可编程控制器组成及原理

河南理工大学第3章可编程控制器的组成与原理第3章可编程控制器的组成与原理第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学3.1可编程控制器的基本组成3.1.1可编程控制器的系统结构PLC的实质就是工业控制计算机，属于过程控制计算机的一个分支。可编程控制器的主机由中央微处理器(CPU)、存储器(RAM、EPROM、E2PROM)、输入/输出(INPUT/OUTPUT)模块、外设I/O接口、I/O通道接口、编程器及电源部分等组成。对于整体式PLC主要部件都在同一机壳内，对于PLC为模块式的机型，各功能单元可独立封装，构成模块，各模块通过框架或连接电缆组合在一起。编程器是可编程控制器的外围设备。第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学PLC的基本组成PLC主要由CPU模块、输入/输出模块、电源模块和外部设备组成编程器或其他编程设备SBSQSAHLYVKM微处理器存储器输入单元输出单元电源第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学整体式组合式PLC的基本分类小型机常采用整体式中、大型机常采用组合式PLC的硬件组成第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学外部设备现场用户输出设备微处理器（CPU）运算器控制器输出部件输入部件系统存储器用户存储器I/O扩展接口通讯及编程接口编程设备计算机打印机等传感器按钮、开关现场信号电磁阀中间继电器执行器现场用户输入设备扩展设备扩展单元通讯模块功能模块电源变换器～110V/220V市电PLC基本单元PLC系统结构示意图整体式PLC的基本组成框图第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学组合式PLC的基本组成框图系统总线通信单元控制系统现场过程CPU单元输出单元编程器PLC或上位计算机……智能I/O单元输入单元第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学FX系列PLC的硬件配置图第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学3.1.2可编程控制器各部分的功能CPU由控制器和运算器组成主要任务：(1)诊断功能：诊断PLC电源、内部工作电路的工作状态和所存储的用户程序中的语法错误。(2)接收并存储用户程序。(3)以扫描方式接收现场输入装置输入的状态或数据，并存入相应的数据存储区。(4)执行监控程序和用户程序，完成数据和信息的逻辑运算，产生相应的控制信号，完成用户指令规定的各种操作。(5)响应各种外部设备(如编程器、上位机、打印机等)的工作请求1．CPU(中央微处理器)第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学可编程控制器采用的CPU单片机芯片：8031、8096位片式微处理器：AMD-2900通用微处理器：8086、80286、80386小型PLC大多采用8位微处理器或单片机作为CPU中型PLC大多采用16位微处理器或单片机作为CPU大型PLC大多采用位片式微处理器FX2可编程控制器使用的微处理器是16位的8096单片机。有些大中型PLC采用了冗余技术，即采用双CPU或三CPU工作方式，进一步提高了系统的可靠性。采用冗余技术的PLC平均无故障工作时间可达几十万小时以上第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学2．存储器PLC的存储器系统程序存储器用户程序存储器（包括用户程序存储区和用户数据存储区）(1)系统程序存储器通常采用ROM或EPROM芯片存储器(2)用户程序存储区主要存放用户已编制好的程序或正在调试的应用程序为了调试和修改的方便，总是先把用户程序存放在随机存取存储器(RAM)中，经过运行、考核、修改、完善、达到设计要求后，再把它固化到EPROM中，替代RAM使用。(3)用户数据存储区通常采用RAM存储器第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学3．输入/输出接口作用：连接用户输入输出设备和PLC控制器，将各输入信号转换成PLC标准电平供PLC处理，再将处理好的输出信号转换成用户设备所要求的信号驱动外部负载。对输入输出接口的要求：良好的抗干扰能力；对各类输入输出信号（开关量、模拟量、直流量、交流量）的匹配能力。各种输入接口均采取了抗干扰措施：光耦合器隔离RC滤波器第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学PLC与外部设备联系的桥梁开关量输入单元开关量输出单元直流输入单元交流输入单元晶体管输出单元晶闸管输出单元继电器输出单元第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学开关量I/O模块的外部接线方式开关量I/O模块的点数一般是2的n次方，如4、8、16点。开关量I/O模块的外部接线方式有汇点式、分组式和分隔式第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学（1）输入接口电路：采用光电耦合器，防止强电干扰。第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学直流输入电路第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学交流输入电路第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学继电器输出（2）输出接口电路：以继电器形式为例：PLC内部电路内部电路K+交流电源或直流电源QL+-第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学晶体管输出电路第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学晶闸管输出电路第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学继电器输出电路特别应指出的是，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。第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学4．编程器编程器是PLC的重要外围设备，使用编程器将用户编写的程序存入用户程序存储区，实现人与PLC的对话(1)编程器的类型简易编程器图形编程器计算机编程器第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学(2)简易编程器简介液晶显示屏(16字符X4行带后照明)功能键专用键指令键元件符号键数字键连接用接插件其他键清除键辅助键空格键步序键光标键执行键第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学5．电源可编程控制器内部有一稳压电源，用来把供电电源转换成满足PLC的各内部电路(如CPU、存储、I/O接口等)工作所需要的直流电源。FX2系统PLC采用开关电源，除向PLC内部电路供电外，还可向外提供DC24V稳压电源用于对外部供电第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学6．扩展接口若PLC主机板(又称基本单元)的I/O点数不能满足输入/输出设备的需要时，可用扩展电缆将I/O扩展单元与基本单元相连，达到灵活配置，增加I/O点数的目的I/O扩展接口——采用并行通讯方式扩展I/O模块；扩展位置控制模块（如F2-30GM）；扩展通讯模块（如FX-232AW等）；扩展模拟量控制模块（如FX-2DA、FX-4AD等）。第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学3.2可编程控制器的工作原理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。一个循环扫描过程称为扫描周期。PLC采用周期扫描机制，简化了程序设计，提高了系统可靠性。具体表现在：在一个扫描周期内，前面执行的任务结果立即就可被后面将要执行的任务所用；可以通过设定一个监视定时器来监视每个扫描周期的时间是否超过规定值，避免某个任务进入死循环而引起的故障。3.2.1可编程控制器的工作方式第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学3.2.2可编程控制器的工作过程PLC投入运行后，要完成以下操作：以故障诊断和处理为主的公共操作联系现场信号输入/输出状态刷新执行用户程序服务于外设命令的操作PLC中的CPU采用分时方式去执行这些操作。按顺序每一时刻执行一个操作第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学PLC循环扫描工作流程第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学(1)PLC扫描工作各环节的功能①PLC上电后，首先检查硬件是否正常。②按自上而下的顺序，逐条读用户程序并执行。对输入的数据进行处理，将结果存入元件映象寄存器。③计算扫描周期。若正常，则进行下一步；若不正常，则报警并作处理。④I/O刷新阶段。⑤外设端口服务。读输入点的状态并写入输入映像寄存器。将元件映像寄存器的状态经输出锁存器、输出电路送到输出点。访问外设端口连接的外部设备。第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学读读读写写执行用户程序I/O刷新I/O刷新I/O刷新I/O刷新(2)PLC执行用户程序的过程第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学(3)PLC控制的原理等效电路图SB1SB2ST公共端公共端输入部分输出端子输入端子用户程序输出部分主电路KMFUFRM3~Q~KMPLC~SB1SB2KMSTI0.0I0.1I0.2Q0.01LL+第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学~KM线圈通电SB1闭合I0.0闭合接点闭合KMFUFRM3~QKM通电KM通电触点闭合电动机转触点闭合SB2STSB1KMPLC~SB2STI0.0I0.1I0.2Q0.01L1M第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学~KM线圈断电I0.1断开接点断开KMFUFRM3~QKM通电KM断电触点断开电动停转触点断开SB2STSB2闭合PLC~SB2STI0.0I0.1I0.2Q0.01L1MKM第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学集中采样、集中输出、周期性循环扫描串行工作方式3.2.3PLC的工作特点由于PLC是集中采样，在程序处理阶段即使输入发生了变化，输入映象寄存器中的内容也不会变化，要到下一周期的输入采样阶段才会改变。注意由于PLC是串行工作方式，所以PLC的运行结果与梯形图程序的顺序有关。这与继电器控制系统“并行”工作有质的区别。避免了触点的临界竞争，减少了繁琐的联锁电路。河南理工大学第3章可编程控制器的组成与原理扫描周期计算扫描周期除了输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段外，还要进行自诊断、与外设(如编程器、上位计算机)通信等处理。一般说来，同型号的PLC，其自诊断所需的时间相同如三菱FX2系列机自诊断时间为0.96ms河南理工大学第3章可编程控制器的组成与原理例：三菱公司FX2—40M，配置开关量输入24点，开关量输出16点，用户程序为1000步，不包含特殊功能指令，PLC运行时不连接上位计算机等外设。I/O的扫描速度为0.03ms／8点，用户程序的扫描速度为0.74us/步，自诊断所需的时间为0.96ms，试计算一个扫描周期所需要的时间为多少?解：扫描40点I／O所需要的时间为：T1＝0.03ms／8点×40点=0.15ms扫描1000步程序所需要的时间为：T2＝0.74us/步×1000步＝0.74ms自诊断所需要的时间为：T3＝0.96ms因PLC运行时，不与外设通信，所以通信时间为；T4=0这样一个扫描周期T为：T＝T1十T2十T3+T4=0.15ms十0.74ms十0.96ms＝1.85ms河南理工大学第3章可编程控制器的组成与原理不能完全精确计算出PLC一次的扫描周期(1)在Fx2系列PLC中，当PLC投入运行后，CPU将最大扫描周期、最小扫描周期和当前扫描周期的值分别存入D8012、D8011、D80l0三个特殊数据寄存器中(计时单位：1ms)，用户可以通过编程器查阅、监控扫描周期的大小及变化。(2)在Fx2系列PLC中，提供恒定的扫描周期扫描用户程序的运行方式。用户可将通过计算或实际测定的最大扫描周期再留一些余量，作为恒定扫描周期的值存放在特殊数据寄存器D8039中(计时单位：1ms)；当特殊辅助继电器M8039线圈被接通时，PLC按照D8039中存放的数据以恒定周期扫描用户程序。第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学输出滞后从PLC的外部输入信号发生变化至它所控制的外部输出信号发生变化的时间间隔。一般为几十—100ms.引起输出滞后的因素：输入模块的滤波时间、输出模块的滞后时间、扫描方式引起的滞后注意第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学扫描过程的简单实例输入/输出响应滞后示意图(a)(b)第3章可编程控制器的组成与原理河南理工大学3.3可编程控制器的编程语言可编程控制器的编程语言主要有：梯形图语言助记符语言功能块图