工学PLC原理及应用课程PLC的组成及工作原理Word文件下载.docx

1、位片式微处理器如 AMD（2900、2901、2903、N8300），位片式微处理器是独立于微型机的另一分支，因为它采用双极型工艺，所以比一般的MOS型微机处理器在速度上要快一个数量级。上述两种微处理器的字长、结构、指令系统是固定的，而位片机是具有CPU的一切必要附件（如寄存器、算术逻辑部件ALU等），位片的宽度有2、4、8位几种，用几个位片机级联，可组成任意字长的微处理器。还可通过改变微程序存储器的内容来改变机器的指令系统（即指令系统对用户开放）；位片式结构可使用多个微处理器，将任务分成几个部分让其并行处理，即重叠操作，这样能更有效地发挥其快速的特点；其缺点是：集成度低，用的芯片较多，功耗也

2、较大。目前小型PLC一般采用8位CPU如：8080、8085、Z80、6800、MCS48、51系列，而大、中型PLC常采用位片式微处理器、16/32位通用微处理器。存储器存储器是保存系统程序、用户程序、中间运算结果的器件，据其在系统中的作用，可将它们分为下列4种：系统程序存储器、用户程序存储器、数据表存储器、高速暂存存储器。系统程序存储器系统程序存储器用来存放PLC的监控程序，可分为：系统管理程序、命令解释程序、故障检测、诊断程序、通信程序。系统程序由PLC厂家设计，并固化在ROM / PROM / EPROM存储器中，用户不必对它作细致的了解，更不能改变它。用户程序存储器用户程序存储器用来

3、存放用户编制的控制程序。PLC术语中讲的存储器容量及型式就是指的用户程序存储器。常用的用户存储器型式有：EPROM、E2ROM、带掉电保护的RAM等。EPROM作程序存储器的优点是：写入程序不会因停电而丢失，但其成本较高，主要体现在两个方面：1） 调试时仍要用RAM作程序存储器，而且最好用带电容/电池后备的RAM，这样用户实质上是购了两套用户程序存储器。2） 对许多PLC而言，往往还要另外配套购置专用的EPROM写入装置和擦除装置。E2PROM是非易失性的且可电擦除的存储器，它兼有ROM的非易失性和RAM随机存取之优点，它的写入或擦除不需特殊装置，用它作用户程序存储器，在程序调试阶段，可用编程

4、器直接修改程序，程序确定下来投入运行后。这是它的优越之处，不足的是，它的写入时间较长（约为ms 级），但对手工输入或修改程序而言，这点是不成问题的。一般而言，用户的控制程序必须经过多次的调试和修改才能确定下来，据此特点，在控制程序没确定以前，常先采用带掉电保护的RAM作用户程序存储器，待程序确定后，再由厂家提供的EPROM写入器将程序固化到EPROM中，并将该EPROM插入PLC中运行。EPROM插入PLC后，PLC则运行EPROM中的用户程序，若没EPROM插入，PLC则运行RAM区中的用户程序。许多用户用掉电保护的RAM作用户程序存储器，因为它比另两种价格便宜，一旦电源停电，靠后备电池/电

5、容可以保存RAM中的程序数年 / 数十天，只要做到停电时间不超过这期限即可。这点对于一般的工矿企业而言是容易做到的。例如：OMRON公司的C200H-MR431/831是全电池后备RAM存储器，C200H-MR431 / 831是电容后备RAM存储器，它们在25的坏境下，可以保存程序的时间分别是23年、20天。数据表存储器 （I/O映像存储器）数据表存储器用来存放开关量I/O状态表，定时器、计算器的预置值表，模拟量I/O数值等。高速暂存储器高速暂存储器主要存放运算的中间结果，统计数据、故障诊断的标志位等。其中，3、4两类存储器，常用RAM，这其中部分或全部有后备电源。 I/O部分PLC的I/O

6、部分，因用户的需求不同有各种不同的组合方式，通常以模块的形式供应，一般可分为： 开关量I/O模块 模拟量I/O模块 数字量I/O模块（包括TTL电平I/0模块、拨码开关输入模块、LED/LCD/CRT显示控制模块、打印机控制模块） 高速计数模块 精确定时模块 快速响应模块 中断控制模块 PID模块 位置控制模块 轴向定位模块   通信模块。1开关量I/O模块（部分）开关量输入模块（部分） 的作用是接收现场设备的状态信号、控制命令等，如限位开关、操作按钮等，并且将此开关量信号转换成CPU能接收和处理的数字量信号。开关量输出模块（部分）的作用是将经过CPU处理过的结果转换成开关量信号送到

7、被控设备的控制回路去，以驱动阀门执行器、电动机的启动器和灯光显示等设备。开关量I/O模块（部分）的信号仅有通、断两种状态，各I/O点的通/断状态用发光二极管在面板上显示。输入电压等级通常有DC（5V、12V、24V、48V）或AC（24V、120V、220V）等。每个模块可能有4、8、12、16、24、32、64点，外部引线连接在模块面板的接线端子上，有些模块使用插座型端子板，在不拆去外部连线的情况下，可迅速地更换模块，便于安装、检修。（1）开关量输入模块按与外部接线对电源的要求不同，开关量输入模块可分为AC输入，DC输入，无压接点输入， AC/DC输入等几种型式，参见图2-3。每个输入点均有

8、滤波网络、LED显示器、光电隔离管。从图2-3中可以看出无压接点输入是开关触点直接接在公共点和输入端，不另外接电源，电源由内部电路提供（公共点有、之分，图2-3中为）。输入模块的主要技术指标有：输入电压：指PLC外接电源的电压值。输入点数：指输入模块开关量输入的个数。AC频率：指输入电压的工作频率，一般为5060Hz。输入电流：指开关闭合时，流入模块内的电流。一般为510mA。输入阻抗：指输入电路的等效阻抗。ON电压：指逻辑“1”之电压值，开关接通时为“1”。OFF电压：指逻辑“0”之电压值，开关断开时为“0”。OFFON的响应时间，指开关由断通时，导致内部逻辑电路由“0”“1”的变化时间。O

9、NOFF的响应时间，指开关由通断时，导致内部逻辑电路由“1”“0”的变化时间。内部功耗：指整个模块所消耗的最大功率。（2）开关量输出模块：开关量输出通常有3种型式： 继电器输出 晶体管输出 可控硅输出。每个输出点均有LED发光管、隔离元件（光电管 / 继电器）、功率驱动元件和输出保护电路，见图2-4。 图a为继电器输出电路，继电器同时起隔离和功放的作用；与触点并联的R、C和压敏电阻在触点断开时起消弧作用。 图b为晶体管输出电路，大功率晶体管的饱和导通 / 截止相当于触点的通 / 断；稳压管用来抑制过电压，起保护晶体管作用。 图c为可控硅输出电路，光电可控硅，起隔离、功放作用；R、C和压敏电阻用

10、来抑制SSR关断时产生的过电压和外部浪涌电流。 输出模块最大通断电流的能力大小依次为继电器、可控硅、晶体管。而通断响应时间的快慢则刚好相反。使用时应据以上特性选择不同的输出型式。输出模块的主要技术指标有：工作电压：指输出触点所能承受的外部负载电压。最大通断能力：指输出触点在一定的电压下，能通过的最大电流，一般给出的电压等级有AC120V 、AC220V 、AC / DC24V 。漏电流：指当输出点断开时（逻辑“O”），触点所流过的最大电流。此参数主要针对晶体管、可控硅型输出模块，无保护电路的继电器输出模块漏电流为0 ，有保护电路的继电器输出模块为12mA。接通压降：指当输出点接通时（逻辑“1”

11、），触点两端的压降。回路数：等于公共点的个数。独立式模块，等于输出点数。OFFON响应时间：同输入模块。ONOFF响应时间：内部功耗& 同输入模块。输出模块按外部接线方式分有：汇点式：输出有1个公共点，各输出点属同一个回路，共用1个电源。独立式：输出无公共点，各输出点回路不同，可以使用不同电压等级的电源。2模拟量I/O模块模拟量I/O模块常用的有：A/D、D/A、热电偶 / 热电阻输入等几种模块。A/D模块是将传感器测量的电流或电压信号转换成数字量给PLC的CPU处理；D/A模块是将CPU处理得到的数字量转变为电流或电压信号；热电偶 / 热电阻输入模块，可以直接连接热电偶 / 热电阻等测温传感

12、器，外部不需放大电路和线性化电路，能自动进行冷端补偿和调零，并且具有开路检查、输入越限报警功能，内部有A/D电路。模拟量I/O模块的量程一般是IEC标准信号（0-5V、1-5 V 、0-10V、10mA、4-20mA等）。也有双极性信号（如50mv、5v、10v、10mv、20mA等）。A/D、D/A的转换位数通常为8、10、12、16位，并且在数字量I/O处用光电管将PLC的内部核心电路与外围接口电路隔离。3数字量I/O模块常用的有TTL电平I/O模块、拨码开关输入模块、LED/LCD/CRT显示控制模块、打印机控制模块等。TTL电平I/O模块是将外围设备输入的TTL电平数据进行处理，或将处

13、理的结果以TTL电平形式输出给外围设备进行控制、执行。拨码开关输入模块是TTL电平输入，专用于BCD拨码开关的输入模块，用来输入若干组拨码开关的BCD码，有若干个输入地址选择信号输出，某位（十进制）选择信号有效时，读入相应位的BCD码信息。LED / LCD / CRT显示控制模块是TTL电平输出，专用于LED / LCD / CRT等显示设备的输入模块，有相应的控制信号输入 / 输出，能直接驱动LED数码管、液晶显示器、CRT显示器等。打印机控制模块是专用于通用打印机的接口模块，是TTL电平的并行接口，除并行输出的数据信息外还有相应的I/O控制信号（有的PLC采用串行接口或编程器上的接口与打

14、印机连接）。4高速计数模块高速计数模块是工控中最常用的智能模块之一，过程控制中有些脉冲变量（如旋转编码器、数字码盘、电子开关等输出的信号）的变化速度很高（可达几十KHZ、几MHZ），已小于PLC的扫描周期，对这类脉冲信号若用程序中的计数器计数，因受扫描周期的限制，会丢失部分脉冲信号。因此使用智能的高速计数模块，可使计数过程脱离PLC而独立工作，这一过程与PLC的扫描过程无关，可准确计数。PLC可通过程序对它设定计数预置值，并可控制计数过程的启、停。计数器的当前值等于、大于预置值时，均有开关量输出给PLC，PLC得到此信号后便可进行相应的控制。5精确定时模块精确定时模块是智能模块，能脱离PLC进

15、行精确的定时，定时时间到后会给出信号让PLC检测。OMRON的模拟定时单元C200H-TM001提供4个精确定时器，可通过DIP开关设定成0.11S、110S 1060S 110mm，定时值可通过内 / 外可调电阻进行设定。6快速响应模块PLC的输入 / 输出量之间存在着因扫描工作方式而引起的延迟，最大延迟时间可达2个扫描周期，这使PLC对很窄的输入脉冲难以监控。快速响应模块则可检测到窄脉冲，它的输出与PLC的扫描工作无关，而由输入信号直接控制，同时它的输出还受用户程序的控制。7中断控制模块它适用于要求快速响应的控制系统，接收到中断信号后，暂停正在运行的PLC用户程序，运行相应的中断子程序，执

16、行完后再返回来继续运行用户程序。8PID调节模块过程控制常采用PID控制方式，PID调节模块是一种智能模块，它可脱离PLC独立执行PID调节功能，实际上可看成1台或多台PID调节器，P、I、D参数可调。通常的输入信号种类是：直流电压（0-10v / 1-5v）、直流电流（0-10mA / 4-20mA）、热电偶 / 热电阻、脉冲 / 频率以及有控制作用的开关量I/O。9位置控制模块位置控制模块是用来控制物体的位置、速度、加速度的智能模块，可以控制直线运动（单轴）、平面运动（双轴）、甚至更复杂的运动（多轴）。位置控制一般采用闭环控制，常用的驱动装置是伺服电机或步进电机、模块从参数传感器得到当前物

17、体所处的位置，速度/加速度，并与设定值进行比较，比较的结果再用来控制驱动装置，使物体快进、慢进、快退，慢退、加速、减速、停止等，实现定位控制。10轴向定位模块轴向定位模块是一种能准确地检测出高速旋转转轴的角度位置，并根据不同的角度位置控制开关ON/OFF（可以多个开关）。美国三菱公司的F2-32RM型凸轮控制器，它可准确检测出720度/转角位置信号，同时控制32个开关ON/OFF。允许最高转速是：1方式时为830rpm，0.5方式时为415 rpm。它实质上很象一种机械凸轮：共有32个凸轮盘，每轮可多至360齿。11通信模块通信模块大多是带CPU的智能模块，用来实现PLC与上位机、下位机或同级

18、的其它智能控制设备通信，常用通信接口标准有RS-232C 、RS422、RS-485、ProfiBus、以太网等几种。编程工具编程工具是一种人机对话设备，用户用它来输入、检查、修改、调试PLC的用户程序，它还可用来监视PLC的运行情况。PLC投入正常运行后，通常不要编程工具一起投入运行，因此，编程器都是独立设计的，而且是专用的，PLC生产厂家提供的专用编程器只能用在自己厂生产的某些型号的PLC。专用编程器分为简易编程器和图形编程器。1简易编程器它类似于计算器，上面有命令键、数字键、功能键及LED显示器 / LCD显示屏。使用时可直接插在PLC的编程器插座上，也可用电缆与PLC相连。调试完毕后，

19、或取下或将它安在PLC上一起投入运行。用简易的编程器输入程序时，先将梯形图程序转换为指令表程序，再用键盘将指令程序打入PLC。2图形编程器常用的图形编程器是液晶显示图形编程器（手持式的），它有一个大型的点阵式液晶显示屏。除具有简易型的功能外，还具有可以直接打入和编辑梯形图程序，使用起来更方便，直观。但它的价格较高，操作也较复杂。也有用CRT作显示器的台式图形编程器，它实质是一台专用计算机，它的功能更强，使用更方便，但价格也十分昂贵。3用专用编程软件在个人计算机（PC）上实现编程功能随着PC的日益普及，最新发展趋势是使用专用的编程软件，在通用的PC上实现图形编程器的功能。这一编程方法的最大特点是

20、：充分利用PC机的软、硬件资源（如：硬盘、打印及各种功能软件），大大降低了编程器的成本，同时也大大增强了编程器的功能，使用十分方便。一般的PC添置一套专用的“编程软件”后就可进行编制、修改PLC的梯形图程序，存贮、打印程序文件（清单），与PLC联机调试及系统仿真等。并且用户程序可在PC、PLC之间互传。具有以上功能后，PLC的程序（特别是大型程序）编程、调试就显得十分方便和轻松。电源电源是PLC最重要的部分之一，是正常工作的首要条件。当电网有强烈波动遭强干扰时，输出电压要保持平稳。因此在PLC的电源中要加入许多稳压抗扰措施，如浪涌吸收器、隔离变压器、开关电源技术等。PLC的工作原理与其它计算机

21、系统一样，PLC的CPU以分时操作方式处理各项任务，程序要按指令逐条执行，PLC的输入、输出就有时差。整个PLC的程序执行时问有多长？输入 / 输出的响应时间有多大？我们要很好地应用PLC，就必须对这些有清楚的认识。PLC的工作过程PLC是采用循环扫描方式工作的，图2-6为一般PLC的工作流程框图：其循环过程为： 内部处理 通迅服务输入刷新 执行用户程序输出刷新。1内部处理:CPU对PLC内部的硬件作故障检查，复位WDT等。2通信服务：与外围设备、编程器、网络设备等进行通信。3输入刷新：将接在输入端子上传感器、开关、按钮等输入元件状态读入，并保存在“输入状态表” （I/O映像存储器）中，给本扫

22、描周期用户程序运行时提供最新的输入信号。4执行用户程序：CPU逐条解释并执行用户程序。根据I/O状态表（属数据表状态存储器）中ON / OFF信息，按用户程序给定的逻辑关系运算，将运算结果写入I/O状态表。注意：“I/O状态表”这个概念，用户程序中的部分输入、输出“元件”是它，但它当前的状态值和与它对应I/O端子上的元件之状态不一定相同。（这点在学过I/O响应时间之后就明白了）。5输出刷新将“输出状态表” （I/O映像存储器）中的内容输出到接口电路，以驱动输出端子上的输出元件，实现控制。“输出状态表”中的内容是本次扫描周期用户程序运行的结果。现举例说明如下。若程序经前一扫描周期的运行的I/O点

23、状态被刷新成如图2-7中所示。输入信号X00点的状态在后续的5个扫描周期中分别被刷新为1，1，0，0，0，试分析输出点Y00Y02的输出状况情况：分析：已知，第0扫描周期中：I/O点状态被刷新为 X00（0）0 Y00（0）0 Y01（0）0 Y02（0）0在每一扫描周期内，用户程序是按梯形图，从头开始由左右，由上下，逐条执行，直至程序结束。根据梯形图逻辑每个周期程序执行的结果是：表2-1 状态表 I/O周期号X00Y00Y01Y0212345Y00（N）=Y01（N-1） Y01（N）=X00（N） Y02（N）=Y01（N）已知： X00（0）=1 X00（1）=1 X00（2）=1 X0

24、0（3）、（4）、（5）=0所以：第一周期的结果是 Y00（1）0 Y01（1）1 Y02（1）1（ Y00（1）=Y01（0）=0; Y01（1）=X00（1）=1; Y02（1）=Y01（1）=1）同理可得：第2-5周期的输出结果是：Y00（2）=1 & Y01（2）=1 Y02（2）=1Y00（3）=1 Y01（3）=0 Y02（3）=0Y00（4）=0 Y01（4）=0 Y02（4）=0Y00（5）=0 Y01（5）=0 Y02（5）=0用状态表列出（见表2-1）。扫描周期的计算方法扫描周期的长短，对PLC系统的性能有一定的影响，例如较长的扫描时间对I/O响应时间，对系统运行的精确性均

25、会产生不利的影响。见表2-2。表2-2 PLC扫描时间对内部功能的影响扫描时间ms产生的不利影响10内部0.01s时钟脉冲不起作用100内部0.1s时钟脉冲不起作用200内部0.2s时钟脉冲不起作用6500超过WDT定时值，迫使CPU停机扫描周期（T）的计算公式是：扫描周期（T）= 内部处理时间 + 通信服务时间 + 输入刷新时间+ 用户程序时间 + 输出刷新时间其中：内部处理时间：是固定的（例OMRON C200H为2.6ms）通信服务时间：若系统安装了外设、网络通信等模块，则有固定的时间（例OMRON C200H为0.8ms（max） 、8ms（max），否则为0。输入刷新时间：将接在输入

26、端子上元件的状态读入，并保存在“输入状态表” （I/O映像存储器）中所耗费的时间。（例OMRON C200H输入0.07ms/8点，三菱FX2N输入50s/8点）。用户程序执行时间：取决于程序的长度和指令的种类，一般PLC均提供各指令的执行时间表。（例OMRON C200H LD、OUT指令，其执行时间分别为0.75、1.13s；三菱FX2N基本指令0.08s/条，应用指令1.52 数100s/条）输出刷新时间：将“输出状态表” （I/O映像存储器）中的内容输出到接口电路中所耗费的时间。（例OMRON C200H输出0.04ms/8点）例1 C200H PLC配置：4个8点输入模块+2个16点

27、输入模块O、 5个8点输出模块+2个16点输出模块、程序5K个地址（且仅使用LD、OUT指令，其执行时间分别为0.75、1.13s）解：当编程器要在上面运行时： T = 2.6+0.8 + （0.75+1.13） / 2 5.120 + 0.07 8 + 0.04 9 = 9.1 ms没有外设：T = 2.6 + （0.75+1.13） / 25.120 + 0.079 = 8.3ms系统响应时间PLC系统的响应时间是指输入信号有效后，到输出元件动作所需要的时间。所以系统响应时间的长短与系统的扫描周期、输入响应时间、输出响应时间有关。例如图2-8，如当SB接通有效后，直到与Y00对应的输出元件有效输出的时间即为该系统的响应时间 系统最小响应时间若PLC在一次输入刷新前，输入点能建立起有效输入信号，现经扫描周期中程序的处理，经输出点输出，直到内部输出元件（J ,SSR, T）给出有效的输出为止 （见图2-9 （a），这种响应时间为系统最小响应时间。最小响应时间 = 输入响应时间 + 1个周期的扫描时间 + 输出响应时间系统最大响应时间若在输入刷新刚完成后，输入点才建立起有效的输入信号，则必须在下一周扫描周期的输入刷新时才能将这一信号写入I/O状态表。这种响应时间为系统的最大响应时间。（见图2-9 （b）最大响应时间 = 输入响应时间 +