PLC及其应用-第2章PLC结构及基本工作原理ppt课件

1、大连理工大学出版社大连理工大学出版社2目目 录录2.1 PLC的构造的构造2.2 PLC任务原理任务原理2.3 PLC的性能目的的性能目的2.4 PLC的配置的配置3第第2章章 PLC构造及根本任务原理构造及根本任务原理PLC本质上也是一种计算机，它有着与通本质上也是一种计算机，它有着与通用计算机相类似的构造，也是由中央处置用计算机相类似的构造，也是由中央处置器器CPU、存储器、输入、存储器、输入/输出接口及电输出接口及电源组成的。只不过它比普通的通用计算机源组成的。只不过它比普通的通用计算机具有更强的与工业过程相连的接口和更直具有更强的与工业过程相连的接口和更直接的顺应控制要求的编程言语。接

2、的顺应控制要求的编程言语。本章主要引见本章主要引见PLC的硬件、软件构造、任的硬件、软件构造、任务过程、性能目的和配置等内容。务过程、性能目的和配置等内容。42.1 PLC的构造的构造PLC本质上是一种专门为在工业环境下运本质上是一种专门为在工业环境下运用自动控制而设计的计算机，它比普通的用自动控制而设计的计算机，它比普通的计算机具有更强的与工业过程相衔接的接计算机具有更强的与工业过程相衔接的接口，更直接的适用于控制要求的编程言语口，更直接的适用于控制要求的编程言语和更强的抗干扰才干。虽然在外形上，和更强的抗干扰才干。虽然在外形上，PLC与普通计算机差别较大，但在根本构与普通计算机差别较大，但

3、在根本构造上，造上，PLC与微型计算机系统根本一样，与微型计算机系统根本一样，也由硬件和软件两大部分组成。也由硬件和软件两大部分组成。52.1.1 PLC的硬件系统的硬件系统1.中央处置器中央处置器CPU2.存储器存储器3.I/O接口单元接口单元4. I/O扩展接口及扩展部件扩展接口及扩展部件5. 外设接口及外设外设接口及外设CPU是是PLC的中心，由运算器和控制器构成。的中心，由运算器和控制器构成。其主要义务有：其主要义务有：1接纳和保管现场的形状和数据；接纳和保管现场的形状和数据；2诊断诊断PLC内部电路的任务缺点和编程中的内部电路的任务缺点和编程中的语法错误；语法错误；3执行系统和用户程

4、序，实现各种运算；执行系统和用户程序，实现各种运算；4输出运算结果，驱动现场设备；输出运算结果，驱动现场设备；5协调协调PLC内部各部分任务，控制内部各部分任务，控制PLC与外与外围设备通讯等。围设备通讯等。PLC存储器中配有两种存储系统，系统程序存储存储器中配有两种存储系统，系统程序存储器和用户程序存储器。器和用户程序存储器。系统程序存储器主要用来存储系统程序存储器主要用来存储PLC内部的各种信内部的各种信息，普通系统程序是息，普通系统程序是PLC消费厂家编写消费厂家编写,系统程序系统程序存储器普通用存储器普通用PROM或或 EPROM构成。构成。用户程序存放在用户程序存储器中。用户程序存用

5、户程序存放在用户程序存储器中。用户程序存储器普通分为两个区：程序存储区和数据存储区储器普通分为两个区：程序存储区和数据存储区。I/O接口单元是接口单元是PLC与现场与现场I/O设备相衔接的部件设备相衔接的部件。它的作用是将输入信号转换为。它的作用是将输入信号转换为CPU可以接纳可以接纳和处置的信号，并将和处置的信号，并将CPU送出的弱电信号转换送出的弱电信号转换为外部设备所需的强电信号。为外部设备所需的强电信号。1开关量输入开关量输入DI接口单元接口单元2开关量输出开关量输出DO接口单元接口单元开关量输出接口单元可分为：开关量输出接口单元可分为：继电器输出型继电器输出型 用于直流或低频交流负载

6、用于直流或低频交流负载晶体管输出型晶体管输出型 用于高速、小功率直流负载用于高速、小功率直流负载晶闸管输出型晶闸管输出型 用于高速、大功率交流负载用于高速、大功率交流负载I/O扩展接口是扩展接口是PLC主机为了扩展主机为了扩展I/O点数或类型点数或类型的部件。当用户所需的的部件。当用户所需的I/O点数或类型超越点数或类型超越PLC主机的主机的I/O接口单元的点数或类型时，可以经过接口单元的点数或类型时，可以经过加接加接I/O扩展部件来实现。扩展部件来实现。I/O扩展部件通常有简扩展部件通常有简单型和智能型两种。简单型单型和智能型两种。简单型I/O扩展部件本身不扩展部件本身不带带CPU，对外部现

7、场信号的，对外部现场信号的I/O处置完全由主机处置完全由主机的的CPU管理，依赖与主机的程序扫描过程。管理，依赖与主机的程序扫描过程。外设接口是外设接口是PLC实现人机对话、机机对话的通实现人机对话、机机对话的通道。经过外设接口，道。经过外设接口，PLC主机可与编程器、图主机可与编程器、图形终端、打印机、形终端、打印机、EPROM写入器等外围设备相写入器等外围设备相连，也可以与其他连，也可以与其他PLC或上位计算机衔接。外或上位计算机衔接。外设接口普通分为通用接口和公用接口两种。通设接口普通分为通用接口和公用接口两种。通用接口是指规范通用的接口，如用接口是指规范通用的接口，如RS232、RS4

8、22和和RS485等。等。6整体式整体式PLC硬件构造框图硬件构造框图 直流输入直流输入交流输入交流输入120V72.1.2 PLC的软件系统的软件系统PLC的软件分为系统软件和运用软件两大部分。的软件分为系统软件和运用软件两大部分。1.系统软件系统软件2.运用软件运用软件PLC的系统软件就是的系统软件就是PLC的系统监控程序，包的系统监控程序，包括系统管理程序、用户指令解释程序、规范程括系统管理程序、用户指令解释程序、规范程序库和编程软件等，也有人称之为序库和编程软件等，也有人称之为PLC的操作的操作系统。它是每台系统。它是每台PLC必需包括的部分，是由必需包括的部分，是由PLC的制造厂家编

9、制的，用于控制的制造厂家编制的，用于控制PLC本身的本身的运转。普通来说，系统软件对用户是不透明的。运转。普通来说，系统软件对用户是不透明的。运用软件指用户根据工艺消费过程的控制要求，运用软件指用户根据工艺消费过程的控制要求，按照一切按照一切PLC规定的编程言语而编写的运用程规定的编程言语而编写的运用程序。用户程序可采用梯形图言语、指令表言语、序。用户程序可采用梯形图言语、指令表言语、功能块言语、顺序功能图言语和高级言语等多功能块言语、顺序功能图言语和高级言语等多种方法来编写，利用编程安装输入到种方法来编写，利用编程安装输入到PLC的程的程序存储器中去。序存储器中去。81.PLC的输入过程的输

10、入过程2.PLC的输出过程的输出过程2.2.1 PLC2.2.1 PLC输入与输出过程输入与输出过程输入由外部输入电路、输入由外部输入电路、PLC输入接线输入接线端子和输入继电器组成。外部输入信端子和输入继电器组成。外部输入信号经号经PLC输入接线端子去驱动输入继输入接线端子去驱动输入继电器的线圈。每个输入端子与其一样电器的线圈。每个输入端子与其一样编号的输入继电器有着独一确定的对编号的输入继电器有着独一确定的对应关系。应关系。输出部分是由输出部分是由PLC内部的输出继电器的常开接内部的输出继电器的常开接点、输出接线端子和外部驱动电路组成，用来点、输出接线端子和外部驱动电路组成，用来驱动外部负

11、载。驱动外部负载。PLC内部有许多输出继电器，内部有许多输出继电器，每个输出继电器为外部输出电路提供了一个实每个输出继电器为外部输出电路提供了一个实践的常开接点与输出接线端子相连。践的常开接点与输出接线端子相连。9过程映象过程映象字节 0字节 1字节 2: CPU 存储器区字节 0字节 1字节 2: PIIPIQ 用户程序 CPU 存储器区 : :LD I2.0= Q4.3 : : : :11102.2.2 PLC的任务过程的任务过程PLC的任务过程有两个显著特点：一是周期性顺序扫描，的任务过程有两个显著特点：一是周期性顺序扫描，一是集中批处置。一是集中批处置。周期性顺序扫描是周期性顺序扫描是

12、PLC特有的任务方式，在运转过程中，特有的任务方式，在运转过程中，总是处在不断循环的顺序扫描过程中。每次扫描所用的时总是处在不断循环的顺序扫描过程中。每次扫描所用的时间称为扫描时间，又称为扫描周期或任务周期。间称为扫描时间，又称为扫描周期或任务周期。由于由于PLC的的I/O点数较多，采用集中批处置的方法，可以点数较多，采用集中批处置的方法，可以简化操作过程，便于控制，提高系统可靠性。因此，简化操作过程，便于控制，提高系统可靠性。因此，PLC的另一个主要特点就是对输入采样、执行用户程序、输出的另一个主要特点就是对输入采样、执行用户程序、输出刷新实施集中批处置。刷新实施集中批处置。PLC的任务过程

13、流程图如下页图所示。的任务过程流程图如下页图所示。PLC的任务过程可的任务过程可分为四个阶段。分为四个阶段。 11PLC的任务过程流程图的任务过程流程图12输出输出模块模块输入采样阶段输入采样阶段输出刷新阶段输出刷新阶段执行用户程序阶段执行用户程序阶段公共处置阶段公共处置阶段PLC的扫描过程输入输入模块模块PLCPLC在在RUNRUN形状的扫描过程形状的扫描过程公共处置包括公共处置包括PLC自检、执行来自外自检、执行来自外设命令、对看门狗设命令、对看门狗WDT清零等。清零等。PLC自检就是自检就是CPU检测其各器件的形状，检测其各器件的形状，如出现异常再进展诊断，并给出缺点如出现异常再进展诊断

14、，并给出缺点信号或自行进展相应处置。信号或自行进展相应处置。WDT是是PLC内部设置的监视定时器，假设程内部设置的监视定时器，假设程序运转失常进入死循环，那么序运转失常进入死循环，那么WDT得得不到按时清零而呵斥超时溢出，从而不到按时清零而呵斥超时溢出，从而发出报警信号或停顿发出报警信号或停顿PLC任务。任务。这是第一个集中批处置过程。在这个这是第一个集中批处置过程。在这个阶段中，阶段中，PLC按顺序逐个采集一切输按顺序逐个采集一切输入端子上的信号，不论输入端子上能入端子上的信号，不论输入端子上能否接线，否接线，CPU顺序读取全部输入端，顺序读取全部输入端，将一切采集到的一批输入信号写到输将一

15、切采集到的一批输入信号写到输入映像存放器中。在当前的扫描周期入映像存放器中。在当前的扫描周期内，用户程序根据的输入信号形状内，用户程序根据的输入信号形状ON或或OFF均从输入映像存放器中均从输入映像存放器中去取，而不论此时外部输入信号的形去取，而不论此时外部输入信号的形状能否变化。状能否变化。这是第二个集中批处置过程。在执行这是第二个集中批处置过程。在执行用户程序阶段，用户程序阶段，CPU对用户程序按顺对用户程序按顺序进展扫描。假设程序用梯形图表示，序进展扫描。假设程序用梯形图表示，那么总是按先上后下、从左至右的顺那么总是按先上后下、从左至右的顺序进展扫描。每扫描到一条指令，所序进展扫描。每扫

16、描到一条指令，所需求的输入信息形状均从输入映像存需求的输入信息形状均从输入映像存放器中去读取，而不是直接运用现场放器中去读取，而不是直接运用现场的立刻输入信号。的立刻输入信号。这是第三个集中批处置过程。当这是第三个集中批处置过程。当CPU对全部用户程序扫描终了后，将元件对全部用户程序扫描终了后，将元件映像存放器中各输出继电器的形状同映像存放器中各输出继电器的形状同时送到输出映像存放器中，再由输出时送到输出映像存放器中，再由输出映像存放器经输出端子去驱动各输出映像存放器经输出端子去驱动各输出继电器的负载。在输出刷新阶段终了继电器的负载。在输出刷新阶段终了后，后，CPU进入下一个扫描周期。进入下一

17、个扫描周期。132.2.3 PLC中断输入处置过程中断输入处置过程在中、大型在中、大型PLC控制系统中，用户程序较长，为了提高系控制系统中，用户程序较长，为了提高系统的呼应速度，可以采用中断处置。主要表如今以下三个统的呼应速度，可以采用中断处置。主要表如今以下三个方面。方面。1.中断呼应问题中断呼应问题2.中断源先后顺序及中断嵌套问题中断源先后顺序及中断嵌套问题3.中断效力程序执行结果信息输出问题中断效力程序执行结果信息输出问题计算机系统的计算机系统的CPU在每条指令执行终在每条指令执行终了后去查询有无中断恳求。而了后去查询有无中断恳求。而PLC对对中断的呼应，那么是在扫描周期内某中断的呼应，

18、那么是在扫描周期内某一个义务完成后进展。在每个义务执一个义务完成后进展。在每个义务执行的过程中，行的过程中，PLC对中断是不呼应的。对中断是不呼应的。假设用户程序以块构造组成，那么在假设用户程序以块构造组成，那么在每块终了或实行块调用时呼应中断。每块终了或实行块调用时呼应中断。中断源的先后顺序只需按输入点编中断源的先后顺序只需按输入点编号的顺序陈列即可。系统接到中断号的顺序陈列即可。系统接到中断恳求后，顺序扫描中断源，它能够恳求后，顺序扫描中断源，它能够只需一个中断源恳求中断，也能够只需一个中断源恳求中断，也能够同时有多个中断源恳求中断。同时有多个中断源恳求中断。采用中断输入，处理了对输入信号

19、的采用中断输入，处理了对输入信号的高速呼应。当中断恳求被呼应，在执高速呼应。当中断恳求被呼应，在执行中断子程序后，有关信息该当尽早行中断子程序后，有关信息该当尽早送到相关外设，而不希望等到扫描周送到相关外设，而不希望等到扫描周期的输出刷新阶段。期的输出刷新阶段。142.3 PLC的性能目的的性能目的2.3.1 PLC根本性能目的根本性能目的PLC种类、型号繁多，技术性能也各不一样，但根本的技种类、型号繁多，技术性能也各不一样，但根本的技术性能目的还是根本一致的。这里简要加以阐明。术性能目的还是根本一致的。这里简要加以阐明。1.CPU2.I/O点数点数3.存储容量存储容量4.扫描速度扫描速度5.

20、可靠性和运用条件可靠性和运用条件6.易操作性易操作性7.可扩展性可扩展性8.编程言语和指令功能编程言语和指令功能CPU是是PLC的中心部件和控制中心。的中心部件和控制中心。CPU的性能，如数据运算处置的才干、的性能，如数据运算处置的才干、运算速度、通讯功能等决议了运算速度、通讯功能等决议了PLC的的性能，是性能，是PLC重要的性能目的。重要的性能目的。PLC的的I/O点数是指点数是指PLC可以处置的可以处置的I/O总数，它决议了控制系统在实践运总数，它决议了控制系统在实践运用中规模的大小。用户在系统设计时，用中规模的大小。用户在系统设计时，要根据实践消费过程中的要根据实践消费过程中的I/O点数

21、，并点数，并思索一定的备用扩展余量如思索一定的备用扩展余量如10%15%来选择不同型号的来选择不同型号的PLC和相关和相关I/O设备。设备。PLC的存储器包括系统存储器和用户的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器用来存放存储器两部分。系统存储器用来存放系统软件，它的大小是固定的。系统软件，它的大小是固定的。PLC的存储容量通常指用户存储器的容量，的存储容量通常指用户存储器的容量，它是厂家根据不同型号产品的功能、它是厂家根据不同型号产品的功能、I/O处置才干和通讯等要求来配备的处置才干和通讯等要求来配备的PLC是以循环扫描方式运转的，在一是以循环扫描方式运转的，在一个扫描周期内，执

22、行系统自诊断、通个扫描周期内，执行系统自诊断、通讯效力、输入采样和输出刷新所需求讯效力、输入采样和输出刷新所需求的时间是根本固定的；而程序执行所的时间是根本固定的；而程序执行所需的时间，那么随程序长短和指令复需的时间，那么随程序长短和指令复杂程度变化而变化。杂程度变化而变化。PLC厂家通常以厂家通常以扫描扫描1000条根本指令所需的时间，来条根本指令所需的时间，来表示扫描速度。表示扫描速度。可靠性高是可靠性高是PLC广泛运用于工业控制广泛运用于工业控制领域的主要缘由。对于运用在报警、领域的主要缘由。对于运用在报警、连锁和紧急停车系统场所的连锁和紧急停车系统场所的PLC，可，可靠性要求更高。靠性

23、要求更高。PLC的易操作性指安装、程序设计和的易操作性指安装、程序设计和修正维护以及缺点处置等方面能否方修正维护以及缺点处置等方面能否方便和简易。可以经过规范化机架、模便和简易。可以经过规范化机架、模块、形状指示灯、在线诊断等方面来块、形状指示灯、在线诊断等方面来评价。评价。在选择在选择PLC时要思索它的可扩展性，时要思索它的可扩展性，如如I/O点数和类型的扩展、特殊信号处点数和类型的扩展、特殊信号处置的扩展、控制区域的扩展等，为控置的扩展、控制区域的扩展等，为控制系统的扩展留有适量的余地。制系统的扩展留有适量的余地。选择编程言语对选择编程言语对PLC进展编程时，主进展编程时，主要应思索要便于

24、运用和实现，同时应要应思索要便于运用和实现，同时应思索运用程序的主要功能等。丰富的思索运用程序的主要功能等。丰富的指令集有利于实现各种复杂的运算和指令集有利于实现各种复杂的运算和控制、通讯功能。控制、通讯功能。152.3.2 PLC内存分配内存分配1.I/O区区2.内部辅助存放区内部辅助存放区3.特殊存储器特殊存储器4.数据区数据区I/O区的存储器可直接和外部输入输出区的存储器可直接和外部输入输出端子传送信息，其每一位对应端子传送信息，其每一位对应PLC的的一个外部端子。一个外部端子。这个区的存储器可供用户存放中间变这个区的存储器可供用户存放中间变量，通常称它们为量，通常称它们为“辅助继电器辅

25、助继电器或或“软继电器软继电器，其作用和传统继电控，其作用和传统继电控制系统中的中间继电器非常类似。制系统中的中间继电器非常类似。这是一个有特殊用途的存储区，普通这是一个有特殊用途的存储区，普通不能由用户随意占用。在这个存储区不能由用户随意占用。在这个存储区内，部分作为系统的特殊功能运用，内，部分作为系统的特殊功能运用，部分存放部分存放PLC运转时产生的任务形状运转时产生的任务形状和标志，部分产生定时时钟，还有一和标志，部分产生定时时钟，还有一部分用于存放系统内部各种命令等。部分用于存放系统内部各种命令等。数据区是用来存放数据区是用来存放PLC内部运算和由内部运算和由外围设备采集进来的各种数据

26、。外围设备采集进来的各种数据。 16在选择在选择PLC机型时，常须思索如下几个主要方面：机型时，常须思索如下几个主要方面：1.I/O点数点数2.控制功能控制功能3.处置速度处置速度4.性能价钱比性能价钱比2.3.3 根据性能目的选择根据性能目的选择PLC机型机型对于对于PLC控制系统而言，要控制的控制系统而言，要控制的I/O点数与机型的选择关联最大。普通来点数与机型的选择关联最大。普通来说，中高档的说，中高档的PLC其其I/O点数较多、控点数较多、控制范围较大，而普通的小型制范围较大，而普通的小型PLC的的I/O点数较少。点数较少。PLC的控制功能除了主控带的控制功能除了主控带CPU模块外，更

27、主要的是能配接多少高功模块外，更主要的是能配接多少高功能模块。能模块。PLC的处置速度也称扫描速度是的处置速度也称扫描速度是其其CPU处置速度的反映。中高档机的处置速度的反映。中高档机的处置速度较快，而小型机的处置速度处置速度较快，而小型机的处置速度相对较慢。相对较慢。通常中高档通常中高档PLC主机及整机价钱均较主机及整机价钱均较高。相对而言，普通的小型高。相对而言，普通的小型PLC整机整机价钱较低。价钱较低。PLC的性能价钱比常以折的性能价钱比常以折合到每个合到每个I/O点的价钱并结合点的价钱并结合PLC的控的控制功能和运转速度等性能目的，经横制功能和运转速度等性能目的，经横向性能根本一样的

28、机型比较和纵向性能根本一样的机型比较和纵向性能不同的机型比较来确定。向性能不同的机型比较来确定。172.4 PLC的配置的配置2.4.1系统配置的根本原那么系统配置的根本原那么PLC的系统配置应遵照以下五条原那么：的系统配置应遵照以下五条原那么：1.完好性原那么完好性原那么2.可靠性原那么可靠性原那么3.开展性原那么开展性原那么4.承继性原那么承继性原那么5.经济性原那么经济性原那么通常可把通常可把PLC与被控对象看成一个与被控对象看成一个PLC控制系统，而控制系统，而PLC本身那么为这本身那么为这个系统中的一个子系统。从系统论的个系统中的一个子系统。从系统论的观念看，假设要使系统发扬其应有的

29、观念看，假设要使系统发扬其应有的作用，系统必需完好作用，系统必需完好PLC控制系统的可靠性原那么思索的控制系统的可靠性原那么思索的是配置好的系统能否可靠任务，详细是配置好的系统能否可靠任务，详细可从可从PLC本身的质量、供货方的技术本身的质量、供货方的技术效力情况、能否满足重要场所下的可效力情况、能否满足重要场所下的可靠性要求、能否进展冗余配置四个方靠性要求、能否进展冗余配置四个方面进展思索。面进展思索。由于由于PLC任务可靠，因此它的运用寿任务可靠，因此它的运用寿命较长。但命较长。但PLC技术的迅速开展，也技术的迅速开展，也导致了其技术寿命不会太长久。淘汰导致了其技术寿命不会太长久。淘汰所用的所用的PLC控制系统大多数是由于系控制系统大多数是由于系统的技术落后了。为此，要以开展的统的技术落后了。为此，要以开展的目光进展目光进展PLC控制系统的配置。控制系统的配置。 承继性原那么是在进展新的承继性原那么是在进展新的PLC系统系统配置时，要思索到以前所用的配置时，要思索到以前所用的PLC的的情况，尽能够选用比较熟习，最好是情况，