PLC第5章可編程序控制器原理

1、第5章 可編程序控制器原理 第5章 可編程序控制器原理 5.1 可編程序控制器簡(jiǎn)介可編程序控制器簡(jiǎn)介5.2 可編程序控制器的特點(diǎn)可編程序控制器的特點(diǎn)5.3 可編程序控制器的發(fā)展趨勢(shì)可編程序控制器的發(fā)展趨勢(shì)5.4 可編程序控制器的基本組成可編程序控制器的基本組成5.5 可編程序控制器的工作原理可編程序控制器的工作原理 第5章 可編程序控制器原理 5.1 可編程序控制器簡(jiǎn)介可編程序控制器簡(jiǎn)介 可編程序控制器(又稱可編程控制器)是以自動(dòng)控制技術(shù)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的新一代工業(yè)控制裝置，目前已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。由于早期的可編程序控制器只能進(jìn)行計(jì)數(shù)、定時(shí)以及對(duì)開(kāi)關(guān)量的邏輯控制，因此

2、，它被稱為可編程序邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡(jiǎn)稱PLC。后來(lái)，可編程序控制器采用微處理器作為其控制核心，它的功能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出邏輯控制的范疇，于是人們又將其稱為 Programmable Controller，簡(jiǎn)稱 PC。但個(gè)人計(jì)算機(jī)(Personal Computer)也常簡(jiǎn)稱PC，所以為了避免混淆，可編程序控制器仍被稱為PLC。 第5章 可編程序控制器原理 1987年，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)在可編程序控制器國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案第三稿中，對(duì)可編程序控制器定義如下：可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)

3、器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出控制各種機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 第5章 可編程序控制器原理 PLC是生產(chǎn)力發(fā)展的必然產(chǎn)物。20世紀(jì)60年代初，美國(guó)的汽車(chē)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期越來(lái)越短，其生產(chǎn)線必須隨之頻繁地變更。傳統(tǒng)的繼電器控制對(duì)頻繁變動(dòng)的生產(chǎn)線很不適應(yīng)，因此人們對(duì)控制裝置提出了更高的要求，即經(jīng)濟(jì)、可靠、通用、易變、易修。 自從1969年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制出了世界上第一臺(tái)PLC，并在美國(guó)GM公司的汽車(chē)自動(dòng)裝

4、配生產(chǎn)線上獲得試用成功以來(lái)，由于PLC優(yōu)越的性能，其技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。1971年，日本引進(jìn)了這項(xiàng)技術(shù)并開(kāi)始生產(chǎn)PLC。1973年，原西德和法國(guó)也研制出自己的PLC。隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，到20世紀(jì)80年代中期，PLC的處理速度和可靠性大大提高，不僅增加了多種特殊功能，而且體積進(jìn)一步縮小，成本大幅度下降。到20世紀(jì)90年代中期之后，PLC幾乎完全計(jì)算機(jī)化，其速度更快，功能更強(qiáng)，PLC的各種智能化模塊不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)。為了推動(dòng)PLC的應(yīng)用，一些廠家還推出了PLC的計(jì)算機(jī)輔助編程軟件。 第5章 可編程序控制器原理 現(xiàn)在，PLC不僅能進(jìn)行邏輯控制，還在模擬量的閉環(huán)控制、數(shù)字量的智能控制、數(shù)據(jù)采集

5、、監(jiān)控、通信聯(lián)網(wǎng)及集散控制等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。如今大中型，甚至小型PLC都配有A/D、D/A轉(zhuǎn)換及算術(shù)運(yùn)算功能，有的還具有PID功能。這些功能使PLC的應(yīng)用具有了硬件基礎(chǔ)。另外，PLC還具有較強(qiáng)的通信功能，可與計(jì)算機(jī)或其他智能裝置進(jìn)行通信和聯(lián)網(wǎng)，從而方便地實(shí)現(xiàn)集散控制。 第5章 可編程序控制器原理 目前，世界上一些著名電器生產(chǎn)廠家?guī)缀醵荚谏a(chǎn)PLC，產(chǎn)品功能日趨完善，換代周期越來(lái)越短。為了進(jìn)一步擴(kuò)大PLC在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，適應(yīng)大、中、小型企業(yè)的不同需要，PLC產(chǎn)品大致向兩個(gè)方向發(fā)展：小型PLC向體積縮小，功能增強(qiáng)，速度加快，價(jià)格低廉的方向發(fā)展，使之能更加廣泛地取代繼電器控制，更

6、便于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化；大、中型PLC向高可靠性、高速度、多功能、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，將PLC系統(tǒng)的控制功能和信息管理功能融為一體，使之能對(duì)大規(guī)模、復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行綜合性的自動(dòng)控制。 第5章 可編程序控制器原理 我國(guó)從20世紀(jì)70年代中期開(kāi)始研制和開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)PLC，許多企業(yè)在PLC的應(yīng)用方面進(jìn)行了積極的探索，取得了成功的經(jīng)驗(yàn)和良好的效益。隨著PLC產(chǎn)品性能價(jià)格比的不斷提高，中小企業(yè)普及應(yīng)用PLC的投資已經(jīng)完全可以承受。可以預(yù)見(jiàn)，PLC技術(shù)的推廣應(yīng)用會(huì)使我國(guó)的工業(yè)自動(dòng)化水平產(chǎn)生極大的飛躍。 第5章 可編程序控制器原理 5.2 可編程序控制器的特點(diǎn)可編程序控制器的特點(diǎn) 1靈活性和通用性強(qiáng)靈活性和通用性強(qiáng) 2抗

7、干擾能力強(qiáng)、可靠性高抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高 1) 硬件方面的抗干擾措施硬件方面的抗干擾措施 對(duì)電源變壓器、CPU、編程器等主要部件，均采用嚴(yán)格措施進(jìn)行屏蔽，以防外界干擾。 對(duì)供電系統(tǒng)及輸入電路采用多種形式的濾波，以消除或抑制高頻干擾，也削弱了各部分之間的相互影響。 第5章 可編程序控制器原理 對(duì)PLC內(nèi)部所需的+5 V電源采用多級(jí)濾波，并用集成電壓調(diào)整器進(jìn)行調(diào)整，以消除由于交流電網(wǎng)的波動(dòng)引起的過(guò)電壓、欠電壓的影響。 采用光電隔離措施，有效地隔離了內(nèi)部與外部電路間的直接電聯(lián)系，以減少故障和誤動(dòng)作。 采用模塊式結(jié)構(gòu)的PLC，一旦某一模塊有故障，可以迅速更換模塊，從而盡可能縮短系統(tǒng)的故障停機(jī)時(shí)間。

8、第5章 可編程序控制器原理 2) 軟件方面的抗干擾措施軟件方面的抗干擾措施 PLC通過(guò)監(jiān)控程序定時(shí)地對(duì)電源及強(qiáng)干擾信號(hào)等進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)，立即轉(zhuǎn)入故障處理程序，保存當(dāng)前狀態(tài)，禁止對(duì)程序的任何操作，以防存儲(chǔ)信息被破壞。待故障排除后，立即恢復(fù)到故障前的狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行程序。 PLC設(shè)置了監(jiān)視定時(shí)器，如果程序每次循環(huán)的執(zhí)行時(shí)間超過(guò)了規(guī)定值，表明程序已進(jìn)入死循環(huán)，則立即報(bào)警。 加強(qiáng)對(duì)程序的檢查和校驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤立即報(bào)警，并停止程序的執(zhí)行。 利用后備電池對(duì)用戶程序及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，確保停電時(shí)信息不丟失。 由于采取了以上措施，PLC的抗干擾能力和可靠性得到了提高。 第5章 可編程序控制器原理 3編程

9、語(yǔ)言簡(jiǎn)單易學(xué)編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單易學(xué) 4PLC與外部設(shè)備的連接簡(jiǎn)單，使用方便與外部設(shè)備的連接簡(jiǎn)單，使用方便 5PLC具有完善的功能和較強(qiáng)的擴(kuò)展能力具有完善的功能和較強(qiáng)的擴(kuò)展能力 第5章 可編程序控制器原理 5.3 可編程序控制器的發(fā)展趨勢(shì)可編程序控制器的發(fā)展趨勢(shì) 目前，PLC技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展非?；钴S，各廠家不同類(lèi)型的PLC品種繁多，各具特色。綜合起來(lái)看，PLC的發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)方面。 1) 系統(tǒng)功能完善化系統(tǒng)功能完善化 2) 體系結(jié)構(gòu)開(kāi)放化及通信功能標(biāo)準(zhǔn)化體系結(jié)構(gòu)開(kāi)放化及通信功能標(biāo)準(zhǔn)化 3) I/O模塊智能化及安裝現(xiàn)場(chǎng)化模塊智能化及安裝現(xiàn)場(chǎng)化 4) 功能模塊專(zhuān)用化功能模塊專(zhuān)用化 5) 編程組態(tài)軟件圖

10、形化編程組態(tài)軟件圖形化 6) 硬件結(jié)構(gòu)集成化、冗余化硬件結(jié)構(gòu)集成化、冗余化 7) 控制與管理功能一體化控制與管理功能一體化 第5章 可編程序控制器原理 5.4 可編程序控制器的基本組成可編程序控制器的基本組成 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器用戶程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器I/O擴(kuò)展口外設(shè)接口輸入單元輸出單元用戶輸出設(shè)備中央處理單元（CPU）電源用戶輸入設(shè)備I/O擴(kuò)展單元特殊功能單元主機(jī)編程器盒式磁帶機(jī)打印機(jī)EPROM寫(xiě)入器上位計(jì)算機(jī)PLC可編程終端PT圖5-1 整體式PLC組成示意圖 第5章 可編程序控制器原理 組合式PLC組成如圖5-2所示。這種結(jié)構(gòu)的PLC是將CPU單元、輸入單元、輸出單元、智能I/O單元、通信單元等

11、分別做成相應(yīng)的電路板或模塊，各模塊可以插在底板上，模塊之間通過(guò)底板上的總線相互聯(lián)系。裝有CPU的單元稱為CPU模塊，其他稱為擴(kuò)展模塊。CPU與各擴(kuò)展模塊之間若通過(guò)電纜連接，距離一般不超過(guò)10 m。中、大型機(jī)常采用組合式PLC。 第5章 可編程序控制器原理 PLC或上位計(jì)算機(jī)通信單元智能I/O單元輸出單元輸入單元CPU單元編程器控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程系 統(tǒng) 總 線圖5-2 組合式PLC組成示意圖 第5章 可編程序控制器原理 5.4.1 中央處理單元中央處理單元(CPU) 中央處理單元是PLC的主要組成部分，是系統(tǒng)的控制中樞。它的主要功能是接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O

12、以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并診斷用戶程序的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先以掃描方式接收現(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映像區(qū)；然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條取指令，按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算術(shù)運(yùn)算任務(wù)，并將運(yùn)算結(jié)果存入I/O映像區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等到所有用戶程序掃描執(zhí)行完畢后，才將I/O映像區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置。如此循環(huán)運(yùn)行，直至停止運(yùn)行為止。 第5章 可編程序控制器原理 PLC和一般微處理機(jī)不同，它常以字(16位)為單位而不是以字節(jié)(8位)為單位存儲(chǔ)與處理信息。 不同廠家、不同產(chǎn)品的CPU也不一樣，但CPU在系統(tǒng)中的作用是一致的。只不過(guò)在CPU本身的集

13、成度、運(yùn)算速度和位數(shù)等方面略有差異。一般的中型PLC多為雙CPU系統(tǒng)，其中一個(gè)為主處理器，主要處理字節(jié)操作指令，控制系統(tǒng)總線、內(nèi)部計(jì)數(shù)器、內(nèi)部定時(shí)器，監(jiān)視掃描時(shí)間，統(tǒng)一管理編程接口，同時(shí)協(xié)調(diào)位處理器及輸入/輸出。如OMRON公司的 C200H用的是美國(guó)Motorola公司的MC681309CP。也有一些PLC采用單片機(jī)，如8051、8031等；另一個(gè)CPU則作為從處理器，專(zhuān)門(mén)用來(lái)處理位操作指令和在機(jī)器操作系統(tǒng)的管理下實(shí)現(xiàn)PLC編程語(yǔ)言向機(jī)器語(yǔ)言的轉(zhuǎn)換，它是加快PLC工作處理速度的關(guān)鍵。一般情況下，這樣的 CPU都是各公司自己開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用CPU。因此，實(shí)際上PLC是一個(gè)雙CPU的微機(jī)(或單片機(jī))系

14、統(tǒng)，它的可靠性也比較高。 第5章 可編程序控制器原理 5.4.2 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 PLC的存儲(chǔ)器可以分為以下3種。 1系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器 系統(tǒng)程序是廠家根據(jù)其選用的CPU的指令系統(tǒng)編寫(xiě)的，它決定了PLC的功能。系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器是只讀存儲(chǔ)器，用戶不能更改其內(nèi)容。 第5章 可編程序控制器原理 2用戶程序存儲(chǔ)器用戶程序存儲(chǔ)器 根據(jù)控制要求而編制的應(yīng)用程序稱為用戶程序。不同機(jī)型的PLC的用戶程序存儲(chǔ)器的容量可能差異較大。根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程或工藝的要求，用戶程序經(jīng)常需要改動(dòng)，所以用戶程序存儲(chǔ)器必須可讀寫(xiě)。一般要用后備電池(鋰電池)進(jìn)行掉電保護(hù)，以防掉電時(shí)丟失程序。目前較先進(jìn)的PLC(如CPM1A等)采用

15、可隨時(shí)讀/寫(xiě)的快閃存儲(chǔ)器作為用戶程序存儲(chǔ)器?？扉W存儲(chǔ)器不需要后備電池，掉電時(shí)數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。 第5章 可編程序控制器原理 3工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 用來(lái)存儲(chǔ)工作數(shù)據(jù)的區(qū)域叫工作數(shù)據(jù)區(qū)。工作數(shù)據(jù)是經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的，所以這種存儲(chǔ)器必須可讀/寫(xiě)。 在工作數(shù)據(jù)區(qū)中開(kāi)辟有元件映像寄存器和數(shù)據(jù)表。其中，元件映像寄存器用來(lái)存儲(chǔ)開(kāi)關(guān)量的輸入/輸出狀態(tài)以及定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、輔助繼電器等內(nèi)部器件的ON/OFF狀態(tài)。數(shù)據(jù)表用來(lái)存放各種數(shù)據(jù)，它存儲(chǔ)用戶程序執(zhí)行時(shí)的某些可變參數(shù)值及A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量和數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果等。在PLC斷電時(shí)能保持?jǐn)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)器區(qū)稱數(shù)據(jù)保持區(qū)。 第5章 可編程序控制器原理 5.4.3

16、輸入輸入/輸出接口輸出接口 1開(kāi)關(guān)量輸入開(kāi)關(guān)量輸入 按照輸入端電源類(lèi)型的不同，開(kāi)關(guān)量輸入可分為直流輸入和交流輸入。 直流輸入的電路如圖5-3所示，外接的直流電源極性可任意，虛線框內(nèi)是PLC內(nèi)部輸入電路，虛線框外為外部用戶接線。 第5章 可編程序控制器原理 濾波內(nèi)部電路SR1CR2LEDCOMT5VAR3圖5-3 直流輸入電路 第5章 可編程序控制器原理 圖5-3中，T為一光電耦合器，發(fā)光二極管與光電三極管封裝在一個(gè)管殼中。當(dāng)二極管中有電流時(shí)其發(fā)光，此時(shí)光電三極管導(dǎo)通。R1為限流電阻，R2和C構(gòu)成濾波電路，可濾除輸入信號(hào)中的高頻干擾。LED顯示該輸入點(diǎn)的狀態(tài)。 由于電路中采用了光電耦合器，故在電

17、性能上是完全隔離開(kāi)的，同時(shí)，由于發(fā)光二極管的正向阻抗約為1001 k，因此輸入阻抗較低。而外界干擾源的內(nèi)阻一般都比較大，故干擾源送到輸入端的干擾噪聲很小。并且由于干擾源內(nèi)阻大，盡管能產(chǎn)生較高的干擾電壓，但能量卻很小，因此只能產(chǎn)生很弱的電流。而發(fā)光二極管只有通過(guò)一定的電流才能發(fā)光，這就抑制了干擾信號(hào)?？梢?jiàn)在輸入端采用了光電耦合器件后，提高了PLC的抗干擾能力。 第5章 可編程序控制器原理 有的PLC內(nèi)部提供24 V的直流電源，這時(shí)直流輸入單元無(wú)需外接電源，用戶只需將開(kāi)關(guān)接在輸入端子和公共端子之間即可，這就是所謂無(wú)源式直流輸入單元。無(wú)源式直流輸入單元簡(jiǎn)化了輸入端的接線，方便了用戶。 PLC的輸入電

18、路有共點(diǎn)式、分組式和隔離式之別。輸入單元只有一個(gè)公共端子(COM)的稱為共點(diǎn)式，外部各輸入元件都有一個(gè)端子與COM相接；分組式是將輸入端子分為若干組，每組各共用一個(gè)公共端子；隔離式輸入電路是具有公共端子的各組輸入點(diǎn)之間互相隔離，可各自使用的獨(dú)立電源。 第5章 可編程序控制器原理 2開(kāi)關(guān)量輸出開(kāi)關(guān)量輸出 按輸出電路所用開(kāi)關(guān)器件的不同，PLC的開(kāi)關(guān)量輸出可分為晶體管輸出、雙向晶閘管輸出和繼電器輸出，如圖5-4所示。 (1) 在晶體管輸出電路中，負(fù)載電源只能是直流，由用戶提供。輸出電路負(fù)載能力小(工作電流僅0.30.5 A)，為無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。晶體管輸出接口使用壽命長(zhǎng)，響應(yīng)速度快，其延遲一般為0.51

19、ms。 第5章 可編程序控制器原理 (2) 在雙向晶閘管輸出電路中，輸出電路采用的開(kāi)關(guān)器件是光控雙向晶閘管，負(fù)載電源由用戶提供，它使PLC的負(fù)載可以根據(jù)需要選用直流或交流電源。輸出電路負(fù)載能力較大(工作電流約1 A左右)，響應(yīng)速度較快，一般導(dǎo)通延遲為12 ms，關(guān)斷延遲為810 ms。 (3) 繼電器輸出電路中，負(fù)載電源由用戶提供，可以是交流也可以是直流，視負(fù)載情況而定。輸出電路抗干擾能力強(qiáng)，負(fù)載能力大(工作電流可達(dá)25 A)，但信號(hào)響應(yīng)速度較慢，其延遲一般為810 ms。 第5章 可編程序控制器原理 由于繼電器觸點(diǎn)電氣壽命一般僅為1030萬(wàn)次，因此在需要輸出點(diǎn)頻繁通斷的場(chǎng)合(如高頻脈沖輸出)

20、，應(yīng)選用晶體管或晶閘管輸出型的PLC。另外，繼電器從線圈通電到觸點(diǎn)動(dòng)作存在延遲時(shí)間，是造成輸出滯后于輸入的原因之一。 PLC輸出電路也有共點(diǎn)式、分組式和隔離式之分。輸出只有一個(gè)公共端子的稱為共點(diǎn)式；分組式是將輸出端子分為若干組，每組共用一個(gè)公共端子；隔離式是具有公共端子的各組輸出點(diǎn)之間互相隔離，可各自使用獨(dú)立的電源。 第5章 可編程序控制器原理 內(nèi)部電路負(fù)載T15 VR2LEDR1R3T2VFUCOM(a)圖5-4 開(kāi)關(guān)量輸出(a) 晶體管輸出；(b) 雙向晶閘管輸出；(c) 繼電器輸出 第5章 可編程序控制器原理 內(nèi)部電路負(fù)載TLEDR1R2CFUCOM(b)圖5-4 開(kāi)關(guān)量輸出(a) 晶體

21、管輸出；(b) 雙向晶閘管輸出；(c) 繼電器輸出 第5章 可編程序控制器原理 內(nèi)部電路負(fù)載JCOMRLED(c)圖5-4 開(kāi)關(guān)量輸出(a) 晶體管輸出；(b) 雙向晶閘管輸出；(c) 繼電器輸出 第5章 可編程序控制器原理 5.4.4 電源部件電源部件 電源部件將交流電源轉(zhuǎn)換成PLC的中央處理器、存儲(chǔ)器等電路工作所需要的直流電源，使PLC能正常工作。PLC內(nèi)部使用的電源是整機(jī)的供電中心，它的優(yōu)劣直接影響到PLC的功能和可靠性，因此目前大部分PLC采用開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源供電。開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的輸入電壓范圍寬，體積小，效率高，重量輕，抗干擾性能好。有的PLC還能向外部提供24 V的直流電源，給輸入單元

22、所連接的外部開(kāi)關(guān)或傳感器供電。 第5章 可編程序控制器原理 5.5 可編程序控制器的工作原理可編程序控制器的工作原理 5.5.1 PLC的掃描周期與工作過(guò)程的掃描周期與工作過(guò)程 PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，它可以看成是一種由系統(tǒng)軟件支持的掃描設(shè)備，不論用戶程序運(yùn)行與否，都周而復(fù)始地進(jìn)行循環(huán)掃描，并執(zhí)行系統(tǒng)程序規(guī)定的任務(wù)。每一個(gè)循環(huán)所經(jīng)歷的時(shí)間稱為一個(gè)掃描周期，每個(gè)掃描周期又分為五個(gè)工作階段，每個(gè)工作階段完成不同的任務(wù)。工作過(guò)程如圖5-5所示。 第5章 可編程序控制器原理 初始化掃 描 周 期公共處理執(zhí)行程序掃描周期計(jì)算處理I/O刷新 外設(shè)端口服務(wù)圖5-5 PLC循環(huán)掃描過(guò)程 第5章 可編程序

23、控制器原理 1公共處理階段公共處理階段 在每次掃描開(kāi)始之前，CPU都要進(jìn)行監(jiān)視定時(shí)器復(fù)位、硬件檢查、用戶內(nèi)存檢查等操作。如果有異常情況，除了故障顯示燈亮以外，CPU還判斷并顯示故障的性質(zhì)；如果屬于一般性故障，則只報(bào)警不停機(jī)，等待處理；如果屬于嚴(yán)重故障，則停止PLC的運(yùn)行。公共處理階段所用的時(shí)間一般是固定的，不同機(jī)型的PLC有所差異。 第5章 可編程序控制器原理 2執(zhí)行程序階段執(zhí)行程序階段 在執(zhí)行程序階段，CPU將指令逐條調(diào)出并執(zhí)行。CPU從輸入映像寄存器和元件映像寄存器中讀取各繼電器當(dāng)前的狀態(tài)，根據(jù)用戶程序給出的邏輯關(guān)系進(jìn)行邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再寫(xiě)入元件映像寄存器中。 執(zhí)行用戶程序階段的掃描時(shí)間

24、不是固定的，其原因主要取決于用戶程序中所用語(yǔ)句的條數(shù)及每條指令的執(zhí)行時(shí)間。因此，執(zhí)行用戶程序的掃描時(shí)間是影響掃描周期時(shí)間長(zhǎng)短的主要因素，而且，在不同時(shí)段執(zhí)行用戶程序的掃描時(shí)間也不盡相同。 第5章 可編程序控制器原理 3掃描周期計(jì)算處理階段掃描周期計(jì)算處理階段 若預(yù)先設(shè)定掃描周期為固定值(可由用戶設(shè)定)，則進(jìn)入等待狀態(tài)，直至達(dá)到該設(shè)定值時(shí)掃描再往下進(jìn)行。若設(shè)定掃描周期為不定(即取決于用戶程序的長(zhǎng)短等)，則要進(jìn)行掃描周期的計(jì)算。掃描周期計(jì)算處理所用的時(shí)間很短。PLC在正常工作的情況下，掃描周期T為 T = (運(yùn)算速度程序步數(shù))+ I/O刷新時(shí)間 + 故障診斷時(shí)間 第5章 可編程序控制器原理 由于I

25、/O刷新時(shí)間和故障診斷時(shí)間相對(duì)用戶程序執(zhí)行時(shí)間要小得多，因此掃描時(shí)間主要由用戶程序的長(zhǎng)短和CPU的運(yùn)算速度決定。一般掃描時(shí)間達(dá)每秒鐘可掃描數(shù)十次以上，這對(duì)于一般的工業(yè)設(shè)備控制通常沒(méi)什么影響。但對(duì)控制時(shí)間要求較嚴(yán)格，響應(yīng)速度要求快的系統(tǒng)，則應(yīng)考慮PLC的運(yùn)算速度；并且應(yīng)精確計(jì)算響應(yīng)時(shí)間，精心編排程序，合理安排指令的順序；盡可能減少掃描周期造成的響應(yīng)延時(shí)等不良影響。由于PLC是采用循環(huán)掃描的工作方式，因此它的輸入/輸出響應(yīng)速度受掃描周期的影響較大。 第5章 可編程序控制器原理 4I/O刷新階段刷新階段 在I/O刷新階段，CPU與輸入/輸出電路直接打交道。從輸入電路中讀取各輸入點(diǎn)的狀態(tài)，并寫(xiě)入輸入映

26、像寄存器中，也就是刷新輸入映像寄存器的內(nèi)容。自此輸入映像寄存器就與外界隔離，無(wú)論輸入點(diǎn)的狀態(tài)怎樣變化，輸入映像寄存器的內(nèi)容都保持不變，直到下一個(gè)掃描周期的I/O刷新階段才會(huì)寫(xiě)進(jìn)新內(nèi)容。另外，CPU還將所有輸出繼電器元件映像寄存器的狀態(tài)傳送到相應(yīng)的輸出鎖存電路中，再經(jīng)輸出電路的隔離和功率放大部分傳送到PLC的輸出端，驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行元件動(dòng)作。I/O刷新階段的時(shí)間長(zhǎng)短取決于I/O點(diǎn)數(shù)的多少。第5章 可編程序控制器原理 5外設(shè)端口服務(wù)階段外設(shè)端口服務(wù)階段 這個(gè)階段里，PLC檢查是否有對(duì)編程器或計(jì)算機(jī)等的通信請(qǐng)求，若有，則進(jìn)行相應(yīng)處理。例如，接收由編程器送來(lái)的程序、命令和各種數(shù)據(jù)，并把要顯示的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、

27、出錯(cuò)信息等發(fā)送給編程器進(jìn)行顯示。如果有對(duì)計(jì)算機(jī)的通信請(qǐng)求，則也在這段時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送任務(wù)。 完成上述各階段的處理后，又返回公共處理階段，周而復(fù)始地進(jìn)行掃描。PLC信號(hào)的傳遞過(guò)程如圖5-6所示。 第5章 可編程序控制器原理 00001讀寫(xiě)讀寫(xiě)執(zhí)行用戶程序用戶輸入設(shè)備輸入端子輸入電路輸入映像寄存器讀00002010010100201001I/O刷新元件映像寄存器輸出寄存器輸出電路輸出端子用戶輸出設(shè)備I/O刷新圖5-6 PLC信號(hào)的傳遞過(guò)程 第5章 可編程序控制器原理 PLC在執(zhí)行用戶程序的過(guò)程中，輸入映像寄存器的狀態(tài)是不變的，而元件映像寄存器的內(nèi)容則隨程序的執(zhí)行在改變。前一步的計(jì)算結(jié)果隨

28、即作為下一步的計(jì)算條件，這一點(diǎn)與輸入映像寄存器完全不同。另外，程序的執(zhí)行是由上而下進(jìn)行的，所以各梯級(jí)中的繼電器線圈不可能同時(shí)改變狀態(tài)，執(zhí)行用戶程序的結(jié)果要保持到下一個(gè)掃描周期的用戶程序執(zhí)行階段。 第5章 可編程序控制器原理 PLC的循環(huán)掃描工作方式也為PLC提供了一條死循環(huán)自診斷功能。在PLC內(nèi)部設(shè)置了一個(gè)監(jiān)視定時(shí)器(WDT)，其定時(shí)時(shí)間可設(shè)置為大于用戶程序的掃描時(shí)間，在每個(gè)掃描周期的公共處理階段將監(jiān)視定時(shí)器復(fù)位。正常情況下，監(jiān)視定時(shí)器不會(huì)動(dòng)作。如果由于CPU內(nèi)部故障使程序執(zhí)行進(jìn)入死循環(huán)，那么掃描周期將超過(guò)監(jiān)視定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間。這時(shí)監(jiān)視定時(shí)器(WDT)動(dòng)作使PLC運(yùn)行停止，以提示用戶排查故障。

29、 第5章 可編程序控制器原理 5.5.2 PLC的主要性能指標(biāo)的主要性能指標(biāo) 1) 存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量 系統(tǒng)程序存放在系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器中。這里說(shuō)的存儲(chǔ)容量指的是用戶程序存儲(chǔ)器的容量。用戶程序存儲(chǔ)器的容量決定了PLC可以容納用戶程序的長(zhǎng)短，一般以字為單位來(lái)計(jì)算。中、小型PLC的存儲(chǔ)容量一般在8 K字以下；大型PLC的存儲(chǔ)容量可達(dá)到256 K字2 M字；也有的PLC用存放用戶程序的指令條數(shù)來(lái)表示容量。 第5章 可編程序控制器原理 2) 輸入輸入/輸出輸出(I/O)點(diǎn)數(shù)點(diǎn)數(shù) I/O點(diǎn)數(shù)指PLC面板上的輸入、輸出端子的個(gè)數(shù)。I/O點(diǎn)數(shù)越多，外部可接的輸入器件和輸出器件就越多，控制規(guī)模就越大。因此，I/O點(diǎn)

30、數(shù)是衡量PLC性能的重要指標(biāo)之一。 3) 掃描速度掃描速度 掃描速度是指PLC執(zhí)行程序的速度。一般以掃描1 K字所用的時(shí)間來(lái)衡量掃描速度。PLC用戶手冊(cè)一般給出執(zhí)行各條指令所用的時(shí)間，用戶可以通過(guò)比較各種PLC執(zhí)行相同的操作所用的時(shí)間，來(lái)衡量掃描速度的快慢。 第5章 可編程序控制器原理 4) 編程指令的種類(lèi)和條數(shù)編程指令的種類(lèi)和條數(shù) 這也是衡量PLC能力強(qiáng)弱的主要指標(biāo)。編程指令種類(lèi)及條數(shù)越多，其功能就越強(qiáng)，即處理能力、控制能力越強(qiáng)。 5) 內(nèi)部器件的種類(lèi)和數(shù)量?jī)?nèi)部器件的種類(lèi)和數(shù)量 內(nèi)部器件包括各種繼電器、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等。其種類(lèi)越多，數(shù)量越大，存儲(chǔ)各種信息的能力和控制能力就越強(qiáng)。

31、第5章 可編程序控制器原理 6) 擴(kuò)展能力擴(kuò)展能力 大部分PLC可以用I/O擴(kuò)展單元進(jìn)行I/O點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展；有的PLC可以使用各種功能模塊進(jìn)行功能擴(kuò)展等。 7) 智能單元的數(shù)量智能單元的數(shù)量 PLC不僅能完成開(kāi)關(guān)量的邏輯控制，而且利用智能單元可完成模擬量控制、位置和速度控制以及通信聯(lián)網(wǎng)等功能。智能單元種類(lèi)的多少和功能的強(qiáng)弱是衡量PLC產(chǎn)品水平高低的一個(gè)重要指標(biāo)，各個(gè)生產(chǎn)廠家都非常重視智能單元的開(kāi)發(fā)。近年來(lái)智能單元的種類(lèi)日益增多，功能也越來(lái)越強(qiáng)。 第5章 可編程序控制器原理 8) 支持軟件支持軟件 為了便于對(duì)PLC的編程和監(jiān)控，各PLC生產(chǎn)廠家相繼開(kāi)發(fā)出各類(lèi)計(jì)算機(jī)支持的編程和監(jiān)控軟件。性能優(yōu)越的P

32、LC支持軟件可方便地實(shí)現(xiàn)用戶軟件的編制和修改，同時(shí)也可以對(duì)PLC的工作狀態(tài)進(jìn)行有效的監(jiān)控。 第5章 可編程序控制器原理 5.5.3 PLC的編程語(yǔ)言的編程語(yǔ)言 1) 圖形式指令 程序由圖形方式表達(dá)，指令由不同的圖形符號(hào)組成，易于理解和記憶。系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)者已把工業(yè)控制中所需的獨(dú)立運(yùn)算功能編制成象征性圖形，用戶根據(jù)自己的需要對(duì)這些圖形進(jìn)行組合，并填入適當(dāng)?shù)膮?shù)。在邏輯運(yùn)算部分，幾乎所有的廠家都采用類(lèi)似于繼電器控制電路的梯形圖。如西門(mén)子公司還采用控制系統(tǒng)流程圖來(lái)表示，它沿用二進(jìn)制邏輯元件圖形符號(hào)來(lái)表達(dá)控制關(guān)系，直觀易懂。對(duì)于較復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算、定時(shí)計(jì)數(shù)等，一般也參照梯形圖或邏輯元件圖給予表示。 第5

33、章 可編程序控制器原理 2) 明確的變量常數(shù) 圖形符號(hào)相當(dāng)于操作碼，規(guī)定了運(yùn)算功能；操作數(shù)由用戶填入。PLC中的變量和常數(shù)以及其取值范圍有明確的規(guī)定，它們由產(chǎn)品型號(hào)決定，用戶可查閱產(chǎn)品目錄手冊(cè)。 3) 簡(jiǎn)化的程序結(jié)構(gòu) PLC的程序結(jié)構(gòu)通常很簡(jiǎn)單，典型的為塊式結(jié)構(gòu)，不同塊完成不同的功能，使程序的調(diào)試者對(duì)整個(gè)程序的控制功能和控制順序有清晰的概念。 第5章 可編程序控制器原理 4) 簡(jiǎn)化應(yīng)用軟件生成過(guò)程簡(jiǎn)化應(yīng)用軟件生成過(guò)程 使用匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)程序，要完成編輯、編譯和鏈接三個(gè)過(guò)程；而使用PLC編程語(yǔ)言，只需要編輯一個(gè)過(guò)程，其余由系統(tǒng)軟件自動(dòng)完成。整個(gè)編輯過(guò)程都在人機(jī)對(duì)話下進(jìn)行的，不要求用戶有高

34、深的軟件設(shè)計(jì)能力。 5) 強(qiáng)化調(diào)試手段強(qiáng)化調(diào)試手段 無(wú)論是匯編程序，還是高級(jí)語(yǔ)言程序調(diào)試，都是令編輯人員頭疼的事，而PLC的程序調(diào)試提供了完備的條件使用編程器。利用PLC和編程器上的按鍵、顯示和內(nèi)部編輯、調(diào)試、監(jiān)控等功能，在對(duì)應(yīng)軟件的支持下，進(jìn)行診斷和調(diào)試操作，十分簡(jiǎn)單。 第5章 可編程序控制器原理 1. 梯形圖編程語(yǔ)言梯形圖編程語(yǔ)言 梯形圖編程語(yǔ)言是一種圖形語(yǔ)言，是若干圖形符號(hào)的組合。不同廠家的PLC各有自己的一套梯形圖符號(hào)。這種編程語(yǔ)言具有繼電器控制電路形象、直觀的優(yōu)點(diǎn)，熟悉繼電器控制的技術(shù)人員很容易掌握。因此，各種機(jī)型的PLC都把梯形圖作為第一編程語(yǔ)言。 表5-1列出了物理的繼電器與CP

35、M1A系列PLC繼電器的梯形圖符號(hào)。圖5-7給出了兩種控制方式的梯形圖。 第5章 可編程序控制器原理 表5-1 兩種繼電器符號(hào)的對(duì)照 線 圈物理繼電器PLC繼電器常開(kāi)常閉觸點(diǎn)第5章 可編程序控制器原理 01000KMSB2SB1KM(a)000000100000001(b)圖5-7 兩種控制方式的梯形圖(a) 繼電器控制梯形圖；(b) PLC控制梯形圖 第5章 可編程序控制器原理 1) 兩種繼電器的區(qū)別兩種繼電器的區(qū)別 (1) 繼電器控制電路中使用的繼電器都是物理的電器，繼電器與其他控制電器間的連接必須通過(guò)硬接線來(lái)完成；PLC的繼電器不是物理的電器，它是PLC內(nèi)部的寄存器位，常稱之為“軟繼電器

36、”，因?yàn)樗哂信c物理繼電器相似的功能。例如，當(dāng)它的“線圈”通電時(shí)，其所屬的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)；當(dāng)它的“線圈”斷電時(shí)，其所屬的常開(kāi)觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)均恢復(fù)常態(tài)。PLC梯形圖中的接線稱為“軟接線”，這種“軟接線”是通過(guò)編程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 第5章 可編程序控制器原理 (2) PLC的每一個(gè)繼電器都對(duì)應(yīng)著內(nèi)部的一個(gè)寄存器位，由于可以無(wú)限次地讀取某位寄存器的內(nèi)容，因此，可以認(rèn)為PLC的繼電器有無(wú)數(shù)個(gè)常開(kāi)、常閉觸點(diǎn)可供用戶使用；而物理繼電器的觸點(diǎn)個(gè)數(shù)是有限的。 (3) PLC的輸入繼電器是由外部信號(hào)驅(qū)動(dòng)的，在梯形圖中只能使用輸入繼電器的觸點(diǎn)，而不出現(xiàn)它的線圈。而物理繼電器觸點(diǎn)的狀態(tài)取決于其線圈中有無(wú)電流通過(guò)，在繼電器控制電路中，若不接繼電器線圈，只接其觸點(diǎn)，則觸點(diǎn)永遠(yuǎn)不會(huì)動(dòng)作。 第5章 可編程序控制器原理 2) 兩種梯形圖的區(qū)別兩種梯形