第3章可编程控制器的组成及工作原理

1、1第第3 3章章 可编程控制器组成与可编程控制器组成与工作原理工作原理v可编程控制器的组成v可编程控制器的工作原理v可编程控制器的编程语言23-1 可编程控制器的组成 中央处理单元（中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出电路、外部）、存储器、输入输出电路、外部设备接口、电源几大部分组成设备接口、电源几大部分组成 .3 一、中央处理单元（CPU）v1) 通用微处理器（如：8080、8086等） ；v2)单片微处理器(如Intel公司的MCS5196系列单片机)；v3)位片式微处理器(如AM2900、AM2901、AM2903型位片式微处理器）。通过并行联结构成任意字长的一种微处理器。 小型PL

2、C为8位微处理器； 中型PLC多采用16位微处理器。 PLC的档次越高，微处理器的位数越多、运算速度越快、功能越强。4CPU的主要功能：v（1）接收、存储用户通过编程器等输入设备输入的程序和数据。v（2）以扫描方式接收以扫描方式接收来自输入单元的输入变量、状态数据，并存入相应的数据存储区（输入映像寄存器）。v（3）利用错误校验技术自诊断。v（4）执行用户程序，完成各种数据的处理、传输和存储，并根据数据处理结果，刷新刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，产生相应的内部控制信号，以完成用户指令规定的各种操作。v（5）响应各种外围设备（如编程器、打印机等）的请求。 5二、存储器1存储器种类（1

3、）系统存储器，存放系统管理程序。（2）用户存储器，存放用户编制的控制程序。6 2常用存储器（1）RAM：随机存储器,又叫读/写存储器。它是易失性的存储器，将它的电源断开后，存储的信息将会丢失。特点：速度快、密度高、价格低、功耗低、价格便宜、改写方便。 为了在关断可编程控制器外部电源后，保存RAM中的用户程序和某些数据，为RAM配备了一个锂电池，用锂电池供电（锂电池寿命一般为210年（空载）带载：25年）。（2）ROM：只读存储器，内容只能读出，不能写入。它是非易失性的，它的电源消失后，仍能保存储存的内容。通常用于存放可编程控制器的系统程序。7 （3）EPROM ：紫外线可擦除的只读存储器。非易

4、失性的，用户程序调试好后，可用厂家提供的EPROM写入器或编程器将它写入（固化）EPROM，以防止偶然原因遭到败坏。用紫外线照射芯片上的透镜窗口，可以擦除已写入的内容，再重新写入新内容。现已很少使用EPROM。 （4）EEPROM（或写成E2PROM）：电擦除的只读存储器。它是非易失性的，但是可以用编程器对它进行编程，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取的优点，但是它比RAM和EPROM的价格高一些，写入信息所需的时间比RAM长。可以用电擦除已写入的内容，再重新写入新内容。 8三、输入输出模块（三、输入输出模块（I/O单元）单元）输入模块作用：用来接收和采集输入信号输入模块作用：用来接收和采

5、集输入信号 。输入信号有两类：一类是开关量输入信号，如按钮开关、行程开关、数字拨码开关、接近开关、光电开关、压力继电器等。另一类是模拟量输入信号，如电位器、热电、测速电机、各种变送器送来的连续变化的模拟量输入信号。9 输出模块的作用输出模块的作用：是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场的执行部件能接收的信号，用来控制接触器、电磁阀、调节阀、调速装置等，控制的另一类负载是指示灯、数字显示器和报警装置等。 提高抗干扰能力：一般的输入/输出单元都有光电隔光电隔离装置。在数字量I/O模块中广泛采用由发光二极管和光电三极管组成的光电耦合器，在模拟量I/O模块中通常采用隔离放大器。 10（1）

6、开关量I/O模块的外部接线方式 开关量I/O模块的外部接线方式有汇点式、汇点式、分组式和分隔式分组式和分隔式 注意：开关量I/O模块的点数一般是2的n次方，如4、8、16点 11（2）输入接口电路 PLC的输入电路有：直流输入、交直流输入 。1213（3）输出接口电路）输出接口电路 继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出 输出电流典型值为输出电流典型值为0.52A，负载电源由，负载电源由外部现场提供外部现场提供 。14继电器输出 特点：有触点式输出，带载能力强，但相应速度慢。15晶闸管输出特点：无触点输出，响应速度快。只能带交流负载。特点：无触点输出，响应速度快。

7、只能带交流负载。16（3）晶体管输出特点：无触点输出，相应速度快，只能带直流负载特点：无触点输出，相应速度快，只能带直流负载174特殊功能模块v（1）模拟量输入输出模块； 输出信号可以是电压或电流；可以是单极性的如05V、010V、15V、420mA，也可以是双极性的如5V、10V和20mA，模块一般可输入多种量程的电流或电压 184特殊功能模块v（2）高速计数模块； 把过程控制变量（如位置信号、速度值、流量值累计等）的方波信号送入可编程控制器。这些参量的变化速度很快，使用独立计数的高速计数器对这些参量进行计数。高速计数模块可对几十KHZ甚至上MHZ的脉冲计数，当计数器的当前值等于或大于预置值

8、时，输出被驱动。194特殊功能模块v（3）PID过程控制模块； 实现对连续变化的模拟量闭环控制的智能模块，可将PID模块看作一个过程调节器。在PID模块上有输入/输出接口和进行闭环控制运算的CPU，模块一般可以控制多个闭环。204特殊功能模块v（4）运动控制模块 ：常用于数控技术方面 ； 运动控制模块通过输出脉冲输出脉冲控制位置移动位置移动量和移动速度移动速度，可分为单坐标控制和双坐标控制，双坐标控制可实现两坐标运动协调，这实际上是通过可编程控制器运动控制模块实现的数控技术。214特殊功能模块v（5）中断输入模块与快速响应模块：用于快速响应的控制系统 ； 中断过程：接收到中断输入信号后，暂停正

9、在运行的主程序，转而执行中断程序，执行完后返回继续执行主程序。224特殊功能模块v（5）通信模块； 网络接口，通过通信数据模块总线和可编程控制器的主机连接，用硬件和软件一起来实现通信协议。可编程控制器的通信模块一般配有多种接口，可以通过通信模块上的选择开关进行接口选择，实现与别的可编程控制器、智能控制设备或计算机之间的通信。23四、电源单元 PLC的供电电源是一般的市电，开关电源供电，允许电源电压在额定值的+10%-15%的范围内波动，内部有一个稳压电源。也有用直流24V供电的。另外PLC还有24V DC输出，用于对外部传感器供电。 24五外部设备接口 v接口是PLC实现人-机对话、机-机对话

10、的通道。通过它，彩色图形显示器、打印机、I/O扩展单元、上位机等相连接。v接口：RS232C、RS422A、RS485串行通信接口。该接口的功能是串行/并行数据的转换、通信格式的识别、数据传输的出错校验、信号电平的转换等25六输入输出扩展单元 v当所需的输入输出点数或类型超出主机输入输出单元所允许的点数或类型时 通过加接输入输出扩展单元来解决。v简单型和智能型 简单型不带中央处理单元，智能型带中央处理单元26七、编程器v（1）输入程序；v（2）检查程序；v（3）修改程序；v（4）监视PLC的工作状态。另外还有:(1)外部设备接口，用于与编程器、显示器、打印机等外部设备连接。 (2)输入、输出扩

11、展单元。272.1.2 PLC2.1.2 PLC软件系统：软件系统： v 系统程序 由PLC厂家提供，固化在EPROM中。系统程序可分为管理程序、编译程序、标准程序模块和系统调用三部分。282.1.2 PLC2.1.2 PLC软件系统：软件系统： v 用户程序 用户根据需要，用PLC的程序语言编写的控制程序。 。293-2 可编程控制器的等效电路接线程序控制接线程序控制 将继电器、接触器、电子元件等若干分立器件用导线连接在一起，形成满足控制对象动作要求的控制“程序”存储程序控制存储程序控制 将控制逻辑以程序语言的形式存放在存储器中通过执行存储器中的程序实现系统的控制要求。可编程控制器可编程控制

12、器 是一种存储程序控制器303-2 可编程控制器的等效电路31一、可编程控制器的等效电路可编程序控制器构成的存储程序控制系统，由如下三部分组成 32 输入回路由外部输入电路、PLC输入接线端子和输入继电器组成。 （1）输入回路（2）内部控制电路 内部控制电路是由用户程序形成的用“软继电器软继电器”来代替硬继电器硬继电器的控制逻辑。 （3）输出回路 输出回路是由PLC内部的输出继电器的接点、输出接线端子和外部驱动电路组成，用来驱动外部负载。33PLC工作过程（1）PLC采用循环扫描的工作方式；（2）PLC有两种工作状态，运行（RUN）和停止（STOP）。在STOP状态，只执行1、2；在RUN状态

13、，1、2、3、4、5，五个过程。3435内部处理阶段 2通信操作 （1）与另外PLC交换数据； （2）响应编程器输入的命令，更新编程器的显示。（1）自检：检查CPU模块内部硬件是否正常；（2）喂狗：将监控定时器复位。3输入处理（1）顺序读入所有输入端子的通断状态；（2）将读入的信息存入对应的映象寄存器中。364程序执行vPLC根据扫描原则，按先左后右，先上后下的步序，逐句扫描，逐句执行。v具体工作：将输入映像寄存器或其它映像寄存器的状态（0/1）读出，进行相应的运算，并将运算结果存入对应的映像寄存器中。5输出处理（1）将输出映象寄存器Y的状态输出到输出锁存器中；（2）通过隔离电路、驱动功率放大

14、电路，输出控制信号 。37工作原理383940PLC工作方式的特点：集中采样、集中输出、循环扫描。v（1）集中采样：对输入阶段的扫描只在输入采样阶段进行。即在其它阶段输入映像寄存器中的内容不会改变，直到下一个扫描周期的采样阶段才能读入新的内容；v（2）集中输出：将输出映像寄存器的内容集中送给输出端口。在其它阶段端口状态不变。v（3）循环扫描：周而复始，不停地循环。41（1）扫描工作方式的优点： 提高了系统的抗干扰能力。 集中采样、集中输出的循环扫描方式使PLC在工作的大部分时间与外界隔离，从根本上提高了抗干扰能力，提高了可靠性。（2）扫描工作方式的缺点：响应滞后，降低了系统速度。42LPC采用

15、扫描工作方式，输入/输出信号存在着原理上的滞后；电气控制：电气控制：KM1、KM2同步；同步；PLC控制控制Y1、Y2 不同步不同步 4344v解决方法解决方法 （1）改变信息刷新方式 I/O立即刷新 、I/O直接刷新方式 （2）采用中断技术（3）调整输入滤波器456扫描周期的计算扫描周期（时间）=接点扫描时间（T1）+程序执行时间（T2）+自诊断时间（T3）+通信时间（T4） 46举例例3-1：三菱公司FX240MR，配置开关量输入24点，开关量输以16点，用户程序为1000步，不包含特殊功能指令，PLC运行时不连接上位计算机等外设。I/O的扫描速度为003ms8点，用户程序的执行速度为07

16、4s/步，自诊断所需的时间为096ms，试计算一个扫描周期所需要的时间为多少?47解：v扫描40点IO所需要的时间为：T1O03ms8点40点=015msv1000步程序所需要的时间为：T20.74s/步1000步0.74msv自诊断所需要的时间为：T3. 96msv因PLC运行时，不与外设通信，所以通信时间为:T4=0这样一个扫描周期T为：TT1+T2+T3+T4=0.15ms十0.74ms十0.96ms1.85ms48v当Fx2系列PLC投入运行后，CPU将最大扫描周期、最小扫最大扫描周期、最小扫描周期和当前扫描周期描周期和当前扫描周期的值分别存入D8012、D8011、D80l0三个特殊

17、数据寄存器中(计时单位：1ms)，v还提供一种以恒定的扫描周期恒定的扫描周期扫描用户程序的运行方式。用户可将通过计算或实际测定的最大扫描周期再留一些余量，作为恒定扫描周期的值存放在特殊数据寄存器D8039中(计时单位：1ms)；当特殊辅助继电器M8039线圈被接通时，PLC按照D8039中存放的数据以恒定周期扫描用户程序。 493-3 可编程控制器的编程语言一、 可编程控制器的性能指标 1 .输入、输出接点数(1) 三菱FX2N系列输入/输出为3:2 ；(2) OMRON系列的输入/输出为1:1 。 2、扫描速度(1) 执行1000步所需要的时间，毫秒/千步；(2) 执行1步所需要的时间，单位

18、：微秒/步。 503-3 可编程控制器的编程语言 3.存储器容量 指用户存储器容量，通常用“字”、“步”描述； 三菱FX2N系列的容量为8K步（可扩展到16K步）；OMRON公司的CPM1A系列的容量为2048字。 注：1步=4byte 51（一）梯形图编程语言（LAD）梯形图 二、 可编程控制器的编程语言52梯形图与继电器电气控制图的区别 v电气控制图中的继电器、定时器、计数器是物理器件；而梯形图的继电器、定时器、计数器是非物理器件，又称软器件。v电气控制图中母线中有电流通过；梯形图中的左右母线不接电源，其中的电流为虚电流（即假想电流） v梯形图最右边必须为输出元件；电气控制图无此要求。v梯

19、形图中的每个编程元件用字母加数字串表示，不同的元件用不同的字母表示，例如：输入元件为：X；输出元件为Y等。梯形图格式及特点梯形图格式及特点v（1）左右母线，多层梯级，起始于左母线，通过继电器线圈终止于右母线。有些省略右母线。53v（2）假想 “能流” 自左向右流动。v（3）继电器线圈一般情况下只能出现一次。继电器常开触点、常闭触点则可被无限次使用。梯形图格式及特点梯形图格式及特点v（4）执行从上到下、从左到右的顺序进行的梯形图中每一梯级的运算结果，可立即被其后的梯级所利用。54v（5）梯形图中只出现输入继电器的触点，而不出现输入继电器的线圈。梯形图格式及特点梯形图格式及特点（8）动作顺序v继电器控制电路中继电器控制电路中接通电源，整个电路中继电器常闭触点同时闭合，常开触点同时断开。