可编程序控制器第二章.

第2章可编程序控制器的原理与结构Chapter2PLCtheoriesandstructures可编程序控制器的结构ThestructureofPLC2.1.1基本结构可编程序控制器与一般的计算机控制系统一样，也具有中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出模块（I/O）等部分。1．中央处理单元(CPU)CPU是PLC的控制中枢。常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机和双极型微处理器。通用微处理器如INTEL公司的8080、8086、80286、80386等，单片机如8031、8096等等，位片式微处理器如AM2900、AM2901、AM2903等。可编程序控制器的档次越高，CPU的位数越多，运算速度越快，功能指令也越强。CPU模块完成下述各项工作∶1）接收用户从编程器输入的用户程序，并将它们存入用户存储区；2）用扫描方式接收源自被控对象的状态信号，并存入相应的数据区(输入映象区)；3）用户程序的语法错误检查，并给出错误信息；4）系统状态及电源系统的监测；5）执行用户程序，完成各种数据的处理、传输和存储等功能；6）根据数据处理的结果，刷新输出状态表，以实现对各种外部设备的实时控制和其它辅助工作(如显示和打印等)。2.存储器Memory存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。PLC常用的存储器类型RAM(RandomAssessMemory)这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。EPROM(ErasableProgrammableReadOnlyMemory)这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。EEPROM(ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory)这是一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。PLC存储空间的分配系统程序存储器在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的性能。用户存储器存储用户程序。不同类型的PLC，其存储容量各不相同。３.电源Power电源有的选用市电，也有很大一部分用直流24V供电。PLC内有一个稳压电源用于对PLC的CPU单元和I/O单元供电，而小型的PLC电源往往和CPU合为一体，中大型PLC都有专门的电源模块。此外，根据可编程序控制器的规模及所允许扩展接口板数，各种可编程序控制器的电源种类和容量往往是不同的，用户使用和维修时应该注意这一点。４.输入输出单元（I/O单元）Inputandoutputunits功能：实际生产过程中的信号电平多种多样，外部执行机构所需的电平也千差万别，而可编程序控制器的CPU所处理的信号电平只能是标准电平，因此需要通过输入输出单元实现这些电平的转换。PLC通过I／O接口与外部设备进行数据交换，PLC的输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种类型，所有的输入输出信号均经过光电等隔离，大大增强了PLC的抗干扰能力。1、输入接口电路InputInterfaceCircuit各种PLC的输入电路大都相同，通常有三种类型：1、直流（12～24V）输入，2、交流（100～120V）、（200～240V）输入，3、交直流（12～24V）输入。2、输出接口电路OutputInterfaceCircuit继电器输出特点：CPU驱动继电器线圈，令触点吸合，使外部电源通过闭合的触点驱动外部负载，其开路漏电流为零，响应时间慢（约10ms），可带较大的外部负载。内部电路LEDL:负载COML～L输出端子晶闸管（SSR）输出CPU通过光耦合使三端双向可控硅通断，以控制外部交流负载,开路漏电流大,响应时间较快(约1ms)。内部电路LED输出端子L:负载COMLL～晶体管输出CPU通过光耦合使晶体管通断，以控制外部直流负载，响应时间快（约0.2ms），可带外部负载小。L:负载输出端子LED内部电路COMLL输出端子LED内部电路COML:负载LL5编程器Programmer编程器是PLC的最重要的外围设备。分为简易型和智能型。小型PLC常使用简易型编程器，大中型PLC多用智能型。编程器的工作方式编程工作方式主要功能是输入新的控制程序，或者对已有的程序进行编辑。监控工作方式主要功能是对运行中的可编程序控制器的工作状态进行监视和跟踪。2.2可编程序控制器工作原理PLCworkprinciple2.2.1I/O映象区Imagearea输入映象区的概念：在程序执行之前将现场全部有关信息采集到可编程序控制器中来，存放在系统准备好的一定区域—随机存储器RAM的某一地址区，称为输入映象区。执行用户程序所需现场信息都在输入映象区取用，而不直接到外设去取。输出映象区的概念同样对被控制对象的控制信息，也不采用形成一个就去输出改变一个的控制方法，而是先把它们存放在随机存储器RAM的某特定区域，称之为输出映象区。当用户程序执行结束后，将所存被控对象的控制信息，集中输出，改变被控对象的状态。数字采样控制系统I/O映象区的建立，使系统工作变成一个采样控制系统，我们称之为数字采样控制系统。虽然它不象硬件逻辑系统那样，能随时反映控制器件工作状态变化对系统的控制作用，但在采样时刻则基本符合实际工作状态，只要采样周期T足够小，采样频率足够高，我们就可以认为这样的采样系统足够符合实际系统的工作状态。2.2.2可编程序控制器的工作原理PLCworkprinciple可编程序控制器采用循环扫描的工作方式。工作过程主要分为：输入采样、程序执行、输出刷新，一直循环扫描工作，工作过程见下图。输出刷新程序执行输入采样输入端子输入映象区输出映象区输出锁存输出端子输出信号输入信号梯形图PLC工作过程执行OB1中的程序(循环执行)事件(日期时间中断、硬件中断等)调用其他OB，FB，FC输出模块AI0.1AI0.2=Q8.0块OB1循环监视时间的开始启动块(OB100)上电后执行一次从模块读信号状态，并保存到过程映象区(PII)把过程映象输出表(PIQ)写到输出模块CPU循环输入模块1．输入扫描（又称输入采样）Enterscan(alsoknownasinputsample)工作过程：可编程序控制器按扫描方式读入该可编程序控制器所有端子上的输入信号(可能有的端子上并没有接输入信号，它也作输入)，并将这些输入信号存入输入映象区。特点：在本工作周期的执行和输出过程中，输入映象区内的内容不会随实际信号的变化而变化。扫描顺序可编程序控制器在输入扫描过程中一般都以固定的顺序(例如从最小号到最大号)进行扫描，但在一些可编程序控制器中可由用户确定可变的扫描顺序。2．执行扫描（又称程序执行）Scan(alsoknownasprogramexecution)工作过程：可编程序控制器对用户以梯形图方式(或其它方式)编写的程序按从上到下，从左到右的顺序逐一扫描各指令，然后从输入映象区取出相应的原始数据或从输出映象区读取有关数据，然后做由程序确定的逻辑运算或其它数字运算，然后随运算结果存入确定的输出映象区有关单元，但这个结果在整个程序未执行完毕前不会送到输出端口上。3．输出扫描（称输出刷新）Outputscanning(calledoutputrefresh)在执行完用户所有程序后，可编程序控制器将输出映象区中的内容同时送入到输出锁存器中(称输出刷新)，然后由锁存器经功率放大后去驱动继电器的线圈，最后使输出端子上的信号变为本次工作周期运行结果的实际输出。PLC的扫描工作过程输入刷新程序执行输出刷新一个扫描周期输入刷新工作周期上述三个过程构成了可编程序控制器工作的一个工作周期。可编程序控制器按扫描方式周而复始地循环工作，完成对被控对象的控制作用。但严格来说，可编程序控制器的一个工作周期还包括下述四个过程，这四个过程都是在输入扫描过程之后进行的。四个系统过程1.系统自监测：检查Watchdog(看门狗)是否超时(即检查程序执行是否正确)，如果超时则停止用户程序的执行。2.与编程器交换信息：这只有在使用编程器输入和调试程序时才执行。3.与数字处理器交换信息：这只有在可编程序控制器中配置有专用的数字处理器时才执行。4.网络通信：当可编程序控制器配置有网络通信模板时，与通信对象(如其它可编程序控制器或计算机等)作数据交换。PLC控制系统与继电器控制系统的区别PLC控制系统是“串行”工作的，传统的继电器控制系统“并行”工作。优点：PLC的串行工作方式避免了继电器控制系统中触点竞争和时序失配的问题。PLC工作特点由于PLC是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入映象区的内容也不会发生变化，要等到下一个周期的输入处理阶段才能改变。暂存在输出映象区的输出信号，等到一个循环周期结束，CPU集中将这些输出信号全部输送给输出锁存器。由此可以看出，全部输入输出状态的改变，需要一个扫描周期。换言之，输入输出的状态保持一个扫描周期。扫描周期概念从一次输入扫描开始到这次输出扫描结束的所耗费的时间称为扫描周期。特点：小型PLC的扫描周期一般为十几毫秒到几十毫秒。PLC的扫描时间取决于扫描速度和用户程序长短。I/O快速响应的设备采取的措施：选用高速CPU，提高扫描速度，采用快速响应模块、高速计数模块以及不同的中断处理等措施减少滞后时间。造成I/O滞后的主要原因有输入滤波器的惯性输出继电器接点的惯性程序执行的时间程序设计不当的附加影响等2.3可编程序控制器的编程语言PLCprogramminglanguages目前PLC常用的编程语言有四种，梯形图编程语言、指令语句表编程语言、控制系统流程图编程语言以及高级语言。1.梯形图编程语言（LAD）习惯上简称梯形图。沿袭了继电器控制电路的形式，是在电气控制系统中常用的继电器、接触器逻辑控制基础上简化了符号演变而成的。梯形图形象、直观、实用，电气技术人员容易接受，是目前用得最多的一种PLC编程语言。SA1K2K1K1k1SA1SA2Q4.0Q4.0Q4.1Q4.0I1.1I1.0图2-7继电器接触器电气控制电路图和PLC梯形图继电器接触器电气控制电路图和PLC梯形图与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流（PowerFLow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此，应用时，需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待。2.语句表编程语言（STL）为计算机汇编语言，采用助记符编程方式，用一系列操作指令组成的语句表将控制流程描述出来，并通过编程器送到PLC中去。需要指出的是：不同厂家的PLC指令语句表使用的助记符并不相同。A(OI1.0OQ4.0)ANI1.1=Q4.0AQ4.0=Q4.13.控制系统流程图（CSF）它是用像逻辑功能图一样的控制系统流程图表达一个控制过程。Q3.1I1.4I1.3I1.5I1.6=1＝控制系统流程图4．高级语言编程近几年推出的PLC，尤其是大型PLC，已开始使用高级语言编程。有的PLC采用类似PASCAL语言的专用语言，系统软件具有这种专用语言的自动编译程序。