PLC基本原理課程課件4

第2章PLC的基本原理2.1PLC的組成及其各部分的功能2.2PLC的結(jié)構(gòu)形式2.3PLC的工作過(guò)程2.4PLC的使用步驟2.1PLC的組成及其各部分的功能2.1.1PLC的基本組成圖2.1.1PLC的基本組成圖2.1.2PLC的單總線結(jié)構(gòu)框圖2.1.2PLC各組成部分的功能1．輸入部件輸入部件是PLC與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)被控對(duì)象之間的連接部件，是現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)入PLC的橋梁。該部件接收由主令元件、檢測(cè)元件來(lái)的信號(hào)。主令元件是指由用戶在控制鍵盤(或控制臺(tái))上操作的一切功能鍵，如開機(jī)、關(guān)機(jī)、調(diào)試或緊急停車等按鍵。主令元件給出的信號(hào)稱為主令信號(hào)。檢測(cè)元件的功能是檢測(cè)一些物理量(如行程距離、速度、位置、壓力、流量、液位、溫度、電壓、電流等)在設(shè)備工作進(jìn)程中的狀態(tài)，并通過(guò)輸入部件送入PLC以控制工作程序的轉(zhuǎn)換等。常見的檢測(cè)元件有行程開關(guān)、限位開關(guān)、光電檢測(cè)開關(guān)、繼電器觸點(diǎn)及其他各類傳感器等。輸入方式有兩種，一種是數(shù)字量輸入(也稱為開關(guān)量或接點(diǎn)輸入)，另一種是模擬量輸入(也稱為電平輸入)。后者要經(jīng)過(guò)模擬/數(shù)字變換部件才能進(jìn)入PLC。輸入部件均帶有光電耦合電路，其目的是把PLC與外部電路隔離開來(lái)，以提高PLC的抗干擾能力。為了與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)連接，輸入部件上設(shè)有輸入接線端子排。為了濾除信號(hào)的噪聲和便于PLC內(nèi)部對(duì)信號(hào)的處理，輸入部件內(nèi)部還有濾波、電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)鎖存電路。各PLC生產(chǎn)廠家都提供了多種形式的I/O部件或模塊，供用戶選用。2．輸出部件輸出部件也是PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的連接部件，其功能是控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行工作(如電機(jī)的啟、停、正/反轉(zhuǎn)，閥門的開、關(guān)，設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)、升降等)。對(duì)于PLC，希望它能直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，如電磁閥、微電機(jī)、接觸器、燈和音響等，因此，輸出部件中的輸出級(jí)常是一些大功率器件，如機(jī)械觸點(diǎn)式繼電器、無(wú)觸點(diǎn)交流開關(guān)(如雙向可控硅)及直流開關(guān)(如晶體三極管)等。與輸入部件類似，輸出部件上也有輸出狀態(tài)鎖存、顯示、電平轉(zhuǎn)換和輸出接線端子排。輸出部件或模塊也有多種類型供選用。3．中央處理器(CPU)與一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一樣，CPU是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它按PLC中系統(tǒng)程序賦予的功能，指揮PLC有條不紊地進(jìn)行工作。其主要任務(wù)有：控制從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)的接收與存儲(chǔ)；用掃描的方式通過(guò)I/O部件接收現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入狀態(tài)表或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中；診斷電源、PLC內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等；PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲(chǔ)器逐條讀取用戶指令，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令規(guī)定的任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送、邏輯或算術(shù)運(yùn)算等；根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出寄存器表的內(nèi)容，再經(jīng)由輸出部件實(shí)現(xiàn)輸出控制、制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。目前，小型PLC為單CPU系統(tǒng)，而中型及大型PLC則為雙CPU甚至多CPU系統(tǒng)。PLC所采用的微處理器有三種：(1)通用微處理器。小型PLC一般使用8位微處理器如8080/8085、6800和Z80等，大中型PLC除使用位片式微處理器外，大都使用16位或32位微處理器。當(dāng)前不少PLC的CPU已升級(jí)到INTEL公司的微處理器產(chǎn)品，有些已采用奔騰(PENTIUM)處理器，如西門子公司的S7-400。采用通用微處理器的優(yōu)點(diǎn)是：價(jià)格便宜，通用性強(qiáng)，還可借用微機(jī)成熟的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和豐富的軟硬件資源。(2)單片微處理器(即單片機(jī))。它具有集成度高、體積小、價(jià)格低及可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。如INTEL公司的8位MCS-51系列運(yùn)行速度快，可靠性高，體積小，很適合于小型PLC；16位96系列速度更快，功能更強(qiáng)，適合于大中型PLC使用。(3)位片式微處理器。它是獨(dú)立于微型機(jī)的一個(gè)分支，多為雙極型電路，4位為一片，幾個(gè)位片級(jí)聯(lián)可組成任意字長(zhǎng)的微處理器，代表產(chǎn)品有AMD2900系列。PLC中位片式微處理器的主要作用有兩個(gè)，一是直接處理一些位指令，從而提高了位指令的處理速度，減少了位指令對(duì)字處理器的壓力；二是將PLC的面向工程技術(shù)人員的語(yǔ)言(梯形圖、控制系統(tǒng)流程圖等)轉(zhuǎn)換成機(jī)器語(yǔ)言。模塊式PLC把CPU作為一種模塊，備有不同型號(hào)供用戶選擇。4.存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)器擴(kuò)展PLC中存儲(chǔ)器的功能與普通微機(jī)系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器功能相似，用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)程序和用戶的程序與數(shù)據(jù)。目前主要采用的系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器是指用來(lái)存放系統(tǒng)管理、用戶指令解釋及標(biāo)準(zhǔn)程序模塊、系統(tǒng)調(diào)用等程序的存儲(chǔ)器，常用EPROM構(gòu)成。用戶存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)用戶編制的梯形圖程序或用戶數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)用戶程序的叫用戶程序存儲(chǔ)器，常用EPROM或EEPROM構(gòu)成。存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)的叫用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，常用RAM構(gòu)成，為防止掉電時(shí)信息的丟失，有后備電池作保護(hù)。由于PLC系統(tǒng)程序關(guān)關(guān)系到PLC的性能，不不能由用戶戶直接存取取，因而，，PLC產(chǎn)品樣本或或使用手冊(cè)冊(cè)中所列存存儲(chǔ)器形式式及其容量量一般都是是指用戶存存儲(chǔ)器而言言。PLC中已提供一一定容量的的存儲(chǔ)器供供用戶使用用，但對(duì)有有些用戶，，可能還不不夠用，因因此大部分分PLC都提供了存存儲(chǔ)器擴(kuò)展展(EM)功能，用戶可可以將新增的的存儲(chǔ)器擴(kuò)展展模板直接插插入CPU模板中，也有有的是插入中中央基板中。。5.通信接口為了實(shí)現(xiàn)"人-機(jī)"或"機(jī)-機(jī)"之間的對(duì)話，，PLC中配有多種通通信接口。通通過(guò)這些通信信接口，PLC可以與監(jiān)視器器、打印機(jī)、、其他PLC或計(jì)算機(jī)相連連。當(dāng)PLC與打印機(jī)相連連時(shí)，可將過(guò)過(guò)程信息、系系統(tǒng)參數(shù)等輸輸出打??；當(dāng)當(dāng)與監(jiān)視器(CRT)相連時(shí)，可將將過(guò)程圖像顯顯示出來(lái)；當(dāng)當(dāng)與其他PLC相連時(shí)，可以以組成多機(jī)系系統(tǒng)或連成網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)更更大規(guī)模的控控制；當(dāng)與計(jì)計(jì)算機(jī)相連時(shí)時(shí)，可以組成成多級(jí)控制系系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控控制與管理相相結(jié)合的綜合合系統(tǒng)。6.智能I/O接口為了滿足更加加復(fù)雜控制功功能的需要，，PLC配有多種智能能I/O接口。例如滿滿足位置調(diào)節(jié)節(jié)需要的位置置閉環(huán)控制模模板，對(duì)高速速脈沖進(jìn)行計(jì)計(jì)數(shù)和處理的的高速計(jì)數(shù)模模板等等。這這類智能模板板都有其自身身的處理器系系統(tǒng)。7.I/O擴(kuò)展接口當(dāng)一個(gè)PLC中心單元的I/O點(diǎn)數(shù)不夠用時(shí)時(shí)，就要對(duì)系系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展展。擴(kuò)展接口口就是用于連連接中心基本本單元與擴(kuò)展展單元的。8.功能開關(guān)與指指示燈功能開關(guān)是用用來(lái)控制PLC工作狀態(tài)的，，如編程、監(jiān)監(jiān)視、運(yùn)行開開關(guān)等。指示示燈有PLC工作狀況指示示燈、電源指指示燈，電壓壓過(guò)低指示燈燈等。9.編程器編程器的作用用是供用戶進(jìn)進(jìn)行程序的輸輸入、編輯、、調(diào)試和監(jiān)視視。有的編程程器還可與打打印機(jī)或磁帶帶機(jī)相連，以以將用戶程序序和有關(guān)信息息打印出來(lái)或或存放在磁帶帶上。磁帶上上的信息可以以重新裝入PLC。編程器有簡(jiǎn)易易型和智能型型兩類。簡(jiǎn)易易型編程器只只能聯(lián)機(jī)編程程，且往往需需要將梯形圖圖轉(zhuǎn)化為機(jī)器器語(yǔ)言助記符符后才能送入入，簡(jiǎn)易編程程器一般由簡(jiǎn)簡(jiǎn)易鍵盤和發(fā)發(fā)光二極管矩矩陣或其他顯顯示器件組成成。智能編程程器又稱圖形形編程器，它它可以聯(lián)機(jī)編編程，也可以以脫機(jī)編程，，具有LCD(液晶顯示器)或CRT圖形顯示功能能，可直接輸輸入梯形圖和和通過(guò)屏幕對(duì)對(duì)話。也可以利用微微機(jī)作為編程程器，這時(shí)微微機(jī)應(yīng)配有相相應(yīng)的軟件包包。2.2PLC的結(jié)構(gòu)形式2.2.1單元式結(jié)構(gòu)圖2.2.1單元式結(jié)構(gòu)的的PLC2.2.2模塊式結(jié)構(gòu)圖2.2.2模塊式結(jié)構(gòu)PLC的結(jié)構(gòu)2.2.3疊裝式結(jié)構(gòu)前者結(jié)構(gòu)緊湊湊、安裝方便便、體積小巧巧，易于與被被控設(shè)備組合合成一個(gè)整體體，但由于每每個(gè)單元的I/O點(diǎn)數(shù)有一定的的搭配關(guān)系，，有時(shí)配置的的系統(tǒng)輸入點(diǎn)點(diǎn)或輸出點(diǎn)不不能充分利用用，加之各單單元尺寸大小小不一致，因因此不易安裝裝整齊。而后后者無(wú)論是輸輸入還是輸出出點(diǎn)數(shù)均可靈靈活配置，又又易于構(gòu)成較較多點(diǎn)數(shù)的大大規(guī)?？刂葡迪到y(tǒng)，且尺寸寸統(tǒng)一、安裝裝整齊，但是是尺寸較大，，難于與小型型設(shè)備聯(lián)成一一體。為此有有些PLC生產(chǎn)產(chǎn)廠廠家家開開發(fā)發(fā)出出疊疊裝裝式式結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，，將將二二者者的的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)結(jié)結(jié)合合起起來(lái)來(lái)。。疊疊裝裝式式結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的CPU、電源源、、I/O等單單元元也也是是各各自自獨(dú)獨(dú)立立的的模模塊塊，，但但它它們們相相互互的的連連接接安安裝裝不不需需要要用用基基板板，，僅僅用用電電纜纜連連接接即即可可，，并并且且各各模模塊塊可可以以一一層層層層地地疊疊裝裝。。這這樣樣，，不不但但系系統(tǒng)統(tǒng)可可以以靈靈活活配配置置，，還還可可以以將將體體積積做做得得小小巧巧。。2.3PLC的工作過(guò)程2.3.1大中型PLC的工作過(guò)程2.3.1大中型PLC的工作過(guò)程1．自監(jiān)視掃描描階段為了保證工作作的可靠性，，PLC內(nèi)部具有自監(jiān)監(jiān)視或自診斷斷功能。自監(jiān)監(jiān)視功能是由由監(jiān)視定時(shí)器器WDT(Watch-dogTimer)完成的，WDT是一個(gè)硬件時(shí)時(shí)鐘。自監(jiān)視視過(guò)程主要是是檢查及復(fù)位位WDT。如果在復(fù)位前前，掃描時(shí)間間已超過(guò)WDT的設(shè)定值，CPU將停止運(yùn)行、、輸入/輸出復(fù)位，并并給出報(bào)警信信號(hào)。這種故故障稱為WDT故障。WDT故障可能由CPU硬件引起，也也可能由于用用戶程序執(zhí)行行時(shí)間太長(zhǎng)，，使掃描周期期超過(guò)WDT的規(guī)定時(shí)間而而引起。用編編程器可以清清除WDT故障。WDT的設(shè)定定時(shí)間間一般般為150～200ms，而一般般系統(tǒng)統(tǒng)的掃掃描時(shí)時(shí)間均均小于于50～60ms。有些PLC中，用用戶可可以對(duì)對(duì)WDT的時(shí)間間進(jìn)行行修改改(修改方方法在在使用用手冊(cè)冊(cè)中給給出)。2.與編程程器交交換信信息的的掃描描階段段用戶程程序通通過(guò)編編程器器寫入入PLC，以及及用編編程器器進(jìn)行行在線線監(jiān)視視和修修改時(shí)時(shí)，CPU將總線線的控控制權(quán)權(quán)交給給編程程器，，CPU處于被被動(dòng)狀狀態(tài)。。當(dāng)編編程器器完成成處理理工作作或達(dá)達(dá)到信信息交交換的的規(guī)定定時(shí)間間，CPU重新得得到總總線權(quán)權(quán)，并并恢復(fù)復(fù)主動(dòng)動(dòng)狀態(tài)態(tài)。在這這一一掃掃描描階階段段，，用用戶戶可可以以通通過(guò)過(guò)編編程程器器修修改改內(nèi)內(nèi)存存程程序序，，啟啟動(dòng)動(dòng)或或停停止止CPU，讀讀CPU狀態(tài)態(tài)，，封封鎖鎖或或開開放放輸輸入入/輸出出，，對(duì)對(duì)邏邏輯輯變變量量和和數(shù)數(shù)字字變變量量進(jìn)進(jìn)行行讀讀寫寫等等。。3.與數(shù)數(shù)字字處處理理器器DPU交換換信信息息的的掃掃描描階階段段當(dāng)系系統(tǒng)統(tǒng)配配有有數(shù)數(shù)字字處處理理器器時(shí)時(shí)，，一一個(gè)個(gè)掃掃描描周周期期中中才才包包含含這這一一階階段段。。4.網(wǎng)絡(luò)絡(luò)進(jìn)進(jìn)行行通通信信的的掃掃描描階階段段在配配有有網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的的PLC系統(tǒng)統(tǒng)中中，，才才有有通通信信掃掃描描階階段段。。在在這這一一階階段段，，PLC與PLC之間間，，PLC與磁磁帶帶機(jī)機(jī)或或與與上上位位計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)之之間間進(jìn)進(jìn)行行信信息息交交換換。。5.用戶戶程程序序掃掃描描階階段段PLC處于于運(yùn)運(yùn)行行狀狀態(tài)態(tài)時(shí)時(shí)，，一一個(gè)個(gè)掃掃描描周周期期中中包包含含了了用用戶戶程程序序掃掃描描階階段段。。在用用戶戶程程序序掃掃描描階階段段，，對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)于于用用戶戶程程序序存存儲(chǔ)儲(chǔ)器器所所存存的的指指令令，，PLC從輸輸入入狀狀態(tài)態(tài)暫暫存存區(qū)區(qū)和和其其他他軟軟元元件件的的狀狀態(tài)態(tài)暫暫存存區(qū)區(qū)中中將將有有關(guān)關(guān)元元件件的的通通/斷狀狀態(tài)態(tài)讀讀出出，，從從第第一一條條指指令令開開始始順順序序執(zhí)執(zhí)行行，，每每一一步步的的執(zhí)執(zhí)行行結(jié)結(jié)果果均均存存入入輸輸出出狀狀態(tài)態(tài)暫暫存存區(qū)區(qū)。。6.輸入/輸出(I/O)服務(wù)掃描階段段CPU在執(zhí)行用戶程程序時(shí)，使用用的輸入值不不是直接從實(shí)實(shí)際輸入端得得到的，運(yùn)算算的結(jié)果也不不直接送到實(shí)實(shí)際輸出端，，而是在內(nèi)存存中設(shè)置了兩兩個(gè)暫存區(qū)，，一個(gè)是輸入入暫存區(qū)或稱稱輸入映像寄寄存器，一個(gè)個(gè)是輸出暫存存區(qū)或稱輸出出映像寄存器器。用戶程序序中所用到的的輸入值是輸輸入狀態(tài)暫存存區(qū)的值，運(yùn)運(yùn)算結(jié)果放在在輸出狀態(tài)暫暫存區(qū)中。圖圖2.3.2給出了用戶程程序執(zhí)行階段段與I/O服務(wù)階段的信信息流程圖。。在輸入服務(wù)務(wù)(輸入采樣及輸輸入刷新)掃描過(guò)程中，，CPU將實(shí)際輸入端端的狀態(tài)讀入入輸入狀態(tài)暫暫存區(qū)。在輸輸出服務(wù)(輸出刷新與鎖鎖存)掃描過(guò)程中，，CPU將輸出狀態(tài)暫暫存區(qū)的值同同時(shí)傳送到輸輸出狀態(tài)鎖存存器。由于輸入/輸出暫存區(qū)的的設(shè)置，使PLC對(duì)輸入/輸出的處理具具有以下特點(diǎn)點(diǎn)：輸入狀態(tài)暫存存區(qū)的數(shù)據(jù)，，取決于輸入入服務(wù)階段各各實(shí)際輸入點(diǎn)點(diǎn)的通/斷狀態(tài)。在用用戶程序執(zhí)行行階段，輸入入狀態(tài)暫存區(qū)區(qū)的數(shù)據(jù)不再再隨輸入的變變化而變化。。在用戶程序執(zhí)執(zhí)行階段，輸輸出狀態(tài)暫存存區(qū)的內(nèi)容隨隨程序執(zhí)行結(jié)結(jié)果不同而隨隨時(shí)改變，但但輸出狀態(tài)鎖鎖存器的內(nèi)容容不變。在輸出服務(wù)階階段，將用戶戶程序執(zhí)行階階段的最終結(jié)結(jié)果由輸出狀狀態(tài)暫存區(qū)傳傳遞到輸出狀狀態(tài)鎖存器。。輸出端子的的狀態(tài)由輸出出狀態(tài)鎖存器器決定。圖2.3.2I/O服務(wù)階段與用用戶程序執(zhí)行行階段2.3.2小型PLC的工作過(guò)程圖2.3.3小型PLC的典型工作過(guò)過(guò)程小型PLC的工作過(guò)程可可以分為四個(gè)個(gè)掃描階段。。①一般處理理掃描階段。。在此掃描階階段PLC復(fù)位WDT，檢查I/O總線和程序存存儲(chǔ)器。②執(zhí)行外設(shè)設(shè)命令掃描階階段。在此階階段PLC執(zhí)行編程器、、圖形編程器器等外設(shè)輸入入的命令。③執(zhí)行用戶戶程序掃描階階段。④數(shù)據(jù)輸入入/輸出掃描階段段。與大中型型PLC的I/O服務(wù)階段類似似。2.3.3輸入/輸出響應(yīng)的滯滯后現(xiàn)象響應(yīng)時(shí)間的大大小與以下因因素有關(guān)：①輸入濾波波的時(shí)間常數(shù)數(shù)(輸入延遲)；②輸出繼電電器的機(jī)械滯滯后(輸出延遲)；③PLC的循環(huán)掃描工