第二章 PLC的硬件与工作原理.ppt

PLC的硬件与工作原理,第二章,●PLC的基本组成●PLC的工作原理,,PLC的基本组成,主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成,,,2.1.1可编程序控制器的基本结构1.中央处理单元（CPU）CPU模块主要由微处理器和储存器组成作用1从程序存储器读取程序指令，编译、执行指令2将各种输入信号取入3把运算结果送到输出端4响应各种外部设备的请求,（1）通用处理器8086、80286、80386（2）单片机芯片8031、8096（3）位片式微处理器AMD-2900小型PLC多采用8位微处理器或单片机作为CPU中型PLC多采用16位微处理器或单片机作为CPU大型PLC多采用高速位片式微处理器,RAM存储各种暂存数据、中间结果、用户正调试的程序。ROM存放监控程序和用户已调试好的程序。,2.存储器,3.输入、输出接口采用光电隔离，实现了PLC的内部电路与外部电路的电气隔离，减小了电磁干扰。,输出接口作用将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。,输出三种形式继电器--低速大功率可控硅--高速大功率晶体管--高速小功率,输入接口作用将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。,输入、输出接口,状态接通和断开2种状态电压等级直流5V，12V，24V，48V，,110V交流110V，220V等,,图2-6直流输入电路,1）输入接口电路采用光电耦合器，防止强电干扰。,,COM,,光电三极管,发光二极管,直流电源,输入端子,PLC,发光二极管,图2-8交流/直流输入电路,,继电器输出,2）输出模块,以继电器形式为例,PLC,,交流电源或直流电源,继电器输出电路,晶体管输出电路,4.电源单元,把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。有的电源单元还向外提供24v隔离直流电源，可供开关量输入单元连接的现场无源开关等使用。可编程序控制器的电源一般采用开关式电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。,5.各种接口、高功能模块便于扩展小型机一体机。有接口可扩展。,PowerinaSmallPackage,电源模块,CPU模块,IO模块,底板,中、大型机模块式。可根据需要在主板上随意组合。,编程设备可以是专用的手持式的编程器；也可以是安装了专门的编程通讯软件的个人计算机。,5.编程设备,用户可以通过键盘输入和调试程序；另外在运行时，还可以对整个控制过程进行监控。,,2.1.4开关量I/O模块的外部接线方式两种状态接通、断开。电压等级5V,12V,24,48V,110V和交流110V,220V外部接线方式汇点式、分组式、分隔式。,,,2.2可编程序控制器的工作原理2.2.1继电器,,继电器在控制系统中的作用功率放大电气隔离逻辑运算,,例如下电路,,2.2.2可编程序控制器的工作原理两种基本的工作状态运行状态RUN；停止状态STOP。一扫描过程概念扫描周期执行一次扫描的时间。整个过程扫描一次所需的时间。与CPU时钟频率、指令类型（扫描速度）、程序长短有关。扫描周期是PLC一个很重要的指标一般小型PLC的扫描周期为十几毫秒到几十毫秒。注当PLC处于STOP状态时，只完成内部处理和通信服务工作。当PLC处于RUN状态时，应完成全部五个阶段的工作。,,扫描过程用户程序通过编程器输入并存在PLC的用户存储器中，当PLC运行时，用户程序中的众多操作方式需用执行，但CPU不能同时执行多个操作的，他只能按分时操作原理工作，即每一刻只能执行一个操作。由于CPU的运算速度很高，使得外部出现的结果从宏观上看像是同时完成的，这种按分时原则顺序执行程序的操作过程称为CPU对程序的扫描。,,扫描过程分为5个阶段内部处理PLC检查CPU模块内部的硬件是否正确。对监视定时器复位，其它内部处理。通信服务与其它智能装置（编程器、计算机）通信。如响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。输入处理阶段以扫描方式按顺序采样所有输入端的状态，并存入输入映象寄存器中。（输入寄存器被刷新）。注意输入触点电路接通时，对应输入寄存器为“1’,梯形图中对应继电器常开触点接通，常闭触点断开。,,程序执行输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。PLC梯形图程序扫描原则先左后右、先上后下的步序，逐句扫描。并将结果存入相应的寄存器。输出处理阶段CPU将输出映像寄存器的0/1状态传送到输出锁存器。输出状态寄存器（Y）中的内容转存到输出锁存器输出，驱动外部负载。线圈通电输出映像寄存器为1状态线圈断电输出映像寄存器为0状态，常开触点断开,,补充PLC扫描工作方式的特点,1、特点集中采样、集中输出、循环扫描1）集中采样对输入状态的扫描只在输入采样阶段进行。即在程序执行阶段或输出阶段，即使输入端状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会改变，只有到下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入（响应滞后）。2）集中输出在一个扫描周期内，只有在输出处理阶段才将元件映象寄存器中的状态输出，在其它阶段，输出值一直保存在元件映象寄存器中。注在用户程序中，如果对输出多次赋值，则仅最后一次是有效的，即应避免双线圈输出。,,2、优点提高系统的抗干扰能力。集中采样、集中输出的扫描工作方式使PLC在工作的大部分时间与外设隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。3、缺点响应滞后，降低系统的响应速度。输入/输出滞后时间又称为系统响应时间。,,输入输出滞后时间又称为系统响应时间，是指PLC外部输入信号发生变化的时刻起至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻止之间的时间间隔。它由输入电路的滤波时间、输出模块的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分所组成。,输入输出滞后时间,1）输入模块滞后时间输入模块RC滤波电路的时间常数，典型值为10ms左右。2）输出模块滞后时间继电器型输出10ms左右；晶闸管型输出通电滞后时间约1ms，断电滞时的最大滞后时间10ms；晶体管型输出1ms以下。3）扫描工作方式引起的滞后时间最长可达两个扫描周期。PLC总的响应延迟时间一般为几十ms。但由于PLC的扫描速度极快，故对一般工业控制而言，此响应上的滞后完全允许。注在中、大型PLC中所需处理的I/O点数较多，用户程序较长，还采用分时分批的扫描方式或中断等的工作方式，以缩短循环扫描的周期和提高实时控制。,,PLC与电器控制的区别工作方式不同继电器控制是按“并行”方式工作的，或者说是同时执行的，只要形成电流通路，可能同时有好几个电器工作，而PLC是按顺序扫描的方式工作，也就是说，PLC是以“串行”方式工作的，它是循环的，连续的顺序逐条执行程序，任一时刻它只能执行一条指令。PLC的这种串行工作方式可避免继电器控制的触点竞争和时序失配问题。,,举例说明PLC的扫描过程指令LDX0ORY0ANIX1OUTY0逻辑运算为,CPU等待命令。,PLC循环扫描。,即CPU从第一条指令开始执行，遇到结束符又返回第一条，不断循环。,PLC从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转的情况下，按存储地址号递增的方向顺序执行用户程序，直到END指令结束。然后再从头开始执行，并周而复始，直到停机或切换到STOP停止状态。,,例如下面的两个梯形图，执行的结果是一样的，但扫描执行过程，扫描用的时间不一样,,图PLC扫描过程,PLC扫描过程输入采样－程序执行－输出刷新,PLC控制电机正反转接线图（I）,,,（b）内部寄存器,,SB1正转启动按钮SB2反转启动按钮SB3停止按钮KM1正转接触器KM2反转接触器,（a）PLC接口图,c梯形图,PLC控制电机正反转接线图（II）,,,,梯形图,指令表,梯形图以指令的形式存储在PLC的用户程序存储器中，其指令表为,序号助记符操作数0LDX01ORY02ANIX23ANIY14OUTY05LDX16ORY17ANIX28ANIY09OUTY110END,,序号助记符操作数Y0（X0Y0/X2/Y1Y1（X1Y1/X2/Y0,,梯形图PLC内部线圈用常开触点常闭触点注意软继电器中的常开触点，常闭触点可以在程序中使用无数次,,,或,接点通断情况与接点的赋值有关（以Y0为例若Y0的逻辑赋值为“1”，则,,PLC工作过程,定期检查用户程序存储器、I/O单元的连接、I/O总线是否正常，定期复位监控定时器WDT,PLC之间以及PLC与PC之间；PLC与其他带微处理器的智能装置通信,编程器、终端设备、彩色图形显示器、打印机,以扫描的方式按顺序逐句扫描处理，运算结果存入输出映象区对应位中,扫描的方式输入信号的状态存入输入映象区；结果存入输出映象区，直至传送到外部被控设备。,清除内部继电器区，复位定时器等，并进行自诊断，对电源、PLC内部电路、用户程序的语法进行检查。,,PLC处于RUN状态时要完成的操作1输入处理2程序执行3输出处理（可编程序控制器对用户程序进行循环扫描可分为三个阶段进行，即输入采样阶段，程序执行阶段和输出刷新阶段。,,三建立I/O映像区映像寄存器用来存放输入和输出状态的区域输入点总有输入映象区的某一位与之相对应PLC工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映象区对应的位上；将运算的结果存放到输出映象区对应的位上。PLC在执行用户程序时所需“输入继电器”、“输出继电器”的数据取用于I/O映象区，而不直接与外部设备发生关系。,补充可编程控制器的基本指标,PLC的基本指标一、输入输出点数输入输出点数（I/O点数）输入、输出接线端的个数。OMRON公司生产的CPM1A型I/O比为32；三菱的FX2N系列为11二、扫描速度1、执行1000步指令所需的时间来衡量，单位为毫秒/千步。2、执行一步指令时间计，单位为微秒/步。三、存储器容量PLC的存储容量一般指用户程序存储器的容量。通常用“字”或“步”来描述。OMRON的CPM1A型PLC的存储容量为2048字。,三菱的FX2N系列PLC的存储容量为8K步（可扩至16K步）。四、编程语言不同厂家生产PLC的编程语言是不同的。PLC的编程语言用梯形图（LAD）、指令表（STL）、顺序功能图（SFC）、状态转移图、逻辑功能图、高级语言。梯形图以其直观、编程容易而成为主要编程语言，梯形图程序可直接输入PLC，无需写出指令表。手持式编程器进行编程时，要输入指令表语句。五、指令功能可编程控制器的指令种类越多，则其软件的功能就越强，使用这些指令完成一定的控制目标的就越容易。此外，可编程控制器的可扩展性、使用条件、可靠性、易操作性及经济性等性能指标也是用户在选择可编程控制器时须注意的指标。,,2.3FX系列可编程序控制器的性能简介三菱FX系列小型可编程控制器是当前国内外最新、最具特色、最具代表的微型PLC。将CPU和输入/输出一体化，使用更为方便。一FX系列PLC的特点1体积极小的微型PLC2先进美观的外部结构3提供多种子系列供用户选择4灵活多变的系统配置5功能强，使用方便,,二FX系列型号名称的含义例如FX2N40MRD,,①子系列名称ON、OS、2C、2NC、1N、1S②输入输出点数输入输出的合计点数（4～128点）③单元类型M－基本单元；E－输入输出混合扩展单元及扩展模块；EX－输入专用扩展模块EY－输出专用扩展模块。,,④输出形式（其中输入专用无记号）R－继电器输出；T－晶体管输出；S－晶闸管输出⑤特殊物品的区别（电源和输入、输出类型等特性）D、A1、H、V、C、F等如DDC电源，DC输出如特殊物品无记号AC电源，DC输入，横式端子排、标准输出（继电器输出为2A/1点、晶体管输出0.5/1点、晶闸管输出0.3A/1点的标准输出）,,二、FX系列可编程控制器的基本组成FX系列可编程控制器由基本单元、扩展单元、扩展模块及特殊功能单元构成。1）基本单元CPU、存储器、输入输出及电源，是PLC的主要部分。2）扩展单元用于增加可编程控制器I/O点数的装置，内部设有电源。3）扩展模块用于增加可编程控制器I/O点数及改变可编程控制器I/O点数比例，内部无电源，所用电源由基本单元或扩展单元供给。扩展单元及扩展模块无CPU，必须与基本单元一起使用。特殊功能单元是一些专门用途的装置。,,,,,