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PLC 是一种通用的工业控制计算机，它的硬件组成与普通微型计算机基本相同。图 1 －1 为PLC 的基本结构示意图。它主要由中央处理单元 （CPU）、存储器、输入接口及 模块、输出接口及模块、通信接口及模块、编程器和电源等器件组成。它的软件包括系统程序和用户程序。 一、PLC 的硬件组成及其功能（一）CPU PLC 的核心部件。主要用于：接收并存储从编程器输入的用户程序，检查编程过程 是否出错；进行系统诊断；解释并执行用户程序；完成通信及外设的某些功能。 （二） 系统程序存储器 存放PLC 的梯形图和指令语句的编译解释程序、自诊断程序、数据区管理程序、 编程器管理通信程序、输入扫描程序和输出驱动程序等系统程序。这些程序在PLC 出 厂前已固化到只读存储器RO M 中。 （三） 用户程序存储器 存放PLC 用户的应用程序。在调试阶段，这种程序存放在读写存储器 RA M 中，停 电后由后备电池 （一般用锂电池） 保存，电池可用23 年。如果调试好的程序不再改动， 则可固化到可用紫外线擦除的光擦只读存储器EPRO M 或电擦只读存储器EEPRO M 中。 （四） 数据存储器 由系统程序将其划分为：存放输入／输出状态值的输入／输出映像存储区、定时／计 数器的设定值存储区、辅助继电器状态值存储区和其他特殊继电器状态值存储区。 （五） 输入接口及模块 将外部输入的开关信号与PLC 的内部信号进行光电隔离，以防干扰信号入侵；并 将DC24V 的外部输入信号变换成DC5V 的内部电平信号。 （六） 输出接口及模块 将输出信号变换成能驱动外负载的电压信号；并将PLC 内的弱电输出信号与驱动 外负载的电气元件 （晶体管或双向晶闸管或小型继电器） 的电源进行隔离，以防输出电 源线路夹带的干扰信号入侵。 （七） 通信接口及模块 PLC 的通信接口有：与上位计算机或其他PLC 通信的接口及与编程器通信的接口两 种。前者一般用RS232C 或RS485 等标准串行接口；后者的种类很多，不同的机型有不 同的编程器接口。PLC 的通信模块类型目前尚无统一的标准，而是随机型而异。 （八） 编程器 用于用户程序的输入、编辑、调试和监视，还可以通过其调用和显示PLC 的某些 内部状态和系统参数。 二、PLC 的扫描工作方式PLC 以顺序扫描工作方式为基本工作方式。有的PLC 虽然也有中断工作方式，但仍 以顺序扫描工作方式为基础。所谓顺序扫描，就是PLC 运行时，对系统程序和用户程 序从步序0 起的第一条指令到程序结束指令END 按顺序进行访问和执行，并周而复始 地进行下去，直至执行到停止运行指令或停电或出现故障为止。在扫描过程中，前面扫 描过的中间运算结果立即可以被后面将扫描到的指令所利用。充分了解PLC 的这一工 作方式对正确设计PLC 的应用程序很有帮助。 PLC 的扫描工作过程分为以下5 个阶段：自诊断、与外设通信、扫描输入状态、解 算用户逻辑、输出结果。 （一） 自诊断 PLC 在运行状态下，每次扫描用户程序前，首先对 CPU 、存储器、输入／输出模块 等进行故障诊断，如果正常便继续进行扫描，一旦发现故障则转入处理程序，并保留当 前工作状态和切断全部输出，接着停机及显示出错信息。 （二） 与外设通信 自诊断结果正常后，PLC 便扫描上位计算机 （以下简称上位机） 或编程器通信接 口，若有通信请求便响应处理。在与上位机通信过程中，PLC 将上位机发来的指令进行 相应的操作，并把自身的工作状态数据回传给上位机。而编程器则把输入指令和修改参 数传送给主控单元，由主控单元把要显示的状态、数据、错误等信息返传给编程器予以 显示。编程器还可向主控单元发送运行、停止、清除内存、监控等指令。 三） 扫描输入状态 完成前两个阶段的扫描后，PLC 便扫描输入模块的各个输入点，读入各点的状态值 和数据，如开关状态值1 或0 、A／D 转换值、BCD 码数据等，并把这些状态值和数据写 入数据存储器中。其中，输入点的状态值写入输入映像寄存区。在一个扫描周期内，不 管外部输入信号是否变化，已存入输入映像寄存区中的状态值和数据均不变。只有到下 一个扫描周期，才能根据外部输入信号的变化刷新输入映像寄存区中的状态值和数据。 （四） 解算用户逻辑 即执行用户程序。通常是从用户程序存储器的最低位地址存放的第一条指令开始， 在无跳转的情况下，按地址递增的方向顺序扫描用户程序，并按用户程序进行逻辑运算 或算术运算。运算过程所用到的内部继电器、特殊功能继电器的状态值和定时器、计数 器的运行数据，均从数据存储器中的相应存储单元读取，而输入继电器和输出继电器的 状态则从输入和输出映像寄存区读取。解算用户逻辑的结果有内部继电器、特殊功能继 电器、定时器、计数器的内部输出状态值和输出继电器的向外输出状态值。这些状态值 也是暂存到数据存储器的相应存储单元。其中，向外输出状态值则暂存到数据存储器的 输出映像寄存区。 （五） 输出结果 在一个扫描周期中，全部解算完用户逻辑后，将运算结果中的所有向外输出信号， 从输出映像寄存区经输出锁存器传送到输出模块的相应输出元器件。此时才能实现对外 输出驱动负载。 PLC 完成上述5 个扫描步骤所需的时间称为一个扫描周期。在PLC 产品技术性能参 数中所列的扫描周期，一般是指按上述5 个步骤扫描1000 条指令所需的时间。而实际 的扫描周期则由用户程序的大小而定，程序指令越少，扫描周期越短，否则反之。 三、PLC 的编程元件（一）PLC 编程元件的物理含义 PLC 的编程一般是以梯形图作为依据，而PLC 的梯形图程序最初来源于继电器逻辑 电路图。由于继电器逻辑电路图中用到各种各样的继电器，因而在 PLC 的编程中引入 了继电器的概念，以便定义梯形图中各种编程元件。但是PLC 中的继电器与低压电器 中的继电器有着本质的区别。PLC 中的输入继电器、输出继电器、内部继电器、特殊功 能继电器等，指的是PLC 数据存储器中相应存储单元的位触发器。当位触发器的状态 值为 “1” 时，相当于继电器的线圈得电，常开触头闭合和常闭触头断开，为 “0” 时， 相当于继电器的线圈失电，常开触头断开和常闭触头闭合。为便于阐述PLC 的编程和 对梯形图进行分析，以后将经常采用线圈和线圈得失电、触头和触头闭合、断开等继电 器逻辑控制术语。 在PLC 执行用户程序过程中，从定义为某种继电器的位触发器中每读取一次状态 值，便在梯形图上对应着该继电器的一对触头。由于在一个扫描周期内可以反复读取某 个位触发器的状态值，因此，在PLC 的梯形图中，同一个继电器的触头可以无限制地 重复使用。 （二） 常用编程元件 1） 输入继电器 输入映像寄存区的位触发器。其功能是接收和暂存现场输入开关 的状态值。它有常开和常闭触头，但无线圈。输入继电器由外部输入开关驱动。 2） 输出继电器 输出映像寄存区的位触发器。其功能是暂存向外输出的逻辑运算 结果。它有常开和常闭触头以及线圈，由指令驱动。它的向外输出信号要借助对应输出 模块中的物理继电器或大功率晶体管或双向晶闸管才能驱动负载。 3） 内部继电器 （亦称辅助继电器） 数据存储器中定义为内部继电器的位触发器。 如果内部继电器用于数据传送或处理，则以字或字节为一个单元。它有常开和常闭触头 以及线圈，由指令驱动。内部继电器不能对外输出，它的输出信号 （线圈得电后的触头 开关状态） 只能作为内部输入信号，在程序中供逻辑控制使用。内部继电器有以下两种 类型： a．普通型：停电后再恢复供电时，不能保持停电前的得电状态。 b．记忆型：停电后再恢复供电时，能保持停电前的得电状态。 4） 特殊功能内部继电器 不同型号的PLC ，其特殊功能内部继电器的类型不完全 相同。但以下几种常用的特殊功能内部继电器是各种PLC 机型均具有的。 a．初始化脉冲继电器 在程序运行开始产生一个脉冲宽度为一个扫描周期的方波。 它可作为初始化信号，使应用程序复位到初始状态。该继电器只有常开触头，无线圈。 b．100ms 时钟信号发生器 可产生脉冲周期为l00ms ，脉冲间隔和脉冲宽度均为 50ms 的时钟信号。该继电器只有常开触头，无线圈。 c．禁止PLC 全部输出的继电器 当该继电器线圈得电时，使所有输出继电器线圈 失电，而内部继电器、定时器和计数器仍保持当前状态。这种继电器用于条件控制紧急 停机。可在梯形图上设定一些紧急停机的开关信号，作为驱动该继电器的条件。 5） 定时器 数据存储器中定义为定时器的存储单元，大多数为16 位，有的为8 位。其最高位作为输出常开触头和常闭触头。其余各位为数据位，用于存放定时设定 值，该值的最大范围为132767 （16 位定时器） 和1127 （8 位定时器）。定时器的时基 （定时单位） 有0．001s 、0．01s 、0．1s 、1s ，有的还有l0s 。定时时间＝设定值×时基。定 时器的工作过程为：当输入端的触头闭合时，从设定值开始递减计时，一直减到0 时便 立即输出，其常开触头闭合，常闭触头断开。输出后，若其输入信号仍存在，则其输出 状态一直保持不变。当其输入信号撤消时，便立即复位回到设定值，它的常开触头断 开，常闭触头闭合。 6） 计数器 数据存储器中定义为计数器的存储单元，大多数为16 位，有的为8 位。其最高位作为输出常开触头和常闭触头。其余各位为数据位，用于存放计数设定 值，该值的最大范围为132767 （16 位计数器） 和1127 （8 位计数器）。计数器有计数脉 冲输入端和复位端。当复位端的触头断开 （个别机型为闭合） 时，计数脉冲输入端每输 入一个脉冲，设定值减1 （或加1），直至设定值减到0 （或加到设定值） 时，其输出的 常开触头闭合，常闭触头断开。如果继续输入计数脉冲，不再计数，输出状态也不变。 只有复位端的触头闭合 （个别机型为断开），才复位回到设定值，此时其常开触头断开， 常闭触头闭合。 7） 移位寄存器 8 位或16 位内部继电器作为移位指令的操作数时，称其为移位寄 存器。它有移位数据输入端、移位脉冲输入端和复位端。工作时，复位端的触头断开， 每当输入一个移位脉冲，内部的各位数据由低位向高位移动一位；移位数据输入端的数 据随之按串行输入方式输入最低位，而最高位的数据则溢出。移位寄存器的各位都有一 对常开触头和一对常闭触头，用于并行输出。位数据为 “1” 时，该位的常开触头闭合， 常闭触头断开。为 “0” 时，触头开关状态相反。当复位端的触头闭合时，移位寄存器 的各位复位为 “0”。 8） 步进控制器 8 位或16 位内部继电器作为步进控制指令的操作数时，称其为步 进控制器。每一位步进控制器都有单独的线圈，各位线圈均有各自的输入信号控制其得 电。它还有常开触头和常闭触头。工作时，某一位的输入触头闭合，该位的线圈便得电 并内部自锁，即使输入开关触头断开，线圈仍保持得电。只有高一位的线圈得电时才令 低一位线圈失电。也就是说，步进控制器的各位线圈是从低位到高位逐步得电并同时逐 步失电的，任何时候只有一位线圈得电。但是，最高位线圈得电后不能用其输入端的开 关信号控制其失电，必须采用步进控制复位指令使其失电。如果控制电路的步数少于步 进控制器的位数，当电路完成最后一步时，亦可使用下一步的输出信号控制复位清零。 9） 锁存继电器 内部继电器或输出继电器作为置位／复位指令的操作数时，称其为 锁存继电器。它有一个置位线圈和一个复位线圈，分别由不同的开关信号控制。当置位 线圈的控制开关元件触头闭合时，该线圈得电并内部自锁，其常开触头闭合，常闭触头 断开。即使其控制信号撤消后仍保持得电状态。当复位控制开关元件触头闭合时，置位 线圈失电。若置位线圈和复位线圈同时接到控制信号，则复位优先。 |
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