第二章PLC的结构及工作原理

2.1可编程序控制器的硬件结构2.2可编程序控制器的系统结构2.3可编程序控制器的技术性能2.4可编程序控制器的工作过程及原理第2章PLC的结构和工作原理2.1PLC的硬件结构PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，PLC是一种工业控制用的专用计算机，是由硬件系统和软件系统两大部分组成。1.主机系统•主机电源微处理器(CPU)运算器控制器输入单元存储器EPROM(系统程序)RAM(用户程序)外设I/O接口I/O扩展接口用户输入设备输出单元用户输出设备I/O扩展接口PLC或上位计算机图形监控系统EPROM写入器打印机盒式磁带机编程器外部设备图2.1为适应工业过程现场输入/输出信号的匹配，PLC配置了各种类型的输入/输出模块单元：①开关量输入单元：把现场各种开关信号变成PLC内部处理的标准信号。分为直流输入单元和交流输入单元，分别如图2.2和图2.3所示。图2.2直流开关量输入单元光耦合器PLC内部电路LEDCR2R1VD电源双向耦合器PLC内部电路LEDCR3R1VD交流电源~R2图2.3交流开关量输入单元2.开关量输出单元：它的作用是把PLC的内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。按照现场执行机构使用的电源类型的不同，开关量输出单元可分为:•晶体管输出方式用于直流输出负载•双相晶闸管输出方式用于交流输出负载•继电器触点输出方式既可用于直流、又可交流特别应指出的是，由于继电器模式具有实际断点，可以从物理上切断所控制的回路，同时这种模式既适合于直流情况又适合于交流情况，因此这种模式在开关频率不太高的情况下是首选的输出控制方案。PLC内部电路LEDVD交流电源~KSL图2.4继电器模式输出单元3.模拟量输入单元模拟量输入在过程控制中的应用很广，如常用的温度、压力、速度、流量、酸碱度、位移的各种工业检测都是对应于电压、电流的模拟量值，再通过一定运算(PID)后，控制生产过程达到一定的目的。模拟量输入电平大多是从传感器通过变换后得到的，模拟量的输入信号为4～20mA的电流信号或1～5V、-10～10V、0～10V的直流电压信号。模拟量输入单元的作用是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成PLC内部处理的、由若干位表示的数字信号。模拟量输入单元一般由滤波、A/D转换器、光耦合器隔离等部分组成。4.模拟量输出单元作用是把PLC运算处理后的若干位数字量信号转换成相应的模拟量信号然后输出，以满足生产过程现场连续信号的控制要求。模拟量输出单元一般由光耦合器隔离、D/A转换器和信号转换等部分组成。模拟量输出模块是将中央处理器的二进制数字信号转换成4～20mA的电流输出信号或0～10V、1～5V的电压输出信号，以提供给执行机构。因此模拟量输出模块又叫D/A转换输出模块。可编程序控制器的软件系统PLC除了硬件系统外，还需要软件系统的支持，共同构成PLC。PLC的软件系统由系统程序和用户程序两大部分组成。1.系统程序系统程序由PLC的制造企业编制，固化在PROM或EPROM中，安装在PLC上，随产品提供给用户。系统程序包括系统管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模块等。由于通过改进系统程序可以在不改变硬件系统的情况下大大改善PLC的性能，因此系统程序也在不断升级和完善。2.用户程序用户程序是根据生产过程控制的要求由用户使用制造企业提供的编程语言自行编制的应用程序。用户程序包括开关量逻辑控制程序、模拟量运算程序、闭环控制程序和操作站系统应用程序等。(1)开关量逻辑控制程序。它是PLC用户程序中最重要的一部分。(2)模拟量运算程序及闭环控制程序。通常，它是在大中型PLC上实施的程序。(3)操作站系统程序。它是大型PLC系统经过通信联网后，由用户为进行信息交换和管理而编制的程序。2.2可编程序控制器的系统结构图2.5整体式PLC组成框图PLC的结构分为整体式和模块式两类图2.6模块式PLC组成框图2.3可编程序控制器的技术性能存储容量内部元件的种类与数量I/O点数特殊功能单元扫描速度可扩展能力指令的功能与数量基本技术性能:PLC的内存分配及容量PLC的内存分配系统程序存储区系统RAM存储区用户程序存储区通常I／O点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10％~15％的裕量来确定。用户程序存储容量（字节）＝开关量I／O点数×10＋模拟量I／O通道数×100PLC的容量：PLC的容量包括I／O点数和用户存储容量两个方面：PLC上电后，就在系统程序的监控下，周而复始地按固定顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上是一个不断循环的顺序扫描过程。完成一个循环扫描过程的时间称为扫描周期。2.4可编程序控制器的工作过程及原理可编程序控制器的工作过程：PLC在一个扫描周期内基本上要执行以下六个任务：(1)运行监控任务。为了保证系统可靠工作，PLC内部设置了系统监视定时器WDT，WDT的时间设定值一般为扫描周期的2～3倍，通常为100～200ms。(2)与编程器交换信息任务。编程器在PLC的外部设备中占有非常重要的地位，用户把应用程序输入到PLC中，或对应用程序进行在线运行监视和修改都要用到它。编程器在完成处理任务或达到信息交换的规定时间后，就把控制权交还给PLC。(3)与数字处理器(DPU)交换信息任务。一般大中型PLC多为双处理器系统，一个是字节处理器(CPU)，另一个是数字处理器(DPU)，在一般小型PLC中是没有这个任务的。(4)与外部设备交换信息任务。如果没有连接外部设备，则该任务跳过。(5)执行用户程序任务。系统的全部控制功能都在这一任务中实现。(6)输入/输出信息处理任务。PLC的输入/输出过程PLC的工作方式是周期扫描方式，所以其输入/输出过程是定时进行的，对用户程序而言，要处理的输入信号是输入信号状态暂存区的信号，而不是实际的信号。运算处理后的输出信号被放入输出信号状态暂存区中，而不是直接输出到现场的。PLC周期性的输入/输出处理方式对一般控制对象而言是能够满足的，但是对那些要求响应时间小于扫描周期的控制系统则不能满足，这时可以用智能型输入/输出单元或专门的软件指令，通过与扫描周期脱离的方式来解决。PLC的中断输入处理过程PLC的中断输入处理方法同一般计算机系统是基本相同的，即当有中断申请信号输入后，系统要中断正在执行的相关程序而转向执行中断子程序；当有多个中断源时，它们将按中断的优先级有一个先后顺序的排队处理。系统可以通过程序设定允许中断或禁止中断。•PLC的中断源信息是通过输入单元进入系统的。•PLC的中断源有优先顺序，一般无嵌套关系。PLC的工作原理PLC的工作原理与计算机的工作原理是基本一致的。PLC执行的任务是串行的，与继电器逻辑控制系统中控制任务的执行有所不同。从PLC的工作过程可以看到，整个工作过程是以循环扫描的方式进行的。循环扫描方式是指在程序执行过程的周期中，程序对各个过程输入信号进行采样，对采样的信号进行运算和处理，并把运算结果输出到生产过程的执行机构中。