PLC的结构组成及工作原理

1.第7讲PLC的结构组成及工作原理讲解内容：5.1PLC的硬件结构组成5.2PLC的软件组成5.3PLC的工作原理与技术指标5.4西门子S7-200系列PLC系统组成学习说明：本讲是学习PLC的根底知识。重点掌握：PLC的硬件组成、软件组成、工作原理及主要性能技术指标

52.可编程控制器组成硬件编程器电源CPU存储器I/O口软件系统程序用户程序PLC

53.

5.1PLC的硬件系统结构组成外部设备现场用户输出设备微处理器（CPU）运算器控制器输出部件输入部件系统存储器用户存储器I/O扩展接口通讯及编程接口编程设备计算机打印机等传感器按钮、开关现场信号电磁阀中间继电器执行器现场用户输入设备扩展设备扩展单元通讯模块功能模块电源变换器～220V市电PLC基本单元PLC系统结构示意图4.CPU开关量I/O接口RAM、ROM模拟量I/O接口EPROM/E2ROM通迅接口编程器电源

PLC组成的原理框图PLC由5个主要部件组成：①CPU②存储器③I/O局部④编程器⑤电源

5.1

PLC主要部件5.微处理器〔CPU〕接收并存储用户程序和数据；诊断电源、PLC工作状态及编程的语法错误；接收输入信号，送入数据存放器并保存；运行时顺序读取、解释、执行用户程序，完成用户程序的各种操作；将用户程序的执行结果送至输出端。PLC主要部件：微处理器〔CPU〕

5.1

6.系统存储器——系统程序存储器+系统数据存储器存放系统工作程序〔监控程序〕；存放模块化应用功能子程序；存放命令解释程序；存放功能子程序的调用管理程序；存放存储系统参数。用户存储器——RAM/EPROM/E2PROM存放用户工作程序；存放工作数据。PLC主要部件：存储器

5.1

7.输入单元——带光电隔离电路多种辅助电源类型：AC电源DC24V输入DC电源DC24V输入DC电源DC12V输入接收开关量及数字量信号〔数字量输入单元〕；接收模拟量信号〔模拟量输入单元〕；接收按钮或开关命令〔数字量输入单元〕；接收传感器输出信号。PLC主要部件：输入单元

5.1

8.注意：光电耦合器的作用实现现场与PLC主机的电气隔离，以提高抗干扰性。防止外部强电侵人主机而损坏主机。电平变换，光电耦合器将现场各种开关信号变换成

PLC主机要求的标准逻辑电平。

5.1

9.PLC

输入接口电路

5.1

10.输出单元——带光电隔离器及滤波器多种输出方式：晶体管晶闸管继电器驱动直流负载〔晶体管输出单元〕；驱动非频繁动作的交/直流负载〔继电器输出单元〕；驱动频繁动作的交/直流负载〔晶闸管输出单元〕。PLC主要部件：输出单元

5.1

11.通讯及编程接口——采用RS-485或RS-422串行总线连接专用编程器；连接个人电脑〔PC〕，实现编程及在线监控；连接工控机，实现编程及在线监控；连接网络设备〔如调制解调器〕，实现远程通讯；连接打印机等计算机外设。PLC主要部件：通讯及编程接口

5.1

12.I/O扩展接口——采用并行通讯方式扩展I/O模块；扩展位置控制模块；扩展通讯模块；扩展模拟量控制模块。PLC主要部件：I/O扩展接口

5.1

13.

5.1

PLC的硬件结构组成PLC由三个根本局部组成：输入局部、逻辑处理局部、输出局部。根本结构示意图如图5-1所示。

PLC的基本组成框图输入局部输出局部14.输入局部：是指各类按钮、行程开关、传感器等接口电路，它收集并保存来自被控对象的各种开关量、模拟量信息和来自操作台的命令信息等。逻辑处理局部：用于处理输入局部取得的信息，按一定的逻辑关系进行运算，并把运算结果以某种形式输出。输出局部：是指驱动各种电磁线圈、交/直流接触器、信号指示灯等执行元件的接口电路，它向被控对象提供动作信息。为了使用方便，PLC还常配套有编程器等外部设备，它们可以通过总线或标准接口与PLC连接。不同厂家、不同类型的PLC指令系统的指令符号、指令内容、指令条数也不同；关于软器件和I/O口的相应规定也不一样。虽然PLC方方面面都有很多不同，但是这种装置都称为可编程序控制器，它们在根本内涵上一定同多异少。PLC的硬件系统结构组成

5.1

15.

5.2

PLC软件系统组成系统监控程序

运行管理

生成用户元件系统内部自检管理程序

解释程序标准程序模块、系统调用用户程序自动化系统控制程序数据表格软件系统一、软件组成16.梯形图(LAD)语句表〔STL〕功能块图(FBD)顺序功能表图〔SFC〕高级语言二、PLC的编程语言

5.2PLC编程语言是多种多样的，对于不同生产厂家、不同系列的PLC产品采用的编程语言的表达方式也不相同。IEC61131-317.梯形图语言是在传统电气控制系统中常用的接触器、继电器等图形表达符号的根底上演变而来的。它与电气控制线路图相似，继承了传统电气控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，具有形象、直观、实用的特点。因此，这种编程语言为广阔电气技术人员所熟知，是应用最广泛的PLC的编程语言，是PLC的第一编程语言。1.梯形图语言(LAD)

5.2二、PLC的编程语言18.从图中可看出，与电气接线图表示思想是一致的，具体表达方式有一定区别。PLC的梯形图使用的是内部继电器、定时／计数器等，都是由软件来实现，使用方便，修改灵活，是电气控制线路硬接线无法比较的。1.梯形图语言(LAD)

5.2二、PLC的编程语言19.这种编程语言是一种与汇编语言类似的助记符编程表达方式。STL适合于熟悉PLC和逻辑编程的有经验的程序员虽然各个PLC生产厂家的语句表形式不尽相同，但根本功能相差无几。2.语句表语言〔STL〕

5.2二、PLC的编程语言20.这是一种建立在布尔表达式之上的图形语言。实质上是一种将逻辑表达式用类似于“与〞、“或〞、“非〞等逻辑电路结构图表达出来的图形编程语言。它没有梯形图的触点和线圈，但是有与之等价的指令〔盒指令〕，程序逻辑由盒指令盒指令之间的连接决定。3.功能块图(FBD)

5.2二、PLC的编程语言21.功能表图语言是一种较新的编程方法，又称状态转移图语言。它将一个完整的控制过程分为假设干阶段，各阶段具有不同的动作，阶段间有一定的转换条件，转换条件满足就实现阶段转移，上一阶段动作结束，下一阶段动作开始。是用功能表图的方式来表达一个控制过程，对于顺序控制系统特别适用。4.顺序功能表图〔SFC〕

5.2二、PLC的编程语言22.随着PLC技术的开展，为了增强PLC的运算、数据处理及通信等功能，以上编程语言无法很好地满足要求。近年来推出的PLC，尤其是大型PLC，都可用高级语言进行编程。采用高级语言后，用户可以像使用普通微型计算机一样操作PLC，使PLC的各种功能得到更好的发挥。5.高级语言

5.2二、PLC的编程语言23.IEC〔国际电工委员会〕推出了一个有关PLC编程方面的轮廓性标准。这个标准鼓励不同的PLC厂商向用户提供与IEC指令集的表示和操作一致的指令。IEC61131-3指令集是不同PLC厂商的指令标准。

5.2IEC61131-3指令集二、PLC的编程语言24.PLC的工作原理PLC的主要技术指标

5.3

PLC的工作原理及技术指标

525.一、PLC的工作原理

5.3

S7-200CPU连续执行用户程序，任务的循环序列称为扫描STOP模式：不运行用户程序S7-200CPU有两个操作模式RUN模式：运行用户程序CPU的扫描周期包含：读输入执行程序处理通讯请求执行CPU自诊断测试写输出26.CycleoftheS7200CPU(1)ProgramexecutionCommunica-tionhandlingSelf-diagnosticsonCPUReaddig.inputsWritedig.outputsStart:

5.327.CycleoftheS7200CPU(2)ReadinputsCyclicalupdatingofthedigitalinputsintheprocessimageofinputs(thePIIhas8-bitsections,bitswhicharenotusedareinitializedtozero)AnaloginputsarereadbydirectI/Oaccesswithoutstorageinprocessimage.ProgramexecutionExecutionofalloperationsAdditionaldirectaccesstoI/OsalsopossibleintheinterruptsectionoftheprogramCommunicationhandlingInthispartofthecycle,theCPUprocessesallmessagesreceivedfromtheinterfaces.

5.328.CycleoftheS7200CPU(3)Self-diagnosticsonCPUDuringthispartofthecycle,theCPUchecksthefirmware,theprogrammemoryandthestatusoftheexpansionmodules.WriteoutputsTheprocessimageofthedigitaloutputs(PIQ)isautomaticallyoutputtotheI/Osattheendofthecycle(thePIQhas8-bitsections,bitswhicharenotusedcanbeusedasinternalbitmemories).AnalogoutputsareupdatedbydirectI/Oaccess.

5.329.一、

PLC的工作原理

PLC的运行方式理解PLC的运行过程〔和继电器系统比较〕

5.330.形象理解PLC的工作原理典型例子

5.3一、

PLC的工作原理

31.一、PLC的工作原理—建立I/O映像区输入点总有输入映象区的某一位与之相对应I/O映象区的大小与系统控制的规模有关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“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。

5.332.理解PLC的工作原理典型例子

5.3一、

PLC的工作原理

启动排水的操作面板开关状态加到其它的输入状态上。这些状态的计算决定了输出的状态，由输出驱动关闭排水的阀门。CPU读输入状态CPU中存储的程序利用这些输入执行控制逻辑。当程序运行时，CPU刷新有关数据。CPU把数据写到输出CPU连续地扫描程序，读写数据。33.PLC的工作方式PLC的工作按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。工作过程上电处理扫描过程出错处理

5.3一、

PLC的工作原理

34.形象理解PLC的工作方式

5.3一、

PLC的工作原理

35.PLC工作过程定期检查用户程序存储器、I/O单元的连接、I/O总线是否正常，定期复位监控定时器WDTPLC之间以及PLC与PC之间；PLC与其他带微处理器的智能装置通信编程器、终端设备、彩色图形显示器、打印机以扫描的方式按顺序逐句扫描处理，运算结果存入输出映象区对应位中扫描的方式输入信号的状态存入输入映象区；结果存入输出映象区，直至传送到外部被控设备。去除内部继电器区，复位定时器等，并进行自诊断，对电源、PLC内部电路、用户程序的语法进行检查。开机内部处理通信效劳输入刷新程序执行输出刷新

5.336.执行OB1中的程序(循环执行)事件(日期时间中断、硬件中断等)调用其他OB，FB，FC输出

模块AI0.1AI0.2=Q8.0块OB1循环监视时间的开始启动块

(OB100)上电后执行一次从模块读信号状态，并保存到过程映象区(PII)把过程映象输出表(PIQ)写到输出模块CPU循环输入

模块PLC的工作过程流程图

5.337.用户程序的循环扫描过程

信号传递过程(从输入到输出)输入端输入电路输入映像存放器输入刷新阶段---CPU从输入电路的输出端读出各路状态，并将其写入输入映像存放器；X0X1b.程序执行阶段--CPU从输入映像存放器和元件映像存放器中读出各继电器的状态，并根据此状态执行用户程序，执行结果再写入元件映像存放器中；c.紧接着的输出刷新阶段---将输出映像存放器的状态写入输出锁存电路，再经输出电路传递输出端子，从而控制外接器件动作。X0Y0Y0Y1元件映像存放器读写输出锁存器输出电路输出端Y0Y1读写

5.338.PLC扫描过程的中心内容输入采样阶段程序执行阶段输出刷新阶段

5.3一、

PLC的工作原理

39.PLC的扫描工作过程的进一步描述PLC主要的方式是周期扫描方式。可以细分成下面几个过程。

5.3一、

PLC的工作原理

40.上电处理过程PLC上电后，要进行上电的初始化处理。占用的时间为T0。共同处理过程共同处理的主要任务是复位监视计时器、检查I/O总线、检查扫描周期、检查程序存储器。该过程占用时间为T1。通讯效劳过程当PLC和微机构成通讯网络或由PLC构成网络时，需要有通讯效劳过程。该过程占用的时间为T2。外设效劳过程当PLC接有外部设备如编程器、打印机等，那么需要进行外设效劳过程。该过程占用的时间为T3。PLC的扫描工作过程的进一步描述〔续〕

5.3一、

PLC的工作原理

41.输入刷新过程输入信号刷新为输入处理过程。该过程占用时间为T4，和PLC所带的输入模块的种类和点数多少有关程序执行过程该过程用于执行用户程序。从输入映像区读入输入信息，根据用户程序进行运算操作，并向输出映像区送出控制信息。该过程占用的时间为T5。显然T5和PLC速度、用户程序长短及指令种类有关。输出刷新过程输出信号刷新为输出处理过程。该过程占用时间为T6和PLC所带的输出模块的种类和点数多少有关。

PLC的扫描周期TS=T1+T2+T3+T4+T5+T6PLC的扫描工作过程的进一步描述〔续〕

5.3一、

PLC的工作原理

42.I/O滞后现象的原因

输入滤波器有时间常数

输出继电器有机械滞后

PC循环操作时，进行公共处理、I/O刷新和执行用户程序等产生扫描周期

程序语句的安排，也影响响应时间

5.343.关于PLC的时间滞后问题

PLC对输入和输出信号的响应是有延时的，这就是滞后现象。为了确保PLC在任何情况下都能正常无误地工作，一般情况下，输入信号的脉冲宽度至少必须大于一个扫描周期TS。

5.3还应该注意一个问题是输出信号的状态是在输出刷新时才送出的。因此在一个程序中假设给一个输出端屡次赋值时，只有最后一次赋的值有效。44.PLC输入输出响应时间说明:输入信号在第一个扫描周期的输入采样阶段之后才出现，故在第一个扫描周期内，各映像存放器的均为“0〞状态，使Y0、Y1、Y2输出端的状态为OFF〔“0〞〕状态Y1Y0X0Y1Y0Y2输入信号X0Y1Y2Y0输入采样程序执行输出处理出现信号第一周期说明:在第二个扫描周期的输入采样阶段，输入继电器X0的状态为ON〔“1〞〕状态，程序执行阶段，Y1、Y2没有接通，故Y1、Y2输出端的状态为OFF〔“0〞〕状态。说明:在第三个扫描周期的程序执行阶段，由于Ｙ１的接通使Ｙ０接通，可见从外部输入触点接通到Ｙ０驱动的负载接通，程序执行阶段，响应延迟达两个多扫描周期．输出处理输入采样程序执行第二周期输入采样程序执行输出处理第三周期

5.345.针对扫描周期循环工作制的优缺点提两点建议：对于小型PLC:

I/O点数较少、用户程序较短一般采用：集中采样、集中输出的工作方式

对于大中型PLC:I/O点数较多，控制功能强，用户程序较长，为提高系统响应速度，采用：定期采样、定期输出方式或中断输入、输出方式以及采用智能I/O接口等多种方式

5.346.二、PLC的主要技术指标＊I/O点数I/O点数的多少反映PLC的控制规模。＊程序容量程序容量的大小决定了PLC可以处理控制任务的复杂程度。＊扫描速度扫描速度决定了PLC可以处理快速动作的水平。＊指令条数指令条数的多少反映PLC的软件功能的强弱。＊内部继电器内部继电器的多少反映PLC的硬件功能的强弱。＊特殊功能和高级模块特殊功能和高级模块的种类多少可用来评价PLC的水平的上下。

5.347.1．S7-200CPU模块SIMATICS7-200系统CPU22X系列PLC主机〔CPU模块〕的外形：

5.4S7-200系列PLC系统组成48.

5.4S7-200系列PLC系统组成一个根本的S7-200MicroPLC，包括一个S7-200CPU模块，一台PC，STEP7-Micro/WIN32编程软件，以及一条PC/PPI电缆。49.S7-200CPU22X主要技术指标50.S7-200CPU22X主要技术指标(续)51.课堂练习1根据PLC的循环扫描原理，分析以下PLC梯形图程序，简述当I0.0为高电平后，其余元件：Q0.0、Q0.1、Q0.2得电的顺序。

答案:首先：network2Q0.0其次：network3Q0.1最后：network1Q0.2

552.课堂练习2根据PLC的循环扫描原理，分析以下PLC梯形图程序，简述当I0.0为高电平后，其余元件：Q0.0、Q0.1、Q0.2得电的顺序。

答案:首先：network2Q0.0其次：network3Q0.2最后：network1Q0.1