PLC的结构组成及工作原理课件

PLC的结构组成及工作原理

硬件软件存储器CPUI/O口编程器电源系统程序用户程序15.1PLC硬件结构组成PLC由三个基本部分组成：输入部分、逻辑处理部分、输出部分。基本结构示意图参见图5-1所示。图5-1PLC的基本组成框图输入部分输出部分2输入部分：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。逻辑处理部分：用于处理输入部分取得的信息，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。输出部分：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、指令条数也是不同；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，它们在基本内涵上一定同多异少。3PLC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～110V/220V市电PLC基本单元PLC系统结构示意图4主ＣＰＵ单元(10/20/30/40/60)扩展单元（特殊功能,通讯.)数字量输入输出单元

:Max2模拟量输入输出单元

:Max2通讯单元

:Max1模拟量定时器

:Max3开关量扩展单元6点输入(24Vdc),4点输出(继电器方式)模拟量输入／输出模拟量输入

2通道,0-10Vdc,0-20mA,12bits(0-4,000),精度

:小于

0.5%(全程)

模拟量输出1通道,0-10Vdc,0-20mA,12bits(0-4,000),精度

:小于0.5%(全程)模拟定时器4点(范围

:0-200),用电位器改变

通讯RS-422,RS-232C(forModem),MODBUS(Master/Slave,RTU,ASCII形式),用户自定义(应用参数可以和所有的设备通讯

(PLC.INV,等..))全部可扩展单元

:3扩展单元MASTERK系列PLC硬件配置5MODBUS内置通讯功能MASTER-K系列利用内置通讯口及MODBUS协议，可以实现组态软件对PLC的远程监控实现PLC与其他具有MODBUS协议设备间的通讯6MODEMG7LCUEB外接MODEM外接MODEM电话线KGL-WIN编程软件G7LCUEBCNET通讯功能MASTER-K系列

利用MODEM实现KGL-WIN

软件的远程下载、监控外接MODEM7KGL-WIN编程软件G7LFUEAG7LFUEAFNET通讯功能MASTER-K系列1、FNET既有计算机卡，又有PLC扩展模块2、通过FNET协议，可以实现远程KGL-WIN软件程序下载、监控等通讯3、通过FNET还可实现PLC间的快捷通讯8PLC主要部件组成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部分④编程器⑤电源9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，送入数据寄存器并保存；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。

分别介绍PLC部件组成单元10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。11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。12注意：光电耦合器的作用(1)实现现场与PLC主机的电气隔离，以提高抗干扰性。(2)避免外部强电侵人主机而损坏主机。(3)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。13PLC输入接口电路动画演示14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）。15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。16I/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。175.2PLC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18二、PLC的编程语言

PLC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，但基本上可归纳两种类型：

一是采用字符表达方式的编程语言，如语句表等；

二是采用图形符号表达方式编程语言，如梯形图等。1.梯形图语言(LAD)

梯形图语言是在传统电器控制系统中常用的接触器、继电器等图形表达符号的基础上演变而来的。它与电器控制线路图相似，继承了传统电器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。19

因此，这种编程语言为广大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。如图5-8所示是PLC梯形图。

从图中可看出，与传统电器控制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，都是由软件来实现的，使用方便，修改灵活，是原电器控制线路硬接线无法比拟的。图5-8PLC的梯形图202.语句表语言（STL）

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。在PLC应用中，经常采用简易编程器，而这种编程器中没有CRT屏幕显示，或没有较大的液晶屏幕显示。因此，就用一系列PLC操作命令组成的语句表将梯形图描述出来，再通过简易编程器输入到PLC中。

虽然各个PLC生产厂家的语句表形式不尽相同，但基本功能相差无几。以下是与图5-8中梯形图对应的语句表程序。图5-9PLC的语句表21

助记符是用若干个容易记忆的字符来代表PLC的某种操作功能。各PLC生产厂家使用的助记符不尽相同，表5-1列出了5种PLC的常见指令符号。功能或逻辑运算OMRONC系列三菱K系列西门子S5系列GE-1西屋起点常开触点LDLDASTRRD常闭触点LDNOTLDIANSTRNOTRDNOT与ANDANDUANDAND与非ANDNOTANIUNANDNOTANDNOT或OROROOROR或非ORNOTORIONORNOTORNOT输出OUTOUT=OUTWR与括弧ANDLDANBA（

）ANDSTRANDMEM或括弧ORLDORBO（

）ORSTRORMEM主控ILCMCMCRMCSWRMCR取消主控ILCMCKMCR（E）MCRWRNOTMCR223.功能块图(FBD)

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。

这种编程语言及专用编程器也只有少量PLC机型采用。例如西门子公司的S5系列PLC采用STEP编程语言，它就有功能块图编程法。4.顺序功能表图（SFC）

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若干阶段，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。235.高级语言

随着PLC技术的发展，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，如BASIC语言、C语言、PASCAL语言等进行编程。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。24工作方式：周期循环扫描工作方式工作过程：自诊断、输入采样、程序扫描、输出刷新几个阶段。扫描周期

T=自检时间+读入一点时间×输入点数+程序步数×运算速度+输出一点时间×输出点数。5.3PLC的基本原理及主要性能指标

一、PLC的基本原理25PLC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。26PLC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。清除内部继电器区，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。开机内部处理通讯服务输入刷新程序执行输出刷新27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寄存器输入刷新阶段---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寄存器；X0X1b.程序执行阶段--CPU从输入映像寄存器和元件映像寄存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寄存器中；c.紧接着的输出刷新阶段---将输出映像寄存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元件映像寄存器读写输出锁存器输出电路输出端Y0Y1读写28I/O滞后现象的原因

（1）输入滤波器有时间常数

（2）输出继电器有机械滞后

（3）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

（4）程序语句的安排，也影响响应时间29PLC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，各映像寄存器的均为“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输入采样程序执行输出处理第二周期说明: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依次接通，故Y1、Y2输出端的状态为ON（“1”）状态。输入采样程序执行输出处理第三周期说明: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．30针对扫描周期循环工作制的优缺点提两点建议：注意：★

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31二、输出模块的主要技术指标有：

工作电压：指输出触点所能承受的外部负载电压。

最大通断能力：指输出触点在一定的电压下，能通过的最大电流。漏电流：指当输出点断开时(逻辑“O”)，触点所流过的最大电流。回路数：等于公共点的个数。独立式模块，等于输出点数。接通压降OFF→ON响应时间

ON→OFF响应时间

内部功耗

同输入模块

32三、PLC的使用和设计步骤

一般是按控制要求，编写好梯形图程序，或写出语句指令程序，用编程器（或计算机）将程序输入下载到PLC中，接好PLC的外部输入输出电路，接通电源，操纵相应的按钮或开关，PLC就会按照预定的程序使输出点导通或关断，控制执行部件工作。PLC的使用33

1．系统设计

通过系统设计确定被控制对象的动作及动作顺序。

例如

电动机的起、保、停控制。按启动按钮SBl电动机起动，运转并保持；按停车按钮SB2电动机停止；过载时热继电器FR动作电动机停止。

2．I/O分配

通过I/O分配确定哪些信号是送到PLC的，并分配给相应的输入端号，哪些信号是由PLC送到被控对象的，并分配给相应的输出端号。此外，对用到的PLC内部的计数器、定时器等也要进行分配。PLC是通过编号来识别信号的。PLC的设计步骤34I/O点分配及PLC控制接线起动按钮SBlP001停机按钮SB2P002热保护FRP003电机控制接触器KMlP02035

例题的梯形图和语句表程序3．梯形图和语句表程序36

4．编辑程序

编辑程序检查程序中每条语句是否有语法错误，若有则修改。这项工作在编程器上进行。

5．调试程序调试程序检查程序是否能正确完成逻辑要求，若不合要求，可以在编程器上修改。程序设计(包括画梯形图、写助记符程序、编辑、甚至调试)也可在别的工具上进行。如IBM-PLC机，只要这个计算机配有相应编程的软件。

6．保存程序调试通过的程序，可利用写入器固化在EPROM中或保存在磁带上备用。37四、PLC的基本安装与接线一）系统的安装1．环境要求环境温度操作：0～45℃储存：-20～65℃湿度相对温度35%～85%(无凝固)空气远离以下物质·腐蚀性气体·温度的突变·阳光直射·聚集的灰尘、盐、金属微粒·溅上水、油和其他化学物质振动16.7，X、Y、Z