PLC的基礎(chǔ)知識

PLC的組成

PLC種類很多，但結(jié)構(gòu)大同小異，典型的PLC控制系統(tǒng)組成方框圖如圖3-4所示。 在組建PLC控制系統(tǒng)時，需要給PLC的輸入端子接有關(guān)的輸入設(shè)備(如按鈕、觸點(diǎn)、行程開關(guān)等)，給輸出端子接有關(guān)的輸出設(shè)備(如指示燈、電磁線圈、電磁閥等)，另外，還需要將編好的程序通過通信接口輸入PLC內(nèi)部存儲器，如果希望增強(qiáng)PLC的功能，可以將擴(kuò)展單元通過擴(kuò)展接口與PLC連接。

圖3-4　典型的PLC控制系統(tǒng)組成方框圖?

PLC內(nèi)部主要由CPU、存儲器、輸入接口、輸出接口、通信接口、擴(kuò)展接口等組成 。

1. 中央處理器

CPU又稱中央處理器，它是PLC的控制中心，它通過總線(包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線)與存儲器和各種接口連接，以控制它們有條不紊地工作 。 CPU的性能對PLC工作速度和效率有較大的影響，故大型PLC通常采用高性能的CPU。

CPU的主要功能如下。

① 接收通信接口送來的程序和信息，并將它們存入存儲器;

② 采用循環(huán)檢測(即掃描檢測)方式不斷檢測輸入接口送來的狀態(tài)信息，以判斷輸入設(shè)備的狀態(tài);

③ 逐條運(yùn)行存儲器中的程序，并進(jìn)行各種運(yùn)算，再將運(yùn)算結(jié)果存儲下來，然后經(jīng)輸出接口對輸出設(shè)備進(jìn)行有關(guān)的控制;

④ 監(jiān)測和診斷內(nèi)部各電路的工作狀態(tài)。

2. 存儲器

存儲器的功能是存儲程序和數(shù)據(jù)。 PLC通常配有ROM(只讀存儲器)和RAM(隨機(jī)存儲器)兩種存儲器，ROM用來存儲系統(tǒng)程序，RAM用來存儲用戶程序和程序運(yùn)行時產(chǎn)生的數(shù)據(jù) 。

系統(tǒng)程序由廠家編寫并固化在ROM存儲器中，用戶無法訪問和修改系統(tǒng)程序。 系統(tǒng)程序主要包括系統(tǒng)管理程序和指令解釋程序。 系統(tǒng)管理程序的功能是管理整個PLC，讓內(nèi)部各個電路能有條不紊地工作。 指令解釋程序的功能是將用戶編寫的程序翻譯成CPU可以識別和執(zhí)行的程序。

用戶程序是用戶通過編程器輸入存儲器的程序，為了方便調(diào)試和修改，用戶程序通常存放在RAM中，由于斷電后RAM中的程序會丟失，所以RAM專門配有的后備電池供電。 有些PLC采用EEPROM(電可擦寫只讀存儲器)來存儲用戶程序，由于EEPROM存儲器中的內(nèi)部可用電信號進(jìn)行擦寫，并且掉電后內(nèi)容不會丟失，因此采用這種存儲器后可不要備用電池。

3. 輸入/輸出接口

輸入/輸出接口又稱I/O接口或I/O模塊，是PLC與外圍設(shè)備之間的連接部件 。 PLC通過輸入接口檢測輸入設(shè)備的狀態(tài)，以此作為對輸出設(shè)備控制的依據(jù)，同時PLC又通過輸出接口對輸出設(shè)備進(jìn)行控制。

PLC的I/O接口能接受的輸入和輸出信號個數(shù)稱為PLC的I/O點(diǎn)數(shù) 。 I/O點(diǎn)數(shù)是選擇PLC的重要依據(jù)之一。

PLC外圍設(shè)備提供或需要的信號電平是多種多樣的，而PLC內(nèi)部CPU只能處理標(biāo)準(zhǔn)電平信號，所以I/O接口要能進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，另外，為了提高PLC的抗干擾能力，I/O接口一般采用光電隔離和濾波處理，此外，為了便于了解I/O接口的工作狀態(tài)，I/O接口還帶有狀態(tài)指示燈。

(1)輸入接口

PLC的輸入接口分為開關(guān)量輸入接口和模擬量輸入接口，開關(guān)量輸入接口用于接受開關(guān)通斷信號，模擬量輸入接口用于接受模擬量信號 。 模擬量輸入接口通常采用A/D轉(zhuǎn)換電路，將模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。 開關(guān)量輸入接口采用的電路形式較多，根據(jù)使用電源不同，可分為內(nèi)部直流輸入接口、外部交流輸入接口和外部交/直流輸入接口 。 三種類型開關(guān)量輸入接口原理圖如圖3-5所示。

圖3-5　三種類型開關(guān)量輸入接口原理圖?

圖3-5(a)為內(nèi)部直流輸入接口原理圖，輸入接口的電源由PLC內(nèi)部直流電源提供。 當(dāng)閉合輸入開關(guān)后，有電流流過光電耦合器和指示燈，光電耦合器導(dǎo)通，將輸入開關(guān)狀態(tài)送給內(nèi)部電路，由于光電耦合器內(nèi)部是通過光線傳遞，故可以將外部電路與內(nèi)部電路有效隔離開來，輸入指示燈點(diǎn)亮用于指示輸入端子有輸入。 R2、C為濾波電路，用于濾除輸入端子竄入的干擾信號，R1為限流電阻。

圖3-5(b)為外部交流輸入接口原理圖，輸入接口的電源由外部的交流電源提供。 為了適應(yīng)交流電源的正負(fù)變化，接口電路采用了發(fā)光管正負(fù)極并聯(lián)的光電耦合器和指示燈。

圖3-5(c)為外部直/交流輸入接口原理圖，輸入接口的電源由外部的直流或交流電源提供。

(2)輸出接口

PLC的輸出接口也分為開關(guān)量輸出接口和模擬量輸出接口。 模擬量輸出接口通常采用D/A轉(zhuǎn)換電路， 將數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成模擬量信號， 開關(guān)量輸出接口采用的電路形式較多，根據(jù)使用的輸出開關(guān)器件不同可分為：繼電器輸出接口、晶體管輸出接口和雙向晶閘管輸出接口 。 3種類型開關(guān)量輸出接口原理圖如圖3-6所示。

圖3-6(a)為繼電器輸出接口原理圖，當(dāng)PLC內(nèi)部電路產(chǎn)生電流流經(jīng)繼電器KA線圈時，繼電器常開觸點(diǎn)KA閉合，負(fù)載有電流通過。 繼電器輸出接口可驅(qū)動交流或直流負(fù)載，但其響應(yīng)時間長，動作頻率低。

圖3-6(b)為晶體管輸出接口原理圖，它采用光電耦合器與晶體管配合使用。 晶體管輸出接口反應(yīng)速度快，動作頻率高，但只能用于驅(qū)動直流負(fù)載。

圖3-6(c)為雙向晶閘管輸出接口原理圖，它采用雙向晶閘管型光電耦合器，在受光照射時，光電耦合器內(nèi)部的雙向晶閘管可以雙向?qū)ā?雙向晶閘管輸出接口的響應(yīng)速度快，動作頻率高，通常用于驅(qū)動交流負(fù)載。

圖3-6　三種類型開關(guān)量輸出接口原理圖?

4. 通信接口

PLC配有通信接口，PLC可通過通信接口與監(jiān)視器、打印機(jī)、其他PLC、計算機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信 。 PLC與編程器或?qū)懭肫鬟B接，可以接收編程器或?qū)懭肫鬏斎氲某绦? PLC與打印機(jī)連接，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等打印出來; PLC與人機(jī)界面(如觸摸屏)連接，可以在人機(jī)界面直接操作PLC或監(jiān)視PLC工作狀態(tài); PLC與其他PLC連接，可組成多機(jī)系統(tǒng)或連成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)?？刂? 與計算機(jī)連接，可組成多級分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制與管理相結(jié)合。

5. 擴(kuò)展接口

為了提升PLC的性能，增強(qiáng)PLC控制功能，可以通過擴(kuò)展接口給PLC增接一些專用功能模塊， 如高速計數(shù)模塊、閉環(huán)控制模塊、運(yùn)動控制模塊、中斷控制模塊等。

6. 電源

PLC一般采用開關(guān)電源供電，與普通電源相比，PLC電源的穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)。 PLC的電源對電網(wǎng)提供的電源穩(wěn)定度要求不高，一般允許電源電壓在其額定值±15%的范圍內(nèi)波動。 有些PLC還可以通過端子往外提供直流24V穩(wěn)壓電源。

PLC的工作方式

PLC是一種由程序控制運(yùn)行的設(shè)備，其工作方式與微型計算機(jī)不同，微型計算機(jī)運(yùn)行到結(jié)束指令END時，程序運(yùn)行結(jié)束。 PLC運(yùn)行程序時，會按順序依次逐條執(zhí)行存儲器中的程序指令，當(dāng)執(zhí)行完最后的指令后，并不會馬上停止，而是又重新開始再次執(zhí)行存儲器中的程序，如此周而復(fù)始，PLC的這種工作方式稱為循環(huán)掃描方式 。

PLC的工作過程如圖3-7所示。

圖3-7　PLC的工作過程?

PLC通電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，將內(nèi)部電路恢復(fù)到起始狀態(tài)，然后進(jìn)行自我診斷，檢測內(nèi)部電路是否正常，以確保系統(tǒng)能正常運(yùn)行，診斷結(jié)束后對通信接口進(jìn)行掃描，若接有外設(shè)則與其通信。 通信接口無外設(shè)或通信完成后，系統(tǒng)開始進(jìn)行輸入采樣，檢測輸入設(shè)備(開關(guān)、按鈕等)的狀態(tài)，然后根據(jù)輸入采樣結(jié)果依次執(zhí)行用戶程序，程序運(yùn)行結(jié)束后對輸出進(jìn)行刷新，即輸出程序運(yùn)行時產(chǎn)生的控制信號。 以上過程完成后，系統(tǒng)又返回，重新開始自我診斷，以后不斷重新上述過程。

PLC有兩個工作狀態(tài)：RUN(運(yùn)行)狀態(tài)和STOP(停止)狀態(tài) 。 當(dāng)PLC工作在RUN狀態(tài)時，系統(tǒng)會完整執(zhí)行圖3-7過程; 當(dāng)PLC工作在STOP狀態(tài)時，系統(tǒng)不執(zhí)行用戶程序。 PLC正常工作時應(yīng)處于RUN狀態(tài)，而在編制和修改程序時，應(yīng)讓PLC處于STOP狀態(tài)。 PLC的兩種工作狀態(tài)可通過開關(guān)進(jìn)行切換。

PLC工作在RUN狀態(tài)時，完整執(zhí)行圖3-7過程所需的時間稱為掃描周期，一般為1～100ms 。 掃描周期與用戶程序的長短、指令的種類和CPU執(zhí)行指令的速度有很大的關(guān)系。

PLC用戶程序的執(zhí)行過程

PLC的用戶程序執(zhí)行過程很復(fù)雜，下面以PLC正轉(zhuǎn)控制線路為例進(jìn)行說明。 圖3-8是PLC正轉(zhuǎn)控制線路，為了便于說明，圖中畫出了PLC內(nèi)部等效圖。

圖3-8　PLC正轉(zhuǎn)控制線路?

圖3-8中PLC內(nèi)部等效圖中的X0、X1、X2稱為輸入繼電器，它由線圈和觸點(diǎn)兩部分組成，由于線圈與觸點(diǎn)都是等效而來，故又稱為軟線圈和軟觸點(diǎn)，Y0稱為輸出繼電器，它也包括線圈和觸點(diǎn)。PLC內(nèi)部中間部分為用戶程序(梯形圖程序)，程序形式與繼電器控制電路相似，兩端相當(dāng)于電源線，中間為觸點(diǎn)和線圈。

用戶程序執(zhí)行過程說明如下。

當(dāng)按下啟動按鈕SB1時，輸入繼電器X0線圈得電，它使用戶程序中的X0常開觸點(diǎn)閉合，輸出繼電器Y0線圈得電，它一方面使用戶程序中的Y0常開觸點(diǎn)閉合，對Y0線圈供電鎖定外，另一方面使輸出端的Y0常開觸點(diǎn)閉合，接觸器KM線圈得電，主電路中的KM主觸點(diǎn)閉合，電動機(jī)得電運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)按下停止按鈕SB2時，輸入繼電器X1線圈得電，它使用戶程序中的X1常閉觸點(diǎn)斷開，輸出繼電器Y0線圈失電，用戶程序中的Y0常開觸點(diǎn)斷開，解除自鎖，另外輸出端的Y0常開觸點(diǎn)斷開，接觸器KM線圈失電，KM主觸點(diǎn)斷開，電動機(jī)失電停轉(zhuǎn)。

若電動機(jī)在運(yùn)行過程中電流過大，熱繼電器FR動作，F(xiàn)R觸點(diǎn)閉合，輸入繼電器X2線圈得電，它使用戶程序中的X2常閉觸點(diǎn)斷開，輸出繼電器Y0線圈失電，輸出端的Y0常開觸點(diǎn)斷開，接觸器KM線圈失電，KM主觸點(diǎn)閉合，電動機(jī)失電停轉(zhuǎn)，從而避免電動機(jī)長時間過流運(yùn)行。