可编程控制器组成及原理.ppt

第3章可编程控制器的组成与原理 3 1可编程控制器的基本组成 3 1 1可编程控制器的系统结构 PLC的实质就是工业控制计算机 属于过程控制计算机的一个分支 可编程控制器的主机由中央微处理器 CPU 存储器 RAM EPROM E2PROM 输入 输出 INPUT OUTPUT 模块 外设I O接口 I O通道接口 编程器及电源部分等组成 对于整体式PLC主要部件都在同一机壳内 对于PLC为模块式的机型 各功能单元可独立封装 构成模块 各模块通过框架或连接电缆组合在一起 编程器是可编程控制器的外围设备 PLC的基本组成 PLC主要由CPU模块 输入 输出模块 电源模块和外部设备组成 整体式 组合式 PLC的基本分类 小型机常采用整体式 中 大型机常采用组合式 PLC的硬件组成 整体式PLC的基本组成框图 组合式PLC的基本组成框图 FX系列PLC的硬件配置图 3 1 2可编程控制器各部分的功能 CPU由控制器和运算器组成主要任务 1 诊断功能 诊断PLC电源 内部工作电路的工作状态和所存储的用户程序中的语法错误 2 接收并存储用户程序 3 以扫描方式接收现场输入装置输入的状态或数据 并存入相应的数据存储区 4 执行监控程序和用户程序 完成数据和信息的逻辑运算 产生相应的控制信号 完成用户指令规定的各种操作 5 响应各种外部设备 如编程器 上位机 打印机等 的工作请求 1 CPU 中央微处理器 可编程控制器采用的CPU单片机芯片 8031 8096位片式微处理器 AMD 2900通用微处理器 8086 80286 80386小型PLC大多采用8位微处理器或单片机作为CPU中型PLC大多采用16位微处理器或单片机作为CPU大型PLC大多采用位片式微处理器FX2可编程控制器使用的微处理器是16位的8096单片机 有些大中型PLC采用了冗余技术 即采用双CPU或三CPU工作方式 进一步提高了系统的可靠性 采用冗余技术的PLC平均无故障工作时间可达几十万小时以上 2 存储器 PLC的存储器系统程序存储器用户程序存储器 包括用户程序存储区和用户数据存储区 系统程序存储器通常采用ROM或EPROM芯片存储器 2 用户程序存储区主要存放用户已编制好的程序或正在调试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 3 用户数据存储区通常采用RAM存储器 3 输入 输出接口 作用 连接用户输入输出设备和PLC控制器 将各输入信号转换成PLC标准电平供PLC处理 再将处理好的输出信号转换成用户设备所要求的信号驱动外部负载 对输入输出接口的要求 良好的抗干扰能力 对各类输入输出信号 开关量 模拟量 直流量 交流量 的匹配能力 各种输入接口均采取了抗干扰措施 光耦合器隔离RC滤波器 PLC与外部设备联系的桥梁 开关量输入单元 开关量输出单元 开关量I O模块的外部接线方式 开关量I O模块的点数一般是2的n次方 如4 8 16点 开关量I O模块的外部接线方式有汇点式 分组式和分隔式 1 输入接口电路 采用光电耦合器 防止强电干扰 直流输入电路 交流输入电路 继电器输出 2 输出接口电路 以继电器形式为例 PLC 交流电源或直流电源 晶体管输出电路 晶闸管输出电路 继电器输出电路 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 4 编程器 编程器是PLC的重要外围设备 使用编程器将用户编写的程序存入用户程序存储区 实现人与PLC的对话 1 编程器的类型简易编程器图形编程器计算机编程器 2 简易编程器简介 液晶显示屏 16字符X4行带后照明 功能键专用键指令键元件符号键数字键 连接用接插件其他键清除键辅助键空格键步序键光标键执行键 5 电源 可编程控制器内部有一稳压电源 用来把供电电源转换成满足PLC的各内部电路 如CPU 存储 I O接口等 工作所需要的直流电源 FX2系统PLC采用开关电源 除向PLC内部电路供电外 还可向外提供DC24V稳压电源用于对外部供电 6 扩展接口 若PLC主机板 又称基本单元 的I O点数不能满足输入 输出设备的需要时 可用扩展电缆将I O扩展单元与基本单元相连 达到灵活配置 增加I O点数的目的 I O扩展接口 采用并行通讯方式扩展I O模块 扩展位置控制模块 如F2 30GM 扩展通讯模块 如FX 232AW等 扩展模拟量控制模块 如FX 2DA FX 4AD等 3 2可编程控制器的工作原理 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 3 2 1可编程控制器的工作方式 3 2 2可编程控制器的工作过程 PLC投入运行后 要完成以下操作 以故障诊断和处理为主的公共操作联系现场信号输入 输出状态刷新执行用户程序服务于外设命令的操作PLC中的CPU采用分时方式去执行这些操作 按顺序每一时刻执行一个操作 PLC循环扫描工作流程 1 PLC扫描工作各环节的功能 PLC上电后 首先检查硬件是否正常 按自上而下的顺序 逐条读用户程序并执行 对输入的数据进行处理 将结果存入元件映象寄存器 计算扫描周期 若正常 则进行下一步 若不正常 则报警并作处理 I O刷新阶段 外设端口服务 读输入点的状态并写入输入映像寄存器 将元件映像寄存器的状态经输出锁存器 输出电路送到输出点 访问外设端口连接的外部设备 读 读 读 写 写 执行用户程序 2 PLC执行用户程序的过程 3 PLC控制的原理 等效电路图 SB1 公共端 公共端 输出端子 输入端子 主电路 线圈通电 SB1闭合 I0 0闭合 接点闭合 触点闭合 电动机转 触点闭合 SB2 ST SB1 KM 线圈断电 I0 1断开 接点断开 触点断开 电动停转 触点断开 SB2闭合 KM 集中采样 集中输出 周期性循环扫描串行工作方式 3 2 3PLC的工作特点 由于PLC是集中采样 在程序处理阶段即使输入发生了变化 输入映象寄存器中的内容也不会变化 要到下一周期的输入采样阶段才会改变 注意 由于PLC是串行工作方式 所以PLC的运行结果与梯形图程序的顺序有关 这与继电器控制系统 并行 工作有质的区别 避免了触点的临界竞争 减少了繁琐的联锁电路 扫描周期计算 扫描周期除了输入采样 程序执行 输出刷新三个阶段外 还要进行自诊断 与外设 如编程器 上位计算机 通信等处理 一般说来 同型号的PLC 其自诊断所需的时间相同如三菱FX2系列机自诊断时间为0 96ms 例 三菱公司FX2 40M 配置开关量输入24点 开关量输出16点 用户程序为1000步 不包含特殊功能指令 PLC运行时不连接上位计算机等外设 I O的扫描速度为0 03ms 8点 用户程序的扫描速度为0 74us 步 自诊断所需的时间为0 96ms 试计算一个扫描周期所需要的时间为多少 解 扫描40点I O所需要的时间为 T1 0 03ms 8点 40点 0 15ms扫描1000步程序所需要的时间为 T2 0 74us 步 1000步 0 74ms自诊断所需要的时间为 T3 0 96ms因PLC运行时 不与外设通信 所以通信时间为 T4 0这样一个扫描周期T为 T T1十T2十T3 T4 0 15ms十0 74ms十0 96ms 1 85ms 不能完全精确计算出PLC一次的扫描周期 1 在Fx2系列PLC中 当PLC投入运行后 CPU将最大扫描周期 最小扫描周期和当前扫描周期的值分别存入D8012 D8011 D80l0三个特殊数据寄存器中 计时单位 1ms 用户可以通过编程器查阅 监控扫描周期的大小及变化 2 在Fx2系列PLC中 提供恒定的扫描周期扫描用户程序的运行方式 用户可将通过计算或实际测定的最大扫描周期再留一些余量 作为恒定扫描周期的值存放在特殊数据寄存器D8039中 计时单位 1ms 当特殊辅助继电器M8039线圈被接通时 PLC按照D8039中存放的数据以恒定周期扫描用户程序 输出滞后 从PLC的外部输入信号发生变化至它所控制的外部输出信号发生变化的时间间隔 一般为几十 100ms 引起输出滞后的因素 输入模块的滤波时间 输出模块的滞后时间 扫描方式引起的滞后 注意 扫描过程的简单实例 输入 输出响应滞后示意图 a b 3 3可编程控制器的编程语言 可编程控制器的编程语言主要有 梯形图语言助记符语言功能块图功能表图高级语言 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 下图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 3 3 1梯形图语言 典型的梯形图 在梯形图中 分别表示PLC各种编程元件 也称软继电器 的常开触点和常闭触点 则表示PLC各种编程元件的线圈 应注意 它们并非物理实体 不是真实的物理继电器 即硬件继电器 只是概念上的意义 即只是软件中使用的编程元件 梯形图的一个关键概念是 能流 PowerFlow 这仅是概念上的 能流 图中 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 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 梯形图语言简单明了 易于理解 是所有编程语言的首选 编写梯形图语言应遵循以下原则 1 梯形图图形符号应放在左右两条垂直母线之间 根据需要在最外层的主母线内可嵌套小母线 2 梯形图按横行从上到下排列 每一横行由左至右编写 可编程控制器也按此编写顺序执行程序 3 梯形图左侧I O接点和内部继电器接点可以是常开接点也可以是常闭接点 也可表示定时器 计数器的状态 4 梯形图右侧应放置输出元件 相当于继电器控制原理图中的继电器线圈 梯形图右侧放置的输出元件一般为I O继电器 内部继电器的线圈或其他相当于线圈的状态元件 5 梯形图中对应各种继电器的常开或常闭接点可以不受使用次数的限制任意串联和并联 同一编号的输出线圈一般情况下只能在梯形图中出现一次 不同的输出线圈只能并联不能串联 6 输入接点和输出继电器线圈对应的是I O映像寄存器的相应状态 不能直接驱动现场设备 现场设备只受控于输出继电器状态的接口元件 即通过输出模块的输出接口控制现场设备 3 3 2助记符语言 助记符语言是一种指令编程语言 指令由若干条基本指令和功能指令构成 若干条指令控制语句组成PLC的助记符控制程序 不同的生产厂家生产的PLC使用的助记符不同 下面以电机正 反转控制为例 用日本三菱公司生产的FX2系列可编程控制器的助记符来说明用助记符语言进行PLC编程的格式 电动机正反转电气控制原理图 PLC控制电器外围接线图 梯形图及助记符语言程序 其程序清单如下 3 3 3功能块图 功能块图 FBD 类似于普通逻辑功能图 它沿用了半导体逻辑电路的逻辑框图的表达方式 功能块图是图形化的高级编程语言 功能块图 FBD 功能有 基本逻辑功能计时和计数功能运算和比较功能数据传送功能