第2章可編程序控制器的原理與結構Chapter2PLCtheoriesandstructures

可編程序控制器的結構

ThestructureofPLC2.1.1基本結構可編程序控制器與一般的計算機控制系統一樣，也具有中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入輸出模塊（I/O）等部分。

1．

中央處理單元(CPU)

CPU是PLC的控制中樞。常用的CPU主要采用通用微處理器、單片機和雙極型微處理器。通用微處理器如INTEL公司的8080、8086、80286、80386等，單片機如8031、8096等等，位片式微處理器如AM2900、AM2901、AM2903等。可編程序控制器的檔次越高，CPU的位數越多，運算速度越快，功能指令也越強。

CPU模塊完成下述各項工作∶1）接收用戶從編程器輸入的用戶程序，并將它們存入用戶存儲區；2）用掃描方式接收源自被控對象的狀態信號，并存入相應的數據區(輸入映象區)；3）用戶程序的語法錯誤檢查，并給出錯誤信息；4）系統狀態及電源系統的監測；5）執行用戶程序，完成各種數據的處理、傳輸和存儲等功能；6）根據數據處理的結果，刷新輸出狀態表，以實現對各種外部設備的實時控制和其它輔助工作(如顯示和打印等)。2.存儲器Memory存放系統軟件的存儲器稱為系統程序存儲器。存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。

PLC常用的存儲器類型

RAM(RandomAssessMemory)

這是一種讀/寫存儲器(隨機存儲器)，其存取速度最快，由鋰電池支持。

EPROM(ErasableProgrammableReadOnlyMemory)這是一種可擦除的只讀存儲器。在斷電情況下，存儲器內的所有內容保持不變。(在紫外線連續照射下可擦除存儲器內容)。

EEPROM(ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory)這是一種電可擦除的只讀存儲器。使用編程器就能很容易地對其所存儲的內容進行修改。

PLC存儲空間的分配

系統程序存儲器在系統程序存儲區中存放著相當于計算機操作系統的系統程序。由制造廠商將其固化在EPROM中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該PLC的性能。

用戶存儲器存儲用戶程序。不同類型的PLC，其存儲容量各不相同。３.電源Power

電源有的選用市電，也有很大一部分用直流24V供電。PLC內有一個穩壓電源用于對PLC的CPU單元和I/O單元供電，而小型的PLC電源往往和CPU合為一體，中大型PLC都有專門的電源模塊。此外，根據可編程序控制器的規模及所允許擴展接口板數，各種可編程序控制器的電源種類和容量往往是不同的，用戶使用和維修時應該注意這一點。４.輸入輸出單元（I/O單元）

Inputandoutputunits

功能：

實際生產過程中的信號電平多種多樣，外部執行機構所需的電平也千差萬別，而可編程序控制器的CPU所處理的信號電平只能是標準電平，因此需要通過輸入輸出單元實現這些電平的轉換。

PLC通過I／O接口與外部設備進行數據交換，PLC的輸入輸出信號有開關量、模擬量、數字量三種類型，所有的輸入輸出信號均經過光電等隔離，大大增強了PLC的抗干擾能力。

1、輸入接口電路InputInterfaceCircuit各種PLC的輸入電路大都相同，通常有三種類型：1、直流（12～24V）輸入，2、交流（100～120V）、（200～240V）輸入，3、交直流（12～24V）輸入。

2、輸出接口電路OutputInterfaceCircuit繼電器輸出

特點：CPU驅動繼電器線圈，令觸點吸合，使外部電源通過閉合的觸點驅動外部負載，其開路漏電流為零，響應時間慢（約10ms），可帶較大的外部負載。晶閘管（SSR）輸出

CPU通過光耦合使三端雙向可控硅通斷，以控制外部交流負載,開路漏電流大,響應時間較快(約1ms)。

晶體管輸出

CPU通過光耦合使晶體管通斷，以控制外部直流負載，響應時間快（約0.2ms），可帶外部負載小。5編程器Programmer編程器是PLC的最重要的外圍設備。分為簡易型和智能型。小型PLC常使用簡易型編程器，大中型PLC多用智能型。編程器的工作方式編程工作方式

主要功能是輸入新的控制程序，或者對已有的程序進行編輯。監控工作方式

主要功能是對運行中的可編程序控制器的工作狀態進行監視和跟蹤。

2.2可編程序控制器工作原理

PLCworkprinciple2.2.1I/O映象區Imagearea

輸入映象區的概念：在程序執行之前將現場全部有關信息采集到可編程序控制器中來，存放在系統準備好的一定區域—隨機存儲器RAM的某一地址區，稱為輸入映象區。執行用戶程序所需現場信息都在輸入映象區取用，而不直接到外設去取。輸出映象區的概念

同樣對被控制對象的控制信息，也不采用形成一個就去輸出改變一個的控制方法，而是先把它們存放在隨機存儲器RAM的某特定區域，稱之為輸出映象區。

當用戶程序執行結束后，將所存被控對象的控制信息，集中輸出，改變被控對象的狀態。

數字采樣控制系統

I/O映象區的建立，使系統工作變成一個采樣控制系統，我們稱之為數字采樣控制系統。雖然它不象硬件邏輯系統那樣，能隨時反映控制器件工作狀態變化對系統的控制作用，但在采樣時刻則基本符合實際工作狀態，只要采樣周期T足夠小，采樣頻率足夠高，我們就可以認為這樣的采樣系統足夠符合實際系統的工作狀態。

2.2.2可編程序控制器的工作原理

PLCworkprinciple

可編程序控制器采用循環掃描的工作方式。工作過程主要分為：輸入采樣、程序執行、輸出刷新，一直循環掃描工作，工作過程見下圖。

輸出刷新

程序執行輸入采樣輸入端子輸入映象區輸出映象區輸出鎖存輸出端子輸出信號輸入信號梯形圖

PLC工作過程執行OB1中的程序

(循環執行)事件(日期時間中斷、硬件中斷等)調用其他

OB，FB，FC輸出

模塊AI0.1AI0.2=Q8.0塊OB1循環監視時間的開始啟動塊(OB100)上電后執行一次從模塊讀信號狀態，并保存到過程映象區(PII)把過程映象輸出表(PIQ)寫到輸出模塊CPU循環輸入

模塊1．

輸入掃描（又稱輸入采樣）

Enterscan(alsoknownasinputsample)工作過程：可編程序控制器按掃描方式讀入該可編程序控制器所有端子上的輸入信號(可能有的端子上并沒有接輸入信號，它也作輸入)，并將這些輸入信號存入輸入映象區。特點：在本工作周期的執行和輸出過程中，輸入映象區內的內容不會隨實際信號的變化而變化。

掃描順序

可編程序控制器在輸入掃描過程中一般都以固定的順序(例如從最小號到最大號)進行掃描，但在一些可編程序控制器中可由用戶確定可變的掃描順序。2．

執行掃描（又稱程序執行）

Scan(alsoknownasprogramexecution)

工作過程：可編程序控制器對用戶以梯形圖方式(或其它方式)編寫的程序按從上到下，從左到右的順序逐一掃描各指令，然后從輸入映象區取出相應的原始數據或從輸出映象區讀取有關數據，然后做由程序確定的邏輯運算或其它數字運算，然后隨運算結果存入確定的輸出映象區有關單元，但這個結果在整個程序未執行完畢前不會送到輸出端口上。3．

輸出掃描（稱輸出刷新）

Outputscanning(calledoutputrefresh)

在執行完用戶所有程序后，可編程序控制器將輸出映象區中的內容同時送入到輸出鎖存器中(稱輸出刷新)，然后由鎖存器經功率放大后去驅動繼電器的線圈，最后使輸出端子上的信號變為本次工作周期運行結果的實際輸出。

PLC的掃描工作過程輸入刷新

程序執行輸出刷新一個掃描周期輸入刷新

工作周期

上述三個過程構成了可編程序控制器工作的一個工作周期。可編程序控制器按掃描方式周而復始地循環工作，完成對被控對象的控制作用。但嚴格來說，可編程序控制器的一個工作周期還包括下述四個過程，這四個過程都是在輸入掃描過程之后進行的。

四個系統過程1.系統自監測：檢查Watchdog(看門狗)是否超時(即檢查程序執行是否正確)，如果超時則停止用戶程序的執行。2.與編程器交換信息：這只有在使用編程器輸入和調試程序時才執行。3.與數字處理器交換信息：這只有在可編程序控制器中配置有專用的數字處理器時才執行。4.網絡通信：當可編程序控制器配置有網絡通信模板時，與通信對象(如其它可編程序控制器或計算機等)作數據交換。PLC控制系統與繼電器控制系統的區別PLC控制系統是“串行”工作的，傳統的繼電器控制系統“并行”工作。優點：PLC的串行工作方式避免了繼電器控制系統中觸點競爭和時序失配的問題。

PLC工作特點

由于PLC是掃描工作過程，在程序執行階段即使輸入發生了變化，輸入映象區的內容也不會發生變化，要等到下一個周期的輸入處理階段才能改變。暫存在輸出映象區的輸出信號，等到一個循環周期結束，CPU集中將這些輸出信號全部輸送給輸出鎖存器。由此可以看出，全部輸入輸出狀態的改變，需要一個掃描周期。換言之，輸入輸出的狀態保持一個掃描周期。

掃描周期概念從一次輸入掃描開始到這次輸出掃描結束的所耗費的時間稱為掃描周期。特點：小型PLC的掃描周期一般為十幾毫秒到幾十毫秒。PLC的掃描時間取決于掃描速度和用戶程序長短。

I/O快速響應的設備

采取的措施：選用高速CPU，提高掃描速度，采用快速響應模塊、高速計數模塊以及不同的中斷處理等措施減少滯后時間。造成I/O滯后的主要原因有輸入濾波器的慣性輸出繼電器接點的慣性程序執行的時間程序設計不當的附加影響等2.3可編程序控制器的編程語言

PLCprogramminglanguages

目前PLC常用的編程語言有四種，梯形圖編程語言、指令語句表編程語言、控制系統流程圖編程語言以及高級語言。1.梯形圖編程語言（LAD）

習慣上簡稱梯形圖。沿襲了繼電器控制電路的形式，是在電氣控制系統中常用的繼電器、接觸器邏輯控制基礎上簡化了符號演變而成的。梯形圖形象、直觀、實用，電氣技術人員容易接受，是目前用得最多的一種PLC編程語言。

SA1K2K1K1k1SA1SA2Q4.0Q4.0Q4.1Q4.0I1.1I1.0圖2-7繼電器接觸器電氣控制電路圖和PLC梯形圖繼電器接觸器電氣控制電路圖和PLC梯形圖與原有的繼電器邏輯控制技術的不同點是，梯形圖中的能流（PowerFLow）不是實際意義的電流，內部的繼電器也不是實際存在的繼電器，因此，應用時，需與原有繼電器邏輯控制技術的有關概念區別對待。2.語句表編程語言（STL）

為計算機匯編語言，采用助記符編程方式，用一系列操作指令組成的語句表將控制流程描述出來，并通過編程器送到PLC中去。需要指出的是：不同廠家的PLC