PLC的发展史基本结构工作原理及机型选择方法

《PLC的发展史基本结构工作原理及机型选择方法》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PLC的发展史基本结构工作原理及机型选择方法（9页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、PLC的发展史、基本结构、工作原理及机型选择方法 简介 可编程控制器（简称 PLC：是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业 环境应用而设计的。 它采用一类可编程的存储器， 用于其内部存储程序， 执行逻 辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模 拟式输入 / 输出控制各种类型的机械或生产过程。 1.1 PLC 发展历史 20 世纪 60年代末期，美国汽车制造工业竞争激烈，为了适应生产工艺不断 更新的需要，在1968年美国通用汽车公司（GM首先公开招标，对控制系统提 出的具体要求基本为： a。 它的继电控制系统设计周期短，更改容易，接线简单 成本低。b。它能

2、把计算机的功能和继电器控制系统结合起来。但编程要比计算 机简单易学、操作方便。c。系统通用性强。1969年美国数字设备公司（DEC 根据上述要求，研制出世界上第一台 PLC并在GM公司汽车生产线上首次试用 成功，实现了生产的自动化。其后日本、德国等相继引入，可编程序控制器迅速 发展起来， 但是主要应用于顺序控制， 只能进行逻辑运算， 故称为可编程逻辑控 制器，简称PLC其定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为 在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序， 执行逻辑运算 , 顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数 字或模拟式输入 /输出控

3、制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关 外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体， 易于扩充其功能的原则设计。 1.2 基本结构 PLC 可编程序控制器实施控制， 其实质就是按一定算法进行输入输出变换， 并将 这个变换与以物理实现。输入输出变换、物理实现可以说是PLC实施控制的两个 基本点，同时物理实现也是PLC与普通微机相区别之处，其需要考虑实际控制的 需要，应能排除干扰信号适应于工业现场， 输出应放大到工业控制的水平， 能为 实际控制系统方便使用，所以PLC采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器 （CP）存储器（RAM/ROM输入输出接口（ I/O ）电路、通信接口及电

4、源组成。 PLC的基本结构如下图所示： 1.2.1 中央处理单元 （CPU） 中央处理单元（CPU）是PLC的控制核心。它按照PLC系统程序赋予的功能： a. 接收并存储从用户程序和数据； b. 检查电源、存储器、 I/O 以及警戒定时器 的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。 当PLC投入运行时，首先它以扫描的 方式采集现场各输入装置的状态和数据， 并分别存入 I/O 映象寄存区， 然后从用 户程序存储器中逐条读取用户程序， 经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算 数运算并将结果送入 I/O 映象寄存区或数据寄存器内。 等所有的用户程序执行完 毕之后，最后将 I/O 映象寄存区的各输

5、出状态或输出寄存器内的数据传送到相应 的输出装置，如此循环直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来 对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即 使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 1.2.2 存储器 可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。 存放系统 软件（包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及 其各种管理程序） 的存储器称为系统程序存储器； 存放用户程序 （用户程序存和 数据）的存储器称为用户程序存储器， 所以又分为用户存储器和数据存储器两部 分。 PLC常用的存储器类型： （1）

6、 RAM（RandomAssess Memory） 这是一种读 / 写存储器 （ 随机存储器 ） ， 其存取速度最快，由锂电池支持。 （2） EPRO（MErasable Programmable Read Only Memory ）这是一种可擦除 的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。 （ 在紫外线连续 照射下可擦除存储器内容 ） 。 （3） EEPROM（Electrical Erasable Programmable Read Only Memory） 这是 一种电可擦除的只读存储器。 使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修 改。 PLC存储空间的分配： 虽

7、然各种PLC的CPU勺最大寻址空间各不相同， 但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域： （1）系统程序存储区 （2）系统RAM存储区（包括I/O映象寄存区和系统软设备等）。 （ 3）用户程序存储区 系统程序存储区： 在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统 程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序 等。由制造厂商将其固化在 EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定 了该PLC的性能。 系统RAM存储区：系统RAM存储区包括I/O映象寄存区以及各类软元件，女口: 逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器

8、等存储器。 （1） I/O映象寄存区：由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次 读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外 设。因此，它需要一定数量的存储单元（RAM）以存放I/O的状态和数据，这些单 元称作 I/O 映象寄存区。 一个开关量 I/O 占用存储单元中的一个位， 一个模拟量 I/O 占用存储单元中的一个字。因此整个 I/O 映象寄存区可看作两个部分组成： 开关量 I/O 映象寄存区；模拟量 I/O 映象寄存区。 （2） 系统软元件存储区：除了 I/O映象寄存区区以外，系统RAM存储区还 包括PLC内部各类软元件（逻辑线圈、计时器、计数器、数据

9、寄存器和累加器等） 的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和失电不保持的存储区域， 前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会丢失；后者当 PLC断电时, 数据被清零。 （3）用户程序存储区：用户程序存储区存放用户编制的用户程序。不同 类型的PLC，其存储容量各不相同。 1.2.3输入接口电路 输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实习室涉及到的信号 当中，开关量最普遍，也是实验条件所限，在次我们主要介绍开关量接口电路。 可编程序控制器优点之一是抗干扰能力强。这也是其 I/O设计的优点之处, 经过了电气隔离后，信号才送入 CPU执行的，防止现场的强电干扰进入。

10、如下图 就是采用光电耦合器（一般采用反光二极管和光电三极管组成 ）的开关量输入接 口电路： ¥CC 用户电讒 光耦 K3 G 1.2.4输出接口电路 可编程序控制器的输出有：继电器输出（M）、晶体管输出（T）、 晶闸管输出（SSR）三种输出形式。 （1）输出接口电路的隔离方式 （2） 输出接口电路的主要技术参数 a. 响应时间 响应时间是指PLC从ONI犬态转变成OFFF犬态或从OFF犬态转 变成ON犬态所需要的时间。继电器输出型响应时间平均约为 10ms晶闸管输出 型响应时间为1ms以下；晶体管输出型在0.2ms以下为最快。 b. 输出电

11、流 继电器输出型具有较大的输出电流， AC250V以下的电路电 压可驱动纯电阻负载2A/1点、感性负载80VA以下（AC100V或 AC200V及灯负 载100W以下（AC100V或 200V）的负载；Y0、Y1以外每输出1点的输出电流是 0.5A，但是由于温度上升的原因，每输出 4合计为0.8A的电流，输出晶体管的 ON电压约为1.5V，因此驱动半导体元件时，请注意元件的输入电压特性。 Y0 Y1每输出1点的输出电流是0.3A，但是对丫0、丫1使用定位指令时需要高速响应， 因此使用10— 100mA的输出电流；晶闸管输出电流也比较小， FX1S无晶闸管输 出型。 c. 开路漏电流 开

12、路漏电流是指输出处于 OFF状态时，输出回路中的电流。 继电器输出型输出接点 OFF是无漏电流；晶体管输出型漏电流在0.1mA以下；晶 闸管较大漏电流，主要由内部 RC电路引起，需在设计系统时注意。 输出公共端（COM公共端与输出各组之间形成回路，从而驱动负载。FX1S 有 1 点或 4 点一个公共端输出型， 因此各公共端单元可以驱动不同电源电压系统 的负载。 1.2.5 电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠 得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重 视。一般交流电压波动在+10%（+15%范围内，可以不采取其它措施而

13、将 PLC直接 连接到交流电网上去。如FX1S额定电压AC100V-240V,而电压允许范围在 AC85V —264V之间。允许瞬时停电在10ms以下，能继续工作。 一般小型PLC的电源输出分为两部分：一部分供PLC内部电路工作；一部分 向外提供给现场传感器等的工作电源。因此 PLC对电源的基本要求： ① 能有效地控制、消除电网电源带来的各种干扰; ② 电源发生故障不会导致其它部分产生故障； ③ 允许较宽的电压范围； ④ 电源本身的功耗低，发热量小； ⑤ 内部电源与外部电源完全隔离； ⑥ 有较强的自保护功能。 1.3 PLC 的工作原理 由于PLC以微处理器为核心，故具有微机

14、的许多特点，但它的工作方式却与 微机有很大不同。 微机一般采用等待命令的工作方式， 如常见的键盘扫描方式或 I/O 扫描方，若有键按下或有 I/O 变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描 等待。 PLC则是采用循环扫描的工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执 行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描， 如果无跳转指令， 则从第一条指令 开始逐条执行用户程序， 直至遇到结束符后又返回第一条指令， 如此周而复始不 断循环，每一个循环称为一个扫描周期。 扫描周期的长短主要取决于以下几个因 素：一是CPU执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令 条数的多少。一个扫描周期主要

15、可分为 3 个阶段。 1.3.1 输入刷新阶段 在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存 器。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序执行 期间即使输入端状态发生变化， 输入状态寄存器的内容也不会改变， 而这些变化 必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。 1.3.2 程序执行阶段 在程序执行阶段， 根据用户输入的控制程序， 从第一条开始逐步执行， 并将 相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。 当最后一条 控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。 1.3.3 输出刷新阶段 当所有指令执行完毕后， 将输出状

16、态寄存器中的内容， 依次送到输出锁存电 路（输出映像寄存器） ，并通过一定输出方式输出， 驱动外部相应执行元件工作， 这才形成PLC的实际输出。 由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成 PLC—个工作周期, 由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。由于输入刷新阶段是紧接输出刷新 阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I/O刷新阶段。实际上，除了执 行程序和I/O刷新外，PLC还要进行各种错误检测（自诊断功能）并与编程工具 通讯，这些操作统称为“监视服务”，一般在程序执行之后进行。综上述， PLC 的扫描工作过程如图1 — 4所示 愛入轄子 程序执行 INfhIRft

17、s存畧 II出誌子 显然扫描周期的长短主要取决于程序的长短。 扫描周期越长，响应速度越慢。 由于每个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出 状态寄存器更新一次，所以系统存在输入输出滞后现象，这在一定程度上降低了 系统的响应速度。但是由于其对I/O的变化每个周期只输出刷新一次，并且只对 有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造 成影响，还会提高抗干扰能力。这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行， PLC在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉 冲、短时间的，误动作将大大减小。但是在快

18、速响应系统中就会造成响应滞后现 象，这个一般PLC都会采取高速模块。 总之，PLC采用扫描的工作方式，是区别于其他设备的最大特点之一，我们 在学习和使用PLC当中都应加强注意。 1.4 PLC机型的选择方法 1. PLC的类型 PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两 类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出 发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。 整体型PLC的I/O点数固定，因此 用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡， 因此用户可较合理地选择和配置控制系统的 I/O 点数，功

19、能扩展方便灵活， 一般 用于大中型控制系统。 2．输入输出模块的选择 输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。 例如对输入模块， 应考虑信 号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应 考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、 寿命短、 响应时间较长等特点； 可控硅输出模块适用于开关频繁， 电感性低功率 因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出 和模拟量输出等， 与应用要求应一致。 可根据应用要求， 合理选用智能型输入输 出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程 I/O 机架等

20、。 3. 电源的选择 PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计 和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。 重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。 如果PLC本身带有可使用 电源时， 应核对提供的电流是否满足应用要求， 否则应设计外接供电电源。 为防 止外部高压电源因误操作而引入 PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时 也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。 4. 存储器的选择 由于计算机集成芯片技术的发展， 存储器的价格已下降， 因此， 为保证应用项目 的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/

21、O点至少选8K存储器选 择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。 5. 冗余功能的选择 a.控制单元的冗余 (1) 重要的过程单元：CPU(包括存储器)及电源均应1B1冗余。 (2) 在需要时也可选用 PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2重化或3 重化冗余容错系统等。 b． I/O 接口单元的冗余 （ 1）控制回路的多点 I/O 卡应冗余配置。 （ 2）重要检测点的多点 I/O 卡可冗余配置。 3）根据需要对重要的 I/O 信号，可 选用 2 重化或 3 重化的 I/O 接口单元。 6. 经济性的考虑 选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、 可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。 输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费 用。当点数增加到某一数值后， 相应的存储器容量、 机架、母板等也要相应增加， 估因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响， 在算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。