PLC的基本结构和工作原理

1、晋湖北三峡职业技术学院机电系第2讲可编程控制器基本结构和工作原理 PLC可编程控制技术 第二讲PLC的基本结构和工作原理 教学课题：可编程控制器的基本结构和工作原理 教学目的： 1. 熟悉PLC的结构组成、内部等效电路； 2. 理解掌握PLC的工作方式和工作过程 教学重点：PLC可编程序控制器的组成和工作过程 教学难点：PLC可编程序控制器的工作过程 教学方法：讲授 教学时间：2课时 教学过程及内容： 导入 要实现PLC的控制需要： 输入设备、输出设备、PLC硬件和软件（控制程序）。 一、PLC的基本组成 可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心 的结构，其

2、功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持，实际上可编程控制器就是 一种新型的工业控制计算机。Memorizer（RAM,ROM）, it is the memory devices of the PLC and used to store programs and data. （一）PLC的硬件结构 士微处理器（CPU）控制器的核心 机“ 、存储器（RAM、ROM ） 输入、输出部件（I/O部件）一一连接现场设备与 CPU之间的接口电路 电源部件一一为PLC内部电路提供能源 整体结构的PLC四部分装在同一机壳内 模块式结构的PLC各部件独立封装，称为模块，通过机架和总线连接而成 I/O的

3、能力可按用户的需要进行扩展和组合(扩展机) 另外，还必须有编程器一一将用户程序写进规定的存储器内 其他外设 外 设 接 口 编程器 系统程序 用户程序器 储 存 I/O 扩 展 接 口 1/C 扩 展 单 元 徽处理器CPU 接收现场信号 电源部件 1 Sy 出 部 件 驱动 |受控元件 I I 1基本单元 图1 PLC硬件结构 1. 中央控制处理单元(CPU) 可编程控制器中常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机和双极型位片式微处理 器三种类型。 通用微处理器有 8080、8086、80286、80386等；单片机有 8031、8096等；位 片式微处理器的AM2900、AM2903等。F

4、X2可编程控制器使用的微处理器是 16位的 8096单片机 2. 存储器 可编程控制器配有两种存储器：系统存储器和用户存储器 系统存储器：存放系统管理程序，用只读存储器实现。 用户存储器：存放用户编制的控制程序，一般用RAM实现或固化到只读存储器中 3. 输入输出接口 作用：连接用户输入输出设备和 PLC控制器，将各输入信号转换成 PLC标准电平供 PLC处理，再将处理好的输出信号转换成用户设备所要求的信号驱动外部负载。 对输入输出接口的要求：良好的抗干扰能力；对各类输入输出信号（开关量、模拟量、 直流量、交流量）的匹配能力。 PLC输入输出接口的类型：模拟量输入输出接口、开关量输入输出接口（

5、直流、交流 及交直流）。用户应根据输入输出信号的类型选择合适的输入输出接口。 开关量输入接口电路 各种输入接口均采取了抗干扰措施。如带有光耦合器隔离使PLC与外部输入信号进 行隔离；并设有RC滤波器，用以消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。 通常有三种类型：直流（12 24）V输入、交流（100 20）V输入与交流（200辺40）V 输入和交直流（12 24）V输入。直流输入模块的电源一般由机内24v电源提供，输入信号 接通时输入电流一般小于10mA ;交流输入模块的电源一般由用户提供。 开关量输出接口电路 有三种形式，即继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。开关量输出端的负载电源一般 由用户提供

6、，输出电流一般不超过 2A 第16页共12页 开关量输出端的负载电源一般由用户提供，输出电流一般不超过2A COM 卜u 旧八咆阪 输出端子的两种接法: 隔离式 输出各自独立，无公共点：各输出端子各自形成独立回路 汇点式 全部输入点（输出点）共用一个公共点。或者将输入点（输出点）分成几组，组内各点 共用一个公共点。各组的公共点之间相互隔离。组内的各点必须使用同一电压类型和同一电 压等级，各组可使用不同电压类型和等级的负载。 4. 电源 PLC的供电电源一般是市电，也有用直流 24V电源供电的。 5. 外围设备：编程器、打印机、演示板等 利用编程器可将用户程序输入 PLC的存储器，还可以用编程器

7、检查程序、修改程序; 利用编程器还可以监视PLC的工作状态。 6. 用户输入输出设备： 用户输入器件有控制开关和检测元件，即各种开关、按钮、传感器等；用户输出设备 主要有接触器、电磁阀、指示灯等。 （二）PLC的软件结构 在可编程控制器中，PLC的软件分为两大部分： 1. 系统监控程序：用于控制可编程控制器本身的运行。主要由管理程序、用户指令解释 程序和标准程序模块，系统调用。 2. 用户程序：它是由可编程控制器的使用者编制的，用于控制被控装置的运行。 PLC的内部等效电路 以两台电机的启动为例： PLC的输入端：用户输入设备 输入端子（I接口） SBiNSBiNSA刁 s- E J i Hl

8、 N PLC的输出端：PLC内部 输出端子（0接口） 用户输出设备 内部控制（梯形图）可视为由继电器、接触器等组 成的等效电路 输入COM端是机内电源24V的负极端，输出COM 端接用户负载电源。 三、工作原理 （一）基本工作模式：PLC有运行模式和停止模式 1. 运行模式：分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理五个阶段 2. 停止模式 当处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容。 (二) PLC工作过程： (1) 内部处理阶段： 在此阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些 其它内部工作。 (2) 通信服务阶段 在此阶段，PLC与一

9、些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显 示内容等，当PLC处于停状态时，只进行内容处理和通信操作等内容。 (3) 输入处理阶段 输入处理也叫输入采样。在此阶段顺序读取所有输入端子的通断状态，并将所读 取的信息存到输入映象寄存器中，此时，输入映像寄存器被刷新。 (4) 程序处理阶段 按先上后下，先左后右的步序，对梯形图程序进行逐句扫描并根据采样到输入映 像寄存器中的结果进行逻辑运算，运算结果再存入有关映像寄存器中。但遇到程序跳 转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。 (5) 输出刷新阶段 程序处理完毕后，将所有输出映象寄存器中各点的状态，转存到输出锁存器中， 再通过输

10、出端驱动外部负载。 在运行模式下，PLC按上述五个阶段进行周而复始的循环工作，称为循环扫描工 作方式。 (三) PLC工作方式与特点：集中采样、集中输出、周期性循环扫描，“串行”工作方式 1 扫描周期：PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的 时间称为扫描周期或工作周期。 PLC运行正常时，扫描周期的长短与 CPU的运算速度有关，与I/O点的情况有关, 与用户应用程序的长短及编程情况等均有关。通常用 PLC执行1K指令所需时间来说 明其扫描速度（一般110ms/K）。 2 .输出滞后：指从PLC的外部输入信号发生变化至它所控制的外部输出信号发生变化 的时间间隔。一般为

11、几十 一100ms. 弓I起输出滞后的因素：输入模块的滤波时间、输出模块的滞后时间、扫描方式引起的 滞后。 3. 由于PLC是集中采样，在程序处理阶段即使输入发生了变化，输入映象寄存器中的 内容也不会变化，要到下一周期的输入采样阶段才会改变。 4. 由于PLC是串行工作，所以PLC的运行结果与梯形图程序的顺序有关。 这与继电器控制系统 并行”工作有质的区别。避免了触点的临界竞争，减少繁琐的联 锁电路。 四、FX系列可编程控制器 三菱公司的PLC是最早进入中国市场的产品。小型机FX2N是近几年推出的高功能整体 式小型机。 FX系列PLC具有庞大的家族。基本单元（主机）有FX0、FX0S、FXON

12、、FX1、FX2、FX2C、 FXis、FX2N、FX2NC 9个系列。每个系列又有14、16、32、48、64、80、128点等不同 输入输出点数的机型，每个系列还有继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出三种输出形式。 1. FX系列PLC型号的含义 FX系列可编程控制器型号命名的基本格式为: 特殊种圧区别 输出电式+ 单元类型 I/O总点教V 系列序号# 说明： 系列序号：0,0S，ON，1,2,2C，1S，2N，2NC I/O总点数：14256 单兀类型： M -基本单元； EX- -输入专用扩展模块; 输出形式： R- 继电器输出； S- 晶闸管输出 特殊品种区别： D-DC 电源，DC输

13、入； H-大电流输出扩展模块（1A/1 C接插口输入输出方式； L-TTL输入型扩展模块； 例如：FX2N-32MRD 含义是： DC电源，DC输入的基本单元。 2. 主要性能指标 （1）硬件指标： 硬件指标包括 E-输入输出混合扩展模块； EY-输出专用扩展模块； T-晶体管输出； AI-AC 电源，AC输入； V-立式端子排的扩展模块； F-输入滤波器1ms的扩展模块； 独立端子（无公共端）扩展模块。 32点，继电器输出、 S FX2N系列，输入输出总点数为 般指标、输入特性和输出特性。 (2)软件指标: 软件指标包括运行方式、速度、程序容量、元件种类和数量、指令类型等。 3. FX系列P

14、LC的一般技术指标 FX系列PLC的一般技术指标包括基本性能指标、输入技术指标及输出技术指标，如下表: 表1 FX系列PLC的基本性能指标 项目Items FX1S FX1N FX2N 和 FX2NC 运算控制方式 computing 存储程序，反复运算computing con trol,iterative operati on con trol I/O Con trol mode控制方式 批处理方式(在执行 END指令时)，可以使用I/O刷新指令 Batch mode (in the in structio n executi on END), can use the I/O refres

15、h in structio ns 运算处理速 基本指令 0.55微秒/指令0.7微秒/指 0.08微秒/指令 度 eleme ntary 令 process ing in structi on speed 应用指 applicati on in structi on 令 3.7微秒/指令数百微秒/指令 1.52微秒/指令数百微秒/ 指令 程序语 言 program 逻辑梯形图和指令表，可以用步进梯形指令来生成顺序控制指 Ian guage 令 Logic ladder diagram and in struct ion list,Can be used stepper trapezoidin

16、struction to gen erate seque nee con trol comma nds 程序容量（EEPROM） 内置2KB步 内置8KB步 内置8KB步，用存储盒可达 Built- in2KB Built- in8KB 16KB 步 Built-in 8KB step, step step can up to 16KB step by STORAGE BOXES 指令数量 基 本 基本指令 elementaryinstruction27 条，步进指令 step numberof instructions eleme ntary 、 instruction 2 条 步 进 st

17、ep-by-step 应用指令 85条 89条 128条 I/O设置 最多30点 最多128点 最多256点 表2 FX系列PLC的输入技术指标 输入电压 DC24V 10% 元件号 X0 X7 其他输入点 输入信号电压 DC24V 10% 输入信号电流 DC24V,7mA DC24V,5mA 输入开关电流OFF-ON 4.5mA 3.5mA 输入开关电流ON -OFF 1.5mA 输入响应时间 10ms 可调节输入响应时间 X0X7为060mA (FX2N),其他系列015mA 输入信号形式 无电压触点，或NPN集电极开路输出晶体管 输入状态显示 输入ON时LED灯亮 表3 FX系列PLC的

18、输出技术指标 项目 继电器输出 晶闸管输出(仅 FX2N ) 晶体管输出 外部电源 最大 AC240V 或 DC30V AC85V 242V DC5 30V 最大 负载 电阻负 载 2A/1 点，8A/COM 0.3A/1点, 0.8A/COM 0.5A/1 点，0.8A/COM 感性负 载 80VA , 120/240VAC 36VA/AC 240V 12W/24V DC 灯负载 100W 30W 0.9W/DC240V (FX1S ),其他系列 1.5W/DC 24V 最小负载 电压v 5VDC时 2mA ,电压 v 24V DC 时 5mA (FX2N ) 2.3VA/240V AC 响应 时间 OFF ON 10ms 1ms 0.2ms ; 5 g（仅 Y0, Y1） ON 10ms 10ms 0.2