工学PLC原理及应用课程PLC的组成及工作原理.docx

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工学PLC原理及应用课程PLC的组成及工作原理

PLC原理及应用课程第二章PLC的组成及工作原理

时间：

2011-04-04浏览次数：

232

本文摘要：

第二章PLC的组成及工作原理PLC的组成PLC由三个基本部分组成：

输入部分、逻辑处理部分、输出部分。

基本结构示意图参见图2-1所示

第二章PLC的组成及工作原理

PLC的组成

PLC由三个基本部分组成：

输入部分、逻辑处理部分、输出部分。

基本结构示意图参见图2-1所示。

输入部分是指各类按钮、行程开关、传感器等接口电路，它收集并保存来自被控对象的各种开关量、模拟量信息和来自操作台的命令信息等。

逻辑处理部分用于处理输入部分取得的信息，按一定的逻辑关系进行运算，并把运算结果以某种形式输出。

输出部分是指驱动各种电磁线圈、交/直流接触器、信号指示灯等执行元件的接口电路，它向被控对象提供动作信息。

为了使用方便，PLC还常配套有编程器等外部设备，它们可以通过总线或标准接口与PLC连接，图2-2为一般PLC组成系统的原理框图。

（由图2-2可看出，PLC的组成结构和计算机差不多，故PLC可看成用于工业控制的专用计算机）

PLC主要部件功能

CPU

CPU是PLC的核心部件之一，它的主要功能有：

①采集输入信号；②执行用户程序；③刷新系统输出；

④执行管理和诊断程序；⑤与外界通信。

PLC常用的CPU芯片主要有：

通用微处理器

如INTEL（8080、8085、8086、8088，80386、80486、80586）、Zilog（Z80、Z8000）、Motorola（6800、6809、68000）等。

通用微处理器芯片的通用性强、价格便宜、货源充足。

单片微处理器

如INTEL（8031、8039、8049、8051、8089），单片微处理器又叫单片机，它将ROM、RAM、接口电路、时钟电路、串行口甚至A/D都集成在一个很小的芯片上，自成一个小的微处理机系统；另外，单片机有大量的位寻址单元和丰富的位操作指令，它为PLC在位处理方面提供了最佳的功能和速度，所以特别适用于PLC；此外，单片机集成度高、体积小、通用性强、价格低、可扩充性好、货源足。

位片式微处理器

如AMD（2900、2901、2903、N8×300），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2~3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：

①开关量I/O模块②模拟量I/O模块

③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）

④高速计数模块⑤精确定时模块

⑥快速响应模块⑦中断控制模块

⑧PID模块⑨位置控制模块

⑩轴向定位模块 ⑾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Å、Θ之分，图2-3©中为Θ）。

输入模块的主要技术指标有：

①输入电压：

指PLC外接电源的电压值。

②输入点数：

指输入模块开关量输入的个数。

③AC频率：

指输入电压的工作频率，一般为50~60Hz。

④输入电流：

指开关闭合时，流入模块内的电流。

一般为5~10mA。

⑤输入阻抗：

指输入电路的等效阻抗。

⑥ON电压：

指逻辑“1”之电压值，开关接通时为“1”。

⑦OFF电压：

指逻辑“0”之电压值，开关断开时为“0”。

⑧OFF→ON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。

⑨ON→OFF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。

⑩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：

①继电器输出

②晶体管输出

③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：

①工作电压：

指输出触点所能承受的外部负载电压。

②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。

③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1~2mA。

④接通压降：

指当输出点接通时（逻辑“1”），触点两端的压降。

⑤回路数：

等于公共点的个数。

独立式模块，等于输出点数。

⑥OFF→ON响应时间：

同输入模块。

⑦ON→OFF响应时间：

同输入模块。

⑧内部功耗 同输入模块。

输出模块按外部接线方式分有：

①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。

②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、1-5V、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进行精确的定时，定时时间到后会给出信号让PLC检测。

例如：

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0.1～1S、1～10S10～60S1～10mm，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，执行完后再返回来继续运行用户程序。

8．PID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：

①直流电压（0-10v/1-5v）、②直流电流（0-10mA/4-20mA）、③热电偶/热电阻、④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）。

例如：

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415rpm。

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，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：

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：

①内部处理②通迅服务

③输入刷新④执行用户程序

⑤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Y00—Y02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）—0Y00（0）—0Y01（0）—0Y02（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

X00

Y00

Y01

Y02

0

0

0

0

0

1

1

0

1

1

2

1

1

1

1

3

0

1

0

0

4

0

0

0

0

5

0

0

0

0

Y00（N）=Y01（N-1）Y01（N）=X00（N）Y02（N）=Y01（N）

已知：

X00（0）=1X00

（1）=1X00

（2）=1

X00（3）、（4）、（5）=0

所以：

第一周期的结果是

Y00

（1）—0Y01

（1）—1Y02

（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）=1Y02

（2）=1

Y00（3）=1Y01（3）=0Y02（3）=0

Y00（4）=0Y01（4）=0Y02（4）=0

Y00（5）=0Y01（5）=0Y02（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会产生不利的影响。

见表2-2。

表2-2PLC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：

①内部处理时间：

是固定的（例OMRONC200H为2.6ms）

②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OMRONC200H为0.8ms（max）、8ms（max）），否则为0。

③输入刷新时间：

将接在输入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OMRONC200H输入0.07ms/8点，三菱FX2N输入50μs/8点）。

④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OMRONC200HLD、OUT指令，其执行时间分别为0.75、1.13μs；三菱FX2N基本指令0.08μs/条，应用指令1.52~数100μs/条）

⑤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OMRONC200H输出0.04ms/8点）

[例1]．C200HPLC配置：

4个8点输入模块+2个16点输入模块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、1.13μs）

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=9.1ms

没有外设：

T=2.6+（0.75+1.13）/2×5.120+0.07×8+0.04×9=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+