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1、第七章工业可编程控制器 3 3可编程序控制器软件 可编程序控制器软件 PLC的使用者主要是广大工程技术人员 为了适应传统习惯和接受能力 PLC常常采用面向控制过程 面向问题的自然语言编程 其中最常用的是梯形图 或指令语句 流程图和逻辑式 又称布尔代数式 语言 近几年为了适应更复杂的控制和提高编程效率 某些PLC也开始配备BASIC等高级语言 可编程序控制器软件 梯形图 梯形图在形式上类似于继电器控制电路 功能相同的电动机启停控制电路和PLC梯形图如图5 13所示 a 继电器控制电路 b C6OPLC梯形电路 c EX4OPlus型PLC梯形图 d 逻辑式 可编程序控制器软件 梯形图 梯形图是用
2、图形符号连接而成 这些符号为常开接点 常闭接点 并联连接 串联连接 继电器线圈等 每一个接点或线圈均对应有一个编号 不同机型的PLC 其编号方法也不同 梯形图与继电器控制电路在电路的结构形式 元件的符号以及逻辑控制功能等方面是相似的 但它们又有一些不同之处 1 组成器件不同继电器控制线路是由许多真正的硬件继电器和导线组成 而梯形图则由许多所谓 软继电器 现成 它们实质是存储器中的一个触发器 软线圈相应位的触发器为 1 态 表示软继电器线圈通电 常开接点闭合 常闭接点打开 触发器为 0 态 表示软继电器线圈失电 硬件继电器易磨损 而 软继电器 则无磨损现象 硬继电器有吸合时的抖动现象 而软继电器
3、则无抖动问题 可编程序控制器软件 梯形图 2 工作方式不同在继电器控制线路中 当电源接通时 线路中各继电器都处于受制约状态 即该吸合的继电器几乎都同时吸合 不应吸合的继电器都因受某种条件限制而不能吸合 而在PLC的梯形图控制中 各软继电器都处于周期性串行循环扫描的控制中 受同一条件制约的各个软继电器的动作次序取决于程序扫描的顺序 3 触点数量不同硬继电器的触点数量有限 控制继电器的触点数一般只有2 4对 当需要更多触点时必须增设中间继电器 而梯形图中的每只软继电器可供编程引用的触点数几乎有无限对 因为存储器中的触发器状态可取用任意次 可编程序控制器软件 梯形图 4 编程方式不同在继电器控制线路
4、中 为了达到某种控制目的或要求安全可靠 节约触点等 通常要设置许多制约关系的联锁环节 在PLC的梯形图中 由于是扫描工作方式 不存在几个并列支路同时动作的因素 因此大大简化了电路设计 5 线圈的功能不同在PLC梯形图中 继电器线圈是广义的 除了输入继电器 输出继电器 辅助继电器线圈外 还包括计时器 计数器 移位寄存器以及各种算术运算的结果等 PLC中的软接点 软线圈不仅能表达顺序控制用的逻辑运算 还能表达反馈控制和数据处理等数字运算 而这些 通常的硬继电器是无法完成的 可编程序控制器软件 语句式 语句式类似于计算机汇编语言的形式 实质仍为梯形图语言 它是用指令的助记符来编程的 当用来表达分支
5、判断或四则运算时比上述的梯形图更为简便 富有弹性 指令语句由两部分组成 操作码和操作数 PLC全部编程指令的集合称为指令系统 下面是与图5 13 b 梯形图功能相同的OMRONC6OP系列PLC的语句式程序 LD0001 表示逻辑操作开始 常开接点与母线连接 0R0500 表示常开接点并联 ANDNOTOO02 表示常闭接点串联 OUT0500 表示输出 操作码告诉CPU进行何种操作 操作数包括了为执行某种操作所必须的信息 操作数一般由标识符和参数组成 但也可能空着 如NOP 空操作 指令 标识符表示操作数的类别 例如表明是输入继电器还是输出继电器 计时器 计数器 数据寄存器等 如图5 13中
6、的X表示输入 Y表示输出 参数用来指明被操作的器件编号或地址 也可以表示某一个常数 例如计时器 计数器的设定值 需要说明的是 各种PLC由于功能不同 其编程指令的数量 操作码的助记符和操作数的表示方法也不同 甚至同类功能指令的含义也不尽相同 使用时应仔细阅读PLC的软件编程手册 可编程序控制器软件 流程图和逻辑式 某些PLC机的流程图式编程类似于计算机的程序设计流程图 易于表达分支 判断等操作 某些PLC机的逻辑式编程是以逻辑代数为工具 适于表示复杂的逻辑关系 应用逻辑代数的化简和括号 可在有限的存储单元内存储更多的程序 与图5 13 d 功能对应的逻辑式PLC程序表达式为Y0l X02 X0
7、l十Y01 3 4PLC的工作原理 PLC的工作方式 可编程序控制器是一种采用微处理器的存储程序控制器 根据生产机械的控制要求 编制好PLC程序 再用编程器输入到PLC的用户程序存储器中 而后将PLC置于运行状态 RUN PLC就按照用户程序自动完成预定的控制操作 参见图5 14 PLC虽具有微机的许多特点但它的工作方式却与微机有很大不同 PLC与计算机控制和继电器控制的原理区别 普通的微型计算机是采用 串行等待命令 的工作方式 如常见的键盘扫描方式或外设I O扫描方式 当有键按下或外设I 0 例如网卡 鼠标的 动作 计算机则转入相应的子程序 否则则继续扫描 PLC则采用 串行循环扫描 工作方
8、式 在PLC中 用户程序按程序存数地址的先后 不停地 周期性地扫描 每扫描一次 用户程序就执行一遍 当用户程序编制完成后 就可以计算出PLC扫描周期的确定时间 因此可以应用定时监视器 WDT 时刻监控PLC的运行是否正常 这是PLC与民用微型计算机的最大不同点 继电接触器控制是按 并行 方式工作 也就是说继电器控制是按同时执行的方式工作的 只要形成电流通路 就可能有几个电器同时动作 在较复杂的继电接触器控制系统中可能会出现触点竞争和时序失配问题 而PLC是以 串行循环扫描 方式工作的 它是循环地 连续地逐条执行用户的控制程序 任一时刻它只能执行一条指令 这就是说PLC是以 串行 方式工作的 这
9、种串行工作方式可以避免继电接触器控制的触点竞争和时序失配问题 预处理 PLC通电后 先进行预处理 每次扫描用户程序之前 都先执行故障自诊断程序 即先复位PLC的所有计时器 检查I 0单元的连接情况 复位程序运行监视计时器 WDT 检查PLC内部电路和程序存储器是否正常等 发现异常立即停机并显示出错 若自诊断正常 则继续向下扫描 Watchdog WDT 又称看门狗 是为防止程序进入死循环以及便于检查PLC中的故障而设置的定时器 预处理阶段还检查PLC与编程器 计算机之间是否有通信请求 若有则进行相应处理 例如接收由编程器送来的程序 命令和各种数据 并把要显示的状态 数据 出错信息等发送给编程器
10、进行显示 如果有与计算机等的通信请求 也在这段时间完成通信协仪 数据的接受和发送任务 预处理阶段不输入 输出 也不执行用户程序 循环扫描 在预处理后 PLC按扫描形式执行用户程序 并根据所编程序的次序 从左到右 从上到下地扫描 先扫到的先检查 先执行 见图5 14 对用户程序的循环扫描过程 一般分为三阶段进行 即输入采样阶段 程序执行阶段和输出刷新阶段 1 输入采样阶段在输入采样阶段 PLC以扫描方式顺序读入所有输入端的状态 接通 断开 即ON OFF 并将此状态存入输入映像寄存器中 接着转入用户程序执行阶段 在程序执行期间 即使输入状态变化 输入映像寄存器的内容也不会改变 这些变化只能在下一
11、个扫描工作周期的输入采样阶段才被读入 循环扫描 2 执行用户程序PLC在程序执行阶段 一般是按先左后右 先上后下的顺序对每条指令进行扫描 并从输入映像寄存器中 读入 所有输入端的状态 若程序中需要 读入 某输出点的状态 则也在此时读入 然后进行逻辑运算 运算结果再存入元件映像寄存器中 这就是说 对于每个元件来说 元件映像寄存器中所寄存的内容 会随着程序执行的进程而变化 PLC运行时 虽然用户程序中可能有众多的操作需求 但PLC是不可能同时执行多个操作的 它只能按分时操作的方式逐一去执行每个操作 由于CPU的运算和处理速度很高 从外部执行结果看来 几乎是同时完成的 这种分时操作的过程称为CPU对
12、程序的扫描 扫描周期应不大于2OOms 否则CPU就认为PLC出错而停止运行 因为一般PLC正常工作时系统的扫描时间均小于50 6Oms 循环扫描 3 输出刷新阶段在所有指令执行完毕后 元件映像寄存器中所有输出继电器状态 接通 断开 即ON OFF 在输出刷新阶段转存到输出锁存电路 再驱动输出线圈 这才是可编程控制器的实际输出 循环扫描 PLC的扫描既可按固定的顺序进行 也可按用户程序所指定的可变顺序进行 这不仅因为有的程序不需要每个扫描周期都执行一次 也因为在一个大型控制系统中需要处理的I O点数较多 通过模块之间的合理组织 采用分时分批扫描执行的办法 可缩短扫描的周期和提高控制系统的实时响
13、应性能 显然 串行扫描的工作方式简单直观 简化了程序的设计并为PLC的可靠运行提供了非常有力的保证 一方面 所扫描到的功能经运算后 其结果马上可被后面将要扫描到的逻辑运算所采用 另一方面 还可通过CPU内部设置的监视定时器 来监视每次扫描是否超过规定时间 避免由于CPU内部故障或干扰使程序执行进入死循环而造成的PLC故障 串行扫描的工作方式的局限 PLC串行扫描的工作方式的不足之处是输入 输出的响应滞后现象 对一般工业控制设备来说 这些滞后现象是完全允许的 但对某些高速和实时控制过程 需要输入 输出做出快速反应 这时可采用快速响应模块 例如采用高速计数模块以及中断处理等措施来尽量减少滞后时间
14、导致PLC输入 输出响应滞后的有四个原因 1 输入滤波器有时间常数 2 输出继电器有机械滞后 3 执行用户控制程序是按串行工作进行的 4 程序语句的安排次序等 串行周期是PLC高速应用的重要指标之一 在不考虑其他因素 例如PLC与编程器等通信 时 扫描周期T为T 读入一个点的时间 输入点数 十 运算速度 程序步数 十 输出一个点的时间 输出点数 十故障诊断时间显然串行扫描时间主要取决于程序的长短 一般每秒钟可扫描数十次以上 这对于通常的工业设备没有什么影响 但对控制时间要求较严格 响应速度要求快的控制系统 就应该精确的计算响应时间 合理安排指令的顺序 以尽可能减少串行扫描周期造成的响应延时等不
15、良影响 串行扫描的工作方式的局限 I O响应时间 从PLC收到一个输入信号到向输出端输出一个控制信号所需的时间 叫响应时间 响应时间是可变的 例如在一个扫描周期结束时 收到了一个输入信号 下一个扫描周期一开始这个输入信号就起作用了 这时响应时间最短 响应时间是输入延迟时间 一个扫描周期和输出延迟时间三者之和 如果在一个扫描周期开始时收到了一个输入信号 在扫描周期内该输入不会起作用 要等到下一个扫描周期才能起作用 这时响应时间就长 它是输入延迟时间 二个扫描周期与输出延迟之和 必要时 可选择具有高速中断输入的PLC模块 例如西门子公司的S7 2OOPLC的高速计数器可接受4个3OkHz的输入和2
16、个2OkHz的高速脉冲输出 3 4PLC主要技术参数 衡量PLC性能的参数 I 0点数 PLC的输入 I 输出 0 端子数即点数 是衡量PLC硬件性能的主要指标 根据I O点数的不同 可以把PLC分为小型PLC I 0总点数少于128点 中型PLC 总点数128 512 大型PLC 总点数多于512 通常I O点数少的PLC 其控制性能低一些 但随着微电子技术的发展 中小型PLC之间 中大型PLC之间的界限变得越来越模糊了 PLC的输入输出点通常为开关量 中大型和新的小型PLC可具有脉冲量或模拟量输入 输出功能 PLC的输入 输出点数的比例与PLC的结构形式有关 通常一体化PLC的I 0比例大约为2 1 3 2 模块化的PLC的I O可以方便的按需选配 衡量PLC性能的参数 指令数量与功能 1 指令的数量和功能是衡量PLC软件性能的重要指标 通常与硬件的层次也有关系 PLC的指令可以分为基本指令和应用指令 基本指令又称顺序或逻辑控制指令 例如与 或 非等操作 应用指令属高级指令 如算术运算 数制转换 PID调节等 例如 东芝EX4OPLUS型PLC具有16条指令 日本立石公司的C6OP
