可编程控制器的基本结构及工作原理

可编程控制器的基本结构及工作原理【主要内容】

可编程控制器概述可编程控制器的硬件构成可编程控制器的编程语言可编程控制器的工作原理小结思考题与习题可编程控制器的基本结构和工作原理23.1可编程控制器的概述1987年2月，国际电工委员会（InternationElectricalCommittee，IEC）年颁发的可编程控制器标准草案第三稿中对可编程控制器的定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时，计数和算术运学等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。可编程控制器的基本结构和工作原理33.1可编程控制器的概述由此可见，对可编程控制器的定义随着其功能的不断扩展，而有所改变。无论是何种定义，都会重点说明三个概念：即PLC是什么，它具备什么功能（能干什么），以及PLC及其控制系统的设计原则。定义强调了PLC直接用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和应用范围。可编程控制器的基本结构和工作原理43.1可编程控制器的概述3.可编程控制器的特点可靠性高，抗干扰能力强（硬件抗干扰和软件抗干扰）。通用性强，使用方便。采用模块化结构，接口种类多，便于现场连接、扩充。编程、程序修改方便，易掌握。维护调试方便（I/O指示）。可编程控制器的基本结构和工作原理53.1可编程控制器的概述扛干扰硬件措施：屏蔽：对PLC的电源变压器、内部CPU、编程器等主要部件采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防止外界的电磁干扰。滤波：对PLC的输入输出线路采用了多种形式的滤波，以消除或抑制高频干扰。隔离：在PLC内部的微处理器和输入输出电路之间，采用了光电隔离措施。采用模块式结构：这种结构一旦查出某模块出现故障，就能迅速更换，使系统恢复正常工作。可编程控制器的基本结构和工作原理63.1可编程控制器的概述抗干扰软件措施：故障检测：设计故障检测软件定期地检测外界环境，如掉电、欠电压信号等，以便及时处理。信息保护和恢复：信息保护和恢复软件使PLC偶尔发生故障条件出现时，将PLC内部信息进行保护以免遭破坏。故障条件消失，则恢复工作。设置监视定时器WDT：如PLC程序每次循环执行时间超过WDT规定的时间，预示程序进入死循环，立即报警。对程序进行检查和检验：一旦程序有错，立即报警，并停止执行。可编程控制器的基本结构和工作原理73.1可编程控制器的概述4.可编程控制器的应用范围随着PLC功能的不断完善，性价比不断提高，PLC的应用越来越广泛，已大量应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电子、机械制造、汽车、船舶、装卸、造纸、纺织、环保、娱乐等各行各业。顺序控制PLC取代传统的继电器构成顺序控制系统，是PLC最广泛的应用领域。可编程控制器的基本结构和工作原理83.1可编程控制器的概述运动控制

PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

过程控制

PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。

数据处理

随着PLC技术的发展，已把支持顺序控制的PLC和CNC的设备紧密地结合了起来。可编程控制器的基本结构和工作原理93.1可编程控制器的概述

通信和联网为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FactoryAutomatization，FA）系统、柔性制造系统（FlexibleManufactureSystem，FMS）及集散控制系统（DistributedControlSystem，DCS）等发展的需要，必须发展PLC之间、PLC和上位计算机之间的通信功能。作为实时控制系统，不仅对PLC数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电、故障时的对策等。可编程控制器的基本结构和工作原理103.1可编程控制器的概述5.可编程控制器的发展状况目前，国内已可生产中小型PLC。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一定的规模并在工业产品中获得了应用。台达电通股份有限公司生产的ES/EX/SS系列DVP-PLC，以其价廉物美也得到了广泛应用。可编程控制器的基本结构和工作原理113.1可编程控制器的概述国际上竞争较强的欧洲的西门子公司、日本的三菱和欧姆龙公司、美国的AB和GE公司。可编程控制器的基本结构和工作原理12三菱公司的产品有：FX系列：为小型PLC，单元式，单机最大容量为256点。A系列、AnS系列、Q系列、QnA系列等为模块式大型PLC，最大容量为8K点。西门子公司产品有：S7-200：微型PLC，单元式，单机最大容量为256点。S7-300：小到中型PLC，单机最大容量为1K点。S7-400：大到超大型PLC，单机可组态数万点。AB公司产品有：Micrologix：微型PLC，单机最大容量为256点。SCL500：小到中型PLC，单机最大容量为1K点。PLC5：大到超大型PLC，单机可组态数万点。欧姆龙公司产品有：MiniSk20、SRM1、CPM1A、CPM2A等：微型PLC，单机最大容量为256点。C200、SYSMAC、CQM1：小到中型PLC，单机最大容量为1K点。CVM1、CV500～2000：大到超大型PLC，单机可组态5000点。3.1可编程控制器的概述由此可见PLC的类型多，型号、规格、厂家各异，如何进行分类存在一定困难，其技术指标主要有输入/输出点数、扫描速度（毫秒/千步）、存储器容量、编程语言、指令功能等。一般按以下原则考虑分类。可编程控制器的基本结构和工作原理13（1）按I/O点数容量分类，大致可分为大、中、小型3种：小型PLCI/O点数在256点以下，用户程序存储器容量在2K字以下；中型PLCI/O点数在256到2048之间，用户程序存储器容量一般为2～8K；大型PLCI/O点数在2048以上，用户程序存储器容量达8K字以上。3.1可编程控制器的概述（2）按结构形式分类：可编程控制器的基本结构和工作原理14整体式结构：微型、小型PLC一般为整体式结构。整体式结构的特点是将PLC的基本部件，如CPU板、输入/输出接口、电源板等紧凑地安装在一个标准机壳内，构成一个整体，组成PLC的一个基本单元（主机）。基本单元上设有扩展端口，通过扩展电缆与扩展单元（模块）相连。小型PLC系统还提供许多专用的特殊功能模块，如模拟量输入/输出模块、热电偶、热电阻模块、通信模块等，以构成不同的配置，完成特定的控制任务。整体式结构的PLC体积小，成本低，安装方便。模块式结构：中型、大型PLC多采用模块式结构。模块式结构的PLC由一些模块单元构成，这些标准模块有CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块、各种功能模块等。像堆积木一样，使用时将这些模块插在框架上或基板上即可。各模块功能是独立的，外形尺寸统一，可根据需要灵活配置。3.1可编程控制器的概述6.可编程控制器的发展趋势PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能、信息化、软PLC、标准化、与现场总线技术紧密结合等方向发展。小型化、专用化、低成本大容量、高速度、信息化智能化模块的发展为了实现某些特殊的控制功能，PLC制造商开发出了许多智能化的I/O模块。这些模块本身带有CPU，使得占用主可编程控制器的基本结构和工作原理153.1可编程控制器的概述人机界面（接口）的发展HMI（Human-MachineInterface）在工业自动化系统中起着愈来愈重要的作用，PLC控制系统在HMI方面的进展主要体现在以下几个方面：编成工具的发展、功能强大、价格低廉的HMI、基于PC的组态软件。在过程控制领域的使用以及PLC的冗余特性虽然PLC的强项是在制造业领域使用，但随着通信技术、软件技术和模拟量技术发展并不断地融合到PLC中，它现在也被广泛使用到了过程控制领域。可编程控制器的基本结构和工作原理16CPU的时间很少，减少了对CPU扫描速度的影响，提高了整个PLC控制系统性能3.1可编程控制器的概述开放性和标准化世界上生产大约400多个品种的PLC产品，但没有一个统一的规范和标准，所有PLC产品在使用上都存在着一些差别,而这些差别的存在对PLC产品制造商和用户都是不利的。现在的PLC采用了各种工业标准，如IEC61131、IEEE802.3以太网、TCP/IP、UDP/IP等，以及各种事实上的工业标准，如WindowsNT、OPC等。特别是PLC的国际标准IEC61131，为PLC从硬件设计、编程语言、通信联网等方面都制定了详细的规范。可编程控制器的基本结构和工作原理173.1可编程控制器的概述通信联网功能的增强和易用化在中大型PLC控制系统中，需要多个PLC以及智能仪器仪表连接成一个网络，进行信息的交换。PLC通信联网功能的增强使它更容易与PC和其他智能控制设备进行互联，使系统形成一个统一的整体，实现分散控制和集中管理。软PLC的概念所谓软PLC（SoftPLC）就是在PC机的平台上，在Windows操作环境下，用软件来实现PLC的功能。PAC的概念就是PAC（ProgrammableAutomationController），或基于PC机框架的控制器。可编程控制器的基本结构和工作原理183.1可编程控制器的概述PLC在现场总线控制系统中的位置在现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）中，增加了相关通信协议接口的PLC，即可以作为主站成为FCS的主控制器，也可以作为智能化的从站实现分散式的控制，一些软PLC配合通信板卡也可以作为FCS的主站。可编程控制器的基本结构和工作原理193.2可编程控制器的硬件构成PLC在组成上与一般的微机系统基本相同，由中央处理器CPU、存储器（ROM/RAM）、输入/输出（I/O）接口、电源、各种接口、其他部件组成。可编程控制器的基本结构和工作原理20整体式PLC组成示意图模块式PLC组成示意图3.2可编程控制器的硬件构成可编程控制器的基本结构和工作原理211.中央处理器CPU是PLC的核心，其功能是指挥PLC有条不紊地进行工作，其主要任务如下。接收、存储用户程序和数据，并通过显示器显示出程序的内容和存储地址。检查、校验用户程序。对输入的用户程序进行检查，发现语法错误立即报警，并停止输入；在程序运行过程中若发现错误，则立即报警或停止程序的执行。接收、调用现场信息。将接收到现场输入的数据保存起来，在需要数据的时候将其调出、并送到需要该数据的地方。执行用户程序。PLC进入运行状态后，CPU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递、逻辑或算数运算，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。故障诊断。诊断电源、PLC内部电路的故障，根据故障或错误的类型，进行报警显示。不同的PLC的CPU芯片是不同的，有的采用通用CPU芯片如8031、8051、8086、80826等，也有的采用厂家自行设计的专用CPU芯片，如西门子公司的S7-200系列的PLC均采用自行研制的专用芯片，CPU芯片的性能关系到PLC处理控制信号的能力和速度。3.2可编程控制器的硬件构成可编程控制器的基本结构和工作原理222.存储器PLC存储器可分为系统程序存储器、用户程序存储器、工作数据存储器3种。系统程序存储器它用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接系统程序的质量好坏，很大程度上决定了PLC的基本性能，其内容主要包括三个部分。3.2可编程控制器的硬件构成可编程控制器的基本结构和工作原理23其一是系统管理程序，它主要控制PLC的运行，使整个PLC按部就班地工作；其二是为用户指令解释程序，通过用户指令解释程序，将PLC的编程语言变为机器语言指令,再由CPU执行这些指令；其三为标准程序模块与系统调用程序，它包含许多不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、输出及特殊运算等子程序，PLC的具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少决定了PLC性能的强弱。3.2可编程控制器的硬件构成可编程控制器的基本结构和工作原理24用户程序存储器根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务，用规定的PLC语言编程语言的各种用户程序。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以是RAM（有锂电池进行掉电保护）、EPROM或EEPROM存储器，其内容可以有用户任意修改或增删。目前较先进的PLC采用可随时读写的快闪存储器作为用户程序存储器。快闪存储器不需后备电池，掉电时数据也不会丢失。3.2可编程控制器的硬件构成工作数据存储器工作数据存储器用来存储工作数据，即用户程序中使用的ON/OFF状态、数值数据等。在工作数据区中开辟有元件映像寄存器和数据表。其中元件映像寄存器用来存储开关量输入/输出状态以及定时器、计数器、辅助继电器等内部部件的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它存储用户程序执行时的某些可变参数值及A/D转换得到的数字量和数学运算的结果等。在PLC断电时能保持数据的存储器区称为数据保持区。如表格所示为PLC基本的内部装置，它们被分配在工作数据存储器中。可编程控制器的基本结构和工作原理253.2可编程控制器的硬件构成3.输入/输出接口输入/输出接口是PLC与外界连接的接口，输入/输出点的作用是将输入/输出设备与PLC进行连接，使PLC与现场设备构成控制系统，以便从现场通过输入设备（元件）得到信息（输入），或将经过处理后的控制命令通过输出设备（元件）送到现场（输出），从而实现自动控制的目的。可编程控制器的基本结构和工作原理263.2可编程控制器的硬件构成输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等的开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等来的模拟量输入信号。开关量输入回路开关量输入点接线方式有两种：漏型接法（SINK）和源型接线法（SOURCE）输入点漏型接线法可编程控制器的基本结构和工作原理27输入点漏型接线法输入点源型接线法3.2可编程控制器的硬件构成模拟量输入回路如图所示，分别给出了输入电压、输入电流、电源模块端子、屏蔽电缆和接地等各种模块。可编程控制器的基本结构和工作原理283.2可编程控制器的硬件构成输出接口输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）等。开关量输出开关量输出有三种方式：继电器输出回路，晶体管NPN输出回路，晶体管PNP输出回路。可编程控制器的基本结构和工作原理293.2可编程控制器的硬件构成可编程控制器的基本结构和工作原理30继电器输出回路接线法3.2可编程控制器的硬件构成可编程控制器的基本结构和工作原理31晶体管NPN回路接线法晶体管PNP回路接线法3.2可编程控制器的硬件构成模拟量输出模拟量输出分为两种：电压输出和电流输出。可编程控制器的基本结构和工作原理323.2可编程控制器的硬件构成4.电源小型整体式PLC内部有一个开关电源。电源一方面可以为CPU板（或MPU模块）、I/O板（或I/O模块）及扩展单元提高工作电源5VDC（或24VDC），另一方面可为外部输入元件提高24VDC工作电源，电源模块与其他模块的连接如图所示。可编程控制器的基本结构和工作原理333.2可编程控制器的硬件构成5.各种接口各种接口包括扩展接口、通信接口、智能I/O接口等。如下图所示为DVP-SX2系列的CPU模块外形示意图，上面有RS232通信接口、USB接口、侧面有模块连接接口、下侧右一个RS485接口等，RS232、RS485与USB都可以用来编程、连接人机界面，RS232、RS485可以用来联网等。可编程控制器的基本结构和工作原理343.2可编程控制器的硬件构成可编程控制器的基本结构和工作原理35DVP-SX2CPU模块外形示意图RS485的连接3.3可编程控制器的编程语言关于PLC的编程语言目前各厂家都有自己不同的编程语言，互不兼容，有识之士已经着手统一，IEC提出IEC61131标准，希望能够统一编程语言。PLC编程语言目前共有5种，其中3种为图形语言，它们是梯形图(LadderDiagram，LD)、功能块图(FunctionBlockDiagram，FBD)、顺序功能图(SequentialFunctionChart，SFC)；2种文本语言，它们是指令列表(InstructionList，IL)、结构化文件(StructureText，ST)。可编程控制器的基本结构和工作原理363.3可编程控制器的编程语言1.梯形图语言梯形图是最早的一种PLC的编程语言，也是现在最常用的编程语言。它是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的，它继承了电器控制系统中的基本工作原理和电气逻辑关系的表示方法，梯形图与继电器控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别，所以在逻辑顺序控制中得到了广泛应用，其特点是直观、清晰。如图所示是实现二个电动机互锁启停控制的梯形图。可编程控制器的基本结构和工作原理373.3可编程控制器的编程语言可编程控制器的基本结构和工作原理382.指令表语言指令列表语言是类似于计算机的汇编语言，它以指令的形式，按顺序编制PLC控制程序并逐条列出指令。下面是对应上图梯形图的指令表语言。LDX1ORY1ANIX3ANIY3OUTY1LDX2OR

Y2ANIX4ANIY1OUTY2END3.3可编程控制器的编程语言3.顺序功能图SFC顺序功能图，亦称功能图，使用它可对具有并发、选择等复杂结构的系统进行编程，特别适合在复杂的顺序控制系统中使用。在SFC中，最重要的三个元素是状态（步）、与状态相关的动作、转移。可编程控制器的基本结构和工作原理39左图为交通灯控制的SFC3.3可编程控制器的编程语言4.功能块语言FBD它使用像电子电路中的各种门电路，加上输入、输出，通过一定的逻辑连接方式来完成控制逻辑，它可以把函数（FUN）和功能块（FB）连接到电路中，完成各种复杂的功能和计算。使用FBD，用户可以编写出自己的FUN或FB。可编程控制器的基本结构和工作原理40功能块语言FBD3.3可编程控制器的编程语言

5.高级语言随着PLC技术的不断发展，为了增强PLC的运算、数据处理及通信等功能，以上编程语言不能满足要求。近年来推出的PLC，尤其是大型PLC，都可用高级语言，如BASCIC语言、C语言、PASCAL语言等进行编程。采用高级语言后，用户可以像使用普通计算机一样对PLC进行编程。可编程控制器的基本结构和工作原理413.4可编程控制器的工作原理

1.可编程控制器的工作方式众所周知，继电器接触器控制系统是一种“硬件逻辑系统”，采用并行工作方式。PLC是一种工业计算机，其工作原理是建立在计算机工作原理基础上的，而CPU以分时操作方式处理各项任务，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器的动作，便成为时间上的串行（即串行工作方式）。由于CPU运算速度极高，各继电器（软元件）的动作似乎是同时完成的，但实际输入/输出的相应是有滞后的。可编程控制器的基本结构和工作原理423.4可编程控制器的工作原理

PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式，每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。CPU从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直至到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。ＰＬＣ就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。执行用户程序时，需要各种现场信息。PLC采集现场信息即采样输入信号有两种方式。可编程控制器的基本结构和工作原理433.4可编程控制器的工作原理集中采用输入方式。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中，执行用户程序所需输入状态均存在输入映像寄存器中取用，而不直接到输入端或输入模块去取用。立即输入方式。随着程序的执行需要哪一个输入信号就直接从输入端或输入模块取用这个状态，如“立即输入指令”就是这样，此时输入映像寄存器的内容不变，到下一次集中采样输入时才变化。可编程控制器的基本结构和工作原理443.4可编程控制器的工作原理同样，PLC对外部的输出控制也有集中输出和立即输出两种方式。集中输出方式。在执行用户程序时不是得到一个输出结果就向外输出一个，而是把执行用户程序所得的所有输出结果，先后全部存放在输出映像寄存器中，执行完用户程序后所有输出结果一次性向输出端口或输出模块输出，使输出设备部件动作。立即输出方式。在执行用户程序时将该输出结果立即向输出端口或输出模块输出，如“立即输出指令”就是这样，此时输出映像寄存器的内容也更新。可编程控制器的基本结构和工作原理453.4可编程控制器的工作原理PLC对输入输出信号的传送还有其他方式。如有的PLC采用输入/输出刷新指令，在需要的地方设置这类指令，可对此电源ON的全部或部分输入信号读入上电一次，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口或输出模块输出。有的PLC上有输入、输出的禁止功能，实际上是关闭了输入、输出传送服务，这意味着此时的输入信号不读入、输出信号也不输出。可编程控制器的基本结构和工作原理463.4可编程控制器的工作原理2.可编程控制器的工作过程在PLC的扫描工作过程中，除了对上电和掉电处理、通讯服务（与外设、CPU、总线）、更新时钟和特殊寄存器、自诊断及出错处理、中断处理等外，主要的循环扫描过程就是输入信号再生、程序执行、输出信号再生三个过程，如图所示为PLC的三个扫描过程。可编程控制器的基本结构和工作原理473.4可编程控制器的工作原理输入信号再生PLC在执行用户程序前会将外部输入信号的On/OF状态一次读入至输入映像区内。程序执行PLC读取输入映像区内各输入信号的On/Off状态后开始从地址0处按照从上至下，从左至右的顺序执行程序中的每一指令，其输出结果即各输出线圈的On/Off状态也逐次存入各装置的映像区内。在程序执行过程中若输入信号发生On/Off变化，但输入映像区内的状态不会改变，直到下一次扫描开始时再读入输入信号的On/Off状态。可编程控制器的基本结构和工作原理483.4可编程控制器的工作原理输出信号再生当程序执行到END指令时表示程序执行完毕。程序执行完毕后会将装置映像区内Y的On/Off状态送到输出映像区锁存，而此映像区就是实际上输出继电器的线圈。可编程控制器的基本结构和工作原理493.4可编程控制器的工作原理3.可编程控制器的中断处理据上所述，外部信号的输入总是通过PLC扫描由“输入传送”来完成，这就不可避免地带来了“逻辑滞后”。PLC关于中断的概念及处理