虚拟仪器设计测控应用典型实例04电子课件11plc

1、计算机测控系统李江全石河子大学机电学院电气工程系2009年11月 可编程序逻辑控制器（PLC）可编程控制器的基本概念国际电工委员会(International Electrical Committee)在1987年颁布的PLC标准草案中对PLC作了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”可编程序控制

2、器的产生与发展世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司(DEC)研制的PDP-14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意的效果。可编程自问世以来，发展极为迅速。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得了广泛的应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。如美国Rockwell自动化公司所属的A-B(Allen-Bradley)公司，GE-Fanuc公司，日本的三菱公司和立石公司，德国的西门子(Siemens)公司等。可编程控制器已作为一个独立的工业设备被列入生产中，成为当代电控装置的主导。中

3、国是20世纪80年代初引进、应用、研制、生产可编程控制器的。目前，中国已能够生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模，并在工业产品中获得了应用。 PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为以下几类。(1)顺序控制 (2)运动控制(3)闭环过程控制(4)数据处理 (5)通信和联网PLC的技术特点 1）可靠性特别高、抗干扰能力强，能适应各种恶

4、劣的工业环境 2）编程简单，易学、易懂 3）采用模块化结构，系统组成灵活方便 4）安装调试简单方便 可编程控制器的分类按硬件结构类型分类(1) 整体式结构整体式又叫单元式或箱体式，它的特点是将PLC的基本部件，如 CPU模块，I/O模块和电源等紧凑地安装在一个标准机壳内，组成PLC的一个基本单元或扩展单元。 (2) 模块式结构模块式结构又叫积木式。这种结构形式的特点是把PLC的每个工作单元都制成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、通讯模块等等。另外用一块带有插槽的母板(实质上就是计算机总线)把这些模块按控制系统需要选取后插到母板上，就构成了一个完整的PLC。这种结构的PLC的特点是系

5、统构成非常灵活，安装、扩展、维修都很方便。缺点是体积比较大。（3）叠装式结构 图示 叠装式可编程控制器叠装式结构是单元式和模块式相结合的产物。把某个系列的PLC工作单元的外形都制作成一致的外观尺寸，CPU、I/O口及电源也可做成独立的，不使用模块式PLC中的母板，采用电缆连接各个单元，在控制设备中安装时可以一层层地叠装，就成了叠装式PLC。图示是一款西门子S7-200叠装式PLC示意图。PLC按规模分类超小型64点以下,小型64128点,中型128512点,大型5128192点,超大型8192点以上.可编程控制器还可以按功能分为低档机、中档机及高档机。 可编程控制器的硬件组成及各部分功能主要由

6、中央处理器(CPU)，存储器，输入、输出接口，电源，扩展接口，通信接口，编程工具，智能I/O接口，智能单元等组成。PLC的硬件结构框图如图所示。中央处理器(CPU)主要作用1.接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。2.诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误。3.用扫描的方式通入I/O部件接收现场的状态或数据，并存入输入映像存储器或数据存储器中。4.PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，解释并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映像存储器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。存储器 PLC的存储器包括系

7、统存储器和用户存储器两部分 系统存储器一般存放系统程序。用户存储器主要用于存放用户程序、逻辑变量和其它一些信息输入/输出接口输入/输出接口是PLC与外界连接的接口。I/O单元实际上是PC与被控对象间传递输入、输出信号的接口部件。 PLC开关量输出接口按输出开关器件种类不同常有三种形式：一是继电器输出型第二种是晶体管输出型，通过光耦合使开关晶体管截止或饱和导通以控制外部电路；第三种是双向晶闸管输出型.按照负载使用电源不同，分为直流输出接口、交流输出接口和交直流输出接口。 通常PLC的开关量输入接口按使用的电源不同有三种类型：直流1224V输入接口，交流100120V或200240V输入接口与交直

8、流(AC/DC)1224V输入接口。输入开关可以是无源触点或传感器的集电极开路的晶体管。 .开关量输入接口电路 电源单元 PLC一般使用220V单相交流电源，电源部件将交流电转换成中央处理器、存储器等电路工作所需的直流电，保证PLC的正常工作。对于整体式结构的PLC，电源通常封装在机箱内部；对于组合式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。外部设备 1编程设备一般有两类：一类是专用的编程器另一类是个人计算机2其他外部设备(1)盒式磁带机 用以记录程序或信息。(2)打印机 用以打印程序或制表。(3)EPROM写入器 用以将程序写入到用户EPROM中。(4)高分辨率大屏幕

9、彩色图形监控系统 用以显示或监视有关部分的运行状态。可编程序控制器的软件组成可编程序控制器的软件由系统软件和用户程序两大部分组成。系统软件由PLC制造商 固化在机内，用以控制可编程序控制器本身的运作；用户程序则是由使用者编制并输入的， 用来控制外部对象的运作。系统软件系统软件包含系统的管理程序，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。系统管理程序用以完成机内运行相关时间分配、存储空间分配管理及系统自检等工作。用户指令的解释程序用以完成用户指令变换为机器码的工作。系统软件在用户使用可编程控制器之前就已装入机内，并永久保存，在各种控制工作中并不需要做什么调整。应用软件应用软

10、件也叫用户软件。是用户针对具体控制对象，采用PLC厂家提供的编程语言自主编制的程序。它是一定控制功能的表述，同一台PLC用于不同的控制目的时，需编制不同的应用程序，相当于改变可编程序控制器的用途，也相当于继电接触器控制设备的硬接线线路进行重设计和重接线，这就是所谓的“可编程序”。程序既可由编程器方便地送人PLC内部的存储器中，也能通过它方便地读出、检查与修改。PLC的编程语言应用程序的编制需使用可编程控制器生产厂方提供的编程语言。至今为止还没有一种能适合于各种可编程序控制器的通用编程语言。但由于各国可编程控制器的发展过程有类似之处，可编程序控制器的编程语言及编程工具都大体差不多。一般常见的有如

11、下几种编程语言的表达方式。1梯形图(LAD) 2.指令表(STL)编程3功能块图(Functionblockdiagram)4顺序功能图(Sequential FunctiOn Chart)5结构文体(Structuredtext)1梯形图(LAD) 梯形图(LAD)编程语言是一种以图形符号及其在图中的相互关系表示控制关系的编程语言，是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。它的许多图形符号与继电器控制系统电路图有对应关系见表PLC梯形图的一个关键概念是“能流”，是一种假想的“能量流”。要强调的是，引入“能流”概念，仅仅是为了和继电接触器控制系统相比较，告诉人们如何来理解梯形图各输出点的动作

12、，实际上并不存在这种“能流”。 2.指令表(STL)编程指令表也叫语句(Statement List)，它类似于计算机中的助记符语言，是可编程序控制器最基础的编程语言。所谓指令表编程，是用一系列的指令表达程序的控制要求。一条典型指令往往由两部分组成：一是用来代表可编程序控制器的某种操作功能的特定字符，如图中的“LD”，称为助记符；另一部分为操作数或称为操作数的地址如“I0.1”。指令与梯形图有一定的对应关系 图右边是指令表编程举例。图中LD指令为常开触点与左侧母线相连接， O指令为常开触点与其他程序段相并联， AN指令为常闭触点与其他程序段相串联， “=”指令为将运算结果输出到某个继电器，I0

13、0、I0I02中I为输入继电器，后面数字为编号，Q11中Q为输出继电器，后面数字为编号，M03中M为内部标志位，也称位存储区，类似于继电接触器系统中的中间继电器。3. 功能块(Functionblockdiagram)功能块图与语句表功能块图是一种类似于数字逻辑电路的编程语言，熟悉数字电路的人比较容易掌握。该编程语言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，信号自左向右流动。就像电路图一样，它们被“导线”连接在一起.在与控制元件之间的信息、数据流动有关的高级应用场合，FBD是很有用的。4. 顺序功能图(SequentialFunctiOn Cha

14、rt)顺序功能图（SFC）常用来编制顺序控制类程序。它包含步、动作、转换三个要素。顺序功能编程法可将一个复杂的控制过程分解为一些小的工作状态，对这些小的工作状态的功能分别处理后再依一定的顺序控制要求连接组合成整体的控制程序。 顺序功能图体现了一种编程思想，在程序的编制中有很重要的意义。 5. 结构文体(Structuredtext)随着PLC的飞速发展，如果许多高级功能还使用梯形图来表示，会很不方便。为了增强PLC的数学运算、数据处理、图表显示、报表打印等功能，许多大中型PLC都配备了PASCAL、BASIC、C语言等高级编程语言。这种编程方式叫作结构文本。与梯形图相比，结构文本有两个很大的优

15、点，其一是能实现复杂的数学运算，其二是非常简洁和紧凑，用结构文本编制极其复杂的数学运算程序是相当简洁的。结构文本用来编制逻辑运算程序也很容易。可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理与计算机的工作原理基本上是一致的，可以简单地表述为在系 统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户所规定的任务。但个人计算机与PLC的工作方式有所不同，计算机一般采用等待命令的工作方式。如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式。当键盘有键按下或I/O口有信号时则中断转入相应的子程序。因此，当控制软件发生故障时，会一直等待键盘或I/O命令，可能发生死机现象。而PLC作为工业专用控制机，采用循环扫描用户程序工作方式，即系

16、统工作任务管理及应用程序执行全部都是以循环扫描方式完成的。当软件发生故障时，可以定时执行下一轮扫描，避免了死机现象，因此可靠性更高。分时处理及扫描工作方式1.PLC输入信号传送方式PLC采集现场信息即采样输入信号有两种方式：（1）集中采样输入方式。一般在扫描周期的开始或结束将所有输入信号（输入元件的通/断状态）采集并存放到输入映像寄存器（PII）中。执行用户程序所需输入状态均在输入映像寄存器中取用，而不直接到输入端或输入模块中去取用。（2）立即输入方式。随程序的执行需要哪一个输入信息就直接从输入端或输入模块取用这个输入状态,同样，PLC对外部的输出控制也有集中输出和立即输出两种方式。此时输入映

17、像寄存器的内容不变，到下一次集中采样输入时才变化。PLC对输入、输出信号一般采用集中输入、输出的传送方式，在有特殊要求的地方执行立即输入/输出指令，此时全部或部分的输入点信号读入一次，以刷新输入映像寄存器内容，或将此时的输出结果立即向输出端或输出模块输出。 2.PLC工作全过程PLC工作的全过程可用图所示的运行框图来表示。整个运行可分为三部分：第一部分是上电处理。机器上电后对PLC系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。 第二部分是扫描过程。 PLC上电处理完成以后进入扫描工作过程。先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时

18、钟、特殊寄存器更新。当CPU处于STOP方式时，转人执行自诊断检查。当CPU处于RUN方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。 第三部分是出错处理。 PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通信等是否异常或出错，如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描停止。 PLC运行框图 3.从输入到输出信号传递过程(1)输入采样阶段 PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存人内存中各对应的输入映

19、像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着，进入程序执行阶段，在程序执行阶段或输出阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。 (2)程序执行阶段 根据PLC梯形图程序扫描原则，PLC按先左后右，先上后下的步序语句逐句扫描。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器中“读入”上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器“读入”对应元件映像寄存器的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来

20、说，每一个元件(输出“软继电器”的状态)会随着程序执行过程而变化。 (3)输出刷新阶段 在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继电器的状态(接通/断开)在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。输入输出滞后时间输入输出滞后时间又称为系统响应时间，是指PLC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的时刻止之间的时间间隔。它由输入电路的滤波时间、输出模块的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分所组成。 PLC的中断处理由于PLC的循环扫描工作方式不可避免地带来了“逻辑滞后”。那么，PLC能不能象计算机那样采用中断输入的方法，即当有中断申请

21、信号输入后，系统会中断正在执行的程序而转去执行相关的中断子程序；系统若有多个中断源时，它们之间按重要性是否有一个先后顺序的排队；系统能否由程序设定允许中断或禁止中断等等。PLC关于中断的概念及处理思路与一般微机系统基本是一样的，但也有特殊之处。 (1).PLC的中断响应问题 一般微机系统的CPU，在执行每一条指令结束时去查询有无中断申请。而PLC对中断的响应则是在相关的程序块结束后查询有无中断申请和在执行用户程序时查询有无中断申请，如有中断申请，则转入执行中断服务程序。如果用户程序以块式结构组成，则在每块结束或实行块调用时处理中断。 (2).中断源先后顺序及中断嵌套问题 在PLC中，中断源的信

22、息是通过输入点而进入系统的，PLC扫描输入点是按输入点编号的先后顺序进行的，因此中断源的先后J顷序只要按输入点编号的顺序排列即可。系统接到中断申请后，顺序扫描中断源，它可能只有一个中断源申请中断，也可能同时有多个中断源申请中断。系统在扫描中断源的过程中，就在存储器的一个特定区域建立起“中断处理表”，按顺序存放中断信息，中断源被扫描过后，中断处理表亦已建立完毕，系统就按该表J顷序先后转至相应的中断子程序人口地址去工作。必须说明的是，多中断源可以有优先顺序，但无嵌套关系。即中断程序执行中，若有新的中断发生，不论新中断的优先顺序如何，都要等执行中的中断处理结束后，再进行新的中断处理。所以在PLC系统

23、工作中，当转入下一中断服务子程序时，并不自动关闭中断，所以也没有必要去开启中断。(3) 中断服务程序执行结果信息输出问题 PLC按巡回扫描方式工作，正常的输入、输出在扫描周期的一定阶段进行，这给外设希望及时响应带来了困难。采用中断输入，解决了对输入信号的高速响应。当中断申请被响应，在执行中断子程序后有关信息应当尽早送到相关外设，而不希望等到扫描周期的输出传送阶段，就是说对部分信息的输入或输出要与系统CPU的周期扫描脱离，可利用专门的硬件模块(如快速响应I/0模块)或通过软件利用专门指令使某些I/O立即执行来解决 可编程控制器系统与继电接触器系统工作原理的差别继电接触器指以电磁开关为主体的低压电

24、器元件，用导线依一定的规律将它们连接起来得到的继电器控制系统，接线表达了各元器件之间的关系。要想改变逻辑关系就要改变接线关系，显然是比较麻烦的。而可编程控制器是计算机。在它的接口上接有各种元器件，而各种元器件之间的逻辑关系是通过程序来表达的，改变这种关系只要重新编排原来的程序就行了，比较方便。从工业应用来看，可编程控制器的前身是继电接触器系统。在逻辑控制场合，可编程控制器的梯形图和继电器线路图非常相似。但是这二者之间在运行时序问题上，有着根本的不同。对于继电器的所有触点的动作是和它的线圈通电或断电同时发生的。但在PLC中，由于指令的分时扫描执行，同一个器件的线圈工作和它的各个触点的动作并不同时

25、发生。这就是所谓的继电接触器系统的并行工作方式和PLC的串行工作方式的差改变这种关系只要重新编排原来的程序就行了，比较方便。可编程序控制器的主要性能指标描述PLC性能的几个术语 描述PLC性能时，经常用到位、数字、字节及字等术语。 位 指二进制的一位，仅有1、0两种取值。一个位对应PLC一个继电器，某位的状态为1或0，分别对应继电器线圈通电或断电。数字 4位二进制数构成一个数字，这个数字可以是00001001(十进制)，也可以是00001111(十六进制)。字节 两个数字或8位二进制数构成一个字节。字 两个字节构成一个字。在PLC术语中，字称为通道。一个字含16位，或者说一个通道含16个继电器。PLC的主要性能指标1.存储容量2.输入输出点数3.扫描速度 4.编程指令的种类和数量5.扩展能力6.智能单元的数量1.存储容量系统程序存放在系统程序存储器中。这里说的存储容量指的是用户程序存储器的容量，用户程序存储器容量决定了PLC可以容纳的用户程序的长短，一般以字为单位来计算。每1024个字节为1KB。中、小型PLC的存储容量一般在8KB以下，大型PLC的存储容量可达到256KB2MB。也有的PLC用存放用户程序的指令