项目2可编程序控制器的工作原理

项目二可编程序控制器的工作原理 一 任务目标了解PLC的硬件结构 了解PLC的五种编程语言 重点熟悉梯形图编程语言及其设计规则 了解PLC的工作方式 工作原理 了解PLC的I O滞后现象 二 任务知识 一 可编程序控制器的硬件结构PLC种类繁多 功能多种多样 但是其组成结构和工作原理基本相同 实质上是一种专门用于工业控制的计算机 采用了典型的计算机结构 由硬件和软件两部分组成 硬件配置主要由中央处理器 CPU 存储器 输入 输出接口电路 电源 编程器以及一些扩展模块组成 如图2 1所示 1 中央处理器 CPU PLC的中央处理器与一般的计算机控制系统一样 是整个系统的核心 起着类似人体的大脑和神经中枢的作用 它按PLC中系统程序赋予的功能 指挥PLC有条不紊地进行工作 其主要任务有如下几个方面 控制从编程器 上位机和其他外部设备键入的用户程序和数据的接收与存储 用扫描的方式通过电源I O部件接收现场的状态或数据 并存入指定的存储单元或数据寄存器中 诊断电源 PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等 PLC进入运行程序后 从存储器逐条读取用户指令 经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送 逻辑或算数运算等 根据运算结果 更新有关标志位的状态和输出寄存器的内容 再经输出部件实现输出控制 制表 打印或数据通信等功能 2 存储器 PLC的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器 系统程序相当于个人电脑的操作系统 它使PLC具有基本的智能 能够完成PLC设计者规定的各种动作 系统程序由PLC生产厂家设定并固化在ROM内 用户不能直接读取 PLC的用户程序由用户设定 它决定了PLC输入信号之间的具体关系 用户程序存储量一般以字 每个字由16位二进制数组成 为单位 三菱的FX系列PLV的用户程序存储器的单位为步 STEP 即字 小型PLC的用户程序存储器容量在1K字左右 大型PLC的用户程序存储器容量可达数M 兆 字 PLC常用以下几种存储器 随机存取存储器 RAM 只读存储器 ROM 可电擦除EPROM EEPROM或E2PROM 3 输入 输出接口电路 实际生产中信号电平时多样的 外部执行机构所需要的电平也是不同的 而可编程序控制器的CPU所处理的信号只能是标准电平 因此 需要通过输入 输出单元实现这些信号电平的转换 可编程序控制器的输入 输出单元实际上是PLC与被控制对象之间传送信号的接口部件 输入接口电路 各种PLC输入电路的结构大都相同其输入方式有两种类型 一种是直流输入 直流12V或24V 如图2 2 a 所示 另一种是交流输入 交流100 120V或200 240V 如图2 2 b 所示 输出接口电路 PLC的输出有三种形式 继电器输出 晶体管输出 晶闸管输出 继电器输出方式最常用 适用于交 直流负载 其特点是带负载能力强 但动作频率与响应速度慢 晶体管输出适用于直流负载 其特点是动作频率高 响应速度快 但带负载能力小 晶闸管输出适用于交流负载 响应速度快 带负载能力不大 4 电源 PLC的电源分为外部电源 内部电源和后备电源三类 在现场控制中 干扰侵入PLC的主要途径之一是通过电源 因此 合理地设计电源是PLC可靠运行的必要条件 为了保证PLC可靠工作 对它提出了较高的要求 一般可从四个方面考虑 内部电源与外电源隔离 减小供电线路对内部电源的影响 有较强的抗干扰能力 主要是高频干扰 电源本身功能耗尽可能低 在供电电压波动范围较大时 能保证正常稳定的输出 有良好的保护功能 5 编程器 编程器是PLC最重要的外部设备 利用编程器可将用户程序输入到PLC存储器 可以利用编程器检查 修改 调试程序还可以用编程器监视程序的运行及PLC的工作状态 小型PLC常用的简易型便携式或手持式编程器 计算机添加适当的硬件接口电缆和编程软件 也可以对PLC进行编程 计算机编程可以直接显示梯形图 读出程序 写入程序 监控程序运行等 二 可编程序控制器的软件系统 PLC是一种工业控制计算机 不光有硬件 软件也是必不可少 PLC的软件又分为系统软件和用户软件 系统软件包括系统的管理程序 用户指令的解释程序 另外还包括一些供系统调用的专用标准程序块等 系统软件在PLC生产时由制造商装入机内 永久保存 用户不需要更改 用户软件是用户为达到某种控制目的 采用PLC厂商提供的编程语言自主编制的应用程序 用户程序的编制需要使用PLC生产制造厂商提供的编程语言 PLC使用的编程语言共有五种 即梯形图 指令表 步进顺控图 逻辑符号图 高级编程语言 1 梯形图 梯形图是最直观 最简单的一种编程语言 它类似继电接触器控制电路的形式 逻辑关系明显 在继电接触器控制逻辑基础上使用简化的符号演变而来 具有形象 直观 实用等优点 电气技术人员容易接受 是目前使用较多的一种PLC编程语言 继电接触器控制线路图和PLC梯形图如图2 4所示 2 指令语句表 指令语句表是一种与计算机汇编语言相类似的助记符编程语言 简称语句表 它用一系列操作指令组成的语句描述控制过程 并通过编程器传输到PLC中 不同厂家的指令语句表使用的助记符可能不同 因此一个功能相同的梯形图 书写的指令语句表可能并不相同 3 步进顺控图 步进顺控图 简称步进图 又叫状态流程图或状态转移图 是使用状态来描述空盒子任务或过程的流程图 是一种专门用于工业顺序控制的程序设计语言 它能完整地描述控制系统的工作过程 功能和特性 是分析 设计电气控制系统控制程序的重要工具 4 逻辑符号图 逻辑符号图与数字电路的逻辑图极为相似 模块有输入端 输出端 使用与 或 非 异或等逻辑描述输出端和输入端的函数关系 模块间的连接方式与电路连接方式基本相同 逻辑符号图编程语言 直观易懂 容易掌握 三菱FX2N没有此功能 如图2 9所示 5 高级编程语言 在大型PLC中 为了完成具有数据处理 PID调节 定位控制 图形操作等较为复杂的控制 往往使用高级计算机编程语言 如C语言 BASIC语言等 使PLC具有更强的功能 三 可编程序控制器的工作原理 PLC的工作方式是采用周期循环扫描 PLC投入运行后 都是以重复的方式执行的 扫描一遍用户程序的时间称为扫描周期 扫描一次分为五个阶段 故障诊断 通信处理 输入采样 程序执行 输出刷新 下面重点把输入采样 程序执行 输出刷新三步操作重点说明 图2 10为这三步的流程图 循环扫描带来的优点 循环扫描的工作方式是PLC的一大特点 针对工业控制采用这种工作方式使PLC具有一些优于其他各种控制器的特点 例如 可靠性 抗干扰能力明显提高 串行工作方式避免触点 逻辑 竞争 简化程序设计 通过扫描时间定时监视可诊断CPU内部故障 避免程序异常运行的不良影响等 循环扫描带来的影响 循环扫描工作方式的主要缺点是带来了I O响应滞后性 影响I O响应滞后的主要因素有 输入电