PLC工作原理和系统配置课件

1第一章PLC的基本组成和工作方式1、PLC的组成和各部分的作用2、PLC的工作原理3、PLC的编程语言4、PLC的主要性能指标5、PLC的分类6、主要PLC产品概况1第一章PLC的基本组成和工作方式1、PLC的组成和各部分2PLC的基本组成PLC专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。PLC的基本组成2PLC的基本组成PLC专为工业场合设计，采用了3PLC的中央处理单元（CPU）中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。

CPU按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作：1）接收、存储、检查和校验由编程工具输入的用户程序和数据；2）用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据，并存入输入映象寄存器或数据存储器；3）执行用户程序：进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传递、逻辑运算或数值运算。根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，再经由输出部件实现输出控制。

4）故障诊断：诊断电源、PLC内部电路的工作故障3PLC的中央处理单元（CPU）中央处理单元（CPU）一般由4PLC中常采用的CPU有三类：1)通用微处理器（如Z80、8086、80286等）2)单片微处理器（如8031、8096等）3)位片式微处理器（如AMD29W等）小型PLC：大多采用8位通用微处理器和单片微处理器，中型PLC：大多采用16位通用微处理器或单片微处理器大型PLC：大多采用高速位片式微处理器（32位）

小型PLC为单CPU系统，中、大型PLC则大多为双CPU或多CPU系统。对于双CPU系统，一般一个为字处理器，一般采用8位、16位或32位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。4PLC中常采用的CPU有三类：5①只读存储器ROM、PROM、EPROM、E2PROM②可读/写操作的随机存储器RAMPLC的存储器（Memory）5①只读存储器ROM、PROM、EPROM、E2PRO6系统程序是PLC生产厂家编写的系统程序，用户不可访问和修改，相当于PC机的操作系统，包括系统监控程序、用户指令解释程序、标准程序模块、系统调用、管理等程序以及各种系统参数等；完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用、管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能。它和PLC的硬件组成有关，它关系到PLC的性能。系统程序由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中。PLC的存储器（Memory）－ROM6系统程序是PLC生产厂家编写的系统程序，用户不可访问和修改7用户程序是用户根据控制对象生产工艺及控制的要求而编制的应用程序。它是由PLC控制对象的要求而定的；为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在EPROM中。现在有许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。用户程序是根据控制要求而编制的应用程序。不同机型用户程序存储器的容量差异较大。PLC的存储器（Memory）－ROM7用户程序是用户根据控制对象生产工艺及控制的要求而编制的应用8RAM：用来存储PLC工作的数据区和参数区。数据区存放PLC在运行过程中所用到的和生成的各种工作数据，包括输入、输出数据映象区，定时器、计数器的预置值和当前值的数据等；参数区存放CPU的组态数据，如输入输出CPU组态，设置输入滤波，通信组态，高速计数器配置等等。有电池或大电容的断电数据保持数据区。PLC的存储器（Memory）－RAM8PLC的存储器（Memory）－RAM9输入、输出单元是PLC的CPU与现场输入、输出装置或其他外部设备之间的连接接口部件。一般来说，输入、输出单元均带有光耦合电路，目的是把PLC与外部电路隔离开来，以提高PLC的抗干扰能力。输入接口作用：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。输入单元的类型有直流、交流和交直流式。输出接口作用：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电。输出有三种形式：继电器--低速大功率；可控硅--高速大功率；晶体管--高速小功率PLC的输入、输出单元（I/O）9输入、输出单元是PLC的CPU与现场输入、输出装置或其他外10COM光电三极管发光二极管直流输入光-电器件输入端子+–内部电路3.3kXn+24V1000PF470–直流输入例10COM光电三极管发光二极管直流输入光-电器件输入端子+–11继电器输出例COM输出端子继电器输出AC250V/DC24V(max)内部电路内部电路JOUTL11继电器输出例COM输出端子继电器输出AC250V/DC12PLC的编程设备编程设备可以是专用的手持式的编程器；也可以是安装了专门的编程通讯软件的个人计算机。用户可以通过键盘输入和调试程序；另外在运行时，还可以对整个控制过程进行监控。PLC的电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配备的直流开关稳压电源。PLC的电源12PLC的编程设备编程设备可以是专用的手持式的编程器；也可132、PLC的工作原理132、PLC的工作原理14建立I/O映象区PLC在存储器内开辟I/O映象区，其大小与系统控制的规模有关。对于系统的每一个输入点总有输入映象区的某一位与之相对应，每一个输出点都有输出映象区的某一位与之相对应。系统的输入、输出点的编址号与I/O映象区的映象寄存器地址号相对应。PLC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“输入继电器”、“输出继电器”的数据取用于I/O映象区，而不直接与外部设备发生关系。I/O映象区的建立，使PLC工作时只和内存有关地址单元所存信息状态发生关系，而系统输出也是只给内存某一地址单元设定一个状态，从而加快程序执行速度，并使控制系统与外界隔开，提高抗干扰能力。14建立I/O映象区PLC在存储器内开辟I/O映15PLC的循环扫描工作方式PLC采用循环扫描工作方式，这个工作过程一般包括五个阶段：内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理。当PLC方式开关置于RUN（运行）时，执行所有阶段；当方式开关置于STOP（停止）时，不执行后3个阶段，此时可进行通信处理，如对PLC联机或离线编程。15PLC的循环扫描工作方式PLC采用循环扫描工作方式，这16PLC执行的五个阶段，称为一个扫描周期，PLC完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。循环扫描：CPU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。对慢速响应系统，增强了抗干扰能力。循环扫描工作方式16PLC执行的五个阶段，称为一个扫描周期，PLC完成一个周17PLC的I/O滞后现象PLC采用循环扫描的工作方式，即对信息串行处理方式，必然导致输入、输出延迟响应，通常滞后时间几十毫秒。对于一般工业控制要求，这种滞后现象是允许的。对要求响应时间小于扫描周期的控制系统，可以使用智能输入/出单元（如快度响应I/O模块）或专门的立即I/O指令，通过与扫描周期脱离的方式解决。17PLC的I/O滞后现象PLC采用循环扫描的工183、PLC的编程语言183、PLC的编程语言19PLC的编程语言指令表（助记符）语言：类似于微机中的汇编语言。梯形图语言：沿袭了传统的控制图。直观明了，易于掌握。各个厂家生产的PLC产品的指令系统大同小异，编程方法也类似。梯形图的规则：（1）梯形图的左边为起始母线，右边为结束母线。（2）一个输出变量只能输出一次。输出前面必须有接点。（3）梯形图中，接点可串可并，但输出只能并不能串。（4）程序结束时有结束符---（END）。用梯形图编程需注意的问题19PLC的编程语言指令表（助记符）语言：类似于微机中的汇编204、PLC的主要性能指标204、PLC的主要性能指标21PLC的主要性能指标1）输入/输出点数(I/O点数)。2）扫描速度。单位：ms

/1000步或s

/步3）内存容量。4）指令条数。5）内部寄存器数目。6）高功能模块。21PLC的主要性能指标1）输入/输出点数(I/O点数225、PLC的分类

PLC一般可从其I/O点数、结构形式和功能三方面进行分类225、PLC的分类23按结构形式分类1）整体式PLC：将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。小型PLC一般采用这种整体式结构。23按结构形式分类1）整体式PLC：将电源、CPU、I/O接242）模块式PLC：将PLC各组成部分分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同模块组成一个系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。3）叠装式PLC：还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。

按结构形式分类242）模块式PLC：将PLC各组成部分分别作成若干个单独的25按I/O点数分类1）小型PLCI/O点数为256点以下的为小型PLC（其中I/O点数小于64点的为超小型或微型PLC）2）中型PLCI/O点数为256点以上、2048点以下的为中型PLC3）大型PLCI/O点数为2048以上的为大型PLC（其中I/O点数超过8192点的为超大型PLC）这个分类界限不是固定不变的，它随PLC的发展而变化。25按I/O点数分类1）小型PLCI/O点数为256点以26

按功能分类1）低档PLC：具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。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2）中档PLC：具有低档PLC功能外，具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还增设中断、PID控制等功能3）高档PLC：具有中档机功能外，增加带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数运算、制表及表格传送等。高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。26

按功能分类1）低档PLC：具有逻辑运算、定时、计数、276、主要PLC产品概况276、主要PLC产品概况28从第一台PLC出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制PLC，并得到了迅速的发展。各国PLC都有自己的特色。美国：A-B（Allen-Bradly）、GE（GeneralElectric）欧洲：西门子（Siemens）、ABB、Schneider，…日本：欧姆龙（OMRON）、三菱电机（MitsubishiElectric）、FUJI、Panasonic（日本主要发展中小型PLC，其小型机性能先进，结构紧凑，价格便宜）目前国内市场还有韩国、台湾等PLC产品；自1973年，我国开始研制顺序控制器，并取得一些进展，现在市场上出现了系列化的国产PLC，其价格相对低廉，性价比较高。

PLC三大流派28从第一台PLC出现以后，日本、德国、法国等也相29SLC50029SLC50030S7-40030S7-40031FX0N31FX0N32PLC可靠性措施屏蔽滤波电源调整与保护隔离采用模块式结构故障检测信息保护与恢复软件看门狗加强对程序的检查和校验对程序及动态数据进行电池后备32PLC可靠性措施屏蔽33第二章OMRONCPM1A系列小型PLC1、CPM1A的系统配置33第二章OMRONCPM1A系列小型PLC1、CPM134CPM1A的系统构成34CPM1A的系统构成353536CPM1A的特点36CPM1A的特点373738383939404041414242434344444545464647474848494950PLC的内存除存放用户和系统的程序外，还有四个区：I/O区：可直接与外部输入、输出端子传递信息内部辅助寄存器区：存放中间变量数据区：存放中间结果专用寄存器区：定时时钟、标志、系统内部的命令用户在对这四个区进行操作时，可以以寄存器和/或接点的方式进行。寄存器和接点的概念50PLC的内存除存放用户和系统的程序外，还有四个区：寄存器51寄存器是一个16位二进制单元，16位中的每一位是一个接点，对应外部的一个输入/输出端子。FEDCBA987654321051寄存器是一个16位二进制单元，16位中的每一位是一个接点5252535354Thanks54Thanks55第一章PLC的基本组成和工作方式1、PLC的组成和各部分的作用2、PLC的工作原理3、PLC的编程语言4、PLC的主要性能指标5、PLC的分类6、主要PLC产品概况1第一章PLC的基本组成和工作方式1、PLC的组成和各部分56PLC的基本组成PLC专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。PLC的基本组成2PLC的基本组成PLC专为工业场合设计，采用了57PLC的中央处理单元（CPU）中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。

CPU按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作：1）接收、存储、检查和校验由编程工具输入的用户程序和数据；2）用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据，并存入输入映象寄存器或数据存储器；3）执行用户程序：进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传递、逻辑运算或数值运算。根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，再经由输出部件实现输出控制。

4）故障诊断：诊断电源、PLC内部电路的工作故障3PLC的中央处理单元（CPU）中央处理单元（CPU）一般由58PLC中常采用的CPU有三类：1)通用微处理器（如Z80、8086、80286等）2)单片微处理器（如8031、8096等）3)位片式微处理器（如AMD29W等）小型PLC：大多采用8位通用微处理器和单片微处理器，中型PLC：大多采用16位通用微处理器或单片微处理器大型PLC：大多采用高速位片式微处理器（32位）

小型PLC为单CPU系统，中、大型PLC则大多为双CPU或多CPU系统。对于双CPU系统，一般一个为字处理器，一般采用8位、16位或32位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。4PLC中常采用的CPU有三类：59①只读存储器ROM、PROM、EPROM、E2PROM②可读/写操作的随机存储器RAMPLC的存储器（Memory）5①只读存储器ROM、PROM、EPROM、E2PRO60系统程序是PLC生产厂家编写的系统程序，用户不可访问和修改，相当于PC机的操作系统，包括系统监控程序、用户指令解释程序、标准程序模块、系统调用、管理等程序以及各种系统参数等；完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用、管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能。它和PLC的硬件组成有关，它关系到PLC的性能。系统程序由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中。PLC的存储器（Memory）－ROM6系统程序是PLC生产厂家编写的系统程序，用户不可访问和修改61用户程序是用户根据控制对象生产工艺及控制的要求而编制的应用程序。它是由PLC控制对象的要求而定的；为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在EPROM中。现在有许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。用户程序是根据控制要求而编制的应用程序。不同机型用户程序存储器的容量差异较大。PLC的存储器（Memory）－ROM7用户程序是用户根据控制对象生产工艺及控制的要求而编制的应用62RAM：用来存储PLC工作的数据区和参数区。数据区存放PLC在运行过程中所用到的和生成的各种工作数据，包括输入、输出数据映象区，定时器、计数器的预置值和当前值的数据等；参数区存放CPU的组态数据，如输入输出CPU组态，设置输入滤波，通信组态，高速计数器配置等等。有电池或大电容的断电数据保持数据区。PLC的存储器（Memory）－RAM8PLC的存储器（Memory）－RAM63输入、输出单元是PLC的CPU与现场输入、输出装置或其他外部设备之间的连接接口部件。一般来说，输入、输出单元均带有光耦合电路，目的是把PLC与外部电路隔离开来，以提高PLC的抗干扰能力。输入接口作用：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。输入单元的类型有直流、交流和交直流式。输出接口作用：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电。输出有三种形式：继电器--低速大功率；可控硅--高速大功率；晶体管--高速小功率PLC的输入、输出单元（I/O）9输入、输出单元是PLC的CPU与现场输入、输出装置或其他外64COM光电三极管发光二极管直流输入光-电器件输入端子+–内部电路3.3kXn+24V1000PF470–直流输入例10COM光电三极管发光二极管直流输入光-电器件输入端子+–65继电器输出例COM输出端子继电器输出AC250V/DC24V(max)内部电路内部电路JOUTL11继电器输出例COM输出端子继电器输出AC250V/DC66PLC的编程设备编程设备可以是专用的手持式的编程器；也可以是安装了专门的编程通讯软件的个人计算机。用户可以通过键盘输入和调试程序；另外在运行时，还可以对整个控制过程进行监控。PLC的电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配备的直流开关稳压电源。PLC的电源12PLC的编程设备编程设备可以是专用的手持式的编程器；也可672、PLC的工作原理132、PLC的工作原理68建立I/O映象区PLC在存储器内开辟I/O映象区，其大小与系统控制的规模有关。对于系统的每一个输入点总有输入映象区的某一位与之相对应，每一个输出点都有输出映象区的某一位与之相对应。系统的输入、输出点的编址号与I/O映象区的映象寄存器地址号相对应。PLC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“输入继电器”、“输出继电器”的数据取用于I/O映象区，而不直接与外部设备发生关系。I/O映象区的建立，使PLC工作时只和内存有关地址单元所存信息状态发生关系，而系统输出也是只给内存某一地址单元设定一个状态，从而加快程序执行速度，并使控制系统与外界隔开，提高抗干扰能力。14建立I/O映象区PLC在存储器内开辟I/O映69PLC的循环扫描工作方式PLC采用循环扫描工作方式，这个工作过程一般包括五个阶段：内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理。当PLC方式开关置于RUN（运行）时，执行所有阶段；当方式开关置于STOP（停止）时，不执行后3个阶段，此时可进行通信处理，如对PLC联机或离线编程。15PLC的循环扫描工作方式PLC采用循环扫描工作方式，这70PLC执行的五个阶段，称为一个扫描周期，PLC完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。循环扫描：CPU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。对慢速响应系统，增强了抗干扰能力。循环扫描工作方式16PLC执行的五个阶段，称为一个扫描周期，PLC完成一个周71PLC的I/O滞后现象PLC采用循环扫描的工作方式，即对信息串行处理方式，必然导致输入、输出延迟响应，通常滞后时间几十毫秒。对于一般工业控制要求，这种滞后现象是允许的。对要求响应时间小于扫描周期的控制系统，可以使用智能输入/出单元（如快度响应I/O模块）或专门的立即I/O指令，通过与扫描周期脱离的方式解决。17PLC的I/O滞后现象PLC采用循环扫描的工723、PLC的编程语言183、PLC的编程语言73PLC的编程语言指令表（助记符）语言：类似于微机中的汇编语言。梯形图语言：沿袭了传统的控制图。直观明了，易于掌握。各个厂家生产的PLC产品的指令系统大同小异，编程方法也类似。梯形图的规则：（1）梯形图的左边为起始母线，右边为结束母线。（2）一个输出变量只能输出一次。输出前面必须有接点。（3）梯形图中，接点可串可并，但输出只能并不能串。（4）程序结束时有结束符---（END）。用梯形图编程需注意的问题19PLC的编程语言指令表（助记符）语言：类似于微机中的汇编744、PLC的主要性能指标204、PLC的主要性能指标75PLC的主要性能指标1）输入/输出点数(I/O点数)。2）扫描速度。单位：ms

/1000步或s

/步3）内存容量。4）指令条数。5）内部寄存器数目。6）高功能模块。21PLC的主要性能指标1）输入/输出点数(I/O点数765、PLC的分类

PLC一般可从其I/O点数、结构形式和功能三方面进行分类225、PLC的分类77按结构形式分类1）整体式PLC：将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。小型PLC一般采用这种整体式结构。23按结构形式分类1）整体式PLC：将电源、CPU、I/O接782）模块式PLC：将PLC各组成部分分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同模块组成一个系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。3）叠装式PLC：还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。

按结构形式分类242）模块式PLC：将PLC各组成部分分别作成若干个单独的79按I/O点数分类1）小型PLCI/O点数为256点以下的为小型PLC（其中I/O点数小于64点的为超小型或微型PLC）2）中型PLCI/O点数为256点以上、2048点以下的为中型PLC3）大型PLCI/O点数为2048以上的为大型PLC（其中I/O点数超过8192点的为超大型PLC）这个分类界限不是固定不变的，它随PLC的发展而变化。25按I/O点数分类1）小型PLCI/O点数为256点以80

按功能分类1）低档PLC：具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。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2）中档PLC：具有低档PLC功能外，具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还增设中断、PID控制等功能3）高档PLC：具有中档机功能外，增加带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算