可编程控制器的工作原理

1、辉达电工电子网可编程控制器的工作原理 2010-1-2    8:59:11      可编程控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器等等。这种用计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理继电器在功能上有某些相似之处。由于以上原因，在介绍可编程控制器的工作原理之前，首先介绍物理继电器的结构和工作原理。(a) (b)图2.10 继电器结构示意图继电器是一种用弱电信号控制输出信号的电磁开关，以有一百

2、多年的历史，是继电器控制系统中最基本的元件。图2.10（a）是继电器结构示意图，它主要由电磁线圈、铁心、触点和复位弹簧组成。继电器有两种不同的触点，当线圈断电时处于断开状态的触点称为长闭触点（如图2.10中的触点1，2）；当线圈通电时，电磁铁产生磁力，吸引衔铁，使长闭触头断开，常开触头闭合。图2.10(b)是继电器的线圈、常开触头和长闭触头在电路图中的符号。一只继电器可能有若干对常开触头和长闭触头，在继电器电路图中，用同一个由字母、数字组成的名称（如KA2）来标注同一个继电器的线圈和触点。继电器在控制系统中有以下作用：1.功率放大在控制系统中，常用继电器来实现弱电对强电的控制。例如可以用6V、

3、几十mA的直流电流驱动焊接在印刷电路板上的超小型继电器，用这种继电器的常开触点可以控制交流220V、2A的电阻性负载，可见继电器的功率放大倍数是相当大的。2.电气隔离继电器的线圈与触点在电路上是完全隔离开的，各对触点之间一般也是隔离开的。它们可以分别接在不同性质（交流或直流）和不同电压等级的电路中。利用这一性质，可以使可编程控制器的继电器型输出模块中的内部电子电路与可编程控制器驱动的外部负载在电路上完全分隔开。3.逻辑运算在开关量控制系统中，变量仅有两种相反的工作状态，如继电器线圈的通电和断电、触点的接通和断开，它们分别用逻辑代数中的“1”和“0”来表示，在波形图中，用高电平表示“1” 状态，

4、用低电平表示“0”状态。设A，B为输入逻辑变量，M为输出逻辑变量，它们之间的“与”、“或”、“非”逻辑运算关系如表2.1所示，用继电器电路或梯形图可以实现基本的“与”、“或”、“非”逻辑运算（见图2.11）。按触器的结构和工作原理与继电器的基本相同，区别仅在于继电器触点的额定电流较小，而接触器是用来控制大电流以负载的，例如它可以控制额定电流为几十A至几千A的异步电动机。  可编程控制器有两种基本的工作状态，即RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要老谋深算的用户程序来实现控制功能。为了使可编程控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序

5、不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直到可编程控制器停机或切换一到STOP工作状态。除了执行用户程序之外，在每次循环可分为5个阶段（见图2.12）。可编程控制器的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入输出关系来，处理过程似乎是同时完成的。在内部处理阶段，可编程控制器检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。图2.12 扫描过程在通信服务阶段，可编程控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令更新编程器的显示内容。当可编程控制器处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操作，可编程控制器处于运行（R

6、UN）状态时，还要完成另外三个阶段的操作（见图2.13），图中仅画出了与用户程序执行过程有关的三个阶段。在可编程控制器的存储器中设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器，可编程控制器梯形图中别的编程元件也有支应的映像存储器。在输入处理阶段，可编程控制器把所有外部输入伸展路的接通/断开（ON/OFF）状态主动性主输入映像寄存器。 外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存器为“1”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开，外接的输入触点电路断开时，对应的输入映像寄存器为“0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触

7、点接通。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个月扫描周期的输入处理阶段被子读入。可编程控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。在没有跳转指令时，CPU从第一个条指令开始，逐条顺序执行用户程序，直到用户程序结束周期的输入处理阶段被子读入。图2.13 扫描过程示意图 可编程控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排行。在没有跳转指令时，CPU从第一个条指令开始，逐条顺序执行用户程序，直到用户程序结束之处。在执行指令时从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中将有关编程元件的“0

8、”/“1”状态传送到寄存器中，因此，各编程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。 在输出处理阶段，CPU将输出映像寄存器的“0”/“1”状态传送到输出锁存器。梯形图中某一输出继电器的线圈“通电”时对应的输出映像寄存器为“1”状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出继电器的线圈“断电”，对应的输出映像寄存器为“0”状态，在输出处理阶段后，继电器型输出模块中对就的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开外部负载断电，停止工作，某一编程元件对应的映像寄存器为“1”状态时，称该编程元件为

9、ON映像寄存器为“0”状态时，称该 编程元件为OFF。下面用一个简单的例子来进一步说明可编程序控制器的扫描工作过程。图2.14（a）所示的PLC的输入输出接线图，起动按钮SB1和停止按钮SB2的常开触点分加别接在编号为X000和X001的可编程控制器的输入端，接触器KM的线圈接在编号为YO00的可编程控制器的输出端。图(b)是这3个输入/输出变量对应的I/O映像寄存器，图（c）是可编程控制器的梯形图，它与图2.14所示的继电器电路的功能相同。但是应注意，梯形图是一种软件，是可编程控制图形化的程序。图中的X000等是梯形图中的编程元件，XO00与X001是输入继电器，Y000是输出继电器。编程元

10、件X000与接在输入端子XO00的SB1的常开触点和输入映像寄存器XO00相对应，编程元件Y000与输出映像寄存器Y000和接要输出端子Y000的可编程控制器内部的输出电路相对应。(a) (b) (c) (d)图2.14 PLC的外部接线图与梯形图梯形图以指令的形成储存在可编程控制器的用户程序存储器中，梯形图与下面的4条指令对应“；”之后是该指令的注解。LD X000 ；接在左侧母线上的X000的常开触点。OR Y000 ； 与X00O的常开触点并联的Y000的常开触点。ANI X001 ；与并联电路串联的X001的常闭触点。OUT Y000 ；Y000的线圈。在输入处理阶段，CPU将SB1，

11、SB2的常开触点的状态读入相应的输入映像寄存器，外部触点接通时存入寄存器的是二进制数“1”，后之存入“0”。执行第一条指令时，从输入映像寄存器X000中取出二进制数并存入运算结果寄存器。执行第二条指令时，从输出映像寄存器Y000中取出二进制数，并与运算结果寄存器中的二进制数相“或”（触点的并联对应“或结算），然后存入运算结果寄存器。执行第三条指令时，取出输入映像寄存器X001中的二进制数，因为是常闭触点，取后后与前面的运算结果相“与“（电路的串联对应”与“运算），然后存入运算结果寄存器。在输出处理阶段，CPU将各输出映像寄存器中的二进制数传送给输出模块并锁存起来，如果输出映像寄存器Y000中存

12、放的是二进制数“1”，外接的KM线圈将通电，反之将断电。X000，X001和Y000的波形如图2.15(D)所示,高电平表示按下按钮或KM线圈通电,当T<T1时,读入输入映像寄存器X000和X001的均为二进制数“0”此时输出映像寄存器Y000中存入的亦为“0”在程序执行阶段,经过上述逻辑运算过程之后,运算结果仍为Y000=0,所以KM的线圈处于断电状态.在T<T1区间,虽然输入/输出信号的状态没有变化,用户程序胗一直反复不断地执行着。T=T1时按下起动按钮SB1，X0变为“1”状态，经逻辑运算后Y000变为“1”状态，在输出处理阶段，将Y000对应的输出映像寄存器中的“1关到输出

13、模块，可编程序控制器内Y000对应的物理继电器的常开触点接通，接触器KM的线圈通电。可编程控制器在RUN工作状态时，执行一次图2.13所示的扫描操作所示的扫描操作所需的晨间称为扫描周期，其典型值为1100ms。以OMRON公司C系列的P 型可编程序控制器为例，其内部处理时间为1.26ms；执行编程器等外部设备的命令所需的时间为12ms，未接外部设备该时间为0；输入输出处理的执行时间小于1ms。指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类及CPU执行速度有很大的关系。当用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指从可编程控制器的外部输入信号发生变化的时刻起至它控制的有关外部输出信号发生变化是时刻之间的时间间隔。它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分组成。输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触点动作时产生的抖动引起的不良影响。滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10ms左右。输出模块的滞后时间与模块开关