PLC的结构和工作原理课件

plc的結構和工作原理2.1PLC的組成與基本結構PLC是一種工業控制用的專用電腦，它比一般的通用電腦具有更強的與工業過程相連的介面和更直接的適應控制要求的編程語言。1.基本結構

2.CPUCPU是PLC的核心，它按照系統程式所賦予的功能完成的主要任務是：1）接受與存儲用戶由編程器鍵入的用戶程式和數據。2）檢查編程過程中的語法錯誤，診斷電源及PLC內部的工作故障。3）用掃描方式工作，接受來自現場的輸入信號，並輸入到輸入映像寄存器和數據記憶體中。4）在進入運行方式後，從記憶體中逐條讀取並執行用戶程式，完成用戶程式所規定的邏輯運算、算術運算及數據處理等操作。5）根據運算結果，更新有關標誌位的狀態，刷新輸出映像寄存器的內容，再經輸出部件實現輸出控制、列印製錶或數據通信等功能。3.記憶體可編程控制器記憶體中配有兩種存儲系統，即用於存放系統程式的系統程式記憶體和存放用戶程式的用戶程式記憶體。系統程式記憶體主要用來存儲可編程控制器內部的各種資訊。一般系統程式是由PLC生產廠家編寫的系統監控程序，不能由用戶直接存取。系統監控程序主要由有關系統管理、解釋指令、標準程式及系統調用等程式組成。系統程式記憶體一般用PROM和EPROM構成。由用戶編寫的程式稱為用戶程式。用戶程式存放在用戶程式記憶體（容量不大）中，主要包括可編程控制器內部的輸入輸出資訊，以及內部繼電器、移位寄存器、累加寄存器、數據寄存器、定時器和計數器的動作狀態。用戶程式記憶體一般分為兩個區，程式存儲區和數據存儲區。程式存儲區用來存儲由用戶編寫的、通過編程器輸入的程式。而數據存儲區用來存儲通過輸入端子讀取的輸入信號的狀態、準備通過輸出端子輸出的信號狀態、PLC中各個內部器件的狀態，以及特殊功能要求的有關數據。常用的記憶體CMOS-SRAM可讀寫記憶體：以CMOS技術製造的靜態可讀寫記憶體，讀寫時間小於200ns，幾乎不消耗電流。停電後可保存數據3～5年不變。EPROM只讀記憶體：用紫外線擦除、在電壓為25V的供電狀態下寫入，內容可長期保存。EEPROM電可擦除可編程的只讀記憶體：既可以按位元組進行擦除和全新編程，也可以進行整片擦除，且不需要專門的寫入設備，寫入速度也比EPROM快，寫入的內容能在斷電情況下保持不變，而不需要保護電源。數字量輸入部件及介面來自現場的主令元件、檢測元件的信號經輸入介面進入到PLC。指令元件的信號是指由用戶在控制鍵盤(或控制臺、操作臺)上發出的控制信號(如開機、關機、轉換、調整、急停等信號)。檢測元件的信號是指用檢測元件(如各種感測器、繼電器的接點，限位開關、行程開關等元件的觸點)對生產過程中的參數(如：壓力、流量、溫度、速度、位置、行程、電流、電壓等)進行檢測時產生的信號。這些信號有的是開關(或數字量)量，有的是模擬量，有的是直流信號，有的是交流信號，要根據輸入信號的類型選擇合適的輸入介面。4.數字量輸入單元數字量輸入範本的外部接線方式匯點式輸入接線方式隔離式輸入接線方式

圖2.2直流開關量輸入單元圖2.3交流開關量輸入單元5.數字量輸出單元：它的作用是把PLC的內部信號轉換成現場執行機構的各種開關信號。按照現場執行機構使用的電源類型的不同，開關量輸出單元可分為:電晶體輸出方式用於直流輸出負載雙相晶閘管輸出方式用於交流輸出負載繼電器觸點輸出方式即可用於直流、又可交流數字量輸出範本的接線方式

匯點式輸出

隔離式輸出

直流數字量輸出電路可分為解碼、控制邏輯、輸出鎖存、光電隔離和輸出驅動5個部分。輸出和輸入模版的最大不同之處在於輸出驅動電路，它也是輸出模版的主要部分。輸出驅動電路的核心元件是作開關作用的功率管VT，其主要作用是作電流放大和電平轉換。每個輸出點的最大帶負載能力約為0.75A，回應速度較快。交流數字量輸出模版的電路大部分與直流輸出相同，只有輸出驅動電路不同。雙向晶閘管輸出型，每點最大帶負載能力約為0.5～1A，每4點輸出總電流不得大於1.6～4A。圖2-10交流數字量輸出介面範本的輸出驅動電路

特別應指出的是，由於繼電器模式具有實際中斷點，可以從物理上切斷所控制的回路，同時這種模式既適合於直流情況又適合於交流情況，因此這種模式在開關頻率不太高的情況下是首選的輸出控制方案。圖2.4給出了這種輸出方案的原理圖。圖2.4繼電器模式輸出單元6.模擬量輸入單元模擬量輸入在過程控制中的應用很廣，如常用的溫度、壓力、速度、流量、酸鹼度、位移的各種工業檢測都是對應於電壓、電流的模擬量值，再通過一定運算(PID)後，控制生產過程達到一定的目的。模擬量輸入電平大多是從感測器通過變換後得到的，模擬量的輸入信號為4～20mA的電流信號或1～5V、-10～10V、0～10V的直流電壓信號。模擬量輸入單元的作用是把現場連續變化的模擬量標準信號轉換成PLC內部處理的、由若干位表示的數字信號。模擬量輸入單元一般由濾波、A/D轉換器、光耦合器隔離等部分組成。圖2-12模擬量輸入範本的結構圖7.模擬量輸出單元作用是把PLC運算處理後的若干位數字量信號轉換成相應的模擬量信號然後輸出，以滿足生產過程現場連續信號的控制要求。模擬量輸出單元一般由光耦合器隔離、D/A轉換器和信號轉換等部分組成。模擬量輸出模組是將中央處理器的二進位數字信號轉換成4～20mA的電流輸出信號或0～10V、1～5V的電壓輸出信號，以提供給執行機構。因此模擬量輸出模組又叫D/A轉換輸出模組。圖2-13模擬量輸出範本的結構框圖智能I/O介面：用戶可根據控制系統的特殊要求，選擇相應的智能I/O介面，這些I/O介面板上一般都有獨立的微處理器和控制軟體，可以獨立地工作，以便減少CPU模版的壓力。擴展介面：現在有兩個含義，一個是單純的I/O擴展介面，另一個是CPU模版的擴充。通信介面：是專用於數據通信的一種智能模版，有串行介面和並行介面兩種。8.介面9.編程器用於用戶程式的輸入、編輯、調試和監視，還可以通過其鍵盤去調用和顯示PLC的一些內部繼電器狀態和系統參數。可分為簡易編程器、智能編程器和用PC作編程器。簡易編程器一般由簡易鍵盤、發光二極體陣列或液晶顯示器（LCD）等組成，它體積小，價格便宜，可以直接插在PLC的編程器插座上，或者用電纜與PLC相連，它不能直接輸入和編輯梯形圖程式。智能編程器又稱圖形編程器，一般由微處理器、鍵盤、顯示器及匯流排介面組成，它可以直接生成和編輯梯形圖程式。由PLC生產廠家生產的專用編程器使用範圍有限，價格也一般較高。在個人電腦不斷更新換代的今天，出現了使用以個人電腦為基礎的編程系統，這樣可以用較少的投資獲取高性能的PLC程式開發系統。個人電腦的PLC程式開發系統的軟體一般包括編程軟體、檔編制軟體、數據採集和分析軟體、即時操作員介面軟體和仿真軟體。10.電源和匯流排PLC的外部工作電源一般為單相85～260V50/60HzAC電源，也有採用24～26VDC電源。PLC對其外部工作電源的穩定度要求不高，一般可允許±15％左右。匯流排：是溝通PLC中各個功能模組的資訊通道，它的含義並不單是各個範本插腳之間的連線，還包括驅動匯流排的驅動器及其保證匯流排正常工作的控制邏輯電路。11.PLC的外部設備1）人-機介面裝置：用於實現操作人員與PLC控制系統的對話和相互作用。2）外存儲器：作為程式備份或改變生產工藝流程時調用。在可以離線開發用戶的編程器中，外存特別有用。3）印表機4）EPROM寫入器：提供了一個非易失性的用戶程式的保存方法。可編程控制器是一種專用的工業控制電腦，因此，其工作原理是建立在電腦控制系統工作原理的基礎上。但為了可靠地應用在工業環境下，便於現場電氣技術人員的使用和維護，它有著大量的介面器件，特定的監控軟體，專用的編程器件。所以，不但其外觀不像電腦，它的操作使用方法、編程語言及工作過程與電腦控制系統也是有區別的。2.2PLC的基本工作原理1.PLC控制系統的等效工作電路PLC控制系統的等效工作電路可分為3部分，即輸入部分、內部控制電路和輸出部分。輸入部分就是採集輸入信號，輸出部分就是系統的執行器件。這兩部分與繼電器控制電路相同。內部控制電路是通過編程方法實現的控制邏輯，用軟體編程代替繼電器電路的功能。圖2-14PLC的等效工作電路小型PLC的工作過程有兩個顯著特點:週期性順序掃描和集中批處理。PLC上電後，就在系統程式的監控下，周而復始地按固定順序對系統內部的各種任務進行查詢、判斷和執行，這個過程實質上是一個不斷迴圈的順序掃描過程。PLC的工作過程（週期性掃描過程）分為4個掃描階段。2.可編程序控制器的工作過程圖2-15小型PLC的工作過程流程圖1）公共處理掃描階段公共處理包括PLC自檢、執行來自外設命令、對警戒時鐘又稱監視定時器或看門狗定時器WDT（WatchDogTimer）清零等。2）輸入採用掃描階段這是第一個集中批處理過程。在當前的掃描週期內，用戶程式依據的輸入信號的狀態（ON或OFF），均從輸入映像寄存器中去讀取，而不管此時外部輸入信號的狀態是否變化。即使此時外部輸入信號的狀態發生了變化，也只能在下一個掃描週期的輸入採樣階段去讀取。3）執行用戶程式掃描階段這是第二個集中批處理過程。在執行過程中，CPU對用戶程式進行掃描，如果程式用梯形圖表示，則總是按先上後下，從左至右的順序進行掃描。在執行用戶程式中，每一次運算的中間結果都立即寫入元件映像寄存器，這樣該元素的狀態馬上就可以被後面將要掃描到的指令所利用。在這個階段，除了輸入映像寄存器外，各個元件映像寄存器的內容是隨著程式的執行而不斷地變化。4）輸出刷新掃描階段這是第三個集中批處理過程。結束後，CPU進入下一個掃描週期。小型PLC的三個批處理過程PLC對輸入/輸出的處理規則4.PLC的掃描週期及滯後回應PLC的掃描週期與PLC的時鐘頻率、用戶程式的長短及系統配置有關。一般PLC的掃描時間為幾十毫秒，在輸入採樣和輸出刷新階段只需1～2ms。做公共處理也是在瞬間完成的，所以掃描時間的長短主要由用戶程式決定。1）輸入濾波器的時間常數（輸入延遲）因為PLC的輸入濾波器是以一個積分環節，因此，輸入濾波器的輸出電壓相對現場實際輸入元件的變化信號，有一個時間延遲。2）輸出繼電器的機械滯後（輸出延遲）由於繼電器固有的動作時間，導致繼電器的實際動作相對線圈的輸入電壓的滯後效應。3）PLC的迴圈掃描工作方式4）PLC對輸入採樣、輸出刷新的集中批處理方式為加快回應，目前有的PLC的工作方式採取直接控制方式，這種工作方式的特點是：遇到輸入便立即讀取進行處理，遇到輸出則把結果予以輸出。還有的PLC採取混合工作方式，輸入採樣階段，進行集中讀取，而在執行程式時，遇到輸出便直接輸出。5）用戶程式中語句順序安排不當圖2-19語句順序安排不當導致回應滯後的示例5.回應時間圖2-20最短回應時間圖2-21PLC的最長回應時間請問如下