第五章可编程控制器结构及工作原理剖析

1、第五章第五章 可编程控制器的结构可编程控制器的结构 及工作原理及工作原理 第一节第一节 可编程控制器的硬件系统可编程控制器的硬件系统 第二节第二节 可编程控制器的软件及编程语言可编程控制器的软件及编程语言 第三节第三节 可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理 第一节第一节 可编程控制器的硬件系统可编程控制器的硬件系统 输出设备输出设备 输入设备输入设备 I/OI/O扩展扩展 单元单元 特殊功特殊功 能单元能单元 主机主机 输出单元输出单元 输入单元输入单元 电电 源源 外设接口外设接口 I/O/O 扩扩 展展 口口 存存 储储 器器 系统程序系统程序 存储器存储器 C P U 用户程序用

2、户程序 存储器存储器 打印机打印机 EPROMEPROM写入器写入器 上位计算机上位计算机 PLCPLC 编程器编程器 1 1、中央处理器（、中央处理器（CPUCPU） 接收并存储用户程序和数据；接收并存储用户程序和数据； 诊断电源、诊断电源、PLCPLC工作状态及编程的语法错误；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；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；程序的各种操作； 将用户程序的执行结果送至输出端。将用户程序的执行结果送至输出端。 2 2、存储器、存储器 P

3、LCPLC的存储器用来存放程序和数据。的存储器用来存放程序和数据。 程序又分为系统程序和用户程序。程序又分为系统程序和用户程序。 存储区的分配：存储区的分配： 1 1、系统程序存储器（区）（、系统程序存储器（区）（EPROMEPROM） 2 2、用户程序存储器（区）（、用户程序存储器（区）（RAMRAM） 3 3、变量（数据）存储器（区）、变量（数据）存储器（区）. 1 1区区 2 2区区 3 3区区 PLCPLC硬件硬件存储器存储器 （1 1）系统程序存储器（区）系统程序存储器（区） 该存储器存放系统程序（系统软件）。系统程序是该存储器存放系统程序（系统软件）。系统程序是 PLCPLC研制者

4、所编的程序，用来管理、协调研制者所编的程序，用来管理、协调PLCPLC各部分的各部分的 工作，翻译、解释用户程序，进行故障诊断等，它是工作，翻译、解释用户程序，进行故障诊断等，它是 决定决定PLCPLC性能的关键。性能的关键。 系统程序包括监控程序、解释程序、故障自诊断程系统程序包括监控程序、解释程序、故障自诊断程 序、标准子程序库及其他各种管理程序等。序、标准子程序库及其他各种管理程序等。 系统程序由制造厂家提供，一般都固化在系统程序由制造厂家提供，一般都固化在ROMROM或或 EPROMEPROM中，用户不能直接存取。中，用户不能直接存取。 （2 2）用户程序存储器（区）用户程序存储器（区

5、） 该存储器存放用户程序（应用软件）。用户程序是该存储器存放用户程序（应用软件）。用户程序是 用户为解决实际问题并根据用户为解决实际问题并根据PLCPLC的指令系统而编制的程的指令系统而编制的程 序，它通过编程器输入，经序，它通过编程器输入，经CPUCPU存放入用户程序存储存放入用户程序存储 器。为便于程序的调试、修改、扩充、完善，该存储器。为便于程序的调试、修改、扩充、完善，该存储 器早期采用器早期采用RAMRAM，现多采用，现多采用EEPROMEEPROM。 （3 3）变量（数据）存储器（区）变量（数据）存储器（区） 变量存储器存放变量存储器存放PLCPLC的内部逻辑变量，如内部继电器、的

6、内部逻辑变量，如内部继电器、 I/OI/O寄存器、定时器寄存器、定时器/ /计数器中逻辑变量的现行值等，计数器中逻辑变量的现行值等， 这些现行值在这些现行值在CPUCPU进行逻辑运算时需随时读出、更新进行逻辑运算时需随时读出、更新 有关内容，所以，变量存储器也采用有关内容，所以，变量存储器也采用RAMRAM。 3 3输入输出接口（输入输出接口（I/OI/O） 是是CPUCPU与工业现场装置之间的连接部件。与工业现场装置之间的连接部件。 小型小型PLCPLC，通常，通常I/OI/O与含有与含有CPUCPU主板部分做为一体。主板部分做为一体。 大中型大中型PLCPLC，通常将，通常将I/OI/O做

7、成可供选取、扩充的标做成可供选取、扩充的标 准模块，可以根据实际需要灵活选择。每个准模块，可以根据实际需要灵活选择。每个I/OI/O都有都有 相应的工作指示灯。相应的工作指示灯。 为了适应可编程控制器在工业生产现场的工作，对为了适应可编程控制器在工业生产现场的工作，对 输入输出接口有二个主要的要求：输入输出接口有二个主要的要求： l 良好的抗干扰能力良好的抗干扰能力 l 能满足工业现场各类信号的匹配要求能满足工业现场各类信号的匹配要求 (1) (1) 输入接口输入接口 功能：采集现场信号，通过光电隔离转换成标准电平功能：采集现场信号，通过光电隔离转换成标准电平 送给送给PLCPLC内部电路。内

8、部电路。 输入信号有开关量和模拟量。开关量输入接口有直流输入信号有开关量和模拟量。开关量输入接口有直流 和交流两种。和交流两种。 l 开关量信号：按钮、开关、继电器触头等开关量信号：按钮、开关、继电器触头等 l 模拟量信号：电位器、测速发电机等模拟量信号：电位器、测速发电机等 l 辅助电源：辅助电源：DC24VDC24V输入、输入、 DC12VDC12V输入、输入、ACAC输入输入 l 对输入的模拟量，需进行模数（对输入的模拟量，需进行模数（A/DA/D）转换，才能）转换，才能 为为CPUCPU所接受。所接受。 (2) (2) 输出接口输出接口 连接被控对象中的各类执行元件：接触器、电磁阀、连

9、接被控对象中的各类执行元件：接触器、电磁阀、 指示灯、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）等。指示灯、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）等。 为适应不同负载，输出方式有：为适应不同负载，输出方式有： l晶体管输出方式：驱动用于直流负载晶体管输出方式：驱动用于直流负载 l晶闸管输出方式：驱动频繁动作的交晶闸管输出方式：驱动频繁动作的交/ /直流负载直流负载 l继电器输出方式：驱动非频繁动作的交继电器输出方式：驱动非频繁动作的交/ /直流负载直流负载 PLCPLC的各种输出方式同样都要采用光电隔离。有些的各种输出方式同样都要采用光电隔离。有些 PLCPLC还具有模拟输出接口。还具有模拟输出接口。

10、 4 4、通讯及编程接口、通讯及编程接口采用采用RS-485RS-485或或RS-422RS-422串行总串行总 线线 连接专用编程器（连接专用编程器（FX-20PFX-20P、FX-10PFX-10P）；）； 连接个人电脑（连接个人电脑（PCPC），实现编程及在线监控；），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。连接打印机等计算机外设。 5 5、I/OI/O扩展接口扩展接口采用并行通讯方式采用并行通讯方式 扩展扩展I/OI/O模块；

11、模块； 扩展位置控制模块（如扩展位置控制模块（如F2-30GMF2-30GM）；）； 扩展通讯模块（如扩展通讯模块（如FX-232AWFX-232AW等）；等）； 扩展模拟量控制模块（如扩展模拟量控制模块（如FX-2DAFX-2DA、FX-4ADFX-4AD等）。等）。 6 6、 电源电源 可编程控制器的电源包括可编程控制器的电源包括: : * * 为可编程控制器各工作单元供电的开关电源为可编程控制器各工作单元供电的开关电源 * * 为掉电保护电路供电的后备电源，一般为电池为掉电保护电路供电的后备电源，一般为电池 PLCPLC由开关式稳压电源为内部电路供电。由开关式稳压电源为内部电路供电。 电

12、源模块：电源模块： * * 可为可为CPUCPU板、板、I/OI/O板及扩展单元提供工作电源。板及扩展单元提供工作电源。 * * 有的有的PLCPLC能向外部提供能向外部提供24V24V的直流电源，可作为的直流电源，可作为 输入单元连接的外部设备的电源。输入单元连接的外部设备的电源。 可编程控制器一般可配备的外部设备：可编程控制器一般可配备的外部设备： 编程器编程器 l 用于用户程序的编制、编辑、调试、检查和监视，用于用户程序的编制、编辑、调试、检查和监视， 还可调用与显示还可调用与显示PLCPLC的一些内部状态和系统参数。的一些内部状态和系统参数。 l 编程器：编程器： 便携式：体积小、重量

13、轻、便于现场使用，只能便携式：体积小、重量轻、便于现场使用，只能 联机编程。联机编程。 CRTCRT智能式（图形编程器）：体积大、价格贵、不智能式（图形编程器）：体积大、价格贵、不 便于现场使用，既可联机又可脱机编程。便于现场使用，既可联机又可脱机编程。 l 编程器是专用的，不同型号编程器是专用的，不同型号PLCPLC都有自己专用编程都有自己专用编程 器。多台同型号器。多台同型号PLCPLC可只配一个编程器。可只配一个编程器。 编程器编程器 盒式磁带机，用以记录程序或信息盒式磁带机，用以记录程序或信息 打印机，用以打印程序或制表打印机，用以打印程序或制表 EPROMEPROM写入器，用以将程序

14、写入用户写入器，用以将程序写入用户EPROMEPROM中中 高分辨率大屏幕彩色图形监控系统，用以显示或监高分辨率大屏幕彩色图形监控系统，用以显示或监 视有关部分的运行状态视有关部分的运行状态 编程器编程器 第二节第二节 可编程控制器的软件及编程语言可编程控制器的软件及编程语言 系统软件系统软件 运行管理运行管理 生成用户环境生成用户环境 系统内部自检系统内部自检 系统管理程序系统管理程序 用户指令解释程序用户指令解释程序 标准程序模块、系统调用标准程序模块、系统调用 用户程序用户程序 指令表指令表 顺序功能流程图顺序功能流程图 软件系统软件系统 一、一、PLCPLC软件系统组成软件系统组成 梯

15、形图梯形图 二、二、PLCPLC的编程语言的编程语言 顺序功能图顺序功能图 梯梯 形形 图图 指指 令令 表表 l梯形图编程语言：在继电器控制线路的基础上简化了符梯形图编程语言：在继电器控制线路的基础上简化了符 号演变而来（图形编程）。号演变而来（图形编程）。 l梯形图具有形象、直观、实用、电气人员容易接受的特梯形图具有形象、直观、实用、电气人员容易接受的特 点，是目前用得最多的一种点，是目前用得最多的一种PLCPLC编程语言。编程语言。 l继电器原理图与梯形图中所用图符的对比关系继电器原理图与梯形图中所用图符的对比关系 1. 1. 梯形图编程语言梯形图编程语言 物理继电器物理继电器 PLC继

16、电器继电器 常开常开 常闭常闭 触 触 点点 线线 圈圈 0000 0500 0500 PLC控制控制 0001 SB2 KM KM 继电器继电器 控控 制制 SB1 2. . 两种控制的梯形图比较两种控制的梯形图比较 物理继电器物理继电器 继电器需硬接线连接继电器需硬接线连接触点个数有限触点个数有限 PLC继电器继电器 继电器用程序软连接继电器用程序软连接触点个数无限触点个数无限 继电器的接线改变继电器的接线改变控制功能改变控制功能改变 PLC的用户程序改变的用户程序改变 控制功能改变控制功能改变 3. . 两种控制中继电器的区别两种控制中继电器的区别 用用PLC控制控制外部接线不变，改变用

17、户程序。外部接线不变，改变用户程序。 用继电器控制用继电器控制要改变控制电路的实际接线。要改变控制电路的实际接线。 欲改变控制功能：欲改变控制功能： SB1SB2 KM FR KM 继电器控制接线继电器控制接线 PLC控制外部接线控制外部接线 PLC SB1 SB2 KM 主电路主电路 相同相同 例如例如 KM Q FU FR M 3 2 2、指令表、指令表 v指令语句表编程是用一个或几个字符来代表可编程控制指令语句表编程是用一个或几个字符来代表可编程控制 器的某种操作功能。器的某种操作功能。 v指令语句的组成指令语句的组成 操作码操作数操作码操作数 操作码：指定要执行的功能，即操作码：指定要

18、执行的功能，即CPUCPU应进行的操作。应进行的操作。 操作数：包含执行该操作所需的信息，即操作数：包含执行该操作所需的信息，即CPUCPU应用什应用什 么地方的东西来执行此操作。么地方的东西来执行此操作。 v不同厂家的不同厂家的PLCPLC使用的操作码助记符不同。使用的操作码助记符不同。 0000 0500 05000001 LD 0000 OR 0500 AND NOT 0001 OUT 0500 梯形图程序梯形图程序 语句表程序语句表程序 多条指令语句的组合构成了语句表多条指令语句的组合构成了语句表 程序程序 3 3、顺序功能流程图编程：、顺序功能流程图编程： v用功能图来表达一个顺序控

19、制过程。用功能图来表达一个顺序控制过程。 功能表图的组成：功能表图的组成： 步、有向连线、转换条步、有向连线、转换条 件、动作说明。件、动作说明。 1 1 启动启动 压压ST1ST1 2 2 压压ST2ST2 3 3 工进工进 车停原位车停原位 快退快退 快进快进 压压ST3ST3 4 4 正在执行的步叫活动步，正在执行的步叫活动步， 当前一步为活动步且转换当前一步为活动步且转换 条件满足时，启动下一步条件满足时，启动下一步 并终止前一步。并终止前一步。 SB2 SQ SB1 输入部分输入部分用户程序用户程序输出部分输出部分 KM 第三节第三节 可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理 一

20、、一、PLCPLC控制系统的等效工作电路控制系统的等效工作电路 0500 PLC COM 0000 0000 0001 0002 0000 0500 00010002 0500 COM 0001 0002 1 1、输入部分、输入部分 由外部输入电路、由外部输入电路、PLCPLC输入接线端子和输入继电器组成。输入接线端子和输入继电器组成。 在在PLCPLC内部，与输入端子相连的输入继电器是内部，与输入端子相连的输入继电器是 “软继电软继电 器器”（即存储器基本单元中的某一位），采用八进制编号，（即存储器基本单元中的某一位），采用八进制编号， 可提供无数个常开和常闭触点供可提供无数个常开和常闭触点

21、供PLCPLC内部控制电路编程使用。内部控制电路编程使用。 输入继电器只能由现场的输入元件（开关、按钮等）信输入继电器只能由现场的输入元件（开关、按钮等）信 号驱动，不能用程序驱动。故梯形图中只能使用输入继电号驱动，不能用程序驱动。故梯形图中只能使用输入继电 器触点，不能使用输入继电器线圈。器触点，不能使用输入继电器线圈。 输入继电器线圈的输入继电器线圈的“得电得电”即将外部输入元件的状态写即将外部输入元件的状态写 入对应的基本单元中。入对应的基本单元中。 2 2、内部控制电路、内部控制电路 指由用户程序（梯形图或指令语句）形成的用指由用户程序（梯形图或指令语句）形成的用“软继电软继电 器器”

22、来代替硬继电器的控制逻辑。来代替硬继电器的控制逻辑。 作用：按照用户程序规定的逻辑关系，对输入信号和输作用：按照用户程序规定的逻辑关系，对输入信号和输 出信号的状态进行检测、判断、运算和处理，然后得到相出信号的状态进行检测、判断、运算和处理，然后得到相 应输出。应输出。 3 3、输出部分、输出部分 输出部分由输出部分由PLCPLC内部与内部控制电路隔离的输出继电器内部与内部控制电路隔离的输出继电器 的外部常开触点、输出接线端子和外部驱动电路组成。的外部常开触点、输出接线端子和外部驱动电路组成。 用来驱动外部负载。用来驱动外部负载。 在在PLCPLC内部，外部输出触点与输出端子相连，向外部负内部

23、，外部输出触点与输出端子相连，向外部负 载输出信号，且一个输出继电器只有一个常开型外部输载输出信号，且一个输出继电器只有一个常开型外部输 出触点。出触点。 输出继电器有无数个内部常开和常闭触点，编程时可输出继电器有无数个内部常开和常闭触点，编程时可 随意使用。随意使用。 二、二、PLCPLC的工作方式及工作过程的工作方式及工作过程 v 工作方式：周期循环顺序扫描工作方式：周期循环顺序扫描 v一个循环扫描过程称为扫描周期。扫描过程分为三个阶一个循环扫描过程称为扫描周期。扫描过程分为三个阶 段进行：段进行： 输入采样输入采样程序执行程序执行输出刷新输出刷新 输入采样输入采样程序执行程序执行输出刷新

24、输出刷新 一个扫描周期一个扫描周期 Y0 Y1 Yn 输输 入入 映映 像像 寄寄 存存 器器 采样采样 元元 素素 映映 像像 寄寄 存存 器器 写写 写写 读读 X0 Y0 Y0 M0 输输 出出 锁锁 存存 电电 路路 输输 出出 端端 子子 输输 入入 端端 子子 读读 PLC PLC的工作过程的工作过程 X0 X1 Xn 刷新刷新 PLCPLC具体工作过程如下：具体工作过程如下： 1 1、输入采样阶段、输入采样阶段 PLCPLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态 （开或关、即（开或关、即ONON或或OFFOFF、“1”1”或或“0”0

25、”）读入到输入）读入到输入 映像寄存器中寄存起来，称为对输入信号的采样。映像寄存器中寄存起来，称为对输入信号的采样。 接着转入程序执行阶段，在程序执行期间，即使输入接着转入程序执行阶段，在程序执行期间，即使输入 状态变化，输入映像寄存器的内容也不会改变。输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不会改变。输入 状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才 被重新读入。被重新读入。 2 2、程序执行阶段、程序执行阶段 程序执行阶段，程序执行阶段，PLCPLC对程序按顺序进行扫描。对程序按顺序进行扫描。 如果程序用梯形图表示，则总是按先左后右、先上后如果程序用梯形图表示，则总是按先左后右、先上后 下的顺序进行扫描；下的顺序进行扫描； 每扫描到一条指令时，所需要的输入元件状态或其它每扫描到一条指令时，所需要的输入元件状态或其它 元件的状态分别由输入映像寄存器和元件映像寄存器中元件的状态分别由输入映像寄存器和元件映像寄存器中 读出，而将执行结果写入到元件映像寄存器中；读出，而将执行结果写入