02可编程控制器的系统构成和工作原理.ppt
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1、第2章 可编程控制器的 系统构成和工作原理,2.1 可编程控制器的基本组成,2.1.1 可编程控制器的硬件系统 世界各国生产的可编程控制器外观各异,但其硬件构成大体相同,主要有中央处理单元、存储器、输入/输出单元、编程器和电源等。 可编程控制器的硬件结构如图2-1所示。下面分别介绍可编程控制器的各组成部分。,图2-1 可编程控制器硬件结构,2.1.1.1 中央处理单元(CPU) 中央处理单元是可编程控制器的核心部件,它类似人的大脑,是系统的运算和控制中心,能指挥PLC按照预先编好的系统程序完成各种任务。 其作用有以下几点。 (1) 接收并存储用户程序和数据。 (2) 检查、校验用户程序。 (3
2、) 接收、调用现场信息。 (4) 执行用户程序。 (5) 故障诊断。 当PLC运行时,CPU首先以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映像区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算,并将运算的结果送入I/O映像区或数据寄存器内,等所有的用户程序执行完毕后,最后将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置,如此循环运行,直至停止。,2.1.1.2 存储器 存储器是具有记忆功能的半导体电路,用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量及其他信息。PLC存储器分为两大部分。 1系统程序存储器 系统程序存储器由ROM(R
3、ead Only Memory,只读存储器)或EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory,可擦除的只读存储器)组成。 存储器主要用于存放系统程序和应用软件(用户程序及工作数据)。PLC系统所用存储器基本上由ROM、EPROM或EEPROM(电擦除可编程序只读存储器),用以存放系统程序,生产厂家在PLC出厂前已将系统程序固化其中,用户一般不作更改。 系统程序由以下各部分内容组成: (1) 系统管理程序。 (2) 编译程序。 (3) 监控程序。,2用户程序存储器 用户存储器由RAM或CMOS RAM组成。 CMOS RAM是一种高密度、低功耗、价格便
4、宜的半导体存储器,用锂电池作备用电源,掉电时可有效地保持存储的信息不丢失。锂电池的寿命一般为35年。 用户存储器分两个区存放用户应用程序: (1) 用户程序存储器区。 (2) 工作数据存储区(变量存储器)。,2.1.1.3 输入/输出单元 输入/输出单元是PLC与外部设备相互联系的窗口,必须能直接与现场相连,这是PLC的重要特点。输入单元由输入端子、输入电路和输入锁存器组成。其作用是连接外部信号,并将这些信号转换成PLC的CPU所需要的标准电平信号,并将输入信号锁存。输出单元由输出锁存器、输出电路和输出端子组成。其作用是将CPU送来的各输出点的信号进行锁存,并转换成外部过程所需要的信号电平,并
5、以此来驱动外部过程的执行机构、指示灯及各种负载。而与PLC输入部分和输出部分相连的器件的电压都很高,一般在直流24V或交流220V之间,电流达几个安培。PLC的输入、输出接口部分是PLC的内部弱电与外部强电相连的部分。因此,输入、输出接口部分必须具有电压转换和隔离功能,这样不需中间继电器,PLC就能直接与传感器或执行器件相连,同时还可减小电磁干扰。 下面介绍几种常用的输入/输出单元的工作原理。,1开关量输入单元 按照输入端电源类型,开关量输入单元可分为直流输入单元和交流输入单元。 (1) 直流输入单元。直流输入单元的电路如图2-2所示,外接的直流电源极性可任意。虚框内是PLC内部的输入电路,框
6、外左侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输入点的输入电路,各个输入点对应的输入电路均相同。 (2) 交流输入单元。交流输入单元的电路如图2-3所示。虚线框内是PLC内部的输入电路,框内左侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输入点的输入电路,各个输入点所对应的输入电路均相同。,图2-2 直流输入单元的电路,图2-3 交流输入单元的电路,2开关量输出单元 按输出电路所用开关器件的不同,PLC的开关量输出单元可分为晶体管输出单元、双向晶闸管输出单元和继电器输出单元。 (1) 晶体管输出单元。晶体管输出单元的电路如图2-4所示。虚线框内是PLC的内部输出电路,框外右侧为外部用户接线。图中只画出对应
7、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。 (2) 双向晶闸管输出单元。在双向晶闸管输出单元中,输出电路采用的开关器件是光控双向晶闸管,电路如图2-5所示。虚框内是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2-4 晶体管输出单元的电路,图2-5 双向晶闸管输出单元,(3) 继电器输出单元。继电器输出单元的电路如图2-6所示。 图中虚框内是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2-6 继电器输出单元,2.1.1.4 电
8、源 PLC一般配有开关式稳压电源为内部电路供电。开关电源输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。有的PLC能向外部提供24V的直流电源,并可给输入单元所连接的外部开关或传感器供电。 PLC的输出端子上接的负载所需的负载工作电源必须由用户提供。,图2-7 输入/输出单元的接线方式,2.1.1.5 编程器 编程器用于用户程序的输入、编辑、调试和监视,可以通过其键盘调用和显示PLC的一些内部继电器状态和系统参数。它经过编程器接口与CPU联系,完成人机对话。 编程器一般有两大类。 一类是专用的编程器,有手持的,也有台式的,也有的可编程控制器机身上自带编程器,其中手持编程器携带方便,适合工
9、业控制现场使用。 另一类是个人计算机,在个人计算机上运行可编程控制器的编程软件即可完成编程任务。可编程控制器以每隔几年一代的速度更新,因此专用可编程控制的使用寿命有限,价格一般也比较高。现在的趋势是由可编程控制器厂家向用户提供编程软件,使用个人计算机作为基础的编程系统。,2.1.1.6 其他设备(各种接口及智能模块) 1I/O扩展单元 若主机(基本单元)I/O点数不能满足实际的I/O点需求,可通过I/O扩展单元用电缆将基本单元与I/O扩展单元相连,增加I/O点数。 2外设接口 可连上位计算机和打印机等外部设备。 3智能单元 为适应和满足更加复杂的控制功能的需要,PLC厂家生产了各种功能的智能I
10、/O模块。,2.1.2 可编程控制器的软件系统 可编程控制器的软件系统也可分为系统程序和用户程序两大类。系统程序即可编程控制器的操作系统。它是由PLC的生产厂家编制的,用于控制可编程控制器本身的运行,一般来说,系统软件对用户是不透明的。 系统程序通常包含3个部分。 (1) 系统管理程序。 (2) 用户指令解释程序。 (3) 标准程序模块和系统调用。,2.1.2.1 梯形图 梯形图是一种图形编程语言,是面向控制过程的一种“自然语言”,它沿用继电器的触点(触点在梯形图中又常称为接点)线圈和串并联等术语和图形符号,同时也增加了一些继电接触器控制系统中没有的特殊功能符号。梯形图语言比较形象、直观,对于
11、熟悉继电器控制线路的电气技术人员来说,很容易接受且不需要学习专门的计算机知识。 在PLC应用中是使用的最基本、最普遍的编程语言。 这种编程方式只能用图形编程器直接编程。 如图2-8(a)所示为一启保停程序的梯形图。,2.1.2.2 指令语句表 指令语句就是用助记符来表达PLC的各种功能。 它类似于计算机的汇编语言,但比汇编语言通俗易懂,因此也是应用很广泛的一种编程语言。 这种编程语言可使用简易编程器编程,尤其是在未能配置图形编程器时,只能将已编好的梯形图程序转换成指令语句表的形式,再通过简易编程器将用户程序逐条地输入到PLC的存储器中。 通常每条指令由地址、操作码(指令)和操作数(数据或器件编
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