可编程序控制器原理及应用

第2章 可编程序控制器的结构和工作原理可编程序控制器原理及应用可编程序控制器原理及应用主主 编编 郭健郭健 陈丽陈丽邢台职业技术学院电子系邢台职业技术学院电子系http:/第2章 可编程序控制器的结构和工作原理第2章 可编程序控制器的结构和工作原理2.1 可编程序控制器的组成与基本结构可编程序控制器的组成与基本结构2.2 可编程序控制器的工作过程与工作原理可编程序控制器的工作过程与工作原理2.3 可编程序控制器的编程语言和程序结构可编程序控制器的编程语言和程序结构思考与练习题思考与练习题第2章 可编程序控制器的结构和工作原理2.1 可编程序控制器的组成与基本结构可编程序控制器的组成与基本结构 PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，是在程序控制器、1位微处理机控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器。从广义上讲，PLC是一种计算机系统，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的输入/输出接口，具有更适用于控制要求的编程语言，具有更适应于工业环境的抗干扰性能。因此，PLC是一种工业控制用的专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理2.1.1 可编程序控制器的硬件系统可编程序控制器的硬件系统PLC的硬件系统由主机系统、输入/输出扩展环节及外部设备组成。1.主机系统主机系统 图2.1 PLC结构示意图主机电源微处理器(CPU)运算器控制器输入单元存储器EPROM(系统程序)RAM(用户程序)外设I/O接口I/O扩展接口用户输入设备输出单元用户输出设备I/O扩展接口PLC或上位计算机图形监控系统EPROM写入器打印机盒式磁带机编程器外部设备第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 (1)微处理器单元(Central Processing Unit，CPU)。CPU是PLC的核心部分，它包括微处理器和控制接口电路。微处理器是PLC的运算控制中心，由它实现逻辑运算，协调控制系统内部各部分的工作。它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的。CPU的具体作用如下：接受、存储用户程序。按扫描方式接收来自输入单元的数据和各状态信息，并存入相应的数据存储区。执行监控程序和用户程序，完成数据和信息的逻辑处理，产生相应的内部控制信号，完成用户指令规定的各种操作。响应外部设备的请求。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 PLC常用的微处理器主要有通用微处理器、单片机或双极型位片式微处理器。通用微处理器按其处理数据的位数可分为4位、8位、16位和32位等。PLC大多用8位和16位微处理器。单片机是将微处理器、部分存储器、部分输入输出接口以及连接它们的控制接口电路等集成在一块芯片上的处理器，具有高集成度、高可靠性、高功能、高速度、低成本等优点。控制接口电路是微处理器与主机内部其他单元进行联系的部件，主要有数据缓冲、单元选择、信号匹配、中断管理等功能。微处理器通过它来实现与各个单元之间的可靠的信息交换和最佳的时序配合。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 (2)存储器。存储器是PLC存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。它包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。只读存储器(ROM)在使用过程中只能取出不能存储，而随机存取存储器(RAM)在使用过程中能随时取出和存储。只读存储器(ROM)按照其编程方式不同，可分为ROM、PROM、EPROM和EEPROM等。ROM又称掩膜只读存储器，它存储的内容在其制造过程中确定，不允许再改变；PROM是可编程只读存储器，它的存储内容是由用户用编程器一次性写入的，不能再改变；EPROM是可擦除可编程只读存储器，它的存储内容也是由用户用编程器写入的，但是可以在紫外线灯的照射下擦除，因此，它允许反复多次地擦除和写入；EEPROM是电擦除可编程只读存储器，它的存储内容由用户写入，在写入新的内容时，原来存储的内容会自动清除，它允许反复多次写入。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 只读存储器(ROM)是非挥发性的，即在断电状态下仍能保持所存储的内容，因此它被用作PLC的系统存储器，存放生产企业编制的系统管理程序。用户逻辑解释程序和标准程序模块等组成系统程序，系统程序对用户来说是透明的，不能被用户随意改变，它也常被生产企业存储在PROM或EPROM内，安装在PLC中一起供给用户。随机存取存储器(RAM)有两种类型：静态RAM(SRAM)和动态RAM(DRAM)。SRAM是用D型触发器来存储写入的内容的，除非写入新的内容或电源关断，它存储的内容可以保持不变；DRAM是用电容来存储写入的内容的，由于电容要放电，为了维持写入的内容不变，必须对它重复进行读出和写入操作，即要有刷新电路配合使用。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 随机存取存储器(RAM)是一种挥发性的器件，即当供电电源关掉后，其存储的内容会丢失，因此在实际使用中，通常为其配备掉电保护电路，当正常电源关断后，由备用电池为它供电，保护其存储的内容不丢失。随机存取存储器(RAM)在PLC中用作用户程序的存储器和数据的存储器。用户程序存储器存放的是用户编制的应用程序。为了调试和修改的方便，总是先把用户程序存放在随机存取存储器(RAM)中，经过运行、考核、修改、完善、达到设计要求后，再把它固化到EPROM中，替代RAM使用。数据存储器存储的内容是PLC运行过程中产生的各种数据。由于这些数据是不断变化的，因此用随机存取存储器(RAM)来组成数据存储器。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 (3)输入/输出模块单元。PLC的对外功能主要是通过各类接口模块的外接线，实现对工业设备和生产过程的检测与控制。通过各种输入/输出接口模块，PLC既可检测到所需的过程信息，又可将处理结果传送给外部过程，驱动各种执行机构，实现工业生产过程的控制。通过输入模块单元，PLC能够得到生产过程的各种参数；通过输出模块单元，PLC能够把运算处理的结果送至工业过程现场的执行机构实现控制。实际生产中的信号电平多种多样，外部执行机构所需电流也是多种多样，而PLC的CPU所处理的只能是标准电平，由于输入/输出模块单元与工业过程现场的各种信号直接相连，这就要求它有很好的信号适应能力和抗干扰性能。因此，在输入/输出模块单元中，一般均配有电子变换、光耦合器和阻容滤波等电路，以实现外部现场的各种信号与系统内部统一信号的匹配和信号的正确传递，PLC正是通过了这种接口实现了信号电平的转换。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 为适应工业过程现场对不同输入/输出信号的匹配要求，PLC配置了各种类型的输入/输出模块单元。其中常用的有以下几种类型：开关量输入单元：它的作用是把现场各种开关信号变成PLC内部处理的标准信号。开关量输入单元按照输入端的电源类型不同，分为直流输入单元和交流输入单元，分别如图2.2和图2.3所示。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理图2.2 直流开关量输入单元光耦合器PLC内部电路LEDCR2R1VD电源第2章 可编程序控制器的结构和工作原理图2.3 交流开关量输入单元双向耦合器PLC内部电路LEDCR3R1VD交流电源R2第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 在直流输入单元中，电阻R1与R2构成分压器，电阻R2与电容C组成阻容滤波。二极管用于防止反极性电压输入，发光二极管(LED)指示输入状态。光耦合器隔离输入电路与PLC内部电路的电气连接，并使外部信号通过光耦合器变成内部电路接收的标准信号。当外部开关闭合后，外部直流电压经过电阻分压和阻容滤波后加到光耦合器的发光二极管上，经光耦合，光敏晶体管接收光信号，并输出一个对内部电路来说接通的信号，输出端的发光二极管(LED)点亮，指示现场开关闭合。在交流输入单元中，电阻R2与R3构成分压器。电阻R1为限流电阻，电容C为滤波电容。双向光耦合器起整流和隔离双重作用，双向发光二极管用作状态指示。其工作原理和直流输入单元基本相同，仅在正反向时导通的双向光耦合器不同。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 开关量输出单元：它的作用是把PLC的内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。按照现场执行机构使用的电源类型的不同，开关量输出单元可分为直流输出单元(晶体管输出方式或继电器触点输出方式)和交流输出单元(晶闸管输出方式或继电器触点输出方式)。在继电器输出方式中，继电器作为开关器件，同时又是隔离器件。发光二极管(LED)构成输出状态显示器，当PLC输出一个接通信号时，内部电路使继电器线圈K通电，继电器触点闭合使负载回路的负载L接通得电，VD作为续流二极管以消除线圈的反电动势，同时状态指示发光二极管(LED)导通点亮。根据负载的需要，负载回路的电源既可选用交流电源，也可选用直流电源。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 特别应指出的是，由于继电器模式具有实际断点，可以从物理上切断所控制的回路，同时这种模式既适合于直流情况又适合于交流情况，因此这种模式在开关频率不太高的情况下是首选的输出控制方案。图2.4给出了这种输出方案的原理图。图2.4 继电器模式输出单元PLC内部电路LEDVD交流电源KSL第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 在晶体管输出方式中，采用光敏晶体管作为开关器件。当PLC输出一个接通信号时，内部电路使光耦合器的发光二极管得电发光，光敏晶体管受光导通后，使晶体管导通，相应负载L得电。在晶闸管输出方式中，采用光耦合式双向晶闸管作为开关器件，因此它同时又是隔离器件。当PLC输出一个接通信号时，内部电路使固态继电器内输入电路中的发光二极管导通，通过光耦合使输出回路的双向晶闸管导通，负载得电。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 模拟量输入单元：模拟量输入在过程控制中的应用很广，如常用的温度、压力、速度、流量、酸碱度、位移的各种工业检测都是对应于电压、电流的模拟量值，再通过一定运算(PID)后，控制生产过程达到一定的目的。模拟量输入电平大多是从传感器通过变换后得到的，模拟量的输入信号为420 mA的电流信号或15 V、-1010 V、010 V的直流电压信号。输入模块接收这种模拟信号之后，把它转换成二进制数字信号，送给中央处理器进行处理，因此模拟量输入模块又叫A/D转换输入模块。总之，模拟量输入单元的作用是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成PLC内部处理的、由若干位表示的数字信号。模拟量输入单元一般由滤波、A/D转换器、光耦合器隔离等部分组成。其原理框图如图2.5所示。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理图2.5 模拟量输入单元框图光耦合器隔离A/D转换器滤波内部回路第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 模拟量输入单元设有电压信号和电流信号输入端。输入信号通过滤波、运算放大器的放大和量程变换，转换成A/D转换器能够接收的电压范围，经过A/D转换器后的数字量信号，再经光耦合器隔离后进入PLC的内部电路。根据A/D转换的分辨率不同，模拟量输入单元能提供8位、10位、12位或16位等精度的各种位数的数字量信号并传送给PLC以进行处理。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 模拟量的输入点数可以是28点，对于不同模拟量输入单元类型，输入点数不同。对多通道的模拟量输入单元，通常设置多路转换开关进行通道的切换，而在输出端应设置信号的寄存器。为了适应工业生产过程的控制要求，对模拟量输入单元采取了必要的防电磁干扰措施，例如，光耦合器隔离、阻容滤波等。为了防止其他信号的影响，也采取了设置反向二极管或熔丝管等措施。这些措施为PLC可靠地工作提供了保证。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 模拟量输出单元：它的作用是把PLC运算处理后的若干位数字量信号转换成相应的模拟量信号然后输出，以满足生产过程现场连续信号的控制要求。模拟量输出单元一般由光耦合器隔离、D/A转换器和信号转换等部分组成，其原理框图如图2.6所示。图2.6 模拟量输出单元框图信号转换内部回路光耦合器隔离D/A转换器第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 模拟量输出模块是将中央处理器的二进制数字信号转换成420 mA的电流输出信号或010 V、15 V的电压输出信号，以提供给执行机构。因此模拟量输出模块又叫D/A转换输出模块。PLC输出的若干位数字量信号由内部电路送至光耦合器的输入端，光耦合器输出端输出的数字信号进入D/A转换器，转换后的模拟量直流电压信号经运算放大器放大后驱动输出。通常，模拟量输出单元还没有直流电流信号输出端供用户选用。根据实际要求数字信号的不同分辨率，模拟量输出单元用的D/A转换器有8位、10位、12位等几种不同的精度，根据不同型号，精度有所不同。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 智能输入/输出单元：为了满足PLC在复杂工业生产过程中的应用，PLC的制造厂商除了提供上述基本的开关量和模拟量输入/输出单元外，还提供了智能输入/输出单元，以适应生产过程控制的要求。智能输入/输出单元是一个独立的自治系统，它具有与PLC主机相似的硬件系统，也是由中央处理单元、存储器、输入/输出单元和外部设备接口单元等部分，通过内部系统总线连接组成的。智能输入/输出单元在自身的系统程序管理下，对工业生产过程现场的信号进行检测、处理和控制，并通过外部设备接口与PLC主机的输入/输出扩展接口的连接来实现与主机的通信。PLC主机在其运行的每个扫描周期中与智能输入/输出单元进行一次信息交换，以便能对现场信号进行综合处理。智能输入输出单元不依赖主机的运行方式而独立运行，一方面使PLC能够通过智能输入/输出单元来处理快速变化的现场信号，另一方面也使PLC能够处理更多的任务。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 为适应不同的控制要求，智能输入/输出单元也有不同的类型。例如高速脉冲计数器智能单元，它专门对工业现场的高速脉冲信号进行计数，并把累计值传送给PLC主机进行处理。如果不用高速脉冲计数智能单元，而用主机的输入/输出单元来进行计数操作，则计数速度要受主机扫描速度的影响。当高速脉冲信号的宽度小于主机的扫描周期时，会发生部分计数脉冲丢失的情况。因此，用一般的PLC不能正确地进行高速脉冲信号的计数。使用高速脉冲计数智能单元后，由于它脱离主机的扫描周期而独立进行计数操作，而主机仅在每个扫描周期内读出高速脉冲计数智能单元的计数值，因此，使PLC系统能正确地对高速脉冲信号进行计数处理。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 PID调节智能单元也是一种智能单元，它能独立完成工业生产过程控制中一个或几个闭环控制回路的PID调节。特别是PID调节控制软件是由智能单元来执行的，而主机系统仅周期性地把调整参数和设定值传递给PID调节智能单元。这样就使主机从繁琐的输入/输出操作、复杂的运算处理中解脱出来，从而在其扫描周期内能够处理更多的其他任务。为了适应生产过程对温度检测的要求，一些制造企业也提供了可以直接与热电偶或热电阻连接的温度传感器输入智能单元，它通过信号转换、A/D转换、光耦合等电路将模拟量的热电动势或电阻信号转换为PLC的内部数字量信号。对热电偶的冷端补偿、热电阻的非线性处理等也在该智能单元中实现。不同热电偶和热电阻的分度数是通过在该单元上的选择开关来确定的。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 智能输入/输出单元还有位置控制智能单元、阀门控制智能单元等类型。智能输入/输出单元为PLC的功能扩展和性能提高提供了极为有利的条件。随着智能输入/输出单元品种的增加，PLC的应用领域将越来越广泛，PLC的主机最终将变为一个中央信息处理机，对与之相连的各种智能输入/输出单元的信息进行综合处理。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 (4)I/O扩展接口。I/O扩展接口是PLC主机为了扩展输入/输出点数和类型的部件，输入/输出扩展单元、远程输入/输出扩展单元、智能输入/输出单元等都通过它与主机相连。I/O扩展接口有并行接口、串行接口等多种形式。(5)外设I/O接口。外设I/O接口是PLC主机实现人机对话、机机对话的通道。通过它，PLC可以和编程器、彩色图形显示器、打印机等外部设备相连，也可以与其他PLC或上位计算机连接。外设I/O接口一般是RS232C或RS422A串行通信接口，该接口的功能是进行串行/并行数据的转换，通信格式的识别，数据传输的出错检验，信号电平的转换等。对于一些小型PLC，外设I/O接口中还有与专用编程器连接的并行数据接口。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 (6)电源。电源单元是PLC的电源供给部分。它的作用是把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源，有的电源单元还向外提供直流电源，给与开关量输入单元连接的现场电源开关使用。电源单元还包括掉电保护电路和后备电池电源，以保持RAM在外部电源断电后存储的内容不丢失。PLC的电源一般采用开关电源，其特点是输入电压范围宽，体积小，质量轻，效率高，抗干扰性能好。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 2.输入输入/输出扩展环节输出扩展环节 输入/输出扩展环节是PLC输入输出单元的扩展部件，当用户所需的输入/输出点数或类型超出主机的输入/输出单元所允许的点数或类型时，可以通过加接输入/输出扩展环节来解决。输入/输出扩展环节与主机的输入/输出扩展接口相连，有两种类型：简单型和智能型。简单型的输入/输出扩展环节本身不带中央处理单元，对外部现场信号的输入/输出处理过程完全由主机的中央处理单元管理，依赖于主机的程序扫描过程。通常，它通过并行接口与主机通信，并安装在主机旁边，在小型PLC的输入/输出扩展时常被采用。智能型的输入/输出扩展环节本身带有中央处理单元，它对生产过程现场信号的输入/输出处理由本身所带的中央处理单元管理，而不依赖于主机的程序扫描过程。通常，它采用串行通信接口与主机通信，可以远离主机安装，多用于大中型PLC的输入/输出扩展。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 3.外部设备外部设备 (1)编程器。它是编制、调试PLC用户程序的外部设备，是人机交互的窗口。通过编程器可以把新的用户程序输入到PLC的RAM中，或者对RAM中已有程序进行编辑。通过编程器还可以对PLC的工作状态进行监视和跟踪，这对调试和试运行用户程序是非常有用的。编程器分为简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符(指令表)后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二极管或其他显示器件组成。智能型的编程器又称图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRT图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕进行人机对话。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 除了上述专用的编程器外，还可以利用微机(如IBM-PC)，配上PLC生产厂家提供的相应的软件包来作为编程器，这种编程方式已成为PLC发展的趋势。现在，有些PLC不再提供编程器，而只提供微机编程软件，并且配有相应的通信连接电缆。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 (2)彩色图形显示器。大中型PLC通常配接彩色图形显示器，用以显示模拟生产过程的流程图、实时过程参数、趋势参数及报警参数等过程信息，使得现场控制情况一目了然。(3)打印机。PLC也可以配接打印机等外部设备，用以打印记录过程参数、系统参数以及报警事故记录表等。PLC还可以配置其他外部设备，例如，配置存储器卡、盒式磁带机或磁盘驱动器，用于存储用户的应用程序和数据；配置EPROM写入器，用于将程序写入到EPROM中。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理2.1.2 可编程序控制器的软件系统可编程序控制器的软件系统 PLC除了硬件系统外，还需要软件系统的支持，它们相辅相成，缺一不可，共同构成PLC。PLC的软件系统由系统程序(又称系统软件)和用户程序(又称应用软件)两大部分组成。1.系统程序系统程序 系统程序由PLC的制造企业编制，固化在PROM或EPROM中，安装在PLC上，随产品提供给用户。系统程序包括系统管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模块等。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 (1)系统管理程序。它的主要功能如下：时间分配的运行管理，即实现PLC输入、输出运算，自检及提供通信时序。存储空间的分配管理，即生成用户环境，规定各种参数、程序的存放地址，将用户使用的数据参数存储地址转化为实际的数据格式及物理存储地址。系统的自检程序，即对系统进行出错检验、用户程序语法检验、句法检验、警戒时钟运行等。在系统管理程序的控制下，整个PLC能正确、有效地工作。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 (2)用户指令解释程序。它可将用户用各种编程语言(梯形图、语句表等)编制的应用程序翻译成CPU能执行的机器指令。(3)供系统调用的标准程序模块。它由许多独立的程序块组成，各自完成包括输入、输出、特殊运算等不同的功能。PLC的各种具体工作都由这部分来完成。由于通过改进系统程序可以在不改变硬件系统的情况下大大改善PLC的性能，因此制造企业对系统程序的编制极为重视，其产品的系统程序也在不断升级和完善。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 2.用户程序用户程序 用户程序是根据生产过程控制的要求由用户使用制造企业提供的编程语言自行编制的应用程序。用户程序包括开关量逻辑控制程序、模拟量运算程序、闭环控制程序和操作站系统应用程序等。(1)开关量逻辑控制程序。它是PLC用户程序中最重要的一部分，一般采用梯形图、助记符或功能块图等编程语言编制。不同的PLC制造企业提供的编程语言有不同的形式，至今还没有一种能全部兼容的编程语言。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 (2)模拟量运算程序及闭环控制程序。通常，它是在大中型PLC上实施的程序，由用户根据需要按PLC提供的软件和硬件功能进行编制。编程语言一般采用高级语言或汇编语言。一些制造企业为方便用户编程，也提供相应编程软件供用户进行编制模拟量运算和PID控制等的程序。(3)操作站系统程序。它是大型PLC系统经过通信联网后，由用户为进行信息交换和管理而编制的程序。它包括各类画面的操作显示程序，一般采用高级语言实现。一些制造企业也提供了人机界面的有关软件，用户可以根据制造企业提供的软件使用说明进行操作站的系统画面组态和编制相应的应用程序。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理2.2 可编程序控制器的工作过程与工作原理可编程序控制器的工作过程与工作原理2.2.1 可编程序控制器的工作过程可编程序控制器的工作过程 PLC上电后，就在系统程序的监控下，周而复始地按固定顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上是一个不断循环的顺序扫描过程。一个循环扫描过程称为扫描周期。PLC采用周期扫描机制，简化了程序设计，提高了系统可靠性。具体表现在：在一个扫描周期内，前面执行的任务结果立即就可被后面将要执行的任务所用；可以通过设定一个监视定时器来监视每个扫描周期的时间是否超过规定值，避免某个任务进入死循环而引起的故障。PLC的工作过程如图2.7所示。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理图2.7 PLC的工作过程启 动初始化运行监控处理中断与编程器交换信息处理中断与数字处理器交换信息处理中断与外部设备交换信息处理中断执行用户程序输入/输出信息处理处理中断第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 PLC在一个扫描周期内基本上要执行以下六个任务：(1)运行监控任务。为了保证系统可靠工作，PLC内部设置了系统监视定时器WDT，由它来监视扫描周期是否超时。PLC在每个扫描周期内都要对WDT进行复位操作，如果不能执行该任务，则WDT的计时会超过设定值，也就是扫描周期超过了规定时间，这表明系统的硬件或用户软件发生了故障。当WDT超时后，它会自动发出故障报警信号，并停止PLC的运行。WDT的时间设定值一般为扫描周期的23倍，通常为100200 ms，很多PLC可以由用户根据实际应用情况通过硬件或软件来设定。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 (2)与编程器交换信息任务。编程器是PLC的外部设备，它与主机的外设I/O接口相连。作为编制、调试用户程序的外部设备，编程器在PLC的外部设备中占有非常重要的地位，所以在主机的扫描周期中，把与编程器交换信息的任务单独列出，而不包括在与外部设备信息交换的任务中。编程器是人机交互的设备，用户把应用程序输入到PLC中，或对应用程序进行在线运行监视和修改都要用到它。这就要求PLC能与编程器进行信息交换。当PLC执行到与编程器交换信息任务时，就把系统的控制权交给编程器，并启动信息交换的定时器。在编程器取得控制权后，用户就利用它来修改内存中的应用程序，对系统的工作状态进行修改。如读微处理器的状态，读或写数字变量和逻辑变量，封锁或开放输入/输出以及控制微处理器等。编程器在完成处理任务或达到信息交换的规定时间后，就把控制权交还给PLC。在每个扫描周期内都要执行此项任务。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 (3)与数字处理器(DPU)交换信息任务。一般大中型PLC多为双处理器系统，一个是字节处理器(CPU)，另一个是数字处理器(DPU)。CPU是系统的主处理器，由它处理字节操作指令，控制系统总线，统一管理各种接口和输入/输出单元；DPU是系统的从处理器，它的作用是处理位操作指令，协助主处理器加快整个系统的处理速度。当PLC为双处理器系统时，就会有与数字处理器交换信息的任务。该任务主要是数字处理器(DPU)的寄存器信息与主系统的寄存器信息和开关量信息的交换。这个任务占用的时间随信息交换量而变化。在一般小型PLC中是没有这个任务的。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 (4)与外部设备交换信息任务。该任务主要是PLC与上位计算机、其他PLC或一些终端设备(如彩色图形显示器、打印机等设备)进行信息交换。这一任务的大小和占用时间的长短随主机外部设备的数量和数据通信量而变化。如果没有连接外部设备，则该任务跳过。(5)执行用户程序任务。用户程序是由用户根据实际应用情况而编制的程序，存放在RAM或EPROM中。PLC在每个扫描周期内都要把用户程序执行一遍，用户程序的执行是按用户程序的实际逻辑关系结构由前向后逐步扫描处理的，并把运行结果装入输出状态暂存区中，系统的全部控制功能都在这一任务中实现。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 (6)输入/输出信息处理任务。PLC内部开辟了两个暂存区，即输入信号和输出信号状态暂存区。用户程序从输入信号状态暂存区中读取输入信号状态，运算处理后将结果放入输出信号状态暂存区中。输入/输出信号状态暂存区与实际输入/输出单元的信息交换是通过输入/输出任务实现的。输入/输出任务还包括对输入/输出扩展接口的操作，通过输入/输出扩展接口实现主机的输入/输出状态暂存区与简单输入/输出扩展环节中的输入/输出单元或与智能型输入/输出扩展环节中的输入/输出状态区之间的信息交换。PLC在每个扫描周期中都执行该任务。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理2.2.2 可编程序控制器的输入可编程序控制器的输入/输出过程输出过程 PLC的工作方式是周期扫描方式，所以其输入/输出过程是定时进行的，即在每个扫描周期内只进行一次输入和输出的操作。在进行输入操作时，首先启动输入单元，把现场信号转换成数字信号后全部读入，然后进行数字滤波处理，最后把有效值放入输入信号状态暂存区；在进行输出操作时，首先把输出信号状态暂存区中的信号全部送给输出单元，然后进行传送正确性检查，最后启动输出单元把数字信号转换成现场信号输出给执行机构。对用户程序而言，要处理的输入信号是输入信号状态暂存区的信号，而不是实际的信号。运算处理后的输出信号被放入输出信号状态暂存区中，而不是直接输出到现场的。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理所以在用户程序执行的这一周期内，其处理的输入信号不再随现场信号的变化而变化；与此同时，虽然输出信号状态暂存区中信号随程序执行的结果不同而不断变化，但是实际的输出信号是不变的，在输出过程中，只有最后一次操作结果对输出信号起作用。PLC周期性的输入/输出处理方式对一般控制对象而言是能够满足的，但是对那些要求响应时间小于扫描周期的控制系统则不能满足，这时可以用智能型输入/输出单元或专门的软件指令，通过与扫描周期脱离的方式来解决。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理2.2.3 可编程序控制器的中断输入处理过程可编程序控制器的中断输入处理过程 PLC的中断输入处理方法同一般计算机系统是基本相同的，即当有中断申请信号输入后，系统要中断正在执行的相关程序而转向执行中断子程序；当有多个中断源时，它们将按中断的优先级有一个先后顺序的排队处理。系统可以通过程序设定允许中断或禁止中断。PLC对中断的响应不是在每条指令执行结束后进行，而是在扫描周期内某一个任务完成后进行的，如图2.7所示。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 PLC的中断源信息是通过输入单元进入系统的。由于PLC扫描输入点是按顺序进行的，因此中断源的先后顺序根据其占用的输入点位置而自动排序，当系统接到中断申请后便顺序扫描中断源。它可能只有一个中断源申请中断，也可能同时有两个或多个中断源提出申请中断。系统在扫描中断源的过程中，就在存储器的一个特定区里建立中断处理表，按顺序存放中断信息，然后系统按照该表顺序先后转至相应的中断子程序去处理。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 PLC的中断源有优先顺序，一般无嵌套关系，即在中断程序执行中，如果有新的中断发生，无论它的优先顺序如何，都不能中断正在执行的中断程序。只有在原中断处理程序结束后，才能进行新的中断处理。PLC是以循环扫描方式工作的，正常的输入/输出处理是在扫描周期内的某一个阶段进行的，对于中断处理子程序中有关信息的输出必须采取特殊处理，即这部分输出信息不通过周期扫描方式输出，而利用专门的硬件或软件去立即执行。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理2.2.4 可编程序控制器的工作原理可编程序控制器的工作原理 PLC的工作原理与计算机的工作原理是基本一致的。它通过执行用户程序来实现控制任务。但是，在时间上，PLC执行的任务是串行的，与继电器逻辑控制系统中控制任务的执行有所不同。从PLC的工作过程可以看到，整个工作过程是以循环扫描的方式进行的。循环扫描方式是指在程序执行过程的周期中，程序对各个过程输入信号进行采样，对采样的信号进行运算和处理，并把运算结果输出到生产过程的执行机构中。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 在这个执行周期中，一些输入变量可能有变化，而有些输入变量可能没有发生变化，相应地有些输出变量有变化，有些输出变量没有变化。在PLC中，采用循环扫描的方式，不断地对输入和输出变量进行采样和输出，使得变量满足程序条件时，及时有相应的输出使执行机构动作。这里，与计算机程序执行过程的区别是，在计算机的工作过程中，如果变量的条件没有满足，程序将等待，直到该条件满足。而在PLC中，程序执行时，如果这一个扫描周期变量的条件未满足，程序将继续执行下去，直到下面的某一个扫描周期中，变量的条件满足时，满足条件的运行结果就被执行。采用循环扫描的方式，由于扫描周期的时间很短，只要变量满足条件的时间大于扫描周期，该变量满足条件就能被PLC的程序执行。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理在这个执行周期中，一些输入变量可能有变化，而有些输入变量可能没有发生变化，相应地有些输出变量有变化，有些输出变量没有变化。在PLC中，采用循环扫描的方式，不断地对输入和输出变量进行采样和输出，使得变量满足程序条件时，及时有相应的输出使执行机构动作。这里，与计算机程序执行过程的区别是，在计算机的工作过程中，如果变量的条件没有满足，程序将等待，直到该条件满足。而在PLC中，程序执行时，如果这一个扫描周期变量的条件未满足，程序将继续执行下去，直到下面的某一个扫描周期中，变量的条件满足时，满足条件的运行结果就被执行。采用循环扫描的方式，由于扫描周期的时间很短，只要变量满足条件的时间大于扫描周期，该变量满足条件就能被PLC的程序执行。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 PLC中断处理的原理与计算机中断处理的原理也是基本一致的，上面已经进行了讨论。可以看到，中断的处理过程是在每个任务结束后进行的，在每个任务执行的过程中，PLC对中断是不响应的，这是与计算机的中断响应有所区别的第一点；在用户程序的任务执行过程中，PLC也需要程序块执行完成后才能执行中断子程序，这是与计算机中立即执行中断子程序的方式有所区别的第二点；中断的优先级处理和输出的区别是与计算机中断处理不同的第三点。产生区别的主要原因是由于PLC采用循环扫描工作方式，在系统软件的编制过程中，对中断处理采用了与计算机不同的处理方法。因此，在应用时要注意它与计算机的不同点，并在编程时加以注意。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 PLC的输入/输出处理也因PLC采用循环扫描的工作方式而与计算机的处理方式有所区别。即只有在程序扫描到该变量时，才进行采样，而该变量可能在扫描前的某一时刻已经发生了变化。为了及时得到变量的变化信息，可以缩短扫描周期，也可以采用智能输入/输出模块，它有独立的微处理器和存储器，与中央处理单元分别进行处理。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理2.3 可编程序控制器的编程语言和程序结构可编程序控制器的编程语言和程序结构2.3.1 可编程序控制器的编程语言可编程序控制器的编程语言 PLC为用户提供了完整的编程语言，以适应编制用户程序的需要。PLC提供的编程语言通常有以下几种：梯形图、指令表、顺序功能流程图和功能块图。下面以S7-200系列PLC为例加以说明。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 1.梯形图梯形图(LAD)梯形图(LAD)编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。PLC的梯形图与继电器控制系统的梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。图2.8是一个典型的梯形图。左右两条垂直的线称作母线。母线之间是触点的逻辑连接和线圈的输出。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理图2.8 典型的梯形图母线ABCDEFM()()母线Q第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 梯形图的一个关键概念是“能流”(Power Flow)，这仅是概念上的“能流”。图2.8中，把左边的母线假想为电源“火线”，而把右边的母线(虚线所示)假想为电源“零线”。如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励；如果没有“能流”，则线圈未被激励。“能流”可以通过被激励(ON)的常开接点和未被激励(OFF)的常闭接点自左向右流。“能流”在任何时候都不会通过接点自右向左流。如图2.8中，当A、B、C接点都接通后，线圈M才能接通(被激励)，只要其中一个接点不接通，线圈就不会接通；而D、E、F接点中任何一个接通，线圈Q就被激励。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 要强调指出的是，引入“能流”的概念，仅仅是为了和继电接触器控制系统相比较，以对梯形图有一个深入的认识，其实“能流”在梯形图中是不存在的。有的PLC的梯形图有两根母线，但大部分PLC现在只保留左边的母线了。在梯形图中，触点代表逻辑“输入”条件，如开关、按钮、内部条件等；线圈通常代表逻辑“输出”结果，如灯、电机接触器、中间继电器等。对S7-200系列PLC来说，还有一种输出“盒”(方块图)，它代表附加的指令，如定时器、计数器和功能指令等。梯形图语言简单明了，易于理解，是所有编程语言的首选。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 2.指令表指令表(STL)指令表(STL)编程语言类似于计算机中的助记符语言，它是可编程序控制器最基础的编程语言。所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程序控制器的某种操作功能。具体指令的说明将在后面的章节有详细的介绍。图2.9是一个简单的PLC程序，图(a)是梯形图程序，图(b)是相应的指令表。一般来说，指令表编程适合于熟悉PLC和有经验的程序员使用。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理图2.9 基本指令应用举例(a)梯形图；(b)指令表I0.0()()I0.1Q0.0Q0.0Q0.1()M0.1I0.5I0.3I0.4()Q0.2M0.1(a)(b)LDOALDNALDNANI0.0Q0.0I0.1Q0.0I0.5Q0.1I0.3M0.1I0.4M0.1Q0.2第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 3.顺序功能流程图顺序功能流程图(SFC)顺序功能流程图(SFC)编程是一种图形化的编程方法，亦称功能图。使用它可以对具有并发、选择等复杂结构的系统进行编程，许多PLC都提供了用于SFC编程的指令。本书的第7章对这种编程方法有详细介绍。目前，国际电工协会(IEC)也正在实施并发展这种语言的编程标准。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 4.功能块图功能块图(FBD)S7-200系列PLC专门提供了FBD编程语言，利用FBD可以查看到像普通逻辑门图形的逻辑盒指令。它没有梯形图编程器中的触点和线圈，但有与之等价的指令，这些指令是作为盒指令出现的，程序逻辑由这些盒指令之间的连接决定。也就是说，一个指令(例如AND盒)的输出可以用来允许另一条指令(例如定时器)，这样可以建立所需要的控制逻辑。这样的连接思想可以解决范围广泛的逻辑问题。FBD编程语言有利于程序流的跟踪，但在目前使用较少。图2.10为FBD的一个简单实例。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理图2.10 FBD简单实例ANDI1.0V10.1AC0INPTTONT37第2章 可编程序控制器的结构和工作原理2.3.2 可编程序控制器的程序结构可编程序控制器的程序结构 控制一个任务或过程，是通过在RUN方式下，使主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的，用户程序决定了一个控制系统的功能。程序的编制可以使用编程软件在计算机或其他专用编程设备中进行(如图形输入设备)，也可使用手编器。广义上的PLC程序由三部分构成：用户程序、数据块和参数块。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 1.用户程序用户程序 用户程序是必选项。用户程序在存储器空间中也称为组织块，它处于最高层次，可以管理其他块，是用各种语言(如STL、LAD或FBD等)编写的用户程序。不同机型的CPU，其程序空间容量也不同。用户程序的结构比较简单，一个完整的用户控制程序应当包含一个主程序、若干子程序和若干中断程序三大部分。不同编程设备，对各程序块的安排方法也不同。程序结构示意图如图2.11所示。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理图2.11 程序结构主程序子程序1子程序2子程序m中断程序1中断程序2中断程序n第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 用编程软件在计算机上编程时，利用编程软件的程序结构窗口双击主程序、子程序和中断程序的图标，即可进入各程序块的编程窗口。编译时编程软件自动对各程序段进行连接。对S7-200系列PLC的主程序、子程序和中断程序来说，它们的结束指令不需编程人员手工输入，编程软件会在程序编译时自动加入相应的结束指令。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 2.数据块数据块 数据块为可选部分，它主要存放控制程序运行所需的数据，在数据块中允许以下数据类型：布尔型，表示编程元件的状态；十进制、二进制或十六进制数；字母、数字和字符型。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理 3.参数块参数块 参数块也是可选部分，它存放的是CPU组态数据，如果在编程软件或其他编程工具上未进行CPU的组态，则系统以默认值进行自动配置。第2章 可编程序控制器的结构和工作原理思考与练习题思考与练习题 1.可编程序控制器主要由哪几部分组成?2.可编程序控制器常用的编程语言有哪些?程序由哪几部分组成?3.RAM与EEPROM各有什么特点?使用RAM存储用户程序时应注意什么问题?4.交流数字量输入模块与直流输入模块分别适用于什么场合?5.数字量输出模块有哪几种类型?它们各有什么特点?6.简述可编程序控制器的工作过程。