第2章 可編程控制器的結(jié)構(gòu)及工作

第2章可編程控制器的結(jié)構(gòu)及工作原理制作：張均貴州大學(xué)信息工程系本章內(nèi)容提要本章主要介紹可編程控制器的結(jié)構(gòu)及各部分的作用，硬件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)，基本工作原理，掃描工作原理及特點(diǎn)，以及可編程控制器的等效電路。最后介紹可編程控制器系統(tǒng)與電氣控制系統(tǒng)的區(qū)別。

2.1可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)及各部分的作用2.1.1可編程控制器的硬件系統(tǒng)及各部分的作用2.1可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)及各部分的作用PLC專為工業(yè)場(chǎng)合設(shè)計(jì)，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，硬件電路主要由CPU、電源、存儲(chǔ)器和專門設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路以及編程器等外設(shè)接口組成。圖2-1為一典型PLC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。其中，CPU是PLC的核心，輸入單元與輸出單元是連接現(xiàn)場(chǎng)輸入/輸出設(shè)備與CPU的接口電路，通信接口用于與編程器、上位計(jì)算機(jī)等外設(shè)連接。2.1可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)及各部分的作用1．微處理器（CPU）PLC中的CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每臺(tái)PLC至少有一個(gè)CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤等。運(yùn)行后，從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路。

圖2-1整體式PLC組成框圖圖2-2模塊式PLC組成框圖2．存儲(chǔ)器（ROM和RAM）

與通用計(jì)算機(jī)一樣，PLC系統(tǒng)中也主要有兩種存儲(chǔ)器：一種是可讀/寫操作的隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM，另一種是只讀存儲(chǔ)器ROM、PROM、EPROM和EEPROM。在PLC中，存儲(chǔ)器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)。ROM用來存放系統(tǒng)程序，使軟件固化的載體，相當(dāng)于通用計(jì)算機(jī)的BIOS；RAM則用來存放用戶的應(yīng)用程序。3．I/O（輸入/輸出）單元PLC的對(duì)外功能，主要是通過各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系，按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置能力的限制，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。圖2-3PLC的輸入模塊PLC的開關(guān)量輸出接口按輸出開關(guān)器件不同分為三種類型：繼電器輸出、晶體管輸出和雙向晶閘管輸出，其基本原理電路如圖2-4所示。繼電器輸出接口可驅(qū)動(dòng)交流或直流負(fù)載，但其響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)作頻率低；而晶體管輸出和雙向晶閘管輸出接口的響應(yīng)速度快，動(dòng)作頻率高，但前者只能用于驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載，后者只能用于交流負(fù)載。4．電源模塊5．PLC的通信聯(lián)網(wǎng)6．智能接口模塊7．編程器8．其他外部設(shè)備2.1.2可編程控制器的軟件系統(tǒng)PLC的軟件由系統(tǒng)程序和用戶程序組成。系統(tǒng)程序由PLC制造廠商設(shè)計(jì)編寫，并存入PLC的系統(tǒng)存儲(chǔ)器中，用戶不能直接對(duì)其讀寫與更改。系統(tǒng)程序一般包括系統(tǒng)診斷程序、輸入處理程序、編譯程序、信息傳送程序、監(jiān)控程序等。PLC的用戶程序是用戶利用PLC的編程語言，根據(jù)控制要求編制的程序。在PLC的應(yīng)用中，最重要的是用PLC的編程語言來編寫用戶程序，以實(shí)現(xiàn)控制目的。

PLC編程語言是多種多樣的，對(duì)于不同生產(chǎn)廠家、不同系列的PLC產(chǎn)品采用的編程語言的表達(dá)方式也不相同，但基本上可歸納為兩種類型：一是采用字符表達(dá)方式的編程語言，如語句表等；二是采用圖形符號(hào)表達(dá)方式的編程語言，如梯形圖等。1．梯形圖語言梯形圖語言是一種以圖形符號(hào)及圖形符號(hào)在圖中的相互關(guān)系表示控制關(guān)系的編程語言，是在傳統(tǒng)電器控制系統(tǒng)中常用的接觸器、繼電器等圖形表達(dá)符號(hào)的基礎(chǔ)上演變而來的。它與電器控制線路圖相似，繼承了傳統(tǒng)電器控制邏輯中使用的框架結(jié)構(gòu)、邏輯運(yùn)算方式和輸入輸出形式，具有形象、直觀、實(shí)用的特點(diǎn)，電氣技術(shù)人員容易接受，是PLC的第一編程語言。如圖2-5所示是傳統(tǒng)的電器控制線路圖和PLC梯形圖。

圖2-5電器控制線路圖與梯形圖2．指令語句表編程語言指令語句表也叫語句表，是一種與匯編語言類似的助記符編程語言。指令表語言與梯形圖有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在PLC應(yīng)用中，經(jīng)常采用簡(jiǎn)易編程器，而這種編程器中沒有CRT屏幕顯示，或沒有較大的液晶屏幕顯示。因此，就用一系列PLC操作命令組成的語句表將梯形圖描述出來，再通過簡(jiǎn)易編程器輸入到PLC中。需要指出的是各個(gè)PLC生產(chǎn)廠家的語句表形式不盡相同，但基本功能相差無幾。以下是與圖2-5中梯形圖對(duì)應(yīng)的（FX系列PLC）語句表程序。步序號(hào) 指令 數(shù)據(jù)0 LD X11 OR Y02 ANI X23 OUT Y04 LD X35 OUT Y13．功能塊圖編程語言功能塊圖是一種類似于數(shù)字邏輯電路結(jié)構(gòu)的編程語言，由與門、或門、非門、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、觸發(fā)器等邏輯符號(hào)組成。熟悉數(shù)字電路的人員較容易掌握，框的左側(cè)為邏輯運(yùn)算的輸入變量、右側(cè)為輸出變量，信號(hào)自左向右流動(dòng)，就像電路圖一樣，如圖2-6所示圖2-6邏輯圖語言編程4．順序功能圖編程語言5．高級(jí)語言2.2可編程控制器的基本工作原理PLC源于用計(jì)算機(jī)控制來取代繼電器、接觸器，所以PLC與通用計(jì)算機(jī)具有相同之處，如具有相同的基本結(jié)構(gòu)和相同的指令執(zhí)行原理。但是，兩者在工作方式上卻有著很大的區(qū)別，不同點(diǎn)體現(xiàn)在PLC的CPU采用循環(huán)掃描工作方式，集中輸入采樣，集中進(jìn)行輸出刷新。I/O映像區(qū)分別存放執(zhí)行程序之前的各輸入狀態(tài)和執(zhí)行過程中各結(jié)果的狀態(tài)。2.2.1可編程控制器的掃描工作原理及特點(diǎn)PLC采用循環(huán)掃描工作方式，這個(gè)工作過程一般包括五個(gè)階段：內(nèi)部處理、與編程器等的通信處理、輸入掃描、用戶程序執(zhí)行、輸出處理，其工作過程如圖2-7所示。圖2-7中當(dāng)PLC方式開關(guān)置于RUN（運(yùn)行）時(shí)，執(zhí)行所有階段；當(dāng)方式開關(guān)置于STOP（停止）時(shí)，不執(zhí)行后3個(gè)階段，此時(shí)可進(jìn)行通信處理，如對(duì)PLC聯(lián)機(jī)或離線編程。PLC執(zhí)行的五個(gè)階段，稱為一個(gè)掃描周期，PLC完成一個(gè)周期后，又重新執(zhí)行上述過程，開始下一輪新的掃描，掃描周而復(fù)始地進(jìn)行。在下一輪掃描過程中，必經(jīng)歷輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。此時(shí)，不經(jīng)歷前兩個(gè)階段。PLC在輸入采樣階段：在輸入采樣階段，PLC的CPU順序地掃描各個(gè)輸入端，順序讀取各個(gè)輸入端的狀態(tài)，并將其存入輸入映像區(qū)單元中，此時(shí)，輸入映像寄存器被刷新。隨即關(guān)閉輸入端口，進(jìn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行階段或輸出階段，輸入映像寄存器與外界隔離，即使外部輸入信號(hào)發(fā)生改變，輸入映像寄存器的內(nèi)容也不會(huì)隨之改變。直到下一個(gè)掃描周期的輸入采樣階段，才重新寫入輸入端得新內(nèi)容。因此，為了保證輸入狀態(tài)能被正確讀入，要求輸入脈沖寬度必須大于一個(gè)掃描周期。PLC在程序執(zhí)行階段：在程序執(zhí)行階段，PLC的CPU從用戶程序的第0步開始，順序地逐條掃描用戶梯形圖程序，掃描時(shí)按先上后下、先左后右的順序進(jìn)行掃描（執(zhí)行）。經(jīng)相應(yīng)的運(yùn)算和處理后，其結(jié)果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。在程序執(zhí)行階段，只有輸入端在I/O映像區(qū)存放的輸入采樣值不會(huì)發(fā)生改變，而其他各軟組件和輸出點(diǎn)在I/O映像區(qū)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能隨著程序的執(zhí)行而變化。要注意PLC非并行工作的特點(diǎn)，在程序執(zhí)行過程中，上面邏輯行中線圈狀態(tài)的改變，會(huì)對(duì)其下面邏輯行中對(duì)應(yīng)的接點(diǎn)狀態(tài)起作用。反之，排在下面的邏輯行中線圈狀態(tài)的改變，只能等到下一個(gè)掃描周期才能對(duì)上面邏輯行中對(duì)應(yīng)此線圈的接點(diǎn)狀態(tài)起作用。當(dāng)所有指令都掃描處理完后，即轉(zhuǎn)入輸出刷新階段。輸出刷新階段：在輸出刷新階段，PLC的CPU集中將元件映像寄存器中的輸出元件（即輸出繼電器）的狀態(tài)（此狀態(tài)存放在對(duì)應(yīng)的輸出映像寄存器中）轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，刷新其內(nèi)容，該變輸出端子上的狀態(tài)，然后通過一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)輸出設(shè)備工作。2.2.2可編程控制器的等效電路PLC控制系統(tǒng)與電器控制系統(tǒng)比較可知，PLC的用戶程序（軟件）代替了繼電器控制電路（硬件）。因此，對(duì)于使用者來說，可以將PLC等效成是許許多多各種各樣的“軟繼電器”和“軟接線”的集合，而用戶程序就是用“軟接線”將“軟繼電器”及其“觸點(diǎn)”按一定要求連接起來的“控制電路”。如圖2-9所示為三相異步電動(dòng)機(jī)單向起動(dòng)運(yùn)行的電器控制系統(tǒng)。其中，由輸入設(shè)備SB1、SB2、FR的觸點(diǎn)構(gòu)成系統(tǒng)的輸入部分，由輸出設(shè)備KM構(gòu)成系統(tǒng)的輸出部分。圖2-9三相異步電動(dòng)機(jī)單向運(yùn)行電器控制系統(tǒng)圖2-10PLC的等效電路要注意的是，PLC等效電路中的繼電器并不是實(shí)際的物理繼電器，它實(shí)質(zhì)上是存儲(chǔ)器單元的狀態(tài)。單元狀態(tài)為“１”，相當(dāng)于繼電器接通；單元狀態(tài)為“０”，則相當(dāng)于繼電器斷開。因此，我們稱這些繼電器為“軟繼電器”。2.2.3電器控制系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)的比較1．電氣控制和PLC控制系統(tǒng)（1）電器控制系統(tǒng)的組成通過電器控制系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)可知，任何一個(gè)電器控制系統(tǒng)，都是由輸入部分、輸出部分和控制部分組成，如圖2-11所示。其中輸入部分由各種輸入設(shè)備，如按鈕、位置開關(guān)及傳感器等組成；控制部分是按照控制要求設(shè)計(jì)的，由若干繼電器及觸點(diǎn)構(gòu)成的具有一定邏輯功能的控制電路；輸出部分由各種輸出設(shè)備，如接觸器、電磁閥、指示燈等執(zhí)行元件組成。電器控制系統(tǒng)是根據(jù)操作指令及被控對(duì)象發(fā)出的信號(hào)，由控制電路按規(guī)定的動(dòng)作要求決定執(zhí)行什么動(dòng)作或動(dòng)作執(zhí)行的順序，然后驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)備去實(shí)現(xiàn)各種操作。由于控制電路是采用硬接線將各種繼電器及觸點(diǎn)按一定的要求連接而成，所以接線復(fù)雜且故障點(diǎn)多，同時(shí)不易靈活改變。圖2-11電器控制系統(tǒng)得組成（2）PLC控制系統(tǒng)的組成由PLC構(gòu)成的控制系統(tǒng)也是由輸入、輸出和控制三部分組成，如圖2-12所示。圖2-12PLC控制系統(tǒng)的組成2．PLC控制系統(tǒng)與電器控制系統(tǒng)的比較

PLC控制系統(tǒng)與電器控制系統(tǒng)相比，有許多相似之處，也有許多不同之處。不同之處主要在以下幾個(gè)方面：（1）控制方法不同（2）工作方式不同（3）控制速度不同（4）定時(shí)和計(jì)數(shù)控制不同（5）可靠性和可維護(hù)性不同本章小結(jié)本章主要介紹了PLC的結(jié)構(gòu)及工作原理。要求掌握PLC的循環(huán)掃描工作方式。在掃描梯形圖時(shí)，則總是按先上后下、先左后右的順序進(jìn)行掃描。邏輯行間作用特點(diǎn)是：上對(duì)下，立即影響；下對(duì)上等待下次。掃描工作方式是產(chǎn)生輸入輸出響應(yīng)滯后現(xiàn)象的主要原因。掌握掃描周期的計(jì)算。了解PLC控制與電器控制的異同點(diǎn)。習(xí)題2.1PLC的硬件由哪幾部分組成？試簡(jiǎn)述各部分的作用？2.2PLC主要有哪些外部設(shè)備？各有什么作用？2.3PLC的軟件由哪幾部分組成？各有什么