可编程序控制器的结构和工作原理

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1、2.1 可编程序控制器的组成与基本结构2.2 可编程序控制器的工作过程与工作原理2.3 可编程序控制器的编程语言和程序结构第2章 plc的结构和工作原理2.1 PLC的组成与基本结构PLC是微机技术和继电器常规控制 概念相结合的产物，PLC是一种工业控制 用的专用计算机，是由硬件系统和软件系 统两大部分组成。 2.1.1 PLC的硬件系统1. 主机系统v 为适应工业过程现场输入/输出信号的匹 配，PLC配置了各种类型的输入/输出模 块单元：v 开关量输入单元：把现场各种开关 信号变成PLC内部处理的标准信号。分 为直流输入单元和交流输入单元，分别 如图2.2和图2.3所示。图2.2 直流开关量

2、输入单元图2.3 交流开关量输入单元2. 开关量输出单元：它的作用是把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:v晶体管输出方式 用于直流输出负载v双相晶闸管输出方式 用于交流输出负载v继电器触点输出方式 即可用于直流、又可交流特别应指出的是，由于继电器模式具有实际断点， 可以从物理上切断所控制的回路，同时这种模式既适 合于直流情况又适合于交流情况，因此这种模式在开 关频率不太高的情况下是首选的输出控制方案。图2.4 给出了这种输出方案的原理图。图2.4 继电器模式输出单元3. 模拟量输入单元模拟量输入在过程控制中的应用很

3、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。模拟量输入电平大多是从传感器 通过变换后得到的，模拟量的输入信号为420 mA的电流信号或15 V、-1010 V、010 V的直流电压信号。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、光耦合器隔离等部分组成。4. 模拟量输出单元v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。模拟

4、量输出单元一 般由光耦合器隔离、D/A转换器和信号转换等部 分组成。v模拟量输出模块是将中央处理器的二进制数字信 号转换成420 mA的电流输出信号或010 V、 15 V的电压输出信号，以提供给执行机构。因 此模拟量输出模块又叫D/A转换输出模块。2.1.2 可编程序控制器的软件系统PLC除了硬件系统外，还需要软件系统的支 持，共同构成PLC。PLC的软件系统由系统程序 和用户程序两大部分组成。v 1. 系统程序 系统程序由PLC的制造企业编制，固化在 PROM或EPROM中，安装在PLC上，随产品提 供给用户。系统程序包括系统管理程序、用户指 令解释程序和供系统调用的标准程序模块等。由于通

5、过改进系统程序可以在不改变硬件 系统的情况下大大改善PLC的性能，因此系统程 序也在不断升级和完善。v 2. 用户程序用户程序是根据生产过程控制的要求由用户使 用制造企业提供的编程语言自行编制的应用程序。 用户程序包括开关量逻辑控制程序、模拟量运算程 序、闭环控制程序和操作站系统应用程序等。v (1) 开关量逻辑控制程序。它是PLC用户程序中最 重要的一部分。v (2) 模拟量运算程序及闭环控制程序。通常，它是 在大中型PLC上实施的程序。v (3) 操作站系统程序。它是大型PLC系统经过通信 联网后，由用户为进行信息交换和管理而编制的程 序。2.2.1 可编程序控制器的工作过程PLC上电后，

6、就在系统程序的监控下，周而复始地 按固定顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执 行，这个过程实质上是一个不断循环的顺序扫描过程。 一个循环扫描过程称为扫描周期。PLC在一个扫描周期内基本上要执行以下六个任务：v (1) 运行监控任务。为了保证系统可靠工作，PLC内部 设置了系统监视定时器WDT，WDT的时间设定值一般 为扫描周期的23倍，通常为100200 ms。v (2) 与编程器交换信息任务。编程器在PLC的外部设备 中占有非常重要的地位，用户把应用程序输入到PLC中 ，或对应用程序进行在线运行监视和修改都要用到它。 编程器在完成处理任务或达到信息交换的规定时间后， 就把控制权交还给P

7、LC。2.2 PLC的工作过程与工作原理v (3) 与数字处理器(DPU)交换信息任务。一般 大中型PLC多为双处理器系统，一个是字节处 理器(CPU)，另一个是数字处理器(DPU) ，在 一般小型PLC中是没有这个任务的。v (4) 与外部设备交换信息任务。如果没有连接 外部设备，则该任务跳过。v (5) 执行用户程序任务。系统的全部控制功能 都在这一任务中实现。v (6) 输入/输出信息处理任务。2.2.2 PLC的输入/输出过程v PLC的工作方式是周期扫描方式，所以其 输入/输出过程是定时进行的，对用户程序而言 ，要处理的输入信号是输入信号状态暂存区的 信号，而不是实际的信号。运算处理

8、后的输出 信号被放入输出信号状态暂存区中，而不是直 接输出到现场的。v PLC周期性的输入/输出处理方式对一般控 制对象而言是能够满足的，但是对那些要求响 应时间小于扫描周期的控制系统则不能满足， 这时可以用智能型输入/输出单元或专门的软件 指令，通过与扫描周期脱离的方式来解决。2.2.3 PLC的中断输入处理过程PLC的中断输入处理方法同一般计算机系 统是基本相同的，即当有中断申请信号输入后 ，系统要中断正在执行的相关程序而转向执行 中断子程序；当有多个中断源时，它们将按中 断的优先级有一个先后顺序的排队处理。系统 可以通过程序设定允许中断或禁止中断。v PLC的中断源信息是通过输入单元进入

9、系统的 。v PLC的中断源有优先顺序，一般无嵌套关系。2.2.4 PLC的工作原理v PLC的工作原理与计算机的工作原理是基本 一致的。PLC执行的任务是串行的，与继电 器逻辑控制系统中控制任务的执行有所不同 。v 从PLC的工作过程可以看到，整个工作 过程是以循环扫描的方式进行的。循环扫描 方式是指在程序执行过程的周期中，程序对 各个过程输入信号进行采样，对采样的信号 进行运算和处理，并把运算结果输出到生产 过程的执行机构中。2.3.1 PLC的编程语言PLC为用户提供了完整的编程语言，以适应编制用户 程序的需要。PLC提供的编程语言通常有以下几种：梯 形图、指令表、顺序功能流程图和功能块

10、图。下 面以S7-200系列PLC为例加以说明。v1. 梯形图(LAD)梯形图(LAD)编程语言是从继电器控制系统原理图的 基础上演变而来的。PLC的梯形图与继电器控制系统的 梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方 式上有一定区别。图2.5是一个典型的梯形图。左右两条垂直的线称作 母线。母线之间是触点的逻辑连接和线圈的输出。2.3 PLC的编程语言和程序结构图2.5 典型的梯形图v 2. 指令表(STL)指令表(STL)编程语言类似于计算机中的助记 符语言，它是可编程序控制器最基础的编程语言 。所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的 字符来代表可编程序控制器的某种操作功能。图2.6

11、是一个简单的PLC程序，图(a)是梯形图 程序，图(b)是相应的指令表。图2.6 基本指令应用举例(a) 梯形图； (b) 指令表v 3. 顺序功能流程图(SFC)顺序功能流程图(SFC)编程是一种图形化的 编程方法，亦称功能图。使用它可以对具有并 发、选择等复杂结构的系统进行编程，许多 PLC都提供了用于SFC编程的指令。本书的第 7章对这种编程方法有详细介绍。目前，国际 电工协会(IEC)也正在实施并发展这种语言的编 程标准。v 4. 功能块图(FBD)利用FBD可以查看到像普通逻辑门图形的逻辑盒指 令。它没有梯形图编程器中的触点和线圈，FBD编程语 言有利于程序流的跟踪，但在目前使用较少

12、。图2.7为 FBD的一个简单实例。图2.7 FBD简单实例2.3.2 PLC的程序结构控制一个任务或过程，是通过在RUN方式下， 使主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的，用 户程序决定了一个控制系统的功能。广义上的PLC程序由三部分构成：用户程序、数 据块和参数块。v 1. 用户程序用户程序是必选项。用户程序在存储器空间中也 称为组织块，一个完整的用户控制程序应当包含一 个主程序、若干子程序和若干中断程序三大部分。 程序结构示意图如图2.8所示。图2.8 程序结构v 2. 数据块数据块为可选部分，它主要存放控制程序运行所 需的数据，在数据块中允许以下数据类型：布尔型 ，表示编程元件的状态；十进制、二进制或十六进 制数；字母、数字和字符型。v 3. 参数块参数块也是可选部分，它存放的是CPU组态数 据，如果在编程软件或其他编程工具上未进行CPU 的组态，则系统以默认值进行自动配置。