电气控制与可编程控制器(第3章)

第三章PLC的组成与工作原理12023/2/4介绍PLC技术的基本组成、原理与应用，在了解PLC工作原理与特点的基础上，重点介绍小型PLC的应用技术。包括小型PLC的硬件与系统构成、基本性能、指令与编程方法、控制系统的硬件与软件的设计方法、系统的安装与调试、PLC网络与通讯。2023/2/421、中央处理单元（CPU）（1）CPU——是运算与控制中心

1）接收用户程序、数据等信息

2）自诊断电源、内部电路、编程中的语法错误

3）运行时，从存储器中逐条读取用户程序——

解释——产生控制信号——控制电路——完成用户程序中规定的逻辑运算、算术运算根据运算结果——更新标志位数据寄存器、输出寄存器内容——由输出寄存器的位状态或寄存器的有关内容——实现输出控制2023/2/43CPU的性能——决定PLC的功能档次PLC中常用的CPU有3种：

1）单片机芯片——8031、80962）通用微处理器——8080、8086、803863）双极型位片式微处理芯片——AMD-29xx2023/2/442、存储器（1）存储器作用1）系统程序存储器（固化在EPROM区）

——存程序，只读2）应用软件存储器（又称为系统RAM区）由3部分组成：1）I/O映像区（开关量I/O、模拟量I/O）；2）编程软件存储区；3）用户与数据存储区。2023/2/45

（2）存储器类型1）EPROM——系统程序及需永久保存的用户程序2）RAM——存放用户程序或数据3）EEPROM——兼有1）、2）优点。2023/2/463、输入、输出单元（I/O单元）

输入——进入PLC

输出——控制外部设备作用——电平变换、速度匹配、驱动功率放大、信号隔离等2023/2/4717161514~1007~0403020100输入、输出继电器接线端子2023/2/484、电源单元交流——电压波动＋10％～－15％直流——DC12V、DC24V

作用——工作、内部、外部供电2023/2/49二、PLC控制系统的组成

1、I/O扩展模块和扩展单元I/O扩展——为增加输入输出口模块型号输入点数输出点数

扩展模块最大I/O点数继电器输出晶体管输出FX2N-16MRFX2N-24MRFX2N-32MRFX2N-48MRFX2N-64MRFX2N-80MRFX2N-128MRFX2N-16MTFX2N-24MTFX2N-32MTFX2N-48MTFX2N-64MTFX2N-80MTFX2N-128MT812162432406481216243240641616163232322023/2/410型号输入点数（DC24V）输出点数扩展模块最大I/O点数FX2N-32ERFX2N-48ERFX2N-48ET16242416（继电器）24（继电器）24（晶体管）1632322023/2/411型号输入点数（DC24V）输出点数FX2N-8EXFX2N-16EXFX2N-8EYRFX2N-8EYTFX2N-8EYSFX2N-16EYRFX2N-16EYTFX2N-16EYSFX2N-8ER816－－－－－－4

－－8（继电器）8（晶体管）8（晶闸管）16（继电器）16（晶体管）16（晶闸管）4（继电器）2023/2/4122、I/O特殊功能模块

应用——模拟量输入/输出、数字通信、联网。

3、编程器及其他外围设备2023/2/413三、PLC的编程软器件

继电器逻辑器件——硬件电路器件

PLC逻辑器件——软件编程器件软件编程器件——有输入继电器、输出继电器、定时器、计数器每个器件——编号（按区）编程器件——名称、用途、数量、编号、使用方法2023/2/4142023/2/4151、输入继电器X0～X267（八进制）作用——专门用于接收和存储（记忆，对输入映像寄存

器的某一位）外部开关量信号

（FX2N系列用8位编码，地址为X0～X267）数量——无数对常开、常闭触点编程输入继电器线圈——与PLC输入端子相对应特点——状态只能由外部信号驱动，无法用程序驱动

——触点只能用于内部编程，无法驱动外部负载响应时间——10ms2023/2/4162、输出继电器Y0～Y267（八进制）

作用——只能提供一副触点驱动外部负载（FX2N系列用8位编码，地址为Y0～Y267）数量——无数对常开、常闭触点编程输出继电器外部触点或输出管 ——与PLC输出端子相对应特点——状态只能由程序驱动，无法用外部信号驱动（改变状态）响应时间——10ms2023/2/417COMX0COMY0X0Y0X0常开触点X0常闭触点Y0常开触点Y0常闭触点输入信号输入端子~输出端子负载

外部电源输入继电器输出继电器程序例X0X1

Y0PLCPLC输入、输出继电器等效电路图2023/2/4183、辅助继电器M0～M3071，M8000～M8255(十进制)

作用——相当中间继电器，用于状态暂存、移位、辅助运算、特殊功能数量——无数对常开、常闭触点编程辅助继电器线圈——由程序驱动一般三类：（共3328点）（1）通用型

（用十进制编码，为M0～M499、M1024～M3071）（2）掉电保持型（用十进制，为M500～M1023）（3）特殊用途(M8000～M8255共256点)1）线圈由PLC系统程序自驱动

——用户只能用其触点常用如下：2023/2/419M8000——PLC一旦运行（RUN）即为“1”，用于运行显示。M8002——PLC运行的第一个周期产生一个脉冲

——脉冲宽度为一个周期，用于初始化。M8011～14——产生10ms、100ms、1s、1min

脉冲时钟。M8005——理电池电压低于一定值时动作，

——其触点点燃PLC面板指示灯。2）由用户程序驱动的辅助继电器M8033“通电”——PLC停止运行使输出保持。M8034“通电”——使输出全部禁止。2023/2/4204、状态器S0～S999（十进制）（可作为辅助继电器使用）作用——构成状态转移图，用于步进顺序控制，当不用SFC编程时，可作普通M使用。数量——无数对常开、常闭触点编程。五种状态软器件：（1）初始状态器

S0～S9——共10点（2）回零状态器

S10～S19——共10点（3）通用状态器

S20～S499——共480点（4）保持状态器 S500～S899——共400点（5）故障诊断和报警状态器 S900～S999——共100点2023/2/4215、常数K/HK——十进制数，如：345——K345H——十六进制数，如：345——H1596、定时器T0～T255（十进制）共256点作用——相当通电延时型时间继电器用于定时控制数量——T0～T255共256点动作——设定计时时间到，常开闭合、常闭打开

1）普通型定时器（非积算式）

100ms定时器，T0～T199（200点）设定0.1～3276.7s10ms定时器，T200～T245（46点）设定0.01～327.67s2023/2/4221X0~10ms时钟脉冲普通型定时器的工作原理与动作时序&复位输入计数器设定值KT200X0T200K123

↓设定值X0T200K123T200Y0X0设定值T200当前值Y01.23s计数数据输入比较器输出触点2023/2/4232）保持型定时器（积算式）

1ms保持型定时器（积算）T246～T249

（4点）设定0.001～32.767s（中断动作）

100ms定时器，T250～T255（6点）

设定0.1～3276.7s（中断动作）

例：原理——X1＋——T250＋——对100ms计数＝K345时——T250动作——触点接通

2023/2/4241输出触点X1~100ms时钟脉冲保持型定时器的工作原理与动作时序&复位输入计数器设定值KT250X1T250K345X1T250K345T250Y1X1设定值T250累加值当前值Y1X2t1

t2X2计数数据输入比较器X2RSTT250RSTT250X2t1＋t2＝34.5s2023/2/4257、计数器C（C0～C255共256点）（1）内部信号计数用计数器原理——执行扫描时——对内部器件（X、Y、M、 S、T、C）的信号（通/断）进行计数注意——计数时间>扫描时间

1）16位单向加计数器

①通用型16位加法计数，C0～C99共100点

②掉电保持型16位加法计数，

C100～C199共100点2023/2/426注意——两种计数器设定值在K1～K32767范围内，K0与K1 含义相同，即在第一次计数时，其输出触点动作。输入——X11接通一次——计数器＋1——到设定值——输出触点动作＋。复位——X10接通——执行RST指令——计数器复位——当前值＝0——输出触点断开－。2023/2/427C0当前数据加计数器动作过程图X10C0K10C0Y012345678910111213X11RSTC00X10X11Y0134567891022023/2/428图表示加/减计数器的动作过程

方向设定——X12

复位信号——X13

输入信号——X14

若计数器从＋2147483647再进行加计数

——当前值就变成－2147483648

同样——从－2147483648再减

——当前值就变成＋2147483647。

——称为循环计数注意：32位计数器

——可当做32位数据寄存器使用，

——但不能用于16位指令中的操作元件。2023/2/429C200当前数据加/减计数器工作过程X13C200K－3C200Y112345678910111213X14RSTC2000X13X14Y1123210－1M8200X12X12－2－3－4－5－1－2－3－40若输出已经接通加减加从－3再往下减，则输出断开。由－4再加到－3，则输出接通。2023/2/430（2）高速计数器输入点——X0～X5、C235～C255共21点类型：

1）1相无起动/复位端子C235～C240。

2）1相带起动/复位端子C241～C245。

3）1相双向输入C246～C250。

4）2相输入（A-B型）C251～C255。注意：最高计数受2个因素限制①——输入响应速度；②——全部高速计数器的处理速度。有关T、C组成工作过程及其应用在第五节中进一步介绍。2023/2/4318、数据寄存器D（D0～D7999、D8000～D8255共8256点）（1）通用型数据寄存器D0～D199

当由RUN——STOP时——全部为“0”，其中M8033(置“1”）。（2）掉电保持型数据寄存器D200～D999

当由RUN——STOP时——全部“保持”。2023/2/432（3）文件寄存器D1000～D7999

占用用户RAM存储器内的某一存储区间。用以存放用户专用数据以生成用户数据区。例如存放采集数据、统计计算数据、多组控制数据（如多种原种配方）等。以500点为一组，可用编程器进行数据的设置或修改，也可用编程软件进行读、写操作。在PLC运行中，不能改写其内容，但可用BMOV指令将其内容送到指定的普通数据寄存器中。

2023/2/4339、变址寄存器V/Z用于改变器件的地址编号，V/Z都是16位数据寄存器，可读写，进行32位操作时，V在前Z在后。（V、Z是给定的可变化数值）X10若V＝8，Z＝14则5＋8＝13，10＋14＝24传送执行D13→D24MOVD5VD10Z变址寻址方式数据传送2023/2/43410、指针P/I有2种类型

1）分支指令用指针P0～P63

作用——作标号，指定跳转指令JC或子程序调用指令CALL的跳转目标，占用空间。

2）中断用指针

I0□□～I8□□——共9点格式如下：2023/2/435

例如，I001为输入X0从OFF→ON

变化时，执行由该指针作为标号后面的中断程序，并根据

IRET指令返回。

I外部输入信号中断0：下降沿中断1：上升沿中断输入号（0～5）每个输入只能用1次0

I

内部定时器中断10～99ms定时器中断号（6～8）每个定时器只能用1次例如，I610即为每隔10ms就执行标号为I610后面的中断程序，并根据

IRET

指令返回。2023/2/436中断服务子程序指针标号的应用2023/2/437FX2N

系列PLC存储器分配D0～D199D200～D7999（B/U）D800～D8255KHPIN

参数程序文件寄存器注释D1000～D7999CPU系统软件程序存储器RAMEPROMEEPROMAB/U数据寄存器数据存储器RAMCABVZ变址寄存器BBT0～T199（B/U）

T200～T245定时器当前值CC

T0～T199（B/U）

T200～T245积算型定时器当前值AAC0～C99C100～C199（B/U）C200～C219CACAAC200～C234（B/U）C235～C255（B/U）计数器当前值X0～X267Y0～Y267M0～M499M500～M3071B/UM8000～M8255S0～S9S10～S499S500～S899B/US900～S999B/UT0～T199T200～T245C0～C99C100～C199B/UC200～C219C220～C234B/UC235～C255B/UT246～T249B/UT250～T255B/U定时器触点计数器线圈触点映像定时器触点计数器线圈复位线圈计数器触点计数器线圈复位线圈位存储器RAMCCCABCCAAAAAACACAA输入触点输出辅助触点状态报警器100ms10ms1ms积算100ms积算bitUbitU高速U/DB/U理电池保持U加计数U/D加、减双向计数2023/2/438存储器类型电源OFF

电源OFF→ONSTOP→RUNRUN→STOPA有电池后备的存储器

不变B特殊辅助继电器，特殊数据寄存器，变址寄存器清“0”置初始化值不变C其它无电池后备的存储器清“0”不变清“0”M8033接通时不变电源ON/OFF及PLCRUN/STOP对各存储区的影响2023/2/439FX2系列PLC元件编号一览表型号FX2N－16MFX2N－32MFX2N－48MFX2N－64MFX2N－80MFX2N－128M带扩展输入XX0～X7X0～X17X0～X27X0～X37X0～X47X0～X77X0～X277输入输出合计256点输出YY0～Y7Y0～Y17Y0～Y27Y0～Y37Y0～Y47Y0～Y77Y0～Y277辅助MM0～M499通用M500～M1023（B/U）通信用主→从M800～M899M900～M999M1024～M3071M8000～M8255特殊用状态SS0～S499通用初始S0～S9返回原点S10～S19S500～S899（B/U）保持用S900～S999（B/U）故障诊断用定时器TT0～T199100msT200～T24510msT246～T2491ms积算T200～T24510ms积算计算器C16Bit加计数32Bit可逆计数32Bit高速可逆计数器C0～C99C100～C199C200～C219C220～C234（B/U）保持用C235～C245（B/U）1相1输入C246～C250（B/U）1相2输入C251～C255（B/U）2相输入

数据寄存器D、V、ZD0～D199通用D200～D511（B/U）通信用主→从D490～D499D500～D509D1000~D7999（B/U）文件寄存器D8000～D8255特殊用V，Z2点变址用嵌套指针N0～N7主控用P0～P63跳转，子程序用分支指针I0□□～I5□□输入中断指针I6□□～I18□□时钟中断指针常数K16bit：－32768～3276832bit：－2147483648～2147483647H16bit：0～FFFFH32bit：0～FFFFFFFFH2023/2/440PLC的基本工作原理

一、PLC的基本控制原理与工作方式继电器系统：输入——开关电器；逻辑——继电器触点；输出——电磁阀、接触器、信号灯等。1、PLC的工作方式

——循环扫描、集中输入/输出方式。2023/2/441PLC系统的3个阶段

：

输入采样

——收集保存被控制对象运行的数据状态和控制所需的各种命令信号；

注意：输入脉冲信号宽度一定>T扫描周期

用户程序执行

——程序处理输入、输出及内部相关元件组成的逻辑，判断输出、记忆。

输出刷新

——提供实时操作处理输出信号（电平）。2023/2/442M（微处理器）（寄存器）（存储器）PLCM输入部分逻辑运算部分输出部分输入部分输入变换器逻辑运算部分输出变换器输出部分继电器与PLC装置控制图2023/2/443合上电源开始内部处理通信服务11程序执行输入处理停机？CPU动作方式？STOP否否是PLC工作框图自诊断输出处理停机处理正常？RUN是2023/2/444输入端子输入映象寄存器X0X1X2M0Y0元件映象寄存器②读X0Y0①读③写④读⑤写辅助继电器输出端子输出锁存存储器Y0Y1Y2⑥输出反复一个周期称为扫描周期程序执行中读X程序执行完写所有YPLC用户程序扫描工作过程2023/2/445

2、PLC的工作方式与信息处理规则PLC在I/O信息处理中遵循的原则：

1)——输入映像寄存器开关状态——取决于输入口在输入阶段的状态、采样数据。

2）——程序执行结果取决于用户程序结构和输入寄存器及内部元件寄存器内容。2023/2/4463）——I/O映像区输出寄存器内容取决于所有输出指令

的执行结果。

4)——输出锁存器内容取决于上一次输出刷新阶段输出

映像寄存器的内容。

5）——所有输出端口的状态、数据由输出锁存器决定。2023/2/447二、扫描周期扫描周期的长短是影响PLC响应速度的一个重要因素。一个扫描周期——

自诊断、外部通信采样输入、程序执行、

输出刷新等。

自诊断时间

——

通常可以忽略不计。

扫描周期T ——

输入采样＋程序执行＋输出刷新。2023/2/448输入采样和输出刷新时间

——

决定于输入滤波时间常数和I/O点数。程序执行时间

——

是扫描周期T的最大组成部分

——

是一个随机变量

——

每个扫描周期长短不一

＝程序的长短＋复杂程度＋扫描速度

＋每一个扫描周期不同的执行情况。2023/2/449扫描周期T——FX２系列PLC在投入运行后CPU分别将当前

扫描周期T、最小扫描周期Tmin和最大扫描周期 Tmax存入专用数据寄存器D8010、D8011、 D8012中

——

可作为源操作数供用户编程使用

——

计时单位均为0.1ms2023/2/450WDT——

专用的警戒定时器

——

设定值稍大于恒定扫描周期值

——

便能实现程序运行的监视和诊断功能

——

一旦程序运行出现故障

——

发出超时报警信号2023/2/451被控对象系统总线开关量输入模块模拟量输入模块开关量输出模块模拟量输出模块其它模块采样设备之行装置检测装置电源模块主控模块（CPU、存储器、用户存储器、通信接口）编程器计算机可编程终端或外围设备PLCPLC控制系统硬件组成框图2023/2/452合上电源I/O和内部继电器清零所有定时器复位检查I/O单元连接复位时间监视器检查硬件和用户程序存储器采集输入信号刷新I/O数据更新输出信号11检查合格？监控定时器复位T1执行用户程序指令程序结束？监控定时器复位T1服务于外设命令错误标志置位，出错灯亮程序结束？严重故障报警否否是是图2-1X1PLC内部工作示意图2023/2/453三、PLC的I/O响应时间和提高I/O速度的措施

1.PLC的I/O响应时间

——

＝输入＋输出接口的滤波时间常数（一般为10～20ms）

——PLC的I/O响应速度要比微型机算计控制系统慢得多。

由下图可知PLC的I/O响应最小时间时＝一个T＋输入、输出滤波时间常数。

图中

——t1为输入采样阶段 ——t2为程序执行阶段 ——t3为输出刷新阶段2023/2/454PLC的I/O响应时间a)图形图b)最小响应时间波形c)一般情况时间波形

Y2Y1Y0Y2Y1Y0X0T3t1t2t3t1t2t3t1t2t3t1t2t3TTTTY2Y1Y0X0t1t2t3t1t2t3t1t2t3t1t2t3t1TTTTa)b)c)Y1Y0X02023/2/4552.提高I/O响应速度的主要措施 ——

硬件和软件硬件措施：

（1）——

提高扫描速度

（2）——

提供高速输入端口以减小输入滤波时间

（3）——

提供高速处理的特殊功能模块供用户选择使用2023/2/456软件措施：（1）——

采用I/O立即刷新指令（2）——

采用修改滤波时间常数指令（3）——

采用中断技术

（4）——

采用I/O直接刷新工作2023/2/457插入I/O立即刷新指令后的I/O响应a)图形图b)波形图Y10X10Y10t2t3t1t2t3t1t2

TTTa)b)M8000X10M8000300306308REFX10K8REFY10K8300tT308连续8位同时刷新2023/2/458PLC的开关量I/O系统PLC内部I/O映像区状态信号存储单元与输入、输出的开关量信号之间的接口电路。1、开关量或数字输入接口电路3种输入方式

（1）直流输入方式

输入电路

带扩展模块的输入侧的接线图

组成——

光电隔离、滤波、发光二极管指示（LED）2023/2/459传感器COM＋5VLED＋－COMX24VDC24V放大器RRRRC直流输入电路2023/2/460供给扩展模块的电源