PLC基本原理课程课件2

第2章PLC的基本原理2.1PLC的组成及其各部分的功能2.2PLC的结构形式2.3PLC的工作过程2.4PLC的使用步骤2.1PLC的组成及其各部分的功能2.1.1PLC的基本组成图2.1.1PLC的基本组成图2.1.2PLC的单总线结构框图2.1.2PLC各组成部分的功能1．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。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。2．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。3．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。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INTEL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。(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AMD2900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。4.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。由于PLC系统程程序关关系到到PLC的性能能，不不能由由用户户直接接存取取，因因而，，PLC产品品样样本本或或使使用用手手册册中中所所列列存存储储器器形形式式及及其其容容量量一一般般都都是是指指用用户户存存储储器器而而言言。。PLC中已已提提供供一一定定容容量量的的存存储储器器供供用用户户使使用用，，但但对对有有些些用用户户，，可可能能还还不不够够用用，，因因此此大大部部分分PLC都提提供供了了存存储储器器扩扩展展(EM)功能能，，用用户户可可以以将将新新增增的的存存储储器器扩扩展展模模板板直直接接插插入入CPU模板板中中，，也也有有的的是是插插入入中中央央基基板板中中。。5.通信信接接口口为了了实实现现"人-机"或"机-机"之间间的的对对话话，，PLC中配配有有多多种种通通信信接接口口。。通通过过这这些些通通信信接接口口，，PLC可以以与与监监视视器器、、打打印印机机、、其其他他PLC或计计算算机机相相连连。。当PLC与打打印印机机相相连连时时，，可可将将过过程程信信息息、、系系统统参参数数等等输输出出打打印印；；当当与与监监视视器器(CRT)相连连时时，，可可将将过过程程图图像像显显示示出出来来；；当当与与其其他他PLC相连连时时，，可可以以组组成成多多机机系系统统或或连连成成网网络络，，实实现现更更大大规规模模的的控控制制；；当当与与计计算算机机相相连连时时，，可可以以组组成成多多级级控控制制系系统统，，实实现现控控制制与与管管理理相相结结合合的的综综合合系系统统。。6.智能I/O接口为了满满足更更加复复杂控控制功功能的的需要要，PLC配有多多种智智能I/O接口。。例如如满足足位置置调节节需要要的位位置闭闭环控控制模模板，，对高高速脉脉冲进进行计计数和和处理理的高高速计计数模模板等等等。。这类类智能能模板板都有有其自自身的的处理理器系系统。。7.I/O扩展接接口当一个个PLC中心单单元的的I/O点数不够够用时，，就要对对系统进进行扩展展。扩展展接口就就是用于于连接中中心基本本单元与与扩展单单元的。。8.功能开关关与指示示灯功能开关关是用来来控制PLC工作状态态的，如如编程、、监视、、运行开开关等。。指示灯灯有PLC工作状况况指示灯灯、电源源指示灯灯，电压压过低指指示灯等等。9.编程器编程器的的作用是是供用户户进行程程序的输输入、编编辑、调调试和监监视。有有的编程程器还可可与打印印机或磁磁带机相相连，以以将用户户程序和和有关信信息打印印出来或或存放在在磁带上上。磁带带上的信信息可以以重新装装入PLC。编程器有有简易型型和智能能型两类类。简易易型编程程器只能能联机编编程，且且往往需需要将梯梯形图转转化为机机器语言言助记符符后才能能送入，，简易编编程器一一般由简简易键盘盘和发光光二极管管矩阵或或其他显显示器件件组成。。智能编编程器又又称图形形编程器器，它可可以联机机编程，，也可以以脱机编编程，具具有LCD(液晶显示示器)或CRT图形显示示功能，，可直接接输入梯梯形图和和通过屏屏幕对话话。也可以利利用微机机作为编编程器，，这时微微机应配配有相应应的软件件包。2.2PLC的结构形形式2.2.1单元式结结构图2.2.1单元式结结构的PLC2.2.2模块式结结构图2.2.2模块式结结构PLC的结构2.2.3叠装式结结构前者结构构紧凑、、安装方方便、体体积小巧巧，易于于与被控控设备组组合成一一个整体体，但由由于每个个单元的的I/O点数有一一定的搭搭配关系系，有时时配置的的系统输输入点或或输出点点不能充充分利用用，加之之各单元元尺寸大大小不一一致，因因此不易易安装整整齐。而而后者无无论是输输入还是是输出点点数均可可灵活配配置，又又易于构构成较多多点数的的大规模模控制系系统，且且尺寸统统一、安安装整齐齐，但是是尺寸较较大，难难于与小小型设备备联成一一体。为为此有些些PLC生产产厂厂家家开开发发出出叠叠装装式式结结构构，，将将二二者者的的优优点点结结合合起起来来。。叠叠装装式式结结构构的的CPU、电源源、、I/O等单单元元也也是是各各自自独独立立的的模模块块，，但但它它们们相相互互的的连连接接安安装装不不需需要要用用基基板板，，仅仅用用电电缆缆连连接接即即可可，，并并且且各各模模块块可可以以一一层层层层地地叠叠装装。。这这样样，，不不但但系系统统可可以以灵灵活活配配置置，，还还可可以以将将体体积积做做得得小小巧巧。。2.3PLC的工工作作过过程程2.3.1大中中型型PLC的工工作作过过程程2.3.1大中中型型PLC的工工作作过过程程1．自自监监视视扫扫描描阶阶段段为了了保保证证工工作作的的可可靠靠性性，，PLC内部部具具有有自自监监视视或或自自诊诊断断功功能能。。自自监监视视功功能能是是由由监监视视定定时时器器WDT(Watch-dogTimer)完成成的的，，WDT是一一个个硬硬件件时时钟钟。。自自监监视视过过程程主主要要是是检检查查及及复复位位WDT。如果果在在复复位位前前，，扫扫描描时时间间已已超超过过WDT的设设定定值值，，CPU将停停止止运运行行、、输输入入/输出出复复位位，，并并给给出出报报警警信信号号。。这这种种故故障障称称为为WDT故障障。。WDT故障障可可能能由由CPU硬件件引引起起，，也也可可能能由由于于用用户户程程序序执执行行时时间间太太长长，，使使扫扫描描周周期期超超过过WDT的规规定定时时间间而而引引起起。。用用编编程程器器可可以以清清除除WDT故障障。。WDT的设设定定时时间间一一般般为为150～200ms，而一一般般系系统统的的扫扫描描时时间间均均小小于于50～60ms。有些些PLC中，，用用户户可可以以对对WDT的时时间间进进行行修修改改(修改改方方法法在在使使用用手手册册中中给给出出)。2.与编编程程器器交交换换信信息息的的扫扫描描阶阶段段用户户程程序序通通过过编编程程器器写写入入PLC，以以及及用用编编程程器器进进行行在在线线监监视视和和修修改改时时，，CPU将总总线线的的控控制制权权交交给给编编程程器器，，CPU处于于被被动动状状态态。。当当编编程程器器完完成成处处理理工工作作或或达达到到信信息息交交换换的的规规定定时时间间，，CPU重新新得得到到总总线线权权，，并并恢恢复复主主动动状状态态。。在这这一一扫扫描描阶阶段段，，用用户户可可以以通通过过编编程程器器修修改改内内存存程程序序，，启启动动或或停停止止CPU，读读CPU状态态，，封封锁锁或或开开放放输输入入/输出出，，对对逻逻辑辑变变量量和和数数字字变变量量进进行行读读写写等等。。3.与数字处处理器DPU交换信息息的扫描描阶段当系统配配有数字字处理器器时，一一个扫描描周期中中才包含含这一阶阶段。4.网络进行行通信的的扫描阶阶段在配有网网络的PLC系统中，，才有通通信扫描描阶段。。在这一一阶段，，PLC与PLC之间，PLC与磁带机机或与上上位计算算机之间间进行信信息交换换。5.用户程序序扫描阶阶段PLC处于运行行状态时时，一个个扫描周周期中包包含了用用户程序序扫描阶阶段。在用户程程序扫描描阶段，，对应于于用户程程序存储储器所存存的指令令，PLC从输入状状态暂存存区和其其他软元元件的状状态暂存存区中将将有关元元件的通通/断状态读读出，从从第一条条指令开开始顺序序执行，，每一步步的执行行结果均均存入输输出状态态暂存区区。6.输入/输出(I/O)服务扫描描阶段CPU在执行用用户程序序时，使使用的输输入值不不是直接接从实际际输入端端得到的的，运算算的结果果也不直直接送到到实际输输出端，，而是在在内存中中设置了了两个暂暂存区，，一个是是输入暂暂存区或或称输入入映像寄寄存器，，一个是是输出暂暂存区或或称输出出映像寄寄存器。。用户程程序中所所用到的的输入值值是输入入状态暂暂存区的的值，运运算结果果放在输输出状态态暂存区区中。图图2.3.2给出了用用户程序序执行阶阶段与I/O服务阶段段的信息息流程图图。在输输入服务务(输入采样样及输入入刷新)扫描过程程中，CPU将实际输输入端的的状态读读入输入入状态暂暂存区。。在输出出服务(输出刷新新与锁存存)扫描过程程中，CPU将输出状状态暂存存区的值值同时传传送到输输出状态态锁存器器。由于输入入/输出暂存存区的设设置，使使PLC对输入/输出的处处理具有有以下特特点：输入状态态暂存区区的数据据，取决决于输入入服务阶阶段各实实际输入入点的通通/断状态。。在用户户程序执执行阶段段，输入入状态暂暂存区的的数据不不再随输输入的变变化而变变化。在用户程程序执行行阶段，，输出状状态暂存存区的内内容随程程序执行行结果不不同而随随时改变变，但输输出状态态锁存器器的内容容不变。。在输出服服务阶段段，将用用户程序序执行阶阶段的最最终结果果由输出出状态暂暂存区传传递到输输出状态态锁存器器。输出出端子的的状态由由输出状状态锁存存器决定定。图2.3.2I/O服务阶段段与用户户程序执执行阶段段2.3.2小型PLC的工作过过程图2.3.3小型PLC的典型工工作过程程小型PLC的工作过过程可以以分为四四个扫描描阶段。。①一般般处理扫扫描阶段段。在此此扫描阶阶段PLC复位WDT，检查I/O总线和程程序存储储器。②执行行外设命命令扫描描阶段。。在此阶阶段PLC执行编程程器、图图形编程程器等外外设输入入的命令令。③执行行用户程程序扫描描阶段。。④数据据输入/输出扫描描阶段。。与大中中型PLC的I/O服务阶段段类似。。2.3.3输入/输出响应应的滞后后现象响应时间间的大小小与以下下因素有有关：①输入入滤波的的时间常常数(输入延迟迟)；②输出出继电器器的机械械滞后(输出延迟迟)；③PLC的循环扫扫描工作作方式；；