可编程序控制器原理及应用.ppt
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1、第2章 可编程序控制器的结构和工作原理,2.1 可编程序控制器的组成与基本结构 2.2 可编程序控制器的工作过程与工作原理 2.3 可编程序控制器的编程语言和程序结构 思考与练习题,2.1 可编程序控制器的组成与基本结构,PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物,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
2、是由硬件系统和软件系统两大部分组成。,2.1.1 可编程序控制器的硬件系统 PLC的硬件系统由主机系统、输入/输出扩展环节及外部设备组成。 1. 主机系统,图2.1 PLC结构示意图,(1) 微处理器单元(Central Processing Unit,CPU)。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。CPU的具体作用如下: 接受、存储用户程序。 按扫描方式接收来自输入单元的数据和各状态信息,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
3、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。,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。,(2)
4、存储器。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)。只读存储器(ROM)在使用过程中只能取出不能存储,而随机存取存储器(RAM)在使用过程中能随时取出和存储。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
5、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。 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
6、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,
7、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。,(3) 输入/输出模块单元。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C
8、PU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
9、图2.3所示。,图2.2 直流开关量输入单元,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。
10、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
11、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,在晶体管输出方式中,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。 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
12、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。, 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
13、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
14、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
15、,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。, 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
16、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
17、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
18、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
19、。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。,(4) I/O扩展接口。I/O扩展接口是PLC主机为了扩展输入/输出点数和类型的部件,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
20、展接口有并行接口、串行接口等多种形式。 (5) 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。,(6) 电源。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
21、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。,2. 输入/输出扩展环节 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。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
22、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。,3. 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
23、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。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。,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,
24、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PL
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