PLC第2章-PLC的结构和工作原理

1、第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 第第2章章 PLC结构和工作原理结构和工作原理 引言引言 2.1结构结构 2.2工作原理工作原理 2.3 软件和编程软元件软件和编程软元件 返回本章首页返回本章首页 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 引言引言 在讲在讲PLC的基本结构之前先介绍一下传统继电接触控制系的基本结构之前先介绍一下传统继电接触控制系 统和统和PLC控制系统的构成。控制系统的构成。 传统的继电接触控制系统通常由传统的继电接触控制系统通常由输入设备、控制线路和输出输入设备、控制线路和输出 设备设备三大部分组成，如图下页所示：三大部分组成，如图

2、下页所示： 输入设备通常由被控对象的各种输入设备通常由被控对象的各种开关、按钮、传感器开关、按钮、传感器等构等构 成。继电器控制线路通常由成。继电器控制线路通常由中间继电器、时间继电器中间继电器、时间继电器和将这些和将这些 器件联接起来的导线等组成。复杂的继电器控制系统，一般由器件联接起来的导线等组成。复杂的继电器控制系统，一般由 一个或几个控制柜构成，系统构成比较庞大。输出设备由被控一个或几个控制柜构成，系统构成比较庞大。输出设备由被控 对象执行元件组成，如对象执行元件组成，如电磁阀、接触器电磁阀、接触器等。等。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 引言引言 输入设备

3、继电器控制 线路 输出设备 被控对象 输出设备 PLC输入设备 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 引言引言 PLC控制系统是从继电接触控制系统发展而来的，控制系统是从继电接触控制系统发展而来的， 如上页图所示。因此，这两种控制系统有很多相同之如上页图所示。因此，这两种控制系统有很多相同之 处，其中输入设备和输出设备基本相同。处，其中输入设备和输出设备基本相同。 通过图比较可以看出，用通过图比较可以看出，用PLC的控制部分取代了的控制部分取代了 继电器控制线路。传统的继电器控制线路的控制作用继电器控制线路。传统的继电器控制线路的控制作用 是通过许多导线与继电器硬连接实现的

4、，而是通过许多导线与继电器硬连接实现的，而PLC控制控制 系统的控制作用是通过软件编程实现的，后者可以通系统的控制作用是通过软件编程实现的，后者可以通 过软件编程改变其控制作用，前者就很难做到。过软件编程改变其控制作用，前者就很难做到。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 引言引言 PLC是为了取代传统的继电器控制系统而设计的是为了取代传统的继电器控制系统而设计的 一种工业控制计算机，结构与常规计算机相似，但它一种工业控制计算机，结构与常规计算机相似，但它 是专门为工业环境而设计的标准控制器。硬件是以微是专门为工业环境而设计的标准控制器。硬件是以微 处理器和输入输出接口电

5、路构成。随着处理器和输入输出接口电路构成。随着PLC的发展，的发展， 功能不断完善，从开关量的输入、输出，模拟量的输功能不断完善，从开关量的输入、输出，模拟量的输 入、输出，到完成复杂控制功能、通讯联网功能的各入、输出，到完成复杂控制功能、通讯联网功能的各 种控制单元。种控制单元。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 引言引言 编程语言采用梯形图、梯形图指令及高级语言编编程语言采用梯形图、梯形图指令及高级语言编 程。梯形图和继电器控制系统电路图相似，也可以说程。梯形图和继电器控制系统电路图相似，也可以说 是在继电器控制系统电路图基础上发展起来的，所以是在继电器控制系统电路

6、图基础上发展起来的，所以 非常容易被掌握。可以这样理解非常容易被掌握。可以这样理解PLC的控制功能：由的控制功能：由 梯形图语言将输入接口电路、输出接口电路、通讯接梯形图语言将输入接口电路、输出接口电路、通讯接 口电路联系起来。梯形图语言将输入信号读入口电路联系起来。梯形图语言将输入信号读入PLC， 然后根据梯形图中的控制要求进行逻辑解算，将解算然后根据梯形图中的控制要求进行逻辑解算，将解算 结果输出到输出接口电路。结果输出到输出接口电路。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 2.1结构结构 PLC专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，专为工业场合设计，采用了典型的计

7、算机结构， 主要是由主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出、电源、存储器和专门设计的输入输出 接口电路等组成。图接口电路等组成。图2.1为一典型为一典型PLC结构简图。结构简图。 图图2.1结构简图结构简图 CPU 存储器 电源部分 输 入 单 元 输 出 单 元 编程器或其他设备 按钮 接触器 电磁阀 指示灯 行程开关 继电器触点 1. 中央处理单元中央处理单元 CPUCPU CPU(Center Process Unite)CPU(Center Process Unite)单元，又称中央处理单元，是单元，又称中央处理单元，是PLCPLC的的 核心。它除核心。它除CPUCPU芯片外

8、，还包含外围芯片、总线接口及有关电路芯片外，还包含外围芯片、总线接口及有关电路 等。所以，称它为等。所以，称它为CPUCPU单元。单元。 CPUCPU芯片实际上就是芯片实际上就是微处理器或者是单片机微处理器或者是单片机，如东芝公司的，如东芝公司的 EX40EX40用的是用的是80518051单片机，欧姆龙公司的单片机，欧姆龙公司的C200H PLCC200H PLC用的是用的是 MC68B09CPMC68B09CP微处理器。有的微处理器。有的CPUCPU单元从可靠性和单元从可靠性和PLCPLC速度考虑配置速度考虑配置 多个多个CPUCPU芯片。大型芯片。大型PLCPLC不少采用这种多不少采用这

9、种多CPUCPU结构。由于微处理器结构。由于微处理器 和单片机是由大规模集成电路组成的，较复杂，没有必要对和单片机是由大规模集成电路组成的，较复杂，没有必要对CPUCPU 内部详细分析，只要弄清它的功能与特性，正确使用就可以了。内部详细分析，只要弄清它的功能与特性，正确使用就可以了。 CPUCPU单元的工作方式一般是通过硬件开关的设定和对内存单单元的工作方式一般是通过硬件开关的设定和对内存单 元的设置来决定的。通常内存单元都有一个内存区，可以设定元的设置来决定的。通常内存单元都有一个内存区，可以设定 PLCPLC各种工作参数，如各种工作参数，如CQM1 CPUCQM1 CPU的的DM6600D

10、M6600DM6655DM6655。 CPUCPU单元的工作状态可通过相应的状态指示灯反映出来，如单元的工作状态可通过相应的状态指示灯反映出来，如 运行显示、故障显示、电源显示等。运行显示、故障显示、电源显示等。PLCPLC机型不同，这些显示也机型不同，这些显示也 不同。不同。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 CPU的主要功能：的主要功能： 读入现场状态。控制存储器和解读用户逻辑；执行各读入现场状态。控制存储器和解读用户逻辑；执行各 种算术运算；输入、输出运算结果；执行系统诊断程种算术运算；输入、输出运算结果；执行系统诊断程 序；与外部设备或计算机通讯。序；与外部设备

11、或计算机通讯。 CPU单元的性能：单元的性能：CPU单元性能主要反映在以下几个单元性能主要反映在以下几个 方面。方面。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 1）从存储器中读取指令从存储器中读取指令 2）执行指令）执行指令 3）顺序取指令）顺序取指令 4）处理中断）处理中断 PLC的的CPU一般工作在扫描方式，所以过去一般工作在扫描方式，所以过去PLC的的 CPU单元没有中断功能，为了加强对应急信号的处理单元没有中断功能，为了加强对应急信号的处理 能力，新推出能力，新推出PLC的的CPU单元都具有中断处理能力。单元都具有中断处理能力。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作

12、原理结构和工作原理 2. 存储器存储器 在在PLC系统中存储器主要用于存放系统中存储器主要用于存放系统程序、用户程序系统程序、用户程序 及工作数据。及工作数据。 系统程序是由系统程序是由PLC的制造厂家研制的，它是的制造厂家研制的，它是PLC的一部的一部 分，在分，在PLC使用过程中是不变的。因此，系统程序在机器出使用过程中是不变的。因此，系统程序在机器出 厂时由制造厂固化于厂时由制造厂固化于PROM存储器中，用户不能访问、修改存储器中，用户不能访问、修改 这一部分存储器内容。这一部分存储器内容。 用户的应用程序是按用户的应用程序是按PLC的应用对象而设计的，随着生的应用对象而设计的，随着生

13、产工艺的不同而变化，是由使用者根据应用对象的工艺要求产工艺的不同而变化，是由使用者根据应用对象的工艺要求 编制的，一般存放在编制的，一般存放在EPROM或或E2PROM中。中。 工作数据是工作数据是PLC在应用过程中要经常变化，经常存取的在应用过程中要经常变化，经常存取的 数据，一般不需长期保持。因此，这部分数据的存储器都选数据，一般不需长期保持。因此，这部分数据的存储器都选 用用RAM，以适应随机存取的要求。在，以适应随机存取的要求。在PLC系统的工作数据存系统的工作数据存 储区中开辟有输入、输出数据的映像区，定时器储区中开辟有输入、输出数据的映像区，定时器/计数器的设计数器的设 定区和当前

14、的数据存放区。定区和当前的数据存放区。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 3. 输入输出单元输入输出单元 PLC的对外功能主要通过各类接口单元实现对工业设备或生的对外功能主要通过各类接口单元实现对工业设备或生 产过程的检测与控制。产过程的检测与控制。通过各种输入输出接口电路，通过各种输入输出接口电路，PLC即即 可检测到所需要的过程信息，又可以将处理后的结果传送给可检测到所需要的过程信息，又可以将处理后的结果传送给 外部过程，驱动各种执行机构，实现工业生产过程的自动控外部过程，驱动各种执行机构，实现工业生产过程的自动控 制。实际生产中信号电平多种多样，外部执行机构所需的

15、电制。实际生产中信号电平多种多样，外部执行机构所需的电 平也是多种多样，而平也是多种多样，而PLC的的CPU只能处理标准电平，正是只能处理标准电平，正是 通过通过I/O接口实现了这种信号电平的转换。为了适应各种各接口实现了这种信号电平的转换。为了适应各种各 样的过程信号，相应的有许多种样的过程信号，相应的有许多种I/O接口单元。例如，开关接口单元。例如，开关 量输入单元、开关量输出单元、模拟量输入单元和模拟量输量输入单元、开关量输出单元、模拟量输入单元和模拟量输 出单元。为了满足特殊的控制要求，有些出单元。为了满足特殊的控制要求，有些PLC还配有特殊单还配有特殊单 元。如温度控制单元、元。如温

16、度控制单元、PID控制单元、高速计数单元、运动控制单元、高速计数单元、运动 控制单元、模糊控制单元、位置控制单元和网络通信单元等。控制单元、模糊控制单元、位置控制单元和网络通信单元等。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 输入输出单元输入输出单元 （1）开关量输入单元）开关量输入单元 开关量输入单元是将外部的开关量信号转换开关量输入单元是将外部的开关量信号转换 成成PLC内部所需要的电平信号。输入信号一般分内部所需要的电平信号。输入信号一般分 为直流信号和交流信号两种，对应的输入单元也为直流信号和交流信号两种，对应的输入单元也 分为直流输入单元、交流输入单元和交直流输入分

17、为直流输入单元、交流输入单元和交直流输入 单元三种；从单元的电路构成可分为直流汇点输单元三种；从单元的电路构成可分为直流汇点输 入、直流隔点输入，交流汇点输入和交流隔点输入、直流隔点输入，交流汇点输入和交流隔点输 入。入。 a、直流输入。输入单元电路原理如图、直流输入。输入单元电路原理如图2-2所所 示。示。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 图2-2直流输入电路原理图 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 输入单元分为汇点和隔点两种形式。汇点输入是将电路的输入单元分为汇点和隔点两种形式。汇点输入是将电路的 公共端连接在一起，隔点输入是各输入电路的输

18、入端是分开公共端连接在一起，隔点输入是各输入电路的输入端是分开 的，没有公共端子它们彼此独立互不影响，但都占输入单元的，没有公共端子它们彼此独立互不影响，但都占输入单元 端子。输入的点数有端子。输入的点数有8点、点、16点、点、24点、点、32点。输入信号一点。输入信号一 般经过信号调理、滤波和光电隔离后再送入内部电路处理。般经过信号调理、滤波和光电隔离后再送入内部电路处理。 内部电路根据内部电路根据PLC的指令，通过的指令，通过I/O的地址总线选通使被选通的地址总线选通使被选通 的某点输入信号经过的某点输入信号经过I/O数据总线进入用户程序的数据存储区，数据总线进入用户程序的数据存储区， 供

19、供CPU做逻辑运算使用，信号电源一般由做逻辑运算使用，信号电源一般由PLC单元提供，有单元提供，有 些单元是由外部提供。直流输入信号的电压一般在些单元是由外部提供。直流输入信号的电压一般在1224V， 也有的单元要求也有的单元要求24V标准电压。从图标准电压。从图2-2（a）中可以看出，由）中可以看出，由 于输入信号的光电隔离电路和于输入信号的光电隔离电路和LED发光二极管是双向的，所发光二极管是双向的，所 以对输入信号的正、负极无要求，对于汇点输入方式的单元以对输入信号的正、负极无要求，对于汇点输入方式的单元 将电源的正极或负极接到将电源的正极或负极接到COM端，另一端接信号。图端，另一端接

20、信号。图2-2（b） 是端子接线图。是端子接线图。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 b、交流输入。输入单元电路原理如图、交流输入。输入单元电路原理如图2-3所示，所示， 输入单元也分汇点和隔点两种形式。输入点数有输入单元也分汇点和隔点两种形式。输入点数有 8点、点、16点、点、24点和点和32点。交流信号通过电容点。交流信号通过电容C、 电阻电阻R1和双向光电隔离电路和双向发光二极管输和双向光电隔离电路和双向发光二极管输 入，因为光电隔离电路和入，因为光电隔离电路和LED显示器都是双向的，显示器都是双向的， 所以交流信号在半周期和负半期内都能通过光电所以交流信号在半周

21、期和负半期内都能通过光电 耦合电路输入到耦合电路输入到PLC内部。交流输入的电源一般内部。交流输入的电源一般 都是现场供给，为了防止输入信号过高，每路输都是现场供给，为了防止输入信号过高，每路输 入信号端并接取样电阻和隔离直流电平的电容；入信号端并接取样电阻和隔离直流电平的电容； 为了指示各路信号的输入状态，每路均接为了指示各路信号的输入状态，每路均接LED显显 示器。示器。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 图图2-3交流输入单元电路原理图交流输入单元电路原理图 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 （2）开关量输出单元）开关量输出单元 开关量输出

22、单元，用来将开关量输出单元，用来将PLC的的CPU单元输出的标准单元输出的标准 电平转换成外部过程所需要的电平信号，并以此来驱电平转换成外部过程所需要的电平信号，并以此来驱 动外部过程的执行机构、指示灯和负载。输出单元也动外部过程的执行机构、指示灯和负载。输出单元也 分汇点和隔点两种形式。开关量输出接口单元的种类分汇点和隔点两种形式。开关量输出接口单元的种类 很多，下面介绍常用的开关量输出接口单元的电路结很多，下面介绍常用的开关量输出接口单元的电路结 构类型和基本原理图。构类型和基本原理图。 a、继电器输出。继电器输出电路如图、继电器输出。继电器输出电路如图2-4所示。所示。 输出负载的电源，

23、可以是直流，也可以是交流，视负输出负载的电源，可以是直流，也可以是交流，视负 载类型决定。电源一般由外部电路提供。继电器输出载类型决定。电源一般由外部电路提供。继电器输出 电路抗干扰能力强，负载能力大（工作电流可达电路抗干扰能力强，负载能力大（工作电流可达2 5A），但信号响应时间长一些（），但信号响应时间长一些（810ms）。）。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 图2-4 继电器输出电路图 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 b、晶闸管输出。晶闸管输出电路如图、晶闸管输出。晶闸管输出电路如图2-5所示。晶闸所示。晶闸 管电路用于功率放大，管电路

24、用于功率放大，RC吸收干扰与浪涌电流，吸收干扰与浪涌电流，VAR 压敏电阻吸收过大的浪涌电流。从图压敏电阻吸收过大的浪涌电流。从图4-12可以看出，可以看出， 晶闸管输出一定用交流负载，故电源也是交流电源，晶闸管输出一定用交流负载，故电源也是交流电源， 电流由外部电路提供。一般来说，晶闸管输出响应时电流由外部电路提供。一般来说，晶闸管输出响应时 间短（通点间短（通点12ms断点断点810ms），负载能力强。），负载能力强。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 图2-5 双向晶闸管输出电路 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 c、晶体管输出。晶体管输出

25、电路如图、晶体管输出。晶体管输出电路如图2-6所示，从图所示，从图 中可以看出，负载电源由外部提供，并且只能是直流中可以看出，负载电源由外部提供，并且只能是直流 的。晶体管输出响应时间短，（的。晶体管输出响应时间短，（0.51ms以上），但以上），但 负载能力小，工作电流一般在负载能力小，工作电流一般在0.30.5A之间，也有的之间，也有的 可以达到可以达到1A。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 图2-6 晶体管输出电路 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 (3）模拟量的输入单元）模拟量的输入单元 模拟量的输入单元在过程控制中的应用很广泛。如常模

26、拟量的输入单元在过程控制中的应用很广泛。如常 用的温度、压力、速度、流量、位移等值都是连续变化的用的温度、压力、速度、流量、位移等值都是连续变化的 模拟量，经传感器的检测、变换，输出的是连续变化的电模拟量，经传感器的检测、变换，输出的是连续变化的电 压或电流形式的模拟量。也就是说，模拟量的输入电平大压或电流形式的模拟量。也就是说，模拟量的输入电平大 多数是经传感器通过变换后得到的，模拟输入信号按多数是经传感器通过变换后得到的，模拟输入信号按IECIEC标标 准为准为4 420mA20mA电流信号，或电流信号，或1 15V5V、-10-1010V10V，0 010V10V的直的直 流电压信号。流

27、电压信号。 输入单元接收这种模拟信号后，把它转换成输入单元接收这种模拟信号后，把它转换成8 8位、位、1010位或位或 1212位的二进制数字信号（最大值是位的二进制数字信号（最大值是255255、10231023、40954095），送），送 给给CPUCPU单元进行处理。因此模拟量输入单元又叫单元进行处理。因此模拟量输入单元又叫A/DA/D转换输转换输 入单元。入单元。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 （4）模拟量输出接口单元）模拟量输出接口单元 在工业控制中，经常遇到需要模拟量控制的问题。在工业控制中，经常遇到需要模拟量控制的问题。 如电液伺服阀、变频器等。必须

28、把如电液伺服阀、变频器等。必须把PLC输出的数字量输出的数字量 转换成模拟量，才能够满足这类执行机构的动作要求，转换成模拟量，才能够满足这类执行机构的动作要求， 这这 种转换过程，称为数种转换过程，称为数/模（模（D/A）转换。模拟量输出）转换。模拟量输出 单元的功能就是用来将单元的功能就是用来将PLC内部输出的数字量转换成内部输出的数字量转换成 外部生产过程所需的模拟信号。外部生产过程所需的模拟信号。 模拟量输出单元也各有不同类型。例如，有模拟量输出单元也各有不同类型。例如，有0 10V的电压输出，的电压输出，-10+10V的电压输出，也有的电压输出，也有4 20mA的电流输出。同样，不管何

29、种类型的输出单元，的电流输出。同样，不管何种类型的输出单元， 它们的内部电路结构完全一样，只是输出回路有所不它们的内部电路结构完全一样，只是输出回路有所不 同。与模拟量输入单元一样，模拟量输出单元中的数同。与模拟量输入单元一样，模拟量输出单元中的数 据也是用二进制码表示的。据也是用二进制码表示的。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 2.2工作原理工作原理 1.PLC的循环扫描工作过程的循环扫描工作过程 PLC实质上也是计算机控制系统，但它具有比计算机实质上也是计算机控制系统，但它具有比计算机 更强的与工业过程相连接的接口，有更适合工业控制要求更强的与工业过程相连接的接口

30、，有更适合工业控制要求 的编程要求的编程语言。的编程要求的编程语言。 与其它计算机系统一样，与其它计算机系统一样，PLC的的CPU是采用分时操是采用分时操 作的原理，每一时刻执行一个操作，随着时间的延伸一个作的原理，每一时刻执行一个操作，随着时间的延伸一个 动作接一个动作顺序地进行。这种分时操作进程称为动作接一个动作顺序地进行。这种分时操作进程称为 CPU对程序的扫描。对程序的扫描。PLC的用户程序由若干条指令组成，的用户程序由若干条指令组成， 指令在存储器中按序号顺序排列。指令在存储器中按序号顺序排列。CPU从第一条指令开从第一条指令开 始，顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结束。然后，始

31、，顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结束。然后， 返回第一条指令开始新的一轮扫描。返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复就是这样周而复 始地重复上述的扫描循环，如图始地重复上述的扫描循环，如图2-7所示。所示。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 工作原理工作原理 除了执行用户程序之外，在每次扫描过程中还要完成输除了执行用户程序之外，在每次扫描过程中还要完成输 入、输出处理等工作。扫描一次所用的时间称为扫描周期。入、输出处理等工作。扫描一次所用的时间称为扫描周期。 扫描周期与用户程序的长短和扫描速度有关，典型值为扫描周期与用户程序的长短和扫描速度有关，典型

32、值为1 100ms，在对，在对I/O响应要求不高的场合，响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装与继电器控制装 置在置在I/O的处理结果上没有什么差别。的处理结果上没有什么差别。 PLC采用对整个程序循环执行的工作方式，也称循环扫采用对整个程序循环执行的工作方式，也称循环扫 描，即执行用户程序不是执行一次就结束，而是一遍一遍不描，即执行用户程序不是执行一次就结束，而是一遍一遍不 停的循环执行。如用户程序不长，执行一次程序的时间足够停的循环执行。如用户程序不长，执行一次程序的时间足够 短，那末扫描一次程序所占的时间短到足以保证变量条件不短，那末扫描一次程序所占的时间短到足以保证变量条件不 变，即

33、前一次扫描未捕捉到的某一变量的状态，保证在下一变，即前一次扫描未捕捉到的某一变量的状态，保证在下一 次扫描程序时该变量条件依然存在，这样，就可以解决程序次扫描程序时该变量条件依然存在，这样，就可以解决程序 顺序控制与被控对象控制条件之间存在不协调的矛盾。顺序控制与被控对象控制条件之间存在不协调的矛盾。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 反复执行 （执行一次所需的时间称为扫描周期） 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 扫描周期的长短，首先与每条指令执行时间长短有关，扫描周期的长短，首先与每条指令执行时间长短有关， 其次与指令类型及包含指令条数的多少有

34、关。前者取其次与指令类型及包含指令条数的多少有关。前者取 决决PLC的的CPU执行速度的快慢，与硬件配置有关；后执行速度的快慢，与硬件配置有关；后 者取决于被控系统的复杂程度及编程人员的水平。者取决于被控系统的复杂程度及编程人员的水平。 理论上扫描周期越短越好，在实际控制系统中很理论上扫描周期越短越好，在实际控制系统中很 难做到。只要保证难做到。只要保证PLC的扫描周期能满足控制系统的的扫描周期能满足控制系统的 要求就可以了。要求就可以了。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 按钮 接触器 按钮 输入电路 输 入 映 象 寄 存 器 输 出 映 象 寄 存 器 输出电路

35、（ ） 程序执行 图图2-8程序执行原理图程序执行原理图 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 2.PLC的中断的输入处理的中断的输入处理 PLC中断具有以下特点：中断具有以下特点： a、PLC系统具有系统具有外部输入中断、间隔定时中断、高速计外部输入中断、间隔定时中断、高速计 数中断功能。数中断功能。中断的概念与计算机系统基本一样，结合中断的概念与计算机系统基本一样，结合PLC的的 工作特点，中断的处理也有其特殊之处。工作特点，中断的处理也有其特殊之处。 b、中断的响应是在系统循环扫描周期的各个阶段。系统、中断的响应是在系统循环扫描周期的各个阶段。系统 在工作过程中不仅对

36、用户程序进行扫描，而且对输入、输出、在工作过程中不仅对用户程序进行扫描，而且对输入、输出、 通信单元进行循环扫描，所以对中断程序的响应不仅仅在扫描通信单元进行循环扫描，所以对中断程序的响应不仅仅在扫描 用户程序阶段，而且在循环扫描的各个阶段。用户程序阶段，而且在循环扫描的各个阶段。 在在PLC系统中，不是在每条指令结束后都查询有无中断请系统中，不是在每条指令结束后都查询有无中断请 求，而是在求，而是在相关的程序块结束后才查询中断申请相关的程序块结束后才查询中断申请。如果有中断。如果有中断 申请，则转入执行中断服务程序。如果用户程序是模块结构，申请，则转入执行中断服务程序。如果用户程序是模块结构

37、， 则在每个模块结束或进行块调用时处理中断。中断过程如图则在每个模块结束或进行块调用时处理中断。中断过程如图2-9 所示。所示。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 图2-9PLC 中断过程示意图 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 用户程序是循环扫描的，但是对中断程序来说，只有中断申请用户程序是循环扫描的，但是对中断程序来说，只有中断申请 被接受后中断程序才被扫描一次。如果要多次执行中断程序，被接受后中断程序才被扫描一次。如果要多次执行中断程序， 则必须进行多次中断申请。则必须进行多次中断申请。 c、中断源排队的先后顺序。在、中断源排队的先后顺序。

38、在PLC系统中，系统中，中断源的信息中断源的信息 是通过输入点进入系统的是通过输入点进入系统的，PLC的扫描输入点是按顺序进行的，的扫描输入点是按顺序进行的， 中断源的先后顺序是按照它们占有输入点的编号的前后顺序自中断源的先后顺序是按照它们占有输入点的编号的前后顺序自 动排成的。所以，在进行中断源排序时，首先确定中断源的顺动排成的。所以，在进行中断源排序时，首先确定中断源的顺 序，然后按系统扫描输入点的顺序相应连接。系统接到中断申序，然后按系统扫描输入点的顺序相应连接。系统接到中断申 请后，顺序扫描中断源，它有可能一次或多次提出申请。系统请后，顺序扫描中断源，它有可能一次或多次提出申请。系统

39、在扫描中断的过程中，在存储器的特定区建立在扫描中断的过程中，在存储器的特定区建立“中断处理申请中断处理申请 表表”，按顺序存放中断信息，中断源被扫描过后，中断处理表，按顺序存放中断信息，中断源被扫描过后，中断处理表 也建立完毕，系统按中断处理表的先后顺序转至相应的中断处也建立完毕，系统按中断处理表的先后顺序转至相应的中断处 理程序入口地址进行中断处理。理程序入口地址进行中断处理。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 d、中断程序的编制。在、中断程序的编制。在PLC系统中，中断程系统中，中断程 序的编制与计算机系统基本一致，允许中断、序的编制与计算机系统基本一致，允许中断、

40、 禁止中断、中断源于中断服务程序的对等关系禁止中断、中断源于中断服务程序的对等关系 都是一样的。但也有些不同之处，在都是一样的。但也有些不同之处，在PLC系统系统 中，多中断源可以有优先顺序。值得注意的是，中，多中断源可以有优先顺序。值得注意的是， 在有的在有的PLC系统中，有一条中断返回指令系统中，有一条中断返回指令 RETI，它的含义是，在中断程序执行中，若，它的含义是，在中断程序执行中，若 条件成立，中断程序的执行被终止，并且条件成立，中断程序的执行被终止，并且PLC 返回主程序。返回主程序。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 3梯形图程序的扫描工作原理梯形图程序

41、的扫描工作原理 当当PLC运行时，用户程序中有众多的程序需要去执行，但运行时，用户程序中有众多的程序需要去执行，但 CPU是不能同时执行多个操作的，它只能按分时操作原理是不能同时执行多个操作的，它只能按分时操作原理 每一时刻执行一个操作。由于每一时刻执行一个操作。由于CPU的运算处理速度很高，的运算处理速度很高， 使得出现的结果从宏观看来似乎是同时完成的。这种分时使得出现的结果从宏观看来似乎是同时完成的。这种分时 操作的过程称为操作的过程称为CPU对程序的扫描。扫描是一种形象化的对程序的扫描。扫描是一种形象化的 术语，用作描述术语，用作描述CPU是如何完成分配给它的各种任务的方是如何完成分配给

42、它的各种任务的方 式。式。 当当PLC处于运行状态时，它处于运行状态时，它首先执行系统程序首先执行系统程序，进行，进行 自检等工作。自检等工作。然后开始执行用户程序然后开始执行用户程序。梯形图程序的运行。梯形图程序的运行 总是从第一个梯级开始，按照梯级递增的方向逐个梯级扫总是从第一个梯级开始，按照梯级递增的方向逐个梯级扫 描。也就是顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。描。也就是顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。每扫每扫 描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描， 并周而复始的重复。并周而复始的重复。具体过程见图具体过程见图2-10

43、。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 图2-10 梯形图程序的扫描原理 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 在图在图2-10中，每条指令均已赋予地址值，这些地址中，每条指令均已赋予地址值，这些地址 分别对应于用户数据存储区不同的数据存储单元。分别对应于用户数据存储区不同的数据存储单元。 若程序中有中断或跳转控制指令，则扫描在指令所若程序中有中断或跳转控制指令，则扫描在指令所 在处中断或跳转，执行完其它操作后再次返回中断在处中断或跳转，执行完其它操作后再次返回中断 或跳转处继续扫描。或跳转处继续扫描。 顺序扫描的工作方式简单直观，它简化了程序顺序扫描

44、的工作方式简单直观，它简化了程序 的设计，并为的设计，并为PLC的可靠运行提供了非常有利的保的可靠运行提供了非常有利的保 证。一方面，所扫描到的指令被执行后，其结果马证。一方面，所扫描到的指令被执行后，其结果马 上就可以被将要扫描到的指令所利用。另一方面，上就可以被将要扫描到的指令所利用。另一方面， 还可以通过还可以通过CPU设置的定时器来监视每次扫描是否设置的定时器来监视每次扫描是否 超过规定时间，从而避免由于超过规定时间，从而避免由于CPU内部故障使程序内部故障使程序 进入死循环而造成的故障影响。进入死循环而造成的故障影响。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 根据根

45、据PLC的工作原理可知，的工作原理可知，PLC的循环扫描周期值是的循环扫描周期值是 PLC控制程序性能指标的重要内容。因为扫描周期的控制程序性能指标的重要内容。因为扫描周期的 长短直接影响到长短直接影响到PLC对外部控制信息变化的反应能力。对外部控制信息变化的反应能力。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 4. 与计算机的异同与计算机的异同 相同点：相同点： （1）基本结构相同）基本结构相同 （2）程序执行原理相同）程序执行原理相同 不同点：不同点： 两者的不同点主要体现在工作方式上。两者的不同点主要体现在工作方式上。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作

46、原理 5. 与继电接触器的异同与继电接触器的异同 相同点：相同点： 图形结构和逻辑关系相同。图形结构和逻辑关系相同。 不同点：不同点： （1）实现原理不同）实现原理不同 （2）工作方式不同）工作方式不同 返回本节返回本节 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 6技术性能指标技术性能指标 1. 外形尺寸外形尺寸 2. 输入输出点数输入输出点数 3. 机器字长机器字长 4. 速度速度 5. 指令系统指令系统 6. 存储器容量存储器容量 7. 扩展性扩展性 8. 通信功能通信功能 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 2.3 软件和编程软元件软件和编程软元件

47、2.3.1.软件软件 软件是软件是PLC不可缺少的部分，共有如下两个方面不可缺少的部分，共有如下两个方面 的内容：的内容： 第一部分是监督程序，由可编程制造商提供，用于控第一部分是监督程序，由可编程制造商提供，用于控 制可编程控制器本身的运行。制可编程控制器本身的运行。 第二部分是用户程序，由用户编制，用于控制被控装第二部分是用户程序，由用户编制，用于控制被控装 置的运行。置的运行。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 （1）监控程序）监控程序 系统监控程序分成如下几个部分：系统监控程序分成如下几个部分： 运行管理 生成用户元件 内部自检查 管理程序 用户指令和解释程序

48、标准程序模块和系统调用 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 系统管理程序控制系统管理程序控制PLC的整体运行。的整体运行。 n运行管理运行管理，完成，完成PLC运行时间上的分配管理。即运行时间上的分配管理。即 控制控制PLC的输入、输出、运算、自检、通信的时的输入、输出、运算、自检、通信的时 机。机。 n进行存储空间的管理进行存储空间的管理，即生成用户环境，由它规，即生成用户环境，由它规 定各种参数、程序的存放地址，将用户使用的数定各种参数、程序的存放地址，将用户使用的数 据参数存储地址转化为实际的数据格式及物理地据参数存储地址转化为实际的数据格式及物理地 址。址。 n系

49、统自检程序系统自检程序，完成，完成PLC系统的出错检查、用户系统的出错检查、用户 程序语法检查、句法检验、警戒时钟的运行等。程序语法检查、句法检验、警戒时钟的运行等。 a.用户指令解释程序用户指令解释程序：将梯形图程序逐条翻译成：将梯形图程序逐条翻译成 相应的机器语言，然后通过相应的机器语言，然后通过CPU完成程序功能。完成程序功能。 用户程序变为内码是由编辑程序实现的。用户程序变为内码是由编辑程序实现的。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 标准程序模块和系统调用标准程序模块和系统调用：由独立的程序块组成的，：由独立的程序块组成的， 各自完成不同的功能，有些完成输入、输

50、出，有些完成各自完成不同的功能，有些完成输入、输出，有些完成 特殊运算、有些完成通信等。这部分程序的多少，就决特殊运算、有些完成通信等。这部分程序的多少，就决 定了可编程控制器性能的强弱。定了可编程控制器性能的强弱。 系统监控程序是一个有机的整体，不可分割。它的系统监控程序是一个有机的整体，不可分割。它的 质量的好坏很大程度上影响质量的好坏很大程度上影响PCL的性能，通过改进系统的性能，通过改进系统 监控程序就可以在不增加任何硬设备的条件下大大改善监控程序就可以在不增加任何硬设备的条件下大大改善 PCL的性能。的性能。 （2）用户程序：）用户程序： 1. 梯形图梯形图 2. 语句表语句表 3.

51、 逻辑符号图逻辑符号图 4. 高级语言、汇编语言。高级语言、汇编语言。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 2.3.2 编程软元件编程软元件 数据类型：数据类型： 1、位（、位（bit）是二进制的一位，仅）是二进制的一位，仅1，0两个取值，分别对应软两个取值，分别对应软 继电器的得电与失电（继电器的得电与失电（ON或或OFF）状态。）状态。 2、字数据。通常为、字数据。通常为BCD码的形式，码的形式，FX，A系列中以系列中以4位位BCD码，码， 双字节为双字节为8位位BCD码，书写是如果是十进制就加前缀码，书写是如果是十进制就加前缀K（如（如K123） 如果是十六进制就加

52、前缀如果是十六进制就加前缀H（如（如H123）。）。 因为因为PLC是在继电接触控制系统基础上发展起来的，故对是在继电接触控制系统基础上发展起来的，故对 内部器件命名上使用了不少继电器的术语，将存储器按功能定内部器件命名上使用了不少继电器的术语，将存储器按功能定 义为不同类型的继电器，如输入输出继电器、内部辅助继电器、义为不同类型的继电器，如输入输出继电器、内部辅助继电器、 特殊功能继电器、保持继电器、定时器、计数器等。特殊功能继电器、保持继电器、定时器、计数器等。 3、字与、字与bit的混合，即同一元件有的混合，即同一元件有bit元件又有字元件。例如元件又有字元件。例如T （定时器）和（定时

53、器）和C（计数器），它们的触点为（计数器），它们的触点为bit，而设定值寄存，而设定值寄存 器和当前寄存器又为字。器和当前寄存器又为字。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 作为继电器应有线圈和触点，触点分为常开触点作为继电器应有线圈和触点，触点分为常开触点 和常闭触点。常开触点，若线圈不得电则它不闭合和常闭触点。常开触点，若线圈不得电则它不闭合 （OFF），线圈得电它闭合（），线圈得电它闭合（ON）；常闭触点，若）；常闭触点，若 线圈不得电则它闭合（线圈不得电则它闭合（ON），线圈得电它不闭合），线圈得电它不闭合 （OFF）。）。PLC的的CPU内部既没有线圈，也没有触

54、内部既没有线圈，也没有触 点，只有内存单元，但在性能上可以认为：线圈得电点，只有内存单元，但在性能上可以认为：线圈得电 即对应单元为即对应单元为1，线圈不得电即对应单元为，线圈不得电即对应单元为0；常开；常开 触点的状态，是指直接读对应单元的状态；常闭触点触点的状态，是指直接读对应单元的状态；常闭触点 的状态，是指直接读对应单元的状态，然后取反。这的状态，是指直接读对应单元的状态，然后取反。这 样的继电器也称软继电器。显然，软继电器的触点的样的继电器也称软继电器。显然，软继电器的触点的 使用次数不受限制。使用次数不受限制。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 元件：元件：

55、 用户使用的每一个输入输出端子及内部的每一个用户使用的每一个输入输出端子及内部的每一个 存储单元都称为元件。各种元件有其不同的功能、有存储单元都称为元件。各种元件有其不同的功能、有 其固定的地址。元件的数量是由监控程序规定的，它其固定的地址。元件的数量是由监控程序规定的，它 的多少就决定了可编程控制器整个系统的规模及数据的多少就决定了可编程控制器整个系统的规模及数据 处理能力。每一种可编程控制器的元件数都是有限的。处理能力。每一种可编程控制器的元件数都是有限的。 下面介绍下面介绍FX2N系列系列PLC部分元件的功能。部分元件的功能。 （1）输入（）输入（X）、输出继电器（）、输出继电器（Y）

56、输入、输出继电器，是与输入、输出点对应的存输入、输出继电器，是与输入、输出点对应的存 储单元，它的数量决定储单元，它的数量决定PLC配置的最多配置的最多I/O点数。点数。 输入继电器与输入点对应。输入继电器与输入点对应。当当PLC扫描到输入刷扫描到输入刷 新阶段时，输入端子的状态映像到输入继电器中。输新阶段时，输入端子的状态映像到输入继电器中。输 入继电器以位或以通道（入继电器以位或以通道（16位）为单位读入、传送。位）为单位读入、传送。 输入继电器只读，不能用程序改写，也不能由程序驱输入继电器只读，不能用程序改写，也不能由程序驱 动。动。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作

57、原理 输出继电器与输出点对应。输出继电器与输出点对应。当当PLC扫描到输出刷扫描到输出刷 新阶段时，输出继电器的状态被映像到输出电路的锁新阶段时，输出继电器的状态被映像到输出电路的锁 存器中，锁存器再经电路输出到端子上，变成端子的存器中，锁存器再经电路输出到端子上，变成端子的 输出。输出继电器可以被读或写。写输出继电器，在输出。输出继电器可以被读或写。写输出继电器，在 输出端子上获得要求的输出；读输出继电器用于反馈输出端子上获得要求的输出；读输出继电器用于反馈 控制。控制。对用户程序，输出继电器是可读写的存储器单对用户程序，输出继电器是可读写的存储器单 元。元。 FX2系列系列PLC输入、输出

58、继电器标号用输入、输出继电器标号用8进制。进制。 （其他所有软元件元件号均按十进制编号）（其他所有软元件元件号均按十进制编号） 例如例如:X00X07,X10X17,X20X27 Y00Y07,Y10Y17,Y20Y27 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理 （2）辅助继电器（）辅助继电器（M） 内部辅助继电器与输入、输出端子无对应物理关内部辅助继电器与输入、输出端子无对应物理关 系，它只占内存单元的系，它只占内存单元的1位。位。它与输出继电器一样，可它与输出继电器一样，可 以用相应的指令读写，它的功能与继电接触控制中的以用相应的指令读写，它的功能与继电接触控制中的 中间继

59、电器相同，用它可以完成输入与输出间复杂的中间继电器相同，用它可以完成输入与输出间复杂的 变换。辅助继电器的触点可以无限次使用，变换。辅助继电器的触点可以无限次使用，但这些触但这些触 点不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动只能由输点不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动只能由输 出继电器实行。出继电器实行。内部辅助继电器的的多少也是反应内部辅助继电器的的多少也是反应 PLC性能的一个重要指标。性能的一个重要指标。 分为通用辅助继电器、停分为通用辅助继电器、停 电保持辅助继电器、停电保持专用辅助继电器。电保持辅助继电器、停电保持专用辅助继电器。 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原

60、理 A、通用辅助继电器、通用辅助继电器M0M499（500点）点） 可用参数设置方法改为停电保持用。可用参数设置方法改为停电保持用。 B、停电保持辅助继电器、停电保持辅助继电器M500M1023（524点）点） 可用参数设置方法改为非停电保持用。可用参数设置方法改为非停电保持用。 可以保存停电时的状态，并在再运行进再现该状态。可以保存停电时的状态，并在再运行进再现该状态。 由后备电池支持。由后备电池支持。 C、停电保持专用辅助继电器、停电保持专用辅助继电器M1024M3071 （2048点）点） 停电保持特性不能更改停电保持特性不能更改 第第2 2章章 PLCPLC结构和工作原理结构和工作原理