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系统程序关系到PLC的性能，不能由用户直接存取，因而，PLC产品样本或使用手册中所列存储器形式及其容量一般都是指用户存储器而言。PLC中已提供一定容量的存储器供用户使用，但对有些用户，可能还不够用，因此大部分PLC都提供了存储器扩展(EM)功能，用户可以将新增的存储器扩展模板直接插入CPU模板中，也有的是插入中央基板中。5.通信接口为了实现"人-机"或"机-机"之间的对话，PLC中配有多种通信接口。通过这些通信接口，PLC可以与监视器、打印机、其他PLC或计算机相连。当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印；当与监视器(CRT)相连时，可将过程图像显示出来；当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网络，实现更大规模的控制；当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合系统。6.智能I/O接口为了满足更加复杂控制功能的需要，PLC配有多种智能I/O接口。例如满足位置调节需要的位置闭环控制模板，对高速脉冲进行计数和处理的高速计数模板等等。这类智能模板都有其自身的处理器系统。7.I/O扩展接口当一个PLC中心单元的I/O点数不够用时，就要对系统进行扩展。扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。8.功能开关与指示灯功能开关是用来控制PLC工作状态的，如编程、监视、运行开关等。指示灯有PLC工作状况指示灯、电源指示灯，电压过低指示灯等。9.编程器编程器的作用是供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视。有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在磁带上。磁带上的信息可以重新装入PLC。编程器有简易型和智能型两类。简易型编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后才能送入，简易编程器一般由简易键盘和发光二极管矩阵或其他显示器件组成。智能编程器又称图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD(液晶显示器)或CRT图形显示功能，可直接输入梯形图和通过屏幕对话。也可以利用微机作为编程器，这时微机应配有相应的软件包。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、安装方便、体积小巧，易于与被控设备组合成一个整体，但由于每个单元的I/O点数有一定的搭配关系，有时配置的系统输入点或输出点不能充分利用，加之各单元尺寸大小不一致，因此不易安装整齐。而后者无论是输入还是输出点数均可灵活配置，又易于构成较多点数的大规模控制系统，且尺寸统一、安装整齐，但是尺寸较大，难于与小型设备联成一体。为此有些PLC生产厂家开发出叠装式结构，将二者的优点结合起来。叠装式结构的CPU、电源、I/O等单元也是各自独立的模块，但它们相互的连接安装不需要用基板，仅用电缆连接即可，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可以将体积做得小巧。2.3枪P炉LC的鲁工作过均程2.滴3.愿1愁大搜中型匆PL习C的披工作短过程2.蒸3.揪1缘瑞大窑中型侦PL卷C的御工作撕过程1．自驾监视扫提描阶段为了保猪证工作机的可靠顷性，P侄LC内氏部具有斑自监视捐或自诊警断功能德。自监舞视功能涌是由监竖视定时赏器WD陷T(W乖atc宇h-d摸og骡Tim逢er)夹完成的练，WD伴T是事一个硬蛛件时钟肾。自监戚视过程口主要是划检查及云复位W旺DT。商如果在零复位前矛，扫描邪时间已柏超过W系DT的拔设定值总，CP所U将停丈止运行辽、输入闻/输出菠复位，艇并给出客报警信私号。这港种故障骄称为W蛾DT故沟障。W欢DT故真障可能绕由CP型U硬件葵引起，背也可能厨由于用祖户程序井执行时叔间太长蛋，使扫春描周期慰超过W乘DT的守规定时厨间而引具起。用润编程器抓可以清瓜除WD督T故障幸。WD晕T的况设定严时间路一般母为1闭50抹～2巴00哈m垦s，予而一迹般系泽统的胀扫描棍时间馅均小暑于5抚0～雀60摔m池s。解有些饥PL河C中傲，用夺户可胁以对笋WD医T的穗时间带进行絮修改长(修概改方间法在劫使用艘手册毯中给霞出)究。2.逝与编程仓器交换光信息的情扫描阶丈段用户程香序通过耍编程器是写入P障LC，徐以及用运编程器前进行在两线监视葵和修改玻时，C兵PU将版总线的华控制权遍交给编纠程器，炸CPU怨处于被徐动状态丽。当编投程器完摧成处理贼工作或热达到信龙息交换恼的规定观时间，垂CPU拆重新得普到总线敬权，并际恢复主削动状态花。在这一烧扫描阶兄段，用倘户可以合通过编决程器修牧改内存斜程序，阻启动或留停止C竹PU，遍读CP滴U状态熊，封锁宇或开放估输入/旧输出，眼对逻辑搜变量和匆数字变戚量进行角读写等勤。3.壤与数字竖处理器裂DPU耗交换信晴息的扫月描阶段当系统恶配有数委字处理失器时，展一个扫洗描周期删中才包勺含这一太阶段。4.喝网络进添行通信景的扫描撑阶段在配有曲网络的佛PLC茎系统中拨，才有折通信扫林描阶段良。在这贩一阶段己，PL围C与P群LC之冲间，P斜LC与馅磁带机炮或与上坏位计算目机之间蚀进行信类息交换锈。5.梁用户程蜘序扫描堪阶段PL东C处风于运渠行状柿态时兽，一殊个扫搞描周戴期中隶包含利了用葛户程帽序扫交描阶排段。在用轻户程云序扫类描阶尖段，颂对应软于用株户程桂序存许储器萌所存项的指彩令，破PL煎C从煤输入昏状态膝暂存熔区和宇其他泻软元离件的焰状态割暂存棒区中暂将有珍关元砖件的岛通/陵断状斩态读见出，苍从第箭一条勉指令脏开始坐顺序负执行僵，每栏一步恢的执尺行结施果均奏存入扰输出侄状态画暂存影区。6.茶输入/信输出(缸I/O悉)服务值扫描阶珍段CPU诵在执行惠用户程昏序时，找使用的魔输入值贼不是直逃接从实锁际输入龙端得到串的，运照算的结峰果也不啊直接送率到实际查输出端物，而是讨在内存厕中设置旋了两个滔暂存区续，一个洪是输入句暂存区银或称输姥入映像向寄存器拿，一个宽是输出啊暂存区毫或称输璃出映像瞧寄存器熄。用户类程序中滨所用到银的输入饥值是输蚀入状态倒暂存区善的值，旋运算结驾果放在咽输出状叹态暂存专区中。议图2.锦3.2金给出了段用户程倡序执行敏阶段与嫌I/O缓服务阶内段的信胞息流程女图。在萌输入服通务(输悟入采样渣及输入磨刷新)属扫描过红程中，卧CPU杰将实躲际输入被端的状且态读入湾输入状添态暂存含区。在原输出服斜务(输嫁出刷新伪与锁存茅)扫描乌过程中勺，CP萌U将输拼出状态弃暂存区邮的值同后时传送戴到输出己状态锁才存器。由于用输入跃/输漂出暂巴存区兰的设乐置，强使P亦LC取对输猫入/议输出受的处扬理具泉有以捡下特纵点：输入状呜态暂存蛾区的数轰据，取颗决于输辞入服务厘阶段各遮实际输演入点的员通/断努状态。挠在用户杀程序执栏行阶段饰，输入悔状态暂姥存区的骗数据不召再随输捷入的变梨化而变撑化。在用户细程序执间行阶段足，输出途状态暂痰存区的秒内容随早程序执往行结果丢不同而赵随时改脖变，但滤输出状锯态锁存隶器的内翁容不变佛。在输惠出服辟务阶奖段，悠将用丑户程著序执坝行阶要段的存最终申结果由由输洞出状辰态暂沿存区往传递柔到输衡出状脊态锁奴存器粒。输匹出端杆子的秘状态百由输乓出状遍态锁秧存器糊决定务。图2传.3脉.2李I/非O服艰务阶悬段与马用户驰程序侨执行贡阶段2.证3.拜2堤小群型P袄LC读的工具作过窝程图2联.3唯.3全小型舍PL养C的括典型糟工作寸过程小型轮PL突C的养工作萝过程旗可以以分为微四个昏扫描原阶段趋。①一父般处理齐扫描阶首段。在行此扫描朗阶段P冲LC复滤位WD残T，检驴查I/雕O总线夫和程序湾存储器躁。②执辱行外设姐命令扫天描阶段喊。在此颗阶段P辟LC执弊行编程隶器、图报形编程伐器等外敬设输入窑的命令丙。③执镜行用户宇程序扫裂描阶段炭。④数境据输入冈/输出升扫描阶锅段。与慎大中型时PLC鸟的I/借O服务桑阶段类曲似。2.舰3.疤3待输降入/域输出瞒响应无的滞循后现泪象响应惧时间瓶的大阴小与芹以下扒因素特有关尼：①输坦入滤波迟的时间响常数(器输入延榨迟)；②输缘瑞出继电睬器的机愤械滞后夏(输出竟延迟)慌；③福P斧LC云的循冻环扫禽描工炎作方找式；④谁P纷LC幼的输抬入采掩样、苦输出遭刷新诉的特拼殊处班理方欠式；⑤俯用户恩程序坡中语昆句的膛安排野，程北序的洁优化群。图2画.3耍.4魄PL雀C的栋最短趣响应他时间图2.廊3.5循P亿LC的喊最长响添应时间最长响被应时间候＝输入巡寿延迟时分间＋二徐个扫描雨周期＋删输出延拖迟时间2.齐4息P饰LC许的使刺用步睡骤1．近系统货设计通过拼系统敏设计罪确定过被控猴制对过象的与动作级及动撞作顺勿序。壳例如读用C讨PM刊2A萝来控跳制一咬个报丢警器向或加也热器风周期摘性通串(O呼N)注和断附(O委FF浓)，捐TI尸M0锐00鼓导通钟时间春5漂s，望TI唇M0掀01州断开佳时间贞