第3章PLC基本组成和工作原理(简化)

1、博学博学 求是求是 明德明德 第三章 PLC的基本组成的基本组成 PLC的工作原理的工作原理博学博学 求是求是 明德明德1 1、教学内容、教学内容 （1 1）PLCPLC的基本组成及各组成部分的作用的基本组成及各组成部分的作用 （2 2）PLCPLC对继电器控制系统的仿真对继电器控制系统的仿真 模拟继电器控制的编程；模拟继电器控制的编程； 梯形图。梯形图。 （3 3）可编程序控制器的工作原理）可编程序控制器的工作原理 A A 、建立建立 I/O I/O 映像区；映像区； B B 、循环扫描的工作方式；循环扫描的工作方式； C C 、输入、输出延迟响应。输入、输出延迟响应。 博学博学 求是求是

2、明德明德2 2 、基本要求、基本要求 （ 1 1 ）了解可编程序控制器的基本组成；）了解可编程序控制器的基本组成； （ 2 2 ）理解梯形图编程法是）理解梯形图编程法是 PLC PLC 模拟继电器控制系统的模拟继电器控制系统的编程方法；编程方法； （ 3 3 ）理解可编程序控制器的周期循环扫描的工作过程；）理解可编程序控制器的周期循环扫描的工作过程；输入、输出延迟响应等知识；为正确编制程序奠定理论基输入、输出延迟响应等知识；为正确编制程序奠定理论基础。础。 博学博学 求是求是 明德明德PLC的基本组成的基本组成博学博学 求是求是 明德明德 1.中央处理单元（中央处理单元（CPU） 1)控制用户

3、从编程器输入的用户程序和数据的接收与存储； 2)检查编程过程中的语法错误，诊断电源及PLC内部的工作故障； 3)用扫描方式工作，接收来自现场输入信号，并输入到输入映象寄存器和数据存储器中。 4)在进入运行方式后，从存储器中逐条读取并执行用户程序完成用户程序所规定的逻辑运算，算术运算机数据处理等操作 5) 根据运算结果，更新有关标志位的状态，刷新输出映象寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制，打印制表或数据通信等功能（1）通用处理器：8086、80286、80386（2）单片机芯片：MCS-51、MCS-96（3）位片式微处理器：AMD-2900，2901，2903小型PLC多采用8位微处理器或

4、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博学博学 求是求是 明德明德2. 存储器存储器 存储系统：存放系统程序的存储系统：存放系统程序的系统程序存储器系统程序存储器和存放用户程序和存放用户程序的的用户程序存储器用户程序存储器 系统程序存储器：系统程序存储器：用来存储可编程控制器内部的各种信息用来存储可编程控制器内部的各种信息 一般系统程序由一般系统程序由PLC厂家编写的系统监控程序，不能由用户直接厂家编写的系统监控程序，不能由用户直接存取。系统程序主要由有关系统管理，解释指令，标准程序及系存取。系统程序主要由有关系统管理，解释指令，标准

5、程序及系统调用等程序组成。系统程序存储器一般用统调用等程序组成。系统程序存储器一般用PROM或或EPROM构构成成 用户程序存储器：用户程序存储器：用来存放用户程序，该存储器的容量不大，用来存放用户程序，该存储器的容量不大，主要存储可编程控制器内部的输入输出信息，以及内部继电器，主要存储可编程控制器内部的输入输出信息，以及内部继电器，移位寄存器，累加寄存器，数据寄存器，定时器和计数器的动作移位寄存器，累加寄存器，数据寄存器，定时器和计数器的动作状态。比如，小型的容量一般只有几个状态。比如，小型的容量一般只有几个K字节（不高于字节（不高于8KB），），中型的为中型的为264KB，大型的达到几百，

6、大型的达到几百KB以上以上 。一般讲的。一般讲的PLC的的内存大小，是指用户程序存储器的容量，常用内存大小，是指用户程序存储器的容量，常用RAM构成，为防止构成，为防止博学博学 求是求是 明德明德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。电源掉电时电源掉电时RAM中信息丢失，常采用锂电池做后备保护。中信息丢失，常采用锂电池做后备保护。 若程序已经完全调试好了，且一段时期内不需改变功能，可若程序已经完全调试好了，且一段时期内不需改变功能，可将其固化到将其固化到E

7、PROM。但是用户程序中必须有部分。但是用户程序中必须有部分RAM，用以，用以存放一些必要的动态数据。存放一些必要的动态数据。 用户程序区分两个区：用户程序区分两个区：程序存储区程序存储区和和数据存储区数据存储区 程序存储区程序存储区：用来存储由用户编写的，通过编程的，通过编：用来存储由用户编写的，通过编程的，通过编程器输入的程序。程器输入的程序。 数据存储区数据存储区：用来存储通过输入端子读取的输入信号状态，：用来存储通过输入端子读取的输入信号状态，输出端子输出信号状态，输出端子输出信号状态，PLC中的各个内部器件的状态，以及中的各个内部器件的状态，以及特殊功能要求的有关数据特殊功能要求的有

8、关数据博学博学 求是求是 明德明德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。输入单元类型：输入单元类型： 直流输入单元直流输入单元 交流输入单元交流输入单元交直流输入单元交直流输入单元输入信号输入信号：1.控制信号：开机，关机，转换，调整，急停（控制台）2.检测信号：传感器，继电器的触点，限位开关，行程开关等

9、 这些信号有的是开关（或数字）量，有的是模拟量，有的是直流信号，有的是交流信号。要根据输入信号的类型选择合适的输入接口。博学博学 求是求是 明德明德输出接口作用：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出信号输出信号：1.控制信

10、号：如指示灯的亮或灭，电动机的启动，停止或正反转，设备的转动，平移，升降，阀门的开闭等。 因为PLC的直接输出带负载的能力有限，所以PLC输出接口所带的负载，通常是接触器的线圈，电磁阀的线圈，信号指示灯，可控硅，晶体管博学博学 求是求是 明德明德（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+PLCXn+24V发光二极管发光二极管博学博学 求是求是 明德明德继电器输出继电器输出（2）输出接口电路：）输出接口电路：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

11、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-博学博学 求是求是 明德明德博学博学 求是求是 明德明德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。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有的电源单元还向外提供24v隔离直流电源，可供开隔离直流电源，可供开关量输入单元连接的现场无源开关等使用。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、抗干是输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。扰性

12、能好。博学博学 求是求是 明德明德4.电源单元 PLC的外部工作电源一般为单相的外部工作电源一般为单相85260V 50/60HZ AC电源，也有采用电源，也有采用2426V DC电源的。电源的。PLC对其外部工作对其外部工作电源的稳定度要求不高，一般可允许电源的稳定度要求不高，一般可允许15左右左右对于对于PLC输出端子上接的负载所需负载工作电源，必须输出端子上接的负载所需负载工作电源，必须由用户提供。由用户提供。PLC的内部电源系统一般有三类：的内部电源系统一般有三类：1.第一类是供第一类是供PLC中的中的TTL芯片和集成运算放大器使用芯片和集成运算放大器使用的基本电源（的基本电源（5V和

13、和 15VDC电源）电源）2.第二类电源是提供输出接口使用的高压大电流功率电第二类电源是提供输出接口使用的高压大电流功率电源源3.第三类电源是锂电池及其充电电源第三类电源是锂电池及其充电电源 考虑到系统的可靠性及光电隔离器的使用，不同类电源考虑到系统的可靠性及光电隔离器的使用，不同类电源有不同的地线有不同的地线博学博学 求是求是 明德明德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：一体机，有接口可扩展。一体机，有接口可扩展。 博学博学 求是求是 明德明德Power in a Small Package!电源模块CPU模块IO模块底 板中、大型机：中、大型

14、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。博学博学 求是求是 明德明德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。6. 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)CLRWRTFN/PFLSTKIX/IYNOTDT/LdREADOTL WLORR WRANY WYSTX WXSRC

15、(-)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博学博学 求是求是 明德明德1. 模拟继电器控制系统的编程方法模拟继电器控制系统的编程方法 对对于控制电路又可分成三个组成部分于控制电路又可分成三个组成部分: :输入部分、逻辑部分、输入部分、逻辑部分、输出部分。输出部分。 输入部分输入部分：电路中全部输入信号构成电路中全部输入信号构成, ,这些输入信号来自这些输入信号来自被控对象上的各种开关信息被控对象上的各种开关信息, ,如控制按钮、操作开关、限位开如控制按钮、操作开关、限位开关

16、、光敏管信号等；关、光敏管信号等； 输出部分：输出部分：由电路中全部输出元件构成由电路中全部输出元件构成, ,例如例如, ,接触器线圈、接触器线圈、电磁阀线圈等执行电器及信号灯；电磁阀线圈等执行电器及信号灯； 逻辑部分：逻辑部分：由各种主令电器、继电器、接触器等电器的触由各种主令电器、继电器、接触器等电器的触点和导线组成点和导线组成, ,各电器触点之间以固定的方式接线各电器触点之间以固定的方式接线, ,其控制逻辑其控制逻辑就编制在硬接线中就编制在硬接线中, ,这种固化的程序不能灵活变更。这种固化的程序不能灵活变更。（1 1）电气控制电路图中）电气控制电路图中，根据流过电流的大小可分为主根据流过

17、电流的大小可分为主电路和控制电路。电路和控制电路。博学博学 求是求是 明德明德 PLC PLC基本组成的框图基本组成的框图( (见图见图3 31)1)也大致可分为三部分也大致可分为三部分: :输入部分、逻辑部分、输出部分输入部分、逻辑部分、输出部分, ,这与继电器控制系统很这与继电器控制系统很相似。相似。输入部分、输出部分：输入部分、输出部分：与继电器控制系统所用的电器大与继电器控制系统所用的电器大致相同致相同, ,所不同的是所不同的是PLCPLC中输入、输出部分多了输入、输中输入、输出部分多了输入、输出单元出单元, ,增加了光耦合、电平转换、功率放大等功能。增加了光耦合、电平转换、功率放大等

18、功能。逻辑部分：逻辑部分：是由微处理器、存储器组成是由微处理器、存储器组成, ,由计算机软件替由计算机软件替代继电器控代继电器控制电路制电路, ,实现实现 软接线软接线,可以灵活编程。可以灵活编程。 （2 2）使）使用用PLCPLC控制系统：用控制系统：用PLCPLC的的替代继电替代继电器控制系统电器控制系统电气控制电路图中的控制电路那部分气控制电路图中的控制电路那部分, ,而主电路部分基本保而主电路部分基本保持不变。持不变。博学博学 求是求是 明德明德尽管尽管PLC与继电器控制系统的逻辑部分组成元件不同与继电器控制系统的逻辑部分组成元件不同,但在但在控制系统中所起的逻辑控制条件作用是一致的。

19、因而我们控制系统中所起的逻辑控制条件作用是一致的。因而我们可以把可以把PLC内部看作有许多内部看作有许多“软继电器软继电器”：如输入继电器：如输入继电器、输出继电器输出继电器、中间继电器中间继电器、时间继电器时间继电器等。等。这样这样,我们就可以模拟继电器控制系统的编程方法我们就可以模拟继电器控制系统的编程方法,仍然按仍然按照设计继电器控制电路的形式来编制程序照设计继电器控制电路的形式来编制程序,这就是梯形图编这就是梯形图编程方法。使用梯形图编程时程方法。使用梯形图编程时,完全可以不考虑微处理器内部完全可以不考虑微处理器内部的复杂结构的复杂结构,也不必使用计算机语言。因此也不必使用计算机语言。

20、因此,梯形图是与继梯形图是与继电器控制电路图相呼应的电器控制电路图相呼应的,使用起来极为方便。使用起来极为方便。 博学博学 求是求是 明德明德2. 梯形图仿真继电器电路梯形图仿真继电器电路博学博学 求是求是 明德明德母线母线: :梯形图左、右的垂直线称为左、右母线梯形图左、右的垂直线称为左、右母线(SimaticS7系列系列PLC的右母线通常省略不画出的右母线通常省略不画出)。画梯形图时。画梯形图时,从左母从左母线开始线开始,经过触点和线圈经过触点和线圈(或功能方框或功能方框),终止于在母线。在终止于在母线。在梯形图中梯形图中,可以把左母线看作是提供能量的母线。触点闭可以把左母线看作是提供能量

21、的母线。触点闭合可以使能量流过合可以使能量流过,直到下一个元件直到下一个元件:触点断开将阻止能量触点断开将阻止能量流过。这种能量流流过。这种能量流,我们称之为我们称之为能流能流。实际上。实际上,梯形图梯形图是是CPU仿真继电器控制电路图仿真继电器控制电路图,使来自使来自电源电源的的电流电流通过通过一系列的逻辑控制条件一系列的逻辑控制条件,根据运算结果决定逻辑输出的模根据运算结果决定逻辑输出的模拟过程拟过程。博学博学 求是求是 明德明德 梯形图是梯形图是PLC模拟继电器控制系统的编程方法模拟继电器控制系统的编程方法, ,它由它由触点、触点、线圈或功能方框线圈或功能方框等构成等构成 触点：触点：代

22、表逻辑控制条件。触点闭合时表示能量可以流过。代表逻辑控制条件。触点闭合时表示能量可以流过。触点分常开触点（一触点分常开触点（一|一）和常闭触点一）和常闭触点( (一一|/|/|一一) )两种形式。两种形式。线圈线圈: :通常代表逻辑通常代表逻辑 输出输出 的结果。能量流到的结果。能量流到, ,则该线圈被则该线圈被激励。激励。 方框方框: :代表某种特定功能的指令。能量流通过方框时代表某种特定功能的指令。能量流通过方框时, ,则执则执行方框所代表的功能。方框所代表的功能有多种行方框所代表的功能。方框所代表的功能有多种, ,例如例如: :定定时器、计数器、数据运算时器、计数器、数据运算等。等。 梯

23、形图中梯形图中, ,每个输出元素每个输出元素( (线圈或方框线圈或方框) )可以构成一个梯可以构成一个梯级。每个梯形图网络由一个或级。每个梯形图网络由一个或多个梯级组成。多个梯级组成。 博学博学 求是求是 明德明德梯形图与继电器控制电路图差异梯形图与继电器控制电路图差异: :(1)(1)梯形图内各种元件也沿用了继电器的叫法梯形图内各种元件也沿用了继电器的叫法, ,我们称之为我们称之为“软软继电器继电器”。梯形图中的。梯形图中的“软继电器软继电器”不是物理继电器不是物理继电器（每个每个“软继电器软继电器”各为存储器中的一位各为存储器中的一位, ,相应位为相应位为“1”“1”态态, ,表示该继表示

24、该继电器线圈电器线圈“通电通电”,”,故称之为故称之为“软继电器软继电器”） (2)(2)梯形图中流过的梯形图中流过的 电流电流 不是物理电流。而是不是物理电流。而是 能流能流,它只能它只能从左到右、自上而下流动。从左到右、自上而下流动。 能流能流 不允许倒流。不允许倒流。 能流能流 到到, ,线圈线圈则接通。则接通。 能流能流 是用户程序解算中满足输出执行条件的形象表是用户程序解算中满足输出执行条件的形象表示方式。示方式。 能流能流 流向的规定顺应了流向的规定顺应了PLCPLC的扫描是自左向右、自上的扫描是自左向右、自上而下顺序地进行而下顺序地进行, ,而继电器控制系统中的电流是不受方向限制

25、的而继电器控制系统中的电流是不受方向限制的, ,导线连接到哪里导线连接到哪里, ,电流就可流到那里。电流就可流到那里。博学博学 求是求是 明德明德(3)梯形图中的常开、常闭触点不是现场物理开关的触点。它们对梯形图中的常开、常闭触点不是现场物理开关的触点。它们对应输入、输出映像寄存器或数据寄存器中的应输入、输出映像寄存器或数据寄存器中的相应位的状态相应位的状态,而不是而不是现场物理开关的现场物理开关的触点状态触点状态。PLC认为常开触点是取位状态操作认为常开触点是取位状态操作:常常闭触点应理解为位取反操作。因此在梯形图中同一元件的一对常闭触点应理解为位取反操作。因此在梯形图中同一元件的一对常开、

26、常闭触点的切换没有时间的延迟开、常闭触点的切换没有时间的延迟,常开常闭触点只是互为相反常开常闭触点只是互为相反状态。而继电器控制系统大多数的电器是属于先断后合型的电器。状态。而继电器控制系统大多数的电器是属于先断后合型的电器。(4)梯形图中的输出线圈不是物理线圈，不能用它直接驱动现场执梯形图中的输出线圈不是物理线圈，不能用它直接驱动现场执行机构。输出线圈的状态对应输出映像寄存器相应位的状态而不行机构。输出线圈的状态对应输出映像寄存器相应位的状态而不是现场电磁开关的实际状态。是现场电磁开关的实际状态。(5编制程序时，编制程序时，PLC内部继电器的接点原则上可无限次反复使内部继电器的接点原则上可无

27、限次反复使用用，因为存储单元中的位状态可取用任意次：继电器控制系统中，因为存储单元中的位状态可取用任意次：继电器控制系统中的继电器触点数是有限的。但是可编程序控制器内部的线圈通常的继电器触点数是有限的。但是可编程序控制器内部的线圈通常只引用一次，所以，应慎重对待重复使用同一地址编号的线圈。只引用一次，所以，应慎重对待重复使用同一地址编号的线圈。博学博学 求是求是 明德明德输入点总有输入映象区的某一输入点总有输入映象区的某一位与之相对应位与之相对应 I/O映象区的大小与系统控映象区的大小与系统控制的规模有关制的规模有关 PLC工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映象区对工作时，将采集到的输入

28、信号状态存放在输入映象区对应的位上；将运算的结果存放到输出映象区对应的位上。应的位上；将运算的结果存放到输出映象区对应的位上。PLC在执行用户程序时所需在执行用户程序时所需“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，而不直接与外部设备发生关系映象区，而不直接与外部设备发生关系 。博学博学 求是求是 明德明德循环扫描的工作方式（一）PLC的工作过程博学博学 求是求是 明德明德循环扫描的工作方式 （二）用户程序的循环扫描过程博学博学 求是求是 明德明德输入、输出延迟响应(一) 输入、输出延迟响应 由于PLC采用循环扫描的工作方式，即对信息采用串行处理方式

29、，必定导致输入、输出延迟响应。当PLC的输入端有一个输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间，这段时间就称为响应时间或滞后时间（通常滞后几十毫秒），这种现象称为输入、输出延迟响应或滞后现象。(二)响应时间 响应时间是设计PLC控制系统时应了解的一个重要参数。响应时间与以下因素有关：博学博学 求是求是 明德明德 PLC循环扫描的工作方式，要想减少程序扫描时间，必循环扫描的工作方式，要想减少程序扫描时间，必须优化程序结构，在可能的情况下，应采用跳转指令须优化程序结构，在可能的情况下，应采用跳转指令 用户程序中语句的安排用户程序中语句的安排 PLC对输入采样、输出刷新的集中处

30、理方式对输入采样、输出刷新的集中处理方式输入、输出延迟响应 输入电路滤波时间，它由输入电路滤波时间，它由RC滤波电路的时间常数决定。滤波电路的时间常数决定。改变时间常数可高速输入延迟时间。改变时间常数可高速输入延迟时间。 输出电路的滞后时间，它与输出电路的输出方式有关。输出电路的滞后时间，它与输出电路的输出方式有关。继电器输出方式的滞后时间为继电器输出方式的滞后时间为10ms左右；双向晶闸管输出左右；双向晶闸管输出方式，在接通负载时滞后时间约为方式，在接通负载时滞后时间约为1ms，切断负载时滞后时，切断负载时滞后时间小于间小于10ms；晶体管输出方式的滞后时间小于；晶体管输出方式的滞后时间小于1ms.博学博学 求是求是 明德明德CPU读输入读输入输入输出延迟时间最短响应时间输入输入/输出输出刷新时间刷新时间最短响应时间=输入延迟时间+一个扫描周期+输出延迟时间博学博学 求是求是 明德明德CPU读输入读输入输入输入/输出输出刷新时间刷新时间输入输出延迟时间最长响应时间最长响应时间=输入延迟时间+两个扫描时间+输出延迟时间博学博学 求是求是 明德明德 PLC与继电器控制系统对信息处理方式是不同的与继电器控制系统对信息处理方式是不同的:继电继电