可编程控制器(PLC)基础知识概述
可编程控制器(PLC)基础知识概述3.1 PLC的产生和定义3.1.1 PLC的产生20世纪60年代末期,美国的汽车制造业竞争激烈,为了适应白热化的市场竞争要求,1968年美国通用汽车公司(GM)公开招标,对汽车流水线控制系统提出具体要求,归纳起来是:n (1)编程方便,可现场修改程序;n (2)维修方便,采用插件式结构;n (3)可靠性高于继电器控制装置;n (4)体积小于继电器控制盘;n (5)数据可直接送入管理计算机;n (6)成本可与继电器控制盘竞争;n (7)输入可以是交流市电(115V)(美国电压标准)n (8)输出为交流115V,容量要求在2A以上,可直接驱动接触器、电磁阀等;n (9)扩展时原系统改变小;n (10)用户程序存储器至少能扩展到4KB。这就是著名的“GM十条”。1969年美国数字设备公司(DEC)中标后,制造出世界上第一台可编程序控制器(Programmable Logic Controller, 简称PLC)。3.1.2 PLC的定义PLC在飞速发展过程中,很长时间后才有了一个比较明确的定义,1987年,国际电工委员会(IEC)对PLC作出的定义如下:“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字式和模拟式的输入和输出,控制各种机械和生产过程。而有关的外围设备,都应按易于与工业系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。”n 定义强调了PLC直接应用于工业环境。n 定义强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”,即计算机。n 定义强调了PLC是用软件方式来实现“可编程”的。3.2 PLC的基本工作原理PLC工作过程可用图3.1所示的运行框图来表示。整个过程可分为三部分。图3.1 PLC工作过程PLC的工作方式:第一部分是上电处理。机器上电后对PLC系统进行一次初始化,包括硬件初始化,I/O模块配置检查,停电保持范围设定,系统通信参数配置及其他初始化处理等。第二部分是扫描过程。PLC上电处理阶段完成以后进入扫描工作过程。先完成输入处理,其次完成与其他外设的通信处理,在次进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU处于STOP方式时,转入执行自诊断检查。当CPU处于RUN方式时,还要完成用户程序的执行和输出处理,在转入执行自诊断检查。第三部分是出错处理。PLC每扫描一次,执行一次自诊断,确定PLC自身的动作是否正常,如CPU、电池电压、程序存储器、I/O和通信等是否异常或出错。如检查出异常时,CPU面板上的 LED及异常继电器会接通,在特殊寄存器中会存入出错代码;当出现致命错误时,CPU被强制为Stop方式所有的扫描便停止。概括而言,PLC是按集中输入、集中输出,周期性循环扫描的方式进行工作的。每一次扫描所用的时间称作扫描周期。图3.2可以形象的描述PLC的工作方式和过程,在扫描周期中,PLC一般将完成部分或全部的以下操作:读输入处理通信请求执行逻辑控制程序写输出执行CPU自诊断。PLC就是这样周而复始的循环这些动作过程,一直到关机。 执行CPU自诊断 处理通信请求 执行程序写输出读输入图3.2 PLC的循环扫描工作过程3.3 PLC的系统组成一、硬件系统的基本组成S7-200PLC属于小型PLC,其主机的基本结构是整体式,主机上有一定数量的输入输出点,一个主机单元就是一个系统,它还可以进行灵活的扩展,如果IO点不够,则可以增加IO 扩展模块;如果需要其他特殊功能,如特殊通信或定位控制等,则可以增加相应的功能模块。一个完整的系统组成如图3.3所示:图3.3 PLC系统组成1、主机单元主机单元,又称基本单元或CPU模块。它由CPU、存储器、基本输入输出点和电源等组成,是PLC的主要部分。实际上它是一个完整的控制系统,可以单独完成一定的控制任务。2、扩展单元扩展单元也称扩展模块。当主机IO点数量不足控制系统的要求时,用户可以根据需要扩展各种IO模块。根据IO点数的数量不同、性质不同、供电电压不同、IO扩展模块有多种类型。每个CPU所能连接的扩展单元的数量和实际所能使用的IO点数是由多种因素共同决定的。3、特殊功能模块当需要完成某些特殊功能的控制任务时,需要扩展功能模块。它们是完成某种特殊控制任务的一些装置,如运动控制模块、特殊通信模块。4、相关设备 相关设备是为充分和方便利用系统的硬件和软件资源而开发、使用的一些设备,主要有编程设备,人机操作界面,网络设备等。5、 软件软件是为管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序,对S7-200PLC来说与其配套的软件主要由编程软件和HMI人机界面的组态编程软件PROTOOL、WINCC FLEXIBLE.二、IO扩展模块S7-200系列的PLC的主机提供一定数量的数字量IO ,在采购PLC时,用户可根据需要选择最合适的主机产品。S7-200PLC的IO扩展模块有:(1)输入扩展模块EM22I 共有两种产品,即8点DC和8点AC。(2)输出扩产模块EM222 共三种产品,即8点DC和4点DC、8点AC、8点继电器和4点继电器。(3)输入输出混合扩展模块 共有6中产品。其中DC输入DC输出的由三种,DC输入继电器输出的有三种,它们对应的输入点数分别为4点、8点、16点。(4)模拟量输入扩展模块EM231 共有3中产品:4路模拟量输入,2路热电阻输入,4路热电偶输入。其中前者是普通的模拟量模块,可以用来连接标准的电流 和电压信号;后两项是专门为特定的物理量输入到PLC而设计的模块。(5)模拟量输出模块EM232 只有一种2路模拟量输出的扩展模块产品。(6)模拟量输入输出扩展模块EM235 只有一种4路AI1路AO的产品。三、人机界面HMI人机界面最大的作用就是架起操作人员和及其之间的一座桥梁,除了能代替和节约大量的IO点外,还能完成各种各样的参数设定、画面显示、数据处理的任务,从而使得工业控制变得更加舒适和友好,功能也更加强大。和S7-200PLC配套的主要由:文本显示器TD200和TD400、触摸屏TP170A和TP170B、键盘显示器OP170A、OP170B、OP77A、OP77B等。PLC种类繁多,但其组成结构和工作原理基本相同。用PLC实施控制,按控制功能要求,通过程序按一定算法进行输入输出变换,并应用于工业现场。PLC专为工业现场应用而设计,采用了典型的计算机结构,它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。PLC的结构框图如图3.4所示:图3.4结构框图 1、中央处理单元中央处理单元(CPU)一般由控制器、运算器和寄存器组成,这些电路都集成在一个芯片内,CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入输出接口电路相连接。 CPU的主要任务是控制用户程序和数据的接收和存储;用扫描的方式通过IO接口接收现场信号的状态或数据,并存入输入映像寄存器或数据存储器;诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等;PLC进入运行状态后,从存储器逐条读取用户指令,经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算数运算等;根据运算结果,更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容,在经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。 2、存储器PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器俩部分。系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序,并固化在ROM内,用户不能更改。它使PLC具有基本功能,能够完成设计者规定的各项工作。系统程序的内容主要包括三部分:系统管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块与系统调用管理程序。 用户存储器包括用户程序存储器和数据存储器两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的应用程序。用户程序存储器根据所选用存储器单元类型的不同,可以是RAM、EPROM、EEPROM存储器,其内容可以由用户任意修改或增删。用户数据存储器可以用来存放用户程序中所使用器件的ONOFF状态和数值、数据等。用户存储器的大小关系到用户程序容量的大小,是反映PLC性能的重要指标之一。PLC使用的存储器类型有三种:ROM、RAM、EEPROM.(1)只读存储器(ROM) ROM的内容只能读出,不能写入。它是非易失的,断电后,仍能保存储存的内容。ROM一般用来存放PLC的系统程序,该部分程序和数据由生产厂家直接烧制完成,用户不能修改。(2)随机存取存储器(RAM) 该类存储器用来保存PLC内部元器件的实时数据。RAM是读写存储器,其中的数据实时改变。RAM的工作速度高,价格便宜。它是易失性的存储器,断电后,存储的信息将会丢失。过去一般用锂电池保存RAM中的用户程序和某些数据。锂电池可用2-5年,需要更换锂电池时,由PLC发出信号通知用户。现在大部分PLC已不用锂电池而改用大电容来完成临时的掉电保护功能,对重要的用户程序和数据则存储到非易失性的EEPROM中,RAM现在只用来存储一些不太重要的数据。(3)可电擦除可编程的只读存储器(EEPROM) EEPROM是非易失性的,兼有ROM的非易失性和RAM的随机存储的优点。现在EEPROM用来存放用户程序和需要长期保存的重要数据。3、PLC输入/输出单元PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量。输入输出接口单元包括两部分:一部分是与被控设备相连接的接口电路,另一部分是输入和输出的映像寄存器。 输入单元接收来自用户设备的各种控制信号,如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其它一些传感器的信号。外部接口电路将这些信号转换成CPU能够识别和处理的信号,并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并结合其它元器件最新的信息,按照用户程序进行计算,将有关输出的最新计算结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点相对应的触发器组成,输出接口电路将由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出,以驱动电磁阀、接触器、指示灯等被控设备的执行元件。3.4 PLC的主要特点及功能PLC,即可编程逻辑控制器,专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟输入/输出控制各种类型的机械或生产过程;而有关的外围设备,都应按易于与工业系统连成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。1. PLC的特点 1)灵活、通用 在继电器控制系统中,使用的控制装置是大量的继电器,整个系统是根据设计好的电气控制图,由人工通过布线、焊接、固定等手段组装完成的,其过程费时费力。如果因为工艺上少许变化,需要改变电气控制系统时,原先整个电气控制系统将被全部拆除,而重新进行布线、焊接、固定等工作,耗费大量人力、物力、和时间。而PLC是通过在存储器中的程序实现控制功能,若控