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1、2.1 可編程序控制器的硬件結構 2.2 可編程序控制器的系統結構 2.3 可編程序控制器的技術性能 2.4 可編程序控制器的工作過程及原理 第 2章 plc的結構和工作原理 2.1 PLC的硬件結構 PLC是微機技術和繼電器常規控制 概念相結合的產物， PLC是一種工業控制 用的專用計算機，是由硬件系統和軟件系 統兩大部分組成。 1. 主機系統 主機 電源 微處理器 ( C P U ) 運算器 控制器 輸 入 單 元 存儲器 E P R O M ( 系統程序 ) R A M ( 用戶程序 ) 外設 I / O 接口 I / O 擴展 接口 用 戶 輸 入 設 備 輸 出 單 元 用 戶 輸
2、出 設 備 I / O 擴展 接口 P L C 或上位計算機 圖形監控系統 E P R O M 寫入器 打印機 盒式磁帶機 編程器 外部設備 為適應工業過程現場輸入 /輸出信號的 匹配， PLC配置了各種類型的輸入 /輸出 模塊單元： 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。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。 圖 2.2 直流開關量輸入單元 光耦合器 P L C 內 部電路 L E D C R 2 R 1 V D 電源 雙 向 耦 合 器 P L C 內 部 電 路 L E D C R 3 R 1 V D 交 流 電 源 R 2
3、圖 2.3 交流開關量輸入單元 2. 開關量輸出單元： 它的作用是把 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，開關量輸出單元可分 為 : 晶體管輸出方式 用于直流輸出負載 雙相晶閘管輸出方式 用于交流輸出負載 繼電器觸點輸出方式 即可用于直流、又可 交流 特別應指出的是，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可編程序控制器的工作原理是，同時這種模式既適 合于直流情況又適合于交流情況，因此這種模式在開 關頻率不太高的情況下是首選的輸出控制方案。圖 2.4 給出了這種輸出方案的原理圖。 P L C 內 部 電 路 L E D V D 交 流 電 源 K
4、 S L 圖 2.4 繼電器模式輸出單元 3. 模擬量輸入單 元 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、電流的模擬量值可編程序控制器的工作原理是，再通過一定運算 (PID)后，控制 生產過程達到一定的目的。模擬量輸入電平大多是從傳感器 通過變換后得到的， 模擬量的輸入信號為 4 20 mA的電流 信號或 1 5 V、 -10 10 V、 0 10 V的直流電壓信號。 模擬量輸入單元的作用是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。 模擬量輸入單元一般由濾波、 A/D轉換器、光耦合器隔離等 部分組成。 4.
5、模擬量輸出單元 作用是把 PLC運算處理后的若干位數字量信號轉 換成相應的模擬量信號然后輸出，以滿足生產過 程現場連續信號的控制要求。模擬量輸出單元一 般由光耦合器隔離、 D/A轉換器和信號轉換等部 分組成。 模擬量輸出模塊是將中央處理器的二進制數字信 號轉換成 4 20 mA的電流輸出信號或 0 10 V、 1 5 V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。 可編程序控制器的軟件系統 PLC除了硬件系統外，還需要軟件系統的支 持，共同構成 PLC。 PLC的軟件系統由系統程序 和用戶程序兩大部分組成。 1. 系統程序 系統程序由 PLC的制造企業編制，
6、固化在 PROM或 EPROM中，安裝在 PLC上，隨產品提供 給用戶。系統程序包括系統管理程序、用戶指令 解釋程序和供系統調用的標準程序模塊等。 由于通過改進系統程序可以在不改變硬件 系統的情況下大大改善 PLC的性能，因此系統程 序也在不斷升級和完善。 2. 用戶程序 用戶程序是根據生產過程控制的要求由用戶使 用制造企業提供的編程語言自行編制的應用程序。 用戶程序包括開關量邏輯控制程序、模擬量運算程 序、閉環控制程序和操作站系統應用程序等。 (1) 開關量邏輯控制程序。它是 PLC用戶程序中最 重要的一部分。 (2) 模擬量運算程序及閉環控制程序。通常，它是 在大中型 PLC上實施的程序。
7、 (3) 操作站系統程序。它是大型 PLC系統經過通信 聯網后，由用戶為進行信息交換和管理而編制的程 序。 2.2 可編程序控制器的系統 結構 PLC的結構分為整體式和模塊式兩類 圖 2.3 整體式 PLC組成框圖 圖 2 .4 模塊式 PLC組成框圖 2.3 可編程序控制器的技術 性能 基本技術性能 存儲容量 I/O點數 掃描速度 指令的功能與數量 內部元件的種類與數量 特殊功能單元 可擴展能力 PLC的內存分配及容量 PLC的內存分配 系統程序存儲區 系統 RAM 存儲區 用戶程序存儲區 PLC的容量 PLC的容量包括 I O點數和用戶存儲容量 兩個方面 ： 通常 I O點數是根據被控對象
8、的輸入、輸出信號的實際 需要，再加上 10 15的裕量來確定。 用戶程序存儲容量（字節）開關量 I O點數 10 模 擬量 I O通道數 100 可編程序控制器的工作過程 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在一個掃描周期內基本上要執行以下六個任務： (1) 運行監控任務。為了保證系統可靠工作， PLC內部設置了系 統監視定時器 WDT， WDT的時間設定值一般為掃描周期的 2 3 倍，通常為 100 200 ms。 (2) 與編程器交換信息任務
9、。編程器在 PLC的外部設備中占有非 常重要的地位，用戶把應用程序輸入到 PLC中，或對應用程序進 行在線運行監視和修改都要用到它。編程器在完成處理任務或達 到信息交換的規定時間后，就把控制權交還給 PLC。 2.4可編程序控制器的工作過 程及原理 (3) 與數字處理器 (DPU)交換信息任務。一般 大中型 PLC多為雙處理器系統，一個是字節處 理器 (CPU)，另一個是數字處理器 (DPU) ，在 一般小型 PLC中是沒有這個任務的。 (4) 與外部設備交換信息任務。如果沒有連接 外部設備，則該任務跳過。 (5) 執行用戶程序任務。系統的全部控制功能 都在這一任務中實現。 (6) 輸入 /輸
10、出信息處理任務。 PLC的輸入 /輸出過程 PLC的工作方式是周期掃描方式，所以其 輸入 /輸出過程是定時進行的，對用戶程序而言， 要處理的輸入信號是輸入信號狀態暫存區的信 號，而不是實際的信號。運算處理后的輸出信 號被放入輸出信號狀態暫存區中，而不是直接 輸出到現場的。 PLC周期性的輸入 /輸出處理方式對一般控 制對象而言是能夠滿足的，但是對那些要求響 應時間小于掃描周期的控制系統則不能滿足， 這時可以用智能型輸入 /輸出單元或專門的軟件 指令，通過與掃描周期脫離的方式來解決。 PLC的中斷輸入處理過程 PLC的中斷輸入處理方法同一般計算機系 統是基本相同的，即當有中斷申請信號輸入后， 系
11、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的中斷源信息是通過輸入單元進入系統的。 PLC的中斷源有優先順序，一般無嵌套關系。 PLC的工作原理 PLC的工作原理與計算機的工作原理是基本 一致的。 PLC執行的任務是串行的，與繼電器 邏輯控制系統中控制任務的執行有所不同。 從 PLC的工作過程可以看到，整個工作 過程是以循環掃描的方式進行的。循環掃描 方式是指在程序執行過程的周期中，程序對 各個過程輸入信號進行采樣，對采樣的信號 進行運算和處理，并把運算結果輸出到生產 過程的執行機構中。