第2章结构和工作原理.ppt
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第2章 可编程序控制器的结构和工作原理2.1 可编程序控制器的组成与基本结构2.2 可编程序控制器的工作过程与工作原理2.3 可编程序控制器的编程语言和程序结构 2.1 2.1 可编程序控制器的组成与基本结构可编程序控制器的组成与基本结构PLC是一种工业控制用的专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成硬件由中央处理单元、存储器、输入输出接口电路等组成 2.1.1 可编程序控制器的硬件系统可编程序控制器的硬件系统 图图2.1 PLC结构示意图结构示意图1、基本结构 (1)(1)微处理器单元微处理器单元(CPU)(CPU)实现逻辑运算，协调控制系统内部各部分的工作它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的 PLC常用的微处理器主要有通用微处理器、单片机或双极型位片式微处理器PLC大多用8位和16位微处理器 (2) (2) 存储器存储器存储器是PLC存放系统程序、用户程序和运行数据的单元有系统程序存储器和用户存储器两种3) (3) 输入输入/ /输出模块单元输出模块单元输入（InputInput）电路和输出（OutputOutput）电路简称为I/OI/O模块，它们是联系外部现场和CPUCPU模块的桥梁。
一般均配有电子变换、 光耦合器和阻容滤波等电路，以实现外部现场的各种信号与系统内部统一信号的匹配和信号的正确传递，PLC正是通过了这种接口实现了信号电平的转换 常用的各种类型输入/输出模块单元① ① 开关量输入单元开关量输入单元：按照输入端的电源类型不同，分为直流输入单元和交流输入单元，分别如图2.2和图 2.3所示图图2.2 直流开关量输入单元直流开关量输入单元 ② ② 开关量输出单元开关量输出单元：按照现场执行机构使用的电源类型的不同，开关量输出单元可分为•直流输出单元(晶体管输出方式或继电器触点输出方式)•交流输出单元(晶闸管输出方式或继电器触点输出方式) c c）双向晶闸管输出）双向晶闸管输出 ③ ③ 模拟量输入单元模拟量输入单元：模拟量输入单元一般由滤波、A/D转换器、光耦合器隔离等部分组成④ ④ 模拟量输出单元模拟量输出单元：一般由光耦合器隔离、D/A转换器和信号转换等部分组成⑤ ⑤ 智能输入智能输入/ /输出单元输出单元：是一个独立的自治系统，它 具有与PLC主机相似的硬件系统，也是由中央处理单元、存储器、输入/输出单元和外部设备接口单元等部分，通过内部系统总线连接组成的。
PID调节智能单元也是一种智能单元，它能独立完成工业生产过程控制中一个或几个闭环控制回路的PID 调节4) I/O(4) I/O扩展接口扩展接口 I/O扩展接口是PLC主机为了扩展输入/输出点数和类型的部件I/O扩展接口有并行接口、串行接口等多种形式 (5) (5) 外设外设 I/OI/O接口接口 通过它，PLC可以和编程器、彩色图形显示器、打印机等外部设备相连，也可以与其他PLC或上位计算机连接外设 I/O接口一般是RS232C或RS422A串行通信接口6) (6) 电源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直流电源，给与开关量输入单元连接的现场电源开关使用PLC供电电源是一般市电，也有用直流24V供电的 2. 2. 输入输入 / / 输出扩展环节输出扩展环节 输入/输出扩展环节与主机的输入/输出扩展接口相连，有两种类型：•简单型简单型: :通常通过并行接口与主机通信•智能型智能型: : 环节本身带有中央处理单元，它对生产过程现场信号的输入/输出处理由本身所带的中央处理单元管理，通常采用串行通信接口与主机通信，多用于大中型PLC的输入/输出扩展。
3. 3. 外部设备外部设备 (1)(1)编程器编程器•简易编程器：只能输入和编辑指令表；•专用图形编程器：方便、专用、价高；•计算机编程：图形编程、监控、打印、分析和仿真PCPC机作为可编程控制器的上位机构成一种通用编程系统 软件：MEDOC (DOSMEDOC (DOS平台) ) GX DEVELOPERGX DEVELOPER （WINDOWSWINDOWS平台）(2) (2) 彩色图形显示器彩色图形显示器 3) (3) 打印机 PLC还可以配置其他外部设备，例如，配置存储器卡、盒式磁带机或磁盘驱动器，用于存储用户的应用程序和数据；配置EPROM写入器，用于将程序写入到EPROM中 2.1.2 可编程序控制器的软件系统 PLC的软件系统由系统程序(又称监控程序)和用户程序(又称应用软件)两大部分组成 1. 1. 系统程序系统程序 固化在固化在PROMPROM或或EPROMEPROM中中系统程序包括系统管理程序、用户指系统管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模令解释程序和供系统调用的标准程序模块块等2. 用户程序 存放在存放在RAMRAM或或EPROMEPROM中中 2.2 可编程序控制器的工作过程与工作原理2.2.1 2.2.1 可编程序控制器的工作过程可编程序控制器的工作过程 PLC上电后，就在系统程序的监控下，周而复始地按固定顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上是一个不断循环的顺序扫描过程（称为不断循环的顺序扫描过程（称为循环循环扫描工作方式扫描工作方式））。
一个循环扫描过程称为扫描周期 PLC的工作过程如图2.7所示 注意几点：注意几点：(1) (1) 运行监控任务运行监控任务 为了保证系统可靠工作，PLC内部设置了系统监视定时器WDT，由它来监视扫描周期是否超时2) 与编程器交换信息任务与编程器交换信息任务作为编制、调试用户程序的外部设备，编程器在PLC的外部设备中占有非常重要的地位，所以在主机的扫描周期中，把与编程器交换信息的任务单独列出 (3) (3) 与数字处理器与数字处理器( DPU)( DPU)交换信息任务交换信息任务 一般大中型PLC多为双处理器系统，数字处理器（DPU）是系统的从处理器 ，它的作用是处理位操作指令，协助主处理器加快整个系统的处理速度小型PLC中是没有这个任务的4) (4) 与外部设备交换信息任务与外部设备交换信息任务与上位计算机、其他PLC或一些终端设备进行信息交换 •(5) (5) 执行用户程序任务执行用户程序任务用户程序的执行是按用户程序的实际逻辑关系结构由前向后逐步扫描处理的，并把运行结果装入输出（元件）映像寄存器中，系统的全部控制功能都在这一任务中 实现 （（6 6）输入）输入/ /输出信息处理任务输出信息处理任务。
PLC内部开辟了两个暂存区，即输入、输出信号映像寄存器用户程序从输入信号映像寄存器中读取输入信号状态，运算处理后将结果放入输出信号映像寄存器中输入/输出信号映像寄存器与实际输入/输出单元的信息交换是通过输入/输出任务实现的输入、输出过程参见书中图2-7 2.2.2 可编程序控制器的工作原理 PLC的工作原理与计算机的工作原理是基本一致的，但在时间上，PLC执行 的任务是串行的在PLC中，采用循环扫描的方式，不断地对输入和输出变量进行采样和输出，使得变量满足程序条件时，及时有相应的输出使执行机构动作 在PLC中，程序执行时，如果这一个扫描周期变量的条件未满足，程序将继续执行下去，直到下面的某一个扫描周期中，变量的条件满足时，满足条件的运行结果就被执行 2.3 可编程序控制器的编程语言PLC提供的编程语言通常有以下几种：梯形图、指令表、顺序功能流程图和功能块图1. 1. 梯形图梯形图 (LAD)(LAD) PLC的梯形图与继电器控制系统的梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别 交流异步电动机直接启动电路图 图2 PLC梯形图 把左边的母线假想为电源“火线”，而把右边的母线(虚线所示)假想为电源“零线”。
如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励；如果没有“能流”， 则线圈未被激励 在梯形图中，触点代表逻辑“输入”条件，如开关、按钮、内部条件等；线圈通常代表逻辑“输出”结果，如灯、电机接触器、中间继电器等对S7-200系列PLC来说，还有一种输出——“盒”(方块图)，它代表附加的指令，如定时器、计数器和功能指令等 2. 2. 指令表指令表 (STL)(STL) 指令表(STL)编程语言类似于计算机汇编语言的一种助记符语言一般来说，指令表编程适合于熟悉PLC和有经验的程序员使用 3. 功能模块图语言（功能模块图语言（FBD）） 功能模块图语言是与数字逻辑电路类似的一种PLC编程语言采用功能模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 下图是交流异步电动机直接启动的功能模块图编程语言的表达方式 功能模块图的特点是： 以功能模块为单位，分析理解控制方案简单容易；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。
4. 4. 顺序功能图顺序功能图 ( SFC)( SFC) 顺序功能图，亦称功能流程图功能流程图或状态转状态转移图移图，是为了满足顺序逻辑控制顺序逻辑控制而设计的编程语言顺序功能图主要由主要由“状态状态”和和“转移转移”等基本元素组成等基本元素组成通过这些基本元素的不同组合，可以表达各种各样的复杂顺序控制逻辑，控制规律的表达简洁明了 特点: 程序结构清晰，易于阅读及维护，大大减轻编程的工作量，缩短编程和调试时间用于系统的规模校大，程序关系较复杂的场合 5、结构化文本语言（、结构化文本语言（ST）） 结构化文本语言是用结构化的描述文本来描述程序的一种编程语言它是类似于高级语言的一种编程语言在大中型的PLC系统中，常采用结构化文本来描述控制系统中各个变量的关系主要用于其他编程语言较难实现的用户程序编制 顺序功能图，亦称功能流程图或状态转移图，是一种图形化的功能性说明语言，专用于描述工业顺序控制程序，也是IEC61131-3的标准编程语言使用它可以对具有并发、选择等复杂结构的系统进行编程，一些高档的PLC提供了用于SFC编程的指令，但一些低档的PLC并不支持SFC编程语言。
