第4章 PLC的组成与工作原理

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1、了解PLC的基本结构、各部分的作用 和I/O 接口电路掌握PLC的基本工作原理了解PLC的编程语言,主要内容：,什么是PLC？,是一种工业控制装置,是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。,通用叫法中文名称为可编程控制器；英文名称为Programmable Logic Controller，简称PLC。,4.1 P LC组成及各部分的作用, PLC的基本组成与一般的微机系统类似： 是一种以微处理器为核心的、用于控制的特殊计算机 PLC的基本组成包括硬件与软件两部分 PLC的硬件：中央处理器（C

2、PU）、存储器、输入接口、输出接口、通信接口、电源等 PLC的软件：系统程序和用户程序,4.1.1 PLC中的CPU及作用, PLC中常采用的CPU有三类： 1) 通用微处理器（如Z80、8086、80286等） 2) 单片微处理器（如8031、8096等） 3) 位片式微处理器(如AMD29W等) 小型PLC：大多采用8位通用微处理器和单片微处理器， 中型PLC：大多采用16位通用微处理器或单片微处理器 大型PLC：大多采用高速位片式微处理器（32位） 小型PLC为单CPU系统，中、大型PLC则大多为双CPU或多CPU系统。对于双CPU系统，一般一个为字处理器，一般采用8位、16位或32位处

3、理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。,CPU的作用：按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作。归纳起来主要有以下五个方面：,1）接收并存储编程器或其它外设输入的用户程序或数据,2）诊断电源、PLC内部电路故障和编程中的语法错误等,3）接收并存储从输入单元（接口）得到现场输入状态或数据,4）逐条读取并执行存储器中的用户程序，并将运算结果存入 存储器中,5）根据运算结果，更新有关标志位和输出内容，通过输出接 口实现控制、制表打印或数据通讯等功能,4.1.1 PLC中的CPU及作用,4.1.2 PLC中的存储器及作用,存储器的作用： 在PLC中，存储器主要用于系统程序、

4、用户程序、数据 存储器的类型： 可读/写操作的随机存储器RAM 只读存储器ROM、PROM、EPROM和EEPROM,系统程序: 系统程序是完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用、管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能。 系统程序由PLC的制造厂家编写的，在PLC使用过程中不会变动，它和PLC的硬件组成有关，它关系到PLC的性能。 系统程序 由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。, 工作数据: 工作数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。它们存放在RAM中，以适应随机存取的要求。 在PLC的工作数据存储器中，设有存放输入/输出继电器、辅

5、助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况而确定的。根据需要，部分数据在掉电时用后备电池维持其现有的状态，这部分在掉电时可保存数据的存储区域称为保持数据区。,系统程序和工作数据与用户无直接联系 在PLC产品样本或使用手册中所列存储器的形式及容量是指用户程序存储器。 当PLC提供的用户存储器容量不够用，许多PLC还提供有存储器扩展功能。,4.1.3 PLC中的输入/输出接口及作用,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

6、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, I / O 接口的作用： 电平转换功能：由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信号是标准电平信号。 光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力 通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护 I / O 接口的类型： 开关量输入/输出接口 模拟量输入/输出接口, 开关量输入单元： 它的作用是把现场各种开关信号变成PLC内部处理的标准信号。开关量输入单元按照输入端的电源类型不同，分为直流输入单元和交流输入单元,直流开关量输入单元,交流开关量输入单元, 开关量输出单元： 它的作用

7、是把PLC的内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。按照现场执行机构使用的电源类型的不同，开关量输出单元可分为直流输出单元(晶体管输出方式或继电器触点输出方式)和交流输出单元(晶闸管输出方式或继电器触点输出方式)。,适合于直流情况又适合于交流情况，在开关频率不太高的情况下是首选输出控制方案,在晶体管输出方式中，采用光敏晶体管作为开关器件。,在晶闸管输出方式中，采用光耦合式双向晶闸管作为开关器件，因此它同时又是隔离器件。,3模拟量输入单元：,模拟量输入单元的作用是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成PLC内部处理的、由若干位表示的数字信号。模拟量输入单元一般由滤波、A/D转换器、光耦合器隔离等

8、部分组成。 模拟量输入在过程控制中的应用很广，如常用的温度、压力、速度、流量、酸碱度、位移的各种工业检测都是对应于电压、电流的模拟量值，再通过一定运算（PID）后，控制生产过程达到一定的目的。,4模拟量输出单元：,它的作用是把PLC运算处理后的若干位数字量信号转换成相应的模拟量信号然后输出，以满足生产过程现场连续信号的控制要求。,4.1.4 PLC中的通信接口及作用,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，控制管

9、理相结合 与人机界面（触摸屏）连接 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。 与编程器连接,4.1.5 PLC中的扩展接口及作用,扩展接口（是用于连接护展单元的接口）。 I/O扩展接口是PLC主机为了扩展输入/输出点数和类型的部件，输入/输出扩展单元、远程输入/输出扩展单元、智能输入/输出单元等都通过它与主机相连。I/O扩展接口有并行接口、串行接口等多种形式。 当PLC基本单元I/O点数不能满足要求时，可通过扩展接口连接扩

10、展单元以增加系统的I/O点数,4.1.6 PLC中的电源及作用,电源单元是PLC的电源供给部分。它的作用是把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源，有的电源单元还向外提供直流电源，给与开关量输入单元连接的现场电源开关使用。电源单元还包括掉电保护电路和后备电池电源，以保持RAM在外部电源断电后存储的内容不丢失。PLC的电源一般采用开关电源，其特点是输入电压范围宽，体积小，质量轻，效率高，抗干扰性能好。 与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。因此，对于电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值15%的范围内波动。 许多PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于对外部

11、传感器供电。,4.1.7 PLC编程器及作用,编程器的作用：是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的设备。 简易编程器 专用编程器 编程器 智能编程器 通用编程系统：PC上配专用编程软件包,4.2 PLC的工作原理,1、可编程序控制器的工作方式 可编程序控制器采用的是周期性循环扫描的工作方式。可编程控制器实际上是一种存储程序控制器。用户首先要根据某一具体的要求编制好程序；然后输入到可编程控制器的用户程序存储器中。用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。可编程序控制器运行工作时CPU对用户程序作周期

12、性循环扫描，在无跳转指令的情况下，CPU从第一条指令开始顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结束，然后又返回第一条指令，开始新的一轮扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采集和对输出状态的刷新等工作。 PLC就是这样周而复始的重复上述的扫描循环，PLC循环扫描过程如图所示。,扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行执行程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行，并周而复始地重复进行。,2、可编程序控制器的工作过程,检查CPU等内部硬件，对监视定时器（WDT）复位以及其它工作,与其它智能装置（如编程器、计算机等）实现通信,按顺序对所有输入端的状态进

13、行采样，并存入相应寄存器,对用户程序扫描执行 ，并将结果存入相应的寄存器,将寄存器中与输出有关状态，转到输出锁存器，输出驱动外部负载,2、可编程序控制器的工作过程, 整个过程包括内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理五个阶段, 整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期, 扫描周期与CPU运行速度、PLC硬件配置及用户程序长短有关。, 典型值为1100ms,PLC执行程序的过程,1）输入采样阶段 PLC在输入采样阶段，首先按顺序采样所有的输入端子，并将输入点的状态或输入数据存入内存中各对应的输入映象寄存器，即输入刷新，随即关闭输入端口。接着进入程序执行阶段。在程序执行阶段，即使输入状

14、态有变化，输入映象寄存器的内容也不会改变。输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入采样阶段被读入。 2）程序执行阶段 在程序执行阶段PLC对用户程序顺序扫描，在扫描每一条指令时，所需的输入状态（条件）可从输入映象寄存器中读出，从元件映象寄存器读出当前的输出状态然后按程序进行相应的逻辑运算，运算结果再存入元件映象寄存器中。所以对每一个元件（PLC内部的输出软继电器）来说，元件映象寄存器的内容会随着程序的执行过程而变化。,3）输出刷新阶段 当程序中所有指令执行完毕后，PLC将输出状态寄存器中所有输出继电器的状态，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部负载，这就形成PLC的实际

15、输出。PLC在扫描过程中信号的处理规则（1）输入映像区中的数据，取决于本扫描周期输入采样阶段所处的状态。在程序执行和输出刷新阶段，输入映像区中的数据不会因为有新的输入信号而发生改变。（2）输出映像区中的数据由程序中输出指令的执行结果决定。在输入采样和输出刷新阶段，输出映像区的数据不会发生改变。（3）输出端子直接与外部负载连接，其状态由输出状态寄存器中的数据来确定。,输入输出的处理规则,PLC扫描工作方式的特点, 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。集中输出： 在用户程序中如果对输出结果多次赋值，则最后一次有效。在一个扫描周期内，只在输出处理阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出，对输出接口进行刷新。在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。 提高了抗干扰能力，增强了系统可靠性 PLC工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。 降低了系统的响应速度 当PLC输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间。对一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。,