1、2.1 可編程序控制器的組成與基本結(jié)構(gòu) 2.2 可編程序控制器的工作過程與工作原理 2.3 可編程序控制器的編程語言和程序結(jié)構(gòu),第2章 plc的結(jié)構(gòu)和工作原理,2.1 PLC的組成與基本結(jié)構(gòu),PLC是微機技術(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)控制用的專用計算機，是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。,2.1.1 PLC的硬件系統(tǒng)1. 主機系統(tǒng),為適應(yīng)工業(yè)過程現(xiàn)場輸入/輸出信號的匹配，PLC配置了各種類型的輸入/輸出模塊單元： 開關(guān)量輸入單元：把現(xiàn)場各種開關(guān)信號變成PLC內(nèi)部處理的標準信號。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 直流開關(guān)量輸入單元

2、,圖2.3 交流開關(guān)量輸入單元,2. 開關(guān)量輸出單元：,它的作用是把PLC的內(nèi)部信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)的各種開關(guān)信號。按照現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)使用的電源類型的不同，開關(guān)量輸出單元可分為: 晶體管輸出方式 用于直流輸出負載 雙相晶閘管輸出方式 用于交流輸出負載 繼電器觸點輸出方式 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際斷點，可以從物理上切斷所控制的回路，同時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,模擬量輸入在過程控制中的應(yīng)用很廣，如

3、常用的溫度、壓力、速度、流量、酸堿度、位移的各種工業(yè)檢測都是對應(yīng)于電壓、電流的模擬量值，再通過一定運算(PID)后，控制生產(chǎn)過程達到一定的目的。模擬量輸入電平大多是從傳感器通過變換后得到的，模擬量的輸入信號為420 mA的電流信號或15 V、-1010 V、010 V的直流電壓信號。 模擬量輸入單元的作用是把現(xiàn)場連續(xù)變化的模擬量標準信號轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部處理的、由若干位表示的數(shù)字信號。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運算處理后的若干位數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量信號然后輸出，以滿足生產(chǎn)過程現(xiàn)場連續(xù)信號的控制要求。模擬量輸出單元

4、一般由光耦合器隔離、D/A轉(zhuǎn)換器和信號轉(zhuǎn)換等部分組成。 模擬量輸出模塊是將中央處理器的二進制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成420 mA的電流輸出信號或010 V、15 V的電壓輸出信號，以提供給執(zhí)行機構(gòu)。因此模擬量輸出模塊又叫D/A轉(zhuǎn)換輸出模塊。,2.1.2 可編程序控制器的軟件系統(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)用的標準程序模塊等。 由于通過改進系統(tǒng)程序可以在不改變

5、硬件系統(tǒng)的情況下大大改善PLC的性能，因此系統(tǒng)程序也在不斷升級和完善。,2. 用戶程序 用戶程序是根據(jù)生產(chǎn)過程控制的要求由用戶使用制造企業(yè)提供的編程語言自行編制的應(yīng)用程序。用戶程序包括開關(guān)量邏輯控制程序、模擬量運算程序、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) 模擬量運算程序及閉環(huán)控制程序。通常，它是在大中型PLC上實施的程序。 (3) 操作站系統(tǒng)程序。它是大型PLC系統(tǒng)經(jīng)過通信聯(lián)網(wǎng)后，由用戶為進行信息交換和管理而編制的程序。,2.2.1 可編程序控制器的工作過程 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?/p>

6、統(tǒng)內(nèi)部的各種任務(wù)進行查詢、判斷和執(zhí)行，這個過程實質(zhì)上是一個不斷循環(huán)的順序掃描過程。一個循環(huán)掃描過程稱為掃描周期。 PLC在一個掃描周期內(nèi)基本上要執(zhí)行以下六個任務(wù)： (1) 運行監(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)視定時器WDT，WDT的時間設(shè)定值一般為掃描周期的23倍，通常為100200 ms。 (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)用程序進行在線運行監(jiān)視和修改都要用到它。編程器在完成處理任務(wù)或達到信息交換的規(guī)定時間后，就把控制權(quán)交還給PLC。,2.2 PLC的工作過程與工作原理,(3) 與數(shù)字處理器(

7、DPU)交換信息任務(wù)。一般大中型PLC多為雙處理器系統(tǒng)，一個是字節(jié)處理器(CPU)，另一個是數(shù)字處理器(DPU) ，在一般小型PLC中是沒有這個任務(wù)的。 (4) 與外部設(shè)備交換信息任務(wù)。如果沒有連接外部設(shè)備，則該任務(wù)跳過。 (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)中實現(xiàn)。 (6) 輸入/輸出信息處理任務(wù)。,2.2.2 PLC的輸入/輸出過程,PLC的工作方式是周期掃描方式，所以其輸入/輸出過程是定時進行的，對用戶程序而言，要處理的輸入信號是輸入信號狀態(tài)暫存區(qū)的信號，而不是實際的信號。運算處理后的輸出信號被放入輸出信號狀態(tài)暫存區(qū)中，而不是直接輸出到現(xiàn)場的。 PLC周期性的輸入/輸

8、出處理方式對一般控制對象而言是能夠滿足的，但是對那些要求響應(yīng)時間小于掃描周期的控制系統(tǒng)則不能滿足，這時可以用智能型輸入/輸出單元或?qū)ｉT的軟件指令，通過與掃描周期脫離的方式來解決。,2.2.3 PLC的中斷輸入處理過程,PLC的中斷輸入處理方法同一般計算機系統(tǒng)是基本相同的，即當有中斷申請信號輸入后，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；當有多個中斷源時，它們將按中斷的優(yōu)先級有一個先后順序的排隊處理。系統(tǒng)可以通過程序設(shè)定允許中斷或禁止中斷。 PLC的中斷源信息是通過輸入單元進入系統(tǒng)的。 PLC的中斷源有優(yōu)先順序，一般無嵌套關(guān)系。,2.2.4 PLC的工作原理,PLC的工作原理與計算機的

9、工作原理是基本一致的。PLC執(zhí)行的任務(wù)是串行的，與繼電器邏輯控制系統(tǒng)中控制任務(wù)的執(zhí)行有所不同。 從PLC的工作過程可以看到，整個工作過程是以循環(huán)掃描的方式進行的。循環(huán)掃描方式是指在程序執(zhí)行過程的周期中，程序?qū)Ω鱾€過程輸入信號進行采樣，對采樣的信號進行運算和處理，并把運算結(jié)果輸出到生產(chǎn)過程的執(zhí)行機構(gòu)中。,2.3.1 PLC的編程語言 PLC為用戶提供了完整的編程語言，以適應(yīng)編制用戶程序的需要。PLC提供的編程語言通常有以下幾種：梯形圖、指令表、順序功能流程圖和功能塊圖。下面以S7-200系列PLC為例加以說明。 1. 梯形圖(LAD) 梯形圖(LAD)編程語言是從繼電器控制系統(tǒng)原理圖的基礎(chǔ)上演變

10、而來的。PLC的梯形圖與繼電器控制系統(tǒng)的梯形圖的基本思想是一致的，只是在使用符號和表達方式上有一定區(qū)別。 圖2.5是一個典型的梯形圖。左右兩條垂直的線稱作母線。母線之間是觸點的邏輯連接和線圈的輸出。,2.3 PLC的編程語言和程序結(jié)構(gòu),圖2.5 典型的梯形圖,2. 指令表(STL) 指令表(STL)編程語言類似于計算機中的助記符語言，它是可編程序控制器最基礎(chǔ)的編程語言。所謂指令表編程，是用一個或幾個容易記憶的字符來代表可編程序控制器的某種操作功能。 圖2.6是一個簡單的PLC程序，圖(a)是梯形圖程序，圖(b)是相應(yīng)的指令表。,圖2.6 基本指令應(yīng)用舉例 (a) 梯形圖； (b) 指令表,3.

11、 順序功能流程圖(SFC) 順序功能流程圖(SFC)編程是一種圖形化的編程方法，亦稱功能圖。使用它可以對具有并發(fā)、選擇等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)進行編程，許多PLC都提供了用于SFC編程的指令。本書的第7章對這種編程方法有詳細介紹。目前，國際電工協(xié)會(IEC)也正在實施并發(fā)展這種語言的編程標準。,4. 功能塊圖(FBD) 利用FBD可以查看到像普通邏輯門圖形的邏輯盒指令。它沒有梯形圖編程器中的觸點和線圈，F(xiàn)BD編程語言有利于程序流的跟蹤，但在目前使用較少。圖2.7為FBD的一個簡單實例。,圖2.7 FBD簡單實例,2.3.2 PLC的程序結(jié)構(gòu),控制一個任務(wù)或過程，是通過在RUN方式下，使主機循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)的，用戶程序決定了一個控制系統(tǒng)的功能。 廣義上的PLC程序由三部分構(gòu)成：用戶程序、數(shù)據(jù)塊和參數(shù)塊。 1. 用戶程序 用戶程序是必選項。用戶程序在存儲器空間中也稱為組織塊，一個完整的用戶控制程序應(yīng)當包含一個主程序、若干子程序和若干中斷程序三大部分。程序