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1、可编程序控制器(PLC)原理及应用,主 讲 汤立刚,可编程序控制器(PLC)原理及应用,3,第三章 PLC控制系统的基本组成,3.1硬件系统,PLC硬件系统的基本组成,PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，其原理结构如图所示：,原理结构图1,按钮,行程开关,光电开关,电源,存储器,微处理器,输出接口,继晶电体器管或或晶管闸,输入接口,光电耦合,指示灯,电磁阀,电源,编程器,其它接口,外存接口,RAM,EPROM,EEPROM,A/D D/A,计算机,其他设备,PLC,3.1.2 主控模块,3.1.2.1 中央处理器单元 CPU是整个计算机系统的核心其主要任务
2、是：1、控制从编程器键入的用户程序和数据的接受与存储；2、用扫描的方式通过I/O部件接受现场（用户）的状态和数据，并存入“输入映象寄存器”或数据存储器中；3、诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；4、PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户指令，经过命令解释后，按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；5、根据运算结果，更新有关标志位的状态和“输出映象寄存器”的内容，以及把中间结果存放到中间结果存储区（刷新）。经输出部件实现输出控制。或者还控制制表打印、数据通讯等操作。6、为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表
3、决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。,3.1.2.2 存储单元,存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。PLC常用的存储器类型（1）ROM是英文“Read-Only Memory”的缩写，意思为只读存储器，在电脑的正常工作过程中，其内容不可改变。（2）RAM（Random Assess Memory）这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。（3）PROM“可编程只读存储器”/EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种可擦除的可编程只读存储器。在断电
4、情况下，存储器内的所有内容保持不变。(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。（4）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种电可擦除的可编程只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。,PLC存储空间的分配,虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：（1）系统程序存储区（2）系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）（3）用户程序存储区,系统程序存储区：在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。包括监控程序、管理程序
5、、用户指令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的性能。,系统RAM存储区：系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如：逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存储器。,1）I/O映象区：由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要一定数量的存储单元(RAM)以存放I/O的状态和数据，这些单元称作I/O映象区。一个开关量I/O占用存储单元中的一个位（bit），一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字（16个
6、bit）。因此整个I/O映象区可看作两个部分组成：开关量I/O映象区；模拟量I/O映象区，地址码一一对应。2）系统软设备存储区：除了I/O映象区区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLC断电时，数据被清零。,（1）逻辑线圈与开关输出一样，每个逻辑线圈占用系统RAM存储区中的一个位，但不能直接驱动外设，只供用户在编程中使用，其作用类似于电器控制线路中的继电器。另外，不同的PLC还提供数量不等的特殊逻辑线圈
7、，具有不同的功能。（2）数据寄存器与模拟量I/O一样，每个数据寄存器占用系统RAM存储区中的一个字(16 bits)。另外，PLC还提供数量不等的特殊数据寄存器，具有不同的功能。（3）计时器（4）计数器用户程序存储区：用户程序存储区存放用户编制的用户程序。不同类型的PLC，其存储容量各不相同。,3.1.2.3 有关输入映象寄存器/输出映象寄存器/输出锁存器的概念,1、输入映象寄存器-外部输入（采样）参数存放区域。其存储单元与输入端点（地址编码）一一对应，端点接线一旦确定，程序编制中就要用该端点的地址码。若改端点接线后，必须改相应的程序指令。2、输出映象寄存器-程序运算结果（且用于输出控制）的数
8、据存放区域。其存储单元与输出端点（地址编码）一一对应，端点接线一旦确定，程序编制中就要用该端点的地址码。若改端点接线后，必须改相应的程序指令。其所存数据随运算过程而被刷新。3、输出锁存器-保持用于输出控制的数据（输出映象寄存器的数据）至下一输出刷新周期（且在这一期间内保持外部的控制状态）。其所存数据在输出刷新阶段时被刷新。,3.1.2.4 通信口,近几年出产的PLC产品一般都带有多个多种功能的通信口，可与手持式编程器、上位计算机或其他外围设备相连。配有通信用的适配器PC/PPI电缆；RS-458;RS-232;专门与以太网、控制网、设备网、DH+等网络连接的接口。以实现编程、调试、运行、遥控、
9、监视、打印和数据传送等功能。,3.1.2.5 电池和电源,在主控模块中通常配有锂电池，用于在掉电时，保存用户程序和数据。更换锂电池方法和注意点，原则上依据具体的说明资料。PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。,3.1.2.6 LED指示器,在主控模块上安装有LED指示器，用于指示PLC:电源（POWER）、运行（RUN）、编程（PROG）、测试（TEST）、断开（BREAK）、出错（ERROR
10、）、电池电量不足（BATT）、警告（ALARM）等工作状态。有的PLC在主控模块上还配有少量的I/O端子。PLC的I/O功能主要靠配置各种I/O模块来实现。,3.1.3 输入/输出模块及光电耦合（隔离）技术,3.1.3.1 开关量I/O模块(DI/DO),I/O（输入/输出）组件的主要任务：1、获取现场的各种开关触点的状态信号，把这些信号转换成内部逻辑电平信号，然后由CPU处理；如果现场控制对象参数是电压、电流、转速、压力、温度、粘度、浓度等连续变化的模拟量，则：输入 先A/D（模拟量/数字量）转换，再进入PLC 输出 先D/A（数字量/模拟量）转换，再输出控制2、对输入信号进行整形、滤波，消
11、除输入信号中的各种干扰。3、把PLC输出的弱电控制信号变换成能驱动生产机械执行机构的强电信号。4、使I/O信号与PLC内部逻辑电路隔离（I/O接口采用光电耦合技术，也叫光电隔离技术）。5、具有完成各种输入信号的预处理功能和预期的控制功能,3.1.3.1.1 开关量输入(DI)模块（直流）,LED,电源,内部电路,直流开关量输入,抗干扰措施：光电耦合 阻容滤波等,光电耦合,开关量输入(DI)模块（交流）,LED,电源,内部电路,交流开关量输入,光电耦合,3.1.3.1.2 开关量输出(DO)模块及R/S/T输出方式,R-继电器输出方式；S-晶闸管输出方式;T-晶体管输出方式,归纳图,接线示意图1
12、,接线示意图2,接线示意图3,3.1.3.2 模拟量I/O模块（AI/AO）,3.1.3.2.1 模拟量输入（AI）模块（A/D转换模块）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、位移等等。这些工况参数检测值都对应于电压、电流的模拟量值，再经过一定的运算（PID）后，控制生产过程达到一定的目的。模拟量的输入电平大多是从传感器通过变换后得到的，即信号的标准化。模拟量的输入信号一般可分为：0-5V、1-5V、0-10V、-10-10V、0-20mA、4-20mA、-20-20mA。输入模块接受这种模拟信号之后，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
13、模块又叫A/D转换输入模块。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、有若干位表示的数字信号。一般它由滤波、A/D转换、光耦合器隔离等部分组成。,模拟量输入（AI）模块,为了防止工业现场中的干扰，传感器与模拟量I/O模块连接线应采用带屏蔽的线，并将屏蔽线的外层与模块中的有关端点相连，已达到屏蔽干扰的效果。,滤波放大标准,A/D转换器,光耦合器隔离,内部回路,AB产品AI/AO,3.1.3.2.2 模拟量输出（AO）模块（D/A转换模块）模拟量输出单元的作用是把中央处理器的二进制数字信号转换成0-5V、或1-5V、0-10V、-10-10V、0-20mA、4-2
14、0mA、-20-20mA电压或电流标准信号，并具有一定的功率驱动作用，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。原理如图所示：,内部回路,D/A转换器,光耦合器隔离,信号转换驱动,模拟量输出（AO）模块,3.1.4 扩展模块和智能模块,1扩展模块2、温度控制模块3高速计数模块4位置控制模块5数据通信模块6电源模块,M-基本模块(单元)E扩展模块(单元)例：FX2N48MR F110ER,3.1.5 模块间的连接方式,1框架式组合2采用DIN导轨进行安装连接3采用定位开关锁定4直接固定法,3.1.6 PLC的主要性能指标,存储容量PLC系统的存储器是有两部分组成的，即存放程序及
15、其所需数据的存储器。前者多有EPROM组成，后者用RAM构成。存放系统程序的存储器（ROM）在机器形成时由生产厂家已将程序写入，用户无法改变也不能访问。他的容量大小也都已确定，不再变动。后者是随用户生产复杂情况而变的。PLC生产厂家在生产产品时，已按型号的大小设置了一定存储容量的存储器，1KB几十千字节1-2MB。用户编程的大小和存放数据要求多大，要考虑存储容量，由此选择相应的机型。,控制容量控制容量就是I/O容量，也叫I/O能力，通常以数字量点数来衡量，即I/O点数。选机型时，要考虑适量的I/O点数，少了会不适用控制对象，不能达到控制要求，甚至无法使用。选点数过多了，造成不必要的资源浪费。一
16、般要求I/O接点略有余量。存储容量与控制容量相匹配。扫描周期（扫描速度）扫描周期也叫处理器扫描时间。衡量PLC运行速度。PLC-5的特点。指令功能及软件支持不同厂家的PLC所用指令（编程语言）差异很大，目前还不能通用。指令系统包含的功能多少、强弱。若：继电器指令、定时器、计数器、计算指令（三角函数、指数、幂函数等）、数据转换、诊断、位移寄存器指令、比较、数据传送、顺序器指令、PID等等。软件运作平台（早期DOS、现在WIN/95/NT等）以及开发前景。可扩展性、网络与通信能力能否在现有基础和规模上再扩展、改进、增强发展。网络通信能力、功能和规模。,3.1.7 外围设备,1输入设备：开关/按钮/
17、传感器等2输出设备：线圈/电机/指示灯/打印机/显示器等3编程器4通信适配器5电源体现工业生产机械自动化控制的特性。,3.2软件系统,由：系统程序 用户程序 两大部分组成系统程序 由制造企业编制，固化在ROM或EPROM中，随PLC提供给用户。由：系统管理程序 用户指令解释程序 供系统调用的标准程序模块系统管理程序主要功能：1、时间分配的运行管理，即实现PLC输入、输出运算，自检及通信时序。2、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放地址。3、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
18、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。,用户指令解释程序1、他是将用户各种编程语言（梯形图、语句表）编制的应用程序翻译成CPU能执行的机器语言。3.2.1.3 供系统调用的标准程序模块 它是有许多独立的程序块组成，各自包括输入、输出、特殊运算等不同的功能。PLC的各种具体工作都有这部分来完成。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，所以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。,用户程序,由：开关量逻辑控制程序 模拟量运算程序及闭环控制程序 操作站系统程序 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
19、供的编程语言自行编制的应用程序。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、助记符或功能表图等编程语言编制，不同的PLC的制造企业提供的编程语言有不同的形式，至今还没有一种能完全兼容的编程语言。,模拟量运算程序及闭环（PID）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和汇编语言，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控制等程序。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。编程语言 梯形图编程 功能图编程 语句表编程 布尔逻辑编程,
