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1、第 5 章 可编程控制器的结构及工作原理,5.1 可编程控制器的硬件系统5.2 可编程控制器的软件及编程语言5.3 可编程控制器的工作原理思考题与习题五,5.1 可编程控制器的硬件系统,PLC实质上是一种工业控制计算机,只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言,故PLC与计算机的组成十分相似。从硬件结构看,它也有中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出(I/O)接口、电源等,其硬件结构如图5-1所示。,图 5-1 PLC的硬件结构框图,1.中央处理器(CPU)与一般计算机一样,CPU是PLC的核心。它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊地
2、进行工作。其主要任务有:控制从编程器键入的用户程序和数据的接收与存储;用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据,并存入输入映像存储器或数据存储器中;诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等;PLC进入运行状态后,从存储器逐条读取用户指令,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;根据运算等结果,更新有关标志位的状态和输出映像存储器的内容,再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。,2.存储器 系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序,并固化在ROM内,用户不能直接更改。它使PLC具有基本的智能,能够完成PLC设计者规定的各项工作。系统程序质量
3、的好坏在很大程度上决定了PLC的性能。其内容主要包括三部分:第一部分为系统管理程序,它主管控制PLC的运行,使整个PLC按部就班地工作;第二部分为用户指令解释程序,通过用户指令解释程序将PLC的编程语言变为机器语言指令,再由CPU执行这些指令;第三部分为标准程序模块与系统调用程序,它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序,如完成输入、输出及特殊运算等的子程序。PLC的具体工作都是由这部分程序来完成的,这部分程序的多少决定了PLC性能的强弱。,用户存储器包括用户存储器(程序区)和功能存储器(数据区)两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务,用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。用
4、户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同,可以是RAM(有掉电保护)、EPROM或EEPROM存储器,其内容可以由用户任意修改或增删。用户功能存储器用来存放(记忆)用户程序中使用的ON/OFF状态、数值数据等。它构成PLC的各种内部器件,也称“软元件”。用户存储器容量的大小关系到用户程序容量的大小和内部器件的多少,是反映PLC性能的重要指标之一。,3.输入/输出接口输入/输出接口是PLC与外界连接的接口。输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号:一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触头、接近开关、光电开关、数字拨码开关等来的开关量输入信号;另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等来的
5、模拟量输入信号。输出接口用来连接被控对象中各种执行元件,如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀(模拟量)、调速装置(模拟量)等。,4.电源小型整体式可编程控制器内部有一个开关式稳压电源。此电源一方面可为CPU板、I/O 板及扩展单元提供工作电源(DC 5 V);另一方面可为外部输入元件提供DC 24 V。5.扩展接口扩展接口用于将扩展单元与基本单元相连,使PLC的配置更加灵活。,6.通信接口为了实现“人机”或“机机”之间的对话,PLC配有多种通信接口。PLC通过这些接口可以与监视器、打印机、其他PLC或计算机相连。当PLC与打印机相连时,可将过程信息、系统参数等输出打印;当与监视器(CRT)相连时,
6、可将过程图像显示出来;当与其他PLC相连时,可以组成系统或联成网络,实现更大规模的控制;当与计算机相连时,可以组成多级控制系统,实现控制与管理相结合的综合系统。,7.智能I/O接口为了满足更加复杂的控制功能的需要,PLC配有多种智能I/O接口,例如满足位置调节需要的位置闭环控制模块,对高速脉冲进行计数和处理的高速计数模块等。这类智能模块都有其自身的处理器系统。,8.编程器编程器的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。编程器有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
7、编程器又称图形编程器。它可以联机或脱机编程,具有LCD或CRT图形显示功能,可以直接输入梯形图并通过屏幕对话。9.其他部件PLC还可配有盒式磁带机、EPROM写入器、存储器卡等其他外围设备。,5.2 可编程控制器的软件及编程语言,5.2.1 PLC的软件系统1.系统软件1)系统管理程序系统管理程序是系统软件中最重要的部分,主管控制PLC的运作。其作用包括三个方面:一是运行管理，即对控制PLC何时输入、何时输出、何时计算、何时自检、何时通信等作时间上的分配管理。二是存储空间管理,即生成用户环境。由它规定各种参数、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地址,将有限
8、的资源变为用户可很方便地直接使用的元件。三是系统自检程序，它包括各种系统出错检测、用户程序语法检验、句法检验,警戒时钟运行等。PLC正是在系统管理程序的控制下,按部就班地工作的。,2)用户指令解释程序众所周知,任何计算机最终都是执行机器语言指令的。但用机器语言编程却是非常复杂的事情。PLC可用梯形图语言编程。把使用者直观易懂的梯形图变成机器懂得的机器语言,这就是解释程序的任务。解释程序将梯形图逐条解释,翻译成相应的机器语言指令,由CPU执行这些指令。,3)标准程序模块和系统调用这部分软件由许多独立的程序块组成。各程序块完成不同的功能,有些完成输入、输出处理,有些完成特殊运算等。PLC的各种具体
9、工作都是由这部分程序来完成的。这部分程序的多少决定了PLC性能的强弱。整个系统软件是一个整体,其质量的好坏很大程度上会影响PLC的性能。很多情况下,通过改进系统软件就可在不增加任何设备的条件下,大大改善PLC的性能。因此PLC的生产厂商对PLC的系统软件都非常重视,其功能也越来越强。,2.用户程序用户程序是PLC的使用者针对具体控制对象编制的程序。在小型PLC中,用户程序有三种形式:指令表(STL)、梯形图(LAD)和顺序功能流程图(SFC)。,5.2.2 PLC的编程语言1.梯形图编程梯形图表达式是在原电器控制系统中常用的接触器、继电器梯形图基础上演变而来的。它的最大优点是形象、直观和实用,
10、为广大电气技术人员所熟知,是PLC的主要编程语言。PLC的梯形图与电器控制系统梯形图的基本思想是一致的,但也有很大的区别(详见第6章),表面看起来完全一样的继电器线路与梯形图,它们产生的效果可能一样,也可能不完全一样,甚至某些作用完全相反。PLC的梯形图使用的是内部继电器、定时/计数器等,都是由软件实现的。其主要特点是使用方便,修改灵活。这是传统电器控制的继电器梯形图硬件接线所无法比拟的。,图5-2所示是用OMRON公司C系列P型机编号的自保持电路梯形图。这里0506的触点与启动触点0000并联。当0000接通,0506工作后,0506线圈可由自己的触点保持。若0001通,则0506断。,图
11、5-2 自保持电路梯形图,2.指令语句表编程指令语句表语言类似于微机中的助记符语言。它是可编程控制器最基础的编程语言。所谓指令语句表编程,是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种操作功能。每个生产厂家使用的助记符是各不相同的,因此同一个梯形图书写的语句形式不尽相同。语句是用户程序的基础单元,每个控制功能由一个或多个语句的用户程序来执行。每条语句是规定CPU如何动作的指令,它的作用和微机的指令一样,而且PLC的语句也是由操作码和操作数组成的,故其表达式也和微机指令类似。,PLC的语句为操作码操作数 或 操作码标识符参数其中,操作码用来指定要执行的功能,告诉CPU应该进行什么操作;操作
12、数内包含执行该操作所必需的信息,告诉CPU用什么地方的东西来执行此操作。具体指令的说明在后面的章节有详细的介绍。表5-1是图5-2所示梯形图相对应的指令表。,表5-1 指 令 表,3.顺序功能流程图编程顺序功能流程图编程(SFC)是一种较新的编程方法。它的作用是用功能图来表达一个顺序控制过程。目前国际电工协会(IEC)也正在实施发展这种新的编程标准。使用SFC作为一种步进控制语言,用这种语言可以对一个控制过程进行控制,并显示该过程的状态。将用户应用的逻辑分成步和转换条件,来代替一个长的梯形图程序。这些步和转换条件的显示,使用户可以看到在某个给定时间中机器过程处于什么状态。图5-3所示是一个顺序
13、钻孔的顺序功能流程图编程的例子。方框中数字代表顺序步,每一步对应于一个控制任务,每个顺序步的步进条件以及每个顺序执行的功能可以写在方框右边。,图 5-3 顺序功能流程图编程示例,5.3 可编程控制器的工作原理,5.3.1 PLC控制系统的等效工作电路 PLC控制系统的等效工作电路可分为三部分,即输入部分、内部控制电路和输出部分。输入部分采集输入信号,输出部分就是系统的执行部件。这两部分与继电器控制电路相同。内部控制电路通过编程方法实现控制逻辑,用软件编程代替继电器电路的功能。其等效工作电路如图5-4所示。,图 5-4 PLC控制系统的等效工作电路,1.输入部分 输入部分由外部输入电路、PLC输
14、入接线端子和输入继电器组成。外部输入信号经PLC输入接线端子去驱动输入继电器的线圈。每个输入端子与相同编号的输入继电器有着惟一确定的对应关系。当外部的输入元件处于接通状态时,对应的输入继电器线圈“得电”(注意:这个输入继电器是PLC内部的“软继电器”,就是我们在前面介绍过的存储器基本单元中的某一位,它可以提供任意多个动合触点或动断触点供PLC内部控制电路编程使用)。,为使输入继电器的线圈“得电”,即让外部输入元件的接通状态写入与其对应的基本单元中去,输入回路要有电源。输入回路所使用的电源,可以用PLC内部提供的24 V 直流电源(其带载能力有限),也可由PLC外部独立的交流或直流电源供电。需要
15、强调的是,输入继电器的线圈只能是由来自现场的输入元件(如控制按钮、行程开关的触点、晶体管的基极-发射极电压、各种检测及保护器件的触点或动作信号等)驱动,而不能用编程的方式去控制。因此,在梯形图程序中只能使用输入继电器的触点,不能使用输入继电器的线圈。,2.内部控制电路 所谓内部控制电路,是指由用户程序(一般用梯形图语言或指令语句表编制的)形成的用“软继电器”来代替硬继电器的控制逻辑。其作用是按照用户程序规定的逻辑关系,对输入信号和输出信号的状态进行检测、判断、运算和处理,然后得到相应的输出。,3.输出部分 输出部分是由在PLC内部且与内部控制电路隔离的输出继电器的外部动合触点、输出接线端子和外
16、部驱动电路组成,用来驱动外部负载。PLC的内部控制电路中有许多输出继电器,每个输出继电器除了有为内部控制电路提供编程用的任意多个动合、动断触点外,还为外部输出电路提供了一个实际的动合触点与输出接线端子相连。驱动外部负载电路的电源必须由外部电源提供,电源种类及规格可根据负载要求去配备,只要在PLC允许的电压范围内工作即可。,5.3.2 扫描工作方式可编程控制器是一种工业控制计算机,故它的工作原理是建立在计算机工作原理基础上的,即是通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。当PLC运行时,用户程序中有众多的操作需要去执行,但CPU是不能同时去执行多个操作的,它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。
17、由于CPU的运算处理速度很高,使得外部出现的结果从宏观上看似乎是同时完成的。这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。扫描是一种形象化的术语,用作描述CPU是如何完成分配给它的各种任务的方式。,扫描从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始,在无中断或跳转控制的情况下,按存储地址号递增的方向顺序逐条扫描用户程序,也就是顺序逐条执行用户程序,直到程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期,然后再从头开始扫描,并周而复始地重复。顺序扫描的工作方式简单直观,它简化了程序的设计,并为PLC的可靠运行提供了非常有用的保证。一方面,所扫描到的指令被执行后,其结果马上就可以被将要扫描到的指令所利用;另
18、一方面,还可以通过CPU设置的定时器来监视每次扫描是否超过规定的时间,从而避免了由于CPU内部故障使程序进入死循环而造成故障的影响。,5.3.3 PLC的工作过程PLC的工作过程就是程序执行过程。PLC投入运行后,便进入程序执行过程。它分为三个阶段进行,即输入采样(或输入处理)阶段、程序执行(或程序处理)阶段和输出刷新(或输出处理)阶段,如图5-5所示。,图 5-5 PLC程序执行的过程,1.输入采样阶段在输入采样阶段,PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态(开或关,即ON或OFF、“1”或“0”)读入到输入映像寄存器中寄存起来,称为对输入信号的采样,或称输入处理。接着转入程序执行阶
19、段,在程序执行期间,即使输入状态变化,输入映像寄存器的内容也不会改变。输入状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读入。,2.程序执行阶段 在程序执行阶段,PLC对程序按顺序进行扫描。如果程序用梯形图表示,则总是按先上后下、先左后右的顺序进行扫描。每扫描到一条指令时,所需要的输入状态或其它元素的状态分别由输入映像寄存器和元素映像寄存器中读出,而将执行结果写入元素映像寄存器中。也就是说,对于每个元素来说,元素映像寄存器中寄存的内容,会随程序执行的进程而变化。,3.输出刷新阶段 当程序执行完后,进入输出刷新阶段。此时,将元素映像寄存器中所有输出继电器的状态转存到输出锁存电路,再驱动用户
20、输出设备(负载),这就是PLC的实际输出。PLC重复地执行上述三个阶段,每重复一次的时间就是一个工作周期(或扫描周期)。工作周期的长短与程序的长短(即组成程序的语句多少)有关,通常为几十毫秒。PLC在每次扫描中,对输入信号采样一样,对输出刷新一次。这就保证了PLC在执行程序阶段,输入映像寄存器和输出锁存电路的内容或数据保持不变。,5.3.4 PLC对输入/输出的处理规则总结上面分析的程序执行过程,可以得出PLC对输入输出的处理规则,如图5-6所示。对应于图中的数字标号说明如下:,图 5-6 PLC对输入/输出的处理规则,输入映像寄存器的数据,取决于输入端子在上一个工作周期的输入采样阶段所刷新的
21、状态。输出映像寄存器(包含在元素映像寄存器中)的状态,由程序中输出指令的执行结果确定。输出锁存电路中的数据,由上一个工作周期的输出刷新阶段存入到输出锁存电路中的数据来确定。输出端子上的输出状态,由输出锁存电路中的数据来确定。程序执行中所需的输入、输出状态(数据),由输入映像寄存器和输出映像寄存器读出。,思考题与习题五,5-1 PLC的硬件系统由哪些基本部件组成？各部件的主要作用是什么？5-2 PLC的软件包括几部分？各部分的作用是什么？5-3 PLC目前常用的编程语言有哪几种？各有何特点？5-4 为什么在梯形图程序中只能使用输入继电器的触点,不能使用输入继电器的线圈？5-5 简述PLC的工作方式及其工作过程。,
