电气控制与PLC第4章PLC的组成与工作原理

第4章PLC的组成与工作原理4.1概述4.2可编程控制器的组成4.3可编程控制器的工作原理4.4可编程控制器的编程语言4.1概述什么是PLC？一、可编程控制器的定义是一种工业控制装置是在电气控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。通用叫法中文名称为可编程控制器；英文名称为ProgrammableLogicController，简称PLC。1987年，国际电工委员会（IEC）定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。一、可编程控制器的定义二、可编程控制器的产生因为继电器逻辑电路配线复杂背景：1968年美国通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。

二、可编程控制器的产生1968年，GM公司提出十项设计标准：编程简单，可在现场修改程序；维护方便，采用插件式结构；可靠性高于继电器控制柜；体积小于继电器控制柜；成本可与继电器控制柜竞争；可将数据直接送入计算机；可直接使用115V交流输入电压；输出采用115V交流电压，能直接驱动电磁阀、交流接触器等；通用性强，扩展方便;能存储程序，存储器容量可以扩展到4KB。二、可编程控制器的产生1969年，美国数字设备公司研制第一台可编程控制器，并应用于工业现场。二、可编程控制器的产生1971年，日本从美国引进了这项新技术，并很快研制成了日本第一台可编程序控制器。1973年，当时的西德和法国也研制出了自己的可编程序控制器并在工业领域开始应用。我国从1974年开始研制，并于1977年开始工业应用。三、可编程控制器的特点可靠性高，抗干扰能力强通用性强，使用方便程序设计简单，易学易懂采用模块化结构，系统组合灵活方便系统设计周期短安装简便，调试方便，维护工作量小对生产工艺改变适应性强，可进行柔性生产四、可编程控制器的应用应用形式：1、开关逻辑控制2、模拟量控制3、顺序（步进）控制4、定时控制5、计数控制6、闭环过程控制7、数据处理8、通信和联网可编程控制器的应用领域可编程控制器的应用领域可编程控制器的应用领域可编程控制器的应用领域可编程控制器的应用领域可编程控制器的应用领域可编程控制器的应用领域可编程控制器的应用领域可编程控制器的应用领域可编程控制器的应用领域按结构形式分整体式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、价格低等特点。五、可编程控制器的分类按结构形式分模块式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。五、可编程控制器的分类按结构形式分紧凑式PLC还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来。五、可编程控制器的分类按I/O点数分小型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）中型PLCI/O点数为256点以上、2048点以下的为中型PLC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）五、可编程控制器的分类六、可编程控制器的发展趋势向高速度、大容量方向发展为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节向小型化和大型化两个方向发展小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要。大型化是指大中型PLC向大容量、智能化和网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。现已有I/O点数达16384点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。六、可编程控制器的发展趋势大力开发智能模块，加强联网与通信能力为满足各种控制系统的要求，不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。PLC的联网与通信有两类：①PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；②PLC与计算机之间的联网通信。为了加强联网与和通信能力，PLC生产厂家也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统。

六、可编程控制器的发展趋势增强外部故障的检测与处理能力据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理。而其余80%的故障属于PLC的外部故障。PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。六、可编程控制器的发展趋势编程语言多样化在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图、语句表语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。六、可编程控制器的发展趋势4.2PLC的基本组成一、PLC的硬件结构FX系列PLC的硬件配置图1、CPU（中央微处理器）CPU由控制器和运算器组成，它是PLC的运算和控制中枢，起着主导核心作用。CPU的主要任务是：①对系统进行管理，如自诊断、查错、信息传送、时钟、计数、刷新等；②进行程序解释，根据用户程序执行输入、输出操作等。2、存储器可分为系统程序存储器和用户程序存储器，用户程序存储器又包括用户程序存储区和用户数据存储区。①系统程序存储器：用于存放PLC生产厂商永久存储的程序和指令，称为监控程序。监控程序与PLC硬件组成和专用部件物性有关，用户不能访问和修改该存储器的内容。②用户程序存储区：主要存放用户已编制好的程序或正在调试的应用程序。用户可擦除重新编程。③用户数据存储区：用于PLC工作过程中经常变化、需要随机存储存取的一些数据。3、输入、输出接口现场外部设备通过输入/输出接口电路与PLC相连接。输入/输出接口一般具有光电隔离和滤波，其作用是把PLC与外部电路隔离开，以提高PLC的抗干扰能力。输入/输出信号分为开关量、模拟量、数字量。（1）输入接口电路开关量输入模块的作用是将外部现场各种开关量信号（如按钮、选择开关、行程开关、继电器触头、接近开关、光电开关等）转换成PLC内部统一的标准信号电平，传送到内部总线的输入接口模块。可分为直流输入和交流输入两种形式。直流输入模块的电源一般由PLC内部提供，交流输入模块的电源通常由用户提供。（1）输入接口电路直流输入单元电路（1）输入接口电路交流输入单元电路

（1）输入接口电路汇点输入接线示意图（1）输入接口电路独立输入接线示意图（2）输出接口电路PLC的输出接口类型有三种，继电器输出接口电路、晶体管输出接口电路和晶闸管输出接口电路。

（2）输出接口电路继电器输出电路（2）输出接口电路继电器输出接口为有触点输出方式，适用于接通或断开开关频率较低的交流或直流负载回路，其带载能力较强，但响应时间长（10ms）,寿命较短。

（2）输出接口电路晶体管输出电路（2）输出接口电路晶体管输出接口为无触点输出方式，信号响应迅速(0.2ms)、寿命长，可用于接通或断开开关频率较高的直流电源负载控制回路，带载能力弱（最大0.5A）。

（2）输出接口电路晶闸管输出电路（2）输出接口电路晶闸管输出接口为无触点输出方式，信号响应迅速(1ms)、寿命长，可用于接通或断开开关频率较高的交流电源负载控制回路，带载能力弱（最大0.3A）。

（2）输出接口电路汇点输出接线示意图（2）输出接口电路独立输出接线示意图4、电源PLC一般使用220V单相交流电源，电源部件将交流电转换成中央处理器、存储器等电路工作所需的直流电，保证PLC正常工作。PLC内部有一个开关稳压电源，此电源一方面可为CPU、I/O单元及扩展单元提供直流5V工作电源，另一方面可为外部输入元件提供直流24V电源。对于整体机结构的PLC，电源通常封装在机箱内部；对于组合式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。4、电源5、扩展接口扩展接口用于将扩展单元与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需求。若PLC主机板（又称基本单元）的I/O点数不能满足输入输出设备的需要时，可用扩展电缆将I/O扩展单元与基本单元相连，达到灵活配置，增加I/O点数的目的。

6、存储器接口可根据需要扩展存储器，内部与总线相连，可扩展用户程序存储区、数据参数存储区。7、外设接口PLC的通信口，可与手持编程器、计算机或其他外围设备相连，以实现编程、调试、运行、监视、打印和数据传送等功能。编程器作用是供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视。简易编程器(又称手持编程器)，优点是：价格便宜、携带方便。缺点是：只能联机编程，且一般只能用助记符指令编程。多用于小型PLC。编程器通用计算机编程，采用通用计算机，通过PLC的RS232串行外设通讯口(或RS422接口配以适配器)与计算机相连，利用PLC厂家提供的专用编程软件，使用户可以直接在计算机上采用梯形图或助记符指令编程，并有较强的监控能力。

编程器1、监控程序由生产厂家编制，用于管理、协调PLC各部分工作的通用程序。2、用户程序由用户根据需要编制的应用程序。3、用户环境由监控程序生成。包括用户数据结构、用户元件区分配、用户程序存储区、用户参数、文件存储区等。二、PLC的软件4、PLC的内部等效电路三、PLC的一般技术指标2、I/O点数

指PLC外部输入和输出端子数。

输入/输出信号有开关量和模拟量两种，开关量用最大I/O点数来表示，而模拟量用最大I/O通道数来表示。

1、用户程序存储器容量用来衡量PLC所能存储用户程序的多少。通常以字或K字为单位。约定由两个8位二进制数的字节构成一个16位二进制数为一个字，每1024个字节为1K。三、PLC的一般技术指标3、扫描速度扫描速度一般是指执行一步指令或1K步指令所用的时间，其单位为us/步或ms/K步。它表示CPU处理信息的快慢。

4.编程元件的种类和数量编程元件指：输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、通用“字”寄存器、数据寄存器及特殊功能继电器等。其种类和数量是衡量PLC硬件功能的一个指标。三、PLC的一般技术指标5.指令系统指PLC具有的基本指令和高级指令的种类和数量。种类数量越多，软件功能越强。三、PLC的一般技术指标6.特殊功能及模块如高速计数模块、位置控制模块、闭环控制模块等。7.扩展能力如I/O点数扩展、功能模块扩展等。

FX系列PLC●FX系列家族成员

FX0FX2FX2CFX0SFX1SFX0NFX1NFX2NFX2NC特殊品种输出形式单元类型I/O总点数系列序号D—DC电源A1—AC电源H—大电流输出扩展模块V—立式端子排的扩展模块C—接插口输入输出方式F—输入滤波器1ms扩展模块L—TTL输入扩展模块S—独立端子（无公共端）扩展模块R—继电器输出T—晶体管输出S—晶闸管输出M—基本单元E—输入输出混合扩展单元及扩展模块EX—输入专用扩展模块EY—输出专用扩展模块16~256点0、2、0S、0N、2C、2N等型号的命名方式

FX系列PLC型号说明4.3PLC的工作原理一、PLC的工作方式由于PLC在工业中使用对逻辑运算稳定性要求相对比较高，所以PLC一般不采用微型计算机的等待命令和中断工作方式，而采用循环扫描的工作方式，即PLC工作时对用户程序反复循环扫描，逐条解释用户程序，并加以处理。PLC扫描周期很短，只有几十ms，所以响应速度远远高于继电接触器控制系统。

三条支路是同时并行工作的，按下起动按钮SB2，中间继电器KA线圈通电并自锁，KA的另两个常开触点闭合，使KM1、KM2线圈通电吸合动作。∴继电器接触器控制系统采用的是并行工作方式。①继电接触器控制系统是一种“硬件逻辑系统”。

②

PLC是一种工业控制计算机，CPU以分时操作方式来处理各项任务，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各软电器的动作，成为时间的串行工作。由于运算速度较高，各软电器的动作几乎是同时完成的，但实际的输入/输出的响应是滞后的。

PLC输入接口上接有按钮SB1、SB2和电池，输出接口上接有接触器KM1、KM2。

当SB1没被按下，SB2被按下，PLC的继电器X000、X001接通，PLC的继电器Y000、Y001接通，PLC内部继电器M100工作，并使PLC内的继电器Y000、Y001工作。但是M100和Y000、Y001的接通工作不是同时的。二、可编程控制器的工作过程

PLC采用“循环扫描”的工作方式，整个过程扫描并执行一次所需的时间称为扫描周期。二、可编程控制器的工作过程1、自诊断每次扫描程序前对CPU、存储器、I/O模块等进行故障诊断，发现故障或异常情况则转入处理程序，保留现行工作状态，关闭全部输出，停机并显示出错信息。二、可编程控制器的工作过程2、与外设通信在自诊断正常后，PLC对编程器、上位机等通信接口进行扫描，如有请求便响应处理。二、可编程控制器的工作过程输入采样程序执行输出刷新3.输入采样阶段

PLC在输入采样阶段，以扫描方式顺序读入所有输入端的通/断状态或输入数据，并将此状态存入输入映象寄存器，即输入刷新。接着转入程序执行阶段。在程序执行期间，即使输入状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会改变，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入。4.程序执行阶段

PLC在执行阶段，按先左后右，先上后下的步序，执行程序指令。其过程如下：从输入映象寄存器和其它元件映象寄存器中读出有关元件的通/断状态，并根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关的映象寄存器中。5.输出刷新阶段在所有指令执行完毕后，将各物理继电器对应的输出映象寄存器的通/断状态，在输出刷新阶段转存到输出锁存器，去控制各物理断电器的通/断，这才是PLC的实际输出。由PLC的工作过程可见，在PLC的程序执行阶段，即使输入发生了变化，输入映象寄存器的内容也不会立即改变，要等到一个周期输入处理阶段才能改变。暂存在输出映象寄存器中的输出信号，等到一个循环周期结束，CPU集中将这些输出信号全部输出给输出锁存器，这才成为实际的CPU输出。因此全部输入、输出状态的改变就需要一个扫描周期，换言之，输入、输出的状态保持一个扫描周期。扫描过程的简单实例：执行结果：Y1响应滞后于Y2一个周期。若将第二逻辑行与第一逻辑行调换位置，则程序执行结果就不会出现这种现象。

三、FX系列PLC的编程元件

继电接触器控制系统用到了各种具体的电器元件，通过它们的硬接线来实现控制功能。而PLC是通过运行用户程序来实现控制功能。梯形图程序设计中有许多逻辑器件和运算器件，它们是由PLC内部的电子电路和一个个存储单元所构成。从编程的角度出发，我们可以不管它们具体的物理实现，仅仅关心它们的功能，统一称为编程元件。

我们以FX2N系列PLC为例，详细介绍编程元件的名称、用途及使用方法。输入继电器用来接收外部输入的开关量信号。它和对应的输入端子相连，同时提供无数的常开和常闭触点用于编程。

输入继电器的线圈必须由外部信号来驱动，不能在程序内部用指令来驱动。因此，在程序中输入继电器只有触点而没有线圈。1、输入继电器X2、输出继电器Y输出继电器是PLC用来输送信号到外部负载的元件。每一个输出继电器有一个外部输出的常开触点（硬触点），同时提供了无数的常开和常闭软触点用于编程。外部信号无法直接驱动输出继电器，它只能在程序内部用指令来驱动。输入输出继电器的地址编号都采用八进制。FX2N基本单元I/O最大范围为输入继电器X0-X77、输出继电器Y0-Y77共128点。输入、输出继电器采用八进制编号3、辅助继电器M

PLC内部有很多辅助继电器，每个辅助继电器都有无数对常开、常闭触点，供编程使用。辅助继电器只能由程序驱动，其作用相当于继电器控制电路中的中间继电器。辅助继电器的触点不能直接驱动外部负载。辅助继电器可分为通用型、断电保持型和特殊辅助继电器。3、辅助继电器M通用辅助继电器M0-M499（500点）通用继电器按十进制编号，M0-M499，共有500点（除输入、输出继电器外，其它所有元件按十进制编号）。

通用辅助继电器和输出继电器一样，在PLC电源中断后，其状态将变为OFF。当电源恢复后，除因程序使其变为ON外，其它仍保持OFF。3、辅助继电器M断电保持辅助继电器M500-M3071（2572点）其中的M500～M1023（524点）可以用软件来设定使其变为非断电保持辅助继电器。

断电保持辅助继电器是由PLC内装后备锂电池支持的。在PLC电源中断后，它具有保持断电前的瞬间状态的功能，并在恢复供电后继续断电前的状态。3、辅助继电器M特殊辅助继电器M8000-M8255（256点）具有某项特定功能的辅助继电器，用来表示可编程控制器的某些状态、设定计数器为加计数或减计数及提供功能指令中的标志等。PLC内的特殊辅助继电器各自具有特定的功能，可分为两类。未定义的特殊辅助继电器不可在用户程序中使用。M8000（M8001）----运行监视用特殊辅助继电器PLC运行时M8000得电（M8001断电），PLC停止时M8000失电（M8001得电）

只能利用其触点的特殊辅助继电器，线圈由PLC自动驱动，用户只利用其触点。M8002（M8003）----初始化脉冲辅助继电器

M8002（M8003）只在PLC开始运行的第一个扫描周期内得电（断电），其余时间均断电（得电）。

常用M8002的触点作为一些继电器的初始化复位信号

只能利用其触点的特殊辅助继电器，线圈由PLC自动驱动，用户只利用其触点。M8011、M8012、M8013、M8014----分别提供周期为10ms、100ms、1s、1min的时钟脉冲。M8005----锂电池电压降低继电器锂电池电压低于规定值时动作，它的触点接通可编程控制器面板上的指示灯，提醒工程技术人员更换锂电池。

只能利用其触点的特殊辅助继电器，线圈由PLC自动驱动，用户只利用其触点。M8030：锂电池欠压指示灯特殊继电器使锂电池欠压指示灯熄灭。M8033：PLC停止时输出保持特殊辅助继电器RUN→STOP时，输出保持RUN前状态。M8034：禁止全部输出特殊辅助继电器当M8034线圈被接通时，则PLC的所有输出自动断开。M8039：定时扫描特殊辅助继电器当M8039线圈被接通时，则PLC以D8039中指定的扫描时间工作。

可驱动线圈型特殊继电器，用户驱动线圈后，PLC作特定动作。4、状态继电器S状态器在步进顺控类的控制程序中起着重要的作用，它与步进指令STL配合使用，采用十进制编号。状态器有无数个常开触点与常闭触点，编程时可随意使用；状态器不用于步进顺控指令时，可作辅助继电器使用。状态器同样有通用状态器和断电保持状态器，其比例分配可由外设设定。状态有五种类型：初始状态S0～S9共10点回零状态S10～S19共10点通用状态S20～S499共480点保持状态S500～S899共400点报警用状态S900～S999共100点4、状态继电器S5、指针（P/I）（1）分支用指针PP0～P127，用作程序跳转和子程序调用的编号（2）中断用指针I6、定时器T定时器在PLC中的作用相当于一个时间继电器，它有一个设定值寄存器，一个当前值寄存器以及无限个触点。通常PLC中有几十至数百个定时器T。

PLC内定时器是根据时钟脉冲累积计时，时钟脉冲有1ms、10ms、100ms三档。当所计时时间到达设定值时，输出触点动作。定时器可用用户程序存储器内的常数K作为设定值，也可用D的内容作为设定值。三菱FX系列PLC的所有定时器都是接通延时定时器。它又分为通用定时器和积算定时器两种。（1）通用定时器T0～T245(246点）T0～T199的计时单位为100ms，定时范围0.1～3276.7s；T200～T245的计时单位为10ms，定时范围0.01～327.67s。当输入条件满足时，开始计时，当输入条件不满足时，当前值恢复为零，定时器复位。T10K123X0T10Y1（2）积算定时器T246~T255T246~T249的计时单位为1ms，定时范围0.001~32.767s；T250~T255的计时单位为100ms，定时范围0.1~3276.7s。积算定时器具有计数累积的功能。在定时过程中如果断电或定时器线圈OFF，积算定时器将保持当前的计数值（当前值），通电或定时器线圈ON后继续累积，即其当前值具有保持功能，只有将积算定时器复位，当前值才变为0。

RSTT250K345X1X2T250Y1T250如果X1为ON，则T250用当前值计数器累计100ms的时钟脉冲。当达到设定值K345时，定时器的输出触点动作。在累计过程中，即使输入X1断开或停电时，再起动时，继续累计，其累计时间为34.5s。如果复位输入X2为ON，定时器复位，输出触点也复位。计数器可分为普通计数器和高速计数器。普通计数器又称为内部信号计数器，它是在执行扫描操作时对内部元件（X、Y、M、S、T、C）的信号进行计数的计时器。因此，其接通和断开时间应比PLC的扫描周期要长。高速计数器是按中断原则运行的，与PLC的扫描周期无关。7、计数器C1）16位加计数器通用型：C0～C99共100点断电保持型：C100～C199共100点设定值K在1～32767之间。设定值K0与K1含义相同，即在第一次计数时，其输出触点动作。（1）内部信号计数器X1１为计数输入，每次X1１接通时，当前值加1。当C0当前值等于设定值10时，输出触点动作。之后即使输入X11再接通，计时器的当前值也保持不变。如果复位输入X10为ON，则执行RST指令，计数器的当前值为0，输出触点复位。２）32位双向计数器有两种32位加/减计数器，设定值：-2147483648～+2147483647。通用计数器：C200～C219共20点保持计数器：C220～C234共15点计数方向由特殊辅助继电器M8200～M8234设定。加减计数方式设定：对于C△△△，当M8△△△接通（置1）时，为减计数器，断开（置0）时，为加计数器。计数值设定：直接用常数K或间接用数据寄存器D的内容作为计数值。间接设定时，要用元件号紧连在一起的两个数据寄存器。用X14作为计数输入，驱动C200线圈进行加计数或减计数。用X12设定计数方向。在计数器的当前值增加至设定值时（由-6→-5时），输出触点置位；在当前值减少至小于设定值时（由-5→-6时），输出触点复位，。如果复位输入X13为ON，则执行RST指令，计数器当前值变为0，输出触点也复位。如果从2147483647开始增计数，则成为-2147483648，同样从-2