第四章 可编程序控制器的硬件与工作原理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,娄底职院,*,第一章：,可编程控制器的组成与工作原理,娄底职院,4,.1,可编程控制器的构成,图,.1 PLC,的结构,PLC,由,CPU,、存储器、输入,/,输出接口、内部电源和编程设备几部分构成,10/4/2024,2,娄底职院,4.1.1,CPU,模块,接受、存储用户程序；,按扫描工作方式接收来自输入单元的数据和信息，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。,CPU,是,PLC,的运算控制中心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分的工作，其具体作用是：,CPU,模块（中央处理器,+,存储器）,10/4/2024,3,娄底职院,RAM,：,随机存储器，可读可写，没有断电保持功能。,ROM,：,只读存储器，只读，不能写。,RAM,存放用户程序,ROM,存放系统程序,存储器,用于存放系统程序、用户程序和运行中的数据。包括只读存储器,(,ROM,),和随机存取存储器,(,RAM,),。,EPROM,：,可擦除程序的只读存储器，用紫外线照射芯片上的透镜窗口，可以擦除已写入的内容，而写入新的程序。,EEPROM,：,可电擦除的只读存储器，兼有,ROM,的非易失性和,RAM,的随机存取的优点。,10/4/2024,4,娄底职院,输入输出接口,是,PLC,与工业控制现场各类信号连接的部分。,4.1.2,输入输出接口,输入接口,用来,接受,生产过程的各种参数（,输入信号,）。,输出接口,用来,送出,可编程控制器运算后得出的,控制信息,（输出信号），并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。,为了适应可编程控制器在工业生产现场的工作，对输入输出接口有二个主要的要求：,良好的抗干扰能力,能满足工业现场各类信号的匹配要求,10/4/2024,5,娄底职院,可编程控制器为不同的接口需求设计了不同的接口单元：,开关量输入接口,其作用是把现场的开关量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号。,开关量输入接口按可接纳的外部信号电源的类型不同，分为,直流输入单元,和,交流输入单元,。,开关量输出接口按可编程控制器机内使用的器件不同，分为,继电器型,、,晶体管型,和,可控硅型,。,开关量输出接口,其作用是把可编程内部的标准信号转换成现场执行机构所需的开关量信号。,10/4/2024,6,娄底职院,1,开关量输入接口,图,1.3,直流开关量输入单元,4.1.2,输入输出接口,10/4/2024,7,娄底职院,1,开关量输入接口,图,1.3,交流开关量输入单元,1.1.2,输入输出接口,10/4/2024,8,娄底职院,4.1.3,电源,可编程控制器的电源包括,:,*,为可编程控制器各工作单元供电的,开关电源,*,为掉电保护电路供电的,后备电源,，一般为电池,10/4/2024,9,娄底职院,4.1.4,外部设备,可编程控制器一般可配备的外部设备：,编程器,盒式磁带机，用以记录程序或信息,打印机，用以打印程序或制表,EPROM,写入器，用以将程序写入用户,EPROM,中,高分辨率大屏幕彩色图形监控系统，用以显示或监视有关部分的运行状态,编程器,10/4/2024,10,娄底职院,4.2.1,输入接口电路,一、直流输入接口电路,说明把外部开关量的状态转换为,PLC,内部“,1”,、“,0”,状态的过程。,图中只画出,一个点的内部接口,，外部电源是直流,24V,电源。,10/4/2024,11,娄底职院,4.2.1,输入接口电路的工作过程与原理,工作作用：,外部电路中的一个按钮或,开关闭合,时，,二极管都要导通,发光使光耦合元件的输出端的,晶体光敏三极管导通,，就把该,外部开关闭合的信号传递到内部电路,，使,输入状态寄存器对应位存“,1”,。,当外部电路中按钮或,开关断开,时，接口电路不通，,发光二极管不发光,，则把该外部开关断开的信号也传递到内部电路，使,输入状态寄存器对应位存“,0”,。,10/4/2024,12,娄底职院,4.2.1,输入接口电路,二、交流输入接口电路,其外部电源是交流电源，电压为交流,110V,或,220V,（,50,或,60Hz,）。交流输入接口电路在外部输入开关器件需接交流电源时使用。,工作：,同样的，当外部电路中的按钮或开关闭合时，交流电压加在输入端与公共端之间，使光耦元件工作，开关闭合的信号送到,PLC,内部，使输入状态暂存器对应位存“,1”,。,三、直接输入接口电路,有的,PLC,已经把,24V,电源,事先串接在,PLC,的内部接口电路线上，在外部看不见电源，外部接线时只需要把开关或按钮直接接在输入点和,COM,端上就可以了，这叫做直接输入。,10/4/2024,13,娄底职院,4.3.1 plc,工作方式（循环扫描）,扫描：,从,0000,号存贮地址开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存贮地址号递增的方向顺序逐条扫描用户程序直到程序结束。,完成一次扫描程序后，再从头开始扫描，并周而复始地重复。,一个循环扫描过程时间称为扫描周期。,扫描过程分为三个阶段进行：即输入采样（输入处理）阶段，程序执行（程序处理）阶段，输出刷新（输出处理）阶段。,输入采样,程序执行,输出刷新,10/4/2024,14,娄底职院,PLC,的工作过程示意图,10/4/2024,15,娄底职院,输入采样,程序执行,输出处理,一个扫描周期,Y0,Y1,Yn,输入映像寄存器,采样,元件映像寄存器,写,写,读,X0,Y0,Y0,M0,输出锁存电路,输出端子,输入端子,4.3.2,程序执行过程,读,图,1.11 PLC,的扫描工作过程,X0,X1,Xn,刷新,10/4/2024,16,娄底职院,图,4-3 I/O,接口电路结构框图,(a),输入端；,(b),输出端,10/4/2024,17,娄底职院,输入采样阶段：,PLC,以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态（开或关、即,ON,或,OFF,、“,1,”,或“,0,”,）读入到输入映像寄存器中寄存起来，称为对输入信号的,采样,，或称,输入刷新,。,接着转入程序执行阶段，,在程序执行期间，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不会改变。,输入状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读入。,10/4/2024,18,娄底职院,4.3.2,程序执行过程,程序执行阶段：,程序执行阶段，,PLC,对程序按顺序进行扫描；,如果程序用梯形图表示，则总是按先左后右、先上后下的顺序进行扫描；,每扫描到一条指令时，所需要的输入元件状态或其它元件的状态分别由输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出，而将执行结果写入到元件映像寄存器中；,元件映像寄存器中寄存的内容，随程序执行的进程而动态变化,。,10/4/2024,19,娄底职院,4.3.2,程序执行过程,输出刷新阶段：,程序执行完后，进入输出刷新阶段。此时，将元件映像寄存器中所有输出继电器的状态转存到输出锁存寄存器，再去驱动用户输出设备（负载），这就是,PLC,的实际输出。,扫描周期：,PLC,重复执行上述三个过程，每重复一次的时间就是一个工作周期（或扫描周期）。工作周期的长短与程序的长短、指令的种类和,CPU,执行的速度有关。一个扫描过程中，执行指令程序的时间占了绝大部分。,PLC,在每次扫描中，对输入信号采样一次，对输出信号刷新一次。这就保证了,PLC,在执行程序阶段，输入映像寄存器和输出锁存寄存器的内容或数据保持不变。,10/4/2024,20,娄底职院,4.3.1,扫描工作方式,扫描工作方式的特点：,简单直观，简化了程序的设计，并为,PLC,的可靠运行提供了保证；,所扫描到的指令被执行后，其结果马上就可以被将要扫描到的指令所利用；,系统监视定时器,WDT,可,监视每次扫描的时间，并在每个扫描周期内都要对,WDT,进行复位操作。如果系统的硬件或用户软件发生了故障，,WDT,就会,超时自动报警，并停止,PLC,的运行，从而避免了程序进入死循环的故障。,10/4/2024,21,娄底职院,4,、,.3,、,3,输入输出的处理规则,输入映像寄存器的数据，取决于输入端子在输入采样阶段所刷新的状态；,输出映像寄存器的状态，由程序中输出指令的执行结果决定；,输出锁存寄存器中的数据，由上一个工作周期输出刷新阶段存入到输出锁存电路中的数据来确定；,输出端子的输出状态，由输出锁存寄存器中的数据来确定；,程序执行中所需的输入、输出状态（数据），从输入映像寄存器或输出映像寄存器中读出。,10/4/2024,22,娄底职院,4.3.4,输入输出滞后时间,输入输出滞后时间,又称为,系统响应时间,，是指从,PLC,外部输入信号发生变化的时刻起至它所控制的有关外部输出信号发生变化的时刻止之间的时间间隔。,输入输出滞后时间由输入电路的滤波时间、输出模块的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分所组成。,输入模块的,RC,滤波电路用来滤除由输入端引起的干扰噪声，消除因外接输入触点动作时产生抖动引起的不良影响。滤波时间常数决定了输入滤波时间的长短,其典型值为,10ms,左右。,10/4/2024,23,娄底职院,4.3.5,输入输出滞后时间,输出模块的滞后时间与模块开关元件的类型有关：,继电器型输出电路,的滞后时间一般最大值在,10ms,左右。,双向可控硅型输出电路,的滞后时间在负载被,接通,时的滞后时间约为,1ms,，负载由导通到,断开,时的最大滞后时间为,10ms,。,晶体管型输出电路,的滞后时间一般在,1ms,左右。,10/4/2024,24,娄底职院,PLC,的扫描工作过程总结,整个过程包括内部处理：系统自检和外部设备服务、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理六个阶段,整个过程扫描执行一遍所需的时间称为,扫描周期,扫描周期,与,CPU,运行速度、,PLC,硬件配置及用户程序长短,有关。,典型值为,1,100ms,10/4/2024,25,娄底职院,4,、,4,、,1 PLC,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。,1,梯形,逻辑,图（,LAD,）,梯形逻辑图简称梯形图,(,Ladder programming,),，,它是从继电器一接触器控制系统的电气原理图演化而来的，是一种图形语言。它沿用了常开触点、常闭触点、继电器线圈、接触器线圈、定时器和计数器等术语及图形符号，也增加了一些简单的计算机符号，来完成时间上的顺序控制操作。触点和线圈等的图形符号就是编程语言的指令符号。这种编程语言与电路图相呼应，使用简单，形象直观，易编程，容易掌握，是目前应用最广泛的编程语言之一。,10/4/2024,26,娄底职院,PLC,参与逻辑组合的元件可看成和继电器一样的器件，具有常开、常闭触点及线圈；且线圈的得电及失电将导致触点的相应动作。再用母线代替电源线；用能量流概念来代替继电器线路中的电流概念，采用绘制继电器线路图类似的思路绘出梯形图。,需要说明的是，,PLC,中的继电器等编程元件并不是,实际物理元件,，,而是机内存储器中的,存储单元,，它的所谓接通不过是相应存储单元置,1,而已。,10/4/2024,27,娄底职院,输入继电器（,X,）,在,PLC,内部，与输入端子相连的输入继电器是光电隔离的电子继电器，采用,八进制,编号，用无数个常开和常闭触点。,输入继电器不能用程序驱动,。,10/4/2024,28,娄底职院,输出继电器（,Y,）,输出继电器采用,八进制,编号，有内部触点和外部输出触点（继电器触点、双向可控硅、晶体管等输出元件）之分，由程序驱动。,在,PLC,内部，外部输出触点与输出端子相连，向外部负载输出信号，且一个输出继电器只有一个常开型外部输出触点。,输出继电器有无数个内部常开和常闭触点，编程时可随意使用。,10/4/2024,29,娄底职