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第2章 PLC工作原理 2.1 PLC的组成 2.1.1 PLC的基本结构 CPU模块 I/O模块 编程器 电源 接口 第2章 PLC工作原理 2.1.2 PLC的CPU模块 1、中央处理单元CPU CPU是PLC的核心部件，由运算器和控制器组成。主要用于：接收 并存储从编程器输入的用户程序；检查编程过程是否出错；进行系 统诊断；解释并执行用户程序；完成通信及外设的某些功能。 2、存储器 存储器有三种 。 系统程序存储器。用于存放系统程序，这些程序在PLC出厂前就已 经固化到只读存储器ROM中。第一部分为系统管理程序；第二部分 为用户指令解释程序；第三部分为标准程序模块与系统调用程序。 用户程序存储器。用于存储PLC用户的应用程序，在调试阶段，用 户程序存放在读写存储器RAM中，可由备用电池（一般为锂电池） 保存23年。 工作数据存储器 。工作数据存储器用来存储工作数据，即用户程序 中使用的 ON/OFF 状态、数值数据等。 2.1 PLC的组成 2.1.3 PLC的I/O模块 输入 / 输出接口是 PLC 与外界连接的接口。 输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号， 一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触 点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等的开 关量输入信号。另一类是由电位器、测速发电机 和各种变送器等来的模拟量输入信号。 输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如 接触器、电磁阀、指示灯、调节阀（模拟量）、 调速装置（模拟量）等。 2.1 PLC的组成 输入模块 图 1 直流输入接口单元电路 2.1 PLC的组成 输入模块 图 2 交 / 直流输入接口单元电路 图 3 交流输入电路 2.1 PLC的组成 输出模块 图 4 数字（开关）量输出电路 2.1 PLC的组成 2.1.4 编程器 编程器是PLC最重要的外围设备，是PLC不可缺少的部 分。编程器的作用是输入和编辑用户程序、调试程序和 监控程序的执行过程。 编程器一般有两种类型：简易编程器和图形编程器。简 易编程器体积小，便宜，使用方便，适合小型PLC，缺 点是需联机编程；图形编程器是指带有显示屏的编程器 ，有液晶显示（LCD）和阴极射线式（CRT）两种，可 用指令语句编程，也可用梯形图编程，可联机编程也可 脱机编程，操作方便，功能强大，还可与打印机、绘图 仪等设备相连，但价格较高，适用于大型PLC。 随着PLC联网功能增强，出现了第三种编程方式，即计 算机辅助编程。由于计算机的参与，用PLC编程软件编 程的工作效率和编程量远非前两种编程器可比，因此， 越来越多的用户更愿意采用这种编程方式。 2.1 PLC的组成 2.1.5 PLC的电源模块 PLC内部配有开关式稳压电源的电源模块，用来 将外部供电电源转变成供PLC内部的CPU、存储 器和I/O接口等电路工作所需要的直流电源。 另外，为防止在外部电源发生故障的情况下， PLC内部程序和数据等重要信息的丢失，PLC还 带有锂电池作为后备电源。 2.1.6 PLC的I/O模块的外部接线方式 外部接线方式有汇点式、分组式和分隔式三种 。 2.1 PLC的组成 2.1.6 PLC的分类 1.按硬件结构 三菱PC基本单元外形 根据硬件结构的不同，可以将PLC分为整 体型、模块式和叠装式。 整体式将CPU模块、IO模块及电源装 于一个机箱内，结构非常紧凑。体积小， 价格低，小型PLC一般采用整体式结构。 模块式PLC用搭积木的方式组成系统 ，大、中型PLC和部分小型PLC采用模块 式结构。 叠装式吸取了整体式和模块式的优点 ，它的基本单元、扩展单元和扩展模块的 高度和深度相同，但宽度不同，它们之间 通过扁平电缆连接，使用特别方便。 2.1 PLC的组成 2.1.6 PLC的分类 2.按I/O点数分 小型PLC：入出总点子数256 中型PLC：入出总点子数2562048 大型PLC：入出总点子数2048 3.按功能分 低档机 中档机 高档机 三菱PLC外形图 Q系列PLC FX2N系列PLC FX1N系列PLC FX1S系列PLC 2.2 PLC的工作原理 2.2.1 PLC的工作原理 PLC有两种工作状态，即运行（ RUN）状态和停止（STOP）状态 。 在运行状态，PLC通过执行反映控 制要求的用户程序来实现控制功能 。为了使PLC的输出及时地响应随 时可能变化的输入信号，用户程序 不是只执行一次，而是反复不断地 重复执行，直到PLC停机或切换到 STOP工作状态。 除了执行用户程序外，每次循环过 程中，PLC不还要完成内部处理、 通信处理等工作，一次循环可分为 5 个阶段，如右图所示。 PLC的这种周而复始的循环 工作方式称为扫描工作方式。 开始 自诊断 与编程器通信 读入现场信号 执行用户程序 输出结果 STOP RUN 2.2 PLC的工作原理 2.2.2 扫描周期 在工作状态下，执行一次上图所示的扫描操作所需的时 间称为扫描周期。其典型值为1-100ms。 2.2 PLC的工作原理 1.输入采样阶段。 PLC 首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入内存中各对 应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着进入 程序执行阶段，此时输入影响寄存器与外界隔离，无论输入信号如 何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段， 才重新写入输入端的新内容。 2 程序执行阶段。 根据 PLC 梯形图程序”先左后右，先上后下”扫描原则进行逐句 扫描。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序 的跳转地址。当指令中涉及输入、输出状态时， PLC 就从输入映像 寄存器“读入”上一阶段采入的对应输入端子状态，从元件映像寄存 器“读入”对应元件 ( “软继电器” ) 的当前状态。然后，进行相应的运 算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来说， 每一个元件 ( “软继电器” ) 的状态会随着程序执行过程而变化。 3 输出刷新阶段。 在所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的 状态（接通 / 断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一 定方式输出，驱动外部负载。 一个扫描周期主要分为三个阶段： 输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段 PLC的扫描工作过程 2.2 PLC的工作原理 2.2.3 输入输出滞后时间 输入输出滞后时间又称系统响应时间，是指PLC的外部 输入信号发生变化的时间到它的控制的有关外部输出信 号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路的滤 波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式的滞后 时间三部分组成。 滞后时间与模块的类型有关。继电器输出电路的滞后时 间一般在10ms左右，双向可控硅型输出电路在负载接通 时的滞后时间为1ms，负载断开时的最大滞后时间为 10ms，晶体管型输出电路的滞后时间一般在1ms左右。 由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达2个扫描周期。 2.3 FX2N系列PLC的性能 2.3.1可编程控制器的主要性能指标 可编程控制器的性能指标较多，不同厂家的可编程控制器产品技术性能各 不相同，各有特色。通常可以用以下几种性能指标进行描述。 1 I / O点数 I / O点数是指可编程控制器组成控制系统时所能接入的输入输出信号的最 大数量，即可编程控制器外部输入、输出端子数。通常，在总点数中，输 入点数大于输出点数，且输入与输出点不能相互替代。 2 扫描速度 一般以执行 1000 步指令所需的时间来衡量，单位为毫秒 / 千步。也有以执 行一步指令时间计，单位为微秒 / 步。 3 存储器容量 可编程控制器中程序指令是按“步”存放的，一“步”占用一个地址单元，一个 地址单元一般占用两个字节。如存储容量为 1000 步的可编程控制器，其存 储容量为 2K 字节。 2.3 FX2N系列PLC的性能 2.3.1可编程控制器的主要性能指标 4 编程语言 可编程控制器采用梯形图、布尔助记符、菜单图、功能模块图和语 言描述等编程语言。不同的可编程控制器产品可能拥有其中一种、 两种或全部的编程方式。常用三种编程方式：梯形图（ LAD ），步 进梯形图指令（ STL ），功能模块图（ SFC ）。 5 指令功能 可编程控制器的指令种类越多，则其软件的功能就越强，使用这些 指令完成一定的控制目标的就越容易。 此外，可编程控制器的可扩展性、使用条件、可靠性、易操作性及 经济性等性能指标也是用户在选择可编程控制器时须注意的指标。 2.3 FX2N系列PLC的性能 2.3.2FX系列PLC的特点 1.FX系列PLC的概述 三菱 FX 系列小型可编程控制器，将 CPU 和输入 / 输出一体化， 使用更为方便。为了进一步迎合不同客户的要求， FX 系列有多种 不同的型号供选择。另外更有多种不同的特殊功能模块提供给不同 客户。主要应用于机械配套上如：注塑机、电梯控制、印刷机、包 装机和纺织机等行业。 三菱公司推出的常用 FX 系列小型、超小型 PLC 有 FX 0 、 FX 2 、 FX 0N 、 FX 0S 、 FX 2C 、 FX 2N 、 FX 2NC 、 FX 1N 、 FX 1S 等系列。 2.FX系列PLC的特点 体积极小的PLC 先进美观的外部结构 提供多种子系列供用户选用 灵活多变的系统配置 功能强，使用方便. 2.3 FX2N系列PLC的性能 2.3.2FX系列PLC的特点 3.FX系列PLC的命名 FX 系列可编程控制器型号命名的基本格式如上： 系列名称：如 0 、 2 、 ON 、 OS 、 2C 、 2NC 、 1N 、 1S ，即 FX 0 、 FX 2 、 FX 0N 、 FX 0S 、 FX 2C 、 FX 2N 、 FX 2NC 、 FX 1N 和 FX 1S 。 输入输出的总点数： 4 128 点 单元类型： 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。 输出形式（其中输入专用无记号）： R继电器输出；T晶体管输出；S晶闸管输出 特殊物品的区别 D：DC电源，DC输入 A1：AC电源，AC输入（AC100120V）或AC输入模 块 H：大电流输出扩展模块 V：立式端子排的扩展模式 C：接插口输入输出方式 F：输入滤波器1ms的扩展模块 L：TTL输入型模块 S：独立端子（无公共端）扩展模块 2.3 FX2N系列PLC的性能 2.3.3 FX2N可编程控制器 FX2N是FX系列中功能最强、速度最快的微型PLC。它的基本指令 执行时间高达0.08微秒。用户存储容量可扩展到16K步，最大可扩 展到256个IO点，有5种模拟量输入输出模块、高速计数器模块、脉 冲输出模块、4种位置控制模块、多种串行通信模块或功能扩展板， 以及模拟定时器扩展板。 FX2N有3000多点辅助继电器、1000点状态、200点定时器、200点 16位加计数器、35点32位加、减计数器、8000多点16位数据寄存 器、128点跳步指针、15点中断指针。 有128种功能指令，具有中断输入处理、修改输入滤波器时间常数 、数学运算、逻辑运算、浮点运算、数据检索、数据排序、PID运 算、开方、三角函数运算、脉冲输出、脉宽调制、ASCII码输出、 BCD与BIN相互转换、串行数据传送、校验码、比较触点等功能指 令。 第1、2章作业 1.PLC 有哪些主要特点？ 2.当前 PLC 的发展趋势如何？ 3.PLC 的基本结构如何？试阐述其基本工作原理。 4.PLC 主要有哪些技术指标？ 5.