可编程控制器的组成及工作原理

1、1 第第3 3章章 可编程控制器组成与可编程控制器组成与 工作原理工作原理 v可编程控制器的组成 v可编程控制器的工作原理 v可编程控制器的编程语言 2 3-1 可编程控制器的组成 中央处理单元（中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出电路、外部）、存储器、输入输出电路、外部 设备接口、电源几大部分组成设备接口、电源几大部分组成 . 3 一、中央处理单元（CPU） v1) 通用微处理器（如：8080、8086等） ； v2)单片微处理器(如Intel公司的MCS5196系列单片 机)； v3)位片式微处理器(如AM2900、AM2901、 AM2903型位片式微处理器）。通过并行联结 构成任意

2、字长的一种微处理器。 小型PLC为8位微处理器； 中型PLC多采用16位微处理器。 PLC的档次越高，微处理器的位数越多、运算速 度越快、功能越强。 4 CPU的主要功能： v（1）接收、存储用户通过编程器等输入设备输入的 程序和数据。 v（2）以扫描方式接收以扫描方式接收来自输入单元的输入变量、状 态数据，并存入相应的数据存储区（输入映像寄存 器）。 v（3）利用错误校验技术自诊断。 v（4）执行用户程序，完成各种数据的处理、传输和 存储，并根据数据处理结果，刷新刷新有关标志位的状 态和输出状态寄存器的内容，产生相应的内部控制 信号，以完成用户指令规定的各种操作。 v（5）响应各种外围设备（

3、如编程器、打印机等）的 请求。 5 二、存储器 1存储器种类 （1）系统存储器，存放系统管理程序。 （2）用户存储器，存放用户编制的控 制程序。 6 2常用存储器 （1）RAM：随机存储器,又叫读/写存储器。它是易失性 的存储器，将它的电源断开后，存储的信息将会丢失。 特点：速度快、密度高、价格低、功耗低、价格便宜、 改写方便。 为了在关断可编程控制器外部电源后，保存RAM中 的用户程序和某些数据，为RAM配备了一个锂电池，用 锂电池供电（锂电池寿命一般为210年（空载）带载： 25年）。 （2）ROM：只读存储器，内容只能读出，不能写入。 它是非易失性的，它的电源消失后，仍能保存储存的内 容

4、。通常用于存放可编程控制器的系统程序。 7 （3）EPROM ：紫外线可擦除的只读存储器。非易失性 的，用户程序调试好后，可用厂家提供的EPROM写入器 或编程器将它写入（固化）EPROM，以防止偶然原因遭 到败坏。用紫外线照射芯片上的透镜窗口，可以擦除已写 入的内容，再重新写入新内容。现已很少使用EPROM。 （4）EEPROM（或写成E2PROM）：电擦除的只读存储 器。它是非易失性的，但是可以用编程器对它进行编程， 兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取的优点，但是它 比RAM和EPROM的价格高一些，写入信息所需的时间比 RAM长。可以用电擦除已写入的内容，再重新写入新内容。 8 三、

5、输入输出模块（三、输入输出模块（I/O单元）单元） 输入模块作用：用来接收和采集输入信号输入模块作用：用来接收和采集输入信号 。 输入信号有两类： 一类是开关量输入信号，如按钮开关、行程开关、数 字拨码开关、接近开关、光电开关、压力继电器 等。 另一类是模拟量输入信号，如电位器、热电、测速电 机、各种变送器送来的连续变化的模拟量输入信 号。 9 输出模块的作用输出模块的作用：是接收中央处理器处理过的数字信号， 并把它转换成现场的执行部件能接收的信号，用来控 制接触器、电磁阀、调节阀、调速装置等，控制的另 一类负载是指示灯、数字显示器和报警装置等。 提高抗干扰能力：一般的输入/输出单元都有光电隔

6、光电隔离装 置。在数字量I/O模块中广泛采用由发光二极管和光电 三极管组成的光电耦合器，在模拟量I/O模块中通常采 用隔离放大器。 10 （1）开关量I/O模块的外部接线方式 开关量I/O模块的外部接线方式有汇点式、汇点式、 分组式和分隔式分组式和分隔式 注意：开关量I/O模块的点数一般是2的n次方，如4、8、16点 11 （2）输入接口电路 PLC的输入电路有：直流输入、交直流 输入 。 12 13 （3）输出接口电路）输出接口电路 继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出 输出电流典型值为输出电流典型值为0.52A，负载电源由，负载电源由 外部现场提供外部现场提

7、供 。 14 继电器输出 特点：有触点式输出，带载能力强，但相应速度慢。 15 晶闸管输出 特点：无触点输出，响应速度快。只能带交流负载。特点：无触点输出，响应速度快。只能带交流负载。 16 （3）晶体管输出 特点：无触点输出，相应速度快，只能带直流负载特点：无触点输出，相应速度快，只能带直流负载 17 4特殊功能模块 v（1）模拟量输入输出模块； 输出信号可以是电压或电流；可以是单极性的 如05V、010V、15V、420mA，也可以是双极 性的如5V、10V和20mA，模块一般可输入 多种量程的电流或电压 18 4特殊功能模块 v（2）高速计数模块； v（3）PID过程控制模块； v（4）

8、运动控制模块 ：常用于数控技术方面 ； v（5）中断输入模块与快速响应模块：用于快速响应 的控制系统 ； v（6）通信模块 。 19 四、电源单元 PLC的供电电源是一般的市电，允 许电源电压在额定值的+10%-15% 的范围内波动，内部有一个稳压电 源。也有用直流24V供电的。另外 PLC还有24V DC输出，用于对外部传 感器供电。 20 五外部设备接口 v是可编程控制器主机实现人-机对话、机-机对 话的通道 21 六输入输出扩展单元 v 当用户所需的输入输出点数或类型超出 主机输入输出单元所允许的点数或类型时， 可以通过加接输入输出扩展单元来解决。 简单型和智能型 简单型不带中央处理单元

9、，智能型带中央 处理单元 22 七、编程器 v（1）输入程序； v（2）检查程序； v（3）修改程序； v（4）监视PLC的工作状态。 另外还有:(1)外部设备接口，用于与编程器、显示 器、打印机等外部设备连接。 (2)输入、输出扩展单元。 23 PLC软件系统： 1.系统软件：实现程序的管理、编译、 调试； 2.用户程序：用户根据需要编制的控 制程序。 24 3-2 可编程控制器的工作原理 25 一、可编程控制器的等效电路 可编程序控制器构成的存储程序控制系统，由如下三部分组成 26 输入回路由外部输入电路、PLC输入接线端子和输入继电 器组成。 （1）输入回路 （2）内部控制电路 内部控制

10、电路是由用户程序形成的用“软继电器”来 代替硬继电器的控制逻辑。 （3）输出回路 输出回路是由PLC内部的输出继电器的接点、输出接线端子 和外部驱动电路组成，用来驱动外部负载。 27 PLC工作过程 （1）PLC采用循环扫描的 工作方式； （2）PLC有两种工作状态， 运行（RUN）和停止 （STOP）。在STOP状态， 只执行1、2； 在RUN状态，1、2、3、4、 5，五个过程。 28 29 内部处理阶段 2通信操作 （1）与另外PLC交换数据； （2）响应编程器输入的命令，更新编程器的显示。 （1）自检：检查CPU模块内部硬件是否正常； （2）喂狗：将监控定时器复位。 3输入处理 （1）

11、顺序读入所有输入端子的通断状态； （2）将读入的信息存入对应的映象寄存器中。 30 4程序执行 vPLC根据扫描原则，按先左后右，先上后下的步序， 逐句扫描，逐句执行。 v具体工作：将输入映像寄存器或其它映像寄存器 的状态（0/1）读出，进行相应的运算，并将运算 结果存入对应的映像寄存器中。 5输出处理 （1）将输出映象寄存器Y的状态输出到输出锁存器中； （2）通过隔离电路、驱动功率放大电路，输出控制信 号 。 31 工作原理 32 33 34 PLC工作方式的特点： 集中采样、集中输出、循环扫描。 v（1）集中采样：对输入阶段的扫描只在输入 采样阶段进行。即在其它阶段输入映像寄存 器中的内容

12、不会改变，直到下一个扫描周期 的采样阶段才能读入新的内容； v（2）集中输出：将输出映像寄存器的内容集 中送给输出端口。在其它阶段端口状态不变。 v（3）循环扫描：周而复始，不停地循环。 35 （1）扫描工作方式的优点： 提高了系统的抗干扰能力。 集中采样、集中输出的循环扫描方式使 PLC在工作的大部分时间与外界隔离，从根 本上提高了抗干扰能力，提高了可靠性。 （2）扫描工作方式的缺点：响应滞后，降低了 系统速度。 36 LPC采用扫描工作方式，输入/输出信号存在着 原理上的滞后； 电气控制：K1、K2同步；PLC控制Y1、Y2 不同步 37 38 v解决方法解决方法 （1）改变信息刷新方式

13、I/O立即刷新 、I/O直接刷新方式 （2）采用中断技术 （3）调整输入滤波器 39 6扫描周期的计算 扫描周期（时间）=接点扫描时间（T1）+程 序执行时间（T2）+自诊断时间（T3）+通信 时间（T4） 40 举例 例：三菱公司FX240MR，配置开关量输入 24点，开关量输以16点，用户程序为1000步， 不包含特殊功能指令，PLC运行时不连接上 位计算机等外设。I/O的扫描速度为003ms 8点，用户程序的执行速度为074s/步， 自诊断所需的时间为096ms，试计算一个 扫描周期所需要的时间为多少? 41 解： v扫描40点IO所需要的时间为： T1O03ms8点40点=015ms

14、v1000步程序所需要的时间为： T20.74s/步1000步0.74ms v自诊断所需要的时间为： T3. 96ms v因PLC运行时，不与外设通信，所以通信时间为:T4=0 这样一个扫描周期T为： TT1+T2+T3+T4=0.15ms十0.74ms十0.96ms1.85ms 42 v当PLC投入运行后，CPU将最大扫描周期、最小扫描周期最大扫描周期、最小扫描周期 和当前扫描周期和当前扫描周期的值分别存入D8012、D8011、D80l0三个 特殊数据寄存器中(计时单位：1ms)，在Fx2系列PLC中. v还提供一种以恒定的扫描周期恒定的扫描周期扫描用户程序的运行方式。用 户可将通过计算或

15、实际测定的最大扫描周期再留一些余量， 作为恒定扫描周期的值存放在特殊数据寄存器D8039中(计 时单位：1ms)；当特殊辅助继电器M8039线圈被接通时， PLC按照D8039中存放的数据以恒定周期扫描用户程序。 43 3-3 可编程控制器的编程语言 一、 可编程控制器的性能指标 1 .输入、输出接点数 (1) 三菱FX2N系列输入/输出为3:2 ； (2) OMRON系列的输入/输出为1:1 。 2、扫描速度 (1) 执行1000步所需要的时间，毫秒/千步； (2) 执行1步所需要的时间，单位：微秒/步。 44 3-3 可编程控制器的编程语言 3.存储器容量 指用户存储器容量，通常用“字”、

16、“步” 描述； 三菱FX2N系列的容量为8K步（可扩展到16K 步）； OMRON公司的CPM1A系列的容量为2048 字。 1步=4byte 45 （一）梯形图编程语言（LAD） 梯形图 二、 可编程控制器的编程语言 46 梯形图与继电器电气控制图的区别 v电气控制图中的继电器、定时器、计数器是物理器 件；而梯形图的继电器、定时器、计数器是非物理 器件，又称软器件。 v电气控制图中母线中有电流通过；梯形图中的左右 母线不接电源，其中的电流为虚电流（即假想电流） v梯形图最右边必须为输出元件；电气控制图无此要 求。 v梯形图中的每个编程元件用字母加数字串表示，不 同的元件用不同的字母表示，例如：输入元件为： X；输出元件为Y等。 47 （二）、指令语句表编程语言（STL） v指令表程序格式为： 操作码（助记符）、操作数、注释组成。 v操作码：表示要执行的功能，告诉PLC要进 行的操作，如逻辑运算、算术运算（加、减、 乘、除）等 v操作数：标识符表示操作数的类别，由标识 符和参数组成。例如输入继电器、定时器、 计数器等；参数表明操作数的地址或设定值。 48 例：起停控制 LD X1 输入X1常开接点; OR Y1 并联Y1的自保接点； ANI X2 串联X2常闭接点； OUT Y1 输出Y1。 49 （三）、功能图编程语言（CSF） 编程人员不一定对PL