《PLC应用技术》课件第2章

第2

章可编程控制器的组成及工作原理2.1可编程控制器的工作原理2.2可编程控制器的硬件系统2.3可编程控制器的软件系统2.4FX2系列可编程控制器的主要编程元件2.5可编程控制器的性能指标与分类习题二

本章知识点：

可编程控制器的组成；

可编程控制器的工作原理；

可编程控制器的硬件系统；

可编程控制器的软件系统；

FX2系列可编程控制器的主要编程元件。2.1可编程控制器的工作原理

PLC在确定了工作任务、装入了专用程序后就成为一种专用机，它采用循环扫描工作方式，系统工作任务的管理及应用程序的执行都是通过循环扫描方式完成的。

1.分时处理及扫描工作方式

PLC系统正常工作所要完成的任务有：计算机内部各工作单元的调度、监控；计算机与外部设备间的通信；用户程序所要完成的工作。这些工作都是分时完成的，每项工作又都包含着许多具体的工作。以用户程序的完成来说，其工作过程又可分为以下三个阶段：

(1)输入处理阶段，也就是输入采样阶段。在这个阶段中，可编程控制器读入输入接口的状态，并将它们存放在输入状态暂存区中。

(2)程序执行阶段。在这个阶段中，可编程控制器根据本次读入的输入数据，依用户程序的顺序逐条执行用户指令。执行的结果均存储在输出信号暂存区中。

(3)输出处理阶段，也叫输出刷新阶段。这是一个程序执行周期的最后阶段。可编程控制器将本次执行用户程序的结果一次性地从输出状态暂存区送到各个输出口，对输出状态进行刷新。这三个阶段也是分时完成的。为了连续地完成PLC所承担的工作，系统必须周而复始地按一定的顺序完成这一系列的具体工作，这种工作方式叫做循环扫描工作方式。PLC重复执行上述三个阶段，每重复一次的时间称为一个扫描周期。PLC用户程序执行阶段扫描工作过程如图2.1所示。其程序执行的时间长短一般取决于CPU的档次和程序的长短。图2.1PLC的扫描工作过程

2.扫描周期及PLC的两种工作状态

PLC有两种基本的工作状态，即运行(RUN)状态与停止(STOP)状态。运行状态是执行应用程序的状态，停止状态一般用于程序的编制与修改，图2.2给出了运行和停止两种状态下PLC不同的扫描过程。由图2.2可知，在这两种不同的工作状态中，扫描过程所要完成的任务是不尽相同的。图2.2PLC扫描过程示意图

3.输入/输出滞后时间输入/输出滞后时间又称为系统响应时间，是指从PLC外部输入信号发生变化的时刻起，至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻为止之间的时间间隔。它由输入电路的滤波时间、输出模块的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分所组成。因此，在需要快速响应的场合，可以采取优化编程或选择扫描时间快的PLC等方法予以解决。

4.讨论从工业控制的角度来看，可编程控制器的梯形图和继电器电路图十分相似。但是，二者之间在运行时序问题上有着根本的差异。对于继电接触器控制系统，同一个接触器的所有触点的动作是和它的线圈通电或断电同时发生的。但是在PLC控制系统中，由于指令的分时扫描执行，同一个器件的线圈工作和它的各个触点的动作并不会同时发生。2.2可编程控制器的硬件系统通过前面的讨论，我们知道PLC实质上是一种专门用于工业控制的计算机，它的硬件结构基本上与微型计算机(PC)相同，但是其工作原理则与PC有些差异。可编程控制器构成的基本控制系统简化框图如图2.3所示，其中可编程控制器的基本组成由虚线内的五部分组成。图2.3PLC组成基本控制系统的结构简图

1.中央处理器(CPU)

CPU是可编程控制器的神经中枢，是系统的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能完成以下任务：

(1)接收并存储用户程序和数据；

(2)以扫描方式接收现场输入设备的状态和数据；

(3)诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误；

(4)完成用户程序规定的逻辑运算和算术运算任务；

(5)更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。

2.存储器存储器用来存储数据或程序，它包括随机存取的存储器RAM和在工作过程中只能读出、不能写入的存储器EPROM及EEPROM。RAM中的用户程序用EPROM写入器写入到EPROM芯片中。写入了用户程序的EPROM又可以通过外部接口与主机连接，然后让主机按EPROM中的程序运行。EPROM是可擦可编的只读存储器，如果存储的内容不需要时，可以用紫外线擦除器擦除，再重新写入新程序。由于PLC的软件由应用软件和系统软件构成，因此PLC的存储器可以分为系统程序存储器和用户程序存储器。我们把存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。不同类型的PLC其存储容量各不相同，但是根据工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域。

1)系统程序存储区在系统程序存储区中，存放着相当于计算机操作系统的系统程序。它包括监视程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。由制造商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。

2)系统RAM存储区系统RAM存储区包括I/O映像区以及各类软设备(例如：各种逻辑线圈、数据存储区、计时器、计数器、累加器、变址寄存器等)存储区。

3)用户程序存储区用户程序存储区存放用户编制的应用控制程序，不同类型的PLC，其存储容量各不相同。有些PLC的存储容量可以根据用户的需要加以改变，例如，三菱公司的FX2系列PLC，其用户程序存储区除了主机单元已有2KB的RAM以外，用户还可以根据需要选用4KB或8KB的RAM、EPROM加以扩展。

3.输入/输出(I/O)模块

I/O模块是连接CPU与现场I/O设备或其他外部设备之间的桥梁。PLC提供了具有各种操作电平与输出驱动能力的I/O模块和各种用途的功能模块供用户选用。一般PLC均配置I/O电平转换及电气隔离。输入电平转换是用来将输入端不同电压或电流信号源转换成微处理器所能接收的低电平信号；输出电平转换是用来将微处理器控制的低电平信号转换为控制设备所需要的电压或电流信号。电气隔离是在微处理器与I/O回路之间采用的防干扰措施。

4.电源

PLC配有开关式稳压电源模块，用来对PLC的内部电路供电。

5.编程器编程器是PLC最重要的外围设备，也是PLC不可缺少的一部分。它不仅可以写入用户程序，还可以对用户程序进行检查、修改和调试，以及在线监视PLC的工作状态。编程器通过接口与CPU相连，以完成人机对话功能。编程器一般分为以下两类：

(1)简易编程器。简易编程器功能比较少，一般只能用语句表形式进行编程，通常需要联机工作。简易编程器使用时直接与PLC的专用插座相连接，由PLC提供电源。它体积小、重量轻，便于携带，适合于小型PLC使用。简易编程器部分的内容将在第3章中介绍。

(2)图形编程器。图形编程器既可以用指令语句表进行编程，又可以用梯形图编程；既可以联机编程，也可以脱机编程。图形编程器操作方便，功能强，有液晶显示的便携式和阴极射线管式两种。图形编程器还可以与打印机、绘图仪等设备连接，但是价格相对比较高，通常大中型PLC多采用图形编程器。目前，很多PLC都可以利用微型计算机作为编程工具，只要配上相应的硬件接口和软件包，就可以用包括梯形图在内的多种编程语言进行编程，同时还具有很强的监控功能。

6.其他外部设备

PLC还配有生产厂家提供的其他一些外部设备。

(1)外部存储器。外部存储器是指磁带或磁盘，工作时可以将用户程序或数据存储在盒式录音机的磁带上或磁盘中，作为实验的备份数据。当PLC内存中的程序被破坏或丢失时，可将外存中的程序重新装入。

(2)打印机。打印机用来打印带注释的梯形图程序或指令语句表程序以及各种报表等。在系统的实时运行过程中，打印机用来提供运行过程中发生事件的硬记录，例如，记录PLC系统运行过程中故障报警的时间等，这对于事故分析和系统改进是非常有价值的。

(3) EPROM写入器。EPROM写入器用于将用户程序写入EPROM中。同一PLC系统的各种不同应用场合的用户程序可以分别写入不同的EPROM中去，当系统的应用场合发生变化时，只需要更换相应的EPROM芯片即可。

7. I/O扩展模块

I/O扩展模块用来扩展输入、输出点数。当用户所需要的输入、输出点数超过PLC基本单元的输入、输出点数时，就需要加上I/O扩展模块来扩充系统，以便适应控制系统的要求。2.3可编程控制器的软件系统

PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，通常可以分为系统程序和用户程序两大部分。可编程控制器的软件系统和硬件系统是相辅相成的，两者缺一不可。

1.系统程序系统程序是每一个PLC产品必须包含的部分，由PLC生产厂家提供，用于控制PLC本身的运行。系统程序固化在EPROM中。系统程序又可以进一步分为管理程序、编译程序、标准程序模块和系统调用三部分。管理程序是系统程序中最为重要的部分。PLC的运行都由其控制，管理程序主要对PLC的输入、输出、运算等操作运行进行时间上先后顺序的管理，规定各种数据、程序的存放地址，生成用户环境以及系统诊断等。编译程序用来把梯形图程序、语句表程序等编程语言翻译成PLC能够识别的机器语言。系统程序的第三部分是标准程序模块和系统调用。这部分由许多独立的程序模块组成，每个程序模块完成一种单独的功能，如输入、输出及特殊运算等。PLC根据不同的控制要求选用这些模块，完成相应的工作。

2.用户程序用户程序就是由用户根据控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序，以实现具体的控制目的。用户程序存储在系统程序指定的存储区内，它的最大容量也是由系统程序限定的。

3.程序结构当程序不长且比较简单时，编制程序时常用顺序结构，即整个程序不分段，顺序编写而成。小型PLC的用户程序通常都为顺序结构。对于较长且比较复杂的程序，为了使程序的编制简单清晰，可以按照功能、结构或使用目的，将整个程序划分成多个程序模块，按模块来编制和调试，再把各部分组合，形成一个完整的程序，这种编程方法被称为结构化或模块化编程法。大中型PLC的用户程序比较复杂，一般都采用模块化编程法。按模块结构组合而成的用户程序，由各个独立的程序段组成，每个程序段完成一个单一的功能。因此，使得原本复杂的编程工作简单了许多，程序的调试、修改和查错工作也十分方便。2.4FX2系列可编程控制器的主要编程元件可编程控制器的主要编程元件从物理实质上来说是电子电路及存储器，具有不同使用目的的元件电路有所不同。考虑到工程技术人员的习惯，可将元件电路用继电器电路中类似的名称来命名，分别称为输入继电器、输出继电器、辅助(中间)继电器、定时器、计数器等。为了区分上述这些元件的功能，避免重复选用，我们给元件编制号码，这些号码也就是计算机存储单元的地址。三菱FX2系列可编程控制器的编程元件由字母和数字组成，它们分别表示编程元件的类型和元件号，例如：Y0、X2、T10、M200、C2等。除了输入继电器X、输出继电器Y为八进制以外(即逢八进位)，其余都为十进制。

1.输入继电器X

FX2系列PLC的输入继电器的编号为X0～X177，输入继电器X是PLC接收来自外部输入设备开关信号的接口。输入继电器X的线圈与PLC的输入端相连，并带有许多常开和常闭触点供编程时使用。输入继电器X由外部信号驱动，即由外接开关控制。FX2C-48MT型PLC的输入继电器X的编号采用八进制编制，如表2.1所示。表2.1FX2C-48MT型可编程控制器中输入继电器X的编号输入继电器的电路如图2.4所示。在图2.4中，外部的输入信号经过输入继电器X4，送入PLC内部电路进行处理。图2.4输入继电器的电路

2.输出继电器Y

FX2系列PLC的输出继电器的编号为Y0～Y177。输出继电器是PLC中惟一具有外部触点的继电器，它可以通过外部接点接通该输出口上连接的输出负载或执行电器。其线圈只能由程序驱动，内部常开、常闭触点可以作为其他器件的工作条件出现在程序中。在图2.5所示的梯形图中，X1是输出继电器Y0的工作条件，X1接通，Y0置位；X1断开，Y0复位。时间继电器T0在Y0的常开触点闭合后工作，T0可以看作是Y0的工作对象(Y0接口上所连接的负载，也称为输出继电器Y0的工作对象)。图2.5输出继电器的使用输出继电器Y为无掉电保持功能的继电器，也就是说，若置位的输出继电器在PLC停电时，其工作状态将归0。FX2C-48MT型PLC输出继电器Y的编号采用八进制编制，如表2.2所示。表2.2FX2C-48MT型可编程控制器中输出继电器Y的编号

3.辅助继电器M辅助继电器有通用辅助继电器及特殊辅助继电器两种类型，现分别介绍如下。

1)通用型辅助继电器可编程控制器中配有大量的通用辅助继电器(M0～M499，共计500点)，其主要用途与继电器电路中的中间继电器相似，常用于逻辑运算的中间状态存储及信号类型的转换。辅助继电器的线圈只能由程序驱动，它只有内部触点。 图2.6所示的辅助继电器的使用方式中，X1和X2并列为辅助继电器M1的工作条件，Y10为辅助继电器M1和M2串联的工作对象。图2.6辅助继电器的使用

2)具有掉电保持功能的通用型辅助继电器具有掉电保持功能的通用型辅助继电器(M500～M1023，共计524点)具有记忆能力。所谓掉电保持功能，是指在PLC外部电源停电后，由机内电池为某些特殊工作单元供电，可以记忆它们在掉电前的状态。

3)特殊型辅助继电器特殊型辅助继电器(M8000～M8255，共计256点)是具有特定功能的辅助继电器，根据使用方式又可以将其分为下述两类：

(1)只能利用其触点的特殊型辅助继电器。其线圈由PLC自行驱动，用户只能利用其触点。这类特殊型辅助继电器经常用作时基、状态标志或专用控制元件而出现在程序中。例如：

M8000：运行标志

M8002：初始脉冲

M8012：100ms时钟脉冲

M8013：1ms时钟脉冲

(2)可驱动线圈型特殊型辅助继电器。用户驱动线圈后，PLC做特定动作。例如：

M8030：使BATTLED(锂电池欠压指示灯)熄灭

M8033：PLC停止时输出保持

M8034：禁止全部输出

M8039：定时扫描方式

FX2系列PLC特殊型辅助继电器表见附录(附表1-8)。注意，未定义的特殊型辅助继电器不可以在程序中使用。

4.定时器T定时器T相当于继电器线路中的时间继电器，它在程序中用作延时控制。FX2系列PLC定时器共有表2.3所示的四种类型。表2.3FX2系列PLC的定时器定时器的工作过程实际上是对时钟脉冲计数，因为工作需要，定时器除了占有自己编号的存储器以外，还占有一个设定值寄存器(字)和一个当前值寄存器(字)，这些寄存器为16位二进制存储器。图2.7为非积算型定时器的工作过程。当定时器满足计时条件(X2接通)开始计时时，当前值寄存器则开始计数。当当前值与设定值相等时，定时器动作，其常开触点T2接通，Y2也接通，同时T2常闭触点断开，并通过程序作用于控制对象，达到时间控制的目的。图2.7非积算型定时器的工作过程图2.8(a)、(b)分别为积算型定时器T251的梯形图和动作时序图。积算型定时器在计时条件失去或PLC失电时，其当前值寄存器的内容及触点状态均可以保持，可“累计”计时。因为积算型定时器的当前值寄存器及触点都有记忆功能，其复位时必须在程序中加入专门的复位指令。图中的X2即为复位条件，当X2接通时，就执行“RSTT251”的指令，T251的当前值寄存器及触点同时置0。定时器可以使用立即数K作为设定值，例如，图2.7(a)中设定的设定值为“K30”，图2.8(a)中为“K345”，也可以使用后述的数据寄存器的内容作为设定值。如果设定时器的设定值为“D10”，而“D10”中的内容为100，则定时器的设定值为100。在使用数据寄存器设定定时器的设定值时，一般使用具有掉电保持功能的数据寄存器。即便如此，若备用电池电压降低时，定时器仍然可能发生误动作。图2.8积算型定时器的工作过程

5.计数器C计数器在程序中用作计数控制。FX2系列可编程控制器的计数器可以分为内部计数器和外部计数器。内部计数器是对机内元件(X、Y、M、S、T和C)的信号计数的计数器，机内信号的频率低于扫描频率，因而是低速计数器。对高于机器扫描频率的信号进行计数，需用高速计数器。普通计数器可分为如下两类：

1) 16位增计数器

16位二进制增计数器的设定值为1～32767，可分为两种类型：

(1)通用型：C0～C99(共计100点)；

(2)掉电保持型：C100～C199(共计100点)。

16位是指其设定值及当前值寄存器为二进制16位寄存器，其设定值在K1～K32767范围内有效。图2.9所示为16位增计数器的工作过程。图中，X5是计数器的工作条件，X5每次驱动计数器C1的线圈时，计数器的当前值加1；“K5”是计数器的设定值，当第5次执行线圈时，计数器的当前值和设定值相等，输出触点就动作；Y1为计数器C1的工作对象，在C1的常开触点接通时置1，此后，即使计数器C1的输入端X5再动作，计数器C1的当前值仍保持不变。图2.916位增计数器的工作过程由于计数器的工作条件X5本身就是断续工作的，外电源正常时，其当前值寄存器具有记忆功能，因而，即使是非掉电保持型的计数器也需要复位指令才能复位。图2.9中，X4为复位条件，当复位输入X4接通时，执行RST指令，计数器C1的当前值复位为0，输出触点也复位。计数器的设定值除了常数外，也可以通过数据寄存器设定。使用计数器C100～C199时，即使停电，当前值和输出触点的置位/复位状态也能保持。

2) 32位增/减计数器

32位的增/减计数器的设定值为－2147483648～2147483647，可分为两种类型：

(1)通用型：C200～C219(共计20点)；

(2)掉电保持型：C220～C234(共计15点)。

32位是指其设定值寄存器为32位。由于是双向计数，32位的首位为符号位。设定值的最大绝对值为31位二进制数所表示的十进制数，即－2147483648～2147483647。设定值可直接用常数K或间接用数据寄存器D的内容。间接设定时，要使用元件号紧连在一起的两个数据寄存器。计数的方向(增计数或减计数)由特殊辅助继电器M8200～M8234设定，具体规则为：对于C△△△，当M8△△△接通(置1)时为减计数；当M8△△△断开(置0)时为增计数。图2.10为32位增/减计数器的工作过程。图中，X14作为计数输入驱动C202线圈进行增计数或减计数；X12为计数方向的选择开关，计数器的设定值为-5，当计数器的当前值由－6增加为－5时，其触点置1，由－5减少为－6时，其触点置0。

32位增/减计数器为循环计数器。当前值的增减虽然与输出触点的动作无关，但是从2147483647起再进行增计数，其当前值就变为－2147483648；从－2147483648起再进行减计数，则当前值变为2147483647。图2.1032位增/减计数器的工作过程当复位条件X13接通时，执行RST指令，则计数器的当前值为0，输出触点也复位。使用掉电保持型计数器，其当前值和输出触点状态都能断电保持。32位增/减计数器可以当作32位数据寄存器使用，但不能用作16位指令中的操作元件。高速计数器与普通计数器的主要差别在于以下几点：

(1)对外部信号计数，工作在中断方式。

(2)计数范围较大，计数频率较高。

(3)工作设置较灵活。

(4)使用专用的工作指令。关于专用的工作指令将在后述功能指令中予以介绍。

FX2系列PLC高速计数器的分类如下：

1相无启动/复位端子 C235～C240 共计6点

1相带启动/复位端子 C241～C245 共计5点

1相双输入型 C246～C250 共计5点

2相A-B相型 C251～C255 共计5点以上高速计数器均为32位增/减计数器，表2.4分别列出了它们和各个输入端之间的对应关系。表中，X0、X2、X3：最高10kHz；X1、X4、X5：最高7kHz。从表中可以看出，X6及X7也参与高速计数，但只能作为启动信号而不能用于计数脉冲的输入。表2.4高 速 计 数 器注：U表示增计数输入，D表示减计数输入，A表示A相输入，B表示B相输入，R表示复位输入，S表示启动输入。

6.状态软元件S这是步进顺控指令用的软元件(在不采用步进顺控指令时，也可以当作普通用途的辅助继电器使用)，其分类如下：

(1)普通用状态软元件：S0～S499 共计500点

(2)掉电保持用状态软元件： S500～S899共计400点

(3)信号报警用状态软元件： S900～S999 共计100点状态软元件S的具体使用方法将在后述步进顺控指令中予以介绍。

7.数据寄存器D

FX2系列PLC中有许多存储数据的软元件——数据寄存器，两个合并可以组成32位数据寄存器，具体分类如下：

(1)通用型数据寄存器：D0～D199 共计200点

(2)停电保持型数据寄存器： D200～D999共计800点

(3)文件寄存器： D1000～D2999共计2000点

(4)RAM文件寄存器： D6000～D7999共计2000点

(5)特殊型文件寄存器：D8000～D9255共计256点其中，(1)、(2)具有停电保持功能；(3)、(4)、(5)是可以写入特定目的数据或已写入特定意义数据的数据寄存器。2.5可编程控制器的性能指标与分类可编程控制器的性能指标与分类，是组成PLC应用系统时选择PLC产品所需要参考的重要依据。

1. PLC的性能指标

PLC的性能指标可以分为硬件指标和软件指标两大类。硬件指标包括环境温度与湿度、抗干扰能力、使用环境、输入特性和输出特性等；软件指标包括扫描速度、存储容量、指令种类、编程语言等。为了简要表达某种PLC的性能特点，通常采用以下指标来表达。

1)编程语言

PLC常用的编程语言有梯形图语言、助记符语言、流程图语言及某些高级语言等，目前使用最多的是前两种。不同类型的PLC可能采用不同的编程语言。

2)指令种类指令种类用以表示PLC的编程功能。

3) I/O总点数

PLC的输入/输出量有开关量和模拟量两种。对于开关量，I/O用最大I/O点数来表示；而对于模拟量，I/O点数用最大I/O通道数表示。

4) PLC内部继电器的种类

PLC内部继电器包括辅助继电器、特殊继电器、定时器、计数器等。

5)用户程序存储量用户程序存储器用以存储通过编程器输入的用户程序，其存储量通常是以字为单位来计算的。约定16位二进制数为一个字(注意：一般微处理器是以8位二进制数为一个字节的)，每1024个字为1千字。中小型PLC的存储容量一般在8千字，有些大型PLC的存储容量已经达到256千字以上。编程时，通常对于一般的逻辑操作指令，每条指令占一个字；计时、计数和移位指令占2个字；对于一般的数据操作指令，每条指令占2个字。必须指出，有些PLC用户程序存储容量是以编程的步数来表示的，每编写一条语句为一步。

6)扫描速度扫描速度以ms/KB为单位表示。例如：20ms/KB，表示扫描1KB的用户程序需要的时间为20ms。

7)工作环境

PLC一般能在下列条件下工作：温度0～55℃，湿度<85%(无结霜)。

8)特种功能有些PLC还具有某些特殊功能，例如：自诊断功能、通信联网功能、监控功能、特殊功能模块、远程I/O能力等。

9)其他指标其他指标包括输入/输出方式、某些主要硬件(如CPU、存储器)的型号等。

2. PLC的分类

PLC的品种繁多，规格性能不一，而且还没有一个权威的、统一的分类标准，准确分