LC的基本原理PPT课件

1、第 2章 PLC的基本原理 第 2章 PLC的基本原理 2.1 PLC的组成及其各部分的功能的组成及其各部分的功能 2.2 PLC的结构形式的结构形式 2.3 PLC的工作过程的工作过程 2.4 PLC的使用步骤的使用步骤 第 2章 PLC的基本原理 2.1 PLC的组成及其各部分的功能的组成及其各部分的功能 2.1.1 PLC的基本组成的基本组成 图图2.1.1 PLC的基本组成的基本组成 中央处理单元 (CPU) 系统存储器 用户存储器 输 入 部 件 输 出 部 件 外设接口I/O扩展口 编程器 电源 可编程序控制器 至现场用 户设备 接触器 指示灯 电磁阀 电源 模拟量输出 来自用 户

2、设备 按钮 选择开关 限位开关 电源 模拟量输入 第 2章 PLC的基本原理 图2.1.2 PLC的单总线结构框图 输出锁存、 电平转换等 I/O扩展智能I/O 输入滤波、电平 转换、锁存 功能开关 和指示器 编程器 微处理器 CPU 系统程序 EPROM 用户数据 RAM 用户程序 EPROM 存储器 扩展 通信接口 系统总线 去现场来自现场 后备电池 至其他PC监视器或打印机 光电耦合 光电耦合、继 电器或可控硅 第 2章 PLC的基本原理 2.1.2 PLC各组成部分的功能各组成部分的功能 1输入部件输入部件 输入部件是PLC与工业生产现场被控对象之间的连接部件， 是现场信号进入PLC的

3、桥梁。该部件接收由主令元件、检测元件 来的信号。 主令元件是指由用户在控制键盘(或控制台)上操作的一切功能 键，如开机、关机、调试或紧急停车等按键。主令元件给出的信 号称为主令信号。检测元件的功能是检测一些物理量(如行程距离、 速度、位置、压力、流量、液位、温度、电压、电流等)在设备工 作进程中的状态，并通过输入部件送入PLC以控制工作程序的转 换等。常见的检测元件有行程开关、限位开关、光电检测开关、 继电器触点及其他各类传感器等。 第 2章 PLC的基本原理 输入方式有两种，一种是数字量输入(也称为开关量或接点 输入)，另一种是模拟量输入(也称为电平输入)。后者要经过模拟 /数字变换部件才能

4、进入PLC。 输入部件均带有光电耦合电路，其目的是把PLC与外部电路 隔离开来，以提高PLC的抗干扰能力。为了与现场信号连接，输 入部件上设有输入接线端子排。为了滤除信号的噪声和便于PLC 内部对信号的处理，输入部件内部还有滤波、电平转换、信号锁 存电路。 各PLC生产厂家都提供了多种形式的I/O部件或模块，供用 户选用。 第 2章 PLC的基本原理 2输出部件输出部件 输出部件也是PLC与现场设备之间的连接部件，其功能是控 制现场设备进行工作(如电机的启、停、正/反转，阀门的开、关， 设备的转动、移动、升降等)。对于PLC，希望它能直接驱动执 行元件，如电磁阀、微电机、接触器、灯和音响等，因

5、此，输出 部件中的输出级常是一些大功率器件，如机械触点式继电器、无 触点交流开关(如双向可控硅)及直流开关(如晶体三极管)等。 与输入部件类似，输出部件上也有输出状态锁存、显示、电 平转换和输出接线端子排。输出部件或模块也有多种类型供选用。 第 2章 PLC的基本原理 3中央处理器中央处理器(CPU) 与一般的计算机控制系统一样，CPU是整个系统的核心，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：控制从编程器键入的用户程序和数据的接收与存 储；用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据，并存入输 入状态表或数据存储器中；诊断电源、PLC内部电路的工作故障

6、 和编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，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、 逻辑或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输 出寄存器表的内容，再经由输出部件实现输出控制、制表打印或 数据通信等功能。 第 2章 PLC的基本原理 目前，小型PLC为单CPU系统，而中型及大型PLC则为双CPU 甚至多CPU系统。PLC所采用的微处理器有三种： (1) 通用微处理器。小型PLC一般使用8位微处理器如 8080/8085、6800和Z80等，大中型PLC除使用位片式微处理器外， 大都使用16位或32位微处理器。当前不少PLC的CPU已升级到 INT

7、EL公司的微处理器产品，有些已采用奔腾(PENTIUM)处理器， 如西门子公司的S7-400。采用通用微处理器的优点是：价格便宜， 通用性强，还可借用微机成熟的实时操作系统和丰富的软硬件资 源。 第 2章 PLC的基本原理 (2) 单片微处理器(即单片机)。它具有集成度高、体积小、价格 低及可扩展性好等优点。如INTEL公司的8位MCS-51系列运行速度 快，可靠性高，体积小，很适合于小型PLC；16位96系列速度更快， 功能更强，适合于大中型PLC使用。 (3) 位片式微处理器。它是独立于微型机的一个分支，多为双 极型电路，4位为一片，几个位片级联可组成任意字长的微处理器， 代表产品有AMD

8、2900系列。PLC中位片式微处理器的主要作用有 两个，一是直接处理一些位指令，从而提高了位指令的处理速度， 减少了位指令对字处理器的压力；二是将PLC的面向工程技术人员 的语言(梯形图、控制系统流程图等)转换成机器语言。 模块式PLC把CPU作为一种模块，备有不同型号供用户选择。 第 2章 PLC的基本原理 4. 存储器及存储器扩展存储器及存储器扩展 PLC中存储器的功能与普通微机系统中的存储器功能相似， 用来存储系统程序和用户的程序与数据。目前主要采用的系统程 序存储器是指用来存放系统管理、用户指令解释及标准程序模块、 系统调用等程序的存储器，常用EPROM构成。用户存储器用来 存储用户编

9、制的梯形图程序或用户数据。存储用户程序的叫用户 程序存储器，常用EPROM或EEPROM构成。存储用户数据的叫 用户数据存储器，常用RAM构成，为防止掉电时信息的丢失， 有后备电池作保护。 第 2章 PLC的基本原理 由于PLC系统程序关系到PLC的性能，不能由用户直接存 取，因而，PLC产品样本或使用手册中所列存储器形式及其容 量一般都是指用户存储器而言。 PLC中已提供一定容量的存储器供用户使用，但对有些用 户，可能还不够用，因此大部分PLC都提供了存储器扩展(EM) 功能，用户可以将新增的存储器扩展模板直接插入CPU 模板 中，也有的是插入中央基板中。 第 2章 PLC的基本原理 5.

10、通信接口通信接口 为了实现人-机或机-机之间的对话，PLC中配有多种通 信接口。通过这些通信接口，PLC可以与监视器、打印机、其 他PLC或计算机相连。 当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打 印；当与监视器(CRT)相连时，可将过程图像显示出来；当与其 他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网络，实现更大规模 的控制；当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控 制与管理相结合的综合系统。 第 2章 PLC的基本原理 6. 智能智能I/O接口接口 为了满足更加复杂控制功能的需要，PLC配有多种智能I/O接 口。例如满足位置调节需要的位置闭环控制模板，对高速脉冲进 行计数和处

11、理的高速计数模板等等。这类智能模板都有其自身的 处理器系统。 7. I/O扩展接口扩展接口 当一个PLC中心单元的I/O点数不够用时，就要对系统进行扩 展。扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。 8. 功能开关与指示灯功能开关与指示灯 功能开关是用来控制PLC工作状态的，如编程、监视、运行 开关等。指示灯有PLC工作状况指示灯、电源指示灯，电压过低 指示灯等。 第 2章 PLC的基本原理 9. 编程器编程器 编程器的作用是供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视。 有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信 息打印出来或存放在磁带上。磁带上的信息可以重新装入PLC。 编程器

12、有简易型和智能型两类。简易型编程器只能联机编程， 且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后才能送入，简易编 程器一般由简易键盘和发光二极管矩阵或其他显示器件组成。智 能编程器又称图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程， 具有LCD(液晶显示器)或CRT图形显示功能，可直接输入梯形图和 通过屏幕对话。 也可以利用微机作为编程器，这时微机应配有相应的软件包。 第 2章 PLC的基本原理 2.2 PLC的结构形式的结构形式 2.2.1 单元式结构单元式结构 图2.2.1 单元式结构的PLC 第 2章 PLC的基本原理 2.2.2 模块式结构模块式结构 图图2.2.2 模块式结构模块式结构PLC的

13、结构的结构 电源单元 DIN导轨 CPU单元 第 2章 PLC的基本原理 2.2.3 叠装式结构叠装式结构 前者结构紧凑、安装方便、体积小巧，易于与被控设备组合 成一个整体，但由于每个单元的I/O点数有一定的搭配关系，有时 配置的系统输入点或输出点不能充分利用，加之各单元尺寸大小 不一致，因此不易安装整齐。而后者无论是输入还是输出点数均 可灵活配置，又易于构成较多点数的大规模控制系统，且尺寸统 一、安装整齐，但是尺寸较大，难于与小型设备联成一体。为此 有些PLC生产厂家开发出叠装式结构，将二者的优点结合起来。叠 装式结构的CPU、电源、I/O等单元也是各自独立的模块，但它们 相互的连接安装不需

14、要用基板，仅用电缆连接即可，并且各模块 可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可以将体 积做得小巧。 第 2章 PLC的基本原理 2.3 PLC的工作过程的工作过程 2.3.1 大中型大中型PLC的工作过程的工作过程 电源 启动电源 检查WDT时间 与编程器交换信息 是否用DPU？ 与DPU交换信息 是否有网络？ 与网络交换信息 状态判定 执行用户程序 I/O服务 I / O故障 运行 停止运行 N N Y Y 1 2 3 4 5 6 2.3.1 大中型 大中型PLC的工作过程的工作过程 第 2章 PLC的基本原理 1自监视扫描阶段自监视扫描阶段 为了保证工作的可靠性，PLC内部具有

15、自监视或自诊断功能。 自监视功能是由监视定时器WDT(Watch-dog Timer)完成的，WDT 是一个硬件时钟。自监视过程主要是检查及复位WDT。如果在复 位前，扫描时间已超过WDT的设定值，CPU将停止运行、输入/输 出复位，并给出报警信号。这种故障称为WDT故障。WDT故障可 能由CPU硬件引起，也可能由于用户程序执行时间太长，使扫描 周期超过WDT的规定时间而引起。用编程器可以清除WDT故障。 WDT的设定时间一般为150200 ms，而一般系统的扫描时间 均小于5060 ms。有些PLC中，用户可以对WDT的时间进行修改 (修改方法在使用手册中给出)。 第 2章 PLC的基本原理

16、 2. 与编程器交换信息的扫描阶段与编程器交换信息的扫描阶段 用户程序通过编程器写入PLC，以及用编程器进行在线监视 和修改时，CPU将总线的控制权交给编程器，CPU处于被动状态。 当编程器完成处理工作或达到信息交换的规定时间，CPU重新得 到总线权，并恢复主动状态。 在这一扫描阶段，用户可以通过编程器修改内存程序，启动 或停止CPU，读CPU状态，封锁或开放输入/输出，对逻辑变量和 数字变量进行读写等。 3. 与数字处理器与数字处理器DPU交换信息的扫描阶段交换信息的扫描阶段 当系统配有数字处理器时，一个扫描周期中才包含这一阶段。 第 2章 PLC的基本原理 4. 网络进行通信的扫描阶段网络

17、进行通信的扫描阶段 在配有网络的PLC系统中，才有通信扫描阶段。在这一阶 段，PLC与PLC之间，PLC与磁带机或与上位计算机之间进行信 息交换。 5. 用户程序扫描阶段用户程序扫描阶段 PLC处于运行状态时，一个扫描周期中包含了用户程序扫 描阶段。 在用户程序扫描阶段，对应于用户程序存储器所存的指令， PLC从输入状态暂存区和其他软元件的状态暂存区中将有关元 件的通/断状态读出，从第一条指令开始顺序执行，每一步的执 行结果均存入输出状态暂存区。 第 2章 PLC的基本原理 6. 输入输入/输出输出(I/O)服务扫描阶段服务扫描阶段 CPU在执行用户程序时，使用的输入值不是直接从实际输入 端得

18、到的，运算的结果也不直接送到实际输出端，而是在内存中 设置了两个暂存区，一个是输入暂存区或称输入映像寄存器，一 个是输出暂存区或称输出映像寄存器。用户程序中所用到的输入 值是输入状态暂存区的值，运算结果放在输出状态暂存区中。图 2.3.2给出了用户程序执行阶段与I/O服务阶段的信息流程图。在 输入服务(输入采样及输入刷新)扫描过程中，CPU 将实际输入端 的状态读入输入状态暂存区。在输出服务(输出刷新与锁存)扫描 过程中，CPU将输出状态暂存区的值同时传送到输出状态锁存器。 第 2章 PLC的基本原理 由于输入/输出暂存区的设置，使PLC对输入/输出的处理具 有以下特点： 输入状态暂存区的数据

19、，取决于输入服务阶段各实际输入 点的通/断状态。在用户程序执行阶段，输入状态暂存区的数据 不再随输入的变化而变化。 在用户程序执行阶段，输出状态暂存区的内容随程序执行 结果不同而随时改变，但输出状态锁存器的内容不变。 在输出服务阶段，将用户程序执行阶段的最终结果由输出 状态暂存区传递到输出状态锁存器。输出端子的状态由输出状 态锁存器决定。 第 2章 PLC的基本原理 图2.3.2 I/O服务阶段与用户程序执行阶段 输 入 端 子 输 入 滤 波 及 光 电 耦 合 输 入 状 态 暂 存 器 输 出 状 态 锁 存 器 输 出 状 态 暂 存 器 输 出 光 电 耦 合 及 功 率 放 大 输

20、 出 端 子 输 入 输 出 梯形图 输入采样阶段 用户程序执行阶段 输出执行阶段 第 2章 PLC的基本原理 2.3.2 小型小型PLC的工作过程的工作过程 图2.3.3 小型PLC的典型工作过程 上 电 清I/O和内部电器 复位定时器 检查总线及I / O边接情况 复位监视定时器 检查硬件和程序存储器 复位监视定时器 输出刷新 执行用户程序 输入采样 复位监视定时器 执行来自外设 (如编程器)的命令 正确？ 置错误标志和光显示 错误还是报警？ N Y 错误 报警 第 2章 PLC的基本原理 小型PLC的工作过程可以分为四个扫描阶段。 一般处理扫描阶段。在此扫描阶段PLC复位WDT，检查 I

21、/O总线和程序存储器。 执行外设命令扫描阶段。在此阶段PLC执行编程器、图 形编程器等外设输入的命令。 执行用户程序扫描阶段。 数据输入/输出扫描阶段。与大中型PLC的I/O服务阶段 类似。 第 2章 PLC的基本原理 2.3.3 输入输入/输出响应的滞后现象输出响应的滞后现象 响应时间的大小与以下因素有关： 输入滤波的时间常数(输入延迟)； 输出继电器的机械滞后(输出延迟)； PLC的循环扫描工作方式； PLC的输入采样、输出刷新的特殊处理方式； 用户程序中语句的安排，程序的优化。 第 2章 PLC的基本原理 图2.3.4 PLC的最短响应时间 数据入/出时间 输入采样/输出刷新时间 扫描时

22、间扫描时间 执行指令执行指令扫描 输入 输出 输入延迟时间 输出延迟时间 最短I/O响应时间 CPU读输入(采样) 第 2章 PLC的基本原理 图图2.3.5 PLC的最长响应时间的最长响应时间 最长响应时间输入延迟时间二个扫描周期输出延迟时间 输入采样/输出刷新时间 扫描 输入 输出 最短I/O响应时间 CPU读输入(采样) 扫描时间扫描时间 执行指令执行指令 输入延迟时间 输出延迟时间 第 2章 PLC的基本原理 2.4 PLC的使用步骤的使用步骤 1系统设计系统设计 通过系统设计确定被控制对象的动作及动作顺序。例如用 CPM2A来控制一个报警器或加热器周期性通(ON)和断(OFF)， TIM