第1讲-可编程序控制器原理

第1讲可编程序控制器原理1.1可编程序控制器简介1.2可编程序控制器的特点1.3可编程序控制器的发展趋势1.4可编程序控制器的基本组成1.5可编程序控制器的工作原理1.1可编程序控制器简介可编程序控制器(又称可编程控制器)是以自动控制技术、微计算机技术和通信技术为基础发展起来的新一代工业控制装置，目前已被广泛应用于各个领域。由于早期的可编程序控制器只能进行计数、定时以及对开关量的逻辑控制，因此，它被称为可编程序逻辑控制器(ProgrammableLogicController)，简称PLC。后来，可编程序控制器采用微处理器作为其控制核心，它的功能已经远远超出逻辑控制的范畴，于是人们又将其称为ProgrammableController，简称PC。但个人计算机(PersonalComputer)也常简称PC，所以为了避免混淆，可编程序控制器仍被称为PLC。1987年，国际电工委员会(IEC)在可编程序控制器国际标准草案第三稿中，对可编程序控制器定义如下：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出控制各种机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC是生产力发展的必然产物。20世纪60年代初，美国的汽车制造业竞争激烈，产品更新换代的周期越来越短，其生产线必须随之频繁地变更。传统的继电器控制对频繁变动的生产线很不适应，因此人们对控制装置提出了更高的要求，即经济、可靠、通用、易变、易修。自从1969年美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台PLC，并在美国GM公司的汽车自动装配生产线上获得试用成功以来，由于PLC优越的性能，其技术得到了飞速的发展。1971年，日本引进了这项技术并开始生产PLC。1973年，原西德和法国也研制出自己的PLC。随着微电子技术的迅猛发展，到20世纪80年代中期，PLC的处理速度和可靠性大大提高，不仅增加了多种特殊功能，而且体积进一步缩小，成本大幅度下降。到20世纪90年代中期之后，PLC几乎完全计算机化，其速度更快，功能更强，PLC的各种智能化模块不断被开发出来。为了推动PLC的应用，一些厂家还推出了PLC的计算机辅助编程软件。现在，PLC不仅能进行逻辑控制，还在模拟量的闭环控制、数字量的智能控制、数据采集、监控、通信联网及集散控制等方面都得到了广泛的应用。如今大中型，甚至小型PLC都配有A/D、D/A转换及算术运算功能，有的还具有PID功能。这些功能使PLC的应用具有了硬件基础。另外，PLC还具有较强的通信功能，可与计算机或其他智能装置进行通信和联网，从而方便地实现集散控制。目前，世界上一些著名电器生产厂家几乎都在生产PLC，产品功能日趋完善，换代周期越来越短。为了进一步扩大PLC在工业自动化领域的应用范围，适应大、中、小型企业的不同需要，PLC产品大致向两个方向发展：小型PLC向体积缩小，功能增强，速度加快，价格低廉的方向发展，使之能更加广泛地取代继电器控制，更便于实现机电一体化；大、中型PLC向高可靠性、高速度、多功能、网络化的方向发展，将PLC系统的控制功能和信息管理功能融为一体，使之能对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。我国从20世纪70年代中期开始研制和开发国产PLC，许多企业在PLC的应用方面进行了积极的探索，取得了成功的经验和良好的效益。随着PLC产品性能价格比的不断提高，中小企业普及应用PLC的投资已经完全可以承受。可以预见，PLC技术的推广应用会使我国的工业自动化水平产生极大的飞跃。1.2可编程序控制器的特点1．灵活性和通用性强2．抗干扰能力强、可靠性高1)硬件方面的抗干扰措施对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，均采用严格措施进行屏蔽，以防外界干扰。对供电系统及输入电路采用多种形式的滤波，以消除或抑制高频干扰，也削弱了各部分之间的相互影响。对PLC内部所需的+5V电源采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以消除由于交流电网的波动引起的过电压、欠电压的影响。采用光电隔离措施，有效地隔离了内部与外部电路间的直接电联系，以减少故障和误动作。采用模块式结构的PLC，一旦某一模块有故障，可以迅速更换模块，从而尽可能缩短系统的故障停机时间。2)软件方面的抗干扰措施PLC通过监控程序定时地对电源及强干扰信号等进行检测。当检测到故障时，立即转入故障处理程序，保存当前状态，禁止对程序的任何操作，以防存储信息被破坏。待故障排除后，立即恢复到故障前的状态，继续执行程序。PLC设置了监视定时器，如果程序每次循环的执行时间超过了规定值，表明程序已进入死循环，则立即报警。加强对程序的检查和校验，发现错误立即报警，并停止程序的执行。利用后备电池对用户程序及动态数据进行保护，确保停电时信息不丢失。由于采取了以上措施，PLC的抗干扰能力和可靠性得到了提高。3．编程语言简单易学4．PLC与外部设备的连接简单，使用方便5．PLC具有完善的功能和较强的扩展能力1.3可编程序控制器的发展趋势目前，PLC技术和产品的发展非常活跃，各厂家不同类型的PLC品种繁多，各具特色。综合起来看，PLC的发展趋势有以下几个方面。1)系统功能完善化2)体系结构开放化及通信功能标准化3)I/O模块智能化及安装现场化4)功能模块专用化5)编程组态软件图形化6)硬件结构集成化、冗余化7)控制与管理功能一体化1.4可编程序控制器的基本组成图1-1整体式PLC组成示意图组合式PLC组成如图1-2所示。这种结构的PLC是将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块可以插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU的单元称为CPU模块，其他称为扩展模块。CPU与各扩展模块之间若通过电缆连接，距离一般不超过10m。中、大型机常采用组合式PLC。图1-2组合式PLC组成示意图1.4.1中央处理单元(CPU)中央处理单元是PLC的主要组成部分，是系统的控制中枢。它的主要功能是接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并诊断用户程序的语法错误。当PLC投入运行时，首先以扫描方式接收现场各输入装置的状态或数据，并分别存入I/O映像区；然后从用户程序存储器中逐条取指令，按指令的规定执行逻辑或算术运算任务，并将运算结果存入I/O映像区或数据寄存器内。等到所有用户程序扫描执行完毕后，才将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置。如此循环运行，直至停止运行为止。PLC和一般微处理机不同，它常以字(16位)为单位而不是以字节(8位)为单位存储与处理信息。不同厂家、不同产品的CPU也不一样，但CPU在系统中的作用是一致的。只不过在CPU本身的集成度、运算速度和位数等方面略有差异。一般的中型PLC多为双CPU系统，其中一个为主处理器，主要处理字节操作指令，控制系统总线、内部计数器、内部定时器，监视扫描时间，统一管理编程接口，同时协调位处理器及输入/输出。如OMRON公司的C200H用的是美国Motorola公司的MC681309CP。也有一些PLC采用单片机，如8051、8031等；另一个CPU则作为从处理器，专门用来处理位操作指令和在机器操作系统的管理下实现PLC编程语言向机器语言的转换，它是加快PLC工作处理速度的关键。一般情况下，这样的CPU都是各公司自己开发的专用CPU。因此，实际上PLC是一个双CPU的微机(或单片机)系统，它的可靠性也比较高。1.4.2存储器PLC的存储器可以分为以下3种。1．系统程序存储器系统程序是厂家根据其选用的CPU的指令系统编写的，它决定了PLC的功能。系统程序存储器是只读存储器，用户不能更改其内容。2．用户程序存储器根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序。不同机型的PLC的用户程序存储器的容量可能差异较大。根据生产过程或工艺的要求，用户程序经常需要改动，所以用户程序存储器必须可读写。一般要用后备电池(锂电池)进行掉电保护，以防掉电时丢失程序。目前较先进的PLC(如CPM1A等)采用可随时读/写的快闪存储器作为用户程序存储器。快闪存储器不需要后备电池，掉电时数据也不会丢失。3．工作数据存储器用来存储工作数据的区域叫工作数据区。工作数据是经常变化、经常存取的，所以这种存储器必须可读/写。在工作数据区中开辟有元件映像寄存器和数据表。其中，元件映像寄存器用来存储开关量的输入/输出状态以及定时器、计数器、辅助继电器等内部器件的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它存储用户程序执行时的某些可变参数值及A/D转换得到的数字量和数学运算的结果等。在PLC断电时能保持数据的存储器区称数据保持区。1.4.3输入/输出接口1．开关量输入按照输入端电源类型的不同，开关量输入可分为直流输入和交流输入。直流输入的电路如图1-3所示，外接的直流电源极性可任意，虚线框内是PLC内部输入电路，虚线框外为外部用户接线。图1-3直流输入电路图1-3中，T为一光电耦合器，发光二极管与光电三极管封装在一个管壳中。当二极管中有电流时其发光，此时光电三极管导通。R1为限流电阻，R2和C构成滤波电路，可滤除输入信号中的高频干扰。LED显示该输入点的状态。由于电路中采用了光电耦合器，故在电性能上是完全隔离开的，同时，由于发光二极管的正向阻抗约为100～1kΩ，因此输入阻抗较低。而外界干扰源的内阻一般都比较大，故干扰源送到输入端的干扰噪声很小。并且由于干扰源内阻大，尽管能产生较高的干扰电压，但能量却很小，因此只能产生很弱的电流。而发光二极管只有通过一定的电流才能发光，这就抑制了干扰信号。可见在输入端采用了光电耦合器件后，提高了PLC的抗干扰能力。有的PLC内部提供24V的直流电源，这时直流输入单元无需外接电源，用户只需将开关接在输入端子和公共端子之间即可，这就是所谓无源式直流输入单元。无源式直流输入单元简化了输入端的接线，方便了用户。PLC的输入电路有共点式、分组式和隔离式之别。输入单元只有一个公共端子(COM)的称为共点式，外部各输入元件都有一个端子与COM相接；分组式是将输入端子分为若干组，每组各共用一个公共端子；隔离式输入电路是具有公共端子的各组输入点之间互相隔离，可各自使用的独立电源。2．开关量输出按输出电路所用开关器件的不同，PLC的开关量输出可分为晶体管输出、双向晶闸管输出和继电器输出，如图1-4所示。(1)在晶体管输出电路中，负载电源只能是直流，由用户提供。输出电路负载能力小(工作电流仅0.3～0.5A)，为无触点开关。晶体管输出接口使用寿命长，响应速度快，其延迟一般为0.5～1ms。(2)在双向晶闸管输出电路中，输出电路采用的开关器件是光控双向晶闸管，负载电源由用户提供，它使PLC的负载可以根据需要选用直流或交流电源。输出电路负载能力较大(工作电流约1A左右)，响应速度较快，一般导通延迟为1～2ms，关断延迟为8～10ms。(3)继电器输出电路中，负载电源由用户提供，可以是交流也可以是直流，视负载情况而定。输出电路抗干扰能力强，负载能力大(工作电流可达2～5A)，但信号响应速度较慢，其延迟一般为8～10ms。由于继电器触点电气寿命一般仅为10～30万次，因此在需要输出点频繁通断的场合(如高频脉冲输出)，应选用晶体管或晶闸管输出型的PLC。另外，继电器从线圈通电到触点动作存在延迟时间，是造成输出滞后于输入的原因之一。PLC输出电路也有共点式、分组式和隔离式之分。输出只有一个公共端子的称为共点式；分组式是将输出端子分为若干组，每组共用一个公共端子；隔离式是具有公共端子的各组输出点之间互相隔离，可各自使用独立的电源。图1-4开关量输出(a)晶体管输出；(b)双向晶闸管输出；(c)继电器输出1.4.4电源部件电源部件将交流电源转换成PLC的中央处理器、存储器等电路工作所需要的直流