PLC的結構和工作原理課件

plc的結構和工作原理2.1PLC的組成與基本結構PLC是一種工業(yè)控制用的專用計算機，它比一般的通用計算機具有更強的與工業(yè)過程相連的接口和更直接的適應控制要求的編程語言。1.基本結構

2.CPUCPU是PLC的核心，它按照系統(tǒng)程序所賦予的功能完成的主要任務是：1）接受與存儲用戶由編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)。2）檢查編程過程中的語法錯誤，診斷電源及PLC內(nèi)部的工作故障。3）用掃描方式工作，接受來自現(xiàn)場的輸入信號，并輸入到輸入映像寄存器和數(shù)據(jù)存儲器中。4）在進入運行方式后，從存儲器中逐條讀取并執(zhí)行用戶程序，完成用戶程序所規(guī)定的邏輯運算、算術運算及數(shù)據(jù)處理等操作。5）根據(jù)運算結果，更新有關標志位的狀態(tài)，刷新輸出映像寄存器的內(nèi)容，再經(jīng)輸出部件實現(xiàn)輸出控制、打印制表或數(shù)據(jù)通信等功能。3.存儲器可編程控制器存儲器中配有兩種存儲系統(tǒng)，即用于存放系統(tǒng)程序的系統(tǒng)程序存儲器和存放用戶程序的用戶程序存儲器。系統(tǒng)程序存儲器主要用來存儲可編程控制器內(nèi)部的各種信息。一般系統(tǒng)程序是由PLC生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)監(jiān)控程序，不能由用戶直接存取。系統(tǒng)監(jiān)控程序主要由有關系統(tǒng)管理、解釋指令、標準程序及系統(tǒng)調用等程序組成。系統(tǒng)程序存儲器一般用PROM和EPROM構成。由用戶編寫的程序稱為用戶程序。用戶程序存放在用戶程序存儲器（容量不大）中，主要包括可編程控制器內(nèi)部的輸入輸出信息，以及內(nèi)部繼電器、移位寄存器、累加寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、定時器和計數(shù)器的動作狀態(tài)。用戶程序存儲器一般分為兩個區(qū)，程序存儲區(qū)和數(shù)據(jù)存儲區(qū)。程序存儲區(qū)用來存儲由用戶編寫的、通過編程器輸入的程序。而數(shù)據(jù)存儲區(qū)用來存儲通過輸入端子讀取的輸入信號的狀態(tài)、準備通過輸出端子輸出的信號狀態(tài)、PLC中各個內(nèi)部器件的狀態(tài)，以及特殊功能要求的有關數(shù)據(jù)。常用的存儲器CMOS-SRAM可讀寫存儲器：以CMOS技術制造的靜態(tài)可讀寫存儲器，讀寫時間小于200ns，幾乎不消耗電流。停電后可保存數(shù)據(jù)3～5年不變。EPROM只讀存儲器：用紫外線擦除、在電壓為25V的供電狀態(tài)下寫入，內(nèi)容可長期保存。EEPROM電可擦除可編程的只讀存儲器：既可以按字節(jié)進行擦除和全新編程，也可以進行整片擦除，且不需要專門的寫入設備，寫入速度也比EPROM快，寫入的內(nèi)容能在斷電情況下保持不變，而不需要保護電源。數(shù)字量輸入部件及接口來自現(xiàn)場的主令元件、檢測元件的信號經(jīng)輸入接口進入到PLC。指令元件的信號是指由用戶在控制鍵盤(或控制臺、操作臺)上發(fā)出的控制信號(如開機、關機、轉換、調整、急停等信號)。檢測元件的信號是指用檢測元件(如各種傳感器、繼電器的接點，限位開關、行程開關等元件的觸點)對生產(chǎn)過程中的參數(shù)(如：壓力、流量、溫度、速度、位置、行程、電流、電壓等)進行檢測時產(chǎn)生的信號。這些信號有的是開關(或數(shù)字量)量，有的是模擬量，有的是直流信號，有的是交流信號，要根據(jù)輸入信號的類型選擇合適的輸入接口。4.數(shù)字量輸入單元數(shù)字量輸入模板的外部接線方式匯點式輸入接線方式隔離式輸入接線方式

圖2.2直流開關量輸入單元圖2.3交流開關量輸入單元5.數(shù)字量輸出單元：它的作用是把PLC的內(nèi)部信號轉換成現(xiàn)場執(zhí)行機構的各種開關信號。按照現(xiàn)場執(zhí)行機構使用的電源類型的不同，開關量輸出單元可分為:晶體管輸出方式用于直流輸出負載雙相晶閘管輸出方式用于交流輸出負載繼電器觸點輸出方式即可用于直流、又可交流數(shù)字量輸出模板的接線方式

匯點式輸出

隔離式輸出

直流數(shù)字量輸出電路可分為譯碼、控制邏輯、輸出鎖存、光電隔離和輸出驅動5個部分。輸出和輸入模版的最大不同之處在于輸出驅動電路，它也是輸出模版的主要部分。輸出驅動電路的核心元件是作開關作用的功率管VT，其主要作用是作電流放大和電平轉換。每個輸出點的最大帶負載能力約為0.75A，響應速度較快。交流數(shù)字量輸出模版的電路大部分與直流輸出相同，只有輸出驅動電路不同。雙向晶閘管輸出型，每點最大帶負載能力約為0.5～1A，每4點輸出總電流不得大于1.6～4A。圖2-10交流數(shù)字量輸出接口模板的輸出驅動電路

特別應指出的是，由于繼電器模式具有實際斷點，可以從物理上切斷所控制的回路，同時這種模式既適合于直流情況又適合于交流情況，因此這種模式在開關頻率不太高的情況下是首選的輸出控制方案。圖2.4給出了這種輸出方案的原理圖。圖2.4繼電器模式輸出單元6.模擬量輸入單元模擬量輸入在過程控制中的應用很廣，如常用的溫度、壓力、速度、流量、酸堿度、位移的各種工業(yè)檢測都是對應于電壓、電流的模擬量值，再通過一定運算(PID)后，控制生產(chǎn)過程達到一定的目的。模擬量輸入電平大多是從傳感器通過變換后得到的，模擬量的輸入信號為4～20mA的電流信號或1～5V、-10～10V、0～10V的直流電壓信號。模擬量輸入單元的作用是把現(xiàn)場連續(xù)變化的模擬量標準信號轉換成PLC內(nèi)部處理的、由若干位表示的數(shù)字信號。模擬量輸入單元一般由濾波、A/D轉換器、光耦合器隔離等部分組成。圖2-12模擬量輸入模板的結構圖7.模擬量輸出單元作用是把PLC運算處理后的若干位數(shù)字量信號轉換成相應的模擬量信號然后輸出，以滿足生產(chǎn)過程現(xiàn)場連續(xù)信號的控制要求。模擬量輸出單元一般由光耦合器隔離、D/A轉換器和信號轉換等部分組成。模擬量輸出模塊是將中央處理器的二進制數(shù)字信號轉換成4～20mA的電流輸出信號或0～10V、1～5V的電壓輸出信號，以提供給執(zhí)行機構。因此模擬量輸出模塊又叫D/A轉換輸出模塊。圖2-13模擬量輸出模板的結構框圖智能I/O接口：用戶可根據(jù)控制系統(tǒng)的特殊要求，選擇相應的智能I/O接口，這些I/O接口板上一般都有獨立的微處理器和控制軟件，可以獨立地工作，以便減少CPU模版的壓力。擴展接口：現(xiàn)在有兩個含義，一個是單純的I/O擴展接口，另一個是CPU模版的擴充。通信接口：是專用于數(shù)據(jù)通信的一種智能模版，有串行接口和并行接口兩種。8.接口9.編程器用于用戶程序的輸入、編輯、調試和監(jiān)視，還可以通過其鍵盤去調用和顯示PLC的一些內(nèi)部繼電器狀態(tài)和系統(tǒng)參數(shù)?？煞譃楹喴拙幊唐鳌⒅悄芫幊唐骱陀肞C作編程器。簡易編程器一般由簡易鍵盤、發(fā)光二極管陣列或液晶顯示器（LCD）等組成，它體積小，價格便宜，可以直接插在PLC的編程器插座上，或者用電纜與PLC相連，它不能直接輸入和編輯梯形圖程序。智能編程器又稱圖形編程器，一般由微處理器、鍵盤、顯示器及總線接口組成，它可以直接生成和編輯梯形圖程序。由PLC生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的專用編程器使用范圍有限，價格也一般較高。在個人計算機不斷更新?lián)Q代的今天，出現(xiàn)了使用以個人計算機為基礎的編程系統(tǒng)，這樣可以用較少的投資獲取高性能的PLC程序開發(fā)系統(tǒng)。個人計算機的PLC程序開發(fā)系統(tǒng)的軟件一般包括編程軟件、文件編制軟件、數(shù)據(jù)采集和分析軟件、實時操作員接口軟件和仿真軟件。10.電源和總線PLC的外部工作電源一般為單相85～260V50/60HzAC電源，也有采用24～26VDC電源。PLC對其外部工作電源的穩(wěn)定度要求不高，一般可允許±15％左右。總線：是溝通PLC中各個功能模塊的信息通道，它的含義并不單是各個模板插腳之間的連線，還包括驅動總線的驅動器及其保證總線正常工作的控制邏輯電路。11.PLC的外部設備1）人-機接口裝置：用于實現(xiàn)操作人員與PLC控制系統(tǒng)的對話和相互作用。2）外存儲器：作為程序備份或改變生產(chǎn)工藝流程時調用。在可以離線開發(fā)用戶的編程器中，外存特別有用。3）打印機4）EPROM寫入器：提供了一個非易失性的用戶程序的保存方法?？删幊炭刂破魇且环N專用的工業(yè)控制計算機，因此，其工作原理是建立在計算機控制系統(tǒng)工作原理的基礎上。但為了可靠地應用在工業(yè)環(huán)境下，便于現(xiàn)場電氣技術人員的使用和維護，它有著大量的接口器件，特定的監(jiān)控軟件，專用的編程器件。所以，不但其外觀不像計算機，它的操作使用方法、編程語言及工作過程與計算機控制系統(tǒng)也是有區(qū)別的。2.2PLC的基本工作原理1.PLC控制系統(tǒng)的等效工作電路PLC控制系統(tǒng)的等效工作電路可分為3部分，即輸入部分、內(nèi)部控制電路和輸出部分。輸入部分就是采集輸入信號，輸出部分就是系統(tǒng)的執(zhí)行器件。這兩部分與繼電器控制電路相同。內(nèi)部控制電路是通過編程方法實現(xiàn)的控制邏輯，用軟件編程代替繼電器電路的功能。圖2-14PLC的等效工作電路小型PLC的工作過程有兩個顯著特點:周期性順序掃描和集中批處理。PLC上電后，就在系統(tǒng)程序的監(jiān)控下，周而復始地按固定順序對系統(tǒng)內(nèi)部的各種任務進行查詢、判斷和執(zhí)行，這個過程實質上是一個不斷循環(huán)的順序掃描過程。PLC的工作過程（周期性掃描過程）分為4個掃描階段。2.可編程序控制器的工作過程圖2-15小型PLC的工作過程流程圖1）公共處理掃描階段公共處理包括PLC自檢、執(zhí)行來自外設命令、對警戒時鐘又稱監(jiān)視定時器或看門狗定時器WDT（WatchDogTimer）清零等。2）輸入采用掃描階段這是第一個集中批處理過程。在當前的掃描周期內(nèi)，用戶程序依據(jù)的輸入信號的狀態(tài)（ON或OFF），均從輸入映像寄存器中去讀取，而不管此時外部輸入信號的狀態(tài)是否變化。即使此時外部輸入信號的狀態(tài)發(fā)生了變化，也只能在下一個掃描周期的輸入采樣階段去讀取。3）執(zhí)行用戶程序掃描階段這是第二個集中批處理過程。在執(zhí)行過程中，CPU對用戶程序進行掃描，如果程序用梯形圖表示，則總是按先上后下，從左至右的順序進行掃描。在執(zhí)行用戶程序中，每一次運算的中間結果都立即寫入元件映像寄存器，這樣該元素的狀態(tài)馬上就可以被后面將要掃描到的指令所利用。在這個階段，除了輸入映像寄存器外，各個元件映像寄存器的內(nèi)容是隨著程序的執(zhí)行而不斷地變化。4）輸出刷新掃描階段這是第三個集中批處理過程。結束后，CPU進入下一個掃描周期。小型PLC的三個批處理過程PLC對輸入/輸出的處理規(guī)則4.PLC的掃描周期及滯后響應PLC的掃描周期與PLC的時鐘頻率、用戶程序的長短及系統(tǒng)配置有關。一般PLC的掃描時間為幾十毫秒，在輸入采樣和輸出刷新階段只需1～2ms。做公共處理也是在瞬間完成的，所以掃描時間的長短主要由用戶程序決定。1）輸入濾波器的時間常數(shù)（輸入延遲）因為PLC的輸入濾波器是以一個積分環(huán)節(jié)，因此，輸入濾波器的輸出電壓相對現(xiàn)場實際輸入元件的變化信號，有一個時間延遲。2）輸出繼電器的機械滯后（輸出延遲）由于繼電器固有的動作時間，導致繼電器的實際動作相對線圈的輸入電壓的滯后效應。3）PLC的循環(huán)掃描工作方式4）PLC對輸入采樣、輸出刷新的集中批處理方式為加快響應，目前有的PLC的工作方式采取直接控制方式，這種工作方式的特點是：遇到輸入便立即讀取進行處理，遇到輸出則把結果予以輸出。還有的PLC采取混合工作方式，輸入采樣階段，進行集中讀取，而在執(zhí)行程序時，遇到輸出便直接輸出。5）用戶程序中語句順序安排不當圖2-19語句順序安排不當導致響應滯后的示例5.響應時間圖2-20最短響應時間圖2-21PLC的最長響應時間請問如