PLC的结构和工作原理ppt课件.ppt

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1、1,可编程控制器教程,2,可编程控制器的结构和工作原理,2.1 PLC的硬件结构2.2 PLC的工作原理 2.3 PLC的技术性能指标,3,学习要求,掌握PLC的硬件结构组成； 掌握PLC的工作原理； 了解PLC的性能指标。,4,2.1 可编程控制器的硬件结构,PLC实施控制的基本点分析： 可编程序控制器实施控制的实质：按一定算法进行输入输 出变换，并将这个变换予以物理实现。 输入输出变换和物理实现是PLC实施控制的两个基本点。 输入输出变换：实质就是信息处理。 物理实现：要求PLC的输入应适应工业现场环境，输出应放大到工业控制的水平，方便实际的控制系统使用。,5,根据对PLC实施控制的基本点

2、的分析，PLC采用了典型的计算机结构： 可编程序控制器（Programmable Logic Controller）主要由：中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、专门设计的输入输出（I/O）电路和电源部件组成。,6,PLC的一般结构,可编程控制器主机,可编程控制器编程器,图2.1 可编程控制器及编程器,7,电源单元,编程单元,输 入 接 口,中 央 处 理 单 元,存 储 器,输入输出数据存储,输 出 接 口,地址总线 控制总线,数据总线,开关或传感器,继电器触点,行程开关,地址总线控制总线,模拟量输入,照 明,电磁装置电动机,其他执行装置或接触器,图2-2 PLC机结构示意图,8,

3、外存接口,其它接口,ROM-RAM,键盘与显示,中 央 处 理 器C P U,输入接口光合,输出接口继电器或晶体管,EPROM,盒式存储器,A/D D/A,计算机,其它设备,内存储器,输入接线端子,输出接线端子,图2-3 PLC机逻辑结构示意图,9,1、中央处理器,CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出（I/O）接口电路相连。,是PLC的大脑，由中央处理器（CPU）和存储器等组成。（中央处理器+存储器）,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，其主要功能是：,各部分的功能：,10,从存储器中读取指令。CPU从地址

4、总线上给出存储地址，从 控制总线上给出读命令，从数据总线上得到读出的指令，并存入CPU内的指令寄存器中。,执行指令。对存放在指令寄存器中的指令操作码进行译码，执行指令规定的操作。如读取输入信号，取操作数、进行逻辑运算或算术运算、将结果输出给有关部分。,准备取下一条指令。CPU执行完一条指令后，能根据条件产生下一条指令的地址，以便取出和执行下一条指令，在CPU的控制下，程序的指令即可以顺序执行，也可以分支或跳转。,中断处理。CPU除顺序执行程序外，还能接收输入输出发来的中断请求，并进行中断处理，中断处理完后，再返回原址，继续顺序执行。,11,现代PLC使用的CPU主要有以下几种通用微处理器，如8

5、080、6800、Z80A、8086等。通用微处理器的价格便宜，通用性强。单片机，如8051等。单片机由于集成度高、体积小、价格低和可扩充性好，很适合在小型PLC上使用，也广泛地用于PLC的智能I/O模块。位片式微处理器，如AMD2900系列等。位片式微处理器是独立于微型机的另一分支。它主要追求运算速度快，它以4位为一片。用几个位片级联，可以组成任意字长的微处理器。,12,2、存储器,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

6、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。,13,系统程序存储器 存储系统的系统程序,用户程序存储器 存储系统的用户程序,工作数据存储器 存储工作数据,根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种:,14,输入输出接口是PLC与工业控制现场各类信号连接的部分。,3、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

7、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,15,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 其作用是把现场的开关量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号。,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。,16,PLC与外部设备联系的桥梁,输入/输出接口:,17,直流输入电路,光电耦

8、合,外部开关,输入点的状态显示,输入点,公共端,18,交流输入电路,光电耦合,输入点的状态显示,外部开关,输入点,19,输入接口的接线方式（汇点式）,20,晶体管输出电路,光电耦合,输出点的状态显示,公共端,输出点,21,晶闸管输出电路,光电耦合,输出点的状态显示,公共端,输出点,22,继电器输出电路,输出点的状态显示,继电器,机械触点,公共端,输出点,23,输出接口接线方式（分组式）,24,思考：为什么要采用光电耦合电路？,1、电气隔离，防干扰。,2、光电耦合器一般由发光二极管和光电三极管组成。,3、光电耦合器的传感原理： 输入端的电信号变化发光二极管产生与输入信号变化规律相同的光信号光电三

9、极管在光信号的照射下导通导通程度与光信号的强弱有关在光耦合器的线性工作区输出信号与输入信号呈线性关系。,25,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2.4 模拟量输入单元框图,26,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2.5 模拟量输出单元框图

10、,27,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：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）,28,3、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。,29,4、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

11、系统，用以显示或监视有关部分的运行状态,30,2.2.1 PLC的工作方式和工作过程,PLC是采用周期循环扫描的工作方式，CPU连续执行用户程序和任务的循环序列称为扫描。 CPU对用户程序的执行过程是CPU的循环扫描，并用周期性地集中采样、集中输出的方式来完成的 。,2.2 可编程控制器的工作原理,31,扫描周期主要包括,（1）读输入阶段。每次扫描周期的开始，先读取输入点的当前值，然后写到输入映像寄存器区域。 （2）执行程序阶段。 用户程序执行阶段，PLC按照梯形图的顺序，自左而右，自上而下的逐行扫描。 （3）处理通信请求阶段 。（4）执行CPU自诊断测试阶段。 （5）写输出阶段 。,32,P

12、LC的扫描过程：,33,l 输入采样阶段 PLC以扫描方式顺序读入输入端子的通断状态（ON/OFF），并写入相应的输入状态寄存器中，即刷新输入，接着转入程序执行阶段。 l程序执行阶段 PLC按先左后右，自上而下的顺序对每条指令进行扫描，并将相应的运算和处理结果写入输出状态寄存器中。 l输出刷新阶段 在所有指令执行完毕后，输出状态寄存器的通断状态转写入输出锁成器中，驱动相应的输出设备，产生PLC的实际输出。 经过这三个阶段，PLC完成一个扫描周期。 “顺序扫描、不断循环”,34,工作原理: PLC采用循环扫描的工作方式，包括内部处理、通讯操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。 PLC执行的

13、五个阶段，称为一个扫描周期，PLC完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。,35,PLC与微机、继电接触器工作方式比较：,36,2.2.2 PLC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；,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。,37,2.2.3 信息刷新方式,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 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

14、还要刷新一次。 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。,38,2.2.4 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。,39,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

15、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。,40,最短响应时间: 在一个扫描周期刚结束时就收到了有关输入信号的变化状态，则下一个扫描周期一开始这个变化信号就可以被采样到，这时响应时间最短 最短响应时间=输入延迟时间+1个扫描周期+输出延迟时间,最长响应时间： 在一个扫描周期刚开始收就收到一个输入信号的变化状态，由于存在输入延迟，则在当前扫描周期内这个输入信号对输出不会起作用，要到下一个周期快结束时的输出刷新

16、阶段，输出才会做出反应，这个响应时间最长。 最长响应时间=输入延迟时间+2个扫描周期+输出延迟时间,41,2.2.5 PLC的编程语言和编程方式,PLC的操作是依其程序操作进行的，而程序是用程序语言表达的，并且表达的方式多种多样，不同的生产厂家，不同的机种，采用的表达方式不同，但基本上可归纳为：,42,1. 梯形图,是在继电控制系统电气原理图基础上开发出来的一种图形语言。它继承了继电器接点、线圈、串联、并联等术语和类似的图形符号，具有形象、直观、实用的特点，不需学习计算机专业知识，电气技术人员使用最方便。,43,例：用PLC组成电机起停控制电路,继电接触控制图,44,(1) PLC系统图,启动

17、按钮,停止按钮,如：接通SB0，则X0存储单元对应的位为“1”,反之则为“0”。,45,常闭接点,(2) 利用梯形图编制控制程序,Y0,X0,X1,如：按SB0，则X0存储单元为“1”则其常开接点闭合，线圈通电，电机转动。,注意：这些接点或线圈并不是真实的物理继电器接点或线圈，而是在软件编程中使用的编程元件，每个编程元件与存储器中的一个存储单元相对应，该存储单元为“1”则表示梯形图中常开闭合, 常闭断开，线圈通电。, ,Y0,如：按SB1，则X1存储单元为“1”，则其常闭接点断开，线圈断电，电机停止。,输出继电器(线圈),常开接点,46,2. 语句表语言,这种编程语言与汇编语言类似，不同的厂家

18、其语句表有所不同，这里以日本松下可编程控制器为例，对上述电机起、停控制进行编程（即将梯形图转换成语句表语言）。,注意：按梯形图从左到右，从上到下的顺序编程。,47,梯形图和助记符语言是PLC中最常用的编程语言，学习中应注意以下概念：,（1）梯形图中的继电器并不一定是物理继电器，每个继电器或输入接点各为存储器中的一位，相应位为“1”态，表示继电器线圈通电或常开触头闭合，或常闭触头断开。,（2）梯形图中流过的电流不是物理电流，而是概念电流，是程序执行的形象表示方式。,48,（3）梯形图中的继电器接点在编写用户程序时（即作为逻辑接点）可根据需要在梯形图中反复使用，没有数量限制，既可用常开也可用常闭。

19、,（4）只有PLC中的物理继电器才能驱动实际负载，其它继电器只能作为一种逻辑来使用，故称为“软继电器”。,49,2.3 PLC的技术性能指标,2.3.1 PLC的主要技术指标,1用户存储器容量 PLC中用户存储器一般由用户程序存储器和数据存储器组成，小型PLC的用户存储器容量多为几K字节，而大型PLC可达到几兆字节。2输入输出点数 输入输出的点数决定了PLC可控制的输入开关信号和输出开关信号的总体数量。,50,3扫描速度 扫描速度通常指PLC扫描1000步指令所需的时间，一般以ms/千步为单位。 4编程指令的种类和功能 某种程度上用户程序所完成的控制功能受限于PLC指令的种类和功能。PLC指令的种类和功能越多，用户编程则越方便简单。5内部寄存器的配置和容量 用户编制PLC程序时，需要大量使用PLC内部的寄存器存放变量、中间结果、定时计数及各种标志位等数据信息。因此内部寄存器的数量直接关系到用户程序的编制。,51,6PLC的扩展能力 在进行PLC选型时，其扩展性是一个非常重要的因素。一般来说可扩展性包括存储容量的扩展、输入输出点数的扩展、模块的扩展、通信联网功能的扩展等。,