可编程控制器的基本结构和工作原理

第三章可编程控制器的基本结构和工作原理一、可编程序控制器的产生继电－接触器控制系统的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差，一旦生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，这造成了时间和资金的严重浪费。3.1可编程控制器的概述PLC的产生1968年，美国通用汽车公司(GM公司)为了在每次汽车改型或改变工艺流程时不改动原有继电器柜内的接线，以便降低生产成本，缩短新产品的开发周期，而提出了研制新型逻辑顺序控制装置，并提出了该装置的研制指标要求，即10项招标技术指标。1969年，美国数字设备公司（DEC公司）首先研制成功第一台可编程控制器PDP－14。接着，美国MODICON公司也开发出可编程控制器084。1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制成了日本第一台可编程控制器DSC－8；1973年，西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器；我国从1974年也开始研制可编程控制器，1977年开始工业应用。二、PLC的名称由来早期的PLC是用来替代继电器、接触器控制的。它主要用于顺序控制，只能实现逻辑运算。因此，被称为可编程逻辑控制器（Programmablelogiccontroller，略写PLC)随着电子技术、计算机技术的迅速发展，可编程控制器的功能已远远超出了顺序控制的范围。被称为可编程控制器（Programmablecontroller，略写PC)。为区别于PersonalComputer(PC)，故沿用PLC这个略写。三、可编程序控制器的定义PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的进行数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体和易于扩展其功能的原则而设计。”四、PLC的分类1.按可编程序控制器的结构分类：整体式结构和模块式结构1)整体式结构的PLC把CPU、存储器、输入输出接口电路、电源都装入一个金属或塑料外壳的机箱之中，称为主机。机箱上有输入输出接线端子排及电源进线端子；机箱上还有发光二极管，反映PLC运行模式和输入输出点状态。整体式结构的PLC的I/O点数是固定的，而且数量不多。如10点、24点、32点、40点、60点等。2)模块式结构的PLC把PLC系统的各组成部分分成各个独立的模块，使用时把各部分模块在一个框架上组装在一起；或通过各模块的插口，把各模块依次插接在一起，形成一个完整的PLC系统进行工作。一般模块有CPU模块、输入模块、输出模块、I/O混合模块、电源模块。S7-200PLCS7-300PLC2.按I/O点数分类一般将一路信号叫做一个点，将输入点数和输出点数的总和称为机器的点。按照点数的多少，可将PLC分为超小、中、大等类型。(1)小型PLC：I/O点数为256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字以下。小型及超小型PLC在结构上一般是一体化整体式的，主要用于中等容量的开关量控制，具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制、通信等功能。第1章概述(2)中型PLC：I/O点数256～2048点；双CPU，用户存储器容量2～8K。中型PLC除具有小型、超小型PLC的功能外，还增加了数据处理能力，适用于小规模的综合控制系统。(3)大型PLC：I/O点数2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8～16K。上述划分方式并不十分严格，也不是一成不变的。随着PLC的不断发展，划分标准已有过多次的修改。第1章概述PLC的主要生产厂家五、PLC的特点①可靠性高、抗干扰能力强PLC的平均无故障时间可达几十万个小时。★硬件方面：I/O接口采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源的影响；对供电电源及线路采用多种形式的滤波，从而消除或抑制了高频干扰；对CPU等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰；对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等。(光电隔离：消除高频、电磁干扰）★软件方面：采用扫描工作方式，减少了外界的干扰；设有故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；当由干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。PLC的特点：②编程简单、操作使用简单目前，各种PLC都采用梯形图语言为第一编程语言，它是一种面向生产、面向用户的编程语言。梯形图与电器控制线路图相似，形象、直观，不需要掌握计算机知识，很容易让广大工程技术人员掌握。当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活。同时，PLC编程器的操作和使用也很简单。这也是PLC获得普及和推广的主要原因之一。许多PLC还针对具体问题，设计了各种专用编程指令及编程方法，进一步简化了编程。PLC的特点：③功能完善、通用性强，便于使用现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID控制、通信联网以等许多功能。同时，由于PLC产品的系列化、模块化，有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成满足各种要求的控制系统。④设计安装简单、维护方便由于PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。PLC的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。在维修方面，由于PLC的故障率极低，维修工作量很小；而且PLC具很强的自诊断功能，如果出现故障，可根据PLC上指示或编程器上提供的故障信息，迅速查明原因，维修极为方便。⑤体积小、重量轻、能耗低PLC结构紧凑、体积小、能耗低，是实现机电一体化的理想控制设备。六、PLC的应用领域顺序控制运动控制过程控制数据处理通信联网七、PLC的主要性能指标（六）智能单元的数量（一）存储容量（二）输入∕输出点数（三）扫描速度（四）编程指令的种类和数量（五）扩展能力八、PLC控制系统与继电接触控制系统的区别①控制方法上：硬：软②工作方式上：并行工作方式：串行工作方式③控制速度上：速度慢：快④定时和计数控制上：精度低：高⑤可靠性和可维护性上：可靠性低：高九、PLC的发展趋势1.在系统构成规模上向大、小两个方向发展；2.功能不断增强，各种应用模块不断推出；3.产品更加规范化、标准化。3.2PLC的硬件组成3.2.1PLC的硬件系统组成（6部分）（一）中央处理器CPU1.CPU在系统程序的配合下，做以下工作：（1）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。（2）诊断电源、PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。（3）从程序存储器中读取用户程序，经编译程序解释后转化为相应的机器码，按机器码产生相应的控制信号完成用户程序规定的运算任务和控制任务。（4）主要用扫描方式，也用中断方式，接收现场输入设备的状态信息，并存入相应的存储单元。（5）按要求输出相应的运算结果和控制信号。（6）控制打印、显示、通讯等工作的执行。PLC的CPU由一般微处理器芯片，或由单片机芯片等担任。3.2.1PLC的硬件系统组成（6部分）（二）存储器存储器有ROM和RAM两种，用来保存程序和数据。1．系统程序存储器系统程序是系统的监控管理、故障检测、指令解释程序，它不需用户干预，由厂家直接固化到EPROM中。系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序模块与系统调用程序2．用户程序存储器用来存放用户程序。用户编好程序后，先输入到PLC中带有后备电源的RAM中，经调试修改后，可以固化到EPROM、E２PROM中长期使用。3．数据存储器数据存储器用来存放I/O状态，中间开关量状态，定时器、计数器的设定值和现在值,各种运算的源数据和结果数据，状态标志位等。分为元件映像寄存器和数据表。3.2.1PLC的硬件系统组成（6部分）（三）输入/输出接口1.控制用I/O接口是CPU与现场的被控I/O设备之间的连接部件。2.外设用I/O接口是CPU与保证CPU正常工作的外部设备进行联系接口。外部设备通过一个或多个外设用I/O接口与PLC的CPU进行联系或通讯。通过外设用I/O接口还可以实现PLC之间、PLC与上位机之间的通讯。必备的外部设备是编程器,外部设备还有：打印机、EPROM写入器、专用彩色图形监控器、外部RAM、ROM单元、盒式磁带机。3.2.1PLC的硬件系统组成（6部分）3.扩展用I/O接口可用来外接扩展的控制用I/O接口，增加PLC的输入输出能力。输入/输出接口电路直流输入电路图内部电路COM输入1输入n交流输入电路图内部电路COM输入1输入n.（四）电源电源用来提供PLC正常工作的各种电压。交流电源：PLC的外接功率电源是220V/110V电压的交流电源，有的PLC的电源电压的适用范围可达到85V~264V。电源电压的平稳可靠是PLC正常工作的首要条件。直流电源：有的PLC还可以向外部提供一定功率的直流24V电压，提供给PLCI/O接口使用,或提供给适量的负载使用。注意：为了保证RAM芯片在PLC断电后仍保持数据，PLC内部装有干电池或锂电池做后备电源。这样的电池两年左右要更换一次。有的PLC存储器不用RAM，而使用E2PROM。而E2PROM可以不用后备电池。（五）编程器供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视3.2.2PLC的软件系统（2部分）PLC的软件系统：是指PLC使用的各种程序的集合，包括系统程序和用户应用程序。（一）系统程序系统程序又称为系统软件。它包括PLC整个系统及各部分的管理程序，监控程序，系统故障检测程序或故障诊断程序，PLC指令系统的解释程序。系统程序一般由PLC采用的微处理器相应的汇编语言编写，由厂家提供，固化在EPROM中。系统程序一般不能也不需要由用户干预。（二）用户程序用户程序是用来实现用户的控制要求的应用程序，由用户编制。编制用户程序，使用的不是原来的汇编语言，而是PLC的指令系统，这是由原来的汇编语言开发出来的PLC的程序语言。用户程序由用户使用专用编程器或通用微机输入到PLC内存中。PLC的程序语言或指令系统，当前主要是梯形图语言及与梯形图相对应的助记符语句指令。也有PLC采用流程图语言(GRAFACET)、顺序功能图语言(SFC)或专用高级语言，也有使用像BASIC这样高级语言的。3.3PLC的编程语言（一）梯形图（LAD）编程符号对照典型梯形图示意典型的梯形图示意图（二）指令表（STL）编程指令表编程举例a）梯形图b）指令表（三）状态流程图（功能图）编程钻孔顺序的状态流程图