电气控制与PLC应用（第2版）课件：PLC结构及工作原理

PLC通用结构及工作原理学习目标（1）了解PLC的结构和工作原理、软件；（2）掌握PLC的几种编程语言和程序结构。一、任务导入

虽然PLC的品种繁多，但其基本结构和工作原理基本相同。广义上和工业PC一样，PLC也是一种计算机系统，只不过它更加适应工业环境，具有更强的抗干扰能力。

二、相关知识（一）PLC的结构组成PLC的结构组成如图3.4所示，主要包括中央处理单元(CPU)、存储器、I／O接口电路、电源、I／0扩展接口、外部设备接口等。其内部采用总线结构进行数据和指令的传输。外部的各种信号送入PLC的输人接口，在PLC内部进行逻辑运算或数据处理，最后以输出变量的形式经输出接口，驱动输出设备进行各种控制。各部分的作用如下：图3.4PLC基本组成1.中央处理单元CPU中央处理单元CPU（CentreProcessingUnit），主要由控制电路、运算器和寄存器等部分组成，是PLC的运算和控制中心。PLC常用的CPU有通用微处理器、单片机和双极型位片式微处理器。通用微处理器常用的是8位或16位，如Z80A、8085、8086、M68000等；单片机是将CPU、存储器和I／O接口集成在一起，因此性价比高，多为中小型PLC采用，常用的单片机有8051、8098等；位片式微处理器的特点是运算速度快，以4位为1片，可以多片级联，组成任意字长的微处理器，因此多为大型PLC采用，常用的位片式微处理器有AM2900、AM2901、AM2903等。目前，PLC的位数多为8位或16位，高档机已采用32位，甚至更高位数。2.存储器存储器的功能是存放程序和数据。可分为系统程序存储器和用户程序存储器两大类：（1）系统程序存储器。用来存放管理程序、监控程序以及内部数据，由PLC生产厂家设计提供，用户不能更改。（2）用户程序存储器。主要存放用户已编制好或正在调试的应用程序。存放在RAM中的用户程序可方便地修改。3.输入／输出接口电路输入／输出接口电路的作用是将输入信号转换为CPU能够接收和处理的信号，并将CPU输出的弱电信号转换为外部设备所需要的强电信号，而且能有效地抑制干扰，起到与外部电路的隔离作用。（二）PLC的工作原理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，CPU采用分时操作方式来处理各项任务，即每一时刻只能处理一件事情，程序的执行是按照顺序依次执行。这种分时操作过程称为PLC对程序的扫描。扫描一次所用的时间称为扫描周期。PLC的扫描工作过程大致可以分为3个阶段：即输入采样、用户程序执行和输出刷新3个阶段，如图3.7所示。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段。图3.7PLC的工作原理1.输入采样阶段在输入采样阶段，PLC首先扫描所有输入端子，再依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入输入映像寄存器中。此时，输入映像区被刷新。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，输入映像区中相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。2.用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制电路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制电路进行相应的运算，最后将执行结果写入输出映像寄存器中。3.输出刷新阶段（输出处理阶段）CPU在执行完所有的指令后，把输出状态寄存器中的内容转存到输出锁存器中，并通过输出接口电路将其输出，来驱动PLC的外部负载，控制设备的相应动作，形成PLC的实际输出。实际上，在每个扫描周期内，CPU除了执行用户程序外，还要进行系统自诊断和通信请求，并及时接收外来的控制命令，以提高PLC工作的可靠性，但所占用时间很短。由上可见，PLC通过周期性循环扫描，并采取集中采样和集中输出的方式执行用户程序，这与计算机的工作方式不同，计算机在工作过程中，如果输入条件没有满足，程序将等待，直到条件满足才继续执行；而PLC在输入条件不满足时，程序照样往下执行，它将依靠不断的循环扫描，一次次通过输入采样捕捉输入变量。当然由此也带来一个问题，如果在本次扫描之后输入变量才发生变化，则只有等待下一次扫描时才能确认。这就造成了输入与输出响应的滞后，在一定程度上降低了系统的响应速度，但由于PLC的一个工作周期仅为数十毫秒，故这种很短的滞后时间对一般的工业控制系统影响不大。（三）PLC的软件及编程语言PLC是一种工业控制计算机。与计算机一样，PLC的软件也分为系统软件和应用软件。1.系统软件PLC的系统软件就是系统监控程序，也有人称之为PLC的操作系统。它是每台可编程控制器都必须包括的部分，用于控制PLC本身的运行，是由PLC制造厂家编制的。系统监控程序可分为3个部分：（1）系统管理程序系统管理程序是监控程序中最重要的部分。它主要负责系统的运行管理、存储空间的管理和系统自检，包括系统出错检验、用户程序语法检验、句法检验、警戒时钟运行等。有了系统管理程序，可编程控制器就能在其管理控制下，有条不紊地进行各种工作。（2）用户指令解释程序在可编程控制器中采用梯形图语言编程，再通过用户指令解释程序，将梯形图语言逐条翻译成机器语言。由于在执行指令过程中需要对指令逐条解释，所以降低了程序的执行速度。好在PLC控制的对象多是机电控制设备，这些滞后的时间(μs或ms级)完全可以忽略不计。尤其是当前PLC的主频越来越高，这种时间上的延迟将越来越短。（3）标准程序模块和系统调用这部分是由许多独立的程序块组成的，各自实现不同的功能，如输入、输出、运算或特殊运算等。可编程控制器的各种具体工作都是由这部分程序完成的，这部分程序的多少，就决定了PLC的性能。整个系统监控程序是一个整体，它的质量的好坏，很大程度上决定了可编程控制器的性能。2.PLC的编程语言编程语言是PLC的重要组成部分，PLC为用户提供了完整的编程语言，以适应用户编制程序的需要。IEC61131.3为PLC制定了5种PLC的标准编程语言，其中有3种图形语言即梯形图(LAD，LAdderDiagram)、功能块图(FBD，FunctionBlockDiagram)、顺序功能图(SFC，SequentialFunctionChart)；两种文本语言，即指令表(STL，STatementList)和结构化文本(ST，StruturedText)。

（1）梯形图语言梯形图是PLC最早使用的一种编程语言，也是PLC最普遍采用的编程语言。它将PLC内部的各种编程元件和各种具有特定功能的命令用专用图形符号定义，并按控制要求将有关图形符号按一定规律连接起来，构成描述输入、输出之间控制关系的图形，这种图形称为PLC梯形图。梯形图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，继承了继电器控制系统中的基本工作原理和电器逻辑关系的表达方法，梯形图语言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。（2）功能块图（FBD）功能块图（FBD）是另一种图形化的编程语言，沿用了半导体逻辑电路中逻辑框图的表达方式。一般用一种功能模块（或称功能框）表示一种特定的功能，模块内的符号表示该功能块图的功能。功能块图有基本逻辑功能、计时和计数功能、运算和比较功能及数据传送功能等。（3）顺序功能图SFC编程方法是法国人开发的，是一种真正的图形化的编程方法。SFC专用于描述工业顺序控制程序，使用它可以对具有并发、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。（4）指令语句表指令表编程语言类似于计算机中的助记符汇编语言，它是PLC最基础的编程语言，所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表PLC的某种操作功能，按照一定的语法和句法编写出一行一行的程序，来实现所要求的控制任务的逻辑关系或运算。梯形图语言虽然直观、方便、易懂，但必须配有较大的显示器才能输入图形，一般多用于计算机编程环境中。而指令语句表常用于手持编程器，通过输入助记符语言在生产现场编制、调试程序。对于同一厂家的PLC产品，其指令表语言与梯形图语言是相互对应的，可以互相转换。（5）结构化文本结构化文本是一种高级的文本语言，是一种较新的编程语言。结构化文本语言表面上与PASCAL语言很相似，但它是一个专门为工业控制应用开发的编程语言，具有很强的编程能力，与梯形图相比，它能实现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。习题与思考题1.PLC有何特点?2.PLC与继电器