第五章 可編程控制器結(jié)構(gòu) 及工作原理

第五章可編程控制器的結(jié)構(gòu)及工作原理第一節(jié)可編程控制器的硬件系統(tǒng)第二節(jié)可編程控制器的軟件及編程語言第三節(jié)可編程控制器的工作原理第一節(jié)可編程控制器的硬件系統(tǒng)輸出設(shè)備輸入設(shè)備

I/O擴(kuò)展單元

特殊功能單元主機(jī)輸出單元輸入單元

電源外設(shè)接口I/O擴(kuò)展口存儲(chǔ)器

系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器CPU

用戶程序存儲(chǔ)器打印機(jī)EPROM寫入器

上位計(jì)算機(jī)PLC編程器…PLC硬件——CPU1、中央處理器（CPU）接收并存儲(chǔ)用戶程序和數(shù)據(jù)；診斷電源、PLC工作狀態(tài)及編程的語法錯(cuò)誤；接收輸入信號(hào)，送入數(shù)據(jù)寄存器并保存；運(yùn)行時(shí)順序讀取、解釋、執(zhí)行用戶程序，完成用戶程序的各種操作；將用戶程序的執(zhí)行結(jié)果送至輸出端。

2、存儲(chǔ)器

PLC的存儲(chǔ)器用來存放程序和數(shù)據(jù)。程序又分為系統(tǒng)程序和用戶程序。存儲(chǔ)區(qū)的分配：1、系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器（區(qū)）（EPROM）2、用戶程序存儲(chǔ)器（區(qū)）（RAM）3、變量（數(shù)據(jù)）存儲(chǔ)器（區(qū)）…..1區(qū)2區(qū)3區(qū)PLC硬件——存儲(chǔ)器PLC硬件——存儲(chǔ)器（1）系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器（區(qū)）該存儲(chǔ)器存放系統(tǒng)程序（系統(tǒng)軟件）。系統(tǒng)程序是PLC研制者所編的程序，用來管理、協(xié)調(diào)PLC各部分的工作，翻譯、解釋用戶程序，進(jìn)行故障診斷等，它是決定PLC性能的關(guān)鍵。系統(tǒng)程序包括監(jiān)控程序、解釋程序、故障自診斷程序、標(biāo)準(zhǔn)子程序庫及其他各種管理程序等。系統(tǒng)程序由制造廠家提供，一般都固化在ROM或EPROM中，用戶不能直接存取。PLC硬件——存儲(chǔ)器（2）用戶程序存儲(chǔ)器（區(qū)）該存儲(chǔ)器存放用戶程序（應(yīng)用軟件）。用戶程序是用戶為解決實(shí)際問題并根據(jù)PLC的指令系統(tǒng)而編制的程序，它通過編程器輸入，經(jīng)CPU存放入用戶程序存儲(chǔ)器。為便于程序的調(diào)試、修改、擴(kuò)充、完善，該存儲(chǔ)器早期采用RAM，現(xiàn)多采用EEPROM。（3）變量（數(shù)據(jù)）存儲(chǔ)器（區(qū)）變量存儲(chǔ)器存放PLC的內(nèi)部邏輯變量，如內(nèi)部繼電器、I/O寄存器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中邏輯變量的現(xiàn)行值等，這些現(xiàn)行值在CPU進(jìn)行邏輯運(yùn)算時(shí)需隨時(shí)讀出、更新有關(guān)內(nèi)容，所以，變量存儲(chǔ)器也采用RAM。PLC硬件——I/O接口3．輸入輸出接口（I/O）是CPU與工業(yè)現(xiàn)場裝置之間的連接部件。小型PLC，通常I/O與含有CPU主板部分做為一體。大中型PLC，通常將I/O做成可供選取、擴(kuò)充的標(biāo)準(zhǔn)模塊，可以根據(jù)實(shí)際需要靈活選擇。每個(gè)I/O都有相應(yīng)的工作指示燈。為了適應(yīng)可編程控制器在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的工作，對(duì)輸入輸出接口有二個(gè)主要的要求：良好的抗干擾能力能滿足工業(yè)現(xiàn)場各類信號(hào)的匹配要求PLC硬件——I/O接口(1)輸入接口功能：采集現(xiàn)場信號(hào)，通過光電隔離轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電平送給PLC內(nèi)部電路。輸入信號(hào)有開關(guān)量和模擬量。開關(guān)量輸入接口有直流和交流兩種。開關(guān)量信號(hào)：按鈕、開關(guān)、繼電器觸頭等模擬量信號(hào)：電位器、測速發(fā)電機(jī)等

輔助電源：DC24V輸入、DC12V輸入、AC輸入對(duì)輸入的模擬量，需進(jìn)行模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，才能為CPU所接受。PLC硬件——I/O接口(2)輸出接口連接被控對(duì)象中的各類執(zhí)行元件：接觸器、電磁閥、指示燈、調(diào)節(jié)閥（模擬量）、調(diào)速裝置（模擬量）等。為適應(yīng)不同負(fù)載，輸出方式有：晶體管輸出方式：驅(qū)動(dòng)用于直流負(fù)載晶閘管輸出方式：驅(qū)動(dòng)頻繁動(dòng)作的交/直流負(fù)載繼電器輸出方式：驅(qū)動(dòng)非頻繁動(dòng)作的交/直流負(fù)載

PLC的各種輸出方式同樣都要采用光電隔離。有些PLC還具有模擬輸出接口。PLC硬件——通訊及編程接口4、通訊及編程接口——采用RS-485或RS-422串行總線連接專用編程器（FX-20P、FX-10P）；連接個(gè)人電腦（PC），實(shí)現(xiàn)編程及在線監(jiān)控；連接工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)編程及在線監(jiān)控；連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如調(diào)制解調(diào)器），實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊；連接打印機(jī)等計(jì)算機(jī)外設(shè)。PLC硬件——擴(kuò)展接口5、I/O擴(kuò)展接口——采用并行通訊方式擴(kuò)展I/O模塊；擴(kuò)展位置控制模塊（如F2-30GM）；擴(kuò)展通訊模塊（如FX-232AW等）；擴(kuò)展模擬量控制模塊（如FX-2DA、FX-4AD等）。PLC硬件——電源6、電源可編程控制器的電源包括:*為可編程控制器各工作單元供電的開關(guān)電源*為掉電保護(hù)電路供電的后備電源，一般為電池PLC由開關(guān)式穩(wěn)壓電源為內(nèi)部電路供電。電源模塊：*可為CPU板、I/O板及擴(kuò)展單元提供工作電源。*有的PLC能向外部提供24V的直流電源，可作為輸入單元連接的外部設(shè)備的電源。其他部件可編程控制器一般可配備的外部設(shè)備：編程器用于用戶程序的編制、編輯、調(diào)試、檢查和監(jiān)視，還可調(diào)用與顯示PLC的一些內(nèi)部狀態(tài)和系統(tǒng)參數(shù)。編程器：便攜式：體積小、重量輕、便于現(xiàn)場使用，只能聯(lián)機(jī)編程。CRT智能式（圖形編程器）：體積大、價(jià)格貴、不便于現(xiàn)場使用，既可聯(lián)機(jī)又可脫機(jī)編程。編程器是專用的，不同型號(hào)PLC都有自己專用編程器。多臺(tái)同型號(hào)PLC可只配一個(gè)編程器。

編程器盒式磁帶機(jī)，用以記錄程序或信息打印機(jī)，用以打印程序或制表EPROM寫入器，用以將程序?qū)懭胗脩鬍PROM中高分辨率大屏幕彩色圖形監(jiān)控系統(tǒng)，用以顯示或監(jiān)視有關(guān)部分的運(yùn)行狀態(tài)編程器其他部件第二節(jié)可編程控制器的軟件及編程語言系統(tǒng)軟件

運(yùn)行管理

生成用戶環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)部自檢系統(tǒng)管理程序

用戶指令解釋程序標(biāo)準(zhǔn)程序模塊、系統(tǒng)調(diào)用用戶程序指令表順序功能流程圖軟件系統(tǒng)一、PLC軟件系統(tǒng)組成梯形圖二、PLC的編程語言

順序功能圖

梯形圖

指令表梯形圖編程語言：在繼電器控制線路的基礎(chǔ)上簡化了符號(hào)演變而來（圖形編程）。梯形圖具有形象、直觀、實(shí)用、電氣人員容易接受的特點(diǎn)，是目前用得最多的一種PLC編程語言。繼電器原理圖與梯形圖中所用圖符的對(duì)比關(guān)系1.梯形圖編程語言物理繼電器PLC繼電器常開常閉觸點(diǎn)線圈000005000500PLC控制0001SB2KMKM繼電器控制SB1

2.兩種控制的梯形圖比較物理繼電器繼電器需硬接線連接觸點(diǎn)個(gè)數(shù)有限PLC繼電器繼電器用程序軟連接觸點(diǎn)個(gè)數(shù)無限繼電器的接線改變——控制功能改變PLC的用戶程序改變——控制功能改變

3.兩種控制中繼電器的區(qū)別用PLC控制——外部接線不變，改變用戶程序。用繼電器控制——要改變控制電路的實(shí)際接線。

欲改變控制功能：SB1SB2KMFRKM繼電器控制接線PLC控制外部接線PLC~SB1SB2KM主電路相同例如KMQFUFR

M3~2、指令表指令語句表編程是用一個(gè)或幾個(gè)字符來代表可編程控制器的某種操作功能。指令語句的組成操作碼＋操作數(shù)操作碼：指定要執(zhí)行的功能，即CPU應(yīng)進(jìn)行的操作。操作數(shù)：包含執(zhí)行該操作所需的信息，即CPU應(yīng)用什么地方的東西來執(zhí)行此操作。不同廠家的PLC使用的操作碼助記符不同。0000050005000001LD0000OR0500ANDNOT0001OUT0500梯形圖程序語句表程序

多條指令語句的組合構(gòu)成了語句表程序3、順序功能流程圖編程：用功能圖來表達(dá)一個(gè)順序控制過程。功能表圖的組成：步、有向連線、轉(zhuǎn)換條件、動(dòng)作說明。1啟動(dòng)壓ST12壓ST23工進(jìn)車停原位快退快進(jìn)壓ST34正在執(zhí)行的步叫活動(dòng)步，當(dāng)前一步為活動(dòng)步且轉(zhuǎn)換條件滿足時(shí)，啟動(dòng)下一步并終止前一步。SB2SQSB1輸入部分用戶程序輸出部分~KM第三節(jié)可編程控制器的工作原理一、PLC控制系統(tǒng)的等效工作電路0500PLCCOM0000000000010002≈00000500000100020500COM000100021、輸入部分由外部輸入電路、PLC輸入接線端子和輸入繼電器組成。在PLC內(nèi)部，與輸入端子相連的輸入繼電器是“軟繼電器”（即存儲(chǔ)器基本單元中的某一位），采用八進(jìn)制編號(hào)，可提供無數(shù)個(gè)常開和常閉觸點(diǎn)供PLC內(nèi)部控制電路編程使用。輸入繼電器只能由現(xiàn)場的輸入元件（開關(guān)、按鈕等）信號(hào)驅(qū)動(dòng)，不能用程序驅(qū)動(dòng)。故梯形圖中只能使用輸入繼電器觸點(diǎn)，不能使用輸入繼電器線圈。輸入繼電器線圈的“得電”即將外部輸入元件的狀態(tài)寫入對(duì)應(yīng)的基本單元中。2、內(nèi)部控制電路指由用戶程序（梯形圖或指令語句）形成的用“軟繼電器”來代替硬繼電器的控制邏輯。作用：按照用戶程序規(guī)定的邏輯關(guān)系，對(duì)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的狀態(tài)進(jìn)行檢測、判斷、運(yùn)算和處理，然后得到相應(yīng)輸出。3、輸出部分輸出部分由PLC內(nèi)部與內(nèi)部控制電路隔離的輸出繼電器的外部常開觸點(diǎn)、輸出接線端子和外部驅(qū)動(dòng)電路組成。用來驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。在PLC內(nèi)部，外部輸出觸點(diǎn)與輸出端子相連，向外部負(fù)載輸出信號(hào)，且一個(gè)輸出繼電器只有一個(gè)常開型外部輸出觸點(diǎn)。輸出繼電器有無數(shù)個(gè)內(nèi)部常開和常閉觸點(diǎn)，編程時(shí)可隨意使用。二、PLC的工作方式及工作過程

工作方式：周期循環(huán)順序掃描一個(gè)循環(huán)掃描過程稱為掃描周期。掃描過程分為三個(gè)階段進(jìn)行：輸入采樣程序執(zhí)行輸出刷新輸入采樣程序執(zhí)行輸出刷新一個(gè)掃描周期●●●Y0Y1Yn輸入映像寄存器①采樣元素映像寄存器③寫⑤寫④讀X0Y0Y0M0●●●●●●輸出鎖存電路輸出端子輸入端子●●●②讀PLC的工作過程●●●X0X1Xn⑥刷新PLC具體工作過程如下：1、輸入采樣階段

PLC以掃描方式按順序?qū)⑺休斎攵说妮斎胄盘?hào)狀態(tài)（開或關(guān)、即ON或OFF、“1”或“0”）讀入到輸入映像寄存器中寄存起來，稱為對(duì)輸入信號(hào)的采樣。接著轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段，在程序執(zhí)行期間，即使輸入狀態(tài)變化，輸入映像寄存器的內(nèi)容也不會(huì)改變。輸入狀態(tài)的變化只能在下一個(gè)工作周期的輸入采樣階段才被重新讀入。2、程序執(zhí)行階段程序執(zhí)行階段，PLC對(duì)程序按順序進(jìn)行掃描。如果程序用梯形圖表示，則總是按先左后右、先上后下的順序進(jìn)行掃描；每掃描到一條指令時(shí)，所需要的輸入元件狀態(tài)或其它元件的狀態(tài)分別由輸入映像寄存器和元件映像寄存器中讀出，而將執(zhí)行結(jié)果寫入到元件映像寄存器中；元件映像寄存器中寄存的內(nèi)容，隨程序執(zhí)行的進(jìn)程而動(dòng)態(tài)變化。3、輸出刷新階段將元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)轉(zhuǎn)存到輸出鎖存寄存器，再去驅(qū)動(dòng)用戶輸出設(shè)備（負(fù)載），這就是PLC的實(shí)際輸出。注意：

PLC重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)過程，每重復(fù)一次的時(shí)間就是一個(gè)工作周期（或掃描周期）。

PLC在每次掃描中，對(duì)輸入信號(hào)采樣一次，對(duì)輸出