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1、 第三章 可编程序控制器的基本组成 和工作原理介绍o以小型可编程控制器S7-200系列PLC为例，介绍可编程控制器的基本结构，以及工作原理，要求掌握常用指令的格式和应用方法，熟练画出可编程控制器外部电路接线图，掌握可编程控制器应用的基本设计思想和设计方法。第一节 PLC的基本组成oPLC专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，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。第一节 PLC的基本组成外部设备现场用户输出设备微处理器（CPU）运算器控制器输出部件输入部件系统存储器用户存储器I/O扩展接口通讯及编程接口编程设备计算机打印机等传感器按钮、开关现场信号电磁阀中间继电器执
2、行器现场用户输入设备扩展设备扩展单元通讯模块功能模块电源变换器110V/220V市电PLC基本单元基本单元PLC系统结构示意图系统结构示意图1.2 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。*随机存取存储器(RAM)*只读存储器(ROM)-ROM、PROM、EPROM和EEPROM等。1.2 存储器oROM-掩膜只读存储器，存储内容在其制造过程中确定，不允许再改变；oPROM-可编程只读存储器，存储内容由用户用编程器一次性写入，不能再改变；oEPROM-可擦除可编程只读存储器，存储内容也由用户用编程器写入的，但可以在紫外线灯的照射下擦除，因此，允许反复多次擦除和写入；oEE
3、PROM-电擦除可编程只读存储器，存储内容由用户写入，在写入新的内容时，原来存储的内容会自动清除，允许反复多次写入。1.2 存储器o只读存储器(ROM)是非挥发性的，即在断电状态下仍能保持所存储的内容，因此常被用作系统存储器，存放生产企业编制的系统管理程序,用户逻辑解释程序和标准程序模块等组成系统程序，用户来说是透明的，不能被随意改变。o随机存取存储器(RAM)有两种类型：静态RAM(SRAM)和动态RAM(DRAM)。SRAM是用D型触发器来存储写入的内容的，除非写入新的内容或电源关断，它存储的内容可以保持不变；DRAM是用电容来存储写入的内容的，由于电容要放电，为了维持写入的内容不变，必须
4、对它重复进行读出和写入操作，即要有刷新电路配合使用。1.3 输入输出单元o通过输入模块单元，PLC能够得到生产过程的各种参数；通过输出模块单元，PLC能够把运算处理的结果送至工业过程现场的执行机构实现控制。o实际生产中的信号电平多种多样，外部执行机构所需电流也是多种多样，而PLC的CPU所处理的只能是标准电平，这就要求输入/输出模块单元有很好的信号适应能力和抗干扰性能,可与工业过程现场的各种信号直接相连。o电子变换、光耦合器和阻容滤波等电路，用以实现外部现场与系统内部信号电平的转换。1.3 输入输出单元 开关量输入单元：把现场各种开关信号变成PLC内部处理的标准信号。按照输入端的电源类型不同，
5、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 开关量输出单元：把PLC的内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。按照现场执行机构使用的电源类型的不同，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)和交流输出单元(晶闸管输出方式或继电器触点输出方式)。1.3 输入输出单元o直流输入单元中，电阻R1与R2构成分压器，电阻R2与电容C组成阻容滤波。二极管用于防止反极性电压输入。光耦合器隔离输入电路与PLC内部电路的电气连接，使外部信号通过它变成内部电路接收的标准信号。当外部开关闭合后，发光二极管使光敏三极管导通，信号进入内部电路，此输入点对应的位由0变为1。即输入映像寄存
6、器的对应位由0变为1。输出端的发光二极管(LED)用于指示现场开关闭合状况。o在交流输入单元中，电阻R2与R3构成分压器。电阻R1为限流电阻，电容C为滤波电容。双向光耦合器起整流和隔离双重作用，双向发光二极管用作状态指示。1.3 输入输出单元o在继电器输出方式中，继电器既是开关器件，又是隔离器件。发光二极管(LED)构成输出状态显示器，当PLC输出一个接通信号时，内部电路使继电器线圈K通电，继电器触点闭合使负载回路的负载L接通得电，VD作为续流二极管以消除线圈的反电动势，同时状态指示发光二极管(LED)导通点亮。负载回路的电源既可选用交流，也可选用直流。o由于继电器模式具有实际断点，可以从物理
7、上切断所控制的回路，且这种模式既适合于直流又适合于交流，因此在开关频率不太高的情况下是首选的输出控制方案。1.3 输入输出单元 模拟量输入单元：把现场连续变化的模拟量标准信号转换成PLC内部处理的、由若干位表示的数字信号，又叫A/D转换输入模块。一般由滤波、A/D转换器、光耦合器隔离等部分组成。模拟量输入在过程控制中的应用很广，如常用的温度、压力、速度、流量、酸碱度、位移的各种工业检测都是对应于电压、电流的模拟量值，输入信号为420 mA的电流信号或15 V、-1010 V、010 V的直流电压信号。为了适应工业生产过程的控制要求，采用光耦合器隔离、阻容滤波等措施以防电磁干扰。也采取了设置反向
8、二极管或熔丝管等措施用于防止其他信号的影响。1.3 输入输出单元 模拟量输出单元：将中央处理器的二进制数字信号转换成420 mA的电流输出信号或010 V、15 V的电压输出信号，以提供给执行机构。因此模拟量输出模块又叫D/A转换输出模块。一般由光耦合器隔离、D/A转换器和信号转换等部分组成。图1.3.4 模拟量输出单元框图1.3 输入输出单元 智能输入/输出单元：由PLC的制造厂商提供，以满足PLC在复杂工业生产过程中，适应生产过程控制的要求。智能输入/输出单元是一个独立的自治系统，不依赖主机的运行方式而独立运行。在自身的系统程序管理下，对工业生产过程现场的信号进行检测、处理和控制，并通过外
9、部设备接口与PLC主机的输入/输出扩展接口的连接来实现与主机的通信。一方面使PLC能够通过智能输入/输出单元来处理快速变化的现场信号，另一方面也使PLC能够处理更多的任务。PLC主机在其运行的每个扫描周期中与智能输入/输出单元进行一次信息交换，以便能对现场信号进行综合处理。1.3 输入输出单元o高速脉冲计数器智能单元：工业现场的高速脉冲信号的宽度小于主机的扫描周期时，会发生部分计数脉冲丢失的情况。使用高速脉冲计数智能单元，由它脱离主机的扫描周期而独立进行计数操作，主机仅在每个扫描周期内读出高速脉冲计数智能单元的计数值。1.3 输入输出单元oPID调节智能单元：能独立完成工业生产过程控制中一个或
10、几个闭环控制回路的PID调节，主机系统仅周期性地把调整参数和设定值传递给PID调节智能单元，使主机从繁琐的输入/输出操作、复杂的运算处理中解脱出来。1.3 输入输出单元o温度传感器输入智能单元：可以直接与热电偶或热电阻连接，通过信号转换、A/D转换、光耦合等电路将模拟量的热电动势或电阻信号转换为PLC的内部数字量信号。对热电偶的冷端补偿、热电阻的非线性处理等也在该智能单元中实现。o位置控制智能单元、阀门控制智能单元等 PLC的工作过程示意图2.1 循环扫描工作方式 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
11、序扫描过程。一个循环扫描过程称为扫描周期。PLC采用周期扫描机制，简化了程序设计，提高了系统可靠性。具体表现在：在一个扫描周期内，前面执行的任务结果立即就可被后面将要执行的任务所用；可以通过设定一个监视定时器来监视每个扫描周期的时间是否超过规定值，避免某个任务进入死循环而引起的故障。2.1 循环扫描工作方式o通信信息处理：在每个通信信息扫描阶段，进行PLC之间以及与计算机之间的信息交换；与智能I/O模块、数字处理器（DPU）交换信息。大中型PLC一般为双处理器系统，会有与数字处理器交换信息的任务。该任务主要是数字处理器(DPU)的寄存器信息与主系统的寄存器信息和开关量信息的交换。2.1 循环扫
12、描工作方式o与外部设备交换信息：该任务主要是PLC与编程器或一些终端设备(如彩色图形显示器、打印机等设备)进行信息交换。这一任务的大小和占用时间的长短随主机外部设备的数量和数据通信量而变化。如果没有连接外部设备，则该任务跳过。2.1 循环扫描工作方式o输入/输出信息处理：以扫描的方式把外部输入信号的状态存入输入映象区；将运算处理后的结果存入输出映象区，直至传送到外部被控设备。2.2 用户程序的循环扫描过程 PLC内部开辟了两个信号状态暂存区，即输入映象寄存器区和输出映象寄存器区。在执行输入/输出任务时，用户程序从输入映象寄存器中读取输入信号状态，运算处理后将结果放入输出映象寄存器中。2.2 用
13、户程序的循环扫描过程o输入采样阶段：启动输入单元，把现场信号转换成数字信号后全部读入，存入输入映象区；o程序执行阶段：输入继电器的状态取自于内部输入映象寄存器状态，而程序执行的结果，即输出继电器的状态则存入内部输出映象寄存器中。输出映象区的内容随程序执行的进程而变化。o输出刷新阶段：首先把输出映象区中的内容全部转存到输出锁存器，然后启动输出单元把数字信号转换成现场信号输出给执行机构。2.2 用户程序的循环扫描过程特点：特点：集中采样与集中输出，使得在整个程序处理过程中PLC系统与外界隔开，直到输出控制信号。优点：优点：从根本上提高了系统的抗干扰能力，提高了工作的可靠性。缺点：缺点：输入、输出延
14、迟响应。2.3 中断输入处理过程PLC的中断输入处理：当有中断申请信号输入，系统要中断正在执行的相关程序而转向执行中断子程序；当有多个中断源时，它们将按中断的优先级有一个先后顺序的排队处理。系统可以通过程序设定允许中断或禁止中断。PLC对中断的响应不是在每条指令执行结束后进行，而是在扫描周期内某一个任务完成后进行的。对于中断处理子程序中有关信息的输出必须采取特殊处理，即不通过周期扫描方式输出，而利用专门的硬件或软件立即执行。2.3 中断输入处理过程与计算机中断处理方式的区别：与计算机中断处理方式的区别：（1）中断的处理过程是在每个任务结束后进行的，在每个任务执行的过程中，PLC对中断不响应。（
15、2）在用户程序的任务执行过程中，PLC也需要程序块执行完成后才能执行中断子程序。（3）由于PLC采用循环扫描工作方式，中断的优先级处理和输出采用了与计算机不同的处理方法2.4 与计算机系统的比较相同点：相同点：（1）基本结构相同（2）程序执行原理相同（顺序执行）不同点：（1）工作方式（2）中断处理方法（3）输入/输出处理2.5 与继电-接触器系统的比较相同点：相同点：图形结构和逻辑关系相同。不同点：不同点：（1）实现原理不同（软继电器）（2）工作方式不同（串行VS并行）第三节 PLC的编程语言 和程序结构3.1 可编程序控制器的编程语言可编程序控制器的编程语言 PLC为用户提供了完整的编程语言
16、，以适应编制用户程序的需要。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。下面以S7-200系列PLC为例加以说明。3.1 PLC的编程语言（1）梯形图梯形图(LAD)梯形图(LAD)编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。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。图3.1.1是一个典型的梯形图。左右两条垂直的线称作母线。母线之间是触点的逻辑连接和线圈的输出。3.1 PLC的编程语言图3.1.1 典型的梯形图3.1 PLC的编程语言 梯形图的一个关键概念是“能流”(Power Flow)，这仅是概
17、念上的“能流”。图2.8中，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。“能流”可以通过被激励(ON)的常开接点和未被激励(OFF)的常闭接点自左向右流。“能流”在任何时候都不会通过接点自右向左流。如图3.1.1中，当A、B、C接点都接通后，线圈M才能接通(被激励)，只要其中一个接点不接通，线圈就不会接通；而D、E、F接点中任何一个接通，线圈Q就被激励。3.1 PLC的编程语言 要强调指出的是，引入“能流”的概念，仅仅是为了和继电接触器控制系统相比较，以对梯形图有一个深入的认识，其
18、实“能流”在梯形图中是不存在的。有的PLC的梯形图有两根母线，但大部分PLC现在只保留左边的母线了。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。梯形图语言简单明了，易于理解，是所有编程语言的首选。3.1 PLC的编程语言（2）指令表）指令表(STL)指令表(STL)编程语言类似于计算机中的助记符语言，它是可编程序控制器最基础的编程语言。所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程序控制器的某种操
19、作功能。具体指令的说明将在后面的章节有详细的介绍。图3.1.2是一个简单的PLC程序，图(a)是梯形图程序，图(b)是相应的指令表。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。3.1 PLC的编程语言图3.1.2 基本指令应用举例(a)梯形图；(b)指令表3.1 PLC的编程语言（3）功能块图功能块图(FBD)S7-200系列PLC专门提供了FBD编程语言，利用FBD可以查看到像普通逻辑门图形的逻辑盒指令。它没有梯形图编程器中的触点和线圈，但有与之等价的指令，这些指令是作为盒指令出现的，程序逻辑由这些盒指令之间的连接决定。也就是说，一个指令(例如AND盒)的输出可以用来允许另一条
20、指令(例如定时器)，这样可以建立所需要的控制逻辑。这样的连接思想可以解决范围广泛的逻辑问题。FBD编程语言有利于程序流的跟踪，但在目前使用较少。图3.1.3为FBD的一个简单实例。3.1 PLC的编程语言图3.1.3 FBD简单实例3.2 PLC的程序结构 控制一个任务或过程，是通过在RUN方式下，使主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的，用户程序决定了一个控制系统的功能。程序的编制可以使用编程软件在计算机或其他专用编程设备中进行(如图形输入设备)，也可使用手编器。广义上的PLC程序由三部分构成：用户程序、数据块和参数块。3.2 PLC的程序结构（1）用户程序）用户程序 用户程序是必选项。用户
21、程序在存储器空间中也称为组织块，它处于最高层次，可以管理其他块，是用各种语言(如STL、LAD或FBD等)编写的用户程序。不同机型的CPU，其程序空间容量也不同。用户程序的结构比较简单，一个完整的用户控制程序应当包含一个主程序、若干子程序和若干中断程序三大部分。不同编程设备，对各程序块的安排方法也不同。程序结构示意图如图3.2.1所示。3.2 PLC的程序结构图3.2.2 程序结构3.2 PLC的程序结构（2）数据块数据块 数据块为可选部分，它主要存放控制程序运行所需的数据，在数据块中允许以下数据类型：布尔型，表示编程元件的状态；十进制、二进制或十六进制数；字母、数字和字符型（3）参数块）参数块 参数块也是可选部分，它存放的是CPU组态数据，如果在编程软件或其他编程工具上未进行CPU的组态，则系统以默认值进行自动配置。1.可编程序控制器主要由哪几部分组成?2.可编程序控制器常用的编程语言有哪些?程序由哪几部分组成?3.RAM与EEPROM各有什么特点?使用RAM存储用户程序时应注意什么问题?4.交流数字量输入模块与直流输入模块分别适用于什么场合?5.数字量输出模块有哪几种类型?它们各有什么特点?6.简述可编程序控制器的工作过程。思考与练习题思考与练习题