PLC可编程控制器应用技术作业2.doc

学习目标：
l 了解可编程控制器的特点及与其他控制系统的比较
l 掌握可编程控制器的硬件组成
l 掌握可编程控制器的工作原理

第二章 可编程控制器的功能、结构和工作原理
第一节 可编程控制器的特点和主要功能
一、可编程控制器的一般特点
l 抗干扰能力强，可靠性很高
l 编程方便
l 使用方便
l 维护方便
l 设计、施工、调试周期短
l 易于实现机电一体化

二、可编程控制器与继电器逻辑控制系统的比较
l 电器控制采用硬接线方式装配而成，只能完成既定的功能。
l PLC控制只要改变程序并改动少量的接线端子，就可适应生产工艺的改变。
l 从适应性、可靠性及设计、安装、维护等各方面。

三、可编程控制器与其他工业控制器的比较
1. 可编程控制器与通用微型计算机的比较
可编程控制器与微型计算机有相似的构造由CPU、RAM、ROM、I/O接口等构成的，但又不同于一般计算机。
l 用于工业现场的工业控制
l 控制强电设备，有光电隔离
l 程序设计为梯形图语言
l 自诊断、监控功能
l 循环扫描及中断的工作方式
l 抗干扰能力强，可靠性极高
2. 可编程控制器与集散控制系统的比较
l 发展基础不同
l 扩展方向不同
l 有小型计算机构成的中小型DOC将被PLC构成的DOC所代替
3. 可编程控制器与工业控制计算机的比较
l 硬件方面 硬件结构专用；信号采集和控制输出的功率强；采取抗干扰措施。
l 软件方面 增加了PID等控制算法；编程采用梯形图语言。

四、可编程控制器的性能指标
简单的用以下五个指标来评价其性能：CPU芯片、编程语言、用户程序存储量、I/O总数、扫描速度
l 处理器技术指标 反映出CPU类型、编程方法、用户程序存储容量等。
l I/O模板技术指标
开关量输入模板要反映出输入点数/块、电源类型、工作电压等级以及COM端、输入电路等
开关量输出模板要反映出输出点数/块、电源类型、工作电压等级以及COM端、输入电路等
模拟量I/O模板，反映出它的输入/输出路数、信号范围、分辨率、精度、转换时间等
l 编程器及编程软件

五、可编程控制器的主要功能
l 顺序逻辑控制
l 运动控制
l 定时控制
l 计数控制
l 步进控制
l 数据处理
l 模数和数模转换
l 通信及联网

第二节 可编程控制器的硬件组成
一、可编程控制器的基本结构
PLC的基本结构可用微型计算机控制系统常用的单总线结构形式来表示，如下图所示：

二、可编程控制器的各个组成部分的功能
1. 中央处理器（CPU）
CPU是PLC的核心，其主要任务是：
l 接收与存储用户程序和数据；
l 检查编程语法错误，诊断故障；
l 接收输入信号；
l 读取并执行用户程序；
l 更新有关标志位的状态。
2. 存储器
l 系统程序存储器：主要用来存储可编程控制器的内部信息。
l 用户程序存储器：一般分为程序存储器和用户存储器。

● 常用存储器：可读写存储器CMOS-SRAM、只读存储器EPROM 、电可擦除可编程的只读存储器E2PROM
3.数字量（或开关量）输入部件及接口
l 数字量（或开关量）输入模板的外部接线方式
① 汇点式输入接线方式下图所示

（a） （b）
图（a）的全部输入点为一组，共用一个电源和公共端；
图（b）将全部输入点分为两组，每组有一个单独的电源和公共端。
② 隔离式输入接线方式下图所示

在隔离式输入接线方式中，每一个输入回路有两个接线端子，有单独的一个电源供电。
l 数字量输入模板的接口电路
① 直流数字量输入模板 :主要由输入信号处理、光电隔离、信号锁存、口地址译码和控制逻辑组成

② 交流数字量输入模板

4. 数字量（开关量）输出部件及接口
（1） 数字量输出模板的接线方式：可分为汇点式输出方式和隔离式输出方式
（2） 数字量输出接口方式：可分为直流数字量输出接口模板（晶体管输出型）、交流数字量输出接口模板（双向晶闸管输出型）及继电器输出接口模板（继电器输出型）。

上图：晶体管输出型

上图：双向晶闸管输出型

上图：继电器输出型

5. 模拟量输入/输出接口模板
（1）模拟量输入接口模板：把被测模拟量信号转变成数字量信号。
（2）模拟量输出接口模板：把数字信号转变成模拟信号。
6. 智能I/O接口：智能单元本身是一个独立的计算机系统，它有自己的CPU、
系统程序、存储器，及与外界过程相连的接口。
7. 扩展接口
8. 通信接口
9. 编程器：用于用户程序的输入、编辑、调试和监视。有简易编程器、智能编程器、用PC机作编程器。
10. 电源 PLC外部工作电源：一般为单相85~260V 50Hz/60Hz交流电源
11. 总线
12. PLC的外部设备：人--机接口装置、外存储器、打印机、EPROM写入器
第三节 可编程控制器的软件及编程语言
一、系统软件：即PLC的系统监控程序，可分为三部分：
l 系统管理程序
l 用户指令解释程序
l 标准程序模板和系统调用
二、应用软件：指用户根据自己的控制要求编写的程序。其编程方式有：
l 梯形图语言（继电器语言）
l 指令语句表 用助记符来表达PLC的功能
l 逻辑功能图 由功能符号组成的功能块来表达命令
l 顺序功能图（SFC）采用画工艺流程图的方法编程
l 高级语言

第四节 可编程控制器的工作原理
一、PLC控制系统的等效工作电路
其等效工作电路分为三部分，即输入部分、内部控制电路和输出部分。
如图2-4所示

图2-4 PLC等效工作电路
l 输入部分：由外部输入电路、PLC输入接线端子和输入继电器组成；采集输入信号的功能。
l 内部控制电路：由用户程序形成的用“软继电器”来代替用继电器的控制逻辑，对输入/输出信号的状态进行检测、判断、运算、和处理。
l 输出部分：由输出继电器的外部动合触点、输出接线端子和外部驱动电路组成，用来驱动外部负载。
二、可编程控制器的工作过程
小型PLC工作过程的两个显著特点：周期性扫描和集中批处理
l 周期性扫描是PLC特有的工作方式
l 小型PLC的工作流程下图所示

根据上图，可将PLC的周期性扫描过程分为四个扫描阶段：
l 公共处理扫描阶段
l 输入采样扫描阶段 第一个集中批处理过程
l 执行用户程序扫描阶段 第二个集中批处理过程
l 输出刷新扫描阶段 第三个集中批处理过程

三、PLC对输入/输出的处理规则
通过对PLC的用户程序执行的过程分析，可总结出PLC对输入/输出的处理规则，下图所示。

1. 输入映像寄存器中的数据，是在输入采样阶段扫描到的输入信号的状态，是集中写入的，在本扫描周期中，它不随外部输入信号的变化而变化。

2. 输出映像寄存器的状态是由用户程序中输出指令的执行结果来决定的。
3. 输出锁存器中的数据是在输出刷新阶段，从输出映像寄存器中集中写入的。
4. 输出端子的输出状态，是由输出锁存器中的数据确定的。
5. 执行用户程序时所需的输入、输出状态，是从输入映像寄存器和输出映像寄存器中读出的。

四、PLC的扫描周期及滞后响应
1. PLC扫描周期与PLC的时钟频率、用户程序的长短及系统配置有关。
2. 响应时间的快慢与以下因素有关：
l 输入滤波器的时间常数（输入延迟）
l 输出继电器的机械滞后（输出延时）
l PLC的循环扫描工作方式
l PLC对输入采样、输出刷新的集中批处理方式
l 用户程序中语句顺序安排不当

五、可编程控制器的内部器件
l 输入继电器：PLC的数据存储区中与外部输入端子有着明确对应关系的基本元件
l 输出继电器：PLC的数据存储区中与外部输出端子有着明确对应关系的基本元件
l 内部继电器：PLC内部的一种辅助继电器
l 特殊继电器：系统软件决定其功能和状态
l 定 时 器：完成定时操作
l 计 数 器：实现计数操作
l 数据寄存器：进行数据处理和数值运算

小结：本章节主要讲解可编程控制器的特点、硬件知识和工作原理。
可编程控制器是一种新型的工业控制专用计算机，其特点是利用计算机对工业设备直接进行电气控制。
可编程控制器利用软件进行控制，其工作过程可分为公共扫描、输入采样、程序执行、输出处理几个阶段，并采用扫描循环工作方式，这一点与传统继电器-接触器系统是完全不同的，也是其性能得到提高的基础之一。