可编程控制器 16

16.1可编程序控制器的特点与基本结构16.1.1可编程序控制器的特点16.1.2可编程序控制器的组成16.1.3可编程序控制器主机的组成16.1可编程序控制器的特点与基本结构16.1.1可编程序控制器的特点在硬件方面，PC采用了高可靠性元件（如大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成），并采用了一系列隔离和抗干扰措施，以及对电源的掉电保护，使它适应工作环境。同时，各类PC均采用了模块型或积木式的构成形式，便于在整机出现故障时能很快更换模块，保障修复时间。在软件方面，PC采用软件滤波、软件自行诊断及故障报警等，进一步提高了PC运行的可靠性。PC控制系统平均无故障工作时间可达2万小时以上。可靠性高16.1可编程序控制器的特点与基本结构16.1.1可编程序控制器的特点编程简单，使用灵活方便16.1可编程序控制器的特点与基本结构16.1.2可编程序控制器的组成PC的控制系统由主机、输入设备、输出设备和外围设备构成，如图16-1所示。输入输出设备用于完成PC与生产机械间的信息传递。外部输入设备的各种开关信号或模拟信号均为输入变量，它们经输入单元寄存到PC内部的数据存储区，而后经中央处理机处理后，以输出变量的形式送到输出单元，以控制输出设备。外围设备用于完成PC与人之间的信息交换。图16-1可编程序控制器的构成16.1可编程序控制器的特点与基本结构16.1.2可编程序控制器的组成输入设备的作用是产生输入控制信号送入PC主机。常用的输入设备有控制开关（包括按钮开关、限位开关、行程开关、接触器的触点等）和传感器。输入设备输出设备PC的输出控制信号直接驱动输出设备。常用的输出设备有电动机、继电器线圈、电磁阀等。16.1可编程序控制器的特点与基本结构16.1.2可编程序控制器的组成可编程序控制器是控制系统的核心。它读入输入设备产生的输入信号，将其按照预先设置的控制规律进行处理，然后产生输出控制信号，用输出信号驱动输出设备工作。可编程序控制器PC（主机）外围设备外围设备包括编程器、打印机、显示器等。其中编程器是PC不可缺少的外围设备，用户用它实现程序的输入、编辑、调试和监视等。编程器与PC主机间采用插接线，当完成程序编制，并输入PC内部后，编程器就可以拔掉，以便给其他PC编程用。16.1可编程序控制器的特点与基本结构16.1.3可编程序控制器主机的组成可编程序控制器主机由输入输出单元、中央处理单元、电源等构成，如图16-1虚线框内。输入单元输入信号经输入单元电路处理后转换成中央处理单元所能接受的信号。由于输入输出单元直接与现场信号相连，因此输入单元中要配有电平转换、光电隔离和滤波等电路，以使PC有很强的抗干扰能力。根据不同得的现场需求，PC配置了各种类型的输入单元，其中常用的有开关量输入单元。开关量输入单元可分为直流输入型和交流输入型两类。16.1可编程序控制器的特点与基本结构16.1.3可编程序控制器主机的组成输入单元如图16-2所示电路是对应一个输入点的直流输入型输入电路，各输入点的输入电路均相同，它们有一个公共端子COM。在直流输入单元中，电阻R1，R2构成分压器，R2与电容C构成滤波电路，发光二极管LED用于指示输入开关状态，二极管VD禁止反极性的直流输入。当现场开关闭合时，LED亮，外部信号加到光电耦合器的发光二极管上，光电耦合器导通，光电三极管接收光信号，送给内部电路一个接通信号。光电耦合输入电路隔离输入信号，防止现场强电干扰。输入端直流电源一般由PC内部电源供给，也有的PC要由用户提供。图16-2直流输入单元16.1可编程序控制器的特点与基本结构16.1.3可编程序控制器主机的组成输入单元每个输入单元电路都可以等效成一个如图16-3所示的输入继电器，它可以提供任意多个常开触点和常闭触点，供PC内部控制电路编程使用。输入继电器的触点的通断状态保存在PC内部寄存器中，当现场开关闭合时，输入继电器接通，其常开触点闭合，常闭触点断开。为与继电接触器控制系统中真正的继电器相区分，把PC的继电器称为软继电器。图16-3输入单元等效电路16.1可编程序控制器的特点与基本结构16.1.3可编程序控制器主机的组成输出单元的作用是将PC输出信号转换为外部负载所需要的输出信号。PC有继电器输出、晶体管输出和双向可控硅输出三种输出模式。如图16-4所示为以一个输出点为例的继电器输出方式。输出单元继电器输出方式的特点是：既可以控制交流负载，又可以控制直流负载。但机械触点寿命较短，触点断开时易产生电弧。图16-4继电器输出方式16.1可编程序控制器的特点与基本结构16.1.3可编程序控制器主机的组成晶体管输出方式可用于驱动直流负载，是无触点输出，使用寿命长，可靠性高，通断速度高，但过载能力差。输出单元可控硅输出方式可用于驱动交流负载，是无触点输出，使用寿命长，可靠性高，通断速度高，但过载能力差。图16-4继电器输出方式每个输出单元都可以等效成一个如图16-5所示的输出继电器，继电器的常开触点、常闭触点以及线圈的状态保存在PC内部寄存器中。为内部控制电路提供编程使用的常开触点和常闭触点可以有无数个，但只有一个常开触点与输出接线端子相连，用于驱动外部元件。16.1可编程序控制器的特点与基本结构16.1.3可编程序控制器主机的组成中央处理机包括微处理器（CPU）和存储器等。微处理器简称CPU，是PC运算和控制的核心，协调控制系统内部各部分的工作。它的运行是按照系统程序所赋予的功能，接收并存储由编程器键入的用户程序和数据，监视和接收现场输入信号，从存储器中逐条读取执行用户程序，并根据运行结果实现输出控制；同时诊断电源、PC内部电路工作状态和编程过程中出现的语法错误等。存储器是PC存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。它包括只读存储器ROM和随机存储器RAM。ROM存储系统程序，其内容是在其制造过程中确定的，是不能改变的。RAM存储用户程序，用户程序在RAM中经过调试、修改达到设计要求。中央处理机16.1可编程序控制器的特点与基本结构16.1.3可编程序控制器主机的组成为了便于程序执行，PC中还设置了一些内部存储区用来存放程序运行时需要读写的逻辑变量。这些内部存储区可分为I/O区、内部辅助寄存器区、特殊功能寄存器区、数据区。PC给每个区配有一定数量的寄存器，每个寄存器通常有16个可存放数据的单元（称为寄存器的“位”），寄存器的“位”就是一个软继电器。中央处理机器件名称数量编号及范围输入继电器800000～00150100～01150200～02150300～03150400～0415输出继电器60/800500～05150600～06150700～07150800～08150900～0915内部辅助继电器1361000～10151100～11151200～12151300～13151400～14151500～15151600～16151700～17151800～1815定时器/计数器48TIM/CNT00～TIM/CNT47数据存储区64DM00～DM6316.1可编程序控制器的特点与基本结构16.1.3可编程序控制器主机的组成当用户所需要的输入输出点数超过PC的输入输出点数时，可以通过I/O扩展口来扩展输入输出点数。I/O扩展口PC配有开关式稳压电源的电源模块，用来给PC内部电路供电。电源16.2可编程序控制器的工作原理16.2.1输入采样阶段16.2.2程序执行阶段16.2.3输出刷新阶段16.2可编程序控制器的工作原理图16-6PC扫描工作方式16.2可编程序控制器的工作原理输入采样阶段是PC工作的第一阶段，PC以扫描方式按顺序读取所有输入端（不论输入端是否接线）的状态，并将其保存在存储器的输入状态寄存区中，之后进入程序执行阶段。在此阶段，PC对程序顺序扫描，并根据输入状态及其他参数执行程序。前面执行的结果马上就可以被后面要执行的任务所用。PC将执行的结果写入存储器的输出状态表寄存区中保存。输入采样阶段程序执行阶段16.2可编程序控制器的工作原理16.2.3输出刷新阶段当执行完程序后，将输出状态表寄存区中的所有输出状态送到输出锁存电路，以驱动输出单元把数字信号转换成现场信号输出给执行机构。PC重复地执行上述三个阶段，每重复1次，即从读入输入状态到发出输出信号所用的时间就是一个扫描周期（或工作周期）。顺序扫描的工作方式简化了程序设计，并为PC可靠运行提供了保证。一方面，在同一个扫描周期内，前面指令执行的结果马上就可以被后面要执行的指令所用；另一方面，PC内部设有扫描周期监视定时器，监视每次扫描时间是否超过规定的时间，若超过，PC将停止工作并给出报警信号。这种工作方式的显著不足是输入输出响应滞后。由于输入状态只在输入采样阶段读入，而在程序执行阶段，即使输入状态变化，输入状态表寄存区中的数据也不会改变。输入状态的变化只能在下一个扫描周期才能得到响应，这就是PC输入输出响应滞后现象。一般来说，最大滞后时间为2～3个扫描周期，这与编程方法有关。16.3可编程序控制器的编程语言16.3.1两种常用的编程语言16.3.2PC的基本指令16.3可编程序控制器的编程语言16.3.1两种常用的编程语言梯形图在形式上类似于继电器控制电路，是PC的主要编程语言。它沿用了继电器、触点、串联、并联等图形符号，如图16-7所示给出了梯形图与继电器原理图中几种元件的比较。梯形图如图16-8所示（图16-9是相应的接线图），图中每一触点和线圈都对应一个编号。梯形图每一个继电器线圈为一个逻辑行，每一行起始于左母线，然后从左到右是各触点的连接，最后终止于继电器输出线圈，有的还加上一条右母线。图16-8实现的功能为：当按下SB1按钮，常开触点0001闭合，输出继电器线圈0500接通，继电器KM1线圈带电。梯形图图16-7梯形图与继电器原理图元件比较图16-8梯形图图16-9接线图16.3可编程序控制器的编程语言16.3.1两种常用的编程语言梯形图与继电器控制电路有着严格的区别。①梯形图中的继电器不同于继电器控制电路中的物理继电器，如前所述，它是PC内部的一个存储单元，以存储单元的状态“0”和“1”分别表示继电器线圈的“断”、“通”。故称为“软继电器”。由于触发器的状态可读取任意次，软继电器的触点可以认为有无数个，而实际继电器的触点是有限的。②梯形图中只出现输入继电器的触点（如图16-8中0001输入触点），而不出现其线圈。因为输入继电器是由外部输入驱动的，而不能由内部其他继电器的触点驱动，输入继电器的触点只受相应的输入信号控制。③PC工作时，按梯形图从左到右，从上到下逐一扫描处理，而不存在几条并联支路同时动作的情况，因而继电器控制电路中各继电器均受通电状态的制约，可以同时动作。16.3可编程序控制器的编程语言16.3.1两种常用的编程语言指令语句表16.3可编程序控制器的编程语言16.3.2PC的基本指令LD——逻辑操作开始，称为取指令，用于常开触点与左母线连接；LDNOT——称为取反指令，用于常闭触点与左母线连接；OUT——输出指令，将逻辑行的运行结果输出。逻辑取（LD）、逻辑取反（LDNOT）和输出指令（OUT）触点串联指令AND和ANDNOT及触点并联指令OR和ORNOTAND——用于串联一个常开触点；ANDNOT——用于串联一个常闭触点；OR——用于并联一个常开触点；ORNOT——用于并联一个常闭触点。16.3可编程序控制器的编程语言16.3.2PC的基本指令触点串联指令AND和ANDNOT及触点并联指令OR和ORNOT【例16-1】将图16-10（a）所示梯形图用指令表表示。【解】用指令表表示图16-10（a）所示梯形图，如图16-10（b）所示。【例16-2】写出图16-11（a）所示的指令表。【解】用指令表表示图16-11（a）所示梯形图，如图16-11（b）所示。（a）梯形图（b）指令表图16-11LD，LDNOT，OUT的用法

（a）梯形图（b）指令表图16-11AND，ANDNOT，OR，ORNOT的用法16.3可编程序控制器的编程语言16.3.2PC的基本指令TIM——用于计时器的延时操作，其操作数包括定时器编号和延时设定值。下面举例说明定时器指令TIM的用法。如图16-12中所示定时器的编号为TIM00，延时设定值为0120。其功能为：当输入条件满足，即0001常开触点闭合、0002常闭触点闭合时，定时器TIM00开始减1定时，每经过0.1s，定时器的当前值减1。经过12s后，定时器的数值从0120减为0000。定时器常开触点接通并保持，则输出继电器线圈0500接通。当输入条件不满足时，不管定时器当前处于什么状态都复位，当前值恢复到设定值。在电源掉电时，定时器复位。定时器相当于时间继电器。定时器指令TIM（a）梯形图（b）指令表图16-12TIM指令的用法16.3可编程序控制器的编程语言16.3.2PC的基本指令计数器指令CNT——提供计数操作，其操作数包括计数器号和计数设定值。计数器有一个脉冲输入端CP，一个复位端R，计数器的设定值是指要计的脉冲个数。下面以图16-13为例说明计数器指令CNT的用法。当0002输入触点闭合，计数脉冲CP端从断到通，送入CNT一个计数脉冲，计数器计数一次，其设定值减1，当设定值减为0时，计数器的常开触点闭合，0500输出继电器接通。当复位端输入条件满足时（即0004触点闭合），计数器复位，当前值恢复到设定值，计数器的常开触点断开。当CP和R信号同时到来时，R优先。当PC断电时，计数器的计数值将保持当前值。计数器指令CNT（a）梯形图（b）指令表图16-13CNT指令的用法16.3可编程序控制器的编程语言16.3.2PC的基本指令互锁指令IL（02）在分支开始处用，分支结束用清除互锁指令ILC（03），如图16-14（a）所示。IL（02）和ILC（03）总是配合使用，当IL（02）指令前的互锁条件满足时，IL（02）与ILC（03）之间的编程语句正常工作，如同没有IL（02）和ILC（03）指令一样，当互锁条件不满足时，IL（02）和ILC（03）之间的所有输出线圈均为断开状态，定时器复位，计数器的状态保持不变。互锁指令IL（02）和清除互锁指令ILC（03）（a）梯形图（b）指令表图16-14IL和ILC的用法16.3可编程序控制器的编程语言16.3.2PC的基本指令NOP（00）——CPU执行该指令时不做任何逻辑操作，该指令只占一程序行的时间。END（01）程序结束指令，当PC执行至该指令时停止程序执行阶段，进入输出刷新阶段。其余的指令，此处不再赘述了，有兴趣的读者可参阅相关书籍。空操作指令NOP（00）和结束指令END（01）16.4可编程序控制器的应用举例16.4.1三相异步电动机直接启动控制16.4.3异步电动机的Y-D启动控制16.4.2异步电动机的正反转控制16.4可编程序控制器的应用举例16.4.1三相异步电动机直接启动控制控制过程分析如下：启动时按下SB1按钮，PC输入继电器0001的常开触点闭合，输出继电器0500接通，交流接触器KM接通，电动机开始运行，同时常开触点0500闭合实现自锁。停止时按下SB2按钮，PC输入继电器0002的常闭触点断开，输出继电器0500断开，交流接触器KM断电，电动机停止转动。（a）梯形图（b）指令表图16-15外部接线图图16-16梯形图和指令表16.4可编程序控制器的应用举例16.4.2异步电动机的正反转控制（a）梯形图（b）指令表

（c）指令表图16-17用PC实现电动机正反转控制的接线图、梯形图、指令表16.4可编程序控制器的应用举例16.4.2异步电动机的正反转