第3章可編程控制器的組成及工作原理

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(yǔ)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(guò)并行聯(lián)結(jié)構(gòu)成任意字長(zhǎng)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(guò)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(lái)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(kāi)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)懗蒭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(zhǎng)?？梢杂秒姴脸褜懭氲膬?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(lái)接收和采集輸入信號(hào)輸入模塊作用：用來(lái)接收和采

5、集輸入信號(hào) 。輸入信號(hào)有兩類：一類是開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)，如按鈕開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)、數(shù)字撥碼開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)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(cè)速電機(jī)、各種變送器送來(lái)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(guò)的數(shù)字信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行部件能接收的信號(hào)，用來(lái)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(kāi)關(guān)量i/o模塊的外部接線方式 開(kāi)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(kāi)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(chǎng)提供外部現(xiàn)場(chǎng)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(wú)觸點(diǎn)輸出，響應(yīng)速度快。只能帶交流負(fù)載。特點(diǎn)：無(wú)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(wú)觸點(diǎn)輸出，相應(yīng)速度快，只能帶直流負(fù)載特點(diǎn)：無(wú)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；v（3）pid過(guò)程控制模塊；v（4）運(yùn)動(dòng)控制模塊 ：常用于數(shù)控技術(shù)方面 ；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) ；v（6）通信模塊 。19四、電源單元 plc的供電電源是一般的市電，允許電源電壓在額定值的+1

8、0%-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。 20五外部設(shè)備接口 v是可編程控制器主機(jī)實(shí)現(xiàn)人-機(jī)對(duì)話、機(jī)-機(jī)對(duì)話的通道 21六輸入輸出擴(kuò)展單元 v 當(dāng)用戶所需的輸入輸出點(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)，可以通過(guò)加接輸入輸出擴(kuò)展單元來(lái)解決。 簡(jiǎn)單型和智能型 簡(jiǎn)單型不帶中央處理單元，智能型帶中央處理單元22七、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)展單元。2

9、3plc軟件系統(tǒng)： 1.系統(tǒng)軟件：實(shí)現(xiàn)程序的管理、編譯、調(diào)試； 2.用戶程序：用戶根據(jù)需要編制的控制程序。243-2 可編程控制器的工作原理25一、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 26 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”來(lái)代替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(lái)驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。27plc工作過(guò)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（ru

10、n）和停止（stop）。在stop狀態(tài)，只執(zhí)行1、2；在run狀態(tài)，1、2、3、4、5，五個(gè)過(guò)程。28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。294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

11、器y的狀態(tài)輸出到輸出鎖存器中；（2）通過(guò)隔離電路、驅(qū)動(dòng)功率放大電路，輸出控制信號(hào) 。30工作原理3132plc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)。33（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

12、描工作方式的缺點(diǎn)：響應(yīng)滯后，降低了系統(tǒng)速度。34lpc采用掃描工作方式，輸入/輸出信號(hào)存在著原理上的滯后；電氣控制：k1、k2同步；plc控制y1、y2 不同步 3536v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376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） 38舉例例：三菱公司fx240mr，配置開(kāi)關(guān)量輸入24點(diǎn)，開(kāi)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

13、戶程序的執(zhí)行速度為074s/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?39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十0.96ms1.85ms40v當(dāng)plc投入運(yùn)行后，cpu將最大掃描周期、最小掃描周期最大掃描周期、最小掃描周期和當(dāng)前掃描周期和當(dāng)前掃描周期的值分別存入d8012、d8011、d80

14、l0三個(gè)特殊數(shù)據(jù)寄存器中(計(jì)時(shí)單位：1ms)，在fx2系列plc中.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(guò)計(jì)算或?qū)嶋H測(cè)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。 413-3 可編程控制器的編程語(yǔ)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；

15、(2) 執(zhí)行1步所需要的時(shí)間，單位：微秒/步。 423-3 可編程控制器的編程語(yǔ)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。1步=4byte 43（一）梯形圖編程語(yǔ)言（lad）梯形圖 二、 可編程控制器的編程語(yǔ)言44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(guò)；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；

16、電氣控制圖無(wú)此要求。v梯形圖中的每個(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。45（二）、指令語(yǔ)句表編程語(yǔ)言（stl）v指令表程序格式為： 操作碼（助記符）、操作數(shù)、注釋組成。v操作碼：表示要執(zhí)行的功能，告訴plc要進(jìn)行的操作，如邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算（加、減、乘、除）等v操作數(shù)：標(biāo)識(shí)符表示操作數(shù)的類別，由標(biāo)識(shí)符和參數(shù)組成。例如輸入繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等；參數(shù)表明操作數(shù)的地址或設(shè)定值。46例：起?？刂苐d x1 輸入x1常開(kāi)接點(diǎn);or y1 并聯(lián)y1的自保接點(diǎn)；ani x2 串聯(lián)x2常閉接點(diǎn)；out y1 輸出y1。 47（三）、功能圖編程語(yǔ)言（csf）編程人員不一定對(duì)pl