第二章 PLC的基本原理.ppt

第2章 可编程序控制器的基本原理,2.1 可编程序控制器的组成及其各部分的功能 2.2 可编程序控制器的结构形式 2.3 可编程序控制器的工作过程 2.4 可编程控制器的使用步骤 思考与练习题,2.1 可编程序控制器的组成及各部分的功能,PLC是微机技术和继电器控制技术相结合的产物，是在程序控制器、1位微处理机控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器。 从广义上讲，PLC是一种计算机系统，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的输入/输出接口，具有更适用于控制要求的编程语言，具有更适应于工业环境的抗干扰性能。,因此，PLC是一种工业控制用的专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。,2.1.1 可编程序控制器的基本组成 PLC与计算机控制系统的组成十分相似，也具有中央处理器（CPU）、输入/输出（ I/O）接口、电源等，如图2.1.1所示。 由于PC的中央处理器都是由微处理器、单片机或位片式计算机组成，存储器和I/O部件的形式也多种多样，因此，也可将PC的组成以微机控制系统常用的总线结构形式表示，如图2.1.2所示。,2.1.2 PC各组成部分的功能 下面结合图2.1.1、图2.1.2说明PC各组成部分的功能。 1、输入部件 输入部件是PC与工业生产现场被控对象之间的连接部件，是现场信号进入PC的桥梁。该部件接收由主令元件来的信号。,主令元件是指由用户在控制键盘（或控制台）上操作的一切功能键。如开机、关机、调试或紧急停车等按键。 主令元件给出的信号称为主令信号。 检测元件的功能是检测一些物理量（如行程距离、速度、位置、压力、流量、液位、温度、电压、电流等）在设备工作过程中的状态，并通过输入部件送入PLC以控制工作程序的转换等。,常见的检测元件有行程开关、限位开关、光电检测开关、继电器触点及其他各类传感器等。 输入方式:有两种，一种是数字量输入（也称为开关量或接点输入），另一种是模拟量输入（也称为电平输入）。后者要经过模拟/数字变换部件才能进入PLC。 输入部件均带有光电耦合电路，其目的是把PC与外部电路隔离开来，以提高PC的抗干扰,能力。为了与现场信号连接，输入部件内部还有滤波、电平转换、信号锁存电路。 各PC生产厂家都提供了多种形式的I/O部件或模块，供用户选用。 2、输出部件 输出部件也是PC与现场设备之间的连接部件，其功能是控制现场设备进行工作（如电机的启、停、,正/反转，阀门的开、关，设备的转动、移动、升降等）。对于PLC，希望它能直接驱动执行元件，如电磁阀、微电机、接触器、灯和音响等，因此，输出部件中的输出经常是一些大功率器件，如机械式继电器、无触点交流开关（如双向可控硅）及直流开关（如晶体三极管）等。 与输入部件类似，输出部件上也有输出状态锁存、显示、电平转换和输出接线端子排。输出部件,或模块也有多种类型供选用。 3、中央处理器（CPU） 微处理器单元(Central Processing Unit，CPU)与一般的计算机控制系统一样， CPU是PLC的核心部分，它包括微处理器和控制接口电路。微处理器是PLC的运算控制中心，由它实现逻辑运算，协调控制系统内部各部分的工作。它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的。它按PC中,系统程序赋予的功能，指挥PC有条不紊地进行工作。 CPU的具体作用如下： 接受、存储由编程工具输入的用户程序和数据，并通过显示器显示出程序的内容和存储地址。 检查、校验用户程序 对正在输入的用户程序进行检查，发现语法错误立即报警，并停止输入；在程序运行过程中若,发现错误，立即报警或停止程序的执行。 接收、调用现场信息 将接收到现场输入的数据保存起来，在需要的时候将其调出、并送到需要该数据的地方。 执行用户程序 当PLC进入运行状态后，CPU根据用户程序存放的先后顺序，逐条读取、解释和执行程序，,完成用户程序中规定的各种操作，并将程序执行的结果送至输出端口，以驱动PLC外部的负载。 故障的诊断 诊断电源、PLC内部电路的故障，根据故障或错误的类型，通过显示器显示出相应的信息，以提示用户及时排除故障或纠正错误。 PLC常用的微处理器主要有通用微处理器、单片机或双极型位片式微处理器。通用微处理器,按其处理数据的位数可分为4位、8位、16位和32位等。PLC大多用8位和16位微处理器。 单片机是将微处理器、部分存储器、部分输入输出接口以及连接它们的控制接口电路等集成在一块芯片上的处理器，具有高集成度、高可靠性、高功能、高速度、低成本等优点。 控制接口电路是微处理器与主机内部其他单元进行联系的部件，主要有数据缓冲、单元选择、信号,匹配、中断管理等功能。微处理器通过它来实现与各个单元之间的可靠的信息交换和最佳的时序配合。 与通用微机不同的是，PC具有面向电气技术人员的开发语言。通常以虚拟的输入继电器、输出继电器、中间辅助继电器、时间继电器、计数器等交给用户使用，这些虚拟的继电器也称“软继电器”、或“软元件”，理论上具有无限的常开、常闭触点，可在且只能在PC上编程使用，其具体结构对用户透明。,目前，小型PC为单CPU系统，而中型及大型PC则为双CPU甚至多CPU系统。PC所采用的微处理器有三种： （1）通用微处理器 小型PC一般使用8位微处理器如8080/8085、6800和Z80等，大中型PC除使用位片式微处理器外，大都使用16位或32位微处理器。当前不少PC的CPU已升级到INTEL公司的微处理器产,品，有些已采用奔腾（PENTIUM）处理器，如西门子公司的S7400。 采用通用微处理器的优点是： 价格便宜，通用性强，还可借用微机成熟的实时操作系统和丰富的软硬件资源。 （2）单片微处理器（即单片机） 它具有集成度高、体积小、价格低及可扩展性,好等优点。如INTEL公司的8位MCS51系列运行速度快，可靠性高，体积小，很适合于小型PC；16位96系列速度更快，功能更强，适合于大中型PC使用。 （3）位片式微处理器 它是独立于微型机的一个分支，多为双极型电路，4位为一片，几个位片级联可组成任意字长的微处理器，代表产品有AMD2900系列。PC中位片式,微处理器的主要作用有两个，一是直接处理一些位指令，从而提高了位指令的处理速度，减少了位指令对字处理器的压力；而二是将PC的面向工程技术人员的语言（梯形图、控制系统流程图等）转换成机器语言。 模块式PLC的CPU作为一种模块，备有不同型号供用户选择。,4、 存储器及存储器扩展 PLC中存储器的功能与普通微机系统中的存储器功能相似，存储器是PLC存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。它包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。PLC中存储器可以分为以下三种：,系统程序存储器 系统程序是厂家根据其选用的CPU的指令系统编写的，它决定了PLC的功能。目前主要采用的系统程序存储器是指用来存放系统管理、用户指令解释及标准程序模块、系统调用等程序的存储器。系统程序存储器是只读存储器(ROM)在使用过程中只能取出不能存储，用户不能更改其内容。只读存储器(ROM)按照其编程方式不同，可分为ROM、PROM、EPROM和EEPROM等。,ROM又称掩膜只读存储器，它存储的内容在其制造过程中确定，不允许再改变；PROM是可编程只读存储器，它的存储内容是由用户用编程器一次性写入的，不能再改变； EPROM是可擦除可编程只读存储器，它的存储内容也是由用户用编程器写入的，但是可以在紫外线灯的照射下擦除，因此，它允许反复多次地擦除和写入；,EEPROM是电擦除可编程只读存储器，它的存储内容由用户写入，在写入新的内容时，原来存储的内容会自动清除，它允许反复多次写入。 只读存储器(ROM)是非挥发性的，即在断电状态下仍能保持所存储的内容，因此它被用作PLC的系统存储器，存放生产企业编制的系统管理程序。用户逻辑解释程序和标准程序模块等组成系统程序，系统程序对用户来说是透明的，,不能被用户随意改变，它也常被生产企业存储在PROM或EPROM内，安装在PLC中一起供给用户。 用户程序存储器 用户存储器用来存储用户编制的梯形图程序或用户数据。存储用户程序的叫用户程序存储器。 根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序。不同机型的PLC，其用户程序存储器容量可能差异,较大。根据生产过程或工艺的要求，用户程序经常需要改动，所以用户程序存储器必须可读写。 随机存取存储器(RAM)在使用过程中能随时取出和存储，一般要用后备电池（锂电池）进行掉电保护，以防掉电时丢失程序。 目前较先进的PLC（如CPM2A等）采用可随时读写的快闪存储器作为用户程序存储器。快闪存储器不需后备电池，掉电时数据也不会丢失。,随机存取存储器(RAM)有两种类型： 静态RAM(SRAM)和动态RAM(DRAM)。SRAM是用D型触发器来存储写入的内容的，除非写入新的内容或电源关断，它存储的内容可以保持不变；DRAM是用电容来存储写入的内容的，由于电容要放电，为了维持写入的内容不变，必须对它重复进行读出和写入操作，即要有刷新电路配合使用。,随机存取存储器(RAM)是一种挥发性的器件，即当供电电源关掉后，其存储的内容会丢失，因此在实际使用中，通常为其配备掉电保护电路，当正常电源关断后，由备用电池为它供电，保护其存储的内容不丢失。 随机存取存储器(RAM)在PLC中用作用户程序的存储器和数据的存储器。用户程序存储器存放的是用户编制的应用程序。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。数据存储器存储的内容是PLC运行过程中产生的各种数据。由于这些数据是不断变化的，因此用随机存取存储器(RAM)来组成数据存储器。 工作数据存储器 用来存储工作数据的区域叫工作数据区。工作,数据是经常变化、经常存取的，所以这种存储器必须可读写。 在工作数据区中开辟有元件映像寄存器和数据表。其中元件映像寄存器用来存储开关量输入/输出状态以及定时器、计数器、辅助继电器等内部器件的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它存放用户程序执行时的某些可变参数值及AD转换得到的数字量和数字运算的结果等。再PLC断电时能,保持数据的存储器区称数据保持区。 用户数据存储区一般分为九大类，本书将在第3章中以CPM2A为例对各区的功能及用法作详细介绍。 由于PLC系统程序关系到PC的性能，不能由用户直接存取，因而，PLC产品样本或使用手册所列存储器形式及其容量一般都是指用户存储器而言。,PLC中已提供一定容量的存储器供用户使用，但对有些用户，可能还不够用，因此大部分PC都提供了存储器扩展（EM）功能，用户可以将新增的存储器扩展模板直接插入CPU模板中，也有的是插入中央基板中。 5、 输入/输出模块单元 输入/输出(I/O)单元是PLC与外部设备相互联系的窗口。输入单元接收现场设备向PLC提供的信号。,例如由按钮、操作开关、限位开关、继电器触点、接近开关、拨码器等提供的开关量信号。 这些信号经过输入电路的滤波、光电隔离、电平转换等处理，变成CPU能够接收和处理的信号。输出单元将经过CPU处理的微弱电信号通过光电隔离、功率放大等处理转换成外部设备所需要的强电信号，以驱动各种执行元件。 如接触器、电磁阀、电磁铁、调解阀、调速装置等。,PLC的对外功能： 主要是通过各类接口模块的外接线，实现对工业设备和生产过程的检测与控制。通过各种输入/输出接口模块，PLC既可检测到所需的过程信息，又可将处理结果传送给外部过程，驱动各种执行机构，实现工业生产过程的控制。 通过输入模块单元，PLC能够得到生产过程的各种参数；通过输出模块单元，PLC能够把运算,处理的结果送至工业过程现场的执行机构实现控制。 实际生产中的信号电平多种多样，外部执行机构所需电流也是多种多样，而PLC的CPU所处理的只能是标准电平，由于输入/输出模块单元与工业过程现场的各种信号直接相连，这就要求它有很好的信号适应能力和抗干扰性能。 因此，在输入/输出模块单元中，一般均配有电子变换、光耦合器和阻容滤波等电路，以实现外部,现场的各种信号与系统内部统一信号的匹配和信号的正确传递，PLC正是通过了这种接口实现了信号电平的转换 。 为适应工业过程现场对不同输入/输出信号的匹配要求，PLC配置了各种类型的输入/输出模块单元。其中常用的有以下几种类型： 开关量输入单元：,它的作用是把现场各种开关信号变成PLC内部处理的标准信号。开关量输入单元按照输入端的电源类型不同，分为直流输入单元和交流输入单元，分别如图2.2和图2.3所示。,图2.3 交流开关量输入单元,在直流输入单元中，电阻R1与R2构成分压器，电阻R2与电容C组成阻容滤波。二极管用于防止反极性电压输入，发光二极管(LED)指示输入状态。光耦合器隔离输入电路与PLC内部电路的电气连接，并使外部信号通过光耦合器变成内部电路接收的标准信号。当外部开关闭合后，外部直流电压经过电阻分压和阻容滤波后加到光耦合器的发光二极管上，经光耦合，光敏晶体管接收光信号，并输出一个对内部电路来说接通的信号，输出端的发光二极管(LED)点亮，指示现场开关闭合。,在交流输入单元中，电阻R2与R3构成分压器。电阻R1为限流电阻，电容C为滤波电容。双向光耦合器起整流和隔离双重作用，双向发光二极管用作状态指示。其工作原理和直流输入单元基本相同，仅在正反向时导通的双向光耦合器不同。 开关量输出单元： 它的作用是把PLC的内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。按照现场执行机构使用的电源类型的,不同，开关量输出单元可分为直流输出单元(晶体管输出方式或继电器触点输出方式)和交流输出单元(晶闸管输出方式或继电器触点输出方式)。 在继电器输出方式中，继电器作为开关器件，同时又是隔离器件。发光二极管(LED)构成输出状态显示器，当PLC输出一个接通信号时，内部电路使继电器线圈K通电，继电器触点闭合使负载回路的负载L接通得电，VD作为续流二极管以消除线圈,的反电动势，同时状态指示发光二极管(LED)导通点亮。根据负载的需要，负载回路的电源既可选用交流电源，也可选用直流电源。 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。图2.4给出了这种输出方案的原理图。,图2.4 继电器模式输出单元,在晶体管输出方式电路如图2.5所示，虚线框内是PLC内部的输出电路，框外右侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输出点的输出电路，各个输出点对应的输出电路均相同。 采用光敏晶体管作为开关器件。当PLC输出一个接通信号时，内部电路使光耦合器的发光二极管得电发光，光敏晶体管受光导通后，使晶体管导通，相应负载L得电。,R1,图中，T1是光耦合器，LED指示输出点的状态，T2为输出晶体管，D为保护二极管，FU为熔断器，防止负载短路时损坏PLC。 工作原理为：当对应于晶体管T2的内部继电器的状态为1时，通过内部电路使光耦合器T1导通，从而使晶体管T2饱和导通，因此负载得电。CPU使与该点对应的输出锁存器为高电平，使LED点亮，表示该输出点状态为1；当对应于T2的内部继电器的,状态为0时，光耦合器T1不导通，晶体管T2截止，负载失电。如果负载是感性的，则必须与负载并接续流二极管（如图中虚线所示），负载通过续流二极管释放能量。此时LED不亮，表示该输出点的状态为0。晶体管为无触点开关，所以晶体管输出单元使用寿命长，响应速度快。,在晶闸管输出方式中，采用光耦合式双向晶闸管作为开关器件，因此它同时又是隔离器件。 当PLC输出一个接通信号时，内部电路使固态继电器内输入电路中的发光二极管导通，通过光耦合使输出回路的双向晶闸管导通，负载得电。 如图2.6所示：虚线框内是PLC内部的输出电路，框外右侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输出点的输出电路，各个输出点所对应的输出电路均相同。,图中T为光控双向晶体管（两个晶体管反向并联），LED为输出点状态指示，R2、C构成阻容吸收保护电路，FU为熔断器。 工作原理为：当对应于T的内部继电器的状态为1时，发光二极管导通发光，不论外接电源极性如何都能使双向晶闸管T导通，负载得电，同时输出指示灯LED点亮，表示该输出点接通；当对应于T的内部继电器的状态为0时T关断，负载失电，指示灯LED灭。,双向晶闸管输出型PLC的负载电源，可以根据负载的需要选用直流或交流。 模拟量输入单元： 模拟量输入在过程控制中的应用很广，如常用的温度、压力、速度、流量、酸碱度、位移的各种工业检测都是对应于电压、电流的模拟量值，再通过一定运算(PID)后，控制生产过程达到一定的目的。,模拟量输入电平大多是从传感器通过变换后得到的，模拟量的输入信号为420 mA的电流信号或15 V、-1010 V、010 V的直流电压信号。输入模块接收这种模拟信号之后，把它转换成二进制数字信号，送给中央处理器进行处理，因此模拟量输入模块又叫A/D转换输入模块。,总之，模拟量输入单元的作用是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成PLC内部处理的、由若干位表示的数字信号。模拟量输入单元一般由滤波、A/D转换器、光耦合器隔离等部分组成。其原理框图如图2.5所示。,图2.5 模拟量输入单元框图,模拟量输入单元设有电压信号和电流信号输入端。输入信号通过滤波、运算放大器的放大和量程变换，转换成A/D转换器能够接收的电压范围，经过A/D转换器后的数字量信号，再经光耦合器隔离后进入PLC的内部电路。根据A/D转换的分辨率不同，模拟量输入单元能提供8位、10位、12位或16位等精度的各种位数的数字量信号并传送给PLC以进行处理。,模拟量的输入点数可以是28点，对于不同模拟量输入单元类型，输入点数不同。对多通道的模拟量输入单元，通常设置多路转换开关进行通道的切换，而在输出端应设置信号的寄存器。为了适应工业生产过程的控制要求，对模拟量输入单元采取了必要的防电磁干扰措施，例如，光耦合器隔离、阻容滤波等。为了防止其他信号的影响，也采取了设置反向二极管或熔丝管等措施。这些措施为PLC可靠地工作提供了保证。, 模拟量输出单元： 它的作用是把PLC运算处理后的若干位数字量信号转换成相应的模拟量信号然后输出，以满足生产过程现场连续信号的控制要求。模拟量输出单元一般由光耦合器隔离、D/A转换器和信号转换等部分组成，其原理框图如图2.6所示。,图2.6 模拟量输出单元框图,模拟量输出模块是将中央处理器的二进制数字信号转换成420 mA的电流输出信号或010 V、15 V的电压输出信号，以提供给执行机构。因此模拟量输出模块又叫D/A转换输出模块。PLC输出的若干位数字量信号由内部电路送至光耦合器的输入端，光耦合器输出端输出的数字信号进入D/A转换器，转换后的模拟量直流电压信号经运算放大器放大后驱动输出。 通常，模拟量输出单元还没有直流电流信号输出,端供用户选用。根据实际要求数字信号的不同分辨率，模拟量输出单元用的D/A转换器有8位、10位、12位等几种不同的精度，根据不同型号，精度有所不同。 6、智能输入/输出单元 为了满足PLC在复杂工业生产过程中的应用，PLC的制造厂商除了提供上述基本的开关量和模拟量输入/输出单元外，还提供了智能,输入/输出单元，以适应生产过程控制的要求。智能输入/输出单元是一个独立的自治系统，它具有与PLC主机相似的硬件系统，也是由中央处理单元、存储器、输入/输出单元和外部设备接口单元等部分，通过内部系统总线连接组成的。 智能输入/输出单元在自身的系统程序管理下，对工业生产过程现场的信号进行检测、处理和控制，并通过外部设备接口与PLC主机的输入/输出扩展接口的连接来实现与主机的通信。,PLC主机在其运行的每个扫描周期中与智能输入/输出单元进行一次信息交换，以便能对现场信号进行综合处理。 智能输入输出单元不依赖主机的运行方式而独立运行，一方面使PLC能够通过智能输入/输出单元来处理快速变化的现场信号，另一方面也使PLC能够处理更多的任务。 为适应不同的控制要求，智能输入/输出单元,也有不同的类型。 例如高速脉冲计数器智能单元，它专门对工业现场的高速脉冲信号进行计数，并把累计值传送给PLC主机进行处理。 如果不用高速脉冲计数智能单元，而用主机的输入/输出单元来进行计数操作，则计数速度要受主机扫描速度的影响。当高速脉冲信号的宽度小于主机的扫描周期时，会发生部分计数脉冲丢失的情况。,因此，用一般的PLC不能正确地进行高速脉冲信号的计数。使用高速脉冲计数智能单元后，由于它脱离主机的扫描周期而独立进行计数操作，而主机仅在每个扫描周期内读出高速脉冲计数智能单元的计数值，因此，使PLC系统能正确地对高速脉冲信号进行计数处理。 PID调节智能单元也是一种智能单元，它能独立完成工业生产过程控制中一个或几个闭环控制回路的,PID调节。特别是PID调节控制软件是由智能单元来执行的，而主机系统仅周期性地把调整参数和设定值传递给PID调节智能单元。这样就使主机从繁琐的输入/输出操作、复杂的运算处理中解脱出来，从而在其扫描周期内能够处理更多的其他任务。 为了适应生产过程对温度检测的要求，一些制造企业也提供了可以直接与热电偶或热电阻连接的温度传感器输入智能单元，它通过信号转换、A/D转换、,光耦合等电路将模拟量的热电动势或电阻信号转换为PLC的内部数字量信号。对热电偶的冷端补偿、热电阻的非线性处理等也在该智能单元中实现。不同热电偶和热电阻的分度数是通过在该单元上的选择开关来确定的。 智能输入/输出单元还有位置控制智能单元、阀门控制智能单元等类型。智能输入/输出单元为PLC的功能扩展和性能提高提供了极为有利的,条件。随着智能输入/输出单元品种的增加，PLC的应用领域将越来越广泛，PLC的主机最终将变为一个中央信息处理机，对与之相连的各种智能输入/输出单元的信息进行综合处理。 7、 I/O扩展环节 输入/输出扩展环节是PLC输入输出单元的扩展部件，当用户所需的输入/输出点数或类型超出主机的输入/输出单元所允许的点数或类型时，可以通过加接输入/输出扩展环节来解决。,输入/输出扩展环节与主机的输入/输出扩展接口相连，有两种类型：简单型和智能型。 当一个PLC中心单元的I/O点数不够用时，就要对系统进行扩展。扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。 I/O扩展接口是PLC主机为了扩展输入/输出点数部件，输入/输出扩展单元、远程输入/输出扩展单元、智能输入/输出单元等都通过它与,主机相连。I/O扩展接口有并行接口、串行接口等多种形式。 简单型的输入/输出扩展环节本身不带中央处理单元，对外部现场信号的输入/输出处理过程完全由主机的中央处理单元管理，依赖于主机的程序扫描过程。通常，它通过并行接口与主机通信，并安装在主机旁边，在小型PLC的输入/输出扩展时常被采用。,智能型的输入/输出扩展环节本身带有中央处理单元，它对生产过程现场信号的输入/输出处理由本身所带的中央处理单元管理，而不依赖于主机的程序扫描过程。通常，它采用串行通信接口与主机通信，可以远离主机安装，多用于大中型PLC的输入/输出扩展。,8、 外设I/O接口 外设I/O接口是PLC主机实现人机对话、机机对话的通道。通过它，PLC可以和编程器、彩色图形显示器、打印机等外部设备相连，也可以与其他PLC或上位计算机连接。 外设I/O接口一般是RS232C或RS422A串行通信接口，该接口的功能是进行串行/并行数据的转换，通信格式的识别，数据传输的出错检验，,信号电平的转换等。对于一些小型PLC，外设I/O接口中还有与专用编程器连接的并行数据接口。 9、电源 PLC中一般配有开关式稳压电源为内部电路供电。有的PLC能向外部提供24V的直流电源，可给输入单元所连接的外部开关或传感器供电。 电源单元是PLC的电源供给部分。,它的作用是把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源，有的电源单元还向外提供直流电源，给与开关量输入单元连接的现场电源开关使用电源。 单元还包括掉电保护电路和后备电池电源，以保持RAM在外部电源断电后存储的内容不丢失。,PLC的电源一般采用开关电源，其特点是输入电压范围宽，体积小，质量轻，效率高，抗干扰性能好。 10、 外部设备 (1) 编程器 它是编制、调试PLC用户程序的外部设备，是人机交互的窗口。,通过编程器可以把新的用户程序输入到PLC的RAM中，或者对RAM中已有程序进行编辑。 通过编程器还可以对PLC的工作状态进行监视和跟踪，这对调试和试运行用户程序是非常有用的。 编程器分为简易型和智能型两类。,简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符(指令表)后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二极管或其他显示器件组成。 简易编程器的优点是价格低、体积小、重量轻、方便携带。有的简易编程器可以直接插在PLC主机的编程器插座上，如OMRON公司的P型机等。有的简易编程器要用专用电缆与PLC相连。,智能型的编程器又称图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRT图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕进行人机对话。图形编程器分手持式和台式。台式编程器具有用户程序存储器，它可以把用户输入的程序存放在自己的存储器中，也可以把用户程序下载到PLC中。 一般它还能提供盒式磁带录音机接口和打印机接口，可将程序转存到磁带上或打印出来。有的还,带有磁盘驱动器，可将程序转存到磁盘上。图形编程器的优点是屏幕大、显示功能强，但是其价格较昂贵。 编程器可以不参与现场运行，所以一台编程器可以供给多台PLC使用。 除了上述专用的编程器外，还可以利用微机(如IBM-PC)，配上PLC生产厂家提供的相应的软件包,来作为编程器，这种编程方式已成为PLC发展的趋势。现在，有些PLC不再提供编程器，而只提供微机编程软件，并且配有相应的通信连接电缆。 (2) 彩色图形显示器 大中型PLC通常配接彩色图形显示器，用以显示模拟生产过程的流程图、实时过程参数、趋势参数及报警参数等过程信息，使得现场控制情况一目了然。,(3) 打印机 PLC也可以配接打印机等外部设备，用以打印记录过程参数、系统参数以及报警事故记录表等。 PLC还可以配置其他外部设备，例如，配置存储器卡、盒式磁带机或磁盘驱动器，用于存储用户的应用程序和数据；配置EPROM写入器，用于将程序写入到EPROM中。,2.1.2 可编程序控制器的软件系统 PLC除了硬件系统外，还需要软件系统的支持，它们相辅相成，缺一不可，共同构成PLC。PLC的软件系统由系统程序(又称系统软件)和用户程序(又称应用软件)两大部分组成。 1. 系统程序 系统程序由PLC的制造企业编制，固化在PROM,或EPROM中，安装在PLC上，随产品提供给用户。系统程序包括系统管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模块等。 (1) 系统管理程序 它的主要功能如下： 时间分配的运行管理，即实现PLC输入、输出运算，自检及提供通信时序。, 存储空间的分配管理，即生成用户环境，规定各种参数、程序的存放地址，将用户使用的数据参数存储地址转化为实际的数据格式及物理存储地址。 系统的自检程序，即对系统进行出错检验、用户程序语法检验、句法检验、警戒时钟运行等。在系统管理程序的控制下，整个PLC能正确、有效地工作。,(2) 用户指令解释程序 它可将用户用各种编程语言(梯形图、语句表等)编制的应用程序翻译成CPU能执行的机器指令。 (3) 供系统调用的标准程序模块 它由许多独立的程序块组成，各自完成包括输入、输出、特殊运算等不同的功能。PLC的各种具体工作都由这部分来完成。,由于通过改进系统程序可以在不改变硬件系统的情况下大大改善PLC的性能，因此制造企业对系统程序的编制极为重视，其产品的系统程序也在不断升级和完善。 2. 用户程序 用户程序是根据生产过程控制的要求由用户使用制造企业提供的编程语言自行编制的应用程序。用户程序包括开关量逻辑控制程序、模拟量运算,程序、闭环控制程序和操作站系统应用程序等。 (1) 开关量逻辑控制程序 它是PLC用户程序中最重要的一部分，一般采用梯形图、助记符或功能块图等编程语言编制。不同的PLC制造企业提供的编程语言有不同的形式，至今还没有一种能全部兼容的编程语言。,(2) 模拟量运算程序及闭环控制程序 通常，它是在大中型PLC上实施的程序，由用户根据需要按PLC提供的软件和硬件功能进行编制。编程语言一般采用高级语言或汇编语言。一些制造企业为方便用户编程，也提供相应编程软件供用户进行编制模拟量运算和PID控制等的程序。,(3) 操作站系统程序 它是大型PLC系统经过通信联网后，由用户为进行信息交换和管理而编制的程序。 它包括各类画面的操作显示程序，一般采用高级语言实现。一些制造企业也提供了人机界面的有关软件，用户可以根据制造企业提供的软件使用说明进行操作站的系统画面组态和编制相应的应用程序。,2.2 PC的结构形式 由于PC是专为工业环境应用而设计的，为了便于装入工业现场，便于扩展，便于接线，其结构与计算机有很大的区别。通常可将PC结构分为单元式（或称箱体式、整体式）和模块式两类。还有一种是将以上两种形式结合起来的叠装式结构。 下面分别介绍这三种结构形式。,2.2.1 单元式结构 单元式结构是指在一个箱体内，包括有CPU、RAM、ROM、I/O接口及与编程器或EPROM写入器相连接的接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，输入/输出端子、电源、各种指示灯等。它的特点是结构非常紧凑，将所有的电路都装入一个箱体内，构成一个整体，体积小，成本低，安装方便。,为了达到输入/输出点数灵活配置及易于扩展的目的，某一系列的产品通常都有不同点数的基本单元和扩展单元，单元的品种越丰富，其配置就越灵活。OMRON的C系列机中就有这种形式。C系列机中有60点（输入32点，输出28点）、40点（输入24点，输出16点）、28点（输入16点，输出12点）、20点（输入12点，输出8点）的主单元和扩展单元。扩展单元不带,CPU。OMRON公司的CPM2A就采用了单元式结构。如图2.2.1所示： 小型可编程控制器结构的最新发展也开始吸收模块式结构的特点，各种点数不同的PLC主机可扩展单元都做成同宽同高不同长度的模块，这样，几个模块拼装起来后就成了一个整齐的长方体结构。 三菱的FX2系列就是采用这种结构，OMRON的C系列的小型机也采用这种结构。,目前PLC还有许多专用的特殊功能单元，如模拟量I/O单元、高速计数单元、位置控制单元、I/O连接单元等。大多数单元都是通过主单元的扩展接口与PC主机相连；部分特殊功能单元通过PLC的编程器接口接入；还有的是通过PLC主机上并接的适配器接入，从而不影响原系统的扩展。 目前点数较少的系统都采用单元式结构。,2.2.2 模块式结构 模块式结构的PC采用搭积木的方式组成系统。 这种结构形式的特点是CPU为独立的模块，输入、输出、电源等也是独立的模块。 要组成一个系统，只需在一块基板上插上CPU、电源、输入模块、输出模块及其他诸如通信、数/模转换、模/数转换等特殊功能模块，就能构成一个具有大量I/O点的大规模综合控制系统。,可以根据不同的系统模块选用不同档次的CPU及各种输入模块、输出模块及其他功能模块。模块式结构使得系统配置非常灵活，各种模块尺寸统一，便于安装，对于I/O点数很多的系统，无论是选型、安装、调试，还是扩展、维修，都十分方便。 目前大型系统多采用这种结构形式，例如OMRON的C500、CQM1H/2000H等，如图2.2.2所示。,这种结构形式的PLC系统中，除了各种模块之外，还需要用主基板或I/O扩展基板将各种模块联成整体；当有多块基板时，还需要用电缆将各基板连接起来。,2.2.3叠装式结构 以上两种结构形式各有特点。前者结构紧凑、安装方便、体积小巧，易于与被控设备组合成一个整体，但由于每个单元的I/O点数有一定的搭配关系，有时配置的系统输入点或输出点不能充分利用，加之各单元尺寸大小不一致，因此不易安装整齐。而后者无论是输入还是输出点数均可灵活配置，又易于与小型设备联成一体。为此有些PC生产厂家开发,出叠装式结构，将二者的优点结合起来。 叠装式结构的CPU、电源、I/O等单元也是各自独立的模块，但它们相互的连接安装不需要用基板，仅用电缆连接即可，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可以将体积做得小巧。,2.3 可编程序控制器的工作过程,PC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描过程。 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。 扫描顺序可以是固定的，也可以是可变的。一般小型PC采用固定的扫描顺序，大中型PC采用可变的扫描顺序。,这是因为大中型PC处理I/O点数多，其中有些点可能不必每次都扫描，一次扫描时对某一些I/O点进行，下次扫描时又对另一些I/O点进行，即分时分批地进行顺序扫描。这样做可以缩短扫描周期，提高实时控制中响应的速度。 大中型PC与小型PC在每个扫描周期所完成的工作不尽相同，下面分别加以说明。,2.3.1 大中型PC的工作过程 典型大中型PC的扫描工作过程如图2.3.1所示。扫描周期分为6个阶段，用户程序扫描阶段只是扫描周期的一个组成部分。,1、自监视扫描阶段(运行监控) 为了保证工作的可靠性，PC内部具有自监视或自诊断功能。自监视功能是由监视定时器WDT(Watchdog Timer)完成的，WDT是一个硬件时钟。自监视过程主要是检查及复位WDT。由它来监视扫描周期是否超时，PLC在每个扫描周期内都要对WDT进行复位操作，如果不能执行该任务，则WDT的计时会超过设定值，也就是扫描周期超过,了规定时间，这表明系统的硬件或用户软件发生了故障。如果在复位前，扫描时间已超过WDT的设定值，CPU将停止运行、输入/输出复位，并给出报警信号。这种故障称为WDT故障。 WDT故障可能由CPU硬件引起，也可能由于用户程序执行时间太长，使扫描周期超过WDT的规定时间而引起。用编程器可以清除WDT故障。 WDT的设定时间一般为150200ms，而一般,系统的扫描时间均小于5060 ms。有些PC中，用户可以对WDT的时间进行修改（修改方法在使用手册中给出）。 2、与编程器交换信息的扫描阶段 编程器是PLC的外部设备，它与主机的外设I/O接口相连。作为编制、调试用户程序的外部设备，编程器在PLC的外部设备中占有非常重要的,地位，所以在主机的扫描周期中，把与编程器交换信息的任务单独列出，而不包括在与外部设备信息交换的任务中。 编程器是人机交互的设备，用户程序通过编程器写入PLC,以及用编程器进行在线监视和修改时，CPU将总线的控制权交给编程器，并启动信息交换的定时器,CPU处于被动状态。在编程器取得控制权后，用户就利用它来修改内存中的应用程序，对系统的工作状态进行修改。,如读微处理器的状态，读或写数字变量和逻辑变量，封锁或开放输入/输出以及控制微处理器等。编程器在完成处理任务或达到信息交换的规定时间后，就把控制权交还给PLC。在每个扫描周期内都要执行此项任务。 在这一扫描阶段，用户可以通过编程器修改内存程序，启动或停止CPU，读CPU状态，封锁或开放输入/输出，对逻辑变量和数字变量进行读写等。,3、与数字处理器DPU交换信息的扫描阶段 当系统配有数字处理器时，一个扫描周期中才包含这一阶段。 一般大中型PLC多为双处理器系统，一个是字节处理器(CPU)，另一个是数字处理器(DPU)。 CPU是系统的