1.2 PLC的结构及软件系统
PLC作为自动控制系统中的核心部件,要充分发挥其功能,就必须了解PLC的结构及软件系统。
1.2.1 PLC硬件的基本结构
PLC的生产厂家很多,产品的结构也各不相同,但其基本构成是一样的,都采用计算机结构,即以微处理器为核心,通过硬件和软件的共同作用来实现其功能。PLC主要由六个部分组成:中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出(I/O)接口电路、电源、外部设备接口、输入/输出(I/O)扩展接口(如图1-1所示)。
图1-1 PLC的结构示意图
1.CPU
CPU是中央处理器(Central Processing Unit)的英文缩写。它是PLC的核心和控制指挥中心,主要由集成在一块芯片上的控制器、运算器和寄存器组成。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器、输入/输出接口电路相连接,完成信息传递、转换等。
CPU的主要功能有:接收输入信号并存入存储器;读出指令;执行指令并将结果输出;处理中断请求;准备下一条指令等。
2.存储器
存储器主要用来存放系统程序、用户程序和数据。根据存储器在系统中的作用,可将其分为系统程序存储器和用户存储器。
系统程序存储器用来存放制造商为用户提供的监控程序,模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其他管理程序。
系统程序直接影响着PLC的整机性能。系统程序需要永久保存在PLC中,不能因关机、停电或其他部分出现故障而改变其内容。因此,制造商将系统程序固化在只读存储器ROM中,作为PLC的一部分提供给用户,用户无法改变系统程序的内容。
用户存储器是专门提供给用户存放程序和数据的,所以用户存储器通常又分为用户程序存储器和数据存储器两个部分。
用户存储器有RAM、EPROM、EEPROM三种类型。随机存储器RAM一般都是CMOS型的,耗电极小,通常都用锂电池作后备,这样在失电时也不会丢失程序。为防止由于错误操作而损坏程序,在程序调试完成后,还可用EPROM或EEPROM将程序固化。EPROM的缺点是在写入和擦除时都必须要用专用的写入器和擦除器,用户使用很不方便。所以目前用得最多的是EEPROM,它采用电擦除的方法,写入和擦除时只需编程器即可,而不用其他专用装置。
用户程序存储器用来存放用户编写的应用程序。通常,PLC的控制对象有一定的稳定性,所以控制内容和相应的控制程序也是相对稳定不变的。根据这一特点,调试成熟的用户程序一般都存储在EPROM或EEPROM中,如要改变程序就需要重写或更换EPROM或EEPROM。
数据存储器用来存放控制过程中需要不断改变的信息,如输入/输出信号、各种工作状态、计数值、定时值、运算的中间结果等。这些数据在PLC运行期间总是不断改变的,只能用可以随意读写的随机存储器RAM来存放。
3.输入接口电路
PLC输入、输出信号分开关量、模拟量、数字量三种类型,用户涉及最多的是开关量,所以本教材主要介绍开关量接口电路。
PLC的一大优点是抗干扰能力强。在PLC的输入端,所有的输入信号都是经过光电耦合并经RC电路滤波后才送入PLC内部放大器的,采用光电耦合和RC滤波的措施后能有效地消除环境中杂散电磁波等造成的干扰,而且光耦的输入输出具有很高的绝缘电阻,能承受1500V以上的高压而不被击穿,所以PLC的这种抗干扰手段已为其他电路所采用。
图1-2所示为直流输入接口电路原理图,PLC内部提供直流电源。当输入开关接通时,光电耦合器导通,由装在PLC面板上的发光二极管(LED)来显示某一输入端口(图中只画了一个端口)有信号输入。
图1-2 直流输入接口电路
图1-3所示为交/直流输入接口电路原理图。其内部电路结构与直流输入接口电路基本相同,不同之处在于交/直流电源外接。
图1-3 交/直流输入接口电路
4.输出接口电路
为适应负载的不同需要,各类PLC的输出接口电路都有三种形式:继电器输出,晶闸管输出,晶体管输出。
继电器输出型是利用继电器线圈与输出触点,将PLC内部电路与外部负载电路进行电气隔离,其电路示意图如图1-4所示。
图1-4 继电器输出接口电路
晶闸管输出型采用光控晶闸管,将PLC的内部电路与外部负载电路进行电气隔离,其电路示意图如图1-5所示。
图1-5 晶闸管输出接口电路
晶体管输出型采用光电耦合将PLC内部电路与输出晶体管进行隔离,其电路示意图如图1-6所示。
图1-6 晶体管输出接口电路
三菱PLC的输出接口电路中,其输出端子有两种接法:一种是输出端无公共端,每一路都各自独立;另一种是若干路输出构成一组,共用一个公共端,各组的公共端用编号区分,如COM1,COM2,…,各组公共端间相互隔离。
对共用一个公共端的同一组输出,必须用同一电压类型和同一电压等级,但不同组公共端可使用不同的电压类型和电压等级。假如每四个输出端分为一组,共用一个公共端, Y000~Y003共用COM1,Y004~Y007共用COM2,Y000~Y003使用的电压可以为AC 220V,Y004~Y007使用的电压可以为DC 220V或DC 24V。
图1-7所示为PLC输出端无公共端且每一路输出都是各自独立的输出方式示意图。
图1-7 PLC各路输出独立的输出方式的示意图
图1-8所示为PLC每四个输出共用一个公共端的输出方式示意图。
图1-8 PLC四路输出共用一个公共端的输出方式的示意图
5.电源部分
一般地,小型PLC的电源输出分为两部分:一部分供PLC内部电路工作;另一部分用于向外提供给现场传感器等。与其他电子设备一样,电源是非常重要的一部分,它的性能如何将直接影响PLC的功能和可靠性。
PLC对电源的基本要求是:
① 能有效控制、消除电网电源带来的各种噪声;
② 不会因电源发生故障而导致其他部分产生故障;
③ 能在较宽的电压波动范围内保持输出电压的稳定;
④ 电源本身的功耗应尽量低,以降低整机的温升;
⑤ 内部电源及PLC向外提供的电源与外部电源间应完全隔离;
⑥ 有较强的自动保护功能。
目前,PLC都采用开关电源,性能稳定、可靠。对数据存储器常采用锂电池做断电保护后备电源,锂电池的工作寿命大约为5年。
1.2.2 PLC软件系统
PLC的软件系统由系统程序和用户程序组成。
1.系统程序
PLC的系统程序有三种类型。
①系统管理程序:用于管理系统,包括PLC运行管理(各种操作的时间分配)、存储空间管理(生成用户数据区)和系统自诊断管理(如电源、系统出错、程序语法等)。
② 用户程序编辑和指令解释程序:编辑程序能将用户程序变为内码形式以便于程序的修改、调试;解释程序能将编程语言变为机器语言以便CPU操作运行。
③ 标准子程序与调用管理程序:为提高运行速度,在程序执行中,某些信息处理(如I/O处理)或特殊运算等是通过调用标准子程序来完成的。
2.用户程序
根据系统配置和控制要求编辑用户程序,是PLC应用于工业控制的一个重要环节。PLC的编程语言多种多样,不同的PLC厂家,不同系列的PLC采用的编程语言不尽相同。常用的编程语言有以下几种。
① 梯形图。这是目前PLC中应用最广、最受电气技术人员欢迎的一种编程语言。梯形图与继电器控制电路图相似,具有形象、直观、实用的特点,且与继电器控制图的设计思路基本一致,很容易由继电器控制线路转化而来(如图1-9所示)。
图1-9 继电器控制电路图与PLC梯形图
② 语句表。这是一种与汇编语言类似的编程语言,它采用助记符指令,并将程序按执行顺序逐句编写成语句表。梯形图与语句表完成同样的控制功能,两者之间存在一定对应关系,将图1-9(b)的梯形图用语句表表达如图1-10所示。
图1-10 图1-9(b)的语句表
③ 逻辑图。逻辑图包括与、或、非及定时器、计数器、触发器等,图1-9(b)的梯形图的逻辑图如图1-11所示。
图1-11 图1-9(b)的逻辑图
④ 功能表图,又称为状态转换图,简称SFC编程语言。它将一个完整的控制过程分成若干个状态,各个状态具有不同的动作,状态间有一定的转换条件,条件满足则状态转换,上一状态结束则下一状态开始。它的作用是表达一个完整的顺序控制过程。
⑤ 高级语言。近来为了增加PLC的运算功能和数据处理能力及方便用户,许多大中型PLC已采用高级语言来编程,如BASIC、C语言等。
上述几种编程语言中,最常用的是梯形图和语句表。