第3章PLC系统组成与工作原理

1、第第3章章 PLC系统组成和工作原理系统组成和工作原理n 3.1 PLC 系统的组成系统的组成n 3.2 PLC 的工作原理的工作原理n 本章小结本章小结3.1 PLC 系统的组成系统的组成l3.1.1 PLC的硬件系统的硬件系统l3.1.2 PLC的软件系统的软件系统 3.1.1 PLC的硬件系统的硬件系统 PLC的基本单元主要由微处理器的基本单元主要由微处理器(CPU)、存储器、输入和输出模块、电源模块、存储器、输入和输出模块、电源模块、I/O扩扩展接口、外设展接口、外设I/O接口以及编程器等部分组成。接口以及编程器等部分组成。 图图3-1:一般小型一般小型PLC的硬件系统简化框图。的硬件

2、系统简化框图。图图3-1 PLC 硬件系统简化框图硬件系统简化框图 1处理器（处理器（CPU） CPU是整个是整个PLC控制的核心，它指挥、协控制的核心，它指挥、协调整个调整个PLC的工作。它主要由控制器、运算器、的工作。它主要由控制器、运算器、寄存器等组成，其中控制器控制寄存器等组成，其中控制器控制CPU的工作，的工作，由它读取指令、解释指令及执行指令；运算器由它读取指令、解释指令及执行指令；运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作；寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，作；寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。它也是

3、在控制器指挥下工作。 PLC中常用的中常用的CPU有通用微处理器有通用微处理器(如如Z80、8086）、单片机（如）、单片机（如8031、8051）和位片式微）和位片式微处理器（如处理器（如AMD2901、AMD2903）。）。 2存储器存储器 存储器存储器是是PLC记忆或暂存数据的部件，一记忆或暂存数据的部件，一般由存储体、地址译码电路、读写控制电路和般由存储体、地址译码电路、读写控制电路和数据寄存器组成，用来存放系统程序、用户程数据寄存器组成，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量及其它一些信息。序、逻辑变量及其它一些信息。PLC的存储器的存储器分为系统存储器和用户程序存储器。分为系统存储器

4、和用户程序存储器。 系统存储器系统存储器用来存放系统程序。系统程序用来存放系统程序。系统程序由由PLC生产厂家编写并固化在生产厂家编写并固化在ROM内，它使内，它使PLC具有基本的智能，能够完成具有基本的智能，能够完成PLC设计者规设计者规定的各种工作。定的各种工作。 用户程序存储器用户程序存储器存放用户编制的控制程序。存放用户编制的控制程序。 常用的存储器类型：常用的存储器类型：CMOS RAM、ROM、PROM、EPROM EEPROM。 3. 输入输入/输出（输出（I/O）模块）模块 I/O模块模块是是CPU与现场用户输入、输出设备之间与现场用户输入、输出设备之间联系的桥梁。联系的桥梁。

5、 PLC的输入模块的输入模块用以接收和采集外部设备各类用以接收和采集外部设备各类输入信号（如按钮、各种开关、继电器触点等送来输入信号（如按钮、各种开关、继电器触点等送来的开关量；或电位器、测速发电机、传感器等送来的开关量；或电位器、测速发电机、传感器等送来的模拟量），并将其转换成的模拟量），并将其转换成CPU能接受和处理的数能接受和处理的数据。据。 PLC的输出模块的输出模块则是将则是将CPU输出的控制信息转输出的控制信息转换成外部设备所需要的控制信号去驱动控制元件换成外部设备所需要的控制信号去驱动控制元件(如如接触器、指示灯、电磁阀、调节阀、调速装置等接触器、指示灯、电磁阀、调节阀、调速装置

6、等)。 PLC提供多种用途和功能的提供多种用途和功能的I/O模块。模块。 为了提高为了提高PLC的抗干扰能力的抗干扰能力,一般的一般的I/O模块都有模块都有光电隔离装置。光电隔离装置。 4. 电源模块电源模块 电源是整机的能源供给中心。电源是整机的能源供给中心。PLC系统系统的电源分内部电源和外部电源。的电源分内部电源和外部电源。 内部电源内部电源：PLC内部配有开关式稳压电内部配有开关式稳压电源模块，用来将源模块，用来将220V交流电源转换成交流电源转换成PLC内内部各模块所需的直流稳压电源。小型部各模块所需的直流稳压电源。小型PLC的的内部电源往往和内部电源往往和CPU单元合为一体，大中型

7、单元合为一体，大中型PLC都有专用的电源模块。都有专用的电源模块。 外部电源外部电源又叫用户电源，用于传送现场又叫用户电源，用于传送现场信号或驱动现场负载，通常由用户另备。信号或驱动现场负载，通常由用户另备。 5. 编程器编程器 编程器编程器是对用户程序进行编辑、输入、调是对用户程序进行编辑、输入、调试，通过其键盘去调用和显示试，通过其键盘去调用和显示PLC内部的一些内部的一些状态和系统参数实现监控功能的设备。它是状态和系统参数实现监控功能的设备。它是PLC最重要的外围设备，是最重要的外围设备，是PLC不可缺少的一不可缺少的一部分。部分。 目前，许多目前，许多PLC都用微型计算机作为编程都用微

8、型计算机作为编程工具，只要配上相应的硬件接口和软件包，就工具，只要配上相应的硬件接口和软件包，就可以使用梯形图、语句表等多种编程语言进行可以使用梯形图、语句表等多种编程语言进行编程。编程。 6TD 200文本显示器文本显示器 TD200（Text Display 200）文本显示器）文本显示器是专用于是专用于S7-200系列系列PLC的文本显示和操作的文本显示和操作界面。界面。TD200支持中文操作和文本显示。支持中文操作和文本显示。 TD200的主要功能有：显示信息；在控的主要功能有：显示信息；在控制系统中可设定和修正参数；可以提供制系统中可设定和修正参数；可以提供8个由个由用户自定义的功能

9、键；提供密码保护功能；用户自定义的功能键；提供密码保护功能；可用可用STEP 7-Micro/WIN 软件进行编程，在软件进行编程，在S7-200系列的系列的CPU中保留了一个专用区域用中保留了一个专用区域用于与于与TD200交换数据，交换数据，TD200直接通过这些直接通过这些数据区访问数据区访问CPU的必要功能。的必要功能。 7. 外部设备外部设备I/O接口接口 PLC的外部设备的外部设备还有还有: EPROM写入器（用于将写入器（用于将用户程序写入到用户程序写入到EPROM中）、打印机、外存储器中）、打印机、外存储器（磁带或磁盘）等。外部设备（磁带或磁盘）等。外部设备I/O接口的作用就是

10、将接口的作用就是将这些外设与这些外设与CPU相连。某些相连。某些PLC可以通过通信接口与可以通过通信接口与其它其它PLC或上位计算机连接，以实现通信网络功能。或上位计算机连接，以实现通信网络功能。 8. I/O扩展接口扩展接口 当用户的输入、输出设备所需的当用户的输入、输出设备所需的I/O点数超过了点数超过了主机（基本单元）的主机（基本单元）的I/O点数时，就需要用点数时，就需要用I/O扩展单扩展单元加以扩展。元加以扩展。I/O扩展接口扩展接口就是用于扩展单元与基本就是用于扩展单元与基本单元之间的连接，它使得单元之间的连接，它使得I/O点数的配置更为灵活。点数的配置更为灵活。 3.1.2 PL

11、C的软件系统的软件系统 PLC的软件是指的软件是指PLC工作所使用的各种工作所使用的各种程序的集合，它包括系统软件和应用软件两程序的集合，它包括系统软件和应用软件两大部分。系统软件决定了大部分。系统软件决定了PLC的基本智能，的基本智能，应用软件则规定了应用软件则规定了PLC的具体工作。的具体工作。 系统软件系统软件又叫系统程序，是由又叫系统程序，是由PLC生产厂生产厂家编制的用来管理、协调家编制的用来管理、协调PLC的各部分工作，的各部分工作，充分发挥充分发挥PLC的硬件功能，方便用户使用的的硬件功能，方便用户使用的通用程序。系统软件通常被固化在通用程序。系统软件通常被固化在EPROM中中与

12、机器的其它硬件一起提供给用户。与机器的其它硬件一起提供给用户。 应用软件应用软件又叫用户程序，是用户根据实又叫用户程序，是用户根据实际系统控制需要用际系统控制需要用PLC的编程语言编写的。的编程语言编写的。 l3.2.1 PLC的工作方式的工作方式l3.2.2 PLC的工作过程的工作过程l3.2.3 扫描周期的计算与扫描周期的计算与PLC的的I/O响应时间响应时间3.2 PLC 的工作原理的工作原理 3.2.1 PLC的工作方式的工作方式 PLC对用户程序的执行对用户程序的执行采用循环扫描的采用循环扫描的工作方式。工作方式。 PLC开始运行时，开始运行时，CPU对用户程序作周对用户程序作周期性

13、循环扫描，在无跳转指令或中断的情况期性循环扫描，在无跳转指令或中断的情况下，下，CPU从第一条指令开始顺序逐条地执行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，然后又返回用户程序，直到用户程序结束，然后又返回第一条指令开始新的一轮扫描，并周而复始第一条指令开始新的一轮扫描，并周而复始地重复。在每次扫描过程中，还要完成对输地重复。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采集和对输出状态的刷新等工作。入信号的采集和对输出状态的刷新等工作。 PLC采用循环扫描的工作方式，这是有采用循环扫描的工作方式，这是有别于微型计算机、继电接触器控制的重要特别于微型计算机、继电接触器控制的重要特点。点

14、。 微机一般采用等待命令的工作方式。微机一般采用等待命令的工作方式。 继电接触器控制系统采用硬逻辑继电接触器控制系统采用硬逻辑“并行并行”运行的方式。运行的方式。 PLC采用循环扫描的工作方式，在工作过程中，采用循环扫描的工作方式，在工作过程中，如果某个软继电器的线圈接通，该线圈的所有常开如果某个软继电器的线圈接通，该线圈的所有常开和常闭触点并不一定会立即动作，只有和常闭触点并不一定会立即动作，只有CPU扫描到扫描到该接点时才会动作：其常闭触点断开，常开触点闭该接点时才会动作：其常闭触点断开，常开触点闭合。也就是说，合。也就是说，PLC在任一时刻只能执行一条指令，在任一时刻只能执行一条指令，是

15、以是以“串行串行”方式工作，这样便避免了继电接触器方式工作，这样便避免了继电接触器控制的触点竞争和时序失配问题。控制的触点竞争和时序失配问题。 3.2.2 PLC的工作过程的工作过程 1PLC的工作过程的工作过程 PLC整个工作过程包含五个阶段：自诊断、整个工作过程包含五个阶段：自诊断、与编程器等进行通信、输入采样、执行用户程与编程器等进行通信、输入采样、执行用户程序、输出刷新。图序、输出刷新。图3-2 PLC的工作过程框图：的工作过程框图：自诊断自诊断与编程器、与编程器、计算机等通信计算机等通信读入读入现场信号现场信号执行执行 用户程序用户程序输出输出结果结果 2. 输入和输出映像寄存器输入

16、和输出映像寄存器 输入和输出映像寄存器输入和输出映像寄存器是在是在PLC的的RAM工作区工作区中将一特定区域的存储单元作为输入映像寄存器和中将一特定区域的存储单元作为输入映像寄存器和输出映像寄存器的存储区。输出映像寄存器的存储区。 输入映像寄存器输入映像寄存器中存储着对应位输入中存储着对应位输入“继电器继电器”的通的通/断状态。高电平断状态。高电平“1”为通，低电平为通，低电平“0”为断。为断。此处此处“继电器继电器”是指由系统软件程序贼予的具有继是指由系统软件程序贼予的具有继电器功能的电器功能的“软继电器软继电器”。每位输入映像寄存器也。每位输入映像寄存器也对应着对应着PLC每个实际输入端的

17、通每个实际输入端的通/断状态。输入映像断状态。输入映像寄存器的内容只能被寄存器的内容只能被PLC中的中的CPU读出，而不能被读出，而不能被改写。改写。 输出映像寄存器输出映像寄存器单元存储着对应位输出寄存器单元存储着对应位输出寄存器的状态。在执行用户程序时，输出映像寄存器既可的状态。在执行用户程序时，输出映像寄存器既可被被PLC的的CPU读出，又可被读出，又可被CPU改写。改写。 3PLC对对I/O的处理规则的处理规则 （1）输入映像寄存器的状态取决于各输）输入映像寄存器的状态取决于各输入端子在上一个刷新期间的状态；入端子在上一个刷新期间的状态； （2）程序执行阶段所需的输入、输出状）程序执行

18、阶段所需的输入、输出状态，由输入映像寄存器和输出映像寄存器读态，由输入映像寄存器和输出映像寄存器读出；出； （3）输出映像寄存器的内容由程序中输）输出映像寄存器的内容由程序中输出指令的执行结果决定；出指令的执行结果决定； （4）输出锁存器中的内容由上一次输出）输出锁存器中的内容由上一次输出刷新时输出映像寄存器的状态决定；刷新时输出映像寄存器的状态决定； （5）各输出端子的通断状态由输出锁存）各输出端子的通断状态由输出锁存器的内容来决定。器的内容来决定。 3.2.3 扫描周期的计算与扫描周期的计算与PLC的的I/O响应时间响应时间 PLC执行自诊断、与编程器或计算机等执行自诊断、与编程器或计算机

19、等通信、输入采样、执行用户程序、输出刷新这通信、输入采样、执行用户程序、输出刷新这五个阶段的时间叫五个阶段的时间叫一个扫描周期一个扫描周期 。 扫描周期扫描周期T(没考虑与编程器等通信的时间没考虑与编程器等通信的时间)计算式：计算式： T=自诊断时间自诊断时间 + (输入点数输入点数x读入读入1点的时间点的时间) + (运算速度运算速度x程序步数程序步数)+(输出点数输出点数x输出输出1点的时间点的时间) I/O响应时间：响应时间：从从PLC的某一输入信号变的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。时间。 为了增强为了增强PLC的抗干扰能

20、力，提高其可靠性，的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离和的每个开关量输入端都采用光电隔离和RC滤波滤波电路等技术。另外电路等技术。另外, PLC采用了不同于一般微型计算采用了不同于一般微型计算机的运行方式机的运行方式,即循环扫描的工作方式。由于这两个即循环扫描的工作方式。由于这两个主要原因，使得主要原因，使得PLC的的I/O响应比一般微型计算机构响应比一般微型计算机构成的工业控制系统慢得多，其响应时间至少等于一成的工业控制系统慢得多，其响应时间至少等于一个扫描周期，最大时间为个扫描周期，最大时间为23个扫描周期。个扫描周期。PLC的这的这种滞后响应，对一般的工业控制系统来说无关紧要，种滞后响应，对