PLC的結(jié)構(gòu)和工作原理課件

plc的結(jié)構(gòu)和工作原理2.1PLC的組成與基本結(jié)構(gòu)PLC是一種工業(yè)控制用的專用電腦，它比一般的通用電腦具有更強(qiáng)的與工業(yè)過程相連的介面和更直接的適應(yīng)控制要求的編程語言。1.基本結(jié)構(gòu)

2.CPUCPU是PLC的核心，它按照系統(tǒng)程式所賦予的功能完成的主要任務(wù)是：1）接受與存儲用戶由編程器鍵入的用戶程式和數(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，並輸入到輸入映像寄存器和數(shù)據(jù)記憶體中。4）在進(jìn)入運(yùn)行方式後，從記憶體中逐條讀取並執(zhí)行用戶程式，完成用戶程式所規(guī)定的邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理等操作。5）根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)誌位的狀態(tài)，刷新輸出映像寄存器的內(nèi)容，再經(jīng)輸出部件實(shí)現(xiàn)輸出控制、列印製錶或數(shù)據(jù)通信等功能。3.記憶體可編程控制器記憶體中配有兩種存儲系統(tǒng)，即用於存放系統(tǒng)程式的系統(tǒng)程式記憶體和存放用戶程式的用戶程式記憶體。系統(tǒng)程式記憶體主要用來存儲可編程控制器內(nèi)部的各種資訊。一般系統(tǒng)程式是由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(guān)系統(tǒng)管理、解釋指令、標(biāo)準(zhǔn)程式及系統(tǒng)調(diào)用等程式組成。系統(tǒng)程式記憶體一般用PROM和EPROM構(gòu)成。由用戶編寫的程式稱為用戶程式。用戶程式存放在用戶程式記憶體（容量不大）中，主要包括可編程控制器內(nèi)部的輸入輸出資訊，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(jì)數(shù)器的動作狀態(tài)。用戶程式記憶體一般分為兩個區(qū)，程式存儲區(qū)和數(shù)據(jù)存儲區(qū)。程式存儲區(qū)用來存儲由用戶編寫的、通過編程器輸入的程式。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(zhǔn)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(guān)數(shù)據(jù)。常用的記憶體CMOS-SRAM可讀寫記憶體：以CMOS技術(shù)製造的靜態(tài)可讀寫記憶體，讀寫時間小於200ns，幾乎不消耗電流。停電後可保存數(shù)據(jù)3～5年不變。EPROM只讀記憶體：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記憶體：既可以按位元組進(jìn)行擦除和全新編程，也可以進(jìn)行整片擦除，且不需要專門的寫入設(shè)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(hù)電源。數(shù)字量輸入部件及介面來自現(xiàn)場的主令元件、檢測元件的信號經(jīng)輸入介面進(jìn)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(jī)、關(guān)機(jī)、轉(zhuǎn)換、調(diào)整、急停等信號)。檢測元件的信號是指用檢測元件(如各種感測器、繼電器的接點(diǎn)，限位開關(guān)、行程開關(guān)等元件的觸點(diǎn))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(jìn)行檢測時產(chǎn)生的信號。這些信號有的是開關(guān)(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介面。4.數(shù)字量輸入單元數(shù)字量輸入範(fàn)本的外部接線方式匯點(diǎn)式輸入接線方式隔離式輸入接線方式

圖2.2直流開關(guān)量輸入單元圖2.3交流開關(guān)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(zhuǎn)換成現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各種開關(guān)信號。按照現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用的電源類型的不同，開關(guān)量輸出單元可分為:電晶體輸出方式用於直流輸出負(fù)載雙相晶閘管輸出方式用於交流輸出負(fù)載繼電器觸點(diǎn)輸出方式即可用於直流、又可交流數(shù)字量輸出範(fàn)本的接線方式

匯點(diǎn)式輸出

隔離式輸出

直流數(shù)字量輸出電路可分為解碼、控制邏輯、輸出鎖存、光電隔離和輸出驅(qū)動5個部分。輸出和輸入模版的最大不同之處在於輸出驅(qū)動電路，它也是輸出模版的主要部分。輸出驅(qū)動電路的核心元件是作開關(guān)作用的功率管VT，其主要作用是作電流放大和電平轉(zhuǎn)換。每個輸出點(diǎn)的最大帶負(fù)載能力約為0.75A，回應(yīng)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(qū)動電路不同。雙向晶閘管輸出型，每點(diǎn)最大帶負(fù)載能力約為0.5～1A，每4點(diǎn)輸出總電流不得大於1.6～4A。圖2-10交流數(shù)字量輸出介面範(fàn)本的輸出驅(qū)動電路

特別應(yīng)指出的是，由於繼電器模式具有實(shí)際中斷點(diǎn)，可以從物理上切斷所控制的回路，同時這種模式既適合於直流情況又適合於交流情況，因此這種模式在開關(guān)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(yīng)用很廣，如常用的溫度、壓力、速度、流量、酸鹼度、位移的各種工業(yè)檢測都是對應(yīng)於電壓、電流的模擬量值，再通過一定運(yùn)算(PID)後，控制生產(chǎn)過程達(dá)到一定的目的。模擬量輸入電平大多是從感測器通過變換後得到的，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(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器、光耦合器隔離等部分組成。圖2-12模擬量輸入範(fàn)本的結(jié)構(gòu)圖7.模擬量輸出單元作用是把PLC運(yùn)算處理後的若干位數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量信號然後輸出，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(zhuǎn)換器和信號轉(zhuǎn)換等部分組成。模擬量輸出模組是將中央處理器的二進(jìn)位數(shù)字信號轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)。因此模擬量輸出模組又叫D/A轉(zhuǎn)換輸出模組。圖2-13模擬量輸出範(fàn)本的結(jié)構(gòu)框圖智能I/O介面：用戶可根據(jù)控制系統(tǒng)的特殊要求，選擇相應(yīng)的智能I/O介面，這些I/O介面板上一般都有獨(dú)立的微處理器和控制軟體，可以獨(dú)立地工作，以便減少CPU模版的壓力。擴(kuò)展介面：現(xiàn)在有兩個含義，一個是單純的I/O擴(kuò)展介面，另一個是CPU模版的擴(kuò)充。通信介面：是專用於數(shù)據(jù)通信的一種智能模版，有串行介面和並行介面兩種。8.介面9.編程器用於用戶程式的輸入、編輯、調(diào)試和監(jiān)視，還可以通過其鍵盤去調(diào)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)光二極體陣列或液晶顯示器（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式。智能編程器又稱圖形編程器，一般由微處理器、鍵盤、顯示器及匯流排介面組成，它可以直接生成和編輯梯形圖程式。由PLC生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的專用編程器使用範(fàn)圍有限，價格也一般較高。在個人電腦不斷更新?lián)Q代的今天，出現(xiàn)了使用以個人電腦為基礎(chǔ)的編程系統(tǒng)，這樣可以用較少的投資獲取高性能的PLC程式開發(fā)系統(tǒng)。個人電腦的PLC程式開發(fā)系統(tǒng)的軟體一般包括編程軟體、檔編制軟體、數(shù)據(jù)採集和分析軟體、即時操作員介面軟體和仿真軟體。10.電源和匯流排PLC的外部工作電源一般為單相85～260V50/60HzAC電源，也有採用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。匯流排：是溝通PLC中各個功能模組的資訊通道，它的含義並不單是各個範(fàn)本插腳之間的連線，還包括驅(qū)動匯流排的驅(qū)動器及其保證匯流排正常工作的控制邏輯電路。11.PLC的外部設(shè)備1）人-機(jī)介面裝置：用於實(shí)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：作為程式備份或改變生產(chǎn)工藝流程時調(diào)用。在可以離線開發(fā)用戶的編程器中，外存特別有用。3）印表機(jī)4）EPROM寫入器：提供了一個非易失性的用戶程式的保存方法?？删幊炭刂破魇且环N專用的工業(yè)控制電腦，因此，其工作原理是建立在電腦控制系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上。但為了可靠地應(yīng)用在工業(yè)環(huán)境下，便於現(xiàn)場電氣技術(shù)人員的使用和維護(hù)，它有著大量的介面器件，特定的監(jiān)控軟體，專用的編程器件。所以，不但其外觀不像電腦，它的操作使用方法、編程語言及工作過程與電腦控制系統(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。輸入部分就是採集輸入信號，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(shí)現(xiàn)的控制邏輯，用軟體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(diǎn):週期性順序掃描和集中批處理。PLC上電後，就在系統(tǒng)程式的監(jiān)控下，周而復(fù)始地按固定順序?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)部的各種任務(wù)進(jìn)行查詢、判斷和執(zhí)行，這個過程實(shí)質(zhì)上是一個不斷迴圈的順序掃描過程。PLC的工作過程（週期性掃描過程）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(shè)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）輸入採用掃描階段這是第一個集中批處理過程。在當(dāng)前的掃描週期內(nèi)，用戶程式依據(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週期的輸入採樣階段去讀取。3）執(zhí)行用戶程式掃描階段這是第二個集中批處理過程。在執(zhí)行過程中，CPU對用戶程式進(jìn)行掃描，如果程式用梯形圖表示，則總是按先上後下，從左至右的順序進(jìn)行掃描。在執(zhí)行用戶程式中，每一次運(yùn)算的中間結(jié)果都立即寫入元件映像寄存器，這樣該元素的狀態(tài)馬上就可以被後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)容是隨著程式的執(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(jié)束後，CPU進(jìn)入下一個掃描週期。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的掃描週期及滯後回應(yīng)PLC的掃描週期與PLC的時鐘頻率、用戶程式的長短及系統(tǒng)配置有關(guān)。一般PLC的掃描時間為幾十毫秒，在輸入採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式?jīng)Q定。1）輸入濾波器的時間常數(shù)（輸入延遲）因?yàn)镻LC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(shí)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(jī)械滯後（輸出延遲）由於繼電器固有的動作時間，導(dǎo)致繼電器的實(shí)際動作相對線圈的輸入電壓的滯後效應(yīng)。3）PLC的迴圈掃描工作方式4）PLC對輸入採樣、輸出刷新的集中批處理方式為加快回應(yīng)，目前有的PLC的工作方式採取直接控制方式，這種工作方式的特點(diǎn)是：遇到輸入便立即讀取進(jìn)行處理，遇到輸出則把結(jié)果予以輸出。還有的PLC採取混合工作方式，輸入採樣階段，進(jìn)行集中讀取，而在執(zhí)行程式時，遇到輸出便直接輸出。5）用戶程式中語句順序安排不當(dāng)圖2-19語句順序安排不當(dāng)導(dǎo)致回應(yīng)滯後的示例5.回應(yīng)時間圖2-20最短回應(yīng)時間圖2-21PLC的最長回應(yīng)時間請問如下