設備與電路課件Chap3-new第一節PLC的基本組成外部設備現場用戶輸出設備微處理器（CPU）運算器控制器輸出部件輸入部件系統存儲器用戶存儲器I/O擴展接口通訊及編程接口編程設備計算機打印機等傳感器按鈕、開關現場信號電磁閥中間繼電器執行器現場用戶輸入設備擴展設備擴展單元通訊模塊功能模塊電源變換器～110V/220V市電PLC基本單元PLC系統結構示意圖1.1中央處理單元中央處理單元（CPU）一般由控制器、運算器和寄存器組成，是PLC的核心部分，由它實現邏輯運算，協調控制系統內部各部分的工作。①接受、存儲用戶程序。②按掃描方式接收來自輸入單元的數據和各狀態信息，并存入相應的數據存儲區。③執行監控程序和用戶程序，完成數據和信息的邏輯處理，產生相應的內部控制信號，完成用戶指令規定的各種操作。④響應外部設備的請求。1.2存儲器存儲器是PLC存放系統程序、用戶程序和運行數據的單元。*隨機存取存儲器(RAM)*只讀存儲器(ROM)----ROM、PROM、EPROM和EEPROM等。1.2存儲器ROM--掩膜只讀存儲器，存儲內容在其制造過程中確定，不允許再改變；PROM--可編程只讀存儲器，存儲內容由用戶用編程器一次性寫入，不能再改變；EPROM--可擦除可編程只讀存儲器，存儲內容也由用戶用編程器寫入的，但可以在紫外線燈的照射下擦除，因此，允許反復多次擦除和寫入；EEPROM--電擦除可編程只讀存儲器，存儲內容由用戶寫入，在寫入新的內容時，原來存儲的內容會自動清除，允許反復多次寫入。1.2存儲器只讀存儲器(ROM)是非揮發性的，即在斷電狀態下仍能保持所存儲的內容，因此常被用作系統存儲器，存放生產企業編制的系統管理程序,用戶邏輯解釋程序和標準程序模塊等組成系統程序，用戶來說是透明的，不能被隨意改變。隨機存取存儲器(RAM)有兩種類型：靜態RAM(SRAM)和動態RAM(DRAM)。SRAM是用D型觸發器來存儲寫入的內容的，除非寫入新的內容或電源關斷，它存儲的內容可以保持不變；DRAM是用電容來存儲寫入的內容的，由于電容要放電，為了維持寫入的內容不變，必須對它重復進行讀出和寫入操作，即要有刷新電路配合使用。1.2存儲器隨機存取存儲器(RAM)是一種揮發性的器件，即當供電電源關掉后，其存儲的內容會丟失，因此在實際使用中，通常為其配備掉電保護電路，當正常電源關斷后，由備用電池為它供電，保護其存儲的內容不丟失。隨機存取存儲器(RAM)在PLC中用作用戶程序存儲器和數據存儲器。用戶程序存放在隨機存取存儲器(RAM)中調試和修改，達到設計要求后，再固化到EPROM中，替代RAM使用。數據存儲器存儲PLC運行過程中產生的各種不斷變化的數據。1.3輸入輸出單元通過輸入模塊單元，PLC能夠得到生產過程的各種參數；通過輸出模塊單元，PLC能夠把運算處理的結果送至工業過程現場的執行機構實現控制。實際生產中的信號電平多種多樣，外部執行機構所需電流也是多種多樣，而PLC的CPU所處理的只能是標準電平，這就要求輸入/輸出模塊單元有很好的信號適應能力和抗干擾性能,可與工業過程現場的各種信號直接相連。電子變換、光耦合器和阻容濾波等電路，用以實現外部現場與系統內部信號電平的轉換。1.3輸入輸出單元①開關量輸入單元：把現場各種開關信號變成PLC內部處理的標準信號。按照輸入端的電源類型不同，分為直流輸入單元和交流輸入單元，分別如圖2.2和圖2.3所示②開關量輸出單元：把PLC的內部信號轉換成現場執行機構的各種開關信號。按照現場執行機構使用的電源類型的不同，可分為直流輸出單元(晶體管輸出方式或繼電器觸點輸出方式)和交流輸出單元(晶閘管輸出方式或繼電器觸點輸出方式)。1.3輸入輸出單元圖1.3.1直流開關量輸入單元圖1.3.2交流開關量輸入單元1.3輸入輸出單元直流輸入單元中，電阻R1與R2構成分壓器，電阻R2與電容C組成阻容濾波。二極管用于防止反極性電壓輸入。光耦合器隔離輸入電路與PLC內部電路的電氣連接，使外部信號通過它變成內部電路接收的標準信號。當外部開關閉合后，發光二極管使光敏三極管導通，信號進入內部電路，此輸入點對應的位由0變為1。即輸入映像寄存器的對應位由0變為1。輸出端的發光二極管(LED)用于指示現場開關閉合狀況。在交流輸入單元中，電阻R2與R3構成分壓器。電阻R1為限流電阻，電容C為濾波電容。雙向光耦合器起整流和隔離雙重作用，雙向發光二極管用作狀態指示。1.3輸入輸出單元圖2.4繼電器模式輸出單元1.3輸入輸出單元在繼電器輸出方式中，繼電器既是開關器件，又是隔離器件。發光二極管(LED)構成輸出狀態顯示器，當PLC輸出一個接通信號時，內部電路使繼電器線圈K通電，繼電器觸點閉合使負載回路的負載L接通得電，VD作為續流二極管以消除線圈的反電動勢，同時狀態指示發光二極管(LED)導通點亮。負載回路的電源既可選用交流，也可選用直流。由于繼電器模式具有實際斷點，可以從物理上切斷所控制的回路，且這種模式既適合于直流又適合于交流，因此在開關頻率不太高的情況下是首選的輸出控制方案。1.3輸入輸出單元③模擬量輸入單元：把現場連續變化的模擬量標準信號轉換成PLC內部處理的、由若干位表示的數字信號，又叫A/D轉換輸入模塊。一般由濾波、A/D轉換器、光耦合器隔離等部分組成。模擬量輸入在過程控制中的應用很廣，如常用的溫度、壓力、速度、流量、酸堿度、位移的各種工業檢測都是對應于電壓、電流的模擬量值，輸入信號為4～20mA的電流信號或1～5V、-10～10V、0～10V的直流電壓信號。為了適應工業生產過程的控制要求，采用光耦合器隔離、阻容濾波等措施以防電磁干擾。也采取了設置反向二極管或熔絲管等措施用于防止其他信號的影響。1.3輸入輸出單元圖1.3.3模擬量輸入單元框圖

為了適應工業生產過程的控制要求，模擬量輸入單元中采用光耦合器隔離、阻容濾波等措施以防電磁干擾。也采取了設置反向二極管或熔絲管等措施用于防止其他信號的影響。1.3輸入輸出單元④模擬量輸出單元：將中央處理器的二進制數字信號轉換成4～20mA的電流輸出信號或0～10V、1～5V的電壓輸出信號，以提供給執行機構。因此模擬量輸出模塊又叫D/A轉換輸出模塊。一般由光耦合器隔離、D/A轉換器和信號轉換等部分組成。圖1.3.4模擬量輸出單元框圖1.3輸入輸出單元⑤智能輸入/輸出單元：由PLC的制造廠商提供，以滿足PLC在復雜工業生產過程中，適應生產過程控制的要求。智能輸入/輸出單元是一個獨立的自治系統，不依賴主機的運行方式而獨立運行。在自身的系統程序管理下，對工業生產過程現場的信號進行檢測、處理和控制，并通過外部設備接口與PLC主機的輸入/輸出擴展接口的連接來實現與主機的通信。一方面使PLC能夠通過智能輸入/輸出單元來處理快速變化的現場信號，另一方面也使PLC能夠處理更多的任務。PLC主機在其運行的每個掃描周期中與智能輸入/輸出單元進行一次信息交換，以便能對現場信號進行綜合處理。1.3輸入輸出單元高速脈沖計數器智能單元：工業現場的高速脈沖信號的寬度小于主機的掃描周期時，會發生部分計數脈沖丟失的情況。使用高速脈沖計數智能單元，由它脫離主機的掃描周期而獨立進行計數操作，主機僅在每個掃描周期內讀出高速脈沖計數智能單元的計數值。1.3輸入輸出單元PID調節智能單元：能獨立完成工業生產過程控制中一個或幾個閉環控制回路的PID調節，主機系統僅周期性地把調整參數和設定值傳遞給PID調節智能單元，使主機從繁瑣的輸入/輸出操作、復雜的運算處理中解脫出來。1.3輸入輸出單元溫度傳感器輸入智能單元：可以直接與熱電偶或熱電阻連接，通過信號轉換、A/D轉換、光耦合等電路將模擬量的熱電動勢或電阻信號轉換為PLC的內部數字量信號。對熱電偶的冷端補償、熱電阻的非線性處理等也在該智能單元中實現。位置控制智能單元、閥門控制智能單元等

第二節PLC的工作原理一、工作方式——周期循環掃描二、工作過程——自診斷、輸入采樣、程序掃描、輸出刷新幾個階段。三、掃描周期T=自檢時間+讀入一點時間×輸入點數+程序步數×運算速度+輸出一點時間×輸出點數。PLC的工作過程示意圖2.1循環掃描工作方式PLC上電后，就在系統程序的監控下，周而復始地按固定順序對系統內部的各種任務進行查詢、判斷和執行，這個過程實質上是一個不斷循環的順序掃描過程。一個循環掃描過程稱為掃描周期。PLC采用周期掃描機制，簡化了程序設計，提高了系統可靠性。具體表現在：在一個掃描周期內，前面執行的任務結果立即就可被后面將要執行的任務所用；可以通過設定一個監視定時器來監視每個掃描周期的時間是否超過規定值，避免某個任務進入死循環而引起的故障。2.1循環掃描工作方式運行監控任務：上電后，首先進行系統初始化，清除內部繼電器區，復位定時器等。在每個掃描周期，要進入CPU自檢階段，對電源、PLC內部電路、用戶程序的語法進行檢查；定期復位監控定時器，以確保系統可靠運行。

系統監視定時器WDT，用于監視掃描周期是否超時。PLC在每個掃描周期內都要對WDT進行復位操作，而當系統的硬件或用戶軟件發生了故障，如果不能執行該任務，則WDT的計時會超過設定值，表明掃描周期超過了規定時間。WDT超時后，會自動發出故障報警信號，并停止PLC的運行。2.1循環掃描工作方式通信信息處理：在每個通信信息掃描階段，進行PLC之間以及與計算機之間的信息交換；與智能I/O模塊、數字處理器（DPU）交換信息。大中型PLC一般為雙處理器系統，會有與數字處理器交換信息的任務。該任務主要是數字處理器(DPU)的寄存器信息與主系統的寄存器信息和開關量信息的交換。2.1循環掃描工作方式與外部設備交換信息：該任務主要是PLC與編程器或一些終端設備(如彩色圖形顯示器、打印機等設備)進行信息交換。這一任務的大小和占用時間的長短隨主機外部設備的數量和數據通信量而變化。如果沒有連接外部設備，則該任務跳過。2.1循環掃描工作方式執行用戶程序：用戶程序是由用戶根據實際應用情況而編制的程序，存放在RAM或EPROM中，PLC在每個掃描周期內都要把用戶程序執行一遍。

用戶程序的執行是按用戶程序的實際邏輯關系結構由前向后逐句掃描處理的，運算結果存入輸出狀態暫存區中，系統的全部控制功能都在這一任務中實現。2.1循環掃描工作方式輸入/輸出信息處理：以掃描的方式把外部輸入信號的狀態存入輸入映象區；將運算處理后的結果存入輸出映象區，直至傳送到外部被控設備。2.2用戶程序的循環掃描過程PLC內部開辟了兩個信號狀態暫存區，即輸入映象寄存器區和輸出映象寄存器區。在執行輸入/輸出任務時，用戶程序從輸入映象寄存器中讀取輸入信號狀態，運算處理后將結果放入輸出映象寄存器中。2.2用戶程序的循環掃描過程輸入采樣階段：啟動輸入單元，把現場信號轉換成數字信號后全部讀入，存入輸入映象區；程序執行階段：輸入繼電器的狀態取自于內部輸入映象寄存器狀態，而程序執行的結果，即輸出繼電器的狀態則存入內部輸出映象寄存器中。輸出映象區的內容隨程序執行的進程而變化。輸出刷新階段：首先把輸出映象區中的內容全部轉存到輸出鎖存器，然后啟動輸出單元把數字信號轉換成現場信號輸出給執行機構。2.2用戶程序的循環掃描過程特點：集中采樣與集中輸出，使得在整個程序處理過程中PLC系統與外界隔開，直到輸出控制信號。優點：從根本上提高了系統的抗干擾能力，提高了工作的可靠性。缺點：輸入、輸出延遲響應。

2.3

中斷輸入處理過程PLC的中斷輸入處理：當有中斷申請信號輸入，系統要中斷正在執行的相關程序而轉向執行中斷子程序；當有多個中斷源時，它們將按中斷的優先級有一個先后順序的排隊處理。系統可以通過程序設定允許中斷或禁止中斷。PLC對中斷的響應不是在每條指令執行結束后進行，而是在掃描周期內某一個任務完成后進行的。對于中斷處理子程序中有關信息的輸出必須采取特殊處理，即不通過周期掃描方式輸出，而利用專門的硬件或軟件立即執行。2.3

中斷輸入處理過程與計算機中斷處理方式的區別：（1）中斷的處理過程是在每個任務結束后進行的，在每個任務執行的過程中，PLC對中斷不響應。（2）在用戶程序的任務執行過程中，PLC也需要程序塊執行完成后才能執行中斷子程序。（3）由于PLC采用循環掃描工作方式，中斷的優先級處理和輸出采用了與計算機不同的處理方法2.4

與計算機系統的比較相同點：（1）基本結構相同

（2）程序執行原理相同（順序執行）不同點：

（1）工作方式（2）中斷處理方法（3）輸入/輸出處理2.5

與繼電-接觸器系統的比較相同點：圖形結構和邏輯關系相同。

不同點：（1）實現原理不同（軟繼電器）（2）工作方式不同（串行VS并行）第三節

PLC的編程語言

和程序結構3.1可編程序控制器的編程語言

PLC為用戶提供了完整的編程語言，以適應編制用戶程序的需要。PLC提供的編程語言通常有以下幾種：梯形圖、指令表、順序功能流程圖和功能塊圖。下面以S7-200系列PLC為例加以說明。3.1PLC的編程語言（1）梯形圖(LAD)梯形圖(LAD)編程語言是從繼電器控制系統原理圖的基礎上演變而來的。PLC的梯形圖與繼電器控制系統的梯形圖的基本思想是一致的，只是在使用符號和表達方式上有一定區別。圖3.1.1是一個典型的梯形圖。左右兩條垂直的線稱作母線。母線之間是觸點的邏輯連接和線圈的輸出。3.1PLC的編程語言圖3.1.1典型的梯形圖3.1PLC的編程語言梯形圖的一個關鍵概念是“能流”(PowerFlow)，這僅是概念上的“能流”。圖2.8中，把左邊的母線假想為電源“火線”，而把右邊的母線(虛線所示)假想為電源“零線”。如果有“能流”從左至右流向線圈，則線圈被激勵；如果沒有“能流”，則線圈未被激勵?！澳芰鳌笨梢酝ㄟ^被激勵(ON)的常開接點和未被激勵(OFF)的常閉接點自左向右流。“能流”在任何時候都不會通過接點自右向左流。如圖3.1.1中，當A、B、C接點都接通后，線圈M才能接通(被激勵)，只要其中一個接點不接通，線圈就不會接通；而D、E、F接點中任何一個接通，線圈Q就被激勵。3.1PLC的編程語言要強調指出的是，引入“能流”的概念，僅僅是為了和繼電接觸器控制系統相比較，以對梯形圖有一個深入的認識，其實“能流”在梯形圖中是不存在的。有的PLC的梯形圖有兩根母線，但大部分PLC現在只保留左邊的母線了。在梯形圖中，觸點代表邏輯“輸入”條件，如開關、按鈕、內部條件等；線圈通常代表邏輯“輸出”結果，如燈、電機接觸器、中間繼電器等。對S7-200系列PLC來說，還有一種輸出——“盒”(方塊圖)，它代表附加的指令，如定時器、計數器和功能指令等。梯形圖語言簡單明了，易于理解，是所有編程語言的首選。3.1PLC的編程語言（2）指令表(STL)指令表(STL)編程語言類似于計算機中的助記符語言，它是可編程序控制器最基礎的編程語言。所謂指令表編程，是用一個或幾個容易記憶的字符來代表可編程序控制器的某種操作功能。具體指令的說明將在后面的章節有詳細的介紹。圖3.1.2是一個簡單的PLC程序，圖(a)是梯形圖程序，圖(b)是相應的指令表。一般來說，指令表編程適合于熟悉PLC和有經驗的程序員使用。3.1PLC的編程語言圖3.1.2基本指令應用舉例(a)梯形圖；(b)指令表3.1PLC的編程語言（3）功能塊圖(FBD)S7-200系列PLC專門提供了FBD編程語言，利用FBD可以查看到像普通邏輯門圖形的邏輯盒指令。它沒有梯形圖編程器中的觸點和線圈，但有與之等價的指令，這些指令是作為盒指令出現的，程序邏輯由這些盒指令之間的連接決定。也就是說，一個指令(例如AND盒)的輸出可以用來允許另一條指令(例如定時器)，這樣可以建立所需要的控制邏輯。這樣的連接思想可以解決范圍廣泛的邏輯問題。FBD編程語言有利于程序流的跟蹤，但在目前使用較少。圖3.1.3為FBD的一個簡單實例。3.1PLC的編程語言圖3.1.3FBD簡單實例3.2PLC的程序結構