结构及工作原理.ppt

2.1 可编程控制器的硬件构成2.2 可编程控制器的软件构成2.3 可编程控制器的工作原理2.4 可编程控制器的分类,2.1 可编程控制器的硬件构成,一、CPU模块,二、输入输出接口电路,三、电源,四、外部设备,图1 可编程控制器,2.1 可编程控制器的硬件构成,图2 PLC的硬件结构,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,一、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）,一、CPU模块,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。,输入输出接口是PLC与工业控制现场各类信号连接的部分。,二、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,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 将现场各种开关量信号（如按钮、选择、行程、限位、接近等开关）转换成PLC内部统一的标准信号电平，传送到内部总线的输入接口模块。,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。,二、输入输出接口,1开关量输入接口,图3 直流开关量输入单元,二、输入输出接口,24V直流由PLC内部提供,1开关量输入接口,图4 交流开关量输入单元,二、输入输出接口,由PLC外部提供交流电源，交流信号经整流、限流后再通过光耦传入CPU。,特点：a、1次电路与2次电路间用光电耦合器隔离。可防止输入触点抖动、输入线混入的噪声所引起的误动作；b、光耦器初、次级间无电路直接联系，绝缘电阻大，可耐高压（1500V），将生产现场与PLC内部隔离，提高可靠性;c、单个模块输入点数：8、16、32点，各点电路相同。按输入模块与外部用户设备接线，可分为汇点输入接线和独立输入接线两种基本形式。,汇点输入：各输入元件共用一个公共端COM，可以是全部输入点为一组，共用一个公共端和一个电源，也可将全部输入点分为若干组，每组有一个公共端和电源。图 汇点输入接线示意图 图 独立输入接线示意图独立输入：每一个输入元件有两个接线端（图中COM端在PLC中是彼此独立的），由用户提供的一个独立电源供电，控制信号通过用户输入设备的触点输入。,二、输入输出接口,输入接口的接线方式,开关量输出接口，其作用是把PLC的内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。,考虑负载的驱动电源时，还需选择输出器件的类型。,继电器型的输出接口，可用于交流及直流两种电源，接通和断开的频率低，带负载能力强；,晶体管型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用于交流驱动的场合，适用快速、频繁动作和大电流的场合。,开关量输出接口,二、输入输出接口,继电器输出：CPU控制继电器KA线圈，由KA的一个常开触点控制外部负载。可带交、直流负载，用户提供电源。继电器输出电路 晶体管输出电路晶体管输出：通过光耦合使开关晶体管VT通断控制外电路。只能带直流负载，用户提供直流电源。,二、输入输出接口,晶闸管输出：由光电耦合器中的双向光敏二极管控制双向晶闸管VT的通断，从而控制外部负载。只能带交流负载，交流电源由用户提供。双向晶闸管输出电路,二、输入输出接口,汇点输出：全部输出点汇集成一组，共用一个公共端COM和一个电源；或将输出点分成若干组，每组一个公共端COM和一个独立电源。两种形式的电源均由用户提供，可用直流或交流。独立输出：每个输出点构成一个独立回路，由用户单独提供一个电源，各个输出点间相互隔离，负载电源按实际情况可用直流或交流。汇点输出接线示意图 独立输出接线示意图,输出接口电路的几项技术指标：a响应时间继电器输出：最慢，约10ms；晶体管输出：最快，约02ms以下；晶闸管输出：较快，约1ms以下。b输出电流继电器型：AC250V以下，可驱动负载：纯电阻2A1点；感性：80VA以下（AC100V或AC200V）；灯负载：100W以下（AC100V或AC200V）。直流感性负载要并联分流二极管，最大电压不超过DC30V。晶闸管型：每点输出电流最大03A，考虑温度上升因素，每4点总电流必须在08A以下（每点平均02A）。晶体管型：每点05A。考虑温度上升因素，每4点输出总电流不得大于08A。c开路漏电流继电器型无开路漏电流；晶闸管型较大；晶体管型在100A以下。,输出接口接线方式（分组式）,图7 PLC的输出接口,二、输入输出接口,模拟量输入接口（AD模块）模拟量输入接口把现场连续变化的模拟量信号转换成适合可编程控制器内部处理的二进制数字信号。,模拟量信号输入后一般经运算放大器放大后进行AD转换，再经光电耦合后为可编程控制器提供一定位数的数字量信号。,图8 模拟量输入单元框图,二、输入输出接口,模拟量输出接口（DA模块）模拟量输出接口将PLC运算处理后的数字信号转换为相应的模拟量信号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需求。模拟量输出接口一般由光电隔离、DA转换和信号驱动等环节组成。,图1.9 模拟量输出单元框图,二、输入输出接口,为了适应更复杂的控制工作的需要，可编程控制器还有一些智能控制单元，如PID单元、高速计数器单元、温度控制单元、通信单元、定位单元等。特殊功能模块都是独立的工作单元，它们和普通输入输出接口的区别在于都带有独立的CPU，有专门的处理能力。,智能输入输出接口（特殊功能模块）,二、输入输出接口,图10 特殊功能模块,三、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,四、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,2.2 可编程序控制器的软件构成,一、可编程序控制器的系统软件二、可编程序控制器的应用软件三、可编程序控制器的编程元件四、可编程序控制器的编程软件,2.2 可编程控制器的软件构成,系统软件包括系统管理程序，用户指令解释程序和供系统调用的专用标准程序块等。,系统管理程序用于运行管理、存储空间分配管理和系统的自检，控制整个系统的运行；用户指令解释程序是把应用程序（梯形图）的输入翻译成机器能够识别的机器语言；专用标准程序模块是由许多独立的程序块组成，各自能完成不同的功能。,系统程序由PLC生产厂家提供，并固化在EPROM中，用户不能直接读写。,一、可编程序控制器的系统软件,二、可编程序控制器的应用软件,1、应用软件,2、继电接触器与PLC控制方案的比较,例1 用继电接触器实现电动机启停控制,QS,FR,FU,KM,M3,工作原理:合刀开关QS,按SB1KM线圈得电,按SB2KM线圈失电,M3,M3,KM辅助触头闭合自锁KM主触头闭合M运转,KM辅助触头解除自锁KM主触头断开M停转,KM,SB1,KM,SB2,FR,主电路,控制电路,QS,FR,FU,KM,M3,M3,M3,KM,FR,X0,X1,COM,Y0,COM1,Y0,X0,Y0,220 V,SB1,SB2,PLC,X1,例2 用PLC实现电动机启停控制,主电路,控制电路,用户程序,二、可编程控制器的应用软件,（1）梯形图（Ladder diagram）,3、应用软件编程语言表达方式,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，是从继电接触器控制电路演变过来的。梯形图与继电-接触器控制系统的电路图很相似，其中的编程元件沿用了“继电器”名称。梯形图的基本结构,1.编程元件：用户使用的每一个输入、输出端子及内部的存贮单元称为元件。元件数量由监控程序规定，它的多少决定PLC整个系统的规模及数据处理能力。,梯形图的几点说明,2.梯形图自上而下,从左向右排列3.梯形图中的继电器不是物理继电器,是变量存储器中的位触发器4.梯形图中的某个继电器只能出现一次5.梯形图是PLC的形象化编程6.输入继电器用于接PLC的外部输入信号.梯形图中只出现输入继电器的触点而无其线圈.7.输出继电器PLC的输出控制,不能直接驱动现场执行部件8.PLC的内部继电器不能做输出控制用,只是一些逻辑运算用中间存储单元的状态.,梯形图的几点说明,语句表类似于计算机汇编语言的形式，用指令的助记符来进行编程。它通过编程器按照语句表的语句顺序逐条写入PLC并可直接运行。语句表的指令助记符比较直观易懂，编程也简单，便于工程人员掌握，因此得到广泛的应用。每条语句CPU一个操作指令指令语句:操作码+操作数 操作码:指示CPU完成的某种操作-编程指令，包括逻辑运算,算术、定时、计数、移位、传递等 操作数：给出的是操作码指定的某种操作对象或执行操作所需的数据，通常是编程元件的编号或常数。,LD X000OR X002ANI X001OUT Y000LD X002OUT Y001,（2）指令表（Instruction list）,(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。,二、可编程控制器的应用软件,（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，熟悉数字电路的人比较容易掌握。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、输出端的小圆点表示“非”运算，信号自左向右流动。就像电路图一样，它们被“导线”连接在一起，如下图所示。,二、可编程控制器的应用软件,（5）结构文本（Structured text）随着PLC技术的飞速发展，如果许多高级功能还使用梯形图来表示，会很不方便。为了增强PLC的数学运算、数据处理、图表显示、报表打印等功能，方便用户的使用，许多大中型PLC都配备了PASCAL、BASIC、C等高级编程语言。这种编程方式叫结构文本。与梯形图相比，结构文本有两个很大的优点，其一是能实现复杂的数学运算，其二是非常简洁和紧凑，用结构文本编制极其复杂的数学运算程序可能只占一页纸。结构文本用来编制逻辑运算程序也很容易。,PLC 可看成是由各种功能元器件（软元件）组成的工业控制器。利用编程语言，按照一定的逻辑关系对这些软元件进行编程（调用），就可实现某种控制要求。,PLC 的编程软元件实质上是存储器单元，每个单元都有惟一的地址。在系统软件的安排下，不同的软元件具有不同的功能。编程元件的编号规则：以英文字母开头字母表示编程元件的的功能后跟数字。,三、可编程控制器的编程元件,四、可编程序控制器的编程软件,三菱SWOPC-FXGPWIN-C编程软件是用于FX系列PLC的编程软件。,2.3 可编程控制器的工作原理,一、扫描工作方式二、程序执行过程三、输入输出的处理规则四、信息刷新方式五、输入输出滞后时间,一、扫描工作方式,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。,输入映像寄存器,采样,元件映像寄存器,写,写,读,输出锁存电路,输出端子,输入端子,二、程序执行过程,读,图11 PLC的工作过程,刷新,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。,二、程序执行过程,二、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。,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。,二、程序执行过程,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。,二、程序执行过程,三、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。,四、信息刷新方式,信息刷新的方式有多种。一般来说，输入刷新是在输入采样阶段进行，输出刷新是在输出采样阶段进行。有的PLC其信息刷新的方式则与上述不同，输入刷新除了在输入采样阶段进行外，在程序执行阶段每隔一定时间还要刷新一次。同样，输出刷新除了在输出处理阶段进行外，在程序执行阶段，凡是程序中有输出指令的地方，该指令执行后又立即进行一次输出刷新。这种形式的PLC尤其适合于输入输出要求快速响应的场合。,五、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。,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。,五、输入输出滞后时间,2.4可编程控制器的分类,一、按硬件结构分：单元式 模块式 叠装式二、按I/O点数分：小型（2048),把CPU、RAM、ROM、I接口及与编程器或EPROM写入器相连的接口、输入输出端子、电源、指示灯等都装配在一起的整体装置。,单元式结构,一个箱体就是一个完整的PLC，叫做一个单元。,单元式结构,单元式结构,输入输出点数是固定的，不一定能适合具体的控制现场的需要。,有时整体PLC的输入口或输出口要扩展，这就又需要一种只有一些接口而没有CPU也没有电源的配件(扩展单元)。,结构紧凑，体积小、成本低、安装方便。,模块式结构,把PLC的每个工作单元都制成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块、通讯模块等等。,另外机器有一块带有插槽的母板，实质上就是计算机总线。模块插座插在框架中的总线连接板上，就构成了一个完整的PLC。,模块式结构,特点：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。,模块式结构,叠装式结构,单元式和模块式相结合的产物,把某一系列PLC工作单元的外形都作成外观尺寸一致的，CPU、I/O口及电源也可做成独立的，不使用模块式PLC的母板，用电缆联接各个单元，在控制设备中安装时一层层地叠装，这就是叠装式PLC。,