可编程控制器的系统构成和工作原理

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,*,*,*,长沙职院,机械系,第,2,章,可编程控制器的系统构成和工作原理,2.1,可编程控制器的基本组成,2.1.1,可编程控制器的硬件系统,世界各国生产的可编程控制器外观各异，但其硬件构成大体相同，主要有,中央处理单元、存储器、输入,/,输出单元、编程器和电源,等。,可编程控制器的硬件结构如图,2-1,所示。下面分别介绍可编程控制器的各组成部分。,图,2-1,可编程控制器硬件结构,2.1.1.1,中央处理单元,(CPU),中央处理单元是可编程控制器的核心部件，它类似人的大脑，是系统的运算和控制中心，能指挥,PLC,按照预先编好的系统程序完成各种任务。,其作用有以下几点。,(1),接收并存储用户程序和数据。,(2),检查、校验用户程序。,(3),接收、调用现场信息。,(4),执行用户程序。,(5),故障诊断。,当,PLC,运行时，,CPU,首先以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入,I/O,映像区，然后从用户程序存储器中,逐条读取,用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算，并将运算的结果送入,I/O,映像区或数据寄存器内，等,所有的用户程序执行完毕后,，最后将,I/O,映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的,输出,装置，如此循环运行，直至停止。,2.1.1.2,存储器,存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量及其他信息。,PLC,存储器分为两大部分。,1,系统程序存储器,系统程序存储器由,ROM(Read,Only Memory,，只读存储器,),或,EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory,，可擦除的只读存储器,),组成。,存储器主要用于存放系统程序和应用软件,(,用户程序及工作数据,),。,PLC,系统所用存储器基本上由,ROM,、,EPROM,或,EEPROM(,电擦除可编程序只读存储器,),，用以存放系统程序，生产厂家在,PLC,出厂前已将系统程序固化其中，用户一般不作更改。,系统程序由以下各部分内容组成：,(1),系统管理程序。,(2),编译程序。,(3),监控程序。,2,用户程序存储器,用户存储器由,RAM,或,CMOS RAM,组成。,CMOS RAM,是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，用锂电池作备用电源，掉电时可有效地保持存储的信息不丢失。锂电池的寿命一般为,35,年。,用户存储器分两个区存放用户应用程序：,(1),用户,程序,存储器区。,(2),工作,数据,存储区,(,变量存储器,),。,2.1.1.3,输入,/,输出单元,输入,/,输出单元是,PLC,与外部设备相互联系的窗口，必须能直接与现场相连，这是,PLC,的重要特点。输入单元由输入端子、输入电路和输入锁存器组成。其作用是连接外部信号，并将这些信号转换成,PLC,的,CPU,所需要的标准电平信号，并将输入信号锁存。输出单元由输出锁存器、输出电路和输出端子组成。其作用是将,CPU,送来的各输出点的信号进行锁存，并转换成外部过程所需要的信号电平，并以此来驱动外部过程的执行机构、指示灯及各种负载。而与,PLC,输入部分和输出部分相连的器件的电压都很高，一般在直流,24V,或交流,220V,之间，电流达几个安培。,PLC,的输入、输出接口部分是,PLC,的内部弱电与外部强电相连的部分。因此，输入、输出接口部分必须具有电压转换和隔离功能，这样不需中间继电器，,PLC,就能直接与传感器或执行器件相连，同时还可减小电磁干扰。,下面介绍几种常用的输入,/,输出单元的工作原理。,1,开关量输入单元,按照输入端电源类型，开关量输入单元可分为直流输入单元和交流输入单元。,(1),直流输入单元,。直流输入单元的电路如图,2-2,所示，外接的直流电源极性可任意。虚框内是,PLC,内部的输入电路，框外左侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输入点的输入电路，各个输入点对应的输入电路均相同。,(2),交流输入单元,。交流输入单元的电路如图,2-3,所示。虚线框内是,PLC,内部的输入电路，框内左侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输入点的输入电路，各个输入点所对应的输入电路均相同。,图,2-2,直流输入单元的电路,图,2-3,交流输入单元的电路,2,开关量输出单元,按输出电路所用开关器件的不同，,PLC,的开关量输出单元可分为晶体管输出单元、双向晶闸管输出单元和继电器输出单元。,(1),晶体管输出单元。,晶体管输出单元的电路如图,2-4,所示。虚线框内是,PLC,的内部输出电路，框外右侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输出点的输出电路，各个输出点所对应的输出电路均相同。,(2),双向晶闸管输出单元。,在双向晶闸管输出单元中，输出电路采用的开关器件是光控双向晶闸管，电路如图,2-5,所示。虚框内是,PLC,内部的输出电路，框外右侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输出点的输出电路，各个输出点所对应的输出电路均相同。,图,2-4,晶体管输出单元的电路,图,2-5,双向晶闸管输出单元,(3),继电器输出单元。,继电器输出单元的电路如图,2-6,所示。,图中虚框内是,PLC,内部的输出电路，框外右侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输出点的输出电路，各个输出点所对应的输出电路均相同。,图,2-6,继电器输出单元,2.1.1.4,电源,PLC,一般配有开关式稳压电源为内部电路供电。开关电源输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。有的,PLC,能向外部提供,24V,的直流电源,，并可,给输入单元,所连接的外部开关或传感器,供电,。,PLC,的输出端子上接的负载所需的负载工作电源必须由用户提供。,图,2-7,输入,/,输出单元的接线方式,2.1.1.5,编程器,编程器用于用户程序的输入、编辑、调试和监视，可以通过其键盘调用和显示,PLC,的一些内部继电器状态和系统参数。它经过编程器接口与,CPU,联系，完成人机对话。,编程器一般有两大类。,一类是专用的编程器，有手持的，也有台式的，也有的可编程控制器机身上自带编程器，其中手持编程器携带方便，适合工业控制现场使用。,另一类是,个人计算机,，在个人计算机上运行可编程控制器的编程软件即可完成编程任务。可编程控制器以每隔几年一代的速度更新，因此专用可编程控制的使用寿命有限，价格一般也比较高。现在的趋势是,由可编程控制器厂家向用户提供编程软件，使用个人计算机作为基础的编程系统,。,2.1.1.6,其他设备,(,各种接口及智能模块,),1,I/O,扩展单元,若主机,(,基本单元,)I/O,点数不能满足实际的,I/O,点需求，可通过,I/O,扩展单元用电缆将基本单元与,I/O,扩展单元相连，,增加,I/O,点数,。,2,外设接口,可连上位计算机和打印机等外部设备。,3,智能单元,为适应和满足更加复杂的控制功能的需要，,PLC,厂家生产了各种功能的智能,I/O,模块。,2.1.2,可编程控制器的软件系统,可编程控制器的软件系统也可分为系统程序和用户程序两大类。,系统程序即可编程控制器的操作系统,。它是,由,PLC,的生产厂家编制,的，用于控制可编程控制器本身的运行，一般来说，系统软件对用户是不透明的。,系统程序通常包含,3,个部分。,(1),系统管理程序。,(2),用户指令解释程序。,(3),标准程序模块和系统调用。,2.1.2.1,梯形图,梯形图是一种图形编程语言,，是面向控制过程的一种“自然语言”，它沿用继电器的触点,(,触点在梯形图中又常称为接点,),线圈和串并联等术语和图形符号，同时也增加了一些继电,接触器控制系统中没有的特殊功能符号。梯形图语言比较形象、直观，对于熟悉继电器控制线路的电气技术人员来说，很容易接受且不需要学习专门的计算机知识。,在,PLC,应用中是使用的,最基本、最普遍的编程语言,。,这种编程方式只能用图形编程器直接编程。,如图,2-8(a),所示为一启保停程序的梯形图。,2.1.2.2,指令语句表,指令语句就是用助记符来表达,PLC,的各种功能。,它类似于计算机的汇编语言，但比汇编语言通俗易懂，因此也是应用很广泛的一种编程语言。,这种编程语言可使用简易编程器编程，尤其是在未能配置图形编程器时，只能将已编好的梯形图程序转换成指令语句表的形式，再通过简易编程器将用户程序逐条地输入到,PLC,的存储器中。,通常,每条指令由地址、操作码,(,指令,),和操作数,(,数据或器件编号,)3,部分组成,。编程设备简单，逻辑紧凑、系统化，连接范围不受限制，但比较抽象，一般与梯形图语言配合使用互为补充。目前，大多数,PLC,都有指令语句编程功能。梯形图的指令表如图,2-8(b),所示。,图,2-8,梯形图语言与指令表语言,2.1.2.3,逻辑功能图,这是一种由逻辑功能符号组成的功能块来表达命令的图形语言，这种编程语言基本上沿用了半导体逻辑电路的逻辑方块图。对每一种功能都使用一个运算方块，其运算功能由方块内的符号确定。常用“与”、“或”、“非”等逻辑功能表达控制逻辑。和功能方块有关的输入画在方块的左边，输出画在方块的右边。采用这种编程语言，不仅能简单明确地表达逻辑功能，还能通过对各种功能块的组合实现加法、乘法和比较等高级功能。也是一种功能较强的图形编程语言。对于熟悉逻辑电路和具有逻辑代数基础的人来说是非常方便的。,2.1.2.4,顺序功能图,(SFC),顺序功能图编程方式采用,工艺流程图,的方法编程，只要在每一个工艺方框的输入和输出端标上特定的符号即可。对于在工厂中搞工艺设计的人来说，用这种方法编程不需要很多的电气知识，非常方便。,不少,PLC,的新产品采用了顺序功能图。有的公司已生产出系列的、可供不同的,PLC,使用的,SFC,编程器，原来十几页的梯形图程序，,SFC,只用一页就可完成，是一种效果显著的编程语言。顺序功能图如图,2-9,所示。,图,2-9,顺序功能图,2.1.2.5,高级语言,一些大型,PLC,为了完成一些较为复杂的控制，采用功能很强的微处理器和大容量存储器将逻辑控制、模拟控制、数值计算与通信功能结合在一起，配备,Basic,、,Pascal,、,C,等计算机语言，从而可像使用通用计算机那样进行结构化编程。,目前，各种类型的,PLC,基本上都同时具备两种以上的编程语言。其中以同时使用梯形图和指令语句表的占大多数。不同厂家、不同型号的,PLC,，其梯形图及指令语句表都有些差异，使用符号也不尽相同，配置的功能各有千秋。因此各个厂家不同系列、不同型号的可编程控制器是互不兼容的，但编程的思想方法和原理是一致的。,2.2,可编程控制器的工作原理,可编程控制器是一种专用的工业控制计算机，因此，其工作原理是建立在计算机控制系统原理的基础上。但为了可靠地应用在工业环境下，便于现场电气技术人员的使用和维护，有着大量的接口器件、特定的监控软件和专用的编程器件。所以，不但其外观不像计算机，而且操作使用方法、编程语言及工作过程与计算机控制系统也是有区别的。,2.2.1 PLC,控制系统的等效工作电路,PLC,控制系统的等效工作电路可分为,3,部分，即,输入电路、内部控制电路和输出电路。,输入电路就是采集输入信号，输出电路就是系统的执行部件。这两电路与继电器控制电路相同。,内部控制电路,是通过,编程,方法实现的控制逻辑，用软件编程实现继电器电路的功能。其等效工作电路如图,2-10,所示。,图,2-10 PLC,的等效工作电路,2.2.1.1,输入电路,输入电路由外部输入电路、,PLC,输入接线端子和输入继电器组成。外部输入信号经,PLC,输入接线端子驱动输入继电器的线圈。,每个输入端子和与其相同编号的,输入继电器,X,有着唯一确定的对应关系。,当外部的输入元件处于接通状态时，对应的输入继电器线圈得电,(,这个输入继电器是,PLC,内部的软继电器，就是我们在前面介绍过的存储器基本单元中的某一位，它可以提供,任意