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  • PLC基础知识及基本工作原理,你都知道吗?!

    PLC可编程逻辑控制器是一种可编程存储器,它使用一种可编程存储器在其内部存储程序,以执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等面向用户的指令,并使用数字或模拟输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。在水务领域,恒压供水系统采用PLC,不仅简化了系统的硬件,减少了系统硬件故障的次数,提高了硬件系统的抗干扰能力。通信技术的飞速发展为实现系统的远程控制奠定了基础,同时可编程序逻辑控制器

    今天整理了PLC的基本知识和基本工作原理,供大家学习和分享!

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    PLC系统的基础知识

    可编程逻辑控制器(PLC)的定义

    国际电工委员会(IEC)于 1987 年颁布了可编程控制器标准的第三稿,该草案中对可编程控制器的定义如下:

    “可编程控制器是一种数字运算的电子系统,专为工业环境应用而设计。它采用可编程存储器进行内部存储,进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并控制各种类型通过数字和模拟输入和输出来控制机械或生产过程。可编程控制器及其相关外围设备应易于与工业系统集成 – 一种易于扩展其功能的总体、原则性设计”。

    PLC的特点

    用途广泛且易于使用

    功能强大,适应性广

    可靠性高,抗干扰能力强

    控制程序可变,灵活性好

    编程方法简单易掌握

    PLC控制系统的设计、安装、调试、维护工作量少,极其方便

    控制程序易于更改,具有良好的灵活性

    体积小、重量轻、功耗低

    PLC的基本功能

    1.逻辑控制函数

    逻辑控制功能是PLC最基本的功能之一,也是PLC最基本的应用领域。可替代传统的继电器控制系统,实现逻辑控制和顺序控制。在单机控制、多机群控、自动化生产线控制等方面有很多成功的应用实例。

    例如:机床电气控制、起重机、皮带输送机及包装机械控制、注塑机控制、电梯控制、饮料灌装生产线、家用电器(电视机、冰箱、洗衣机等)的自动化流水线控制、汽车、化工、造纸、轧钢自动生产线控制等。

    2.定时控制功能

    定时控制功能是PLC最基本的功能之一。PLC中有许多定时器可供用户使用,它们的功能类似于继电器电路中的时间继电器。

    定时器的设定值(定时时间)可在编程时设置,也可在锻炼过程中根据需要进行修改,使用方便灵活。同时,PLC还提供高精度的时钟脉冲,用于精确的实时控制。

    3.计数控制功能

    计数控制功能是PLC最基本的功能之一。PLC为用户提供了许多计数器。当计数器计数到某个值时,会产生一个状态信号(count value to),并利用这个状态信号来实现对某个操作的计数控制。

    计数器的设定值可以在编程时设置,也可以在运行时根据需要进行修改。

    4.数据处理函数

    大多数PLC都具有数据处理功能,可以实现算术运算、数据比较、数据传输、数据移位、数字转换、解码和编码等操作。大中型PLC数据处理功能较为齐全,可完成平方根、PID运算、浮点运算等运算,还可与CRT、打印机连接,实现程序和数据的显示和打印。

    5.监控功能

    PLC设置了强大的监控功能。使用编程器或监视器,操作者可以监控PLC相关部分的运行状态。

    使用编程器可以调整定时器和计数器的设定值和当前值,并可根据需要改变PLC内部逻辑信号的状态和数据区的数据内容,提供了极大的方便用于调整和维护。

    6.断电记忆功能

    PLC内部部分存储器使用的RAM,设置有断电保持装置(后备电池等),以保证这部分存储器中的信息在断电后能够长期保存。

    使用一些记忆命令,可以记忆工作状态,使PLC断电后数据内容保持不变。PLC电源恢复后,可在原来工作的基础上继续工作。

    7.故障诊断功能

    PLC可以对系统组成、某些硬件状态、指令的合法性等进行自诊断,发现异常情况,发出报警并显示错误类型,严重错误自动暂停运行。

    PLC的故障自诊断功能大大提高了PLC控制系统的安全性和可维护性。

    PLC与其他工控系统的比较

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    PLC系统的基本原理

    2.1 PLC内部硬件框图及各部分功能

    2.1.1 PLC的组成

    PLC由四部分组成:中央处理器(CPU板)、输入输出(I/0)部分和电源部分。

    PLC的基本组成与一般微机系统相似:是以微处理器为核心进行控制的专用计算机。

    PLC的基本组成包括硬件和软件。

    PLC硬件:中央处理器(CPU)、内存、输入接口、输出接口、通讯接口、电源等。

    PLC软件:系统程序和用户程序

    PLC的硬件结构

    2.1.2 PLC内部主要部件功能

    1.CPU在PLC中的作用及分类

    CPU的作用:根据系统程序赋予的功能,指挥PLC有序地工作。

    可以概括为以下五个方面:

    (1)接收和存储来自编程器或其他外设的用户程序或数据输入

    (2)诊断电源、PLC内部电路故障、编程语法错误等。

    (3)接收并存储从输入单元(接口)获取的现场输入状态或数据

    (4)一一读取并执行内存中的用户程序,并将运算结果存入内存

    (5)根据运算结果更新相关标志位和输出内容,通过输出接口实现控制、制表打印或数据通讯等功能

    2.系统程序内存

    3.输入/输出接口(I/0模块)

    4.PLC编程器及功能

    编程器的功能:编辑、调试、输入用户程序,还可以在线监控PLC内部状态和参数,与PLC进行人机对话。是PLC开发、应用和维护不可缺少的设备。

    5. PLC 中的电源和功能

    6.其他功能模块功能模块

    模拟量输入模块(即A/D模块)模拟→数字

    模拟输出模块(即D/A模块)数字→模拟

    动态输入/输出模块自带动态扫描功能

    温度传感器模块温度→模拟→数字

    高速计数模块的高频脉冲信号

    PID模块

    远程 I/O 模块 扩展 I/O 点距离

    通讯模块与其他PLC、微机、互联网通讯

    2.1.3 PLC软件系统

    1.系统程序

    系统程序完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用、管理、逻辑运算、通讯及各种参数设置等功能。

    系统程序由 PLC 制造商编写,在 PLC 使用过程中不会发生变化。它与PLC的硬件组成有关,也与PLC的性能有关。

    系统程序由厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中,用户无法访问和修改。

    2.用户程序

    用户程序是用户根据生产过程和控制对象的控制要求编写的应用程序。由PLC控制对象的要求决定。

    为了方便读取、查看和修改,用户程序一般存储在CMOS静态RAM中,并使用锂电池作为后备电源,以保证断电时信息不会丢失。

    为防止对RAM中的程序产生干扰,当用户程序运行正常且不需要更改时,可以固化在EPROM中。

    现在有很多PLC直接使用EPROM作为用户存储器。

    3.编程语言

    随着PLC系统结构的不断发展,PLC的编程语言也越来越丰富,功能也在不断完善。

    程序的表达方式基本上有四种:梯形图、指令表、逻辑功能图和高级语言。梯形图是目前应用最广泛的编程方法。除了梯形图语言,为了满足各种控制要求,顺序控制的步进编程语言、过程控制的流程图语言,以及与计算机兼容的高级语言(BASIC、C语言等)都有出现了。多种编程语言的共存、互补和发展是PLC进步的趋势。

    (1)梯形编程语言

    梯形图编程语言是一种图形语言,类似于继电器控制电路图的编程语言。它面向控制过程,直观易懂,是PLC编程语言中使用最广泛的语言。

    两种梯形图继电器符号图比较

    ①术语解释——软继电器

    PC的继电器不是物理电器。它是 PC 内部的一个寄存器位。因为它与物理继电器有类似的功能,所以常被称为“软继电器”。

    PLC 的每个继电器对应一个内部寄存器位。当该位为“1”状态时,相当于继电器导通;当处于“0”状态时,相当于关闭了继电器。

    ②两种控件的梯形图对比

    ③ 两种控制中继电器的区别

    (2)语句列表编程语言

    使用助记符来表示指令的功能

    指令语句是PLC用户程序的基本要素

    多条指令语句组合构成语句列表程序

    (3)顺序功能图

    顺序功能图常用于编制顺序控制程序,包括步骤、动作和转换三个要素。时序功能图法可以将一个复杂的控制过程分解成一些小的工作状态。依次对这些小状态的功能进行处理,然后将这些小状态按照一定的控制要求顺序连接起来,形成一个组合的整体控制程序。

    (4)功能框图

    功能框图是一种类似于数字逻辑电路的编程语言。它使用与门和或门等块来表示逻辑运算关系。方块左边是逻辑运算的输入变量,右边是输出变量,输入端,输出端的小圆点代表“NOT”运算,信号从左向右流动。

    2.2 可编程控制器工作过程特点及主要性能指标

    2.2.1 循环扫描工作

    PLC在运行时,需要进行很多操作,PLC的CPU不可能同时进行多个操作,每个时刻只能进行一个操作。

    解决方法:采用分时运行的原则

    扫描工作方式:由于CPU的运算处理速度非常快,从宏观上看,PLC外部出现的结果似乎是同时完成的。这种分时运行方式称为扫描工作方式。

    PLC采用“顺序扫描,连续循环”的工作方式。这个过程可以分为三个阶段:输入采样、程序执行和输出刷新。整个进程扫描并执行一次所需的时间称为扫描周期。

    PLC的工作过程分为五个阶段:自诊断、与编程器或计算机通信、输入采样、程序执行和输出刷新。

    2.2.2 PLC扫描工作各环节的功能

    1.各个环节的作用

    ① PLC上电后,首先检查硬件是否正常。

    如果正常,进行下一步;如不正常,报警处理。

    ② 按照自上而下的顺序,逐一读取用户程序并执行。处理输入数据并将结果存储在组件图像寄存器中。

    ③ 计算扫描周期。

    ④ I/O 刷新阶段

    读取输入点的状态并写入输入影子寄存器。

    分量图像寄存器的状态通过输出锁存器和输出电路发送到输出点。⑤外设端口服务访问连接到外设端口的外部设备。

    二、PLC执行用户程序的特点

    ① 按照梯形图从左到右、从上到下依次执行程序

    ② 程序执行时所需的数据取自:输入图像寄存器元素图像寄存器

    ③ 输入图像寄存器和元素图像寄存器中的数据 输入图像寄存器:在一个扫描周期内保持不变 组件图像寄存器:在一个扫描周期内可读写

    ④ 在每个扫描周期的 I/O 刷新阶段集中读取/读取数据

    PC的循环扫描过程(信号传输过程) 从输入端到输出端的信号传输过程

    三、PLC控制原理

    2.3 个扫描周期和 I/O 延迟

    当PLC处于工作状态时,执行一次扫描操作所需的时间称为扫描周期。其典型值为1-100ms。

    I/O延迟时间,也称为系统响应时间,是指PLC的外部输入信号发生变化到其控制的外部输出信号发生变化的时间间隔。

    1. I/O 延迟的原因

    (1) 因为PLC采用循环扫描的工作方式。

    PLC只在每个扫描周期的I/O刷新阶段集中输入/输出,导致输出信号相对于输入信号滞后。

    (2) 输入滤波器对信号的延迟效果。

    滤波时间常数越大,对输入信号的延迟效应越强。在某些 PLC 中,可以调整输入电路滤波器的时间常数。

    (3)输出继电器动作延时(继电器输出型PLC)

    从输出锁存器 0 ON 到输出触点 ON 经过一定时间

    输出开启延迟。当需要更快的响应时,最好不要使用继电器输出型 PLC。

    (4)用户程序的长度和语句排列。I/O滞后现象对慢速控制系统影响不大。当需要快速响应时,需要解决I/O速度问题。

    2. 估计的 I/O 响应时间

    以20点继电器输出型CPM1A为例。

    一个扫描周期后在输出端响应输入状态 – 最短 I/O0 响应时间

    输入状态在两个扫描周期后在输出处响应 – 最大 I/O0 响应时间

    计算最小 I/O 响应时间

    计算最大 I/O 响应时间

    程序语句排列对 I/O 响应时间的影响示例

    SB 关闭时,输入滤波后,在第一个扫描周期刷新 I/O 时,图像寄存器 0000 设置为 ON。

    在第一个扫描周期结束时,01000 为 OFF。01000 只能在第二个扫描周期结束后为 0N。

    如果梯形图的第一梯级和第二梯级交换

    SB 闭合时,输入滤波后,第一个扫描周期 00000 的图像寄存器置为 ON。

    01000 可以在第一个扫描周期后打开。

    显然,程序语句的排列方式对 I/O 响应的影响很大。

    3、PLC扫描时间计算

    相关结论

    1、PLC 的扫描周期和用户程序的长度与系统配置有关。用户程序越短,系统配置越简单,扫描周期就越短。

    2、PLC的扫描周期一般为10ms,所以普通输入点的信号频率不应大于50HZ(使用时一般在10HZ以下)。

    例子:

    2.4 PLC主要技术性能指标

    1. I/0 点

    指PLC外部输入输出端子的数量。

    2. 用户程序存储容量

    用于衡量 PLC 可以存储多少用户程序。

    3. 扫描速度

    指扫描用户程序 1000 步所需的时间,单位为 ms/千步。

    4. 命令系统号

    指PLC所具有的基本指令和高级指令的种类和数量。种类越多,软件功能越强。

    5. 内部寄存器

    6. 高性能模块

    2.5 可编程控制器分类

    1. 按结构排序

    一体式PLC:一体式是将PLC的CPU、存储器、I/O单元、电源等安装在同一机体中,构成上位机。此外,还有与上位机配合使用的I/O扩展单元,可扩展I/O点数。

    一体式PLC的特点是结构紧凑、体积小、成本低、安装方便,但输入输出点数固定,灵活性低。小型PLC大多采用这种结构。

    集成PLC

    组合式PLC:组合式PLC由一些标准的模块单元组成可编程序逻辑控制器,采用总线结构,不同功能的模块(如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等)通过总线连接。

    组合PLC的特点是可以根据功能需要灵活配置,组成不同功能、不同控制规模的PLC,多用于大中型PLC。

    组合PLC

    模块化结构 PLC 结构

    堆叠式PLC:

    还有一些 PLC 结合了单片和模块化功能。堆叠式PLC的CPU、电源、I/O接口等也是独立的模块,但通过电缆连接,每个模块可以逐层堆叠。这样,系统不仅可以灵活配置,而且可以做得很紧凑。

    2.按控件大小

    输入和输出的总数,也称为I/O点数,是表征PLC控制规模的重要参数。因此,PLC按控制规模分类时,可分为:

    (1)小型PLC:I/O点数较少的PLC,少于256点。

    (2)中型PLC:I/O点多的PLC,多于256点,少于2048点。

    (3)大型PLC:I/O点数较多的PLC,超过2048点。

    但是大中小型PLC的划分并没有严格的界限,PLC的I/O点数可以根据需要灵活配置。

    3、 PLC 分类(按功能)

    (1)低端PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位、自诊断、监控等基本功能,还具有少量的模拟量输入/输出、算术运算、数据传输及比较、通讯等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机系统;

    (2)中端PLC具备低端PLC功能,强大的模拟量输入/输出、算术运算、数据传输与比较、数字系统转换、远程I/O、子程序、通讯组网等功能. 有的还增加了中断、PID控制等功能;

    (3)高端PLC具备中档机的功能,并增加有符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算等特殊功能运算、制表和表格传递等。端PLC机器功能更强大,通讯联网功能可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统,实现工厂自动化。

    陈述

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