第二章PLC的基本组成及工作原理.ppt

2021年1月4日2时48分,1,,可编程序控制器PLCProgrammableLogicController,2021年1月4日2时48分,2,,,第二章PLC的基本组成及工作原理,基本组成工作原理编程语言,2021年1月4日2时48分,3,第一节PLC的基本组成,PLC是适于工业控制的专用计算机，与一般计算机系统基本相同，由硬件系统和软件系统组成。一、PLC的基本结构,CPU、存储器、输入输出单元、电源、编程器,2021年1月4日2时48分,4,PLC的基本组成,二、各组成部分的功能1、CPU由微处理器（8位或16位）、单片机（MCS-51，MCS-96）或位片式计算机（AM2900，AM2901，AM2903）组成。小型PLC均采用单CPU系统，大、中型PLC常采用双CPU或多CPU系统。双CPU系统，是在CPU模板上装两个CPU芯片，一个为字处理器，另一个为位处理器，字处理器是主处理器，执行所有的编程器接口的功能，监视内部定时器（WDT）及扫描时间，完成字节指令的处理，并对系统总路线和微处理器进行控制。位处理器是从处理器，主要完成对位指令的处理，减轻位处理器的负担，提高位指令的处理速度，将面向控制过程的编程语言换成机器语言。,2021年1月4日2时48分,5,PLC的基本组成,2、存储器配有两种存储系统用于存放系统程序的系统程序存储器和存放用户程序的用户程序存储器。系统程序相当于个人计算机的操作系统，能完成PLC设计者规定的工作；可由生产厂家设计并固化在ROM内，用户不能直接读取。用户程序由用户设计，决定了PLC的输入信号与输出信号之间的关系。一般以字（1个字由16位二进制数组成）单位。小型用户程序存储器容量在1K字（1K1024210）左右，大型PLC的用户程序存储器容量可达数百K字，数M字,常用几种存储器（1）随机存取存储器（RAM）（2）只读存储器（ROM）（3）可擦除可编程序的只读存储器（EPROM）（4）可电擦除的EPROM（或EEPROM）,2021年1月4日2时48分,6,PLC的基本组成,3、编程器用于用户程序的输入、编辑、调试和监视，可通过键盘来调用和显示PLC的一些内部继电器状态和系统参数；编程器一般由PLC生产厂家提供，只能用于某一生产厂家的某些PLC产品，分简易编程器和智能编程器。简易编程器由简易键盘、发光二极管阵列或液晶显示器（LCD）组成。体积小，价格便宜，可直接插在PLC编程器插座上，或用电缆与PLC相连。有在种工作方式RUN、MONITOR、PROMMGRE。智能编程器又称图形编程器，由微处理器、键盘、显示器及总线接口组成，可直接生成和编辑梯形图程序。可分LCD显示和CRT显示两种。,2021年1月4日2时48分,7,PLC的基本组成,用PC作编程器是以PC机为基础的编程系统。由生产厂家向用户提供的个人计算机的PLC程序开发系统的编程软件，包括编程软件最基本的软件，允许用户生成、编辑、存储和打印程序。文件编制软件与程序生成软件一起，可对梯形图中第个触点和线圈加上文字注释，指示其在程序中的作用，能在梯形图中附加注释，解释程序功能，使程序易于阅读和理解。数据采集和分析软件个人计算机可从PLC控制系统中采集数据，并可用各种方法分析这些数据。结果用条形统计图或扇形统计图的形式显示在CRT上；这种分析处理过程，几乎是实时的。实时操作员接口软件对个人计算机提供实时操作的人机接口装置，使个人计算机作为系统的监控装置，通过CRT告诉操作员系统状况和可能发生的各种报警信息。仿真软件可对现有系统有效地检测、分析和调试，允许系统设计者建立实际系统之前，反复对系统仿真，发现问题，及时修改，可缩短系统设计、安装和调试的周期。,2021年1月4日2时48分,8,PLC的基本组成,4、电源PLC的外部工作电源一般为单相85260V50/60HZAC电源，也有采用2426VDC电源的。使用单相交流电源的PLC，还能同时提供24V直流电源，供直流输入使用。PLC对其外部工作电源的稳定度要求不高，一般允许15左右。PLC输出端子上接的负载所需负载工作电源，须由用户提供。PLC的内部电源系统有三类（1）供PLC中的TTL芯片和集成运放用的基本电源（5V和15V）；（2）供输出接口使用的高压大电流的功率电源；（3）锂电池及其充电电源。不同类电源具有不同地线（考虑到系统可靠性及光电隔离）。,2021年1月4日2时48分,9,PLC的基本组成,5、I/O模块及接口分为1开关量I/O模块及接口，2模拟量I/O模块及接口；3智能I/O接口；4扩展接口，5通信接口,2021年1月4日2时48分,10,（1）开关量I/O模块仅有接通和断开两种状态，电压等级DC5V，12V，24V，48V和AC110V，220V；电压允许范围很宽。各I/O点的通/断状态用发光二极管或其他元件显示在面板上。开关量模块每块可能有4，8，16，32，64点。模块的外部接线方式汇点式，分组式和分隔式三种图2-1。◇汇点式各I/O电路有一个公共点，各输入点或各输出点共用一个电源◇分组式I/O点分成若干组，每组的I/O电路有一个公共点，共用一个电源，各组之间是分隔开的，可分别使用不同的电源。◇分隔式各I/O点之间相互隔离，每一个I/O点都可以使用单独的电源。,2021年1月4日2时48分,11,PLC的基本组成,输入模块◇输入电路分直流输入方式（图2-2）、交流输入方式（图2-3）和交直流输入方式三种类型。外部输入元件可以是无源触点或有源传感器（图2-4）。◇输入电路包括光电隔离和RC滤波，用于消除输入触点抖动和外部噪声。◇LED为相应输入端在面板上指示灯，用于表示外部输入的ON/OFF状态，输入信号接通时，输入电流一般小于10mA，响应滞后时间一般小于20ms；,2021年1月4日2时48分,12,PLC的基本组成,输出模块◇输出电路有继电器输出（M）、晶体管输出（T）、晶闸管输出（S）三种类型。◇继电器输出电路（1）利用继电器线圈和触点间的电气隔离，将内部电路与外部电路进行隔离，继电器同时起隔离和功率放大作用。线圈电流仅有几十毫安，（2）CPU控制继电器线圈通电或失电，接点相应闭合或断开，每路只给用户提供一对常开触点，控制外部负载电路的通断。（3）与触点并联的RC串联电路和压敏电阻用来消除触点断开时产生的电弧。（4）适合于交流负载或直流负载的场合。,2021年1月4日2时48分,13,PLC的基本组成,◇晶体管输出电路（1）通过晶体管截止或饱和控制外部负载电路，（2）采用光电耦合进行电气隔离，（3）电路延迟时间很小（＜1ms）（4）适合于直流负载的场合,2021年1月4日2时48分,14,PLC的基本组成,◇晶闸管输出电路（1）是双向可控硅输出电路，用光电可控硅实现隔离，（2）并联在双向可控硅两端的RC吸收电路和压敏电阻，用来抑制可控硅的关断过电压和外部浪涌电压。（3）双向可控硅由关断变为导通延迟时间小于1ms，由导通变为关断延迟时间小于10ms。（4）适用于交流负载的场合。,2021年1月4日2时48分,15,,,,,,,,,,,,输出单元带光电隔离器及滤波器多种输出方式晶体管晶闸管继电器驱动直流负载（晶体管输出单元）；驱动非频繁动作的交/直流负载（继电器输出单元）；驱动频繁动作的交流负载（晶闸管输出单元）。,,,,2021年1月4日2时48分,16,PLC的基本组成,（2）模拟量I/O模块小型PLC一般没有模拟量I/O模板，或只有通道数有限的8位A/D，D/A模块；大、中型PLC可配置成百上千的模拟量通道，A/D，D/A一般是10位或12位的。模拟输入或输出信号可以是电压或电流；可以是单极性的如05V，010V，15V，420mA，也可是双极性的如50mV，5V，10V，20mA一个模拟量I/O接口模块的通道数，可能有2，4，8，16个。有些模块既有输入通道，也有输出通道。光电隔离措施隔离放大器，光电耦合器,2021年1月4日2时48分,17,PLC的基本组成,（3）智能I/O接口有独立的微处理器和控制软件，可以独立地工作，常见有位置闭环控制接口模块快速PID调节器闭环控制接口模块高速计数器接口模块（4）扩展接口有两个含义单纯的I/O扩展接口，用于扩展I/O点数，通过I/O扩展接口将主机与I/O扩展单元连接起来。CPU模板的扩充，实现扩充CPU模板，及原系统CPU模板与扩充CPU模板间的相互控制和信息交换。,2021年1月4日2时48分,18,（5）通信接口专用于数据通信的一种智能模块，主要用于人机或机机对话通过通信接口可与打印机、监视器相连，也可与其他的PLC或上位计算机相连，构成多机局部网络系统或多级分布式控制系统，或实现管理与控制结合的综合系统。通信接口有串行接口和并行接口两种，在专用系统软件控制下，遵循国际上多种规范的通信协议来工作。用户根据不同的设备要求选择相应的通信方式并配置合适的通信接口。,2021年1月4日2时48分,19,PLC的基本组成,6、PLC的外部设备（1）人机接口装置用于实现操作员与PLC控制系统的对话和相互作用。小型PLC安装在控制台上的按钮、转换开关、拔码开关、指示灯、LED数字显示器和声光报警器等元件组成。连接到PLC输入接口的输入器件各种开关、按钮、传感器等。PLC的各种输出控制器电磁阀、接触器、继电器。继电器、接触器有交流型和直流型、高电压型和低电压型，电压型和电流型。大中型PLC常用带有智能型的人机接口，可长期安装在操作台和控制柜面板上，可放在主控室里，用彩色或单色CRT显示器，有自已的微处理器和存储器，通过通信接口与PLC相连，接收和显示外部信息，与操作员交换信息。,2021年1月4日2时48分,20,,（2）外存储器盒式磁带机的磁带或磁盘驱动器的磁盘，用于备份或离线编程。（3）打印机打印程序，实时事件硬记录，各种生产报表（4）EPROM写入器将用户程序写入到EPROM中,2021年1月4日2时48分,21,PLC的软件结构,PLC的软件分为两大部分一、系统监控程序由PLC制造者编制，用于控制PLC本身的运行。二、用户程序由PLC使用者编制，用于控制被控装置的运行。,2021年1月4日2时48分,22,PLC的软件结构,一、系统监控程序,监控程序,管理程序,用户指令解释程序,标准程序模块，系统调用,运行管理,生成用户元件,内部自检等,控制PLC何时输入、何时输出、何时运行、何时自检、何时通信，进行时间上的分配管理。,即规定各种参数、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物理存放地址。,包括各种系统出错检验、用户程序语法检验、句法检验、警戒时钟运行等。,将梯形图程序变为机器语言程序。,由许多独立的、能各自完成不同的功能的程序块组成。决定PLC性能的强弱。,,,2021年1月4日2时48分,23,PLC的软件结构,二、用户程序,由PLC使用者编制的程序，是用梯形图或指令助记符编制而成的，可以是梯形图、指令表、高级语言、汇编语言等，存储在监控程序指定的存储区间内，其最大容量也是由监控程序限制。,2021年1月4日2时48分,24,PLC的外形结构,PLC的结构分为单元式和模块式、叠装式。,单元式结构的特点将所有的电路集中在一个模块内，构成一个整体，结构紧凑，体积小、重量轻、成本低、安装方便，可直接装入机床或其他设备的电控柜中。有基本单元M、扩展单元E、扩展模块。基本单元内有CPU与存储器，为必用装置；扩展单元增加I/O点数时的装置，内无CPU，但有内部电源；扩展模块以8为单位增加输入/输出点数，或只增加输入点数或只增加加输出点数；内部无电源，需由基本单元或扩展单元供给电源。,2021年1月4日2时48分,25,PLC的外形结构,模块式结构采用搭积木的方式组成系统，在一块基板上插上CPU、电源、I/O模块及特殊功能模块，构成一个总I/O点数很多的大规模综合控制系统。,模块式结构的特点CPU为独立的模块，输入、输出也是独立的模块，配置很灵活，可根据不同的系统规模选用不同档次的CPU及各种I/O模块、功能模块。模块尺寸统一、安装整齐，对I/O点数很多的系统选型，安装调试、扩展、维修都很方便是。用基板主基板、扩展基板将各模块联成整体；多块基板时，要用电缆将各基板联在一起。,2021年1月4日2时48分,26,PLC的外形结构,叠装式各种单元、CPU自成独立的模块，但安装不用基板，仅用电缆进行单元间连接，且各单元可一层层地叠装。特点配置灵活，体积小巧。,2021年1月4日2时48分,27,第二节PLC的工作原理,PLC的工作方式是不断循环扫描的工作方式。系统上电后，在系统程序监控下，周而复始按固定顺序对系统内部各种任务进行查询，判断，和执行。一个循环扫描的过程称为扫描周期。一个扫描周期输入采样时间用户程序执行时间输出刷新时间一个扫描周期的典型值为1100ms。输入采样和输出刷新阶段只需12ms.一个扫描周期主要由用户程序执行时间决定。,2021年1月4日2时48分,28,PLC的工作原理,在一个循环扫描周期内，其工作过程分为三个阶段输入采样阶段，程序执行阶段，输出刷新阶段（1）输入采样阶段（2）程序执行阶段（3）输出刷新阶段,2021年1月4日2时48分,29,PLC的工作过程示意图,,,,,,,输入采样,,,输出刷新,,程序执行,2021年1月4日2时48分,30,PLC的工作原理,PLC对I/O的处理规则输入映像寄存器中的数据，是在输入采样阶段扫描到的输入信号的状态集中写进去的，在本扫描周期中，不随外部输入信号变化而变化。输出映像寄存器的状态，由用户程序中输出指令的执行结果来决定。输出锁存器中的数据在输出刷新阶段，从输出映像寄存器中集中写进去。输出端子的输出状态，是由输出锁存器中的数据确定的。执行用户程序时所需输入、输出状态，从输入映像寄存器和输出映像寄存器中读出。,2021年1月4日2时48分,31,PLC的工作原理,PLC的扫描周期及滞后响应一个扫描周期输入采样时间用户程序执行时间输出刷新时间从PLC输入端有一个输入信号发生变化到PLC的输出端对该输入变化做出反应，所需时间，称响应时间或滞后时间。（1）响应滞后影响了控制的实时性，但对于一般的工业控制是无妨的。（2）如需快速响应，可选用快速响应模块、高速计数模块，或采用中断处理功能来缩短滞后时间。,2021年1月4日2时48分,32,影响响应时间的因素（1）输入滤波器的时间常数（输入延迟）PLC输入滤波器是个积分环节，故输入滤波器的输出电压相对现场实际输入元件的变化信号，有一个时间延迟，导致实际输入信号在进入输入映像寄存器前就有一个滞后时间。如果，输入导线很长，由于分布参数的影响，也会产生一个“隐形”滤波器效果。在实时性要求很高的情况下，可考虑用快速响应输入模板。（2）输出继电器的机械滞后（输出延迟）PLC数字量输出常采用继电器触点的形式输出，由于继电器固有动作时间，导致继电器的实际动作相对线圈的输入电压的滞后效果，如采用双向可控硅或晶体管的输出方式，可减少滞后时间。继电器输出型电路滞后时间在10ms左右，双向可控硅型输出电路在负载接通时的滞后时间约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在1ms左右。,2021年1月4日2时48分,33,PLC的工作原理,（3）PLC的循环扫描工作方式要减少程序扫描时间，必须优化程序结构，可能情况下，采用跳转指令。（4）PLC对输入采样、输出刷新的集中批处理方式（图3-2）PLC的循环扫描的工作方式决定了输入信号到输出响应间有一个时间的滞后。（5）用户程序中语句顺序安排不当,2021年1月4日2时48分,34,图3-2,影响响应时间的因素,2021年1月4日2时48分,35,PLC的工作原理,NOTE图（a）假定在当前扫描周期内，I0.0的闭合信号已经在输入采样阶段送到了输入映像寄存器，在程序执行时，M0.0为“1”，M0.1也为“1”，而Q0.0要等到下一个扫描周期才变为“1”。Q0.0相对于I0.0的闭合信号，滞后了一个扫描周期。如果I0.0的闭合信号是在当前扫描周期的输入采样阶段后发出的，则M0.0，M0.1都要等到下一个扫描周期才变为“1”，而Q0.0还要等一个扫描周期后才能变为“1”。Q0.0相对于I0.0闭合信号，滞后了二个扫描周期。如图（b）,把图（a）中的第一行与第二行交换位置，就可使M0.0，M0.1，Q0.0在同一个扫描周期内同时为“1”。所以，由于PLC的循环扫描工作方式，响应时间与收到输入信号时刻有关。,2021年1月4日2时48分,36,编程语言概述,PLC语言的国际标准不同厂家的PLC语言有很大区别，用户不得不学习多种编程语言和查找故障方法。IEC（国际电工委员会）1994年5月公布了PLC标准（IEC1131），该标准由5部分组成通用信息、设备与测试要求、可编程序控制器的语言（IEC1131-3）、用户指南和通讯。IEC1131-3是PLC编程语言标准；它详细地说明了句法、语义和5种PLC语言的表达方式。,第三节PLC的编程语言,2021年1月4日2时48分,37,编程语言概述,PLC五种语言表达方式1、顺序功能图（Sequentialfunctionchart--SFC）2、梯形图（Ladderdiagram--LD）3、功能块图（Functionblockdiagram--FBD）4、指令表InstructionList--IL5、结构文本（Structuredtext--ST）,IEC1131-3，还允许在同一程序中使用多种编程语言，使编程者能选择不同语言来适应特殊的工作。目前只有部分厂家的PLC的编程语言支持IEC1131-3标准。,2021年1月4日2时48分,38,PLC的编程语言,2、梯形图（Laddetdiagram--LD）是一种使用得最多的PLC图形编程语言，与继电器控制系统的电路图很相似，直观易懂，易被现场电气人员掌握；有线圈、常开触点和常闭触点，功能块。,2021年1月4日2时48分,39,PLC的编程语言,指令表是一种与微机的汇编语言中的指令相似的助记符表达式。指令表与梯形图之间可以相互转换。,2021年1月4日2时48分,40,PLC的编程语言,顺序功能图一种结构块控制程序流程图，位于其他编程语言之上的图形语言，用来编制顺序控制程序。作为图形语言，给用户提供3种主要元件步、转换和动作，步一种逻辑块，对应于特定的控制任务的编程逻辑；转换是从一个任务到另一个任务的原因；动作是控制任务的独立部分。,动作在顺序结构中，CPU反复执行步1中的动作，直到转换1变为ON状态，CPU将处理第2步。,2021年1月4日2时48分,41,PLC的编程语言,逻辑功能图一种较新的编程方法，沿用了数字逻辑电路中的逻辑门和逻辑框图来表达。,高级语言结构文本（Structuredtext--ST）为增强PLC的数学运算、数字处理、图形显示、报表打印等功能，方便用户使用，在大中型PLC上配备了Pascal、Basic、C等高级编程语言。结构文本（ST）是为IEC1131-3标准创建的一种专用的高级编程语言，受过计算机编程语言训练的人很容易用它来编制控制逻辑。与梯形图比有两大优点能实现复杂的数学运算，非常简洁、紧凑，用其编制极复杂的数学运算可能只占一页纸。,2021年1月4日2时48分,42,思考题,1.2-1PLC由哪几部分组成各部分的作用及功能是什么1.2-2PLC的数字量输出有几种输出形式各有什么特点各适用于什么场合1.2-3PLC的程序容量以字为单位，一个字。1.2-4I/O模块的外部接线方式、、。,,2021年1月4日2时48分,43,作业,2-1,2-2,2-3,2-5,2021年1月4日2时48分,44,THEEND,2021年1月4日2时48分,45,各种开关元件,2021年1月4日2时48分,46,控制按钮,2021年1月4日2时48分,47,万能转换开关,2021年1月4日2时48分,48,接近开关,2021年1月4日2时48分,49,接触器,2021年1月4日2时48分,50,过流电流继电器,欠流电流继电器,电压继电器,中间继电器,2021年1月4日2时48分,51,时间继电器,2021年1月4日2时48分,52,,,