第3章 可編程控制器組成及工作原理

1、1第第3 3章章 可編程控制器組成與可編程控制器組成與工作原理工作原理v可編程控制器的組成v可編程控制器的工作原理v可編程控制器的編程語言23-1 可編程控制器的組成 中央處理單元（中央處理單元（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入輸出電路、外部）、存儲(chǔ)器、輸入輸出電路、外部設(shè)備接口、電源幾大部分組成設(shè)備接口、電源幾大部分組成 .3 一、中央處理單元（CPU）v1) 通用微處理器（如：8080、8086等） ；v2)單片微處理器(如Intel公司的MCS5196系列單片機(jī))；v3)位片式微處理器(如AM2900、AM2901、AM2903型位片式微處理器）。通過并行聯(lián)結(jié)構(gòu)成任意字長的一種微處理器。 小型PL

2、C為8位微處理器； 中型PLC多采用16位微處理器。 PLC的檔次越高，微處理器的位數(shù)越多、運(yùn)算速度越快、功能越強(qiáng)。4CPU的主要功能：v（1）接收、存儲(chǔ)用戶通過編程器等輸入設(shè)備輸入的程序和數(shù)據(jù)。v（2）以掃描方式接收以掃描方式接收來自輸入單元的輸入變量、狀態(tài)數(shù)據(jù)，并存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)（輸入映像寄存器）。v（3）利用錯(cuò)誤校驗(yàn)技術(shù)自診斷。v（4）執(zhí)行用戶程序，完成各種數(shù)據(jù)的處理、傳輸和存儲(chǔ)，并根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，刷新刷新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)部控制信號(hào)，以完成用戶指令規(guī)定的各種操作。v（5）響應(yīng)各種外圍設(shè)備（如編程器、打印機(jī)等）的請(qǐng)求。 5二、存儲(chǔ)器1存儲(chǔ)器種類（1

3、）系統(tǒng)存儲(chǔ)器，存放系統(tǒng)管理程序。（2）用戶存儲(chǔ)器，存放用戶編制的控制程序。6 2常用存儲(chǔ)器（1）RAM：隨機(jī)存儲(chǔ)器,又叫讀/寫存儲(chǔ)器。它是易失性的存儲(chǔ)器，將它的電源斷開后，存儲(chǔ)的信息將會(huì)丟失。特點(diǎn)：速度快、密度高、價(jià)格低、功耗低、價(jià)格便宜、改寫方便。 為了在關(guān)斷可編程控制器外部電源后，保存RAM中的用戶程序和某些數(shù)據(jù)，為RAM配備了一個(gè)鋰電池，用鋰電池供電（鋰電池壽命一般為210年（空載）帶載：25年）。（2）ROM：只讀存儲(chǔ)器，內(nèi)容只能讀出，不能寫入。它是非易失性的，它的電源消失后，仍能保存儲(chǔ)存的內(nèi)容。通常用于存放可編程控制器的系統(tǒng)程序。7 （3）EPROM ：紫外線可擦除的只讀存儲(chǔ)器。非易

4、失性的，用戶程序調(diào)試好后，可用廠家提供的EPROM寫入器或編程器將它寫入（固化）EPROM，以防止偶然原因遭到敗壞。用紫外線照射芯片上的透鏡窗口，可以擦除已寫入的內(nèi)容，再重新寫入新內(nèi)容?，F(xiàn)已很少使用EPROM。 （4）EEPROM（或?qū)懗蒃2PROM）：電擦除的只讀存儲(chǔ)器。它是非易失性的，但是可以用編程器對(duì)它進(jìn)行編程，兼有ROM的非易失性和RAM的隨機(jī)存取的優(yōu)點(diǎn)，但是它比RAM和EPROM的價(jià)格高一些，寫入信息所需的時(shí)間比RAM長。可以用電擦除已寫入的內(nèi)容，再重新寫入新內(nèi)容。 8三、輸入輸出模塊（三、輸入輸出模塊（I/O單元）單元）輸入模塊作用：用來接收和采集輸入信號(hào)輸入模塊作用：用來接收和采

5、集輸入信號(hào) 。輸入信號(hào)有兩類：一類是開關(guān)量輸入信號(hào)，如按鈕開關(guān)、行程開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、壓力繼電器等。另一類是模擬量輸入信號(hào)，如電位器、熱電、測速電機(jī)、各種變送器送來的連續(xù)變化的模擬量輸入信號(hào)。9 輸出模塊的作用輸出模塊的作用：是接收中央處理器處理過的數(shù)字信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場的執(zhí)行部件能接收的信號(hào)，用來控制接觸器、電磁閥、調(diào)節(jié)閥、調(diào)速裝置等，控制的另一類負(fù)載是指示燈、數(shù)字顯示器和報(bào)警裝置等。 提高抗干擾能力：一般的輸入/輸出單元都有光電隔光電隔離裝置。在數(shù)字量I/O模塊中廣泛采用由發(fā)光二極管和光電三極管組成的光電耦合器，在模擬量I/O模塊中通常采用隔離放大器。 10（1）

6、開關(guān)量I/O模塊的外部接線方式 開關(guān)量I/O模塊的外部接線方式有匯點(diǎn)式、匯點(diǎn)式、分組式和分隔式分組式和分隔式 注意：開關(guān)量I/O模塊的點(diǎn)數(shù)一般是2的n次方，如4、8、16點(diǎn) 11（2）輸入接口電路 PLC的輸入電路有：直流輸入、交直流輸入 。1213（3）輸出接口電路）輸出接口電路 繼電器輸出、晶體管輸出、晶閘管輸出繼電器輸出、晶體管輸出、晶閘管輸出 輸出電流典型值為輸出電流典型值為0.52A，負(fù)載電源由，負(fù)載電源由外部現(xiàn)場提供外部現(xiàn)場提供 。14繼電器輸出 特點(diǎn)：有觸點(diǎn)式輸出，帶載能力強(qiáng)，但相應(yīng)速度慢。15晶閘管輸出特點(diǎn)：無觸點(diǎn)輸出，響應(yīng)速度快。只能帶交流負(fù)載。特點(diǎn)：無觸點(diǎn)輸出，響應(yīng)速度快。

7、只能帶交流負(fù)載。16（3）晶體管輸出特點(diǎn)：無觸點(diǎn)輸出，相應(yīng)速度快，只能帶直流負(fù)載特點(diǎn)：無觸點(diǎn)輸出，相應(yīng)速度快，只能帶直流負(fù)載174特殊功能模塊v（1）模擬量輸入輸出模塊； 輸出信號(hào)可以是電壓或電流；可以是單極性的如05V、010V、15V、420mA，也可以是雙極性的如5V、10V和20mA，模塊一般可輸入多種量程的電流或電壓 184特殊功能模塊v（2）高速計(jì)數(shù)模塊； 把過程控制變量（如位置信號(hào)、速度值、流量值累計(jì)等）的方波信號(hào)送入可編程控制器。這些參量的變化速度很快，使用獨(dú)立計(jì)數(shù)的高速計(jì)數(shù)器對(duì)這些參量進(jìn)行計(jì)數(shù)。高速計(jì)數(shù)模塊可對(duì)幾十KHZ甚至上MHZ的脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值等于或大于預(yù)置值

8、時(shí)，輸出被驅(qū)動(dòng)。194特殊功能模塊v（3）PID過程控制模塊； 實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)變化的模擬量閉環(huán)控制的智能模塊，可將PID模塊看作一個(gè)過程調(diào)節(jié)器。在PID模塊上有輸入/輸出接口和進(jìn)行閉環(huán)控制運(yùn)算的CPU，模塊一般可以控制多個(gè)閉環(huán)。204特殊功能模塊v（4）運(yùn)動(dòng)控制模塊 ：常用于數(shù)控技術(shù)方面 ； 運(yùn)動(dòng)控制模塊通過輸出脈沖輸出脈沖控制位置移動(dòng)位置移動(dòng)量和移動(dòng)速度移動(dòng)速度，可分為單坐標(biāo)控制和雙坐標(biāo)控制，雙坐標(biāo)控制可實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，這實(shí)際上是通過可編程控制器運(yùn)動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)的數(shù)控技術(shù)。214特殊功能模塊v（5）中斷輸入模塊與快速響應(yīng)模塊：用于快速響應(yīng)的控制系統(tǒng) ； 中斷過程：接收到中斷輸入信號(hào)后，暫停正

9、在運(yùn)行的主程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷程序，執(zhí)行完后返回繼續(xù)執(zhí)行主程序。224特殊功能模塊v（5）通信模塊； 網(wǎng)絡(luò)接口，通過通信數(shù)據(jù)模塊總線和可編程控制器的主機(jī)連接，用硬件和軟件一起來實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議?？删幊炭刂破鞯耐ㄐ拍K一般配有多種接口，可以通過通信模塊上的選擇開關(guān)進(jìn)行接口選擇，實(shí)現(xiàn)與別的可編程控制器、智能控制設(shè)備或計(jì)算機(jī)之間的通信。23四、電源單元 PLC的供電電源是一般的市電，開關(guān)電源供電，允許電源電壓在額定值的+10%-15%的范圍內(nèi)波動(dòng)，內(nèi)部有一個(gè)穩(wěn)壓電源。也有用直流24V供電的。另外PLC還有24V DC輸出，用于對(duì)外部傳感器供電。 24五外部設(shè)備接口 v接口是PLC實(shí)現(xiàn)人-機(jī)對(duì)話、機(jī)-機(jī)對(duì)話

10、的通道。通過它，彩色圖形顯示器、打印機(jī)、I/O擴(kuò)展單元、上位機(jī)等相連接。v接口：RS232C、RS422A、RS485串行通信接口。該接口的功能是串行/并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、通信格式的識(shí)別、數(shù)據(jù)傳輸?shù)某鲥e(cuò)校驗(yàn)、信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換等25六輸入輸出擴(kuò)展單元 v當(dāng)所需的輸入輸出點(diǎn)數(shù)或類型超出主機(jī)輸入輸出單元所允許的點(diǎn)數(shù)或類型時(shí) 通過加接輸入輸出擴(kuò)展單元來解決。v簡單型和智能型 簡單型不帶中央處理單元，智能型帶中央處理單元26七、編程器v（1）輸入程序；v（2）檢查程序；v（3）修改程序；v（4）監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)。另外還有:(1)外部設(shè)備接口，用于與編程器、顯示器、打印機(jī)等外部設(shè)備連接。 (2)輸入、輸出擴(kuò)

11、展單元。272.1.2 PLC2.1.2 PLC軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)： v 系統(tǒng)程序 由PLC廠家提供，固化在EPROM中。系統(tǒng)程序可分為管理程序、編譯程序、標(biāo)準(zhǔn)程序模塊和系統(tǒng)調(diào)用三部分。282.1.2 PLC2.1.2 PLC軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)： v 用戶程序 用戶根據(jù)需要，用PLC的程序語言編寫的控制程序。 。293-2 可編程控制器的等效電路接線程序控制接線程序控制 將繼電器、接觸器、電子元件等若干分立器件用導(dǎo)線連接在一起，形成滿足控制對(duì)象動(dòng)作要求的控制“程序”存儲(chǔ)程序控制存儲(chǔ)程序控制 將控制邏輯以程序語言的形式存放在存儲(chǔ)器中通過執(zhí)行存儲(chǔ)器中的程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的控制要求。可編程控制器可編程控制

12、器 是一種存儲(chǔ)程序控制器303-2 可編程控制器的等效電路31一、可編程控制器的等效電路可編程序控制器構(gòu)成的存儲(chǔ)程序控制系統(tǒng)，由如下三部分組成 32 輸入回路由外部輸入電路、PLC輸入接線端子和輸入繼電器組成。 （1）輸入回路（2）內(nèi)部控制電路 內(nèi)部控制電路是由用戶程序形成的用“軟繼電器軟繼電器”來代替硬繼電器硬繼電器的控制邏輯。 （3）輸出回路 輸出回路是由PLC內(nèi)部的輸出繼電器的接點(diǎn)、輸出接線端子和外部驅(qū)動(dòng)電路組成，用來驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。33PLC工作過程（1）PLC采用循環(huán)掃描的工作方式；（2）PLC有兩種工作狀態(tài)，運(yùn)行（RUN）和停止（STOP）。在STOP狀態(tài)，只執(zhí)行1、2；在RUN狀態(tài)

13、，1、2、3、4、5，五個(gè)過程。3435內(nèi)部處理階段 2通信操作 （1）與另外PLC交換數(shù)據(jù)； （2）響應(yīng)編程器輸入的命令，更新編程器的顯示。（1）自檢：檢查CPU模塊內(nèi)部硬件是否正常；（2）喂狗：將監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位。3輸入處理（1）順序讀入所有輸入端子的通斷狀態(tài)；（2）將讀入的信息存入對(duì)應(yīng)的映象寄存器中。364程序執(zhí)行vPLC根據(jù)掃描原則，按先左后右，先上后下的步序，逐句掃描，逐句執(zhí)行。v具體工作：將輸入映像寄存器或其它映像寄存器的狀態(tài)（0/1）讀出，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果存入對(duì)應(yīng)的映像寄存器中。5輸出處理（1）將輸出映象寄存器Y的狀態(tài)輸出到輸出鎖存器中；（2）通過隔離電路、驅(qū)動(dòng)功率放大

14、電路，輸出控制信號(hào) 。37工作原理383940PLC工作方式的特點(diǎn)：集中采樣、集中輸出、循環(huán)掃描。v（1）集中采樣：對(duì)輸入階段的掃描只在輸入采樣階段進(jìn)行。即在其它階段輸入映像寄存器中的內(nèi)容不會(huì)改變，直到下一個(gè)掃描周期的采樣階段才能讀入新的內(nèi)容；v（2）集中輸出：將輸出映像寄存器的內(nèi)容集中送給輸出端口。在其它階段端口狀態(tài)不變。v（3）循環(huán)掃描：周而復(fù)始，不停地循環(huán)。41（1）掃描工作方式的優(yōu)點(diǎn)： 提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。 集中采樣、集中輸出的循環(huán)掃描方式使PLC在工作的大部分時(shí)間與外界隔離，從根本上提高了抗干擾能力，提高了可靠性。（2）掃描工作方式的缺點(diǎn)：響應(yīng)滯后，降低了系統(tǒng)速度。42LPC采用

15、掃描工作方式，輸入/輸出信號(hào)存在著原理上的滯后；電氣控制：電氣控制：KM1、KM2同步；同步；PLC控制控制Y1、Y2 不同步不同步 4344v解決方法解決方法 （1）改變信息刷新方式 I/O立即刷新 、I/O直接刷新方式 （2）采用中斷技術(shù)（3）調(diào)整輸入濾波器456掃描周期的計(jì)算掃描周期（時(shí)間）=接點(diǎn)掃描時(shí)間（T1）+程序執(zhí)行時(shí)間（T2）+自診斷時(shí)間（T3）+通信時(shí)間（T4） 46舉例例3-1：三菱公司FX240MR，配置開關(guān)量輸入24點(diǎn)，開關(guān)量輸以16點(diǎn)，用戶程序?yàn)?000步，不包含特殊功能指令，PLC運(yùn)行時(shí)不連接上位計(jì)算機(jī)等外設(shè)。I/O的掃描速度為003ms8點(diǎn)，用戶程序的執(zhí)行速度為07

16、4s/步，自診斷所需的時(shí)間為096ms，試計(jì)算一個(gè)掃描周期所需要的時(shí)間為多少?47解：v掃描40點(diǎn)IO所需要的時(shí)間為：T1O03ms8點(diǎn)40點(diǎn)=015msv1000步程序所需要的時(shí)間為：T20.74s/步1000步0.74msv自診斷所需要的時(shí)間為：T3. 96msv因PLC運(yùn)行時(shí)，不與外設(shè)通信，所以通信時(shí)間為:T4=0這樣一個(gè)掃描周期T為：TT1+T2+T3+T4=0.15ms十0.74ms十0.96ms1.85ms48v當(dāng)Fx2系列PLC投入運(yùn)行后，CPU將最大掃描周期、最小掃最大掃描周期、最小掃描周期和當(dāng)前掃描周期描周期和當(dāng)前掃描周期的值分別存入D8012、D8011、D80l0三個(gè)特殊

17、數(shù)據(jù)寄存器中(計(jì)時(shí)單位：1ms)，v還提供一種以恒定的掃描周期恒定的掃描周期掃描用戶程序的運(yùn)行方式。用戶可將通過計(jì)算或?qū)嶋H測定的最大掃描周期再留一些余量，作為恒定掃描周期的值存放在特殊數(shù)據(jù)寄存器D8039中(計(jì)時(shí)單位：1ms)；當(dāng)特殊輔助繼電器M8039線圈被接通時(shí)，PLC按照D8039中存放的數(shù)據(jù)以恒定周期掃描用戶程序。 493-3 可編程控制器的編程語言一、 可編程控制器的性能指標(biāo) 1 .輸入、輸出接點(diǎn)數(shù)(1) 三菱FX2N系列輸入/輸出為3:2 ；(2) OMRON系列的輸入/輸出為1:1 。 2、掃描速度(1) 執(zhí)行1000步所需要的時(shí)間，毫秒/千步；(2) 執(zhí)行1步所需要的時(shí)間，單位

18、：微秒/步。 503-3 可編程控制器的編程語言 3.存儲(chǔ)器容量 指用戶存儲(chǔ)器容量，通常用“字”、“步”描述； 三菱FX2N系列的容量為8K步（可擴(kuò)展到16K步）；OMRON公司的CPM1A系列的容量為2048字。 注：1步=4byte 51（一）梯形圖編程語言（LAD）梯形圖 二、 可編程控制器的編程語言52梯形圖與繼電器電氣控制圖的區(qū)別 v電氣控制圖中的繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器是物理器件；而梯形圖的繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器是非物理器件，又稱軟器件。v電氣控制圖中母線中有電流通過；梯形圖中的左右母線不接電源，其中的電流為虛電流（即假想電流） v梯形圖最右邊必須為輸出元件；電氣控制圖無此要求。v梯

19、形圖中的每個(gè)編程元件用字母加數(shù)字串表示，不同的元件用不同的字母表示，例如：輸入元件為：X；輸出元件為Y等。梯形圖格式及特點(diǎn)梯形圖格式及特點(diǎn)v（1）左右母線，多層梯級(jí)，起始于左母線，通過繼電器線圈終止于右母線。有些省略右母線。53v（2）假想 “能流” 自左向右流動(dòng)。v（3）繼電器線圈一般情況下只能出現(xiàn)一次。繼電器常開觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)則可被無限次使用。梯形圖格式及特點(diǎn)梯形圖格式及特點(diǎn)v（4）執(zhí)行從上到下、從左到右的順序進(jìn)行的梯形圖中每一梯級(jí)的運(yùn)算結(jié)果，可立即被其后的梯級(jí)所利用。54v（5）梯形圖中只出現(xiàn)輸入繼電器的觸點(diǎn)，而不出現(xiàn)輸入繼電器的線圈。梯形圖格式及特點(diǎn)梯形圖格式及特點(diǎn)（8）動(dòng)作順序v繼電器控制電路中繼電器控制電路中接通電源，整個(gè)電路中繼電器常閉觸點(diǎn)同時(shí)閉合，常開觸點(diǎn)同時(shí)斷開。