第3章-可编程控制器的组成及工作原理.优秀PPT.ppt

1第第3 3章章 可编程限制器组成与可编程限制器组成与工作原理工作原理本章主要内容本章主要内容v可编程限制器的组成v可编程限制器的工作原理v可编程限制器的编程语言23-1 可编程限制器的组成 中心处理单元（中心处理单元（CPU）、存储器、输入输出电路、外部）、存储器、输入输出电路、外部设备接口、电源几大部分组成设备接口、电源几大部分组成.3 一、中心处理单元（CPU）1)通用微处理器（如：8080、8086等）；2)单片微处理器(如Intel公司的MCS5196系列单片机)；3)位片式微处理器(如AM2900、AM2901、AM2903型位片式微处理器）。通过并行联结构成随意字长的一种微处理器。小型PLC为8位微处理器；中型PLC多接受16位微处理器。PLC的档次越高，微处理器的位数越多、运算速度越快、功能越强。4 CPU的主要功能：（1）接收、存储用户通过编程器等输入设备输入的程序和数据。（2）以扫描方式接收来自输入单元的输入变量、状态数据，并存入相应的数据存储区（输入映像寄存器）。（3）利用错误校验技术自诊断。（4）执行用户程序，完成各种数据的处理、传输和存储，并依据数据处理结果，刷新有关标记位的状态和输出状态寄存器的内容，产生相应的内部限制信号，以完成用户指令规定的各种操作。（5）响应各种外围设备（如编程器、打印机等）的恳求。5 二、存储器1存储器种类（1）系统存储器，存放系统管理程序。（2）用户存储器，存放用户编制的限制程序。6 2常用存储器（1）RAM：随机存储器,又叫读/写存储器。它是易失性的存储器，将它的电源断开后，存储的信息将会丢失。特点：速度快、密度高、价格低、功耗低、价格便宜、改写便利。为了在关断可编程限制器外部电源后，保存RAM中的用户程序和某些数据，为RAM配备了一个锂电池，用锂电池供电（锂电池寿命一般为210年（空载）带载：25年）。（2）ROM：只读存储器，内容只能读出，不能写入。它是非易失性的，它的电源消逝后，仍能保存储存的内容。通常用于存放可编程限制器的系统程序。7 （3）EPROM：紫外线可擦除的只读存储器。非易失性的，用户程序调试好后，可用厂家供应的EPROM写入器或编程器将它写入（固化）EPROM，以防止偶然缘由遭到败坏。用紫外线照射芯片上的透镜窗口，可以擦除已写入的内容，再重新写入新内容。现已很少运用EPROM。（4）EEPROM（或写成E2PROM）：电擦除的只读存储器。它是非易失性的，但是可以用编程器对它进行编程，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取的优点，但是它比RAM和EPROM的价格高一些，写入信息所需的时间比RAM长。可以用电擦除已写入的内容，再重新写入新内容。8三、输入输出模块（三、输入输出模块（I/O单元）单元）输输入入模模块块作作用用：用用来来接接收收和和采采集集输输入入信信号号。输入信号有两类：输入信号有两类：一一类类是是开开关关量量输输入入信信号号，如如按按钮钮开开关关、行行程程开开关关、数数字字拨拨码码开开关关、接接近近开开关关、光电开关、压力继电器等。光电开关、压力继电器等。另另一一类类是是模模拟拟量量输输入入信信号号，如如电电位位器器、热热电电、测测速速电电机机、各各种种变变送送器器送送来来的的连连续变更的模拟量输入信号。续变更的模拟量输入信号。9 输输出出模模块块的的作作用用：是是接接收收中中心心处处理理器器处处理理过过的的数数字字信信号号，并并把把它它转转换换成成现现场场的的执执行行部部件件能能接接收收的的信信号号，用用来来限限制制接接触触器器、电电磁磁阀阀、调调整整阀阀、调调速速装装置置等等，限限制制的的另另一类负载是指示灯、数字显示器和报警装置等。一类负载是指示灯、数字显示器和报警装置等。提提高高抗抗干干扰扰实实力力：一一般般的的输输入入/输输出出单单元元都都有有光光电电隔隔离离装装置置。在在数数字字量量I/O模模块块中中广广泛泛接接受受由由发发光光二二极极管管和和光光电电三三极极管管组组成成的的光光电电耦耦合合器器，在在模模拟拟量量I/O模模块块中中通通常常接接受隔离放大器。受隔离放大器。10（1）开关量I/O模块的外部接线方式 开关量I/O模块的外部接线方式有汇点式、汇点式、分组式和分隔式分组式和分隔式 留意：开关量I/O模块的点数一般是2的n次方，如4、8、16点 11（2）输入接口电路 PLC的输入电路有：直流输入、交直流输入。1213（3）输出接口电路 继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出 输出电流典型值为0.52A，负载电源由外部现场供应。14继电器输出 特点：有触点式输出，带载实力强，但相应速度慢。15晶闸管输出特点：无触点输出，响应速度快。只能带沟通负载。特点：无触点输出，响应速度快。只能带沟通负载。16（3）晶体管输出特点：无触点输出，相应速度快，只能带直流负载特点：无触点输出，相应速度快，只能带直流负载174特殊功能模块v（1）模拟量输入输出模块；输出信号可以是电压或电流；可以是单极性的如05V、010V、15V、420mA，也可以是双极性的如5V、10V和20mA，模块一般可输入多种量程的电流或电压 184特殊功能模块v（2）高速计数模块；v 把过程限制变量（如位置信号、速度值、流量值累计等）的方波信号送入可编程限制器。这些参量的变更速度很快，运用独立计数的高速计数器对这些参量进行计数。高速计数模块可对几十KHZ甚至上MHZ的脉冲计数，当计数器的当前值等于或大于预置值时，输出被驱动。194特殊功能模块v（3）PID过程限制模块；v 实现对连续变更的模拟量闭环限制的智能模块，可将PID模块看作一个过程调整器。在PID模块上有输入/输出接口和进行闭环限制运算的CPU，模块一般可以限制多个闭环。204特殊功能模块v（4）运动限制模块：常用于数控技术方面；v 运动限制模块通过输出脉冲限制位置移动量和移动速度，可分为单坐标限制和双坐标限制，双坐标限制可实现两坐标运动协调，这事实上是通过可编程限制器运动限制模块实现的数控技术。214特殊功能模块v（5）中断输入模块与快速响应模块：用于快速响应的限制系统；v 中断过程：接收到中断输入信号后，暂停正在运行的主程序，转而执行中断程序，执行完后返回接着执行主程序。224特殊功能模块v（5）通信模块；v 网络接口，通过通信数据模块总线和可编程限制器的主机连接，用硬件和软件一起来实现通信协议。可编程限制器的通信模块一般配有多种接口，可以通过通信模块上的选择开关进行接口选择，实现与别的可编程限制器、智能限制设备或计算机之间的通信。23四、电源单元 PLC的供电电源是一般的市电，开关电源供电，允许电源电压在额定值的+10%-15%的范围内波动，内部有一个稳压电源。也有用直流24V供电的。另外PLC还有24V DC输出，用于对外部传感器供电。24五外部设备接口 v接口是PLC实现人-机对话、机-机对话的通道。通过它，彩色图形显示器、打印机、I/O扩展单元、上位机等相连接。v接口：RS232C、RS422A、RS485串行通信接口。该接口的功能是串行/并行数据的转换、通信格式的识别、数据传输的出错校验、信号电平的转换等25六输入输出扩展单元 v当所需的输入输出点数或类型超出主机输入输出单元所允许的点数或类型时v 通过加接输入输出扩展单元来解决。v简洁型和智能型v 简洁型不带中心处理单元，智能型带中心处理单元26七、编程器v（1）输入程序；v（2）检查程序；v（3）修改程序；v（4）监视PLC的工作状态。另外还有:(1)外部设备接口，用于与编程器、显示器、打印机等外部设备连接。(2)输入、输出扩展单元。272.1.2 PLC2.1.2 PLC软件系统：软件系统：系统程序系统程序 由由PLCPLC厂家供应，固化在厂家供应，固化在EPROMEPROM中。系统程序可分为管理程序、中。系统程序可分为管理程序、编译程序、标准程序模块和系统调用三编译程序、标准程序模块和系统调用三部分。部分。282.1.2 PLC2.1.2 PLC软件系统：软件系统：用户程序用户程序 用户依据须要，用用户依据须要，用PLCPLC的程序语言编的程序语言编写的限制程序。写的限制程序。293-2 可编程限制器的等效电路接线程序限制接线程序限制 将继电器、接触器、电子元件等若干分立器件用将继电器、接触器、电子元件等若干分立器件用导线连接在一起，形成满足限制对象动作要求的限制导线连接在一起，形成满足限制对象动作要求的限制“程序程序”存储程序限制存储程序限制 将限制逻辑以程序语言的形式存放在存储器中将限制逻辑以程序语言的形式存放在存储器中通过执行存储器中的程序实现系统的限制要求。通过执行存储器中的程序实现系统的限制要求。可编程限制器可编程限制器 是一种存储程序限制器是一种存储程序限制器303-2 可编程限制器的等效电路31一、可编程限制器的等效电路可编程序限制器构成的存储程序限制系统，由如下三部分组成 32 输入回路由外部输入电路、PLC输入接线端子和输入继电器组成。（1）输入回路（2）内部限制电路 内部限制电路是由用户程序形成的用“软继电器”来代替硬继电器的限制逻辑。（3）输出回路 输出回路是由PLC内部的输出继电器的接点、输出接线端子和外部驱动电路组成，用来驱动外部负载。33PLC工作过程3.3、PLC工作原理（1）PLC接受循环扫描的工作方式；（2）PLC有两种工作状态，运行（RUN）和停止（STOP）。在STOP状态，只执行1、2；在RUN状态，1、2、3、4、5，五个过程。3435内部处理阶段 2通信操作（1）与另外PLC交换数据；（2）响应编程器输入的吩咐，更新编程器的显示。（1）自检：检查CPU模块内部硬件是否正常；（2）喂狗：将监控定时器复位。3输入处理（1）依次读入全部输入端子的通断状态；（2）将读入的信息存入对应的映象寄存器中。364程序执行vPLC依据扫描原则，按先左后右，先上后下的步序，逐句扫描，逐句执行。v具体工作：将输入映像寄存器或其它映像寄存器的状态（0/1）读出，进行相应的运算，并将运算结果存入对应的映像寄存器中。5输出处理（1）将输出映象寄存器Y的状态输出到输出锁存器中；（2）通过隔离电路、驱动功率放大电路，输出限制信号。37工作原理38391 1、PLCPLC的工作方式的工作方式的工作方式的工作方式循环扫描循环扫描2 2、PLCPLC的工作过程的工作过程的工作过程的工作过程四个阶段周期性扫描、集中批处理四个阶段周期性扫描、集中批处理公共扫描公共扫描公共扫描公共扫描输入采样输入采样输入采样输入采样用户程序用户程序用户程序用户程序输出刷新输出刷新输出刷新输出刷新40PLC工作方式的特点：集中采样、集中输出、循环扫描。v（1）集中采样：对输入阶段的扫描只在输入采样阶段进行。即在其它阶段输入映像寄存器中的内容不会变更，直到下一个扫描周期的采样阶段才能读入新的内容；v（2）集中输出：将输出映像寄存器的内容集中送给输出端口。在其它阶段端口状态不变。v（3）循环扫描：周而复始，不停地循环。41（1）扫描工作方式的优点：提高了系统的抗干扰实力。集中采样、集中输出的循环扫描方式使PLC在工作的大部分时间与外界隔离，从根本上提高了抗干扰实力，提高了牢靠性。（2）扫描工作方式的缺点：响应滞后，降低了系统速度。42LPC接受扫描工作方式，输入/输出信号存在着原理上的滞后；电气限制：电气限制：KM1、KM2同步；同步；PLC限制限制Y1、Y2 不同步不同步 4344v解决方法解决方法 v（1）变更信息刷新方式）变更信息刷新方式 v I/O马上刷新马上刷新、I/O干脆刷新方式干脆刷新方式 v（2）接受中断技术）接受中断技术v（3）调整输入滤波器）调整输入滤波器456扫描周期的计算扫描周期（时间）=接点扫描时间（T1）+程序执行时间（T2）+自诊断时间（T3）+通信时间（T4）46举例例3-1：三菱公司FX240MR，配置开关量输入24点，开关量输以16点，用户程序为1000步，不包含特殊功能指令，PLC运行时不连接上位计算机等外设。I/O的扫描速度为003ms8点，用户程序的执行速度为074s/步，自诊断所需的时间为096ms，试计算一个扫描周期所须要的时间为多少?47解：v扫描40点IO所须要的时间为：vT1O03ms8点40点=015msv1000步程序所须要的时间为：vT20.74s/步1000步0.74msv自诊断所须要的时间为：vT3.96msv因PLC运行时，不与外设通信，所以通信时间为:T4=0v这样一个扫描周期T为：vTT1+T2+T3+T4=0.15ms十0.74ms十0.96ms1.85ms48v当Fx2系列PLC投入运行后，CPU将最大扫描周期、最小扫描周期和当前扫描周期的值分别存入D8012、D8011、D80l0三个特殊数据寄存器中(计时单位：1ms)，v还供应一种以恒定的扫描周期扫描用户程序的运行方式。用户可将通过计算或实际测定的最大扫描周期再留一些余量，作为恒定扫描周期的值存放在特殊数据寄存器D8039中(计时单位：1ms)；当特殊协助继电器M8039线圈被接通时，PLC依据D8039中存放的数据以恒定周期扫描用户程序。493-3 可编程限制器的编程语言一、可编程限制器的性能指标 1.输入、输出接点数(1)三菱FX2N系列输入/输出为3:2；(2)OMRON系列的输入/输出为1:1。2、扫描速度(1)执行1000步所须要的时间，毫秒/千步；(2)执行1步所须要的时间，单位：微秒/步。503-3 可编程限制器的编程语言 3.存储器容量 指用户存储器容量，通常用“字”、“步”描述；三菱FX2N系列的容量为8K步（可扩展到16K步）；OMRON公司的CPM1A系列的容量为2048字。注：1步=4byte 51（一）梯形图编程语言（LAD）梯形图 二、可编程限制器的编程语言52梯形图与继电器电气限制图的区分 v电气限制图中的继电器、定时器、计数器是物理器件；而梯形图的继电器、定时器、计数器是非物理器件，又称软器件。v电气限制图中母线中有电流通过；梯形图中的左右母线不接电源，其中的电流为虚电流（即假想电流）v梯形图最右边必需为输出元件；电气限制图无此要求。v梯形图中的每个编程元件用字母加数字串表示，不同的元件用不同的字母表示，例如：输入元件为：X；输出元件为Y等。梯形图格式及特点梯形图格式及特点v（1）左右母线，多层梯级，起始于左母线，通过继电器线圈终止于右母线。有些省略右母线。53v（2）假想“能流”自左向右流淌。v（3）继电器线圈一般状况下只能出现一次。继电器常开触点、常闭触点则可被无限次运用。梯形图格式及特点梯形图格式及特点v（4）执行从上到下、从左到右的依次进行的梯形图中每一梯级的运算结果，可马上被其后的梯级所利用。54v（5）梯形图中只出现输入继电器的触点，而不出现输入继电器的线圈。梯形图格式及特点梯形图格式及特点（8）动作依次继电器限制电路中接通电源，整个电路中继电器常闭触点同时闭合，常开触点同时断开。继电器动作的依次与它在电路图上的位置和依次无关，这种工作方式称为并行工作方式。梯形图中PLC是扫描工作方式，从左到右，先上后下。各个继电器的动作取决于程序扫描的依次，与它在梯形图中的位置有关，这种工作方式称为串行工作方式5556（二）、指令语句表编程语言（STL）v指令表程序格式为：v 操作码（助记符）+操作数 +注释 组成。v操作码：表示要执行的功能，告知PLC要进行的操作，如逻辑运算、算术运算（加、减、乘、除）等v操作数：标识符表示操作数的类别，由标识符和参数组成。例如输入继电器、定时器、计数器等；参数表明操作数的地址或设定值。57例：起停限制LD X1 输入X1常开接点;OR Y1 并联Y1的自保接点；ANI X2 串联X2常闭接点；OUT Y1 输出Y1。58（三）、功能图编程语言（SFC）编程人员不确定对PLC的指令系统特别熟悉，甚至可以不懂计算机学问，只要对被控对象的工艺流程特别熟悉就可以帮助进行SFC的设计。59（四）、功能块图（FBD）v类似于数字逻辑门电路的编程语言，有数字电路基础的人很简洁驾驭。v该编程语言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量；信号也是由左向右流向的，各个功能方框之间可以串联，也可以插入中间信号。6061 （六）、高级语言编程 现在很多大型PLC配备了Pascal、Basic、C等专用高级语言，使PLC的编程更加便利、快速。