PLC基本原理课程课件4

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系统程序关关系到PLC的性能，不不能由用户户直接存取取，因而，，PLC产品样本或或使用手册册中所列存存储器形式式及其容量量一般都是是指用户存存储器而言言。PLC中已提供一一定容量的的存储器供供用户使用用，但对有有些用户，，可能还不不够用，因因此大部分分PLC都提供了存存储器扩展展(EM)功能，用户可可以将新增的的存储器扩展展模板直接插插入CPU模板中，也有有的是插入中中央基板中。。5.通信接口为了实现"人-机"或"机-机"之间的对话，，PLC中配有多种通通信接口。通通过这些通信信接口，PLC可以与监视器器、打印机、、其他PLC或计算机相连连。当PLC与打印机相连连时，可将过过程信息、系系统参数等输输出打印；当当与监视器(CRT)相连时，可将将过程图像显显示出来；当当与其他PLC相连时，可以以组成多机系系统或连成网网络，实现更更大规模的控控制；当与计计算机相连时时，可以组成成多级控制系系统，实现控控制与管理相相结合的综合合系统。6.智能I/O接口为了满足更加加复杂控制功功能的需要，，PLC配有多种智能能I/O接口。例如满满足位置调节节需要的位置置闭环控制模模板，对高速速脉冲进行计计数和处理的的高速计数模模板等等。这这类智能模板板都有其自身身的处理器系系统。7.I/O扩展接口当一个PLC中心单元的I/O点数不够用时时，就要对系系统进行扩展展。扩展接口口就是用于连连接中心基本本单元与扩展展单元的。8.功能开关与指指示灯功能开关是用用来控制PLC工作状态的，，如编程、监监视、运行开开关等。指示示灯有PLC工作状况指示示灯、电源指指示灯，电压压过低指示灯灯等。9.编程器编程器的作用用是供用户进进行程序的输输入、编辑、、调试和监视视。有的编程程器还可与打打印机或磁带带机相连，以以将用户程序序和有关信息息打印出来或或存放在磁带带上。磁带上上的信息可以以重新装入PLC。编程器有简易易型和智能型型两类。简易易型编程器只只能联机编程程，且往往需需要将梯形图图转化为机器器语言助记符符后才能送入入，简易编程程器一般由简简易键盘和发发光二极管矩矩阵或其他显显示器件组成成。智能编程程器又称图形形编程器，它它可以联机编编程，也可以以脱机编程，，具有LCD(液晶显示器)或CRT图形显示功能能，可直接输输入梯形图和和通过屏幕对对话。也可以利用微微机作为编程程器，这时微微机应配有相相应的软件包包。2.2PLC的结构形式2.2.1单元式结构图2.2.1单元式结构的的PLC2.2.2模块式结构图2.2.2模块式结构PLC的结构2.2.3叠装式结构前者结构紧凑凑、安装方便便、体积小巧巧，易于与被被控设备组合合成一个整体体，但由于每每个单元的I/O点数有一定的的搭配关系，，有时配置的的系统输入点点或输出点不不能充分利用用，加之各单单元尺寸大小小不一致，因因此不易安装装整齐。而后后者无论是输输入还是输出出点数均可灵灵活配置，又又易于构成较较多点数的大大规模控制系系统，且尺寸寸统一、安装装整齐，但是是尺寸较大，，难于与小型型设备联成一一体。为此有有些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的工作过程2.3.1大中型PLC的工作过程2.3.1大中型PLC的工作过程1．自监视扫描描阶段为了保证工作作的可靠性，，PLC内部具有自监监视或自诊断断功能。自监监视功能是由由监视定时器器WDT(Watch-dogTimer)完成的，WDT是一个硬件时时钟。自监视视过程主要是是检查及复位位WDT。如果在复位前前，扫描时间间已超过WDT的设定值，CPU将停止运行、、输入/输出复位，并并给出报警信信号。这种故故障称为WDT故障。WDT故障可能由CPU硬件引起，也也可能由于用用户程序执行行时间太长，，使扫描周期期超过WDT的规定时间而而引起。用编编程器可以清清除WDT故障。WDT的设定定时间间一般般为150～200ms，而一般般系统统的扫扫描时时间均均小于于50～60ms。有些PLC中，用用户可可以对对WDT的时间间进行行修改改(修改方方法在在使用用手册册中给给出)。2.与编程程器交交换信信息的的扫描描阶段段用户程程序通通过编编程器器写入入PLC，以及及用编编程器器进行行在线线监视视和修修改时时，CPU将总线线的控控制权权交给给编程程器，，CPU处于被被动状状态。。当编编程器器完成成处理理工作作或达达到信信息交交换的的规定定时间间，CPU重新得得到总总线权权，并并恢复复主动动状态态。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.与数数字字处处理理器器DPU交换换信信息息的的扫扫描描阶阶段段当系系统统配配有有数数字字处处理理器器时时，，一一个个扫扫描描周周期期中中才才包包含含这这一一阶阶段段。。4.网络络进进行行通通信信的的扫扫描描阶阶段段在配配有有网网络络的的PLC系统统中中，，才才有有通通信信扫扫描描阶阶段段。。在在这这一一阶阶段段，，PLC与PLC之间间，，PLC与磁磁带带机机或或与与上上位位计计算算机机之之间间进进行行信信息息交交换换。。5.用户户程程序序扫扫描描阶阶段段PLC处于于运运行行状状态态时时，，一一个个扫扫描描周周期期中中包包含含了了用用户户程程序序扫扫描描阶阶段段。。在用用户户程程序序扫扫描描阶阶段段，，对对应应于于用用户户程程序序存存储储器器所所存存的的指指令令，，PLC从输输入入状状态态暂暂存存区区和和其其他他软软元元件件的的状状态态暂暂存存区区中中将将有有关关元元件件的的通通/断状状态态读读出出，，从从第第一一条条指指令令开开始始顺顺序序执执行行，，每每一一步步的的执执行行结结果果均均存存入入输输出出状状态态暂暂存存区区。。6.输入/输出(I/O)服务扫描阶段段CPU在执行用户程程序时，使用用的输入值不不是直接从实实际输入端得得到的，运算算的结果也不不直接送到实实际输出端，，而是在内存存中设置了两两个暂存区，，一个是输入入暂存区或称称输入映像寄寄存器，一个个是输出暂存存区或称输出出映像寄存器器。用户程序序中所用到的的输入值是输输入状态暂存存区的值，运运算结果放在在输出状态暂暂存区中。图图2.3.2给出了用户程程序执行阶段段与I/O服务阶段的信信息流程图。。在输入服务务(输入采样及输输入刷新)扫描过程中，，CPU将实际输入端端的状态读入入输入状态暂暂存区。在输输出服务(输出刷新与锁锁存)扫描过程中，，CPU将输出状态暂暂存区的值同同时传送到输输出状态锁存存器。由于输入/输出暂存区的的设置，使PLC对输入/输出的处理具具有以下特点点：输入状态暂存存区的数据，，取决于输入入服务阶段各各实际输入点点的通/断状态。在用用户程序执行行阶段，输入入状态暂存区区的数据不再再随输入的变变化而变化。。在用户程序执执行阶段，输输出状态暂存存区的内容随随程序执行结结果不同而随随时改变，但但输出状态锁锁存器的内容容不变。在输出服务阶阶段，将用户户程序执行阶阶段的最终结结果由输出状状态暂存区传传递到输出状状态锁存器。。输出端子的的状态由输出出状态锁存器器决定。图2.3.2I/O服务阶段与用用户程序执行行阶段2.3.2小型PLC的工作过程图2.3.3小型PLC的典型工作过过程小型PLC的工作过程可可以分为四个个扫描阶段。。①一般处理理扫描阶段。。在此扫描阶阶段PLC复位WDT，检查I/O总线和程序存存储器。②执行外设设命令扫描阶阶段。在此阶阶段PLC执行编程器、、图形编程器器等外设输入入的命令。③执行用户户程序扫描阶阶段。④数据输入入/输出扫描阶段段。与大中型型PLC的I/O服务阶段类似似。2.3.3输入/输出响应的滞滞后现象响应时间的大大小与以下因因素有关：①输入滤波波的时间常数数(输入延迟)；②输出继电电器的机械滞滞后(输出延迟)；③PLC的循环扫描工