LC基本原理课程课件

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系统程程序关系到PLC的性能，不能由由用户直接存取，，因而，PLC产产品样本或使用手手册中所列存储器器形式及其容量一一般都是指用户存存储器而言。PLC中已提供一一定容量的存储器器供用户使用，但但对有些用户，可可能还不够用，因因此大部分PLC都提供了存储器器扩展(EM)功功能，用户可以将将新增的存储器扩扩展模板直接插入入CPU模板中中，也有的是插入入中央基板中。5.通信接口为了实现"人-机机"或"机-机"之间的对话，PLC中配有多种种通信接口。通过过这些通信接口，，PLC可以与监监视器、打印机、、其他PLC或计计算机相连。当PLC与打印机机相连时，可将过过程信息、系统参参数等输出打印；；当与监视器(CRT)相连时，，可将过程图像显显示出来；当与其其他PLC相连时时，可以组成多机机系统或连成网络络，实现更大规模模的控制；当与计计算机相连时，可可以组成多级控制制系统，实现控制制与管理相结合的的综合系统。6.智能I/O接接口为了满足更加复杂杂控制功能的需要要，PLC配有多多种智能I/O接接口。例如满足位位置调节需要的位位置闭环控制模板板，对高速脉冲进进行计数和处理的的高速计数模板等等等。这类智能模模板都有其自身的的处理器系统。7.I/O扩扩展接口当一个PLC中心心单元的I/O点点数不够用时，就就要对系统进行扩扩展。扩展接口就就是用于连接中心心基本单元与扩展展单元的。8.功能开关与与指示灯功能开关是用来控控制PLC工作状状态的，如编程、、监视、运行开关关等。指示灯有PLC工作状况指指示灯、电源指示示灯，电压过低指指示灯等。9.编程器编程器的作用是供供用户进行程序的的输入、编辑、调调试和监视。有的的编程器还可与打打印机或磁带机相相连，以将用户程程序和有关信息打打印出来或存放在在磁带上。磁带上上的信息可以重新新装入PLC。编程器有简易型和和智能型两类。简简易型编程器只能能联机编程，且往往往需要将梯形图图转化为机器语言言助记符后才能送送入，简易编程器器一般由简易键盘盘和发光二极管矩矩阵或其他显示器器件组成。智能编编程器又称图形编编程器，它可以联联机编程，也可以以脱机编程，具有有LCD(液晶显显示器)或CRT图形显示功能，，可直接输入梯形形图和通过屏幕对对话。也可以利用微机作作为编程器，这时时微机应配有相应应的软件包。2.2PLC的结构形式2.2.1单单元式结构图2.2.1单单元式结构的PLC2.2.2模模块式结构图2.2.2模模块式结构PLC的结构2.2.3叠叠装式结构前者结构紧凑、安安装方便、体积小小巧，易于与被控控设备组合成一个个整体，但由于每每个单元的I/O点数有一定的搭搭配关系，有时配配置的系统输入点点或输出点不能充充分利用，加之各各单元尺寸大小不不一致，因此不易易安装整齐。而后后者无论是输入还还是输出点数均可可灵活配置，又易易于构成较多点数数的大规模控制系系统，且尺寸统一一、安装整齐，但但是尺寸较大，难难于与小型设备联联成一体。为此有有些PLC生产厂厂家开发出叠装式式结构，将二者的的优点结合起来。。叠装式结构的CPU、电源、I/O等单元也是是各自独立的模块块，但它们相互的的连接安装不需要要用基板，仅用电电缆连接即可，并并且各模块可以一一层层地叠装。这这样，不但系统可可以灵活配置，还还可以将体积做得得小巧。2.3PLC的工作过程2.3.1大大中型PLC的工工作过程2.3.1大大中型PLC的工工作过程1．自监视扫描阶阶段为了保证工作的可可靠性，PLC内内部具有自监视或或自诊断功能。自自监视功能是由监监视定时器WDT(Watch-dogTimer)完成的，，WDT是一个个硬件时钟。自监监视过程主要是检检查及复位WDT。如果在复位前前，扫描时间已超超过WDT的设定定值，CPU将停停止运行、输入/输出复位，并给给出报警信号。这这种故障称为WDT故障。WDT故障可能由CPU硬件引起，也也可能由于用户程程序执行时间太长长，使扫描周期超超过WDT的规定定时间而引起。用用编程器可以清除除WDT故障。WDT的设定时间间一般为150～～200ms，，而一般系统的扫扫描时间均小于50～60ms。有些PLC中中，用户可以对WDT的时间进行行修改(修改方法法在使用手册中给给出)。2.与编程器交交换信息的扫描阶阶段用户程序通过编程程器写入PLC，，以及用编程器进进行在线监视和修修改时，CPU将将总线的控制权交交给编程器，CPU处于被动状态态。当编程器完成成处理工作或达到到信息交换的规定定时间，CPU重重新得到总线权，，并恢复主动状态态。在这一扫描阶段，，用户可以通过编编程器修改内存程程序，启动或停止止CPU，读CPU状态，封锁或或开放输入/输出出，对逻辑变量和和数字变量进行读读写等。3.与数字处理理器DPU交换信信息的扫描阶段当系统配有数字处处理器时，一个扫扫描周期中才包含含这一阶段。4.网络进行通通信的扫描阶段在配有网络络的PLC系统中，，才有通信信扫描阶段段。在这一一阶段，PLC与PLC之间间，PLC与磁带机机或与上位位计算机之之间进行信信息交换。。5.用户户程序扫描描阶段PLC处于于运行状态态时，一个个扫描周期期中包含了了用户程序序扫描阶段段。在用户程序序扫描阶段段，对应于于用户程序序存储器所所存的指令令，PLC从输入状状态暂存区区和其他软软元件的状状态暂存区区中将有关关元件的通通/断状态态读出，从从第一条指指令开始顺顺序执行，，每一步的的执行结果果均存入输输出状态暂暂存区。6.输入入/输出(I/O)服务扫描描阶段CPU在执执行用户程程序时，使使用的输入入值不是直直接从实际际输入端得得到的，运运算的结果果也不直接接送到实际际输出端，，而是在内内存中设置置了两个暂暂存区，一一个是输入入暂存区或或称输入映映像寄存器器，一个是是输出暂存存区或称输输出映像寄寄存器。用用户程序中中所用到的的输入值是是输入状态态暂存区的的值，运算算结果放在在输出状态态暂存区中中。图2.3.2给给出了用户户程序执行行阶段与I/O服务务阶段的信信息流程图图。在输入入服务(输输入采样及及输入刷新新)扫描过过程中，CPU将将实际输入入端的状态态读入输入入状态暂存存区。在输输出服务(输出刷新新与锁存)扫描过程程中，CPU将输出出状态暂存存区的值同同时传送到到输出状态态锁存器。。由于输入/输出暂存存区的设置置，使PLC对输入入/输出的的处理具有有以下特点点：输入状态暂暂存区的数数据，取决决于输入服服务阶段各各实际输入入点的通/断状态。。在用户程程序执行阶阶段，输入入状态暂存存区的数据据不再随输输入的变化化而变化。。在用户程序序执行阶段段，输出状状态暂存区区的内容随随程序执行行结果不同同而随时改改变，但输输出状态锁锁存器的内内容不变。。在输出服务务阶段，将将用户程序序执行阶段段的最终结结果由输出出状态暂存存区传递到到输出状态态锁存器。。输出端子子的状态由由输出状态态锁存器决决定。图2.3.2I/O服务务阶段与用用户程序执执行阶段2.3.2小型型PLC的的工作过程程图2.3.3小小型PLC的典型工工作过程小型PLC的工作过过程可以分分为四个扫扫描阶段。。①一般处处理扫描阶阶段。在此此扫描阶段段PLC复复位WDT，检查I/O总线线和程序存存储器。②执行外外设命令扫扫描阶段。。在此阶段段PLC执执行编程器器、图形编编程器等外外设输入的的命令。③执行用用户程序扫扫描阶段。。④数据输输入/输出出扫描阶段段。与大中中型PLC的I/O服务阶段段类似。2.3.3输入入/输出响响应的滞后后现象响应时间的的大小与以以下因素有有关：①输入滤滤波的时间间常数(输输入延迟)；②输出继继电器的机机械滞后(输出延迟迟)；③PLC的循环环扫描工作作方式；④PLC的输入入采样、输输出刷新的的特殊处理理方式；⑤用户程程序中语句句的安排，，程序的优优化。图2.3.4PLC的最最短响应时时间图2.3.5PLC的最最长响应时时间最长响应时时间＝输入入延迟时间间＋二个扫扫描周期＋＋输出延迟迟时间2.4PLC的的使用步骤骤1．系统设设计通过系统设设计