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1、第5章 可编程控制器的基本组成及工作原理,可编程控制器是以微处理器为核心的工业自动控制装置。可编程序控制器的产品很多，不同厂家生产的PLC以及同一厂家生产的不同型号的PLC，其结构各不相同。但是作为一种程序控制装置，可编程控制器在结构和控制原理上又有其共性。本章介绍可编程控制器的一般结构、工作原理及编程语言等。,5.1 可编程控制器的基本组成,对于整体式的PLC，这些部件都在同一个机壳内。而对于模块式结构的PLC，各部件独立封装，称为模块，各模块通过机架和电缆连接在一起。,第5章 可编程控制器的基本组成及工作原理,可编程控制器硬件系统的基本结构框图如图5-1所示。在图5-1中，PLC的主机由微
2、处理器(CPU)、存储器(EPROM、RAM)、输入/输出模块、外设I/O接口、通信接口及电源组成。,第5章 可编程控制器的基本组成及工作原理,5.1 可编程控制器的基本组成,主机内的各个部分均通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接。根据实际控制对象的需要配备一定的外部设备，可构成不同的PLC控制系统。常用的外部设备有编程器、打印机、EPROM写人器等。PLC可以配置通信模块与上位机及其他的PLC进行通信，构成PLC的分布式控制系统。,下面分别介绍PLC各组成部分及其作用，以便进一步了解PLC的控制原理和工作过程。,微处理器又称中央处理器，简称CPU，它是PLC的核心。CPU的作用是按
3、照生产厂家预先编制的系统程序接收并存储编程器输入的用户程序和数据,采用扫描工作方式接收现场输入信号,从存储器逐条读取并执行用户程序,根据运算结果实现输出控制。可编程控制器中所采用的CPU随机型不同而不同，通常有三种：通用微处理器(如8086、80286、80386等)、单片机、位片式微处理器。小型PLC大多采用8位、1 6位微处理器或单片机作CPU，如Z80A、8031、M68000等，这些芯片具有价格低、通用性好等优点。对于中型的PLC，大多采用16位、32位微处理器或单片机作为CPU，如8086、8096系列单片机，具有集成度高、运算速度快、可靠性高等优点。对于大型PLC，大多数采用高速位
4、片式微处理器，具有灵活性强、速度快、效率高等优点。CPU的性能直接影响PLC的性能。目前，针对PLC的特点，一些专业生产PLC的厂家均采用自己开发的CPU芯片来提高PLC的控制性能。,微处理器(CPU),第5章 可编程控制器的基本组成及工作原理,存储器,存储器用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其它信息。,PLC使用的存储器有只读存储器ROM、读写存储器RAM和用户固化程序存储器E2PROM。ROM存放PLC制造厂家编写的系统程序，具有开机自检、工作方式选择、信息传递和对用户程序的解释翻译功能。ROM存放的信息是永远留驻的。,RAM一般存放用户程序和逻辑变量。用户程序在设计和调试过程中要不断
5、进行读写操作。读出时，RAM中内容保持不变。写入时，新写入的信息将覆盖原来的信息。若PLC失电，RAM存放的内容会丢失。如果有些内容失电后不容许丢失，可以把它放在断电保持的RAM存储单元中。这些存储单元接上备用锂电池供电，具有断电保持能力。如果用户经调试后的程序要长期使用，可以通过PLC将程序写入带有E2PROM芯片的存储卡中，从而长期保存。,第5章 可编程控制器的基本组成及工作原理,输入/输出接口（I/O）,输入部分的作用是把从输入设备来的输入信号送到可编程序控制器。输入设备一般包括各类控制开关(如按钮、行程开关、热继电器触点等)和传感器(如各类数字式或模拟式传感器)等，这些量通过输入接口电
6、路的输入端子与PLC的微处理器CPU相连。CPU处理的是标准电平，因此，接口电路为了把不同的电压或电流信号转变为CPU所能接收的电平，需要有各类接口模块。输出接线端子与控制对象如接触器线圈、电磁阀线圈、指示灯等连接。为了把CPU输出电平转变为控制对象所需的电压或电流信号，需要有输出接口电路。输入输出接口都采用光电隔离电路。输入/输出接口有数字量（开关量）输入/输出单元，模拟量输入/输出单元。,第5章 可编程控制器的基本组成及工作原理,输入/输出接口（I/O）,数字量（开关量）输入单元分为直流输入和交流输入两种类型，常用的输入电路有干接点式、直流输入式和交流输入式三种，电路原理如图5-2所示。,
7、（a）（b）（c）,（a）干接点式（b）直流输入式（c）交流输入式,第5章 可编程控制器的基本组成及工作原理,输入/输出接口（I/O）,数字量（开关量）输出单元又分为继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出三种形式。继电器输出可接交流负载或直流负载，晶体管输出只能接直流负载，晶闸管输出只能接交流负载，输出负载必须外接电源。三种输出电路的原理如图5-3所示。,（a）继电器输出（b）晶闸管输出（c）晶体管输出,第5章 可编程控制器的基本组成及工作原理,5.1.4 外围设备,PLC的外围设备有手持编程器、便携式图形编程器及通过专用编程软件实现图形编程的个人计算机。这些外围设备都通过专用的接口与PLC主机相
8、连。,5.1.5 电源,PLC的电源是将交流电压变成CPU、存储器、输入输出接口电路等所需电压的电源部件。该电源部件对供电电源采用了较多的滤波环节，对电网的电压波动具有过压和欠压保护，并采用屏蔽措施防止和消除工业环境中的空间电磁干扰。,综上所述，PLC由以上五部分组成，相当于一台工业用微机。它通过外围设备可以进行主机与生产机械之间、主机与人之间的信息交换，实现对工业生产过程以及对某些工艺参数的自动控制。,第5章 可编程控制器的基本组成及工作原理,5.2 可编程序控制器的工作原理,PLC是依靠执行用户程序来实现控制要求的。我们把使PLC进行逻辑运算、数据处理、输入和输出步骤的助记符称为指令，把实
9、现某一控制要求的指令的集合称为程序。PLC在执行程序时，首先逐条执行程序命令，把输入端的状态值(接通为1，断开为0)存放于输入映象寄存器中，在执行程序过程中把每次运行结果的状态存放于输出映象寄存器中。,PLC执行程序是以循环扫描方式进行的。每一扫描过程主要分为三个阶段：输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。,第5章 可编程控制器的基本组成及工作原理,1.输入采样阶段,在每一个扫描周期开始时，PLC顺序读取全部输入端信号，把输入端的通断状态存放于输入映象寄存器中。,2.程序执行阶段,PLC按梯形图从左向右、从上向下逐条对指令进行扫描，并从输入映象寄存器和内部元件读入其状态，进行逻辑运算。运算
10、的结果送人输出映象寄存器中。每个输出映象寄存器的内容将随着程序扫描过程而作相应变化。但在此阶段中，如输入端子状态发生改变，输入映象寄存器的状态也不会改变(它的新状态会在下一次扫描中才被读入)。,第5章 可编程控制器的基本组成及工作原理,当第二阶段完成之后，输出映象寄存器中各输出点的通断状态将通过输出部分送到输出锁存器，去驱动输出继电器线圈，执行相应的输出动作。,3.输出刷新阶段,完成上述过程所需的时间称为PLC的扫描周期。PLC在完成一个扫描周期后，又返回去进行下一个扫描，读入下一周期的输入点状态，再进行运算、输出。,PLC的工作过程除了包括上述三个主要阶段外，还要完成内部处理、通信处理等工作
11、。在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。在通信处理阶段，CPU处理从通信端口接收到的信息。,PLC扫描周期的长短，取决于PLC执行一个指令所需的时间和有多少条指令。如果执行每条指令所需的时间是1us，程序有800条指令，则这一扫描周期的时间就为0.8ms。,第5章 可编程控制器的基本组成及工作原理,5.3 PLC控制与继电器控制的区别,传统的继电接触器控制系统，是由输入设备(按钮、开关等)、控制线路(由各类继电器、接触器、导线连接而成，执行某种逻辑功能的线路和输出设备(接触器线圈、指示灯等)三部分组成。这是一种由物理器件联接而成的控
12、制系统。,PLC的梯形图虽与继电器控制电路相类似，但其控制元器件和工作方式是不一样的，主要区别有以下几个方面。,元器件不同 2.工作方式不同 3.元件触点数量不同 4.控制电路实施方式不同,第5章 可编程控制器的基本组成及工作原理,5.4 PLC的编程语言,PLC的控制功能是由程序实现的。目前PLC程序常用的表达方式有：梯形图、语句表和功能块图。这里仅作简单介绍。详细的编程指令将在以后的章节中予以说明。,5.4.1 梯形图,梯形图是按照原继电器控制设计思想开发的一种编程语言，它与继电器控制电路图相类似，对从事电气专业人员来说，简单、直观、易学、易懂。它是PLC的主要编程语言，使用非常广泛。图5
13、-4是用梯形图表示的PLC程序实例。,图5-4用梯形图表示的PLC程序实例,第5章 可编程控制器的基本组成及工作原理,5.4.2 语句表,语句表是一种类似于计算机中汇编语言的助记符指令编程语言。指令语句由地址(或步序)、助记符、数据三部分组成。指令语句表亦是PLC的常用编程语言，尤其是采用简易编程器进行PLC编程、调试、监控时，必须将梯形图转化成指令语句表，然后通过简易编程器输入PLC进行编程、调试、监控。图5-5是用语句表表示的PLC程序实例。,图5-5用语句表表示的PLC程序实例,第5章 可编程控制器的基本组成及工作原理,5.4.3 功能块图,功能块图编程是一种在数字逻辑电路设计基础上开发的一种图形编程语言。逻辑功能清晰、输入输出关系明确，适用于熟悉数字电路系统设计人员采用智能型编程器(专用图形编程器或计算机软件编程)编程。用功能块图表示的PLC程序如图5-6所示。,图5-6用功能块图表示的PLC程序实例,随着PLC技术发展，大型(超大型)、高档PLC的应用越来越多，这些PLC具有很强的运算与数据处理等功能，为了方便用户编程，许多高档PLC都配备了顺控流程图语言和高级语言编程等工具。关于这方面的内容可参考相关的PLC编程手册。,第5章 可编程控制器的基本组成及工作原理,
