PLC的硬件结构与工作原理

1、第第3章章 PLC的硬件结构与工作原理的硬件结构与工作原理 PLC一般可从其一般可从其I/O点数、结构形式和功能三方面进行分类：点数、结构形式和功能三方面进行分类： 3.1 P LC3.1 P LC的分类的分类 1、根据、根据PLC的的I/O点数分点数分1）小型小型PLC I/O点数为点数为256点以下，点以下， I/O点数点数64点的为超小型点的为超小型2）中型中型PLC I/O点数为点数为2562048点点3）大型大型PLC I/O点数为点数为2048以上以上的，的，I/O点数超过点数超过8192点的为超大型点的为超大型PLC这个分类界限不是固定不变的，它随这个分类界限不是固定不变的，它随

2、PLC的发展而变化。的发展而变化。 具有逻辑运算、定时、计数、移位等基本功能，主要用于具有逻辑运算、定时、计数、移位等基本功能，主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机系统逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机系统 2、按功能分、按功能分 具有低档具有低档PLC功能外，具有较强的模拟量输入功能外，具有较强的模拟量输入/输出、算术输出、算术运算、通信联网等功能。有些还增设中断、运算、通信联网等功能。有些还增设中断、PID控制等功能。控制等功能。 具有中档机功能外，增加矩阵运算、平方根运算及其它特具有中档机功能外，增加矩阵运算、平方根运算及其它特殊功能函数运算等。高档殊功能函数运算等。高

3、档PLC机具有更强的通信联网功能。机具有更强的通信联网功能。 3、按结构形式分、按结构形式分1）整体式整体式PLC 电源、电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，接口等部件都集中装在一个机箱内， 具有结构紧凑、具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。体积小、价格低的特点。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。 小型小型PLC一般采用这种整体式结构，如一般采用这种整体式结构，如S7-2002）模块式模块式PLC 各部分用搭积木的方式组成系统，由框架和模块组成。模块装在框架上。各部分用搭积木的方式组成系统，由框架和模块组成。模块装在框架上。大、

4、中型大、中型PLC一般采用模块式结构。如一般采用模块式结构。如S7-300，S7-4003） 还有一些还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来。将整体式和模块式的特点结合起来。 CPU、电源、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是用扁平电缆接口等也是各自独立的模块，但它们之间是用扁平电缆连接。连接。整体式PLC模块式模块式PLC1、PLC的基本结构的基本结构 PLC的组成与微机类似，是一种的组成与微机类似，是一种以微处理器为核心以微处理器为核心用于控制的特殊用于控制的特殊计算机。计算机。中央处理器（中央处理器（CPU）、）、存储器、输入接口、存储器、输入接口、 输出接输出接口、

5、通信接口、电源等组成口、通信接口、电源等组成编程编程器器电电 源源输入单元输入单元输出单元输出单元CPU通信接口通信接口扩展接口扩展接口存储器存储器3.2 PLC3.2 PLC的组成的组成 CPU的作用的作用1）接收、存储用户程序或数据）接收、存储用户程序或数据2）检查、校验用户程序，如编程中的语法错误等）检查、校验用户程序，如编程中的语法错误等3）接收、存储从输入接口得到现场输入信息）接收、存储从输入接口得到现场输入信息4）执行用户程序，将执行结果送输出端口，驱动负载）执行用户程序，将执行结果送输出端口，驱动负载5）故障诊断）故障诊断2、CPU模块模块 1）通用微处理器通用微处理器（如（如8

6、086、80286等）等） 2） 单片微处理器单片微处理器（如（如8031、8096等）等） 3） 位片式微处理器位片式微处理器(如如AMD29W等等)存储器的作用存储器的作用： 存储器主要用于存放存储器主要用于存放系统程序、用户程序、数据系统程序、用户程序、数据 分为系统程序存储器、用户程序存储器分为系统程序存储器、用户程序存储器 存储器的类型存储器的类型： 可读可读/写操作的随机存储器写操作的随机存储器RAM 只读存储器只读存储器ROM、PROM、EPROM和和EEPROM主要由主要由CPU与存储器组成，与存储器组成，CPU有：有：系统程序系统程序: 用户程序用户程序:是用户根据控制对象生

7、产工艺及控制要求而编制的应用程序。是用户根据控制对象生产工艺及控制要求而编制的应用程序。 3、输入、输入/输出模块输出模块 输入（输入（Input）/输出（输出（Output）模块，简称）模块，简称I/O模块，是模块，是CPU与工业现场之与工业现场之间连接的通道。是系统的眼、耳、手、脚，是间连接的通道。是系统的眼、耳、手、脚，是CPU与外部联系的桥梁。与外部联系的桥梁。 输入模块用来接收和采集输入信号，输入信号有：输入模块用来接收和采集输入信号，输入信号有： 1）开关量输入信号）开关量输入信号 按钮、选择开关、行程开关、接近开关、光电开关按钮、选择开关、行程开关、接近开关、光电开关 分主令元件

8、，检测元件分主令元件，检测元件 2）模拟量输入信号）模拟量输入信号 电位器、热电偶、测速发电机等电位器、热电偶、测速发电机等 输出模块，控制外部对象，驱动执行元件输出模块，控制外部对象，驱动执行元件 接触器、电磁阀、调节阀等执行元件。指示灯、数码显示器、报警装置接触器、电磁阀、调节阀等执行元件。指示灯、数码显示器、报警装置 相当于相当于PC机的操作系统，由厂家设计并已固化在机的操作系统，由厂家设计并已固化在ROM中，用户不能更中，用户不能更改。包括系统监控程序、解释程序、程序模块等。改。包括系统监控程序、解释程序、程序模块等。 汇点式汇点式所有所有I/O点共用一个电源，一个公共点点共用一个电源

9、，一个公共点分组式分组式分成若干组，每组有自己的电源及公共点分成若干组，每组有自己的电源及公共点分隔式分隔式每个每个I/O点使用单独的电源点使用单独的电源输入输入/输出模块的外部接线方式：输出模块的外部接线方式： 输入有输入有RC滤波电路，光电耦合器滤波电路，光电耦合器直流输入直流输入 交流输入交流输入 输入模块的接线输入模块的接线 S合上，光电耦合器亮，输入到合上，光电耦合器亮，输入到PLC为为“1”S断开，光电耦合器灭，输入到断开，光电耦合器灭，输入到PLC为为“0”R1为限流电阻，为限流电阻，C、R2为滤波电路，为滤波电路，LED为状态发光管，为状态发光管，电源极性可改变电源极性可改变直

10、流输入直流输入 输入模块的接线（交流）输入模块的接线（交流） 交流输入交流输入继电器输出型（继电器输出型（R R） 响应速度慢、动作频率低，可驱动交流或直流负载响应速度慢、动作频率低，可驱动交流或直流负载晶体管输出型（晶体管输出型（T T） 响应速度快、动作频率高，只能用于驱动直流负载响应速度快、动作频率高，只能用于驱动直流负载晶闸管输出型（晶闸管输出型（S S） 响应速度快、动作频率高，响应速度快、动作频率高， 只能用于驱动交流负载只能用于驱动交流负载 输出模块的接线输出模块的接线 输出电流输出电流0.52A，负载电源由外部提供，负载电源由外部提供继电器输出型继电器输出型继电器起隔离、放大作

11、用继电器起隔离、放大作用外部可用交、直流电源外部可用交、直流电源是有触点输出，动作慢一些是有触点输出，动作慢一些RCRC、压敏电阻用来消除触点动、压敏电阻用来消除触点动作电弧作电弧T1T1为光电耦合器，为光电耦合器，LEDLED指示输出状态指示输出状态T2T2为输出晶体管，为输出晶体管，D D为保护二极管，保护为保护二极管，保护T2T2，关断时的过电压和外部浪涌电压，关断时的过电压和外部浪涌电压注意外接电源的极性，不能接反注意外接电源的极性，不能接反 输出模块的接线输出模块的接线 晶体管输出型晶体管输出型内部用光控双向晶闸管实现隔离内部用光控双向晶闸管实现隔离RCRC构成阻容吸收电路，和压敏电

12、阻一起用来抑制可控硅关断时的过电压构成阻容吸收电路，和压敏电阻一起用来抑制可控硅关断时的过电压和外部浪涌电压和外部浪涌电压 输出模块的接线输出模块的接线 双向可控硅输出型双向可控硅输出型通信与扩展接口的连接实例通信与扩展接口的连接实例与电器控制系统的比较与电器控制系统的比较电器控制系统组成电器控制系统组成PLC控制系统组成控制系统组成PLC等效电路等效电路单向运行控制单向运行控制 PLC控制系统控制系统PLC控制系统与电器控制系统的区别控制系统与电器控制系统的区别控制方法上：控制方法上： 硬硬 ： 软软工作方式上：工作方式上： 并行工作方式并行工作方式 ： 串行工作方式串行工作方式控制速度上：

13、控制速度上： 速度速度 慢慢 ： 快快 定时和计数控制上：定时和计数控制上： 精度精度 低低 ： 高高 可靠性和可维护性上：可靠性和可维护性上： 可靠性可靠性 低低 ： 高高 解决的办法：解决的办法：采用分时操作原理采用分时操作原理 由于由于CPUCPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLCPLC外部出现的结果似外部出现的结果似乎是同时完成的。乎是同时完成的。 这种分时操作的方法称为这种分时操作的方法称为扫描工作方式扫描工作方式 例如：用户程序的执行（例如：用户程序的执行（用户程序的扫描工作过程）用户程序的扫描工作过程） 扫描是从第一条程序开始，在无

14、中断或跳转控制的情况下，按程序存扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行，储顺序的先后，逐条执行程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行，周而复始地重复进行。周而复始地重复进行。3.3 P LC3.3 P LC的工作原理的工作原理 当当PLC运行时，需要进行众多的操作运行时，需要进行众多的操作 而而 PLC的的CPU不可能同时去执行多个操作，不可能同时去执行多个操作， 每一刻只能执行一个操作每一刻只能执行一个操作 。检查检查CPU等内部硬件，对监视定时等内部硬件，对监视定时器（器（WDT）复位以及其它工作复位

15、以及其它工作 与其它智能装置（如编程器、与其它智能装置（如编程器、计算机等）实现通信计算机等）实现通信 按顺序对所有输入端的状态进按顺序对所有输入端的状态进行采样，并存入相应寄存器行采样，并存入相应寄存器对用户程序扫描执行对用户程序扫描执行 ，并将结，并将结果存入相应的寄存器果存入相应的寄存器将寄存器中与输出有关状态，转到将寄存器中与输出有关状态，转到输出锁存器，输出驱动外部负载输出锁存器，输出驱动外部负载 PLC的扫描工作过程的扫描工作过程 扫描周期扫描周期PLC的扫描工作过程的扫描工作过程PLC执行程序的过程执行程序的过程 集中采样：集中采样： 在一个扫描周期中，对输入状态的采样只在输入处

16、理阶段进行。当在一个扫描周期中，对输入状态的采样只在输入处理阶段进行。当PLC进入程序处理阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入处理阶进入程序处理阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入处理阶段才对输入状态进行重新采样。段才对输入状态进行重新采样。集中输出：集中输出： 在一个扫描周期内，只在输出阶段才将输出状态输出，刷新。在其它在一个扫描周期内，只在输出阶段才将输出状态输出，刷新。在其它阶段输出状态一直保存在输出映象寄存器中。因此，在用户程序中如果对阶段输出状态一直保存在输出映象寄存器中。因此，在用户程序中如果对输出结果多次赋值，只有最后一次有效。输出结果多次赋值，只有最后一次有

17、效。PLCPLC扫描工作方式的特点扫描工作方式的特点 提高了抗干扰能力，增强了系统可靠性提高了抗干扰能力，增强了系统可靠性 PLCPLC工作时大多数时间与外部输入工作时大多数时间与外部输入/ /输出设备隔离，从根本上提高了系输出设备隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。 降低了系统的响应速度降低了系统的响应速度 PLCPLC输入输出响应滞后输入输出响应滞后：当：当PLCPLC输入端输入信号发生变化到输入端输入信号发生变化到PLCPLC输出端输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间。对该输入变化作出反应，需要一段时间。 对于小型对于小型PL

18、C:PLC: 一般采用一般采用集中采样、集中输出集中采样、集中输出的工作方式的工作方式 对于大中型对于大中型PLCPLC采用定期或中断采样、输出方式采用定期或中断采样、输出方式 电机电器控制电路电机电器控制电路PLC外部接线与梯形图外部接线与梯形图电器控制与电器控制与PLC电路电路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的用的用户程序存储器中，其指令表为：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 A