2、可编程控制器工作原理及结构特点

第二章可编程控制器工作原理及结构特点２.１工作原理•电路实例例2－1：有2个开关X1、X2，其中任何一个接通都将立即点亮红灯，2s钟后点亮绿灯。•由上例可见，整个工作过程需要读入开关状态、逻辑运算、输出运算结果共三步。•输入的是给定量或反馈量，输出的是被控量。•因为计算机每一瞬间只能做一件事，因此工作的次序是：输入-第一步运算-第二步运算……最后一步运算-输出。这种工作方式就称为扫描工作方式。•从输入到输出的整个执行时间称为扫描周期。1.输入处理程序执行前，可编程控制器的全映像寄存器。在程序执行中，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不变，直到下一扫描周期的输入处理阶段才读入这变化。另外，输入触点从通（ON）-断（OFF）［或从断（OFF）-通（ON）］变化到处于确定状态止，输入滤波器还有一响应延迟时间（约10ms）。2.程序处理对应用户程序存储器所存的指令，从输入映像寄存器和其他软元件的映像寄存器中将有关软元件的0步开始顺序运算，每次结果都写入有关的映像寄存器，因此，各软元件（X除外）的映像寄存器的内容随着程序的执行在不断变化。输出继电器的内部触点的动作由输出映像寄存器的内容决定。3.输出处理全部指令执行完毕，将输出Y的映像寄存器的通断状态向输出锁存寄存器传送，成为可编程控制器的实际输出。可编程控制器内的外部输出触点对输出软元件的动作有一个响应时间，即要有一个延迟才动作。２.2可编程控制器的构成2.2.1硬件２.２.１.１单板机•可编程控制器中的单板机即为CPU板。•计算机必需的部件：中央处理器CPU，存储器RAM、ROM，并行接口PIO，串行接口SIO，时钟CTC。•作用：对整个可编程控制器的工作进行控制。•工作分两部分：–对系统进行管理，如自诊断、查错、信息传送时钟、计数刷新等；–根据用户程序执行输入输出操作、程序解释执行操作等。•单板机中的存储器主要用于存储系统监控程序及系统工作区间，并且用于生成用户环境。其容量的大小取决于系统的工作能力及系统程序的质量。•串行接口和并行接口是用于CPU与接口器件交换信息的，它的数量取决于系统规模的大小。•单板机中的定时器／计数器是用于产生系统时钟及用户时钟信息的。•可编程控制器的用户程序及参数的存储器有三种类型。–RAM，通常都是CMOS型的，耗电极微。–EPROM或EEP-ROM，在程序调试完成后就可以固化。但EPROM的缺点是写入时必须用专用的写入器，擦除时要用专用的擦除器，这对于用户是很不方便的。–电可擦除只读存储器EEPROM，它的写入和擦除只需编程器即可，而不再需要其他的装置。２.２.１.２输入接口电路•输入输出信号分为开关量、模拟量及数字量。为简单起见，这里仅阐述开关量信号。•可编程控制器的一个重要特点就是所有的输入输出信号全部都经过了隔离，无论任何形式的输入输出最终都是经过光电耦合口或继电器将信号传入／送出PLC。•图２-４ＦＸ系列ＰＬＣ输入电路２.２.１.３输出接口电路•输出通常有三种形式：–继电器输出型，CPU接通继电器的线圈，继而吸合触点而触点与外线路构成回路–晶体管输出，它是通过光耦合使开关晶体管通断以控制外电路–可控硅输出型，这里的可控硅是采用光触发型的。•1.公共点–输出端子有两种接法：一种输出是各自独立的（无公共点）；另一种为每4～8个输出点构成一组，共用一个公共点。•2.电路隔离–继电器输出型是利用输出继电器的触点和线圈，将PLC的内部电路与外部负载电路进行电气隔离；–SSR输出型是在PLC的内部电路与输出元件（三端双向可控硅开关元件）之间用光电晶闸管进行隔离；–晶体管输出型是在PLC的内部电路与输出晶体管之间用光电耦合器进行隔离。•3.响应时间–继电器型响应时间最长，SSR型和晶体管型的响应时间都很短，•4.输出电流•5.开路漏电流–继电器型输出触点OFF时没有漏电流。–SSR型输出端子处接有关断用CR吸收电路，故有开路漏电流（1mAAC100V，mAAC200V），可能引起微小电流负载的误动作，所以负载应在0.4V·AAC100V，6V·AAC200V以上。若小于该指标或灯负载时，还应并接浪涌电流吸收电路。２.２.１.４电源•小型可编程控制器内部都包括一个稳压电源（FX2N系列为开关电源），它用于对CPU板、I／O板等内部器件供电。•有些机型，如F1、F2、FX2、FX2N，还向外提供DC24V稳压电源，用于对外部传感器供电。在构成控制系统时，这将给用户很大的方便。２.２.１.５扩展接口•扩展接口扩展接口是用于扩展I／O单元的，它使可编程控制器的点数规模配置更为灵活。这种扩展接口实际上为总线形式，或以配接开关量的I／O单元，也可配置如模拟量、高速脉冲等单元以及通信适配器等。在大型机中，扩展接口为插槽扩展基板的形式。２.２.１.６编程器接口•可编程控制器本体上通常是不带编程器的。为了能对可编程控制器编程及监控，可编程控制器上专门设置有编程器接口，通过这个接口可以接各种形式的编程装置，还可以利用此接口做一些监控的工作。２.２.１.７存储器接口•为了存储用户程序以及扩展用户程序存储区、数据参数存储区，可编程控制器上还设有存储器扩展口，可以根据使用的需要扩展存储器。其内部也是接到总线上的。２.２.１.８编程器最简单的编程器至少包括一个键盘、一些数码字符显示器。这里的键盘不是单板机上的那种键盘，而是直接表示可编程控制器指令系统的键盘，因而使用很方便；其显示部分包括三部分，即序号、指令码和元件号。层次稍高的编程器上就设置了一小块液晶显示器，用于图形编辑、监控。再上一个层次就是通用的大型液晶显示屏编程器。功能极强的专用图形编程器。随着个人计算机的日益普及，编程器的一个最新发展趋势就是使用专用的编程软件，在个人计算机上实现图形编程器的功能。２.２.２软件•第一部分为系统监控程序。它是每一个可编程控制器成品必须包括的部分，是由可编程控制器的制造者编制的，用于控制可编程控制器本身的运行。•另一部分为用户程序。它是由可编程控制器的使用者编制的，用于控制被控装置的运行。２.２.２.１监控软件２.２.２.２用户程序•用户程序是可编程控制器的使用者编制的针对控制问题的程序。•它是用梯形图或某种可编程控制器指令的助记符编制而成的，可以是梯形图、指令表、高级语言、汇编语言等，其助记符形式随可编程控制器型号的不同而略有不同。•用户程序线性地存储在监控程序指令的存储区间内，它的最大容量由监控程序所限制。２.２.２.３用户环境•用户环境是由监控程序生成的。它包括用户数据结构、用户元件区分配、用户程序存储区、用户参数、文件存储区等。•1.用户数据结构–第一类为bit数据。–第二类为字数据。–第三类为字与bit的混合，即同一个元件有bit元件又有字元件。•2.元件（1）输入／输出继电器（X，Y）①输入继电器②输出继电器（２）辅助继电器（Ｍ）①通用辅助继电器Ｍ０～Ｍ４９９（５００点）②停电保持辅助继电器Ｍ５００～Ｍ１０２３（５２４点）③停电保持专用辅助继电器M1024～M3071（2048点）④特殊辅助继电器M8000～M8255（256点）I.只能利用其触点的特殊辅助继电器（只读），线圈由PLC系统驱动，用户只可以利用其触点。II.可驱动线圈型特殊辅助继电器（读/写），用户驱动线圈后，PLC作特定动作。•保持继电器用途举例如图2-14所示。（３）状态元件（Ｓ）初始状态S0～S9（10点）回零S10～S19（10点）通用S20～S499（480点）保持S500～S899（400点）注：通用与保持型S元件数的分配可以通过参数设置方式加以改变。（４）报警器一部分的状态元件可用作外部故障诊断输出。作报警器用的状态元件为S900～S999（100点）。例如，编制如图2－16的外部故障诊断电路，监控特殊数据寄存器D8049的内容将显示S900～S999中已置位（接通）的状态元件中序号最小的元件。当各种故障发生后，相应的状态就为ON。当有多个故障同时发生时，最小元件号的故障排除后还可显示下一故障的地址号。（５）指针（Ｐ／Ｉ）①分支指令用指针P0～P127（128点）如图2－17所示，CJ、CALL等分支指令是为了指定跳转目标，用指针P0～P127作为标号。又，P63表示跳转至END指令步的意思。（６）定时器•定时器在可编程控制器中的作用相当于一个时间继电器，它有一个设定值寄存器（字）、一个当前值寄存器（字）以及无数个触点（bit）。①定时器的动作及元件号②触点的动作时序及精度２.３可编程控制器的结构特点２.３.１单元式主单元与各种扩展单元的连接如图2－38所示。基本单元（M）：内有CPU与存储器，为必用装置。扩展单元（E）：要增加I／O点数时使用的装置。２.３.２模块式模块式可编程控制器采用搭积木的方式组成系统，在一块基板上插上CPU、电源、I／O模块及特殊功能模块，构成一个总I／O点数很多的大规模综合控制系统。其形式见图2－39。２.４可编程控制器的一般技术指标２.４.１硬件指标硬件指标包括一般指标、输入特性和输出特性。为了能适应工业现场的恶劣条件，可编程控制器对环境的要求很低，一般的工业现场都能满足这些要求。２.４.２软件指标软件指标包括运行方式、速度、程序容量、指令类型、元件种类和数量、指令类型等。机型不同其软件指标相差非常悬殊。这项指标的高低反映可编程控制器的运算规模。软件指标的另一部分就是指令的类型。可编程控制器的各种运算功能都是由这种指令的种类和功能决定的。