可編程控制器的構(gòu)成及工作原理.ppt

可編程控制器應(yīng)用技術(shù),第二章 可編程控制器的構(gòu)成及工作原理,目錄,可編程控制器的硬件組成 可編程控制器按硬件結(jié)構(gòu)及應(yīng)用規(guī)模分類 可編程控制器的軟件 可編程控制器的工作原理 可編程控制器的主要性能指標(biāo) 常用PLC簡介,1,內(nèi)容提要,2,和普通計算機一樣,可編程控制器由硬件及軟件構(gòu)成。硬件方面,可編程控制器和普通計算機的主要差別在于PLC的輸入輸出口是為方便與工業(yè)控制系統(tǒng)接口專門設(shè)計的。軟件方面和普通計算機的主要差別為PLC的應(yīng)用軟件是由使用者編制,用梯形圖或指令表表達的專用軟件。可編程控制器工作時采用應(yīng)用軟件的逐行掃描執(zhí)行方式,這和普通計算機等待命令工作方式也有所不同。從時序上來說,可編程控制器指令的串行工作方式和繼電接觸器邏輯判斷的并行工作方式也是不同的。,第一節(jié) 可編程控制器的硬件組成,圖2-1 單元式 PLC結(jié)構(gòu)框圖,中央處理器 (CPU) 存儲器 (RAM、ROM) 輸入輸出器件 (I/ O接口) 電源及編程設(shè)備。,3,第一節(jié) 可編程控制器的硬件組成,一、中央處理器,中央處理器是可編程控制器的核心,它在系統(tǒng)程序的控制下,完成邏輯運算、數(shù)學(xué)運算、協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部各部分工作等任務(wù)。,可編程控制器中采用的 CPU的三大類,通用微處理器,如80286、80386等 單片機芯片,如8031、8096等 位處理器,如 AMD2900、AMD2903等,4,第一節(jié) 可編程控制器的硬件組成,二、存儲器,存儲器是可編程控制器存放系統(tǒng)程序、用戶程序及運算數(shù)據(jù)的單元。,分類,按照存儲類型分類,只讀存儲器(ROM) 隨機讀寫存儲器(RAM),存儲器區(qū)域按用途不同分類,程序區(qū) 數(shù)據(jù)區(qū),5,第一節(jié) 可編程控制器的硬件組成,三、輸入輸出接口,輸入輸出接口是可編程控制器和工業(yè)控制現(xiàn)場各類信號連接的部分。,輸入口用來接收生產(chǎn)過程的各種參數(shù)。 輸出口用來送出可編程控制器運算后得出的控制信息,并通過機外的執(zhí)行機構(gòu)完成工業(yè)現(xiàn)場的各類控制。,6,第一節(jié) 可編程控制器的硬件組成,1.開關(guān)量輸入接口,作用是把現(xiàn)場的開關(guān)量信號變成可編程控制器內(nèi)部處理的標(biāo)準(zhǔn)信號。,按可接納的外信號電源的類型不同分類：,直流輸入單元 交流輸入單元 交/直流輸入單元,7,第一節(jié) 可編程控制器的硬件組成,圖2-3 交流/直流輸入電路,圖2-4 交流輸入電路,圖2-2 直流輸入電路,8,第一節(jié) 可編程控制器的硬件組成,2.開關(guān)量輸出接口,作用是把可編程內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)所需的開關(guān)量信號。,按可編程機內(nèi)使用的器件分類：,繼電器型 晶體管型 可控硅型,9,第一節(jié) 可編程控制器的硬件組成,圖2-5 開關(guān)量輸出電路,10,第一節(jié) 可編程控制器的硬件組成,11,第一節(jié) 可編程控制器的硬件組成,3.模擬量輸入接口,作用是把現(xiàn)場連續(xù)變化的模擬量標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換成適合可編程序控制器內(nèi)部處理的由若干位二進制數(shù)字表示的信號。,12,第一節(jié) 可編程控制器的硬件組成,4.模擬量輸出接口,作用是將可編程控制器運算處理后的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為模擬量輸出,以滿足生產(chǎn)過程現(xiàn)場連續(xù)控制信號的需求。,圖2-7 模擬量輸出原理框圖,13,第一節(jié) 可編程控制器的硬件組成,5.智能輸入輸出接口,功能模塊 智能控制單元，如 PID工作單元、高速計數(shù)器工作單元、溫度控制單元等,智能輸入輸出接口和普通輸入輸出接口的區(qū)別 在于具有單獨的 CPU ,有專門的處理能力。,14,第一節(jié) 可編程控制器的硬件組成,四、電源,分類,可編程控制器各工作單元供電的開關(guān)電源 為掉電保護電路供電的后備電源,15,第一節(jié) 可編程控制器的硬件組成,五、外部設(shè)備,1.編程器,按照功能強弱,手持式編程器又可分為簡易型及智能型。,16,圖2-8 FX-20P型手持式編程器,第一節(jié) 可編程控制器的硬件組成,17,第一節(jié) 可編程控制器的硬件組成,2.其他外部設(shè)備,PLC還可以配設(shè)盒式磁帶機、打印機、EPROM寫入器、高分辨率大屏幕彩色圖形監(jiān)控系統(tǒng)等其他一些外部設(shè)備。,18,第二節(jié) 可編程控制器按硬件結(jié)構(gòu)及應(yīng)用規(guī)模分類,一、按硬件的結(jié)構(gòu)類型分類,1.單元式結(jié)構(gòu),把 CPU、RAM、ROM、輸入輸出端子及其他I/O接口、電源、指示燈甚至編程器等都裝配在一起的整體裝置,一個箱體就是一個完整的 PLC。,19,第二節(jié) 可編程控制器按硬件結(jié)構(gòu)及應(yīng)用規(guī)模分類,圖2-9 單元式可編程控制器,20,第二節(jié) 可編程控制器按硬件結(jié)構(gòu)及應(yīng)用規(guī)模分類,2.模塊式結(jié)構(gòu),特點,把 PLC的每個工作單元都制成獨立的模塊,機器上有一塊帶有插槽的母板。,該結(jié)構(gòu)的PLC的特點是系統(tǒng)構(gòu)成非常靈活,安裝、擴展、維修都很方便。缺點是體積比較大。,21,第二節(jié) 可編程控制器按硬件結(jié)構(gòu)及應(yīng)用規(guī)模分類,圖2-10 模塊式可編程控制器,22,第二節(jié) 可編程控制器按硬件結(jié)構(gòu)及應(yīng)用規(guī)模分類,3.疊裝式結(jié)構(gòu),疊裝式結(jié)構(gòu)是單元式和模塊式相結(jié)合的產(chǎn)物。把某一系列 PLC工作單元的外形都做成外觀尺寸一致的, CPU、I/O口及電源也可做成獨立的,不使用模塊式 PLC中的母板,采用電纜連接各個單元,在控制設(shè)備中安裝時可以一層層地疊裝,這就是疊裝式 PLC。,23,第二節(jié) 可編程控制器按硬件結(jié)構(gòu)及應(yīng)用規(guī)模分類,圖2-11 疊裝式可編程控制器,24,第二節(jié) 可編程控制器按硬件結(jié)構(gòu)及應(yīng)用規(guī)模分類,25,第二節(jié) 可編程控制器按硬件結(jié)構(gòu)及應(yīng)用規(guī)模分類,二、按可應(yīng)用規(guī)模及功能分類,按照機器點數(shù)（一般將一路信號叫做一個點,將輸入點和輸出點數(shù)的總和稱為機器的點數(shù)）的多少,可將 PLC分為超小 (微)、小、中、大、超大等五種類型。,表2-1 PLC按點數(shù)規(guī)模分類,按功能分為低檔機、中檔機及高檔機。,26,第三節(jié) 可編程控制器的軟件,一、軟件的分類,1.系統(tǒng)軟件,系統(tǒng)軟件含系統(tǒng)的管理程序,用戶指令的解釋程序,另外還包括一些供系統(tǒng)調(diào)用的專用標(biāo)準(zhǔn)程序塊等。,2.應(yīng)用軟件,應(yīng)用軟件也叫用戶軟件,是用戶為達到某種控制目的,采用專用編程語言自主編制的程序。,27,第三節(jié) 可編程控制器的軟件,圖2-12 異步電動機單向運行 PLC控制方案,28,第三節(jié) 可編程控制器的軟件,圖2-13 異步電動機可逆運行 PLC控制方案,29,第三節(jié) 可編程控制器的軟件,二、應(yīng)用軟件常用的編程語言,1.梯形圖(Ladder diagram),梯形圖語言是一種以圖形符號及圖形符號在圖中的相互關(guān)系表示控制關(guān)系的編程語言,是從繼電器電路圖演變過來的。,30,第三節(jié) 可編程控制器的軟件,繪梯形圖的一種設(shè)計思想:將可編程控制器中參與邏輯組合的元件看成和繼電器一樣,具有常開、常閉觸點及線圈,且線圈的得電失電將導(dǎo)致觸點的相應(yīng)動作;再用母線代替電源線,用能量流概念來代替繼電器電路中的電流概念;使用繪制繼電器電路圖類似的思路繪出梯形圖。 PLC中的繼電器等編程元件不是實際物理元件,而只是計算機存儲器中一定的位,它的所謂接通不過是相應(yīng)存儲單元置1而已。,31,第三節(jié) 可編程控制器的軟件,表2-2 符號對照表,32,第三節(jié) 可編程控制器的軟件,2.指令表(Instruction list),指令表也叫做語句表。它和單片機程序中的匯編語言有點類似,由語句指令依一定的順序排列而成。一條指令一般可分為二部分,一為助記符,二為操作數(shù)。,指令表語言和梯形圖有嚴格的對應(yīng)關(guān)系。對指令表運用不熟悉的人可先畫出梯形圖,再轉(zhuǎn)換為語句表。另一方面,程序編制完畢裝入機內(nèi)運行時,簡易編程設(shè)備都不具備直接讀取圖形的功能,梯形圖程序只有改寫為指令表才有可能送入可編程控制器運行。,33,第三節(jié) 可編程控制器的軟件,3.順序功能圖(Sequential function chart),順序功能圖常用來編制順序控制類程序。它包含步、動作、轉(zhuǎn)換三個要素。順序功能編程法將一個復(fù)雜的順序控制過程分解為一些小的工作狀態(tài),對這些小狀態(tài)的功能分別處理后再將它們依順序連接組合成整體的控制程序。,34,第三節(jié) 可編程控制器的軟件,4.功能塊圖(Function block diagram),功能塊圖是一種類似于數(shù)字邏輯電路的編程語言。該編程語言用類似與門、或門的方框來表示邏輯運算關(guān)系,方框的左側(cè)為邏輯運算的輸入變量,右側(cè)為輸出變量,輸入端、輸出端的小圓圈表示“非”運算,信號自左向右流動。,35,第四節(jié) 可編程控制器的工作原理,可編程控制器的工作原理可以簡單地表述為在系統(tǒng)程序的管理下,通過運行應(yīng)用程序完成用戶任務(wù)。 個人計算機與 PLC的工作方式有所不同,計算機一般采用等待命令的工作方式。而 PLC在確定了工作任務(wù),裝入了專用程序后成為一種專用機,它采用循環(huán)掃描工作方式,系統(tǒng)工作任務(wù)管理及應(yīng)用程序執(zhí)行都是循環(huán)掃描方式完成的。,36,第四節(jié) 可編程控制器的工作原理,一、分時處理及掃描工作方式,PLC系統(tǒng)正常工作所要完成的任務(wù):,計算機內(nèi)部各工作單元的調(diào)度,監(jiān)控； 計算機與外部設(shè)備間的通訊; 用戶程序所要完成的工作。,37,第四節(jié) 可編程控制器的工作原理,程序執(zhí)行掃描工作過程,38,第四節(jié) 可編程控制器的工作原理,二、掃描周期及PLC的兩種工作狀態(tài),PLC有兩種基本的工作狀態(tài),即運行(RUN)狀態(tài)與停止 (STOP)狀態(tài)。 運行狀態(tài)是執(zhí)行應(yīng)用程序的狀態(tài)。停止?fàn)顟B(tài)一般用于程序的編制與修改。,掃描周期？,39,第四節(jié) 可編程控制器的工作原理,三、輸入/輸出滯后時間,定義,輸入/輸出滯后時間又稱為系統(tǒng)響應(yīng)時間,是指從 PLC外部輸入信號發(fā)生變化的時刻起至它控制的有關(guān)外部輸出信號發(fā)生變化的時刻止之間的間隔。,組成,由輸入電路的濾波時間、輸出模塊的滯后時間和因掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時間三部分組成。,40,第四節(jié) 可編程控制器的工作原理,輸入模塊的RC濾波電路用來濾除由輸入端引入的干擾噪聲,消除因外接輸入觸點動作時產(chǎn)生抖動引起的不良影響。濾波時間常數(shù)決定了輸入濾波時間的長短,其典型值為10ms左右。,輸出模塊的滯后時間與模塊開關(guān)元件的類型有關(guān)。,41,第四節(jié) 可編程控制器的工作原理,圖2-18 PLC的輸入/輸出延遲,42,第四節(jié) 可編程控制器的工作原理,四、可編程控制器系統(tǒng)與繼電接觸器系統(tǒng)工作原理的差別,差別一,繼電器電路圖是用低壓電器的接線表達邏輯控制關(guān)系的,可編程控制器則使用梯形圖表達這種關(guān)系。,43,第四節(jié) 可編程控制器的工作原理,差別二,在運行時序上：對于繼電器電路來說,忽略電磁滯后及機械滯后,同一個繼電器的所有觸點的動作是和它的線圈通電或斷電同時發(fā)生的。但在 PLC中,由于指令的分時掃描執(zhí)行。同一個器件的線圈工作和它的各個觸點的動作并不同時發(fā)生。這就是繼電接觸器系統(tǒng)的并行工作方式和 PLC的串行工作方式的差別。,44,第四節(jié) 可編程控制器的工作原理,圖2-19 “定時點滅”電路,45,第五節(jié) 可編程控制器的主要性能指標(biāo),1.輸入/輸出點數(shù),輸入輸出點數(shù)是PLC組成控制系統(tǒng)時所能接入的輸入輸出信號的最大數(shù)量,表示PLC組成系統(tǒng)時可能的最大規(guī)模。,46,第五節(jié) 可編程控制器的主要性能指標(biāo),2.應(yīng)用程序的存儲容量,應(yīng)用程序的存儲容量是存放用戶程序的存儲器的容量。通常用K字(kw),K字節(jié)(kb)或K位來表示，1K=1024。也有的PLC直接用所能存放的程序量表示。,47,第五節(jié) 可編程控制器的主要性能指標(biāo),3.掃描速度,一般以執(zhí)行1000條基本指令所需的時間來衡量。單位為毫秒/千步,也有以執(zhí)行一步指令時間計的,如微秒/步。 一般邏輯指令與