《可编程序控制器应用技术》课件第2章.ppt

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1、第2章 PLC的组成及工作原理,2.1 PLC的基本组成和各部分的作用 2.2 PLC的工作原理 2.3 PLC的编程语言 习题,2.1 PLC的基本组成和各部分的作用,2.1.1 PLC的基本组成PLC采用典型的计算机结构，其实质就是一种工业控制计算机。PLC主要由中央处理单元、存储器、输入/输出接口、编程器、电源以及其他电路组成，如图2.1所示。,图2.1 PLC的基本组成,2.1.2 PLC各部分的作用1中央处理单元(CPU)CPU是PLC的核心部件，由控制电路、运算器和寄存器组成，这些电路一般都集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路连接。

2、CPU因PLC的型号不同也不一样。小型PLC一般采用8位、16位微处理器或单片机，如Z80A、8031、M6800等；中型PLC大多采用16位、32位微处理器或单片机，如8086、96系列单片机，具有集成度高、速度快、可靠性高等优点；大型PLC大多采用高速位片式微处理器，具有灵活性强、运算速度快、效率高的优点。还有一些PLC采用冗余技术，即双CPU或者三CPU工作，进一步提高了系统的可靠性。,CPU的主要任务如下：(1)接收、存储用户程序。(2)以扫描方式接收输入的数据和状态信息，并存入映像寄存器或数据存储器。(3)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

3、用户程序所规定的各种操作。(4)响应外设请求。(5)诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程语法错误等。,2存储器(Memory)可编程序控制器配置有系统程序存储器和用户程序存储器。1)系统程序存储器系统程序存储器用来存放系统管理程序，并固化在ROM或EPROM存储器中，用户不可以访问和修改。它相当于个人计算机的操作系统，包括系统监控、用户指令解释、标准程序模块、系统调用和管理等程序以及系统参数等。,2)用户程序存储器用户程序存储器分为三部分：用户程序区、数据区和系统区。用户程序区存放用户经编程器输入的应用程序；数据区用于存放PLC运行过程中所生成的各种数据，包括输入/输出数据映像区、定时器与

4、计数器的预置值和当前值的数据等；系统区主要存放CPU的组态数据，如输入/输出组态、设置输入滤波、脉冲捕捉、输出表配置、模拟电位器设置、高速计数器配置、通信组态等。,3输入/输出单元(Input/Output Unit)输入/输出单元是可编程序控制器的CPU与现场输入/输出装置或其他外部设备之间的连接接口部件。输入单元将现场的输入信号，经过输入单元接口电路的转换，变换为标准电平的数字量信号，送给中央处理器进行运算和处理；输入单元一般有直流、交流和交直流输入单元以及模拟量和智能输入单元。,输出单元将中央处理器输出的控制信号变换为控制器件所能接收的电压、电流信号，以驱动接触器、电磁阀、指示灯等。输出

5、单元一般有继电器输出单元、晶体管输出单元和双向晶闸管输出单元以及模拟量和智能输出单元。所有的输入/输出单元均带有光电耦合电路，将PLC和外部电路隔开，以提高其可靠性。,4编程器编程器是PLC的重要外部设备，供用户编制程序、调试程序和监控等。很多现代PLC也可直接在计算机上利用组态软件进行编程和监控。5电源单元电源单元是PLC的供电部分，是把外部电源变换为系统内部各单元所需的电源，包括掉电保护电路和后备电池电源。PLC一般采用开关电源。,2.2 PLC的工作原理,2.2.1 建立I/O映像区在PLC的存储器建立了I/O映像区，其大小由PLC的程序所决定。每一个输入/输出点的编址号与输入/输出映像

6、区的某一位(地址号)相对应。PLC工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映像区对应的位上；将运算的结果存放到输出映像区对应的位上。PLC在执行程序时所需“输入继电器”和“输出继电器”的数据取自对应I/O映像区的内容，而不与外界设备发生接触。I/O映像区的建立不仅加快了程序的执行速度，而且还将中央处理模块和外界隔开，提高了系统的抗干扰能力。同时这种相对隔离也为PLC硬件的标准化创造了条件。,2.2.2 PLC的巡回扫描工作方式1PLC的工作过程PLC开始运行后，在系统程序的监控下周而复始地按照一定的顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上是按照巡回扫描的方式进行的。执行一次

7、巡回扫描所需要的时间称作扫描周期。PLC的工作过程如图2.2所示。,图2.2 PLC的工作过程,(1)初始化：PLC运行后，首先进行系统初始化，清除内部继电器区，复位定时器等。(2)CPU自诊断：PLC每个扫描周期都要进行自诊断，对电源、内部电路、用户程序的语法进行检查，定期复位监控定时器等，以确保系统可靠运行。(3)通信信息处理：在此阶段，进行PLC之间以及PLC与计算机之间的信息交换；PLC与其他带有微处理器的智能装置通信等。,(4)与外设交换信息：PLC与外部设备相连时，每个扫描周期都要进行信息交换。这些外部设备包括编程器、终端设备、打印机等。在程序输入、编辑、调试和监控时，PLC要和编

8、程器交换信息。(5)执行用户程序：执行用户程序时，以扫描的方式按顺序逐句扫描、处理，扫描一条执行一条，并把运算处理的结果存入输出映像区对应的位上。(6)输入/输出信息处理：在每个扫描周期都要把外部信号的状态存入输入映像区；把程序运行处理的结果存入输出映像区，直至传到外部被控设备。,2用户程序的巡回扫描过程CPU在运行(RUN)状态下，PLC对用户程序进行巡回扫描可分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段，如图2.3所示。,图2.3 PLC用户程序的工作过程,1)输入采样阶段在执行程序之前，首先扫描输入端子，按顺序将所有输入信号的状态存入输入映像寄存器中，这一过程称为输入采样。输

9、入映像区的信息供用户程序运行时使用。在该工作周期内输入采样结果不变，只有到下个扫描周期的输入采样阶段才会刷新。,2)程序执行阶段PLC完成采样后，从起始地址开始按自左而右、从上到下的顺序，对每条指令逐句扫描并执行。在执行程序时，分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中获取所需数据进行运算处理。再将运行结果写入输出映像寄存器中保存，但这个保存的结果在该程序执行阶段完成前不会送到输出端子上。,3)输出刷新阶段在程序执行阶段完成后，即执行完END指令，PLC将输出映像寄存器的内容集中转存到输出锁存寄存器，然后传送到输出端子进行输出，以驱动用户设备。,2.2.3 输入/输出延迟响应由于PL

10、C采用巡回扫描的工作方式，即对信息采用串行处理方式，必然导致输入/输出延迟响应。从PLC的一个输入信号状态发生变化到输出端对该信号做出反应就必然需要一定的时间，这段时间就称为响应时间或滞后时间(通常有几十毫秒)。这种现象称为输入/输出延迟响应或滞后现象。对于一般的工业设备来说，其输入多为开关量，其输入信号的变化周期(秒级以上)大于程序扫描周期，所以这种延迟响应是完全允许的。而对于某些需要输出对输入做出快速响应的工业现场，可以采用快速响应模块、高速计数模块以及中断处理等措施来尽量减小响应时间。,从PLC的工作过程可总结出以下几个结论：(1)以扫描的方式处理程序，其输入/输出信号间存在着原理上的延

11、迟响应。程序越复杂，扫描周期越长，延迟响应必然越严重。(2)扫描周期除了输入采样、程序执行、输出刷新三个主要工作阶段所占用的时间外，还包含系统管理操作所占用的时间。(3)输入/输出延迟响应不仅与扫描方式有关，还与程序设计安排有关。,2.3 PLC的编程语言,2.3.1 梯形图语言梯形图语言是PLC最常用的编程语言，类似于继电器接触器控制原理图，由触点、线圈或功能指令等构成。左右两条垂直线称为母线，如图2.4(a)所示。,图2.4 梯形图和助记符(指令表)(a)梯形图；(b)助记符(指令表),2.3.2 助记符(指令表)语言由若干条指令组成的程序称为指令表程序，有的生产厂商将指令称为语句。可编程

12、序控制器的指令是一种与汇编语言中的指令相似的助记符表达式。小型可编程序控制器的指令系统比汇编语言简单得多，使用20多条基本逻辑指令就可以编制出能替代继电器接触器控制系统的梯形图。指令表程序较难阅读，其中的逻辑关系很难一眼看出，所以在设计时一般使用梯形图语言。使用编程软件可以直接将梯形图写入可编程序控制器，并在显示器上显示出来。如果使用简易编程器，则必须将梯形图转换成指令表后再写入可编程序控制器，这种转换的规则很简单。在用户程序存储器中，指令按步序号顺序排列，图2.4(a)梯形图对应的助记符(指令表)如图2.4(b)所示。,2.3.3 功能图语言功能图语言类似于数字逻辑电路的形式，对于熟悉数字电

13、路的技术人员比较容易掌握。功能图语言如图2.5所示，其中I表示输入信号，Q表示输出信号。,图2.5 功能图语言,2.3.4 顺序控制功能图语言顺序控制功能图应用于顺序控制类的程序设计，包括工步、具体动作和转换条件三个基本要素。顺序控制功能图编程法是将复杂的控制过程分成多个工作步骤(简称工步)，每个工步又对应着多个具体的工艺动作，把这些工步依据一定的顺序要求进行排列组合，再在不同工步内实现各自的具体要求，形成一个完整的控制程序。顺序控制功能图在复杂控制系统中有着很重要的地位。本书将在第4章对顺序控制功能图编程作较为详细的介绍。顺序控制功能图如图2.6所示。,图2.6 顺序控制功能图,2.3.5 高级编程语言高级编程语言已在部分PLC生产厂商使用，它类似于BASIC语言、C语言等高级语言，如德国生产的Jetter PLC就是利用此类语言进行编程。,习 题,2.1 PLC由哪几部分组成？各部分的作用是什么？2.2 PLC采用哪种工作方式？执行用户程序分哪几个阶段？2.3 PLC为何会出现响应延迟现象？2.4 PLC常用的编程语言有哪几种？,