它是PLC的核心和控制指挥中心 主要由控制电路 运算器和寄存器组成 并集成在一块芯片上 CPU通过地址总线 数据总线和控制总线与存储器 输入 输出接口电路相连接 完成信息传递 转换等 CPU的主要功能有 接收输入信号并存入存储器 读出指令 执行指令将结果输出 处理中断请求 准备下一条指令 存储器存储器主要存放系统程序 用户程序和数据 根据存储器在系统中的作用 可分为系统程序存储器和用户程序存储器 系统程序存储器是对整个PLC系统进行调度 管理 监视及服务的程序 控制和完成PLC各种功能 这些程序有PLC制造厂家设计提供 固化在ROM中 用户不能直接存取 修改 系统程序存储器容量的大小 决定系统程序的大小和复杂程度 也决定PLC的功能 用户程序是用户在各自的控制系统中开发的程序 大都存放在RAM存储器中 因此使用者可对用户程序进行修改 为保证掉电时不会丢失存储的信息 一般用锂电池作为备用电源 用户程序存储器容量的大小 决定用户控制系统的控制规模和复杂程度 输入 输出接口电路输入 输出接口电路 I O 是PLC与现场I O设备相连接的部件 PLC将输入信号转换为CPU能够接收和处理的信号 通过用户程序的运算 把结果通过输出模块输出给执行机构 输入接口电路输入接口一般接收按钮开关 行程开关 继电器触点等信号 电路如图所示 图中只画出一个输入点的输入电路 各输入点所对应的输入电路相同 外接直流电源极性任意 输出接口电路输出接口电路按照PLC的类型不同一般分为继电器输出型 晶体管输出型和晶闸管输出型三类以满足各种用户的需要 继电器输出型为有触点的输出方式 可用于直流或低频交流负载 晶体管输出型和晶闸管输出型都是无触点输出方式 前者适用于高速 小功率直流负载 后者适用于高速 大功率交流负载 三种电路图见下 电源PLC的电源一般采用AC 220V电源 经整流 滤波 稳压后变换成供PLC的CPU 存储器等电路工作所需的直流电压 为保证PLC工作可靠 大都采用开关型稳压电源 有的PLC还向外部提供24V直流电源 外设接口外接接口是在主机外壳上与外部设备配接的插座 通过电缆线可配接编程器 计算机 打印机 EPROM写入器等 I O扩展接口I O扩展接口用来扩展输入 输出点数 当用户输入 输出点数超过主机的范围时 可通过I O扩展接口与I O扩展单元相接 以扩充I O点数 A D和D A单元及链接单元一般也通过该接口与主机连接 2 2PLC的分类 PLC的品种繁多 型号 规格也不统一 结构形式 功能范围各不相同 一般按外部特性进行分类 按结构形式分类 整体式结构 整体式结构紧凑 体积小 重量轻 价格低 便于装入设备内部 小型PLC常采用这种结构 模块化结构 模块化PLC为总线结构 按I O点数分类按I O点数可分为微型机 小型机 中型机和大型机4类 按功能分类PLC的功能各不相同 大致分为低档机 中档机和高档机 进入21世纪以来 PLC发展更加迅速 大型机的计算机化已成为计算机化已成为当今的发展趋势 微型机 小型机有的已达到大 中型机的水平 2 3可编程序控制器的编程语言 PLC是专为工业自动控制开发的装置 主要使用对象是广大电气技术人员 为利于普及 通常PLC不采用计算机的编程语言 而采用梯形图语言 助记符语言 除此之外 还可以使用逻辑功能图 逻辑方程等 有些PLC可使用BASIC PASCAL C等高级语言 可编程序控制器的编程语言 根据生产厂家不同和机型不同而各不相同 2 3 1梯形图语言 梯形图语言作为一种图形语言 它将PLC内部的各种编程元件和各种特定功能的命令用专用图形符号定义 并按控制要求将有关图形符号按一定规律连接起来 构成描述输入 输出之间的控制关系的图形 这种图形称为PLC梯形图 PLC梯形图与继电器接触器控制线路图形式上相似 如图2 5所示 两种图形表述的意思是一致的 但具体表述方式及内涵是有区别的 电气符号继电器接触器线路图中的电气符号代表的是一个实际物理器件 如继电器 接触器的线圈或触点等 图中的连线是 硬接线 线路图两端有外接电源 连线中有真实的物理电流 a 电气控制线路图 b PLC梯形图图2 5两种控制图 线圈继电器接触器线路图中的线圈包括中间继电器 时间继电器以及接触器等 PLC梯形图中的继电器线圈是广义的 除了有输出继电器线圈 内部继电器线圈 而且还有定时器 计数器以及各种运算等 触点继电器接触器线路图中继电器触点数量是有限的 长期使用有可能出现接触不良 PLC梯形图中的继电器触点对应的是存储器的存储单元 在整个程序运行中是对单元信息的读取 可以反复使用 没有使用寿命的限制 无需用复杂的程序结构来减少触点的使用次数 工作方式继电器接触器线路图是并行工作方式 也就是按同时执行的方式工作 一但形成电流通路 可能有多条支路电器工作 PLC梯形图是串行工作方式 按梯形图先后顺序自左到右 自上而下执行 并循环扫描 不存在几条并列支路电器同时动作的因素 这种串行工作方式可以在梯形图设计时减少许多有约束关系的连锁电路 使电路设计简化 PLC梯形图虽然在形式上沿袭了继电器接触器线路图 但作为一种图形语言 有自己的书写规则 2 3 2助记符语言 助记符语言类似于计算机的汇编语言 它采用简洁易记的文字符号表示各种程序指令 是应用较多的一种编程语言 助记符语言与梯形图语言相互对应 而且可以相互转换 梯形图语言虽然直观 方便 易懂 但必须配有较大的显示器才能输入图形 一般多用于计算机编程环境中 助记符语言常用于手持编程器 可以通过输入助记符语言在生产现场编制 调试 助记符语言包括两部分 操作码和操作数 2 3 3逻辑功能图 在开关量控制系统中 输入和输出仅有两种不同的逻辑状态 即接通和断开 这种状态可以用逻辑来描述 与 或 非 是逻辑函数的最基本的表达形式 由这三种基本逻辑形式可以组合任意复杂的逻辑关系 逻辑功能图语言实际上是以逻辑功能符号组成功能块表达命令的图形语言 图2 6表示三种基本逻辑关系 图2 6三种基本逻辑图 2 3 4高级语言 对于大型PLC 其点数多 控制对象复杂 可以使用象计算机一样的结构化编程语言 例如BASIC C Pascal等高级语言 这种编程方式不仅能完成逻辑控制 数值计算 数据处理 PID调节 还能很方便地与计算机通信联网 从而形成由计算机控制的PLC控制系统 2 4可编程控制器的工作原理 2 4 1分时处理及扫描工作方式可编程序控制器实现某一用户的工作过程如图2 4所示 PLC的工作方式为循环扫描方式 PLC的工作过程大致分为3个阶段 输入采样 程序执行和输出刷新 PLC重复执行上述3个阶段 周而复始 每重复一次的时间称为一个扫描周期 输入采样PLC在系统程序控制下 CPU以扫描方式顺序读入全部现场输入信号如按钮 限位开关等的状态 如开关的接通或断开 经PLC的输入端子 写入输入状态寄存器 此时输入状态寄存器被刷新 这一过程称为输入采样或扫描阶段 进入程序执行阶段时 即使输入信号发生变化 输入状态寄存器的内容也不会改变 只能等到下一扫描周期输入采样到来时 才能重新读入 这种输入工作方式称为集中输入方式 程序执行阶段PLC按照梯形图先左后右 先上后下的顺序扫描执行每一条用户程序 执行程序时所需的信号 是在输入寄存器状态和其它一些编程元件的状态中取用 CPU按程序的要求进行逻辑 算术等运算 最后将运算的结果写入输出状态寄存器 并由输出锁存器保存 输出刷新CPU将输出寄存器的内容经PLC的输出端子 传送到外部驱动接触器 电磁阀等外部设备 这时输出锁存器的内容要等到下一个扫描周期的输出阶段才会被刷新 这种输出工作方式称为集中输出方式 图2 4可编程序控制器的工作过程 2 4 2扫描周期及PLC的两种工作状态 PLC有两种状态 运行状态和停止状态 2 4 3PLC的I O滞后时间 从PLC的工作过程的分析可知 由于PLC采用循环扫描的工作方式 而且对输入和输出信号只在每个扫描周期的I O刷新阶段集中输入并集中输出 所以必然会产生输出信号相对输入信号的滞后现象 既当PLC的输入端有一个输入信号发生变化到PLC的输出端对该输入信号的变化作出反应 需要一段时间 这段时间称为响应时间或滞后时间 滞后时间是设计PLC控制系统时应了解的一个重要参数 滞后时间的长短