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    PLC的基本结构和工作原理
    发布者: 发布时间:2013-11-25 17:25:41 点击次数:127

     

    一、  可编程序控制器的基本结构

     
    PLC是微处理器为核心的工业专用计算机系统,其组成框图如图所示。
     

     
     
    PLC是由中央处理器、存储器、输入/输出接口、电源及外接编程器组成。在目前较流行的??槭浇峁怪?,常在母板上按系统要求配置CPU单元(包括电源)、存储单元、I/O单元等。
     
    1、中央处理器(CPU)
    CPU是整个PLC的核心部件,控制着所有部件的操作。它通过地址总线、数据总线、控制总线与储存单元、I/O单元连接,主要任务是:
    1)诊断PLC电源和内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误意甲联赛下注。用扫描方式采集由现场输入装置送来的状态或数据,并存入输入映象寄存器或数据寄存器中。
    2)在运行状态时,按用户程序寄存器中存放的先后顺序逐条读取指令意甲联赛下注,经编译解释后,按指令规定的任务完成各种运算和操作意甲联赛下注,根据运算结果存储相应数据,并更新有关标志的状态和输出映象寄存器的内容意甲联赛下注。
    3)将存于数据寄存器中的数据处理结果和输出映象寄存器的内容送至输出电路。
    4)按照PLC中系统程序所赋予的功能接收并存储从编程器输入的用户程序和数据意甲联赛下注,响应各种外部设备(如编程器、打印机、上位计算机、图形监控系统、条码判读器等)的工作请求意甲联赛下注。
     
    2、存储器
    存储器用来存放系统程序意甲联赛下注、用户程序、逻辑变量和一些其它信息等意甲联赛下注。
    PLC内部的存储器有两类:
    一类是系统程序存储器意甲联赛下注,用以存放系统程序(包括系统管理程序、监控程序、??榛τ霉δ茏映绦蛞约岸杂没С绦蜃霰嘁氪淼谋嘁虢馐统绦虻龋?。系统程序根据PLC功能的不同而不同,生产厂家在PLC出厂前已将其固化在只读存储器ROM或PROM中意甲联赛下注,用户不能更改。
    另一类是用户存储器,主要用于存储用户程序及工作数据等意甲联赛下注。用户程序指使用者根据工程现场的生产过程及工艺要求编写的程序。用户程序由使用者输入到PLC的RAM中,允许修改。
     
    3、输入/输出接口
    输入/输出(I/O)接口是将PLC与现场各种输入、输出设备连接起来的部件(有时也被称为I/O单元或I/O?意甲联赛下注?椋?。
    输入接口通过PLC的输入端子接受现场输入设备(如限位开关、操作按钮、光电开关、温度开关等)的控制信号意甲联赛下注,并将这些信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号输入主机。输入接口一般由光电耦合电路和微电脑输入接口电路组成。
    2) 输出接口用于把用户程序的逻辑运算结果输出到PLC外部,具有隔离PLC内部电路与外部执行元件的作用,同时兼有功率放大作用意甲联赛下注。
     PLC输出一般有三种:继电器输出型、晶体管输出型、晶闸管输出型意甲联赛下注意甲联赛下注。其中继电器输出
     
    型为有触点输出方式,可用于接通或断开开关频率较低的直流负载或交流负载回路意甲联赛下注,这种方式有继电器触点的电气寿命和机械寿命问题;晶闸管输出型则用于带直流电源负载,高速大功率负载意甲联赛下注;晶体管输出型用于高速小功率负载??梢钥闯鲆饧琢伦?,继电器、晶闸管和晶体管作为输出端的开关元件受PLC的输出指令控制,完成接通或断开与相应输出端相连的负载回路的任务,它们并不向负载提供工作电源意甲联赛下注。负载工作电源的类型意甲联赛下注、电压等级和极性应该根据负载要求以及PLC输出接口电路的技术性能指标确定。
    由于输入/输出接口电路采用了光电耦合或继电器隔离电路,使现场的输入、输出设备与PLC之间没有电的联系,从而大大减少了电磁干扰,这是提高PLC可靠性的关键措施之一。
    4、电源
    PLC的CPU意甲联赛下注、存储器、输入/输出接口等内部电子电路工作需要的直流电源电路或电源?意甲联赛下注?橐饧琢伦?。输入、输出接口电路的电源彼此相互独立,以避免或减少电源间干扰。
    现在许多PLC的直流电源采用直流开关稳压电源意甲联赛下注,这种电源稳压性能好意甲联赛下注、抗干扰能力强,不仅可提供多路独立的电压供内部电路使用,而且还可为输入设备或输入端的传感器提供标准电源。
    5、其他接口和外设
    编程器是人与PLC联系和对话的工具,是PLC最重要的外围设备。用户可以利用编程器来输入、读出、检查、修改和调试用户程序,也可用它监视PLC的工作状态、显示错误代码或修改系统接触器的设置参数等。除采用手持编程器和监控外意甲联赛下注,还可通过PLC的RS232C外设通信口(或RS422口配以适配器)与计算机联机,并利用PLC生产厂家提供的专用工具软件来对PLC进行编程和监控。相比起来,利用计算机进行编程和监控比手持编程工具更加直观和方便,但一台手持编程器可以用于同系列的其他PLC,做到一机多用。
     
    二、PLC的基本工作原理
     
    1、循环扫描
    PLC采用循环扫描工作方式,这个工作过程一般包括五个阶段:内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描意甲联赛下注、用户程序执行、输出处理,其工作过程如图所示。
     

     


     

    PLC方式开关置于RUN(运行)时,执行所有阶段;当方式开关置于STOP(停止)时,不执行后3个阶段,此时可进行通信处理,如对PLC联机或离线编程。

    对于不同型号的PLC,图中的扫描过程中各步的顺序可能不同,这是由PLC内部系统程序决定的。
    1)内部处理
    在这一阶段,CPU检测主机硬件,同时也检查所有的I/O?意甲联赛下注?榈淖刺?。在RUN模式下,还检测用户程序存储器。如果发现异常意甲联赛下注,则?;⑾允境龃?。若自诊断正常继续向下扫描。
    2)处理通信请求
    CPU扫描周期的信息处理阶段,CPU自动检测并处理各通信端口接收到的任何信息意甲联赛下注。即检查是否有编程器、计算机等的通信请求意甲联赛下注,若有则进行相应处理,在这一阶段完成数据通信任务。
    3)输入处理
    在这一阶段意甲联赛下注,对各数字量输入点的当前状态进行输入扫描,并将各扫描结果分别写入对应的映像寄存器中。
    4)执行用户程序
    PLC中,用户程序按先后顺序存放。在这一阶段,CPU从第一条指令开始顺序取指令并执行意甲联赛下注,直到最后一条指令结束。执行指令时从映像寄存器中读取各输入点的状态,每条指令的执行是对各数据进行自述或逻辑运算意甲联赛下注,然后将运算结果送到输出映像寄存器中。执行用户程序的过程与计算机基本相同。
    5)输出处理
    在这一阶段,CPU用输出映像寄存器中的数据几乎同时集中对输出点进行刷新,通过输出部件转换成被控设备的所能接受的电压或电流信号意甲联赛下注,以驱动被控设备。
    可编程序控制器的输入处理、执行用户程序和输出处理过程的原理如图所示。
     
     
     
     

     
    PLC执行的五个阶段,称为一个扫描周期,PLC完成一个周期后,又重新执行上述过程,扫描周而复始地进行。
    扫描周期长短主要取决于程序的长短,它对于一般工业设备通常没有什么影响,但对控制时间要求较严格,响应速度要求快的系统意甲联赛下注,为减少扫描周期造成的响应延时等不良影响,一般在编程时应对扫描周期精确计算意甲联赛下注,并尽量缩短和优化程序代码。
     
    2意甲联赛下注、与计算机的异同
    相同点:
    1)基本结构相同
    PLC和计算机都主要由CPU、存储器、输入和输出部分组成。有的部件(如存储器)在两者中通用意甲联赛下注。
    2)程序执行原理相同
    PLC和计算机都采用存储程序,按地址访问和顺序执行意甲联赛下注。
    PLC程序执行阶段,与计算机基本相同,都是指令在内存中顺序存放意甲联赛下注,CPU从内存中顺序取指令并执行,直到最后一条指令。
    不同点:
    主要体现在工作方式上。计算机工作时是循环地取指令和执行指令。在执行指令时,每执行完成一条指令,立即产生结果意甲联赛下注,这一结果立即影响到所涉及的部件。这样不断地取指令并执行,直到最后一条指令结束。
    PLC是以循环扫描的方式工作,执行用户程序只是其中的一步意甲联赛下注,而且指令的执行结果并不立即传送到输出点,只是用它改变内部的映像寄存器状态,当所有指令执行完成后,同时对各输出点刷新。
    另外意甲联赛下注,PLC专门为工业应用而设计意甲联赛下注,输入/输出部件采用电气隔离技术,其元件经过精挑细选,从而更好地保证了PLC设备工作的可靠性。
    总之意甲联赛下注,采用循环扫描的工作方式是PLC区别于计算机的最大特点。
     
    3意甲联赛下注、与继电接触器的异同
    相同点:
    图形结构和逻辑关系相同意甲联赛下注。继电接触器线圈与所连触点的逻辑对应关系,与PLC的梯形图中内部线圈与内部触点的逻辑对应关系相同。
    不同点:
    1)实现原理不同
    继电接触器用实际电磁线圈通电吸合意甲联赛下注,使触点发生动作,用以完成控制任务,这个机械动作有一个延时过程意甲联赛下注,设计和分析控制电路时必须考虑到这一点。PLC内部继电器有时也称作软继电器,它并不是真正的电磁线圈,而是电子元件(如触发器),动作时间极短意甲联赛下注意甲联赛下注,使用时认为是瞬时动作。
    2)工作方式不同
    继电接触器控制系统用实际电路实现意甲联赛下注,按同时执行的方式工作,只要形成电流通路意甲联赛下注,就可能有几个电器同时动作。
    PLC是用程序实现内部线圈和触点的逻辑关系,并通过循环扫描的方式工作意甲联赛下注。在执行用户程序阶段,通过CPU顺序执行程序来实现元件的逻辑关系。在任一时刻它只能执行一条指令,梯形图中所用的触点实际起的作用是对元件的状态进行判断,并不是真正的触点,这使得用PLC设计程序时触点的使用非常灵活意甲联赛下注。而且PLC是周期性间断性对输出点进行刷新,另外,由于PLC用程序实现控制任务,所以系统的修改简单易行。

     

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