第二章 PLC的硬件与工作原理

1、 第二章 PLC的基本组成的基本组成PLC的基本组成的基本组成主要由CPU模块模块、输入模块输入模块、输出模块输出模块和和编程器编程器组成 中中央央处处理理单单元元数数据据存存储储器器输输出出接接口口地址总线地址总线 控制总线控制总线数据总线数据总线编程编程单元单元灯光指示灯光指示电磁阀门电磁阀门接触器接触器电源电源输输入入接接口口模拟量输入模拟量输入行程开关行程开关继电器接点继电器接点各种开关各种开关程序存储器程序存储器警报器警报器电机电机2.1.1 可编程序控制器的基本结构可编程序控制器的基本结构1.中央处理单元（中央处理单元（CPU）：）：CPU模块主要由模块主要由微处理器微处理器和和储

2、存器储存器组成组成作用作用：(1)从程序存储器读取程序指令，编译、执行指令从程序存储器读取程序指令，编译、执行指令 (2)将各种输入信号取入将各种输入信号取入 (3) 把运算结果送到输出端把运算结果送到输出端 (4) 响应各种外部设备的请求响应各种外部设备的请求 （1）通用处理器：8086、80286、80386（2）单片机芯片：8031、8096（3）位片式微处理器：AMD-2900小型PLC多采用8位微处理器或单片机作为CPU中型PLC多采用16位微处理器或单片机作为CPU大型PLC多采用高速位片式微处理器RAM：存储各种暂存数据、中间结果、用户正调存储各种暂存数据、中间结果、用户正调 试

3、的程序。试的程序。ROM：存放监控程序和用户已调试好的程序。存放监控程序和用户已调试好的程序。2. 存储器存储器3. 输入、输出接口：输入、输出接口：采用光电隔离，实现了采用光电隔离，实现了PLC的内部的内部电路与外部电路的电气隔离，减小了电磁干扰。电路与外部电路的电气隔离，减小了电磁干扰。输出接口作用：输出接口作用：将主机向外输出的信号转换成可以驱动外将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。输出三种形式：输出三种形式：继电

4、器继电器 - 低速大功率低速大功率 可控硅可控硅 - 高速大功率高速大功率 晶体管晶体管 - 高速小功率高速小功率输入接口作用：输入接口作用：将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。转换成数字信号送入主机。输入、输出接口输入、输出接口 状态：接通和断开2种状态 电压等级：直流5V， 12V， 24V，48V ，110V交流110V，220V等图2-6直流输入电路1）输入接口电路：）输入接口电路：采用采用光电耦合器，防止强电干扰。光电耦合器，防止强电干扰。COM光电三极管光电三极管发光二极管发光二极管直流电源直流电源输入端子输入端子+P

5、LCXn+24V发光二极管发光二极管图2-8 交流/直流输入电路继电器输出继电器输出2）输出模块：）输出模块：以以继电器形式为例继电器形式为例：PLC内内部部电电路路内内部部电电路路J+交流电源或交流电源或直流电源直流电源YCOM-继电器输出电路晶体管输出电路4.电源单元 把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。 有的电源单元还向外提供24v隔离直流电源，可供开关量输入单元连接的现场无源开关等使用。 可编程序控制器的电源一般采用开关式电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。5. 各种接口、高功能模块：各种接口、高功能模块：便于扩展便于扩展 小型机：小型机：一

6、体机。有接口可扩展。一体机。有接口可扩展。 Power in a Small Package!电源模块CPU模块IO模块底 板中、大型机：中、大型机：模块式。可根据需要在主板上随意组合模块式。可根据需要在主板上随意组合。编程设备可以是专用编程设备可以是专用的手持式的编程器；也可的手持式的编程器；也可以是安装了专门的编程通以是安装了专门的编程通讯软件的个人计算机。讯软件的个人计算机。5. 编程设备编程设备用户可以通过键盘输用户可以通过键盘输入和调试程序；另外在运入和调试程序；另外在运行时，还可以对整个控制行时，还可以对整个控制过程进行监控。过程进行监控。PCFP PROGRAMMER(HELP)

7、CLRWRTFN/PFLSTKIX/IYNOTDT/LdREADOTL WLORR WRANY WYSTX WXSRC(-)OP(BIN)K/HSCCTC EVTMT SVACLRENTBAFEDC 98 3 2 1 0 7 6 5 4(DELT)CLR手持式的编程器手持式的编程器2.1.4开关量I/O模块的外部接线方式 两种状态：接通、断开。电压等级：5V,12V,24,48V,110V和交流110V,220V外部接线方式 汇点式、分组式、分隔式。 2.2可编程序控制器的工作原理2.2.1继电器 继电器在控制系统中的作用1功率放大2电气隔离3逻辑运算 例：如下电路 2.2.2 可编程序控制器

8、的工作原理 两种基本的工作状态： 运行状态RUN；停止状态STOP。 一扫描过程概念 扫描周期：执行一次扫描的时间。整个过程扫描一次所需的时间。与CPU时钟频率、指令类型（扫描速 度）、程序长短有关。扫描周期是扫描周期是PLCPLC一个很重要的指标一个很重要的指标 一般小型一般小型PLCPLC的扫描周期为十几毫秒到几十毫秒。的扫描周期为十几毫秒到几十毫秒。 注：注： 当PLC处于STOP状态时，只完成内部处理和通信服务工作。当PLC处于RUN状态时，应完成全部五个阶段的工作。扫描过程：用户程序通过编程器输入并存在PLC的用户存储器中，当PLC运行时，用户程序中的众多操作方式需用执行，但CPU不

9、能同时执行多个操作的，他只能按分时操作原理工作，即每一刻只能执行一个操作。由于CPU的运算速度很高，使得外部出现的结果从宏观上看像是同时完成的，这种按分时原则顺序执行程序的操作过程称为CPU对程序的扫描。 扫描过程分为5个阶段内部处理：PLC检查CPU模块内部的硬件是否正确。对监视定时器复位，其它内部处理。 通信服务：与其它智能装置（编程器、计算机）通信。如：响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。输入处理阶段：以扫描方式按顺序采样所有输入端的状态，并存入输入映象寄存器中。（输入寄存器被刷新）。 注意 输入触点电路接通时，对应输入寄存器为“1 ,梯形图中对应继电器常开触点接通，常闭触点断开

10、。 程序执行：输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。 PLC梯形图程序扫描原则：先左后右、先上后下的步序，逐句扫描。并将结果存入相应的寄存器。输出处理阶段：CPU将输出映像寄存器的0/1状态传送到输出锁存器。输出状态寄存器（Y）中的内容转存到输出锁存器输出，驱动外部负载。线圈通电：输出映像寄存器为1状态线圈断电：输出映像寄存器为0状态，常开触点断开补充：补充：PLCPLC扫描工作方式的特点扫描工作方式的特点： 2 2、优点：提高系统的抗干扰能力。、优点：提高系统的抗干扰能力。 集中采样、集中输出的扫描工作方式集中采样、集中输出的扫描工作方式使使PLCPLC在工作的大部分

11、时间与外设隔离，从在工作的大部分时间与外设隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性统的可靠性。 3、缺点：响应滞后，降低系统的响响应滞后，降低系统的响应速度。应速度。 输入输入/输出滞后时间又称为系统响输出滞后时间又称为系统响应时间。应时间。 输入输出滞后时间又称为系统响应时输入输出滞后时间又称为系统响应时间，是指间，是指PLC外部输入信号发生变化外部输入信号发生变化的时刻起至它控制的有关外部输出信的时刻起至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻止之间的时间间隔。号发生变化的时刻止之间的时间间隔。它由输入电路的滤波时间、输出模块它由输入电路

12、的滤波时间、输出模块的滞后时间和因扫描工作方式产生的的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分所组成。滞后时间三部分所组成。 输入输出滞后时间PLC与电器控制的区别：工作方式不同继电器控制是按“并行”方式工作的，或者说是同时执行的，只要形成电流通路，可能同时有好几个电器工作，而PLC是按顺序扫描的方式工作，也就是说，PLC是以“串行”方式工作的，它是循环的，连续的顺序逐条执行程序，任一时刻它只能执行一条指令。PLC的这种串行工作方式可避免继电器控制的触点竞争和时序失配问题。 举例说明PLC的扫描过程指令LD X0OR Y0ANI X1OUT Y0逻辑运算为 梯形图中的各个继电器都不是指物理

13、器件，这些器件实际上是PLC内部的电子电路和存储器，它是以特有、形象的符号来表示PLC程序抽象的逻辑关系，反映了PLC内部存储器位的逻辑状态，通常被称为“软继电器”。 CPU：等待命令。等待命令。PLC：循环扫描。循环扫描。即：即：CPUCPU从第一条指令开始执行，遇到结束符又返回第一条，从第一条指令开始执行，遇到结束符又返回第一条， 不断循环。不断循环。 PLC从从0000号存储地址所存放的号存储地址所存放的第一条第一条用户程序开始，用户程序开始，在无中断或跳转的情况下，按存储地址号递增的方向顺在无中断或跳转的情况下，按存储地址号递增的方向顺序执行用户程序，直到序执行用户程序，直到END指令

14、结束。然后再从头开始指令结束。然后再从头开始执行，并周而复始，直到停机或切换到执行，并周而复始，直到停机或切换到STOP停止状态。停止状态。例如下面的两个梯形图，执行的结果是一样的，但扫描执行过程，扫描用的时间不一样图：图：PLCPLC扫描过程扫描过程PLC扫描过程：扫描过程： 输入采样程序执行输出输入采样程序执行输出刷新刷新PLCPLC控制电机正反转接线图（控制电机正反转接线图（I I） （b）内部寄存器）内部寄存器SB1SB1：正转启动按钮：正转启动按钮SB2SB2：反转启动按钮：反转启动按钮SB3SB3：停止按钮：停止按钮KM1KM1：正转接触器：正转接触器KM2KM2：反转接触器：反转

15、接触器 （a）PLC接口图接口图(c)梯形图梯形图PLCPLC控制电机正反转接线图（控制电机正反转接线图（IIII） 梯形图梯形图指令表指令表梯形图以指令的形式存储在梯形图以指令的形式存储在PLCPLC的的用户程序存储器中，其指令表为：用户程序存储器中，其指令表为：序号序号 助记符助记符 操作数操作数 0 LD X00 LD X0 1 OR Y0 1 OR Y0 2 ANI X2 2 ANI X2 3 ANI Y1 3 ANI Y1 4 4 OUT Y0 OUT Y0 5 LD X1 5 LD X1 6 OR Y1 6 OR Y1 7 ANI X2 7 ANI X2 8 ANI Y0 8 AN

16、I Y0 9 OUT Y1 9 OUT Y1 10 END 10 END序号序号 助记符助记符 操作数操作数 Y0=Y0=（X0+Y0)X0+Y0)/X2/X2/Y1/Y1 Y1= Y1=（X1+Y1)X1+Y1)/X2/X2/Y0/Y0ENDENDX X0 0Y Y1 1X X2 2Y Y0 0Y Y0 0X X1 1Y Y0 0X X2 2Y Y1 1Y Y1 1梯形图PLC内部线圈用常开触点常闭触点注意：软继电器中的常开触点，常闭触点可以在程序中使用无数次或PLC中有两类中有两类“接点接点”：和和。符号分别为：符号分别为：接点通断情况与接点的赋值有关：（以接点通断情况与接点的赋值有关：（

17、以 Y0Y0为例：为例：若若 Y0Y0的逻辑赋值为的逻辑赋值为“1”1”，则，则Y0Y0接通接通断开断开PLC工作过程定期检查用户程序存储器、定期检查用户程序存储器、I/O单元的连接、单元的连接、I/O总线是否正常，定期复位监控定时器总线是否正常，定期复位监控定时器WDTPLC之间以及之间以及PLC与与PC之间；之间； PLC与其他带与其他带微处理器的智能装置通信微处理器的智能装置通信编程器、终端设备、彩色图形显示器、打印机编程器、终端设备、彩色图形显示器、打印机 以扫描的方式按顺序逐句扫描处理，运算结果以扫描的方式按顺序逐句扫描处理，运算结果存入输出映象区对应位中存入输出映象区对应位中 扫描

18、的方式输入信号的状态存入输入映象区；扫描的方式输入信号的状态存入输入映象区；结果存入输出映象区，直至传送到外部被控设结果存入输出映象区，直至传送到外部被控设备。备。 清除内部继电器区，复位定时器等，并进行自诊清除内部继电器区，复位定时器等，并进行自诊断，对电源、断，对电源、PLC内部电路、用户程序的语法进内部电路、用户程序的语法进行检查。行检查。 2PLC处于RUN状态时要完成的操作 1 输入处理 2 程序执行 3输出处理（可编程序控制器对用户程序进行循环扫描可分为三个阶段进行，即输入采样阶段，程序执行阶段和输出刷新阶段。) 三三 映像寄存器：映像寄存器：用来存放输入和输出状态的区域用来存放输

19、入和输出状态的区域输入点总有输入映象区的某一位与之相对应输入点总有输入映象区的某一位与之相对应 PLC工作时，将采集到的输入信号状态存放在工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映象区对应的位上；将运算的结果存放输入映象区对应的位上；将运算的结果存放到输出映象区对应的位上。到输出映象区对应的位上。PLC在执行用户在执行用户程序时所需程序时所需“输入继电器输入继电器”、“输出继电器输出继电器”的数据取用于的数据取用于I/O映象区，而不直接与外映象区，而不直接与外部设备发生关系部设备发生关系 。补充补充 可编程控制器的基本指标可编程控制器的基本指标 PLC的基本指标： 一、输入输出点数一、输入输出

20、点数 输入输出点数（I/O点数）：输入、输出接线端的个数。 OMRON公司生产的CPM1A型I/O比为3:2； 三菱的FX2N系列为1:1 二、扫描速度二、扫描速度 1、执行 1000 步指令所需的时间来衡量，单位为毫毫秒秒 / / 千步千步。 2、执行一步指令时间计，单位为微秒微秒 / / 步步。 三、存储器容量三、存储器容量 PLC的存储容量一般指用户程序存储器的容量。 通常用“字”或“步”来描述。 OMRON的CPM1A型PLC的存储容量为2048字。 三菱的FX2N系列PLC的存储容量为8K步（可扩至16K步）。 四、编程语言四、编程语言 不同厂家生产PLC的编程语言是不同的。 PLC

21、PLC的编程语言：的编程语言：用梯形图（ LAD ）、 指令表（ STL ）、顺序功能图（SFC）、 状态转移图、逻辑功能图、高级语言。 梯形图以其直观、编程容易而成为主要编程语言，梯形图程序可直接输入PLC，无需写出指令表。 手持式编程器进行编程时，要输入指令表语句。 五、指令功能五、指令功能 可编程控制器的指令种类越多，则其软件的功能就越强，使用这些指令完成一定的控制目标的就越容易。 此外，可编程控制器的可扩展性、使用条件、可靠可扩展性、使用条件、可靠性、易操作性及经济性性、易操作性及经济性等性能指标也是用户在选择可编程控制器时须注意的指标。 2.3 FX系列可编程序控制器的性能简介三菱 FX 系列小型可编程控制器是当前国内外最新、最具特色、最具代表的微型PL