plc的結(jié)構(gòu)和工作原理2.1PLC的硬件結(jié)構(gòu)

PLC是微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，PLC是一種工業(yè)控制用的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。

1.主機(jī)系統(tǒng)

為適應(yīng)工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)輸入/輸出信號(hào)的匹配，PLC配置了各種類(lèi)型的輸入/輸出模塊單元：

①開(kāi)關(guān)量輸入單元：把現(xiàn)場(chǎng)各種開(kāi)關(guān)信號(hào)變成PLC內(nèi)部處理的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。分為直流輸入單元和交流輸入單元，分別如圖2.2和圖2.3所示。圖2.2直流開(kāi)關(guān)量輸入單元圖2.3交流開(kāi)關(guān)量輸入單元2.開(kāi)關(guān)量輸出單元：它的作用是把PLC的內(nèi)部信號(hào)轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各種開(kāi)關(guān)信號(hào)。按照現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用的電源類(lèi)型的不同，開(kāi)關(guān)量輸出單元可分為:晶體管輸出方式用于直流輸出負(fù)載雙相晶閘管輸出方式用于交流輸出負(fù)載繼電器觸點(diǎn)輸出方式即可用于直流、又可交流

特別應(yīng)指出的是，由于繼電器模式具有實(shí)際斷點(diǎn)，可以從物理上切斷所控制的回路，同時(shí)這種模式既適合于直流情況又適合于交流情況，因此這種模式在開(kāi)關(guān)頻率不太高的情況下是首選的輸出控制方案。圖2.4給出了這種輸出方案的原理圖。圖2.4繼電器模式輸出單元3.模擬量輸入單元模擬量輸入在過(guò)程控制中的應(yīng)用很廣，如常用的溫度、壓力、速度、流量、酸堿度、位移的各種工業(yè)檢測(cè)都是對(duì)應(yīng)于電壓、電流的模擬量值，再通過(guò)一定運(yùn)算(PID)后，控制生產(chǎn)過(guò)程達(dá)到一定的目的。模擬量輸入電平大多是從傳感器通過(guò)變換后得到的，模擬量的輸入信號(hào)為4～20mA的電流信號(hào)或1～5V、-10～10V、0～10V的直流電壓信號(hào)。模擬量輸入單元的作用是把現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)變化的模擬量標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部處理的、由若干位表示的數(shù)字信號(hào)。模擬量輸入單元一般由濾波、A/D轉(zhuǎn)換器、光耦合器隔離等部分組成。4.模擬量輸出單元作用是把PLC運(yùn)算處理后的若干位數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量信號(hào)然后輸出，以滿足生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)信號(hào)的控制要求。模擬量輸出單元一般由光耦合器隔離、D/A轉(zhuǎn)換器和信號(hào)轉(zhuǎn)換等部分組成。模擬量輸出模塊是將中央處理器的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流輸出信號(hào)或0～10V、1～5V的電壓輸出信號(hào)，以提供給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此模擬量輸出模塊又叫D/A轉(zhuǎn)換輸出模塊?？删幊绦蚩刂破鞯能浖到y(tǒng)PLC除了硬件系統(tǒng)外，還需要軟件系統(tǒng)的支持，共同構(gòu)成PLC。PLC的軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)程序和用戶程序兩大部分組成。

1.系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序由PLC的制造企業(yè)編制，固化在PROM或EPROM中，安裝在PLC上，隨產(chǎn)品提供給用戶。系統(tǒng)程序包括系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序和供系統(tǒng)調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)程序模塊等。由于通過(guò)改進(jìn)系統(tǒng)程序可以在不改變硬件系統(tǒng)的情況下大大改善PLC的性能，因此系統(tǒng)程序也在不斷升級(jí)和完善。

2.用戶程序用戶程序是根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程控制的要求由用戶使用制造企業(yè)提供的編程語(yǔ)言自行編制的應(yīng)用程序。用戶程序包括開(kāi)關(guān)量邏輯控制程序、模擬量運(yùn)算程序、閉環(huán)控制程序和操作站系統(tǒng)應(yīng)用程序等。

(1)開(kāi)關(guān)量邏輯控制程序。它是PLC用戶程序中最重要的一部分。

(2)模擬量運(yùn)算程序及閉環(huán)控制程序。通常，它是在大中型PLC上實(shí)施的程序。

(3)操作站系統(tǒng)程序。它是大型PLC系統(tǒng)經(jīng)過(guò)通信聯(lián)網(wǎng)后，由用戶為進(jìn)行信息交換和管理而編制的程序。2.2可編程序控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)PLC的結(jié)構(gòu)分為整體式和模塊式兩類(lèi)圖2.3

整體式PLC組成框圖

圖2

.4模塊式PLC組成框圖

2.3可編程序控制器的技術(shù)性能基本技術(shù)性能

存儲(chǔ)容量

I/O點(diǎn)數(shù)

掃描速度

指令的功能與數(shù)量

內(nèi)部元件的種類(lèi)與數(shù)量

特殊功能單元

可擴(kuò)展能力

PLC的內(nèi)存分配及容量PLC的內(nèi)存分配系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)

系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)

用戶程序存儲(chǔ)區(qū)

PLC的容量

PLC的容量包括I／O點(diǎn)數(shù)和用戶存儲(chǔ)容量?jī)蓚€(gè)方面：通常I／O點(diǎn)數(shù)是根據(jù)被控對(duì)象的輸入、輸出信號(hào)的實(shí)際需要，再加上10％~15％的裕量來(lái)確定。用戶程序存儲(chǔ)容量（字節(jié)）＝開(kāi)關(guān)量I／O點(diǎn)數(shù)×10＋

模擬量I／O通道數(shù)×100可編程序控制器的工作過(guò)程

PLC上電后，就在系統(tǒng)程序的監(jiān)控下，周而復(fù)始地按固定順序?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)部的各種任務(wù)進(jìn)行查詢、判斷和執(zhí)行，這個(gè)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)不斷循環(huán)的順序掃描過(guò)程。一個(gè)循環(huán)掃描過(guò)程稱(chēng)為掃描周期。

PLC在一個(gè)掃描周期內(nèi)基本上要執(zhí)行以下六個(gè)任務(wù)：

(1)運(yùn)行監(jiān)控任務(wù)。為了保證系統(tǒng)可靠工作，PLC內(nèi)部設(shè)置了系統(tǒng)監(jiān)視定時(shí)器WDT，WDT的時(shí)間設(shè)定值一般為掃描周期的2～3倍，通常為100～200ms。

(2)與編程器交換信息任務(wù)。編程器在PLC的外部設(shè)備中占有非常重要的地位，用戶把應(yīng)用程序輸入到PLC中，或?qū)?yīng)用程序進(jìn)行在線運(yùn)行監(jiān)視和修改都要用到它。編程器在完成處理任務(wù)或達(dá)到信息交換的規(guī)定時(shí)間后，就把控制權(quán)交還給PLC。2.4可編程序控制器的工作過(guò)程及原理

(3)與數(shù)字處理器(DPU)交換信息任務(wù)。一般大中型PLC多為雙處理器系統(tǒng)，一個(gè)是字節(jié)處理器(CPU)，另一個(gè)是數(shù)字處理器(DPU)

，在一般小型PLC中是沒(méi)有這個(gè)任務(wù)的。

(4)與外部設(shè)備交換信息任務(wù)。如果沒(méi)有連接外部設(shè)備，則該任務(wù)跳過(guò)。

(5)執(zhí)行用戶程序任務(wù)。系統(tǒng)的全部控制功能都在這一任務(wù)中實(shí)現(xiàn)。

(6)輸入/輸出信息處理任務(wù)。PLC的輸入/輸出過(guò)程

PLC的工作方式是周期掃描方式，所以其輸入/輸出過(guò)程是定時(shí)進(jìn)行的，對(duì)用戶程序而言，要處理的輸入信號(hào)是輸入信號(hào)狀態(tài)暫存區(qū)的信號(hào)，而不是實(shí)際的信號(hào)。運(yùn)算處理后的輸出信號(hào)被放入輸出信號(hào)狀態(tài)暫存區(qū)中，而不是直接輸出到現(xiàn)場(chǎng)的。

PLC周期性的輸入/輸出處理方式對(duì)一般控制對(duì)象而言是能夠滿足的，但是對(duì)那些要求響應(yīng)時(shí)間小于掃描周期的控制系統(tǒng)則不能滿足，這時(shí)可以用智能型輸入/輸出單元或?qū)ｉT(mén)的軟件指令，通過(guò)與掃描周期脫離的方式來(lái)解決。PLC的中斷輸入處理過(guò)程

PLC的中斷輸入處理方法同一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是基本相同的，即當(dāng)有中斷申請(qǐng)信號(hào)輸入后，系統(tǒng)要中斷正在執(zhí)行的相關(guān)程序而轉(zhuǎn)向執(zhí)行中斷子程序；當(dāng)有多個(gè)中斷源時(shí)，它們將按中斷的優(yōu)先級(jí)有一個(gè)先后順序的排隊(duì)處理。系統(tǒng)可以通過(guò)程序設(shè)定允許中斷或禁止中斷。

PLC的中斷源信息是通過(guò)輸入單元進(jìn)入系統(tǒng)的。

PLC的中斷源有優(yōu)先順序，一般無(wú)嵌套關(guān)系。

PLC的工作原理

PLC的工作原理與計(jì)算機(jī)的工