可编程控制器应用技术

1. 可编程控制器应用技术 第二章 可编程控制器的构成及工作原理

2. 目录 • 可编程控制器的硬件组成 • 可编程控制器按硬件结构及应用规模分类 • 可编程控制器的软件 • 可编程控制器的工作原理 • 可编程控制器的主要性能指标 • 常用PLC简介 1

3. 内容提要 和普通计算机一样,可编程控制器由硬件及软件构成。硬件方面,可编程控制器和普通计算机的主要差别在于PLC的输入输出口是为方便与工业控制系统接口专门设计的。软件方面和普通计算机的主要差别为PLC的应用软件是由使用者编制,用梯形图或指令表表达的专用软件。可编程控制器工作时采用应用软件的逐行扫描执行方式,这和普通计算机等待命令工作方式也有所不同。从时序上来说,可编程控制器指令的串行工作方式和继电接触器逻辑判断的并行工作方式也是不同的。 2

4. 图2-1 单元式 PLC结构框图 第一节 可编程控制器的硬件组成 中央处理器 (CPU) 存储器 (RAM、ROM) 输入输出器件 (I/ O接口) 电源及编程设备。 3

5. 第一节 可编程控制器的硬件组成 • 一、中央处理器 中央处理器是可编程控制器的核心,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工作等任务。 可编程控制器中采用的 CPU的三大类 • 通用微处理器,如80286、80386等 • 单片机芯片,如8031、8096等 • 位处理器,如 AMD2900、AMD2903等 4

6. 第一节 可编程控制器的硬件组成 • 二、存储器 存储器是可编程控制器存放系统程序、用户程序及运算数据的单元。 分类 按照存储类型分类 存储器区域按用途不同分类 • 只读存储器(ROM) • 随机读写存储器(RAM) • 程序区 • 数据区 5

7. 对输入输出接口有两个主要的要求： 一是有良好的抗干扰能力； 二是能满足工业现场各类信号的匹配要求。 第一节 可编程控制器的硬件组成 • 三、输入输出接口 输入输出接口是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分。 输入口用来接收生产过程的各种参数。 输出口用来送出可编程控制器运算后得出的控制信息,并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。 6

8. 第一节 可编程控制器的硬件组成 1.开关量输入接口 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。 按可接纳的外信号电源的类型不同分类： • 直流输入单元 • 交流输入单元 • 交/直流输入单元 7

9. 图2-2 直流输入电路 图2-3 交流/直流输入电路 图2-4 交流输入电路 第一节 可编程控制器的硬件组成 8

10. 第一节 可编程控制器的硬件组成 2.开关量输出接口 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。 按可编程机内使用的器件分类： • 继电器型 • 晶体管型 • 可控硅型 9

11. 图2-5 开关量输出电路 第一节 可编程控制器的硬件组成 10

12. 注意 输出接口本身都不带电源,而且在考虑外驱动电源时,还需虑及输出器件的类型。继电器式的输出接口可用于交流及直流两种电源,但接通断开的频率低;晶体管式的输出接口有较高的接通断开频率,但只适用于直流驱动的场合;可控硅型的输出接口仅适用于交流驱动场合。 第一节 可编程控制器的硬件组成 11

13. 滤波 电平 转换 现场 装置 多路 转换 开关 A/D 锁 存 器 光电 隔离 总线 逻辑 数据 总线 滤波 电平 转换 现场 装置 图2-6 模拟量输入电路框图 第一节 可编程控制器的硬件组成 3.模拟量输入接口 作用是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合可编程序控制器内部处理的由若干位二进制数字表示的信号。 12

14. 图2-7 模拟量输出原理框图 第一节 可编程控制器的硬件组成 4.模拟量输出接口 作用是将可编程控制器运算处理后的数字量信号转换为模拟量输出,以满足生产过程现场连续控制信号的需求。 13

15. 第一节 可编程控制器的硬件组成 5.智能输入输出接口 功能模块——智能控制单元，如 PID工作单元、高速计数器工作单元、温度控制单元等 智能输入输出接口和普通输入输出接口的区别 ——在于具有单独的 CPU ,有专门的处理能力。 14

16. 第一节 可编程控制器的硬件组成 • 四、电源 分类 • 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 15

17. 分类 功能 • 专用的编程器 • 个人计算机 • 编程 • 一定的调试及监视功能 第一节 可编程控制器的硬件组成 • 五、外部设备 1.编程器 按照功能强弱,手持式编程器又可分为简易型及智能型。 16

18. 图2-8 FX-20P型手持式编程器 第一节 可编程控制器的硬件组成 17

19. 第一节 可编程控制器的硬件组成 2.其他外部设备 PLC还可以配设盒式磁带机、打印机、EPROM写入器、高分辨率大屏幕彩色图形监控系统等其他一些外部设备。 18

20. 特点 结构紧凑,体积小、成本低、安装方便。 输入输出接口数是固定的,不一定适合具体的控制现场的需要。 缺点 第二节 可编程控制器按硬件结构及应用规模分类 • 一、按硬件的结构类型分类 1.单元式结构 把 CPU、RAM、ROM、输入输出端子及其他I/O接口、电源、指示灯甚至编程器等都装配在一起的整体装置,一个箱体就是一个完整的 PLC。 19

21. 图2-9 单元式可编程控制器 第二节 可编程控制器按硬件结构及应用规模分类 20

22. 第二节 可编程控制器按硬件结构及应用规模分类 2.模块式结构 特点 把 PLC的每个工作单元都制成独立的模块,机器上有一块带有插槽的母板。 该结构的PLC的特点是系统构成非常灵活,安装、扩展、维修都很方便。缺点是体积比较大。 21

23. 图2-10 模块式可编程控制器 第二节 可编程控制器按硬件结构及应用规模分类 22

24. 第二节 可编程控制器按硬件结构及应用规模分类 3.叠装式结构 叠装式结构是单元式和模块式相结合的产物。把某一系列 PLC工作单元的外形都做成外观尺寸一致的, CPU、I/O口及电源也可做成独立的,不使用模块式 PLC中的母板,采用电缆连接各个单元,在控制设备中安装时可以一层层地叠装,这就是叠装式 PLC。 23

25. 图2-11 叠装式可编程控制器 第二节 可编程控制器按硬件结构及应用规模分类 24

26. 使用场合比较 单元式 PLC一般用于规模较小,输入输出点数固定,以后也少有扩展的场合。模块式PLC一般用于规模较大,输入输出点数较多,输入输出点数比例比较灵活的场合。叠装式PLC具有二者的优点,从近年来市场上看,单元式及模块式有结合为叠装式的趋势。 第二节 可编程控制器按硬件结构及应用规模分类 25

27. 第二节 可编程控制器按硬件结构及应用规模分类 • 二、按可应用规模及功能分类 按照机器点数（一般将一路信号叫做一个点,将输入点和输出点数的总和称为机器的点数）的多少,可将 PLC分为超小 (微)、小、中、大、超大等五种类型。 表2-1 PLC按点数规模分类 按功能分为低档机、中档机及高档机。 26

28. 第三节 可编程控制器的软件 • 一、软件的分类 1.系统软件 系统软件含系统的管理程序,用户指令的解释程序,另外还包括一些供系统调用的专用标准程序块等。 2.应用软件 应用软件也叫用户软件,是用户为达到某种控制目的,采用专用编程语言自主编制的程序。 27

29. 图2-12 异步电动机单向运行 PLC控制方案 第三节 可编程控制器的软件 28

30. 图2-13 异步电动机可逆运行 PLC控制方案 第三节 可编程控制器的软件 29

31. 第三节 可编程控制器的软件 • 二、应用软件常用的编程语言 1.梯形图(Ladder diagram) 梯形图语言是一种以图形符号及图形符号在图中的相互关系表示控制关系的编程语言,是从继电器电路图演变过来的。 30

32. 第三节 可编程控制器的软件 绘梯形图的一种设计思想:将可编程控制器中参与逻辑组合的元件看成和继电器一样,具有常开、常闭触点及线圈,且线圈的得电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电路中的电流概念;使用绘制继电器电路图类似的思路绘出梯形图。 PLC中的继电器等编程元件不是实际物理元件,而只是计算机存储器中一定的位,它的所谓接通不过是相应存储单元置1而已。 31

33. 第三节 可编程控制器的软件 表2-2 符号对照表 32

34. 第三节 可编程控制器的软件 2.指令表(Instruction list) 指令表也叫做语句表。它和单片机程序中的汇编语言有点类似,由语句指令依一定的顺序排列而成。一条指令一般可分为二部分,一为助记符,二为操作数。 指令表语言和梯形图有严格的对应关系。对指令表运用不熟悉的人可先画出梯形图,再转换为语句表。另一方面,程序编制完毕装入机内运行时,简易编程设备都不具备直接读取图形的功能,梯形图程序只有改写为指令表才有可能送入可编程控制器运行。 33

35. 步1 转换1 动作1 步2 动作2 转换2 步3 图2-14 顺序功能图示意 第三节 可编程控制器的软件 3.顺序功能图(Sequential function chart) 顺序功能图常用来编制顺序控制类程序。它包含步、动作、转换三个要素。顺序功能编程法将一个复杂的顺序控制过程分解为一些小的工作状态,对这些小状态的功能分别处理后再将它们依顺序连接组合成整体的控制程序。 34

36. Test1 SR S1 Q1 R OR Test2 AND Start Sw1 %IX3 Reset 图2-15 功能块图的实例 第三节 可编程控制器的软件 4.功能块图(Function block diagram) 功能块图是一种类似于数字逻辑电路的编程语言。该编程语言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系,方框的左侧为逻辑运算的输入变量,右侧为输出变量,输入端、输出端的小圆圈表示“非”运算,信号自左向右流动。 35

37. 第四节 可编程控制器的工作原理 可编程控制器的工作原理可以简单地表述为在系统程序的管理下,通过运行应用程序完成用户任务。 个人计算机与 PLC的工作方式有所不同,计算机一般采用等待命令的工作方式。而 PLC在确定了工作任务,装入了专用程序后成为一种专用机,它采用循环扫描工作方式,系统工作任务管理及应用程序执行都是循环扫描方式完成的。 36

38. 第四节 可编程控制器的工作原理 • 一、分时处理及扫描工作方式 PLC系统正常工作所要完成的任务: ①计算机内部各工作单元的调度,监控； ②计算机与外部设备间的通讯; ③用户程序所要完成的工作。 37

39. 用户程序完成的三个阶段： 1.输入处理阶段 2.程序执行阶段 3.输出处理阶段 第四节 可编程控制器的工作原理 程序执行扫描工作过程 38

40. 停止 运行 内部处理 通信操作 输入处理 程序执行 输出处理 图2-17 扫描过程示意图 第四节 可编程控制器的工作原理 • 二、扫描周期及PLC的两种工作状态 PLC有两种基本的工作状态,即运行(RUN)状态与停止(STOP)状态。 运行状态是执行应用程序的状态。停止状态一般用于程序的编制与修改。 扫描周期？ 39

41. 第四节 可编程控制器的工作原理 • 三、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控制的有关外部输出信号发生变化的时刻止之间的间隔。 定义 组成 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组成。 40

42. 第四节 可编程控制器的工作原理 输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声,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。 输出模块的滞后时间与模块开关元件的类型有关。 41

43. 图2-18 PLC的输入/输出延迟 第四节 可编程控制器的工作原理 42

44. 第四节 可编程控制器的工作原理 • 四、可编程控制器系统与继电接触器系统工作原理的差别 差别一 继电器电路图是用低压电器的接线表达逻辑控制关系的,可编程控制器则使用梯形图表达这种关系。 43

45. 第四节 可编程控制器的工作原理 差别二 在运行时序上：对于继电器电路来说,忽略电磁滞后及机械滞后,同一个继电器的所有触点的动作是和它的线圈通电或断电同时发生的。但在 PLC中,由于指令的分时扫描执行。同一个器件的线圈工作和它的各个触点的动作并不同时发生。这就是继电接触器系统的并行工作方式和 PLC的串行工作方式的差别。 44

46. 图2-19 “定时点灭”电路 第四节 可编程控制器的工作原理 45

47. 注意！ 在总的点数中,输入点与输出点总是按一定的比例设置的,往往是输入点数大于输出点数,且输入与输出点数不能相互替代。 第五节 可编程控制器的主要性能指标 1.输入/输出点数 输入输出点数是PLC组成控制系统时所能接入的输入输出信号的最大数量,表示PLC组成系统时可能的最大规模。 46

48. 第五节 可编程控制器的主要性能指标 2.应用程序的存储容量 应用程序的存储容量是存放用户程序的存储器的容量。通常用K字(kw),K字节(kb)或K位来表示，1K=1024。也有的PLC直接用所能存放的程序量表示。 47

49. 第五节 可编程控制器的主要性能指标 3.扫描速度 一般以执行1000条基本指令所需的时间来衡量。单位为毫秒/千步,也有以执行一步指令时间计的,如微秒/步。 一般逻辑指令与运算指令的平均执行时间有较大的差别,因而大多场合,扫描速度还往往需要标明是执行哪类程序。 48

50. 第五节 可编程控制器的主要性能指标 4.编程语言及指令功能 不同厂家的 PLC编程语言不同且互不兼容。从编程语言的种类来说,一台机器能同时使用的编程方法多,则容易更多的人使用。 衡量指令功能强弱可看二个方面:一是指令条数多少,二是指令中有多少综合性指令。 49