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1、1可编程序控制器原理及应用备课笔记上海应用技术学院电子电工教研室叶真2第三章 可编程序控制器的组成及工作原理和继电器控制系统类似，PLC 控制系统也是由输入部分、逻辑部分和输出部分组成。各部分主要作用：输入部分：输入部分：收集并保存被控对象实际运行的数据和信息。例如：来自被控对象上的各种开关信息或操作台上的操作命令等。逻辑部分：逻辑部分：处理输入部分所取得的信息，并按照被控对象实际的动作要求执行相应的逻辑功能输出部分：输出部分：对需要实时操作的那些设备提供实际操作信号由于输入信号一般为开关信号或电压、电流形成的信号源，它们必须转换成微处理器所能接受的电平信号，所以，中间必须加入变换器。同样，微
2、处理器输出的电平信号，也必须转换成控制设备所需的开关信号或电压、电流信号。所以，也要加入变换器。由此，构成了PLC 控制系统的基本结构框图。 （见教材 P58 图 3-2）输入部分（外部）逻辑部分（内部）输出部分（外部）说明：PLC 的逻辑部分由大规模集成电路构成的微处理器和存储器组成。对微处理器进行了软、硬件的开发，提供了许多适用于电气控制的逻辑部件。逻辑部件逻辑部件：继电器逻辑（与、或、非运算）定时器计数器均为“软”器件移位寄存器触发器编程语言编程语言：描述这些逻辑部件的符号和语句PLC 通过编程器编制控制程序，可以将 PLC 内部各种逻辑部件按照工艺要求进行组合以实现一定的逻辑控制功能。
3、所谓 PLC 的控制原理：将输入信息采入 PC 内部执行逻辑功能输出达到控制要求。按钮 开关等输入变换器微处理器 （含存储器）输出变换器控制对象 （灯、 电动 机等）3第一节可编程序控制器的组成一、PLC 的基本组成基本组成可归为四大部件： 中央处理单元（CPU 板）控制器的核心输入部件 （I/O 部件）连接现场设备与 CPU 之间输出部件的接口电路电源部件为 PLC 内部电路提供能源整体结构的 PLC四部分装在同一机壳内模块式结构的 PLC各部件独立封装，称为模块，通过机架和总线连接而成I/O 的能力可按用户的需要进行扩展和组合另外，还必须有编程器将用户程序写进规定的存储器内PLC 的基本组
4、成框图： 教材 P58 Fig 3-3二、PLC 各组成部件的作用1. CPU是 PLC 的核心部分。与通用微机 CPU 一样，CPU 在 PC 系统中的作用类似于人体的神经中枢。其功能：（1）用扫描方式（后面介绍）接收现场输入装置的状态或数据，并存入输入映象寄存器或数据寄存器；（2）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；（3）诊断电源和 PC 内部电路的工作状态及编程过程中的语法错误；（4）在 PC 进入运行状态后：a） 执行用户程序产生相应的控制信号（从用户程序存储器中逐条读取指令，经命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路）b） 进行数据处理分时、分渠道地执
5、行数据存取、传送、组合、比较、变换等动作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算任务c） 更新输出状态输出实施控制（根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出中中央央处处理理 单单元元 C CP PU U（板板）输输 入入 接接 口口 部部 件件输输 出出 接接 口口 部部 件件 电电源源部部件件可可编编程程序序控控制制器器P PC C接接受受现现场场信信号号驱驱动动受受控控元元件件图图3 3- -3 3 P PL LC C的的基基本本组组成成按钮、继电器触点行程开关等接触器电磁阀指示灯等4映象寄存器的内容，再由输入映象寄存器或数据寄存器的内容，实现输出控制、制表、打印、数据通讯等）2. 存储器系统
6、程序存储器存放系统工作程序（监控程序） 、模块化应用功能子程序、命令解释、功能子程序的调用管理程序和系统参数* *不能由用户直接存取不能由用户直接存取用户存储器用户程序存储器存放用户程序。即用户通过编程器输入的用户程序。功能存储器（数据区）存放用户数据PC 的用户存储器通常以字（16 位/字）为单位来表示存储容量。注意：注意：系统程序直接关系到 PC 的性能，不能由用户直接存取，所以，通常 PC 产品资料中所指的存储器形式或存储方式及容量，是指用户程序存储器而言。3. I/O（输入/输出部件） （I/O 模块：接口电路、I/O 映像存储器）CPU 与现场 I/O 装置或其他外部设备之间的连接部
7、件。 PLC 提供了各种操作电平与驱动能力的 I/O 模块，以及各种用途的 I/O 组件供用户选用：输入/输出电平转换电气隔离串/并行转换数据传送A/D、D/A 转换误码校验其他功能模块I/O 模块可与 CPU 放在一起，也可远程放置。通常，I/O 模块上还具有状态显示和 I/O 接线端子排。4. 编程器等外部设备编程器PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的工具作用：用于用户程序的编制、编辑、调试、检查和监视通过键盘和显示器去检测 PLC 内部状态和参数通过通讯端口与 CPU 联系，实现与 PLC 的人机对话分类：简单型只能联机编程；只能用指令清单编程智能型既可联机（Online） ，
8、也可脱机（Offline）编程；可以采用指令清5单（语句表） 、梯形图等语言编程。常可直接以电脑作为编程器， 安装相关的编程软件编程注意注意： 编程器不直接加入现场控制运行。 一台编程器可开发、 监护许多台 PLC 的工作。其他外设： 磁盘、光盘、EPROM 写入器（用于固化用户程序） 、打印机、图形监视系统或上位计算机等等。5. 电源： 内部开关稳压电源，供内部电路使用；大多数机型还可以向外提供 DC24V 稳压电源，为现场的开关信号、外部传感器供电。外部可用一般工业电源，并备有锂电池（备用电池） ，使外部电源故障时内部重要数据不致丢失。第二节可编程序控制器的工作过程一、PLC 的工作过程框
9、图（教材 P62 Fig 3-5 稍作修改）1. 初始操作（上电处理）PLC 未进入正式运行前，首先应确定自身的完好性。这就是接通电源后的初始操作（见图） 。通电后，消除各元件的随机状态，进行清零或复位处理，检查 I/O 单元的连接是否正确（I/O 总线） 。再做一道题，使它涉及各种指令和内存单元，若解题时间在 to 以内，则自身完好（否则，系统关闭） ，解题结束，将监控定时器 to 复位，才开始正式运行。2. 运行PLCPLC 的工作方式的工作方式（顺序）周期循环扫描扫描扫描按分时操作的原理，每一时刻执行一个操作，顺序进行，这种分时操作的过程称“CPU 对程序的扫描”工作特点工作特点集中输入
10、，集中输出（小型 PLC）二、PLC 运行过程1. 四大类操作 （1）公共操作故障诊断及处理（自检） ，一般故障，只报警，不停机（2）I/O 操作联系现场的数据输入及控制信号的输出（3）执行用户程序顺序循环扫描（4）服务外设2. I/O 处理过程（教材 P63 Fig3-6）输入采样三个阶段执行用户程序输出刷新6工作过程框图：I/O 处理过程：合合上上电电源源启启动动I I/ /O O和和内内部部继继电电器器清清 零零所所有有定定时时器器复复位位检检查查I I/ /O O单单元元的的连连接接监监控控定定时时器器复复位位t to o检检查查硬硬件件和和用用户户 程程序序存存储储器器检检查查合合格
11、格？否否采采样样输输入入信信号号 刷刷新新输输入入映映像像存存储储器器监监控控定定时时器器t t1 1复复位位逐逐条条执执行行用用户户 程程序序指指令令程程序序结结束束？监监控控定定时时器器复复位位t t1 1服服务务于于外外设设命命令令错错误误标标志志置置位位 出出错错灯灯点点亮亮报报警警故故障障性性质质？故故 障障错错 误误P P C C 的的 扫扫 描描 周周 期期上上 电电 后后 的的 初初 始始 操操 作作公公 共共 操操 作作数数 据据 输输 入入执执 行行 用用 户户 程程 序序服服 务务 外外 设设 命命 令令图图3 3- -5 5 P PC C的的工工作作过过程程是是输输出出
12、映映像像存存储储器器的的内内容容输输出出 至至相相应应输输出出口口数数 据据 输输 出出是是否否执执 行行 用用 户户 程程 序序输输 入入 端端 子子输输 入入 调调 理理 电电 路路输输 入入 缓缓 冲冲 器器输输 入入 映映 像像 存存 储储 器器输输 出出 映映 像像 存存 储储 器器输输 出出 锁锁 存存 器器输输 出出 驱驱 动动 电电 路路输输 出出 端端 子子生生产产现现场场 输输入入信信号号受受控控元元件件允允许许 （输输入入刷刷新新）允允许许 （输输出出刷刷新新）7（1）数据输入/输出I/O 状态刷新采样输入信号送出处理结果a. 输入映像存储器及其刷新对应于输入端子状态的数
13、据区PLC 中的 CPU 是不能直接从与外部接线端子打交道的。在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，经过输入调理电路（光电隔离、电平转换、滤波处理等）后进入输入缓冲器等待采样。没有 CPU 的采样“允许” ，外界的输入信号是不能进入内存的。当 CPU 采样时，输入信号便进入输入映像存储器刷新。接着进入程序的执行阶段，直至信号的输出。在此期间，输入映像存储器将现场与 CPU 隔离，无论输入信号如何变化，输入映像存储器中的内容保持到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新采样新的信号，即：输入映像存储器每周期刷新一次。这样，是否会影响对现场信息的反应速度？由于，PLC 扫描周期一般仅几十 mS，两次采
14、样之间的间隔时间很短，对一般的开关量而言，可以认为采样是连续的。b. 输出映像存储器及其刷新CPU 数据处理的中间结果和最终结果的存放区域同理，CPU 不能直接驱动负载，处理的结果存放在输出映像存储器中，直至所有程序执行完毕，才将输出映像区的内容经输出锁存器（称为输出状态刷新）送到输出端子上驱动外部负载。即：输出映像存储器随时刷新输出锁存器每周期刷新一次（刷新后的输出状态一直保持到下一次刷新）同样，两次刷新的间隔仅几十 mS，即使考虑电路的电气惯性（延迟）时间，仍可认为输出是及时的。c. 输入/输出状态表状态 RAM 表I/O 映像存储器的内容，在 CPU 中构成 I/O 状态表，其内容是 C
15、PU 处理用户程序及数据的依据。注意注意：输入状态表采样时刷新输出状态表随时刷新（中间值和最终结果）输出端子的接通或开断输出锁存器决定（2） 执行用户程序执行监视a. 监控定时器 WDT（WATCH DOG TIMER）即监控定时器 t1正常：执行完用户程序所需的时间应不超过 t1。执行程序前，复位 t1，执行程序开始t1 计时，完毕后立即复位 t1，表示程序执行正常。异常：因某些原因，程序进入死循环，执行程序时间超出 t1 值，WDT 发出警告，程序重8新开始执行，同时复位 t1。若因偶然因素，则重新执行程序将正常，否则，系统自动停止执行用户程序，切断外部负载，并发出故障信号等待处理。b.
16、执行用户程序（3） 执行外设命令每次执行完用户程序，输出后，就进入服务外设命令的操作，如没有外设命令，自动循环扫描。三、简单结论（见教材 P63“简单结论”暂略）第三节可编程序控制器中常用的 CPU每台 PLC 至少有一个 CPU。在一些按功能分散处理的或根据容错技术而设计的 PLC 中， 可以包括多个 CPU，分别承担各自的控制功能。PLC 中采用的 CPU 主要有通用微处理器、单片机和双极型位片式系列芯片。（本节内容请同学们自学教材 P65P66，并完成 P76 的思考题 5）第四节可编程序控制器中常用的存储器PLC 配备两种存储系统：系统程序存储器存放系统程序和数据，不能由用户直接存取用户存储器存放用户程序和数据一、PLC 所采用的存储器的特点1. 可靠性高2. 实时性好3. 功耗低，工作时温升小，可用电池供电4. 数据存储不消失，停电后能长期保存数据以适应 PLC 恶劣
