可编程序控制器原理及应用 吉顺平第02章

1、第2章 PLC的系统组成与工作原理,2,2019/5/18,PLC的硬件组成原理 PLC的工作原理 PLC的编程变量,本章讲述的主要内容,3,2019/5/18,2.1* PLC硬件系统的基本组成 2.2 PLC的软件系统 2.3* PLC的工作原理 2.4 * 西门子PLC的存储区与编程变量 2.5 S7-200/300/400 PLC的硬件模块构成,本章讲述的主要内容,4,2019/5/18,可编程控制器是一种工业控制装置，从装置的组成来说，可编程控制器是由硬件系统和软件系统组成的。,2.1.1 组成概述,5,2019/5/18,可编程控制器的硬件系统主要由中央处理器 (CPU)、存储器、输入单元、输出单元等部分组成 如图2-1所示。其中，CPU是PLC的核心；输入单元 与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的 接口电路，也称为输入接口和输出接口。此外，可编 程控制器的硬件系统还包括通信接口、扩展接口、编 程器、电源等。,2.1.2 硬件组成,6,2019/5/18,2.1.2 硬件组成,图2-1 整体式的硬件组成,7,2.1.2 硬件组成,整体式的PLC，其所有部件都装在

2、同一机壳内； 对于模块式PLC，各部件封装成模块，各模块通过连接安装在机器或导轨上，其组成形式与整体式的PLC不同，如图2-2所示。 无论是那种结构类型的PLC，都可根据用户需要进行配置与组合。尽管整体式与模块式PLC的结构不太一样，但各部分的功能作用是相同的，下面对PLC各组成部分进行简单介绍。,8,2019/5/18,2.1.2 硬件组成,图2-2 模块式PLC的硬件结构,9,2019/5/18,2.1.2 硬件组成,1.中央处理单元（CPU） 同一般的微机一样，CPU是PLC的核心。一般认为PLC中的CPU有三类：通用微处理器（如Z80、8086等）、单片计算机（如8031、8096等）和专用微处理器。历史上，小型PLC大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；大中型PLC大多采用16位通用微处理器和单片微处理器。 在PLC中的CPU又包含控制器和运算器，通过执行系统程序，指挥PLC进行工作，归纳起来主要有以下几个方面作用： （1）接收从编程装置输入的程序和数据； （2）诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等； （3）通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映像

3、寄存器或数据寄存器中； （4）从存储器逐条读取用户程序，并执行程序； （5）根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。有些PLC还具有制表打印或数据通信等功能。,10,2019/5/18,2.1.2 硬件组成,2.存储器 存储器主要有两种：一种是可进行读写操作的随机存储器RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM、EPROM和E2PROM。 在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。系统程序是由PLC的制造厂家编写的，和PLC的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC运行的平台。用户程序是随PLC的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。工作数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。,11,2019/5/18,2.1.2 硬件组成,3.输入/输出单元 输入/输出单元通常也叫I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控对象进行控制的依据；同

4、时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。 由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口要实现这种转换。I/O接口一般都具有光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力。另外，I/O接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。 PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，有各种各样功能的I/O接口供用户选用。I/O接口的主要类型有：数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、模拟量输入、模拟量输等。常用的开关量输入接口按其使用的电源不同有两种类型：直流输入接口和交流输入接口，其基本电路如图2-3和图2-4所示。,12,2019/5/18,2.1.2 硬件组成,图2-3直流输入接口原理图,13,2019/5/18,2.1.2 硬件组成,图2-4 交流输入接口原理图,14,2019/5/18,2.1.2 硬件组成,常用的开关量输出接口按输出器件不同有三种类型:继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出，其基本原理电路如图2-5、图2-6和图2-7所示。继电器输出接口可驱动交直流负载，但其响应时间

5、长，动作频率低；而晶体管输出和双向晶闸管输出接口的响应速度快，动作频率高，注意前者只能用于驱动直流负载，后者只能用于交流负载。,15,2019/5/18,2.1.2 硬件组成,图2-5继电器输出接口原理图,16,2019/5/18,图2-6晶体管输出接口原理图,2.1.2 硬件组成,17,2019/5/18,2.1.2 硬件组成,图2-7 双向晶闸管输出接口原理图,18,2019/5/18,2.1.2 硬件组成,4.通信接口 PLC配有各种通信接口，这些通信接口都带有通信处理器。PLC通过这些接口可与计算机或其它PLC等设备实现通信。与人机界面连接，可将控制过程图像显示出来；与其它PLC连接，可组成多机系统或连接成网络，实现更大规模控制。 工业上普遍使用的远程I/O必须配备相应的通信接口模块。,19,2019/5/18,2.1.2 硬件组成,5.智能接口模块 智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口。它作为PLC系统的一个模块，通过总线与PLC相连，进行数据交换，并在PLC的协调管理下独立地进行工作。 PLC的智能接口模块种类很

6、多，如高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块等。,20,2019/5/18,2.1.2 硬件组成,6.编程装置 编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可在线控制PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的工具。常见的编程装置有手持编程器和计算机编程。 计算机编程是现在的主流。它既可以编制、修改PLC的梯形图程序，又可以监视系统运行、打印文件、并可以进行程序仿真。,21,2019/5/18,2.1.2 硬件组成,7.电源及其它外部设备 PLC配有开关电源，以供内部电路使用。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值15%的范围内波动。一般PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电。 除了上述的部件和设备外，PLC还有一些其它外部设备，如EPROM写入器、外存储器、人机接口装置等。,22,2019/5/18,2.1* PLC硬件系统的基本组成 2.2 PLC的软件系统 2.3* PLC的工作原理 2.4 * 西门子PLC的存储区与编程变量 2.5 S7-200/30

7、0/400 PLC的硬件模块构成,本章讲述的主要内容,23,2019/5/18,2.2.1 可编程控制器的软件结构,PLC软件系统由系统程序、组态信息和用户程序三部分组成，如图2-8所示。系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。系统软件是PLC这个计算机系统的操作系统。系统软件由PLC厂家在出厂前固化在ROM或EPROM中，用户不能干预。,组态信息和用户程序是用户根据现场控制要求，用PLC的组态和编程工具定义和编制的系统信息和应用程序。,图2-8 PLC的软件系统组成与结构,24,2019/5/18,2.2.2编程语言概述,PLC的用户程序是设计人员根据控制系统的工艺控制要求，通过PLC编程语言的编制设计的。根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准（IEC1131-3）， PLC编程语言有5种形式： （1）顺序功能图语言（Sequential function chart ,SFC） （2）梯形图语言 （Ladder diagram ,LAD） （3）功能块图语言 （Function Block Diagram, FBD

8、） （4）语句表 语言 （Statement List, STL） （5）结构文本语言 （Structured Text ,ST）,25,2019/5/18,1. 梯形图语言（LAD）,梯形图语言是PLC程序设计中最常用的编程语言。它是与继电器线路类似的一种编程语言。由于电气设计人员对继电器控制较为熟悉，因此，梯形图编程语言得到了广泛的欢迎和应用。 梯形图语言是最常用的一种语言。它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号。左右的竖线称为左右母线，右边的母线经常省去。 梯形图中接点（触点）分为常开接点和常闭接点。接点可以属于PLC的输入继电器，也可以属于PLC的内部继电器或其它继电器。 梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈是并联的，不要串联。 内部继电器、计数器、定时器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。,26,2019/5/18,1. 梯形图语言（LAD）,另外梯形图编程语言与电气原理图相对应，具有直观性和对应性，与原有继电器控制相一致，电气技术人员易于掌握。 梯形图编程语言与原有的继电器控制的不同点是，梯形图中的能流不是实际

9、意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，应用时需要与原有继电器控制的概念区别对待。 图2-9是典型的交流异步电动机直接启动控制电路图，图2-10是采用PLC控制的程序梯形图。,图2-9 电机直接启动电路图,27,2019/5/18,1. 梯形图语言（LAD）,图2-10 PLC的梯形图程序,28,2019/5/18,2. 语句表语言（STL）,语句表编程语言是与汇编语言类似的一种助记符编程语言，和汇编语言一样由操作码和操作数组成。在无计算机的情况下，适合采用PLC手持编程器对用户程序进行编制。同时，语句表编程语言与梯形图编程语言一一对应，在PLC编程软件下一般可以相互转换。图2-11就是与图2-10PLC梯形图对应的指令表。 语句表编程语言的特点是：采用助记符来表示操作功能，具有容易书写的特点。但不够形象，不容易掌握；在手持编程器的键盘上采用助记符表示，便于操作，可在无计算机的场合用手持编程器进行编程设计；语句表与梯形图有对应关系。 语言表的使用需要较长时间的培训和练习，但有时可以实现某些梯形图不能实现的功能。,29,2019/5/18,2.3.3 语句表语言（STL）,图2-11 PLC的语句表程序,30,2019/5/18,3. 功能块图语言（FBD）,功能块图语言是与数字逻辑电路类似的一种PLC编程语言。功能块图使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑，一些复杂的功能用指令框表示，适合于有数字电路基础的编程人员使用。功能块图用类似于与门、或门的框图来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框用“导线”连在一起，信号自左向右。采用功能块图的形式来表示模块所具有的功能，不同的功能模块有不同的功能。,功能模块图程序设计语言的特点是：以功能模块为单位，分析理解控制方案简单容易；功能模块是用图形的形式表达功能，直观性强，对于具有数字逻辑电路基础的设计人员很容易掌握的编程；对规模大、控制逻辑关系复杂的控制系统，由于功能模块图能够清楚表达功能关系，使编程调试时间大大减少。,31,2019/5/18,2.3.4 功能块图语言（FBD）,图2-12 功能模块图,32,2019/5/18,4. 顺序功能图语言（SFC）,顺序功能流程图语言是为了满足顺序逻辑控

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