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1、项目二 可编程序控制器的工作原理,一、任务目标 了解PLC的硬件结构。 了解PLC的五种编程语言，重点熟悉梯形图编程语言及其设计规则。 了解PLC的工作方式、工作原理。 了解PLC的I/O滞后现象。,二、任务知识,（一）可编程序控制器的硬件结构PLC种类繁多，功能多种多样，但是其组成结构和工作原理基本相同。实质上是一种专门用于工业控制的计算机，采用了典型的计算机结构，由硬件和软件两部分组成。硬件配置主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口电路、电源、编程器以及一些扩展模块组成，如图2.1所示。,1. 中央处理器（CPU）,PLC的中央处理器与一般的计算机控制系统一样，是整个系统的核心
2、，起着类似人体的大脑和神经中枢的作用，它按PLC中系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作。其主要任务有如下几个方面。 控制从编程器、上位机和其他外部设备键入的用户程序和数据的接收与存储。 用扫描的方式通过电源I/O部件接收现场的状态或数据，并存入指定的存储单元或数据寄存器中。 诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。 PLC进入运行程序后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算数运算等。 根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表、打印或数据通信等功能。,2. 存储器,PLC的存储器分为
3、系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序相当于个人电脑的操作系统，它使PLC具有基本的智能，能够完成PLC设计者规定的各种动作。系统程序由PLC生产厂家设定并固化在ROM内，用户不能直接读取。PLC的用户程序由用户设定，它决定了PLC输入信号之间的具体关系。用户程序存储量一般以字（每个字由16位二进制数组成）为单位，三菱的FX系列PLV的用户程序存储器的单位为步（STEP，即字）。小型PLC的用户程序存储器容量在1K字左右，大型PLC的用户程序存储器容量可达数M（兆）字。,PLC常用以下几种存储器：,随机存取存储器（RAM） 只读存储器（ROM） 可电擦除EPROM（EEPROM或E2PROM
4、）,3 输入/输出接口电路,实际生产中信号电平时多样的，外部执行机构所需要的电平也是不同的，而可编程序控制器的CPU所处理的信号只能是标准电平，因此，需要通过输入/输出单元实现这些信号电平的转换。可编程序控制器的输入/输出单元实际上是PLC与被控制对象之间传送信号的接口部件。,输入接口电路,各种PLC输入电路的结构大都相同其输入方式有两种类型：一种是直流输入（直流12V或24V）如图2.2（a）所示，另一种是交流输入（交流100120V或200240V）如图2.2（b）所示。, 输出接口电路,PLC的输出有三种形式：继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出。 继电器输出方式最常用，适用于交、直流负载
5、，其特点是带负载能力强，但动作频率与响应速度慢。 晶体管输出适用于直流负载，其特点是动作频率高，响应速度快，但带负载能力小。 晶闸管输出适用于交流负载，响应速度快，带负载能力不大。,4. 电源,PLC的电源分为外部电源、内部电源和后备电源三类。在现场控制中，干扰侵入PLC的主要途径之一是通过电源，因此，合理地设计电源是PLC可靠运行的必要条件。 为了保证PLC可靠工作，对它提出了较高的要求，一般可从四个方面考虑： 内部电源与外电源隔离，减小供电线路对内部电源的影响。 有较强的抗干扰能力（主要是高频干扰） 电源本身功能耗尽可能低，在供电电压波动范围较大时，能保证正常稳定的输出。 有良好的保护功能
6、。,5. 编程器,编程器是PLC最重要的外部设备。利用编程器可将用户程序输入到PLC存储器，可以利用编程器检查、修改、调试程序还可以用编程器监视程序的运行及PLC的工作状态。小型PLC常用的简易型便携式或手持式编程器。计算机添加适当的硬件接口电缆和编程软件，也可以对PLC进行编程。计算机编程可以直接显示梯形图、读出程序、写入程序、监控程序运行等,（二）可编程序控制器的软件系统,PLC是一种工业控制计算机，不光有硬件，软件也是必不可少。PLC的软件又分为系统软件和用户软件。 系统软件包括系统的管理程序，用户指令的解释程序，另外还包括一些供系统调用的专用标准程序块等。系统软件在PLC生产时由制造商
7、装入机内，永久保存，用户不需要更改。 用户软件是用户为达到某种控制目的，采用PLC厂商提供的编程语言自主编制的应用程序。 用户程序的编制需要使用PLC生产制造厂商提供的编程语言。PLC使用的编程语言共有五种，即梯形图、指令表、步进顺控图、逻辑符号图、高级编程语言。,1梯形图,梯形图是最直观、最简单的一种编程语言，它类似继电接触器控制电路的形式，逻辑关系明显，在继电接触器控制逻辑基础上使用简化的符号演变而来，具有形象、直观、实用等优点，电气技术人员容易接受，是目前使用较多的一种PLC编程语言。 继电接触器控制线路图和PLC梯形图如图2.4所示,2指令语句表,指令语句表是一种与计算机汇编语言相类似
8、的助记符编程语言，简称语句表，它用一系列操作指令组成的语句描述控制过程，并通过编程器传输到PLC中。不同厂家的指令语句表使用的助记符可能不同，因此一个功能相同的梯形图，书写的指令语句表可能并不相同。,3步进顺控图,步进顺控图，简称步进图，又叫状态流程图或状态转移图，是使用状态来描述空盒子任务或过程的流程图，是一种专门用于工业顺序控制的程序设计语言。它能完整地描述控制系统的工作过程、功能和特性，是分析、设计电气控制系统控制程序的重要工具。,4逻辑符号图,逻辑符号图与数字电路的逻辑图极为相似，模块有输入端、输出端，使用与、或、非、异或等逻辑描述输出端和输入端的函数关系，模块间的连接方式与电路连接方
9、式基本相同。逻辑符号图编程语言，直观易懂，容易掌握。三菱FX2N没有此功能。如图2.9所示。,5高级编程语言,在大型PLC中，为了完成具有数据处理、PID调节、定位控制、图形操作等较为复杂的控制，往往使用高级计算机编程语言，如C语言，BASIC语言等，使PLC具有更强的功能。,（三）可编程序控制器的工作原理,PLC的工作方式是采用周期循环扫描，PLC投入运行后，都是以重复的方式执行的，扫描一遍用户程序的时间称为扫描周期。扫描一次分为五个阶段：故障诊断、通信处理、输入采样、程序执行、输出刷新。下面重点把输入采样、程序执行、输出刷新三步操作重点说明。图2-10为这三步的流程图。,循环扫描带来的优点
10、,循环扫描的工作方式是PLC的一大特点，针对工业控制采用这种工作方式使PLC具有一些优于其他各种控制器的特点。例如：可靠性、抗干扰能力明显提高；串行工作方式避免触点（逻辑）竞争；简化程序设计；通过扫描时间定时监视可诊断CPU内部故障，避免程序异常运行的不良影响等。,循环扫描带来的影响,循环扫描工作方式的主要缺点是带来了I/O响应滞后性。影响I/O响应滞后的主要因素有：输入电路、输出电路的响应时间、PLC中CPU的运算速度、程序设计结构等。 一般工业设备室允许I/O响应滞后的，但对某些需要I/O快速响应的设备则应采取相应措施，尽可能提高响应速度，如硬件设计上采用快速响应模块、高速计数模块等，在软件设计上采用不同中断处理措施，优化设计程序等。这些都是减少响应时间的重要措施。,
