第二章-PLC的基本组成及工作原理

第二章PLC的基本组成及工作原理本章的主要内容：2.1PLC的基本组成2.2PLC的基本工作原理2.3PLC的编程语言2.1PLC的基本组成1.PLC的硬件结构1)CPU模块微处理器+存储器2)I/O模块输入：开关量、模拟量输出：执行器（接触器、电磁阀、指示灯）3)电源为系统提供电源4)编程器编辑用户程序，监视PLC状态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2.1PLC的基本组成中央处理单元存储器数据存储器输出接口地址总线控制总线数据总线编程单元照明电磁装置执行机构……电源地址总线控制总线输入接口模拟量输入行程开关继电器接点各种开关PLC结构示意图2.1PLC的基本组成1)中央处理单元CPU——PLC的核心与一般计算机一样，CPU是可编程控制器的核心，它按系统程序赋予的功能指挥可编程控制器有条不紊地进行工作，其主要任务有：（1）接收、存储由编程工具输入的用户程序和数据，并通过显示器显示出程序的内容和存储地址。（2）检查、校验用户程序。（3）接收现场数据。（4）执行用户程序。（5）故障诊断。注意：PLC通常以字而不是以字节为单位存储和处理数据。描述PLC性能的几个术语位：二进制的一位，仅有1、0数字：4位二进制数构成一个数字字节：2个数字或8位二进制数构成一个字节字：两个字节构成一个字。2.1PLC的基本组成1)中央处理单元CPU——PLC的核心不同型号可编程控制器的CPU芯片是不同的，有的采用通用CPU芯片，如8031、8051、8086、80286等，也有采用厂家自行设计的专用CPU芯片（如西门子公司的S7-200系列可编程控制器均采用其自行研制的专用芯片），CPU芯片的性能关系到可编程控制器处理控制信号的能力与速度，CPU位数越高，系统处理的信息量越大，运算速度也越快。随着CPU芯片技术的不断发展，可编程控制器所用的CPU芯片也越来越高档。2.1PLC的基本组成2)存储器PLC常用的存储器主要有PROM、EPROM、E2PROM、RAM等几种，多数都直接集成在CPU单元内部。虽然大、中、小型PLC的CPU的最大可寻址存储空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区系统RAM存储区也称工作数据区(包括I／O映象区和系统软设备等)。用户程序存储区2.1PLC的基本组成2)存储器-系统程序存储区系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。它包括：监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能够直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的各项性能。2.1PLC的基本组成2)存储器-系统RAM存储区也称工作数据存储器，指PLC在工作过程中经常变化、需要经常存取的数据，如：参数测量结果、运算结果、设定值等，这部分数据一般存放在RAM之中。在工作数据区中开辟有数据表和元件映像寄存器，包括I/O映象区和各类系统软设备存储区(软设备举例：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等)。2.1PLC的基本组成2)存储器-系统RAM存储区由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要有一定数量的存储单元(RAM)以供存放I/O的状态和数据，这些存储单元称作I／0映象区。一个开关量I／0占用存储单元中的一个位(bit)，一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字(16个bit)。I／O映象区：（1）开关量的I／O映象区（2）模拟量的I/O映象区2.1PLC的基本组成2)存储器-系统RAM存储区之一I/O映象区中的存储单元用来存放开关量I/O，每个开关量I/O占用存储单元中的一个位(bit)。连接到PLC开关量输入端的每个开关量输入在I／O映象区中都有一个确定的位与之相对应。在输入采样阶段或扫描该开关量输入的立即刷新指令时，如果该开关量输入端所连接的外设处于“断开”状态，则I/O映象区中相对应的位被置为“0”；如果该输入端所联接的外设处于“闭合”状态，则I/O映象区中相对应的位被置为“1”。2.1PLC的基本组成2)存储器-系统RAM存储区之二模拟量I/O映象区中的存储单元用来存放模拟量I／O。每个模拟量I／O占用一个字(16bits)，而每个PLC规定了其允许的最大模拟量I/O点数，因此，模拟量I/O映象区中存储单元的总数就等于模拟量I／O点数的和。例如：具有模拟量I／O各8点的PLC，其模拟量I/O映象区由16个16位的存储单元组成。这就是说，连接到PLC模拟量I/O端的每个模拟量I／O在I/O映象区中都有一个16位的存储单元与之相对应。每个存储单元内的数据反映了相对应的模拟量I／O的大小。2.1PLC的基本组成2)存储器-系统RAM存储区之三系统RAM存储区除了I/O映象区以外，还包括PLC内部各类软设备(逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器、变址寄存器和累加器等)的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域。前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，使这部分存储单元内的数据得以保留；后者当PLC停止运行时，将这部分存储单元内的数据全部清零。2.1PLC的基本组成3)输入/输出模块输入/输出接口通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接通道。PLC输入接口-----可以检测被控对象的各种数据，用这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据。PLC输出接口-----将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。2.1PLC的基本组成（1）输入接口作用：将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。3)输入/输出模块内内内内COM内内1输入n.2.1PLC的基本组成（2）输出接口作用：将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。3)输入/输出模块•继电器输出特点：低速大功率，用于用于直流、交流负载（隔离、功率放大）。•晶体管集电极输出特点：高速小功率，用于直流负载。•双向可控硅（晶闸管的一种）输出特点：高速大功率，用于交流负载。2.1PLC的基本组成3)输入/输出模块-继电器输出继电器输出输出接口电路PLC内部电路内部电路J+交流电源或直流电源YCOM-2.1PLC的基本组成3)输入/输出模块-晶体管输出晶体管输出晶闸管输出2.1PLC的基本组成3)输入/输出模块-晶闸管输出•汇点式各个I/O电路有一个公共点，共用一个电源。•分组式I/O分成若干组，每组I/O共用一个电源，各组电源可以不同。•分割式各个I/O点之间相互隔离，每个I/O可以使用独立电源。COMX0X1X2X3X4X5X6汇点式COM1Y0Y1Y2Y3COM1Y0Y1Y2Y3COM2COM2COM3COM4分组式分隔式3)输入/输出模块-开关量I/O模块的外部接线方式2.1PLC的基本组成2.1PLC的基本组成模拟量输入接口（A/D接口）：分辨率（8位、10位、12位等）、线性度、精度等，许多PLC还有与热电阻或热电偶配套使用的A/D接口。模拟量输出接口（D/A接口）：分辨率（8位、10位、12位等）、精度、线性度、稳定时间等。3)输入/输出模块-模拟量输入、输出接口2.1PLC的基本组成PLC配有各种通信接口与外部设备连接：与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印；与监视器连接，可将控制过程图像显示出来；与PLC连接，组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制；与计算机连接，组成多级分布式控制系统，控制与管理相结合；与人机界面（触摸屏）连接；与编程器连接。3)输入/输出模块-通讯接口与智能接口模块连接：智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口，PLC的智能接口模块种类很多，如：高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。2.1PLC的基本组成3)输入/输出模块-通讯接口2.1PLC的基本组成与智能接口模块连接图3)输入/输出模块-通讯接口PLC的供电电源一般是市电，也有用直流+24V供电的。并允许电压在+10%～-15%的范围内波动。小型PLC电源往往和CPU单元合为一体，中大型PLC都有专门的电源单元或模块。有些PLC电源部分还有24VDC输出，用于对外部传感器供电，但电流较小为毫安级。2.1PLC的基本组成4)电源2.1PLC的基本组成5)编程器2.1PLC的基本组成专用编程器5)编程器通用编程器系统2.1PLC的基本组成1）监控程序（1）管理程序①运行管理：对输入输出、数据处理、自检、通信等进行时间上的分配管理。②存储空间管理：由它规定各种参数、程序的存放地址。③内部自检：用户程序的语法和句法检查、系统出错检验、警戒时钟运行等。（2）用户指令解释程序：将梯形图等用户编程语言解释成机器语言。（3）系统调用和标准程序模块：完成输入输出、数据处理等功能。2）用户程序：用梯形图、指令表、汇编、高级语言编写的应用程序。2.PLC的软件结构2.1PLC的基本组成（1）单元式结构：将PLC所有的电路都集中在一个模块内。（2）模块式结构：在一个基板（背板）上插接模块。（3）叠装式结构：用电缆将各模块连接。3.PLC的外形结构2.2PLC的工作原理继电器控制的结构图：2.2PLC的工作原理PLC控制的结构图：继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。2.2PLC的工作原理继电器控制与PLC控制的比较：为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。2.2PLC的工作原理继电器控制与PLC控制的比较：2.2PLC的工作原理工作原理：顺序扫描、不断循环。CPU从第一条指令开始执行，遇到结束符又返回第一条，不断循环。分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，并进行周期性循环。一个扫描周期O刷新I刷新执行指令I/O刷新2.2PLC的工作原理1.输入采样PLC在输入操作上采用定时采样的方式。即在一个扫描周期的固定时刻（一般在扫描周期的开始）采样所有的输入点，采样結果存入RAM中一个区域（输入映像区）。2.程序执行执行程序时，所需的现场信息全部从输入映像区中取用。同样控制信息输出也不是采取生成一个就输出一个的方法，而是先將它們存放在RAM中的一个区域（输出映像区）。2.2PLC的工作原理3.输出刷新PLC在输出操作上采用定时输出的方式。在扫描周期结束时將输出映像区中控制信息集中输出。通过建立I/O映像区，使PLC成为一个真正的数字采样控制系統。只要采样周期足够短，即采样頻率足够高，这样的采样系統应該完全符合实际系統的需要。停止按钮接触器输入输路输输输输输输输输输输输输输输输出输路内内输输输输启动按钮x1x0x1x0Y0Y0Y02.2PLC的工作原理两种工作状态：运行（RUN）/停止（STOP）内部处理通信服务输入处理程序执行输出处理RUNSTOP①内部处理：内部诊断、监控定时器复位。②通信服务：与其它装置通信、响应编程器命令（输入、显示）。③输入处理：外部端口数据读入输入映像寄存器。④程序执行：完成用户程序的逻辑运算。⑤输出处理：将输出映像寄存器数据送到输出端口（锁存器）。2.2PLC的工作原理★集中采样：在一个扫描周期中，对输入状态的采样只在输入处理阶段进行。当PLC进入程序处理阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入处理阶段才对输入状态进行重新采样